Figura 1. Regiones del haz principal y de los lóbulos laterales utilizadas para definir la eficiencia del haz de la antena.
¿Qué es la eficiencia del haz de una antena?
eficiencia del haz de la antenaLa eficiencia del haz principal, también conocida como ε, es la fracción de la potencia radiada total de una antena que se encuentra dentro de una región definida del haz principal. Responde a una pregunta práctica de diseño: ¿cuánta de la radiación disponible se concentra hacia el sector angular deseado en lugar de distribuirse en lóbulos laterales y el lóbulo posterior?
Para una antena receptora, la reciprocidad permite considerar la misma idea como la fracción de potencia recibida que se capta a través del haz principal cuando las condiciones de campo circundante y polarización se definen de forma consistente. Por lo tanto, la eficiencia del haz es especialmente útil en radares, radiometría, enlaces satelitales, sistemas de microondas punto a punto y medición de antenas, donde la energía que llega o sale de direcciones no deseadas puede reducir la precisión o aumentar la interferencia.
En la Figura 1, el lóbulo principal está centrado en el eje z. Si el ángulo del cono θ1marca el primer punto nulo u otro límite del haz principal especificado explícitamente, la eficiencia del haz se calcula integrando el patrón de potencia dentro de ese cono y dividiéndolo por la potencia integrada sobre el patrón de radiación completo.
Fórmula de eficiencia del haz de la antena
Utilizando el patrón de potencia normalizado Pn(θ,φ), la expresión general de la eficiencia del haz se muestra a continuación:
El numerador representa la potencia contenida dentro del ángulo sólido del haz principal seleccionado, ΩMBEl denominador representa la potencia radiada total integrada sobre 4π estereorradianes. El valor resultante, ηB, es adimensional y normalmente se informa como un porcentaje.
- Pn(θ,φ)es el patrón de potencia normalizado. Si se utilizan datos de campo eléctrico medidos, el término de potencia correspondiente es proporcional a |E|.2.
- ΩMBes la región del haz principal especificada, a menudo delimitada por los primeros nulos o por un ángulo de cono definido.
- θ y φson las coordenadas de elevación y acimut que se utilizan para describir el patrón de radiación completo.
El límite del haz principal siempre debe indicarse junto con el resultado. Dos laboratorios pueden obtener valores numéricos diferentes a partir del mismo patrón si uno integra hasta el primer punto nulo, mientras que el otro utiliza un cono angular fijo. Para un haz puntual aproximadamente simétrico rotacionalmente, la integración se puede simplificar como se muestra en la siguiente expresión.
¿Cómo se mide la eficiencia del haz de una antena?
La eficiencia del haz se obtiene a partir de datos del patrón de radiación, en lugar de una única lectura del eje principal. Se puede utilizar un campo lejano calibrado, un campo de prueba de antenas compacto o un sistema de campo cercano con una transformación de campo lejano validada. En el caso de los arreglos de fase, la medición debe repetirse para cada estado del haz, frecuencia y polarización requeridos, ya que los errores de escaneo, amplitud o fase pueden redistribuir la potencia en lóbulos laterales.
- Mide el patrón de radiacióncon una cobertura angular suficiente para incluir el haz principal, los lóbulos laterales y el lóbulo posterior.
- Convierta el campo medido en un patrón de potencia.y aplicar la misma normalización a cada muestra angular.
- Defina el límite del haz principal, como por ejemplo el primer contorno nulo o un ángulo de cono específico.
- Integrar el poder dentro de ese límitey divídalo por la potencia integrada sobre el patrón completo.
- Informe sobre las condiciones de la prueba.incluyendo frecuencia, polarización, estado del haz, resolución angular y definición del límite.
Un par de cortes bidimensionales en los planos E y H pueden mostrar el comportamiento del ancho del haz y los lóbulos laterales, pero normalmente no proporcionan un valor completo de eficiencia del haz tridimensional a menos que se haya justificado la simetría rotacional. Los datos de patrón de esfera completa o suficientemente completos dan un resultado más fiable. Obtenga más información sobre RF MISO.capacidades de prueba de antenas.
