방사선 패턴

Radiation pattern
3차원 안테나 방사선 패턴. 어떤 방향으로든 원점에서 방사상 거리는 해당 방향으로 방출되는 방사선의 강도를 나타낸다. 상단에는 경음기 안테나지시 패턴이 표시되고, 하단에는 간단한 수직 안테나의 전방위 패턴이 표시된다.

안테나 설계 분야에서 방사선 패턴(또는 안테나 패턴 또는 원거리 패턴)이라는 용어는 안테나 또는 다른 선원에서 전파 강도의 방향(사각형) 의존성을 가리킨다.[1][2][3]

특히 광섬유, 레이저, 통합광학 분야에서 방사선 패턴이라는 용어는 근거리장 패턴이나 프레스넬 패턴의 동의어로도 사용될 수 있다.[4] 근거리장 또는 소스의 프레스넬 영역에서 전자기장위치 의존성을 가리킨다. 근거리 영역 패턴은 가장 일반적으로 소스 앞에 위치한 평면 또는 그것을 감싸고 있는 원통형 또는 구형 표면 위에 정의된다.[1][4]

안테나의 원거리 패턴은 안테나 범위에서 실험적으로 결정되거나 또는 또는 근거리 스캐너를 사용하여 근거리 패턴을 찾을 수 있으며, 계산을 통해 안테나에서 추론된 방사선 패턴을 찾을 수 있다.[1] 또한 원거리 방사선 패턴은 NEC와 같은 컴퓨터 프로그램에 의해 안테나 형상에서 계산할 수 있다. HFST와 같은 다른 소프트웨어도 가까운 분야를 계산할 수 있다.

원거리 방사선 패턴은 상수(대형) 반지름에서의 자기장 강도(진폭 패턴 또는 자기장 패턴), 단위 단면 각도(전원 패턴) 및 지시 게인 등 다수의 관련 변수 중 하나의 그래프로 그래픽으로 나타낼 수 있다. 매우 자주 상대 진폭만 표시되며 안테나 보어라이트의 진폭 또는 총 복사 전력으로 정규화된다. 표시된 수량은 선형 척도 또는 dB 단위로 표시할 수 있다. 그래프는 일반적으로 3차원 그래프(오른쪽)로 표시되거나 수직면과 수평면에서 별도의 그래프로 표시된다. 이것은 종종 극형 다이어그램으로 알려져 있다.

상호주의

수신에 사용할 때 안테나의 수신 패턴(방향 함수로서의 민감성)이 송신에 사용할 때 안테나의 원거리 방사선 패턴과 동일하다는 것은 안테나의 기본 특성이다. 이것은 전자기학의 상호주의 정리의 결과로서 아래에서 증명된다. 따라서 방사선 패턴에 대한 논의에서 안테나는 송신 또는 수신 중 어느 것이 더 편리한 것으로 볼 수 있다. 이는 패시브 안테나 요소에만 적용된다. 앰프 또는 기타 구성 요소를 포함하는 능동 안테나는 더 이상 상호적 장치가 아니다.

대표적인 패턴

전형적인 극지 방사선도. 대부분의 안테나는 "로브" 또는 최대 방사선의 패턴을 보여준다. 여기에 보이는 지시 안테나에서 원하는 전파 방향에서 가장 큰 로브를 "주엽"이라고 부른다. 다른 로브들은 "sidelobes"라고 불리며 보통 원하지 않는 방향으로 방사선을 나타낸다.

전자파 방사선은 쌍극복사선이기 때문에 그러한 가상의 등방성 안테나가 안테나 이득 계산의 기준으로 사용되지만 모든 방향에서 균일하게 방사되는 안테나를 구축할 수는 없다.

가장 단순한 안테나인 단극 안테나쌍극 안테나들은 공통 축을 따라 1~2개의 직선 금속 막대로 구성되어 있다. 이러한 축 대칭 안테나는 전방향 패턴이라 불리는 유사한 대칭의 방사선 패턴을 가지고 있다. 안테나에 수직인 모든 방향에서 동일한 동력을 발산하며, 동력은 축에 대한 각도로만 변화하며 안테나 축에서 0으로 떨어진다. 이는 안테나 모양이 대칭이면 방사선 패턴이 동일한 대칭을 갖는다는 일반적인 원리를 보여준다.

