그림 1. 안테나 빔 효율을 정의하는 데 사용되는 주빔 및 측엽 영역.
안테나 빔 효율이란 무엇인가요?
안테나 빔 효율주빔 효율이라고도 하는 이 값은 안테나의 전체 방사 전력 중 정의된 주빔 영역 내에 집중되는 전력의 비율입니다. 이는 실질적인 설계 질문에 대한 답을 제공합니다. 즉, 사용 가능한 방사 전력 중 얼마나 많은 부분이 의도한 각도 영역에 집중되고, 얼마나 많은 부분이 측엽과 후엽으로 분산되는지를 보여줍니다.
수신 안테나의 경우, 상호성 원리를 이용하면 주변 전자기장 및 편파 조건이 일정하게 정의될 때 주 빔을 통해 수집되는 수신 전력의 비율로 동일한 개념을 이해할 수 있습니다. 따라서 빔 효율은 레이더, 복사 측정, 위성 링크, 점대점 마이크로파 시스템 및 안테나 측정과 같이 원치 않는 방향에서 들어오거나 나가는 에너지로 인해 정확도가 저하되거나 간섭이 증가할 수 있는 분야에서 특히 유용합니다.
그림 1에서 주엽은 z축을 중심으로 합니다. 원뿔 각도 θ가1첫 번째 널점 또는 명시적으로 지정된 주빔 경계를 표시하면, 빔 효율은 해당 원뿔 내부의 전력 패턴을 적분하고 이를 전체 방사 패턴에 걸쳐 적분된 전력으로 나누어 계산합니다.
안테나 빔 효율 공식
정규화된 전력 패턴 P를 사용하여n일반적인 빔 효율 표현식(θ,φ)은 아래와 같습니다.
분자는 선택된 주빔 입체각 Ω 내에 포함된 전력을 나타냅니다.MB분모는 4π 스테라디안에 걸쳐 적분된 총 복사 전력을 나타냅니다. 결과 값 η는 다음과 같습니다.B무차원이며 일반적으로 백분율로 표시됩니다.
- Pn(θ,φ)는 정규화된 전력 패턴입니다. 측정된 전기장 데이터를 사용하는 경우, 해당 전력 항은 |E|에 비례합니다.2.
- ΩMB지정된 주빔 영역은 종종 첫 번째 널점 또는 정의된 원뿔 각도로 경계가 정해집니다.
- θ와 φ고도 및 방위각 좌표는 전체 방사 패턴을 설명하는 데 사용됩니다.
결과와 함께 주 빔 경계 조건을 항상 명시해야 합니다. 두 연구실에서 동일한 패턴을 사용하더라도 한 연구실은 첫 번째 영점까지 적분하고 다른 연구실은 고정된 각도 원뿔을 사용하면 서로 다른 수치 값을 얻을 수 있습니다. 대략 회전 대칭인 펜슬 빔의 경우, 적분은 다음 식과 같이 단순화될 수 있습니다.
안테나 빔 효율은 어떻게 측정하나요?
빔 효율은 단일 보어사이트 측정값이 아닌 방사 패턴 데이터로부터 얻어집니다. 교정된 원거리장 측정 장치, 소형 안테나 테스트 장치 또는 검증된 원거리장 변환 기능을 갖춘 근거리장 시스템을 사용할 수 있습니다. 위상 배열의 경우, 스캐닝 및 진폭 또는 위상 오차로 인해 전력이 사이드 로브로 재분배될 수 있으므로 필요한 각 빔 상태, 주파수 및 편파에 대해 측정을 반복해야 합니다.
- 방사 패턴을 측정합니다주빔, 측엽 및 후엽을 모두 포함할 수 있을 만큼 충분한 각도 범위를 확보해야 합니다.
- 측정된 필드를 전력 패턴으로 변환합니다.그리고 모든 각도 샘플에 동일한 정규화를 적용합니다.
- 주보 경계를 정의합니다예를 들어 첫 번째 널 윤곽선이나 지정된 원뿔 각도 등이 있습니다.
- 그 경계 안에 힘을 통합하세요그리고 이를 전체 패턴에 걸쳐 적분된 전력으로 나눕니다.
- 테스트 조건을 보고하십시오.주파수, 편광, 빔 상태, 각도 해상도 및 경계 정의를 포함합니다.