Eficiencia del haz frente a otros términos de eficiencia de antena
Eficiencia del haz frente a eficiencia de la radiación
Eficiencia de radiaciónCompara la potencia radiada con la potencia aceptada por la antena y, por lo tanto, refleja las pérdidas del conductor y del dieléctrico.eficiencia del hazDescribe hacia dónde se dirige la potencia radiada. Una antena puede tener bajas pérdidas internas pero aun así presentar una eficiencia de haz moderada si aparece una potencia sustancial en los lóbulos laterales o en el lóbulo posterior.
Eficiencia del haz frente a directividad y ganancia
DirectividadDescribe la concentración máxima del patrón de radiación en relación con un radiador isotrópico. La ganancia combina la directividad con la eficiencia de radiación, mientras que la ganancia realizada también considera el desajuste de impedancia. La eficiencia del haz es diferente porque integra la potencia en una región angular en lugar de evaluar únicamente la dirección máxima.
Eficiencia del haz frente al ancho del haz
El ancho de haz a media potencia es la anchura angular entre los puntos de -3 dB del lóbulo principal. Un haz estrecho suele ir acompañado de una alta directividad, pero esto no garantiza por sí solo una alta eficiencia del haz. Un patrón puede tener un pico estrecho y aun así enviar una cantidad significativa de energía a los lóbulos laterales. Por lo tanto, el ancho de haz y el nivel de los lóbulos laterales deben analizarse junto con el valor de eficiencia del haz integrado.
¿Qué factores controlan la eficiencia del haz de la antena?
1. Niveles de lóbulos laterales y lóbulos posteriores
La potencia fuera de la región del haz principal seleccionada reduce directamente la eficiencia del haz. Los lóbulos laterales elevados pueden deberse a discontinuidades en la apertura, espaciado entre los elementos del arreglo, errores de amplitud o un perfil de iluminación no optimizado para el patrón requerido. La radiación posterior y la dispersión de estructuras cercanas pueden tener un efecto similar.
2. Iluminación de apertura y atenuación de amplitud
Las antenas de apertura y los conjuntos de antenas utilizan una distribución de amplitud a lo largo de la apertura radiante. Una distribución casi uniforme puede producir un haz principal estrecho y una alta directividad, pero también puede generar lóbulos laterales relativamente altos. La aplicación de una atenuación de amplitud puede suprimir los lóbulos laterales y concentrar una mayor parte de la potencia total del patrón en la región deseada, aunque una atenuación excesiva puede ensanchar el haz principal y reducir la ganancia máxima o la eficiencia de la apertura. Por lo tanto, la configuración óptima depende de las necesidades específicas de cada aplicación.
3. Desbordamiento de la alimentación y bloqueo estructural
En una antena reflectora, la energía que no incide en el reflector se considera dispersión y no contribuye al haz principal deseado. Los soportes de alimentación, un subreflector o componentes cercanos también pueden bloquear o dispersar parte del campo de apertura. Una correcta selección de la alimentación, el posicionamiento focal y la alineación mecánica ayudan a controlar estas pérdidas y los lóbulos no deseados.
4. Errores de fase, amplitud y superficie
El desequilibrio de fase entre los elementos del conjunto, las pérdidas de alimentación desiguales, las tolerancias de fabricación, los errores en la superficie del reflector y la distorsión del radomo pueden desviar la energía del haz previsto. Estos efectos suelen ser más importantes a medida que aumenta la frecuencia, ya que un error dimensional fijo representa una fracción mayor de la longitud de onda.
5. Pureza de polarización
Algunas definiciones de eficiencia del haz solo consideran la potencia en la polarización deseada. La radiación de polarización cruzada, tanto dentro como fuera del haz principal, puede reducir el valor reportado. La polarización debe especificarse de forma consistente en las simulaciones, las mediciones y los requisitos del sistema.
