Формула для расчета кнд антенны
Для определения эффективности антенной системы необходимо использовать формулу, которая позволяет рассчитать коэффициент усиления(KНД). КНД антенны является важным показателем, который определяет эффективность передачи и приема сигнала.
КНД антенны представляет собой отношение мощности, излученной или принятой антенной по направлению максимального излучения, к мощности излученной или принятой этой же антенной, при одинаковой энергии, по направлению радиально.
Для расчета КНД антенны используется следующая формула:
| KНД | = | (Uf/Ut)² * Af * Gf |
- KНД — коэффициент усиления антенны;
- Uf — напряжение на антенной клемме при излучении;
- Ut — напряжение на антенной клемме при приеме;
- Af — площадь апертуры антенны;
- Gf — коэффициент усиления апертуры антенны.
Что такое антенна и как она работает?
Основная задача антенны – это эффективное излучение или прием радиоволн определенной длины. При этом, существует несколько факторов, которые влияют на ее работу, такие как форма и размер антенны, ее размещение и ориентация. Чтобы обмен информацией между устройствами происходил успешно, необходимо соблюдать оптимальные параметры антенны.
Важно отметить, что антенны различаются по своему назначению и характеристикам. Например, существуют антенны для радиоэфира, телевизии, радиосвязи, спутникового оборудования и многих других целей. Каждая из них имеет свои особенности, исходя из требований конкретного применения.
- Некоторые из основных типов антенн:
- Дипольная антенна – простейший тип антенны, представляющий собой провод прямой или изогнутой формы, расположенный вдоль направления волны;
- Петлевая антенна – создает магнитное поле вокруг провода, что позволяет ей обнаруживать и принимать радиоволны определенной поляризации;
- Параболическая антенна – имеет форму парсека и фокусирует радиоволны в одну точку для получения сильного сигнала;
- Ультразвуковая антенна – использует эффект пьезоэлектрического излучения для передачи и приема волн определенной частоты.
Таким образом, антенна играет важную роль в современной технике и коммуникациях, позволяя нам передавать и принимать радиоволны, обеспечивая связь между устройствами и обмен информацией на различных расстояниях.
Основные понятия и принципы действия антенны
Основными понятиями, связанными с антеннами, являются направленность, усиление и диаграмма направленности. Направленность антенны определяет, в каком направлении она излучает или принимает сигналы с наибольшей интенсивностью. Усиление антенны показывает разницу между мощностью сигнала в заданном направлении и ее мощностью при одинаковой мощности излучения во всех направлениях. Диаграмма направленности представляет собой график, отражающий изменение уровня силы сигнала в зависимости от угла отклонения от направления максимального излучения.
Важно понимать, что антенны могут быть как направленными, так и не направленными. Направленные антенны предназначены для фокусировки сигнала в определенном направлении и имеют более узкую диаграмму направленности, что позволяет снизить помехи. Ненаправленные антенны излучают энергию равномерно во все стороны, что может быть полезно в случаях, когда необходимо обеспечить равномерное покрытие большой площади.
Таблица с примерами антенн и их особенностями
- Антенны являются ключевыми компонентами безжичных коммуникационных систем и радиосвязи.
- Направленность антенны может быть определена с помощью диаграммы направленности, которая показывает уровень сигнала в разных направлениях.
- Различные типы антенн имеют свои уникальные особенности и применяются в различных областях радиотехники.
История развития антенных технологий
С развитием технологий появились новые виды антенн, такие как ферритовая антенна, которая использовалась в качестве приемника и передатчика радиосигналов. Ферритовая антенна состояла из керамического или стеклянного стержня с ферритовыми материалами внутри. Она позволяла получать сигналы издалека и улучшала их качество. Позже были разработаны и другие типы антенн, такие как параболическая антенна и магниторазносимые антенны, которые обеспечивали высокую дальность и точность приема и передачи сигналов.
Сегодня существует множество различных типов антенн, каждая из которых предназначена для определенной задачи. Они используются в различных областях, от телевидения и мобильной связи до спутниковой навигации и радиолокации. Развитие антенных технологий продолжается, и в будущем ожидается создание еще более продвинутых и эффективных антенн.