대부분의 안테나에서, 안테나의 다른 부분으로부터의 방사선은 어떤 각도에서 간섭된다; 안테나의 방사선 패턴은 간섭 패턴으로 간주될 수 있다. 이로 인해 서로 다른 부품에서 나오는 전파가 위상 으로 도달하는 특정 각도에서 방사선이 0이고, 전파가 위상으로 도달하는 다른 각도에서 국소 방사선의 최대치가 발생한다. 따라서 대부분의 안테나의 방사선 플롯은 방사선이 0으로 가는 "nulls"로 분리되어 다양한 각도에서 "lobes"라고 불리는 맥시마의 패턴을 보여준다. 안테나를 파장과 비교하면 클수록 로브도 많아진다.

직사각형 방사선 그림, 극성도의 대체 표시 방법.

하나의 특정한 방향으로 전파를 방출하는 것이 목표인 방향 안테나에서, 안테나는 원하는 방향으로 향하는 로브에서 대부분의 전력을 방출하도록 설계된다. 그러므로 방사선 플롯에서 이 로브는 다른 로브보다 더 크게 나타난다; 그것은 "주엽"이라고 불린다. 주엽의 중심을 통과하는 최대 방사선의 축을 " 축" 또는 보어라이트 축이라고 한다. 스플릿빔 안테나 같은 일부 안테나에는 둘 이상의 주요 로브가 존재할 수 있다. 다른 방향에서 원하지 않는 방사선을 나타내는 주엽 옆에 있는 다른 로브를 작은 로브라고 부른다. 주엽에 대한 각도로 향하는 작은 로브를 "측엽"이라고 부른다. 반대 방향(180°)의 마이너 로브 주엽으로부터 "백엽"이라고 불린다.

마이너 로브는 대개 원하지 않는 방향으로 방사선을 나타내기 때문에 방향 안테나에서 설계 목표는 보통 마이너 로브를 줄이는 것이다. 사이드 로브는 보통 작은 로브 중 가장 크다. 경미한 로브의 수준은 보통 해당 로브의 출력 밀도와 주요 로브의 출력 밀도의 비율로 표현된다. 이 비율은 흔히 측엽비 또는 측엽수치로 불린다. -20dB 이상의 사이드 로브 레벨은 일반적으로 많은 용도에서 바람직하지 않다. -30dB보다 작은 측엽 레벨을 달성하려면 대개 매우 세심한 설계와 시공이 필요하다. 예를 들어 대부분의 레이더 시스템에서 낮은 측엽 비율은 측엽을 통한 거짓 표적 표시를 최소화하기 위해 매우 중요하다.

상호주의 증명

완전한 증거는 상호주의(전자기학) 기사를 참조하라. 여기서는 안테나 크기에 비해 큰 거리로 분리된 두 안테나의 근사치에 한정된 일반적인 간단한 증거를 동종 매체로 제시한다. 첫 번째 안테나는 패턴을 조사해야 하는 테스트 안테나로, 이 안테나는 어떤 방향도 자유롭게 가리킬 수 있다. 두 번째 안테나는 첫 번째 안테나를 강하게 가리키는 기준 안테나다.

각 안테나는 특정 소스 임피던스를 가진 송신기와 동일한 입력 임피던스를 가진 수신기에 교대로 연결된다(임피던스는 두 안테나 간에 다를 수 있다).

두 안테나는 송신 안테나의 특성이 수신 안테나에 의해 인가되는 하중의 영향을 받지 않을 정도로 충분히 멀리 떨어져 있다고 가정한다. 결과적으로 송신기에서 수신기로 전달되는 전력량은 송신 안테나의 방향 특성에 따라 다른 하나는 수신 안테나의 방향 특성에 따라 달라지는 두 가지 독립적 요인의 산물로 표현될 수 있다.

송신 안테나의 경우, 게인 의 정의에 의해 안테나로부터 r 에서의 방사선 전력 밀도즉, 장치 영역을 통과하는 전력)는

( , )= G (, ) = r r

여기서 각도 는 안테나로부터의 방향에 대한 의존성을 , P {\P_}}는 송신기가 일치 부하로 전달할 전력을 의미한다. 이득 은(는) 안테나 이득(전력의 방향 재배포), 방사선 효율(안테나의 옴 손실 설명), 마지막으로 안테나와 송신기 사이의 불일치로 인한 손실 등 세 가지 요소로 나눌 수 있다. 엄밀히 말하면, 불일치를 포함시키려면 실현된 이득이라고 해야 하지만,[4] 이것은 일반적인 용법이 아니다.

