รูปที่ 1. บริเวณลำแสงหลักและลำแสงข้างเคียงที่ใช้ในการกำหนดประสิทธิภาพลำแสงของเสาอากาศ
ประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศคืออะไร?
ประสิทธิภาพการแผ่ลำแสงของเสาอากาศประสิทธิภาพลำแสงหลัก หรือเรียกอีกอย่างว่า สัดส่วนของกำลังส่งคลื่นทั้งหมดของเสาอากาศที่ตกอยู่ในบริเวณลำแสงหลักที่กำหนดไว้ มันตอบคำถามเชิงปฏิบัติในการออกแบบว่า รังสีที่มีอยู่มากน้อยเพียงใดที่กระจุกตัวอยู่ในบริเวณเชิงมุมที่ต้องการ แทนที่จะกระจายไปในคลื่นด้านข้างและคลื่นด้านหลัง?
สำหรับเสาอากาศรับสัญญาณ หลักการสมดุลช่วยให้สามารถมองแนวคิดเดียวกันนี้ได้ นั่นคือ สัดส่วนของพลังงานที่ได้รับซึ่งรวบรวมผ่านลำแสงหลัก เมื่อสนามโดยรอบและเงื่อนไขโพลาไรเซชันถูกกำหนดอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้น ประสิทธิภาพของลำแสงจึงมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบเรดาร์ การวัดรังสี การเชื่อมต่อดาวเทียม ระบบไมโครเวฟแบบจุดต่อจุด และการวัดเสาอากาศ ซึ่งพลังงานที่เข้ามาหรือออกไปจากทิศทางที่ไม่ต้องการอาจลดความแม่นยำหรือเพิ่มการรบกวนได้
ในรูปที่ 1 กลีบหลักจะอยู่ตรงกลางบนแกน z ถ้ามุมกรวย θ1เมื่อกำหนดจุดศูนย์แรกหรือขอบเขตลำแสงหลักที่ระบุไว้อย่างชัดเจน ประสิทธิภาพของลำแสงจะคำนวณโดยการรวมรูปแบบกำลังภายในกรวยนั้นแล้วหารด้วยกำลังที่รวมไว้ตลอดรูปแบบการแผ่รังสีทั้งหมด
สูตรประสิทธิภาพลำแสงเสาอากาศ
โดยใช้รูปแบบกำลังไฟฟ้ามาตรฐาน Pn(θ,φ) นิพจน์ประสิทธิภาพลำแสงทั่วไปแสดงไว้ด้านล่าง:
ตัวเศษแสดงถึงกำลังที่บรรจุอยู่ภายในมุมตันของลำแสงหลักที่เลือกไว้ ΩMBตัวส่วนแสดงถึงกำลังการแผ่รังสีทั้งหมดที่รวมเข้าด้วยกันในช่วง 4π สเตอเรเดียน ค่าที่ได้คือ ηBเป็นค่าที่ไม่มีหน่วย และโดยปกติจะรายงานเป็นเปอร์เซ็นต์
- Pn(θ,φ)คือรูปแบบกำลังไฟฟ้าแบบนอร์มาไลซ์ หากใช้ข้อมูลสนามไฟฟ้าที่วัดได้ พจน์กำลังไฟฟ้าที่สอดคล้องกันจะเป็นสัดส่วนกับ |E|2.
- ΩMBคือบริเวณลำแสงหลักที่ระบุไว้ ซึ่งมักถูกจำกัดด้วยจุดศูนย์แรกหรือด้วยมุมกรวยที่กำหนดไว้
- θ และ φคือพิกัดระดับความสูงและมุมอะซิมุธที่ใช้ในการอธิบายรูปแบบการแผ่รังสีทั้งหมด
ต้องระบุขอบเขตของลำแสงหลักพร้อมกับผลลัพธ์เสมอ ห้องปฏิบัติการสองแห่งอาจได้ค่าตัวเลขที่แตกต่างกันจากรูปแบบเดียวกัน หากห้องปฏิบัติการหนึ่งทำการอินทิเกรตไปจนถึงจุดศูนย์แรก ในขณะที่อีกห้องปฏิบัติการหนึ่งใช้กรวยเชิงมุมคงที่ สำหรับลำแสงดินสอที่มีสมมาตรแบบหมุนโดยประมาณ การอินทิเกรตสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้ดังแสดงในนิพจน์ต่อไปนี้
ประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศวัดได้อย่างไร?
