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アンテナの有効開口:公式とフリース方程式

アンテナの有効開口径とは何ですか?

のアンテナの有効開口とも呼ばれる有効領域 (Aeは、受信アンテナが入射電磁波からどれだけ効率的に電力を捕捉するかを表します。これは、アンテナの物理的な開口部ではなく、等価受信面積です。

最大受信方向から到来する偏波整合平面波の場合、有効開口は入射電力密度とアンテナ端子で利用可能な電力を結びつける。

If S入射電力密度はW/m²です。2そしてPr利用可能な受信電力(ワット)は、次のようになります。

Pr= SAe

入射方向と偏光が一致している場合、有効開口径が大きいほど、同じ入射光からより多くの電力を収集できる。

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有効開口径は、放射効率や導体損失、誘電体損失などのアンテナ損失を考慮に入れたものです。したがって、物理的なサイズだけでなく、使用可能な受信性能を測定する指標となります。開口効率、インピーダンス不整合、偏波不整合はすべて、受信機に供給される電力を低下させる可能性があります。

有効開口径の公式とアンテナ利得

アンテナの最大有効開口は、その利得と関連している。G波長λによる:

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Ae= Gλ2/(4π)

この式では、ゲインをdBiではなく線形比として使用します。ゲインを変換するにはG = 10G(dBi)/10波長が等しいためc/fゲインを一定に保った場合、有効開口は周波数の増加とともに減少する。

逆に、同じ物理的開口径を持つアンテナは、開口効率が同程度であれば、より短い波長でより高い利得を得ることができます。この関係性は、エンジニアが周波数帯域ごとの受信能力を比較するのに役立ちます。

有効絞り値の決定方法

実効開口は、基準アンテナとの比較によって測定された利得から計算するか、校正済みの受信電力測定値から推定することができます。この結果は、リンクバジェット、アンテナ測定、およびシステム感度推定に役立ちます。

計測アプリケーションについては、RF MISO の製品をご覧ください。標準利得ホーンアンテナこれらは、指定された周波数帯域において既知の利得を提供する。

フリース透過方程式における有効開口の使用

のフリース伝達方程式自由空間遠方界リンクにおける送信電力、アンテナ利得、波長、分離距離の関係を示します。送信利得については、Gt受信機ゲインGr波長λ距離R受信アンテナで利用可能な電力を推定します。

使用Pr= SAe受信有効開口の役割を明確にする。送信アンテナは受信機における電力密度を決定し、受信アンテナはその電界の一部を端末電力に変換する。

フリース伝達公式の導出

距離が離れている2つのアンテナを考えてみましょうR障害物のない自由空間において。受信アンテナは送信機の遠方界内に設置する必要があり、アンテナは方向と偏波が一致している必要がある。

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If Ptワットが理想的な等方性送信アンテナに供給されると、電力は球面上に広がります。距離R入射電力密度は次のようになります。

41bd284bf819e176ae631950cd267f7

図1. 送信(Tx)アンテナと受信(Rx)アンテナは、R.

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ゲインを持つ実用的な送信アンテナGt受信機に向かうにつれて、入射電力密度はその利得係数だけ増加する。

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受信アンテナの有効開口がAe利用可能な受信電力は、入射電力密度にAe:

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受信アンテナの利得と開口径の関係を代入すると、次のようになる。

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したがって、受信電力は、おなじみの自由空間形式で表すことができる。

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式1。波長に関するフリスの透過方程式。

式1送信電力、アンテナ利得、波長、および分離距離の関係式です。これは、遠方界における見通し線自由空間伝搬に有効です。実際のシステムでは、ケーブル損失、コネクタ損失、指向誤差、大気減衰、その他の伝搬効果に関する追加項が必要となります。

フリース方程式の周波数形式

なぜならλ = c/fこの方程式は周波数を用いて表すこともできます。

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式2。周波数に関するフリース伝達方程式。

周波数が受信電力に与える影響

アンテナ利得と距離が一定の場合、フリース方程式によれば、波長が短くなるため、周波数が高くなるにつれて受信電力は低下すると予測されます。この比較では、各周波数における利得値が同じであることを前提としています。

しかし、物理的な開口部が固定されたアンテナの場合、一般的に波長が短くなるにつれて利得は増加します。したがって、高周波およびミリ波リンクでは、指向性高利得アンテナを使用することで優れた性能を実現できますが、リンクバジェットには指向精度、大気吸収、降雨、およびハードウェア損失も考慮する必要があります。

フリース方程式は、完全な伝搬モデルとしてではなく、自由空間における基準値として使用してください。この方程式は、遠方界での動作、遮蔽物のない見通し線、およびアンテナが正しく配置されていることを前提としています。

偏光ミスマッチ

送信アンテナと受信アンテナの偏波が一致していない場合は、理想的な受信電力に偏波損失係数(PLF)を乗じます。正規化された偏波ベクトルの場合、PLFは0から1の範囲で、1は完全な一致を表します。以下の一般化された形式には、この不一致項が含まれています。

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式3。偏波不整合を含む一般化フリース透過方程式。

主なポイント

  • 有効開口は、入射電力密度を受信可能な電力に変換する。
  • 利益を得るためG波長λ, Ae= Gλ2/(4π).
  • 開口径とフリース係数の計算では、dBiではなく線形利得を使用してください。
  • フリース理論は遠距離の見通し線自由空間リンクに適用されますが、実際のリンクバジェットでは追加の損失を考慮する必要があります。

RF MISOは標準利得ホーンアンテナまた、測定、校正、システム統合のためのその他のRFアンテナソリューションも提供しています。RF MISOにお問い合わせください周波数範囲、ゲイン、インターフェース要件について話し合う。

Eメール:info@rf-miso.com
電話番号:0086-028-82695327


投稿日時:2024年1月8日

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