Tehovahvistus (tai yksinkertaisesti vahvistus) on yksiköittäinen mitta, joka yhdistää antennin hyötysuhteen ϵ a n t e n n a {\displaystyle \epsilon _{antenna}}
ja suuntaavuus D: G = ϵ a n t e n n a ⋅ D . {\displaystyle G=\epsilon _{antenna}\cdot D.}
Hyötysuhteen ja suuntaavuuden käsitteet riippuvat seuraavasta.
HyötysuhdeEdit
Hyötysuhde ϵ a n t e n n a {\displaystyle \epsilon _{antenna}}
on antennin kokonaissäteilyteho P o {\displaystyle P_{o}}
jaettuna syöttöpisteen tuloteholla ϵ a n t e n n a = P o P i n {\displaystyle \epsilon _{antenna}={P_{o} \ yli P_{in}}}
Lähetysantenniin syötetään virtaa syöttöjohdosta eli siirtojohdosta, joka yhdistää antennin radiolähettimeen. Syöttöteho P i n {\displaystyle P_{in}}
antenniin määritellään yleensä antennin päätepisteisiin (syöttöpisteeseen) syötetyksi tehoksi, joten antennin tehohäviöt eivät sisällä tehohäviöitä, jotka johtuvat syöttöjohdossa tapahtuvasta joule-kuumenemisesta ja antenni/johtoimpedanssin epäsovituksesta johtuvista heijastuksista takaisin syöttöjohtoon.
Sähkömagneettinen vastavuoroisuusteoreema takaa, että antennin sähköiset ominaisuudet, kuten hyötysuhde, suuntaavuus ja vahvistus, ovat samat silloin, kun antennia käytetään vastaanottoon, kuin silloin, kun se lähettää.
SuuntaavuusMuokkaa
Antennin suuntaavuus määräytyy sen säteilykuvion mukaan, eli sen mukaan, miten säteilyteho jakautuu suunnan mukaan kolmessa ulottuvuudessa. Kaikki antennit ovat enemmän tai vähemmän suuntaavia, eli ne säteilevät enemmän tehoa joihinkin suuntiin kuin toisiin. Suunta määritetään tässä pallokoordinaatistossa ( θ , ϕ ) {\displaystyle (\theta ,\phi )} {\displaystyle (\theta ,\phi )}
, missä θ {\displaystyle \theta } {\displaystyle \theta }
on korkeus tai kulma tietyn vertailutason (kuten maanpinnan) yläpuolella, kun taas ϕ {\displaystyle \phi }
on atsimuutti kulmana, joka muodostuu annetun suunnan projisoinnista viitetasoon ja määritellyn viitesuunnan (kuten pohjoinen tai itä) välisestä kulmasta kyseisessä tasossa määritellyllä merkillä (joko myötä- tai vastapäivään).
Lähdötehon jakauma mahdollisten suuntien ( θ , ϕ ) funktiona {\displaystyle (\theta ,\phi )}
saadaan sen säteilyintensiteetistä U ( θ , ϕ ) {\displaystyle U(\theta ,\phi )}
(SI-yksiköissä: wattia per steradiaani, W⋅sr-1). Lähtöteho saadaan säteilyn intensiteetistä integroimalla jälkimmäinen kaikkien avaruuskulmien yli d Ω = cos θ d θ d ϕ {\displaystyle d\Omega =\cos \theta \,d\theta \,d\phi }
: P o = ∫ – π π ∫ – π / 2 π / 2 U ( θ , ϕ ) d Ω = ∫ – π π ∫ – π / 2 π / 2 U ( θ , ϕ ) cos θ d θ d ϕ . {\displaystyle P_{o}=\int _{-\pi }^{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2}U(\theta ,\phi )\,d\Omega =\int _{-\pi }^{\pi }^{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2}U(\theta ,\phi )\cos \theta \,d \theta \,d\phi .}
Keskimääräinen säteilyintensiteetti U ¯ {\displaystyle {\overline {U}}}
saadaan siis kaavalla U ¯ = P o 4 π {\displaystyle {\overline {U}}={\frac {P_{o}}{4\pi }}~~}
koska pallossa on 4π steradiaania = ϵ a n t e n n a ⋅ P i n 4 π {\displaystyle ={\frac {\epsilon _{antenna}\cdot P_{in}}{4\pi }}}
käyttäen ensimmäistä kaavaa P o {\displaystyle P_{o}}
.