2차원 E-평면과 H-평면 단면 이미지는 빔 폭과 사이드 로브 특성을 보여줄 수 있지만, 회전 대칭성이 입증되지 않는 한 일반적으로 완전한 3차원 빔 효율 값을 제공하지는 않습니다. 전체 구형 또는 충분히 완전한 패턴 데이터가 더 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다. RF MISO에 대해 자세히 알아보세요.안테나 테스트 기능.
빔 효율과 다른 안테나 효율 관련 용어 비교
빔 효율 대 방사 효율
방사선 효율방사 전력을 안테나가 수용한 전력과 비교하여 도체 및 유전체 손실을 반영합니다.빔 효율방사되는 전력이 어디로 가는지를 설명합니다. 안테나는 내부 손실이 낮더라도 상당한 전력이 측엽이나 후엽에 집중되면 빔 효율이 떨어질 수 있습니다.
빔 효율 대 지향성 및 이득
방향성이득은 등방성 방사체에 대한 방사 패턴의 최대 집중도를 나타냅니다. 이득은 지향성과 방사 효율을 결합한 것이며, 실현 이득은 임피던스 불일치까지 고려합니다. 빔 효율은 최대 방향만 평가하는 대신 각도 영역 전체에 걸쳐 전력을 통합하기 때문에 이득과는 다릅니다.
빔 효율 대 빔 폭
반전력 빔폭은 주엽의 -3dB 지점 사이의 각도 폭입니다. 좁은 빔은 종종 높은 지향성을 동반하지만, 그 자체로 높은 빔 효율을 보장하는 것은 아닙니다. 빔 패턴은 좁은 피크를 가지더라도 상당한 에너지를 측엽으로 보낼 수 있습니다. 따라서 빔폭과 측엽 레벨은 통합 빔 효율 값과 함께 검토해야 합니다.
안테나 빔 효율을 좌우하는 요인은 무엇일까요?
1. 측엽 및 후엽 레벨
선택된 주빔 영역 외부의 출력은 빔 효율을 직접적으로 저하시킵니다. 높은 사이드롭은 조리개 불연속성, 어레이 간격, 진폭 오차 또는 요구되는 패턴에 최적화되지 않은 조명 프로파일로 인해 발생할 수 있습니다. 후방 복사 및 주변 구조물에서의 산란 또한 유사한 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 조리개 조명 및 진폭 테이퍼
개구 안테나 및 어레이는 방사 개구 전체에 걸쳐 진폭 분포를 사용합니다. 거의 균일한 분포는 좁은 주 빔과 높은 지향성을 생성할 수 있지만, 상대적으로 큰 측엽을 생성할 수도 있습니다. 진폭 테이퍼를 적용하면 측엽을 억제하고 전체 패턴 전력의 더 많은 부분을 원하는 영역에 집중시킬 수 있지만, 과도한 테이퍼는 주 빔을 넓히고 최대 이득 또는 개구 효율을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 최적의 설정은 적용 분야에 따라 달라지는 절충안입니다.
3. 사료 넘침 및 구조적 막힘
반사판 안테나에서 반사판을 통과하지 못한 에너지는 스필오버(spillover)가 되어 원하는 주 빔에 기여하지 못합니다. 급전 지지대, 보조 반사판 또는 주변 장비 또한 개구면의 일부를 차단하거나 산란시킬 수 있습니다. 올바른 급전부 선택, 초점 위치 설정 및 기계적 정렬은 이러한 손실과 원치 않는 빔 영역을 제어하는 데 도움이 됩니다.
4. 위상, 진폭 및 표면 오차
배열 소자 간의 위상 불균형, 불균등한 급전 손실, 제조 공차, 반사판 표면 오차 및 레이돔 왜곡은 의도한 빔에서 에너지를 벗어나게 할 수 있습니다. 이러한 영향은 일반적으로 주파수가 증가함에 따라 더욱 중요해지는데, 이는 고정된 치수 오차가 파장의 더 큰 부분을 차지하기 때문입니다.
5. 분극 순도
일부 빔 효율 정의는 원하는 편광 방향의 출력만 포함합니다. 주 빔 내부 또는 외부의 교차 편광 복사로 인해 보고된 값이 감소할 수 있습니다. 따라서 시뮬레이션, 측정 및 시스템 요구 사항에서 편광 방향을 일관되게 지정해야 합니다.