От первых радиосвязей до современных высокочастотных систем
С течением времени, с развитием радиотехнологий, антенны приобрели все большую сложность и многообразие форм. С появлением высокочастотных систем связи стали использоваться антенны с более сложной геометрией, такие как диполи, петли, спирали, параллельные провода и т.д. Эти антенны обладают более высоким уровнем направленности и могут передавать и принимать более широкий диапазон частот. Однако, с развитием технологий и повышением требований к связи, возникла необходимость создания более совершенных антенн.
Наиболее распространенные виды антенн в высокочастотных системах:
- Параболические антенны: эти антенны имеют форму параболоида и используются для передачи и приема сигналов на очень большие расстояния. Они обладают очень высоким уровнем направленности и используются в спутниковой связи и радиорелейных системах.
- Логопериодические антенны: эти антенны используются в широкополосных системах связи и обладают уникальными свойствами адаптации к различным частотам. Они состоят из серии параллельных проводов различной длины и ширины, которые позволяют использовать их в широком диапазоне частот.
- Ультракоротковолновые антенны: эти антенны используются в системах связи на очень высоких частотах и обладают очень высокой пропускной способностью. Они представляют собой сложный комплекс антенн, включающий множество элементов и использующийся для передачи и приема сигналов на очень большие расстояния.
Таким образом, от первых простых антенн до современных высокочастотных систем связи прошел долгий путь развития. Современные антенны обладают высоким уровнем направленности, широким диапазоном частот и рассчитаны на передачу и прием сигналов на большие расстояния. На данный момент исследования в области антенных систем продолжаются, и появляются все новые технологии, позволяющие создавать более эффективные и компактные антенны.
Как работает формула Кнда для антенн?
Основной принцип работы формулы Кнда базируется на понятии связи между размерами антенны и ее эффективностью. Формула учитывает такие факторы, как размер антенны, частота, на которой она работает, а также тип облучения – направленное или рассеянное.
Формула Кнда выглядит следующим образом:
- K – коэффициент эффективности антенны;
- A – площадь апертуры антенны;
- e – эффективность антенны;
- λ – длина волны.
Таким образом, формула позволяет расчитать коэффициент эффективности антенны, учитывая ее площадь, тип облучения и работающую частоту. Благодаря этому, инженеры могут выбирать оптимальные размеры антенны и достичь наилучшей производительности при передаче или приеме сигнала.
Пример использования формулы Кнда:
Описание формулы и ее применение в практике
Длина антенны (в метрах) = (скорость света (в м/с) / частота (в Гц)) x коэффициент корректировки
Эта формула является основой для расчета размеров антенны, необходимых для обеспечения эффективного приема и передачи электромагнитных сигналов. В практике формула Фриза используется в различных сферах, связанных с радиосвязью и спутниковыми системами.
Например, при проектировании станций связи или радиопередатчиков для передачи радиосигналов на большие расстояния необходимо учитывать длину антенны в соответствии с заданной частотой. Это позволяет эффективно настроить оборудование для передачи и приема сигналов.
| Коэффициент корректировки | Значение |
|---|---|
| 1 | Для антенн, работающих в вакууме |
| 0.9 | Для антенн, расположенных вблизи поверхности земли |
| 0.7 | Для антенн, расположенных вблизи других структур |
Важно учесть, что формула Фриза лишь один из факторов, влияющих на оптимальное функционирование антенн. Кроме этой формулы, необходимо учитывать и другие параметры, такие как направленность, коэффициент усиления и диаграмма направленности антенны. Все это позволяет создать эффективную систему связи, обеспечивая качественную и надежную передачу и прием сигналов.
Факторы, влияющие на эффективность антенн
1. Форма антенны
Форма антенны может значительно влиять на ее производительность. Некоторые формы, такие как круглый диполь или штырь, обладают широкой диаграммой направленности, что позволяет лучше передавать сигналы во всех направлениях. Другие формы, такие как рефлекторные антенны, сфокусированы на определенных направлениях, что повышает сигнал-шумовое отношение и дальность связи.