ประสิทธิภาพของลำแสงได้มาจากการวิเคราะห์ข้อมูลรูปแบบการแผ่รังสี แทนที่จะวัดจากจุดเล็งเป้าหมายเพียงจุดเดียว อาจใช้เครื่องวัดสนามไกลที่สอบเทียบแล้ว เครื่องวัดระยะทดสอบเสาอากาศขนาดกะทัดรัด หรือระบบสนามใกล้ที่มีการแปลงสนามไกลที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว สำหรับอาร์เรย์แบบเฟส ควรทำการวัดซ้ำสำหรับแต่ละสถานะลำแสง ความถี่ และโพลาไรเซชันที่ต้องการ เนื่องจากข้อผิดพลาดในการสแกน แอมพลิจูด หรือเฟส อาจทำให้พลังงานกระจายไปยังไซด์โลบได้
- วัดรูปแบบการแผ่รังสีครอบคลุมมุมการส่องสว่างมากพอที่จะรวมถึงลำแสงหลัก ลำแสงด้านข้าง และลำแสงด้านหลัง
- แปลงค่าสนามที่วัดได้ให้เป็นรูปแบบกำลังและใช้การปรับค่ามาตรฐานแบบเดียวกันกับตัวอย่างเชิงมุมทุกตัว
- กำหนดขอบเขตของลำแสงหลักเช่น เส้นขอบศูนย์แรก หรือมุมกรวยที่กำหนดไว้
- ผสานพลังงานเข้าไปภายในขอบเขตนั้นแล้วหารด้วยกำลังที่รวมเข้าด้วยกันตลอดทั้งรูปแบบ
- รายงานเงื่อนไขการทดสอบซึ่งรวมถึงความถี่ โพลาไรเซชัน สถานะลำแสง ความละเอียดเชิงมุม และการกำหนดขอบเขต
การตัดระนาบ E และระนาบ H แบบสองมิติคู่หนึ่งสามารถแสดงความกว้างของลำแสงและพฤติกรรมของไซด์โลบได้ แต่โดยปกติแล้วจะไม่ให้ค่าประสิทธิภาพของลำแสงสามมิติที่สมบูรณ์ เว้นแต่จะมีการพิสูจน์ความสมมาตรแบบหมุนได้ ข้อมูลรูปแบบทรงกลมเต็มหรือสมบูรณ์เพียงพอจะให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือมากกว่า เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ RF MISOความสามารถในการทดสอบเสาอากาศ.