Suuntavahvistus tai suuntaavuus D ( θ , ϕ ) {\displaystyle D(\theta ,\phi )} {\displaystyle D(\theta ,\phi )}
on antennin säteilyintensiteetin U ( θ , ϕ ) {\displaystyle U(\theta ,\phi )} suhde tiettyyn suuntaan.
kyseisessä suunnassa sen keskimääräiseen säteilyintensiteettiin U ¯ {\displaystyle {\overline {U}}}
. Toisin sanoen D ( θ , ϕ ) = U ( θ , ϕ ) U ¯ . {\displaystyle D(\theta ,\phi )={\frac {U(\theta ,\phi )}{\overline {U}}}.}
Isotrooppisella antennilla eli antennilla, jolla on sama säteilyn voimakkuus kaikissa suunnissa, on siis suuntaavuus, D = 1, kaikissa suunnissa riippumatta sen tehosta. Yleisemmin minkä tahansa antennin suurin, pienin ja keskimääräinen suuntaavuus on aina vähintään 1, enintään 1 ja täsmälleen 1. Puoliaaltodipolin vastaavat arvot ovat 1,64 (2,15 dB), 0 ja 1.
Kun suuntaavuus D{\displaystyle D}
antennille annetaan suunnasta riippumatta, sillä tarkoitetaan sen suurinta suuntaavuutta missä tahansa suunnassa, eli D = max θ , ϕ D ( θ , ϕ ) . {\displaystyle D=\max _{\theta ,\,\phi } D(\theta ,\phi ).}
GainEdit
Tehon vahvistus tai yksinkertaisesti vahvistus G ( θ , ϕ ) {\displaystyle G(\theta ,\phi )}
antennin teho tietyssä suunnassa ottaa huomioon tehokkuuden, sillä se määritellään sen säteilyintensiteetin U ( θ , ϕ ) {\displaystyle U(\theta ,\phi )} suhteena.
kyseisessä suunnassa verrattuna täydellisen tehokkaan antennin keskimääräiseen säteilyintensiteettiin. Koska jälkimmäinen on yhtä suuri kuin P i n / 4 π {\displaystyle P_{in}/4\pi }
, se saadaan siis seuraavasti: G ( θ , ϕ ) = U ( θ , ϕ ) P i n / 4 π {\displaystyle G(\theta ,\phi )={\frac {U(\theta ,\phi )}{P_{in}/4\pi }}}}
= ϵ a n t e n n a ⋅ U ( θ , ϕ ) U ¯ {\displaystyle =\epsilon _{antenna}\cdot {\frac {U(\theta ,\phi )}{\overline {U}}}}
käyttämällä toista yhtälöä U ¯ {\displaystyle {\overline {U}}}
= ϵ a n t e n n a ⋅ D ( θ , ϕ ) {\displaystyle =\epsilon _{antenna}\cdot D(\theta ,\phi )} }
käyttäen yhtälöä D ( θ , ϕ ) . {\displaystyle D(\theta ,\phi ).}
Kuten suuntaavuuden kohdalla, kun vahvistus G {\displaystyle G}
annetaan suunnasta riippumatta, sillä tarkoitetaan antennin maksimivahvistusta missä tahansa suunnassa. Koska ainoa ero vahvistuksen ja suuntaavuuden välillä missä tahansa suunnassa on vakiokerroin ϵ a n t e n n a {\displaystyle \epsilon _{antenni}}
riippumaton θ {\displaystyle \theta}.
ja ϕ {\displaystyle \phi }
, saadaan tämän jakson peruskaava: G = ϵ a n t e n n a ⋅ D . {\displaystyle G=\epsilon _{antenna}\cdot D.}
SummaryEdit
Jos vain tietty osa lähettimestä vastaanotetusta sähkötehosta todella säteilee antennin kautta (eli hyötysuhde on alle 100 %), niin direktiivivahvistus vertaa tiettyyn suuntaan säteilevää tehoa tähän pienentyneeseen tehoon (vastaanotetun kokonaistehon sijasta), jolloin tehottomuus jätetään huomiotta. Suuntaavuus on siis suurin suuntaavuusvahvistus, kun se otetaan kaikista suunnista, ja se on aina vähintään 1. Toisaalta tehovahvistus ottaa huomioon huonomman hyötysuhteen vertaamalla tiettyyn suuntaan säteilevää tehoa todelliseen tehoon, jonka antenni vastaanottaa lähettimestä, mikä tekee siitä käyttökelpoisemman tunnusluvun, joka kuvaa antennin osuutta lähettimen kyvyssä lähettää radioaaltoa kohti vastaanotinta. Jokaisessa suunnassa isotrooppisen antennin tehovahvistus on yhtä suuri kuin hyötysuhde, joten se on aina korkeintaan 1, vaikka se voi ja sen pitäisi suunta-antennin tapauksessa ihanteellisesti olla suurempi kuin 1.
Huomaa, että impedanssin epäsuhdan tapauksessa Pin laskettaisiin lähetysjohdon saapuvasta tehosta vähennettynä heijastuneella teholla. Tai vastaavasti antennin päätepisteiden rms-jännitteen V suhteen:
P i n = V 2 ⋅ Re { 1 Z i n } {\displaystyle P_{in}=V^{2}\cdot {\text{Re}}\left\lbrace {\frac {1}{Z_{in}}}\right\rbrace }