Пример: Yagi-Уда антенна использует рефлектор, диполь, директоры и фидеры для создания направленности в заданном направлении. Это особенно полезно для точечных связей на большие расстояния.
2. Размер антенны
Размер антенны также оказывает влияние на ее эффективность. Антенны, соответствующие размеру волны радиоволн, обычно обладают лучшими характеристиками передачи и приема сигналов. Большие антенны имеют более широкую полосу пропускания и более высокую направленность, что позволяет лучше справляться с помехами и улучшать дальность связи.
- Размер волны = скорость света / частота
- Антенны, соответствующие половине длины волны, называются полуволновыми антеннами и обычно имеют наилучшую производительность.
| Частота (МГц) | Длина волны (м) | Длина половинной волны (м) |
| 900 | 0.333 | 0.167 |
| 2400 | 0.125 | 0.0625 |
| 5800 | 0.0517 | 0.0258 |
Пример: Для лучшей производительности в 2,4 ГГц Wi-Fi-антенна должна иметь длину порядка 0,0625 метра (или делимого нацело на 2).
Расчет КНД антенны по диаграмме направленности
Коэффициент направленности (КНД) является важным параметром антенны, определяющим ее способность передавать или принимать электромагнитные волны в заданном направлении. Расчет КНД основывается на анализе диаграммы направленности антенны, которая отображает ее излучение в зависимости от угла и направления в пространстве.
Основными принципами расчета КНД являются:
1. Измерение диаграммы направленности: Для определения КНД необходимо провести измерения сигнала в различных направлениях от антенны. Это можно сделать с помощью специального оборудования, такого как антенный анализатор или спиральное сканирование. Полученные данные затем обрабатываются для построения диаграммы направленности и расчета КНД.
2. Нормировка сигнала: Перед расчетом КНД необходимо нормировать сигналы, полученные в различных направлениях. Для этого можно использовать нормировочный коэффициент, равный максимальному значению сигнала, деленному на сигнал в данном направлении.
3. Расчет КНД: Для расчета КНД необходимо определить отношение суммарной мощности излучения антенны в заданном направлении к суммарной мощности излучения во всех направлениях. Это можно сделать с помощью интегрирования значений диаграммы направленности по заданному углу.
Правильный расчет КНД антенны позволяет оптимизировать ее работу и использовать ее в специальных условиях, таких как узкая направленность или минимизация помех. Это важный этап проектирования и настройки антенной системы, влияющий на ее эффективность и надежность.
Роль КНД антенны и необходимость расчета
Особенности диаграммы направленности антенны, представляющей распределение электромагнитной энергии в пространстве, предопределяют необходимость расчета КНД. Наличие диаграммы направленности позволяет определить, как сильно антенна направляет энергию в желаемом направлении и как сильно она излучает вне этого направления.
Расчет КНД позволяет определить эффективность антенны в конкретных условиях и спрогнозировать ее работу при различных ограничениях и воздействиях. Результаты расчета КНД также могут использоваться для оптимизации дальности и качества связи, улучшения противоречивых характеристик антенны и учета специфических требований технической или научной задачи, для которой она предназначена.
Производство и разработка антенн и их компонентов также практически невозможны без расчета КНД и диаграммы направленности. Расчет КНД позволяет определить оптимальные параметры антенны, распределение ее размеров и соотношение между различными компонентами. Это позволяет снизить затраты на производство и повысить эффективность антенной системы в целом.
Таким образом, расчет КНД антенны является необходимой и важной задачей для определения ее характеристик, эффективности и возможностей. Он позволяет улучшить качество связи, повысить рабочую дальность и оптимизировать процесс проектирования и производства антенной системы.
Важность определения КНД антенны
Определение КНД антенны является важной задачей, поскольку позволяет оптимизировать ее производительность и улучшить качество связи. Например, если антенна используется для передачи сигнала в определенном направлении, то необходимо, чтобы КНД антенны был максимально большим в этом направлении и максимально малым в других направлениях. Это позволит увеличить дальность связи и уменьшить уровень помех.