ประสิทธิภาพลำแสงเทียบกับคำศัพท์ประสิทธิภาพเสาอากาศอื่นๆ
ประสิทธิภาพของลำแสงเทียบกับประสิทธิภาพการแผ่รังสี
ประสิทธิภาพการแผ่รังสีเป็นการเปรียบเทียบกำลังที่แผ่กระจายออกไปกับกำลังที่เสาอากาศรับเข้ามา ดังนั้นจึงสะท้อนถึงการสูญเสียในตัวนำและฉนวนประสิทธิภาพของลำแสงอธิบายว่าพลังงานที่แผ่กระจายออกไปนั้นไปที่ใด เสาอากาศอาจมีการสูญเสียภายในต่ำ แต่ยังคงมีประสิทธิภาพของลำแสงในระดับปานกลาง หากมีพลังงานจำนวนมากปรากฏในส่วนข้างเคียงหรือส่วนหลังของลำแสง
ประสิทธิภาพลำแสงเทียบกับทิศทางและการขยายสัญญาณ
ทิศทางอธิบายถึงความเข้มข้นสูงสุดของรูปแบบการแผ่รังสีเมื่อเทียบกับตัวแผ่รังสีแบบไอโซโทรปิก อัตราขยายรวมทิศทางเข้ากับประสิทธิภาพการแผ่รังสี ในขณะที่อัตราขยายที่เกิดขึ้นจริงยังคำนึงถึงความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ด้วย ประสิทธิภาพของลำแสงแตกต่างออกไปเพราะเป็นการรวมพลังงานตลอดช่วงมุมแทนที่จะประเมินเฉพาะทิศทางสูงสุดเท่านั้น
ประสิทธิภาพลำแสงเทียบกับความกว้างของลำแสง
ความกว้างของลำแสงครึ่งกำลัง คือ ความกว้างเชิงมุมระหว่างจุด -3 dB ของลำแสงหลัก ลำแสงแคบมักมาพร้อมกับทิศทางที่สูง แต่ไม่ได้หมายความว่าจะมีประสิทธิภาพลำแสงสูงเสมอไป รูปแบบอาจมีจุดสูงสุดที่แคบ แต่ยังคงส่งพลังงานจำนวนมากไปยังลำแสงด้านข้างได้ ดังนั้น ความกว้างของลำแสงและระดับลำแสงด้านข้างจึงต้องได้รับการพิจารณาร่วมกับค่าประสิทธิภาพลำแสงโดยรวม
ปัจจัยใดบ้างที่ควบคุมประสิทธิภาพการแผ่รังสีของเสาอากาศ?
1. ระดับคลื่นด้านข้างและคลื่นด้านหลัง
พลังงานที่อยู่นอกบริเวณลำแสงหลักที่เลือกไว้จะลดประสิทธิภาพของลำแสงโดยตรง ลำแสงข้างเคียงที่สูงอาจเกิดจากความไม่ต่อเนื่องของช่องรับแสง ระยะห่างของอาร์เรย์ ข้อผิดพลาดของแอมพลิจูด หรือรูปแบบการส่องสว่างที่ไม่ได้ปรับให้เหมาะสมกับรูปแบบที่ต้องการ การแผ่รังสีกลับและการกระเจิงจากโครงสร้างใกล้เคียงก็อาจส่งผลในลักษณะเดียวกันได้เช่นกัน
2. การส่องสว่างของรูรับแสงและการลดทอนแอมพลิจูด
เสาอากาศแบบช่องรับสัญญาณและอาร์เรย์ใช้การกระจายแอมพลิจูดทั่วช่องรับสัญญาณ การกระจายที่เกือบสม่ำเสมอสามารถสร้างลำแสงหลักที่แคบและมีความแม่นยำสูง แต่ก็อาจทำให้เกิดคลื่นรบกวนด้านข้างค่อนข้างสูง การลดแอมพลิจูดสามารถลดคลื่นรบกวนด้านข้างและทำให้กำลังส่งรวมไปอยู่ในบริเวณที่ต้องการได้มากขึ้น แม้ว่าการลดแอมพลิจูดมากเกินไปอาจทำให้ลำแสงหลักกว้างขึ้นและลดอัตราขยายสูงสุดหรือประสิทธิภาพของช่องรับสัญญาณ ดังนั้นการตั้งค่าที่ดีที่สุดจึงเป็นการประนีประนอมที่เหมาะสมกับการใช้งานแต่ละประเภท
3. การรั่วไหลของวัสดุป้อนเข้าและการอุดตันของโครงสร้าง