빔 효율, 빔 폭 및 대역폭은 서로 다릅니다.
빔 효율는 통합 각속도 비율입니다.빔폭명시된 레벨(일반적으로 반전력 또는 -3dB 지점)에서의 주엽의 각도 폭을 설명합니다.안테나 대역폭선택된 요구 사항이 충족되는 주파수 범위를 설명합니다. 이러한 매개변수들은 서로 영향을 미치지만, 서로 대체할 수는 없습니다.
설계는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 허용 가능한 VSWR을 유지할 수 있지만, 대역 가장자리 근처에서는 빔 방향, 사이드롭 레벨 또는 빔 효율이 크게 변할 수 있습니다. 따라서 패턴 성능은 임피던스 대역폭만으로 추론하기보다는 여러 주파수에서 검증해야 합니다. 주파수 범위 정의에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오.안테나 대역폭.
빔 효율을 향상시키는 방법은 무엇일까요?
- 측파대 억제, 주빔 폭 및 이득의 균형을 이루는 조리개 테이퍼를 선택하십시오.
- 반사판-전원 공급부 위치, 가장자리 조명 및 빛 번짐을 최적화하십시오.
- 배열에서 회절 로브를 방지하려면 적절한 소자 간격과 정확한 진폭 또는 위상 제어를 사용하십시오.
- 장애물, 케이블 흩어짐 및 장착 구조물이나 레이돔과의 불필요한 상호 작용을 줄입니다.
- 최고 작동 빈도에서 가공 공차, 표면 정밀도 및 정렬을 제어합니다.
- 전체 동작 대역과 필요한 모든 빔 상태에 걸쳐 동극성 및 교차극성 패턴을 검증하십시오.
상향등 효율이 가장 중요한 곳은 어디일까요?
높은 빔 효율은 전력이나 수신 에너지를 특정 방향으로 집중시켜야 할 때 특히 중요합니다. 대표적인 예로는 표적 추적 및 영상 레이더, 위성 통신 링크, 전파 천문학 및 복사 측정, 지점 간 마이크로파 링크, 반사기 급전 시스템, 교정 안테나 및 전자식 조향 배열 등이 있습니다.
모든 안테나에 적용 가능한 보편적인 빔 효율 백분율은 없습니다. 유용한 요구사항에는 동작 주파수, 편파, 빔 상태 및 각도 경계와 함께 허용 가능한 사이드롭 및 백롭 특성이 명시되어야 합니다. 그래야 공급업체 데이터, 시뮬레이션 및 측정 결과를 직접 비교할 수 있습니다.
구매자는 안테나 제품 사양서에서 무엇을 확인해야 할까요?
빔 제어가 중요한 경우, 최대 이득만으로 안테나를 평가하지 마십시오. 제조사에 해당 모델 및 주파수 범위에 대한 패턴 데이터와 테스트 조건을 문의하십시오.
- 동작 주파수 범위 및 패턴 측정에 사용되는 주파수
- 이득, 반전력 빔폭 및 첫 번째 사이드롭 레벨 대 주파수 그래프
- 필요한 평면 또는 구형 스캔 영역에서 동극성 및 교차극성 방사 패턴
- 빔 효율을 계산하는 데 사용되는 각도 범위 및 편광(해당 값이 지정된 경우)
- VSWR, 커넥터 또는 도파관 인터페이스, 전력 처리 및 환경 요구 사항
- 기계적 공차, 장착 방식 및 레이돔 또는 반사경 급전 구성
RF MISO 마이크로파 안테나 솔루션
RF MISO는 측정, 레이더, 통신 및 시스템 통합을 위한 마이크로파 및 밀리미터파 안테나를 공급합니다. 관련 제품군은 다음과 같습니다.표준 이득 혼 안테나, 반사판 안테나그리고어레이 안테나모델별 사양 및 사용 가능한 테스트 데이터를 요구되는 주파수, 편파, 이득 및 패턴 성능과 비교하여 검토해야 합니다.
안테나 선택 또는 맞춤형 요구 사항의 경우,RF MISO에 문의하세요 at info@rf-miso.com.
게시 시간: 2024년 7월 12일