Для определения КНД антенны обычно используют диаграмму направленности, которая показывает, как меняется усиление антенны при разных углах наклона. На основе этих данных можно производить расчеты и оптимизировать антенну для конкретной задачи.
| Преимущества определения КНД антенны: |
|---|
| 1. Улучшение качества связи и дальности передачи сигнала. |
| 2. Снижение уровня помех и интерференций. |
| 3. Оптимизация антенны для конкретного применения. |
Основные принципы расчета КНД антенны
Основным принципом расчета КНД антенны является определение мощности излучения антенны в заданном направлении. Для этого необходимо разделить мощность, излучаемую антенной в данном направлении, на мощность, которую антенна излучала бы равномерно во всех направлениях.
Мощность излучения антенны в заданном направлении можно вычислить путем интегрирования функции диаграммы направленности антенны по этому направлению. Для этого используется следующая формула:
Мощность излучения в заданном направлении = Мощность излучения в полусферическом направлении / 4π
Мощность излучения в полусферическом направлении представляет собой интеграл от диаграммы направленности антенны по всей полусфере. Интегрирование выполняется по углу от -90° до +90° и по азимуту от 0° до 360°.
Для точного расчета КНД антенны необходимо учитывать такие параметры, как коэффициент усиления антенны, форма и размеры её излучающего элемента, расстояние до приемной антенны, а также характеристики среды распространения сигнала.
В итоге, расчет КНД антенны по диаграмме направленности позволяет определить её эффективность в определенном направлении и выбрать наилучшую ориентацию для достижения максимального уровня сигнала при передаче или приеме данных.
Анализ диаграммы направленности
Для анализа диаграммы направленности можно использовать следующие методы:
- Осциллографический метод: основывается на измерении уровня сигнала, получаемого от антенны, и его визуализации на экране осциллографа. Путем установки осциллографа в различные точки в пространстве и измерения уровней сигнала можно построить диаграмму направленности.
- Измерительный метод: предполагает использование специализированных измерительных приборов, таких как антенный анализатор или спектроанализатор. С помощью этих приборов можно получить значения уровня излучения в различных направлениях и построить диаграмму направленности.
- Расчетный метод: позволяет рассчитать диаграмму направленности исходя из параметров антенны, таких как размеры, форма, материал и конструктивные особенности. Расчеты проводятся с использованием соответствующих математических моделей и алгоритмов.
Проанализировав полученную диаграмму направленности, можно определить основные характеристики антенны:
- Угловая ширина главного лепестка (HPBW): это угловой интервал, в пределах которого уровень излучения превышает половину максимального уровня. HPBW позволяет оценить угловую разрешающую способность антенны.
- Угловое падение излучения (FBR): это разница между уровнем излучения в максимальном направлении и уровнем излучения в заднем направлении. FBR характеризует способность антенны подавлять излучение в сторону, обратную направлению максимальной диаграммы направленности.
- Максимальный уровень излучения: это наибольший уровень излучения, достигаемый антенной в определенном направлении. Максимальный уровень излучения определяет эффективность антенны и ее дальность действия.
Анализ диаграммы направленности является важным этапом проектирования антенн и позволяет выбрать наиболее подходящую антенну для конкретных требований и условий эксплуатации.
Методы расчета КНД антенны
Существует несколько основных методов расчета коэффициента направленности (КНД) антенны по ее диаграмме направленности. Каждый из этих методов имеет свои особенности и применим в различных условиях.
Метод эквивалентного источника является наиболее простым и часто используется для первоначального примерного расчета КНД антенны. Он предполагает замену антенны источником излучения, имеющим мощность, равную излучаемой антенной. При этом КНД антенны определяется как отношение мощности источника к плотности потока энергии в заданном направлении.