ในเสาอากาศแบบสะท้อนแสง พลังงานที่พลาดตัวสะท้อนแสงจะเป็นพลังงานส่วนเกินและไม่ก่อให้เกิดลำแสงหลักที่ต้องการ ตัวรองรับการป้อนสัญญาณ ตัวสะท้อนแสงย่อย หรืออุปกรณ์ใกล้เคียงอาจปิดกั้นหรือกระจายส่วนหนึ่งของสนามรับสัญญาณได้ การเลือกตัวป้อนสัญญาณ การกำหนดตำแหน่งโฟกัส และการจัดแนวเชิงกลที่ถูกต้องจะช่วยควบคุมการสูญเสียและคลื่นรบกวนที่ไม่ต้องการเหล่านี้ได้
4. ข้อผิดพลาดของเฟส แอมพลิจูด และพื้นผิว
ความไม่สมดุลของเฟสระหว่างองค์ประกอบของอาร์เรย์ การสูญเสียการป้อนที่ไม่เท่ากัน ความคลาดเคลื่อนในการผลิต ข้อผิดพลาดของพื้นผิวสะท้อนแสง และการบิดเบี้ยวของเรโดม สามารถทำให้พลังงานเบี่ยงเบนไปจากลำแสงที่ต้องการได้ ผลกระทบเหล่านี้มักมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เนื่องจากข้อผิดพลาดเชิงมิติคงที่แสดงถึงสัดส่วนที่มากขึ้นของความยาวคลื่น
5. ความบริสุทธิ์ของการโพลาไรเซชัน
คำจำกัดความประสิทธิภาพลำแสงบางส่วนจะรวมเฉพาะกำลังในโพลาไรเซชันที่ต้องการเท่านั้น รังสีโพลาไรซ์ไขว้ภายในหรือภายนอกลำแสงหลักอาจลดค่าที่รายงานได้ ดังนั้นควรระบุโพลาไรเซชันให้สอดคล้องกันในการจำลอง การวัด และข้อกำหนดของระบบ
ประสิทธิภาพลำแสง ความกว้างของลำแสง และแบนด์วิดท์นั้นแตกต่างกัน
ประสิทธิภาพของลำแสงเป็นอัตราส่วนกำลังเชิงมุมแบบบูรณาการความกว้างของลำแสงอธิบายถึงความกว้างเชิงมุมของกลีบหลักที่ระดับที่กำหนด ซึ่งโดยทั่วไปคือจุดครึ่งกำลังหรือ -3 dBแบนด์วิดท์ของเสาอากาศอธิบายช่วงความถี่ที่ตรงตามข้อกำหนดที่เลือกไว้ พารามิเตอร์เหล่านี้มีอิทธิพลต่อกัน แต่ไม่สามารถใช้แทนกันได้
การออกแบบอาจรักษาค่า VSWR ที่ยอมรับได้ในช่วงความถี่กว้าง ในขณะที่ทิศทางลำแสง ระดับไซด์โลบ หรือประสิทธิภาพของลำแสงเปลี่ยนแปลงอย่างมากใกล้ขอบแบนด์ ดังนั้น ประสิทธิภาพของรูปแบบการกระจายสัญญาณจึงควรได้รับการตรวจสอบที่ความถี่หลายๆ ความถี่ แทนที่จะอนุมานจากแบนด์วิดท์ของอิมพีแดนซ์เพียงอย่างเดียว สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกำหนดช่วงความถี่ โปรดดูที่...แบนด์วิดท์เสาอากาศ.
จะปรับปรุงประสิทธิภาพของลำแสงได้อย่างไร?
- เลือกค่าความเรียวของรูรับแสงที่สมดุลระหว่างการลดสัญญาณรบกวนด้านข้าง ความกว้างของลำแสงหลัก และอัตราขยาย
- ปรับตำแหน่งการป้อนแสงของแผ่นสะท้อนแสง การส่องสว่างบริเวณขอบ และการกระจายแสงให้เหมาะสม
- ควรใช้ระยะห่างระหว่างองค์ประกอบที่เหมาะสมและการควบคุมแอมพลิจูดหรือเฟสที่แม่นยำในอาร์เรย์เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดเกรตติ้งโลบ
- ลดสิ่งกีดขวาง การกระจัดกระจายของสายเคเบิล และการรบกวนที่ไม่พึงประสงค์กับโครงสร้างติดตั้งหรือโดมเรดาร์
- ควบคุมความคลาดเคลื่อนในการกลึง ความแม่นยำของพื้นผิว และการจัดแนวที่ความถี่การทำงานสูงสุด
- ตรวจสอบรูปแบบโคโพลาร์และครอสโพลาร์ตลอดช่วงการทำงานทั้งหมดและทุกสถานะลำแสงที่ต้องการ
ประสิทธิภาพลำแสงสูงมีความสำคัญที่สุดในด้านใดบ้าง?