수신 안테나의 경우 수신기로 전달되는 전력은

= ,)

여기서 입사 방사선의 전력 밀도이며, 은 안테나의 안테나 개구부 또는 유효 영역(관측된 포착 전력을 차단하기 위해 안테나가 점유해야 할 영역)이다. 방향 인수는 이제 수신 안테나에 상대적이며, 다시 이(가) 옴과 불일치 손실을 포함하도록 취해진다.

이러한 표현을 종합하면 송신기에서 수신기로 전달되는 전력은

= r t r}}

여기서 각각 송신 및 수신 안테나의 방향에 따른 속성이다. 기준 안테나(2)에서 테스트 안테나(1)로 전송하는 경우,

= A ( ,) G r }:{1 r}}, ,, ,,}},

그리고 반대 방향으로의 전송을 위해

,\ r.

여기서는 안테나2의 게인 }}와 유효면적 }}이 고정되어 있는데, 이는 이 안테나의 방향이 첫 번째 안테나에 대해 고정되어 있기 때문이다.

이제 안테나의 주어진 배치에 대해 상호주의 정리는 동력 전달이 각 방향, 즉 각 방향에서 동등하게 효과적일 것을 요구한다.

P = 2 P 1r}}{ {

언제

.

그러나 이 방정식의 오른손은 고정되어 있다(안테나 2의 방향이 고정되어 있기 때문에).

( ,, ) 1 (, ) = c n t ,,\ {constant {}, .

즉, (수신) 유효 조리개 및 (전송) 이득의 방향 의존성은 동일하다(QED). 더욱이 비례의 상수는 안테나의 성격에 관계없이 동일하므로 모든 안테나에 대해 동일해야 한다. 특정 안테나(예: 헤르츠식 쌍극자)를 분석하면 이 상수가 이며 여기서 자유 공간 파장이다. 따라서, 어떤 안테나의 경우 이득과 유효 간극은 다음과 같다.

( , )= 2 (, ) 4

수신 안테나의 경우에도 유효 조리개를 명시하는 것보다 게인을 명시하는 것이 더 일반적이다. 따라서 수신기에 전달되는 전력은 일반적으로 다음과 같이 기록된다.

(링크 예산 참조). 그러나 안테나의 실제 물리적 크기와 비교하기 위해 유효 개구부가 관심 대상이다.

실제적 결과

  • 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수신 안테나의 패턴을 결정할 때는 가능한 모든 발생 각도에 대해 계산을 수행할 필요가 없다. 대신 안테나의 방사선 패턴은 단일 시뮬레이션에 의해 결정되며 수신 패턴은 상호주의에 의해 유추된다.
  • 안테나 패턴을 측정할 때 안테나는 수신 또는 송신 중 어느 것이 더 편리한지 결정할 수 있다.
  • 실용 안테나의 경우 측면 로브 레벨은 최소여야 하며 최대 방향성을 가져야 한다.[5]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c 콘스탄티누스 A. 발라니스: "안테나 이론, 분석 및 디자인", 존 와일리 & 선스 주식회사, 1982년 2차 개정판 ISBN0-471-59268-4
  2. ^ David K Chung: "필드 앤 웨이브 전자석", 애디슨 웨슬리 출판사, 1998년 2월호 ISBN 0-201-52820-7
  3. ^ 에드워드 C. Jordan & Keith G. Balmain; "전자기파 및 방사 시스템" (1968년 2월 2일) 프렌티스 홀. ISBN 81-203-0054-8
  4. ^ a b c 전기전자공학연구소, "전기전자용어의 IEEE 표준사전"; 6번째 개정판. 뉴욕, 뉴욕, 전기전자공학연구소, c1997. IEEE 규격 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ed. 표준 조정 위원회 10, 용어 및 정의; 제인 라다츠(의장)]
  5. ^ Singh, Urvinder; Salgotra, Rohit (20 July 2016). "Synthesis of linear antenna array using flower pollination algorithm". Neural Computing and Applications. 29 (2): 435–445. doi:10.1007/s00521-016-2457-7.

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외부 링크