La eficiencia del haz, el ancho del haz y el ancho de banda son diferentes.
eficiencia del hazes una relación de potencia angular integrada.ancho del hazDescribe la anchura angular del lóbulo principal a un nivel determinado, normalmente los puntos de media potencia o de -3 dB.Ancho de banda de la antenaDescribe el rango de frecuencias en el que se cumplen los requisitos seleccionados. Estos parámetros se influyen mutuamente, pero no son intercambiables.
Un diseño puede mantener una ROE aceptable en un amplio rango de frecuencias, mientras que su dirección de haz, nivel de lóbulos laterales o eficiencia de haz cambian sustancialmente cerca de los bordes de la banda. Por lo tanto, el rendimiento del patrón debe verificarse en varias frecuencias en lugar de inferirse únicamente a partir del ancho de banda de impedancia. Para un tratamiento detallado de las definiciones de rango de frecuencia, consulteAncho de banda de la antena.
¿Cómo se puede mejorar la eficiencia del haz?
- Elija una apertura cónica que equilibre la supresión de lóbulos laterales, el ancho del haz principal y la ganancia.
- Optimice la posición de alimentación del reflector, la iluminación de los bordes y el desbordamiento.
- Utilice un espaciado adecuado entre los elementos y un control preciso de la amplitud o la fase en los conjuntos de antenas para evitar lóbulos de difracción.
- Reduce las obstrucciones, la dispersión de cables y las interacciones no deseadas con la estructura de montaje o el radomo.
- Controlar las tolerancias de mecanizado, la precisión de la superficie y la alineación a la frecuencia de funcionamiento más alta.
- Verifique los patrones copolares y de polarización cruzada en toda la banda de operación y en cada estado del haz requerido.
¿Dónde es más importante la eficiencia de las luces altas?
La alta eficiencia del haz es especialmente valiosa cuando la potencia o la energía recibida deben confinarse a una dirección bien definida. Algunos ejemplos típicos incluyen radares de seguimiento y obtención de imágenes de objetivos, enlaces de comunicación por satélite, radioastronomía y radiometría, enlaces de microondas punto a punto, sistemas de alimentación por reflector, antenas de calibración y conjuntos de antenas de dirección electrónica.
No existe un porcentaje de eficiencia de haz universal que sea válido para todas las antenas. Un requisito útil debe especificar la frecuencia de operación, la polarización, el estado del haz y el límite angular, junto con un comportamiento aceptable de los lóbulos laterales y posteriores. Esto permite comparar directamente los datos del proveedor, las simulaciones y los resultados medidos.
¿Qué deben comprobar los compradores en la ficha técnica de una antena?
Cuando el control del haz es importante, no evalúe una antena basándose únicamente en la ganancia máxima. Consulte con el fabricante qué datos de patrón y condiciones de prueba están disponibles para el modelo y el rango de frecuencia exactos.
- Rango de frecuencia de funcionamiento y frecuencias utilizadas para mediciones de patrones.
- Ganancia, ancho de haz a media potencia y nivel del primer lóbulo lateral en función de la frecuencia.
- Patrones de radiación copolar y polar cruzada en los planos requeridos o sobre un escaneo esférico.
- El límite angular y la polarización utilizados para calcular la eficiencia del haz, cuando se especifica dicho valor.
- VSWR, interfaz de conector o guía de ondas, manejo de potencia y requisitos ambientales
- Tolerancias mecánicas, disposición de montaje y cualquier configuración de alimentación del radomo o reflector.
Soluciones de antenas de microondas RF MISO
RF MISO suministra antenas de microondas y ondas milimétricas para medición, radar, comunicación e integración de sistemas. Las familias de productos relevantes incluyen:antenas de bocina de ganancia estándar, antenas reflectorasyantenas de matrizLas especificaciones del modelo y los datos de prueba disponibles deben revisarse en función de la frecuencia, la polarización, la ganancia y el rendimiento del patrón requeridos.
Para la selección de antenas o un requisito personalizado,Contacto RF MISO at info@rf-miso.com.
Fecha de publicación: 12 de julio de 2024