Метод механической интеграции основан на принципе анализа диаграммы направленности как функции угла. Путем интегрирования плотности потока энергии по углу можно определить КНД антенны. Этот метод позволяет учесть все физические параметры антенны, такие как ее геометрия, материалы и размеры.
Метод измерения заключается в непосредственном измерении плотности потока энергии в различных направлениях с помощью приборов. После измерения данных можно определить КНД антенны. Данный метод является наиболее точным, но требует специализированного оборудования и проведения экспериментов.
Выбор метода расчета КНД антенны зависит от конкретных задач и условий. В некоторых случаях можно использовать простой метод эквивалентного источника для оценки КНД, в то время как для более точного расчета может потребоваться применение метода механической интеграции или проведение измерений.
Важно отметить, что расчет КНД антенны является сложным процессом, требующим знания физических основ антенн и математических методов анализа. Неправильное определение КНД может привести к некорректным результатам и неправильному использованию антенны.
Коэффициент направленного действия
Коэффициент направленного действия (КНД) ‒ первым словом стоит коэффициент, то есть это безразмерная величина, он показывает во сколько раз в данном направлении антенна излучает больше, чем средняя мощность, излучаемая по всем направлениям.
Давайте теперь визуализируем это определение, чтобы было более понятно. Проще всего показать на графике.
Рисунок 1. График диаграммы направленности
Итак, на рисунке 1 показано нулевое направление, и вид диаграммы направленности F(θ,φ). Поскольку это диаграмма направленности, то максимум у нее нормирован на единицу.
Рисунок 2
Теперь, если меня интересует коэффициент направленного действия, то я хочу узнать, насколько, например, в данном направлении, в единицу телесного угла (рисунок 2 — выделенная полоса), антенна излучает сильнее, нежели средняя мощность излучения по всем направлениям. Средняя, то есть это что? Значит надо взять и как-то усреднить эту всю функцию — примерно по горизонтальной прямой функции Fсредн. Поэтому коэффициент направленного действия — это отношение мощности, излучаемой в верхней точке единицы телесного угла, к Fсредн (рисунок 2).
КНД, обозначается буквой D, это как раз и есть отношение мощности, излучаемой в некотором заданном направлении F(θ,φ) к средней мощности, излучаемой по всем направлениям Fсредн. Средняя мощность, излучаемая по всем направлениям определяется по формуле:, соответственно:
— коэффициент направленности действия.
— в данном случае суммирование, суммируем всю эту функцию F(θ,φ), 4π -интервал (полный телесный угол).
— коэффициент направленности действия (КНД).
Но в выражении для мощности стоит не КНД, а G — коэффициент усиления. Коэффициент усиления — это что? Если это коэффициент, то соответственно это безразмерная величина. Что она характеризует? Коэффициент усиления — это отношение, которое показывает, во сколько раз наша реальная антенна с потерями в данном направлении излучает больше, чем некоторая изотропная антенна, к которой подведена та же самая мощность.
Фактически, изотропную антенну мы уже увидели. Когда я говорил про Fсредн, про среднюю мощность излучения, я нарисовал линию, которая не зависит от углов, то есть, фактически, — это мощность излучения изотропной антенны. А когда мы говорим про нашу антенну, к которой подведена та же самая мощность, но реальную антенну, то в этом случае мы обязательно учитываем потери в антенне. Поэтому коэффициент усиления (КУ) обозначается буквой G, и G = D × η , где — это коэффициент полезного действия (КПД).
Характеристика G для нас самая главная. Коэффициент усиления показывает во сколько раз наша антенна излучает сильнее, нежели изотропная антенна, в данном направлении, при условии, что к нашей реальной антенне и изотропной антенне подведена одна и та же самая мощность. То есть фактически наша антенна характеризуется этим коэффициентом усиления, это во сколько раз она энергию концентрирует эффективнее, чем излучает изотропная антенна.
Для размышления
Подумайте, будет ли влиять на коэффициент усиления антенны увеличение подаваемой мощности в 10 раз? А если увеличить подаваемую мощность в 1000 раз?
Материалы
Теория радиоволн: антенны
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
PS:
Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.