ประสิทธิภาพลำแสงสูงเป็นสิ่งที่มีค่าอย่างยิ่งเมื่อจำเป็นต้องจำกัดกำลังหรือพลังงานที่ได้รับให้อยู่ในทิศทางที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ เรดาร์ติดตามเป้าหมายและเรดาร์ถ่ายภาพ การเชื่อมโยงการสื่อสารผ่านดาวเทียม ดาราศาสตร์วิทยุและการวัดรังสี การเชื่อมโยงไมโครเวฟแบบจุดต่อจุด ระบบป้อนสัญญาณสะท้อน เสาอากาศสอบเทียบ และอาร์เรย์ที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์
ไม่มีค่าประสิทธิภาพลำแสงเปอร์เซ็นต์ใดที่ถูกต้องสำหรับเสาอากาศทุกตัว ข้อกำหนดที่มีประโยชน์จะต้องระบุความถี่ในการทำงาน โพลาไรเซชัน สถานะลำแสง และขอบเขตเชิงมุม พร้อมด้วยพฤติกรรมของไซด์โลบและแบ็คโลบที่ยอมรับได้ ซึ่งจะทำให้ข้อมูลจากผู้ผลิต การจำลอง และผลการวัดสามารถเปรียบเทียบกันได้โดยตรง
ผู้ซื้อควรตรวจสอบอะไรบ้างในเอกสารข้อมูลจำเพาะของเสาอากาศ?
เมื่อการควบคุมทิศทางของลำแสงมีความสำคัญ อย่าประเมินเสาอากาศจากค่าเกนสูงสุดเพียงอย่างเดียว สอบถามผู้ผลิตเกี่ยวกับข้อมูลรูปแบบการกระจายลำแสงและเงื่อนไขการทดสอบที่มีให้สำหรับรุ่นและช่วงความถี่ที่ต้องการ
- ช่วงความถี่ในการทำงานและความถี่ที่ใช้ในการวัดรูปแบบ
- อัตราขยาย ความกว้างของลำแสงที่กำลังครึ่งหนึ่ง และระดับไซด์โลบแรก เทียบกับความถี่
- รูปแบบการแผ่รังสีแบบโคโพลาร์และครอสโพลาร์ในระนาบที่ต้องการหรือบนการสแกนทรงกลม
- ขอบเขตเชิงมุมและโพลาไรเซชันที่ใช้ในการคำนวณประสิทธิภาพของลำแสง เมื่อมีการระบุค่าดังกล่าว
- ค่า VSWR, ตัวเชื่อมต่อหรืออินเทอร์เฟซของท่อนำคลื่น, การจัดการพลังงาน และข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม
- ความคลาดเคลื่อนทางกล การจัดวางการติดตั้ง และการกำหนดค่าการป้อนสัญญาณของเรดาร์โดมหรือตัวสะท้อนแสง
โซลูชั่นเสาอากาศไมโครเวฟ RF MISO
RF MISO จัดจำหน่ายเสาอากาศไมโครเวฟและมิลลิเมตรเวฟสำหรับงานวัด เรดาร์ การสื่อสาร และการบูรณาการระบบ กลุ่มผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง ได้แก่เสาอากาศฮอร์นแบบอัตราขยายมาตรฐาน, เสาอากาศสะท้อนแสงและเสาอากาศแบบอาร์เรย์ควรตรวจสอบข้อกำหนดเฉพาะรุ่นและข้อมูลการทดสอบที่มีอยู่เทียบกับความถี่ โพลาไรเซชัน อัตราขยาย และประสิทธิภาพของรูปแบบที่ต้องการ
สำหรับการเลือกเสาอากาศหรือความต้องการที่กำหนดเองติดต่อ RF MISO at info@rf-miso.com.
วันที่เผยแพร่: 12 กรกฎาคม 2567
