アンテナゲイン

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等方性ゲインの定義方法を示す図。は指向性アンテナの放射パターンであり、最大電力密度を放射します。平方メートルあたりのワット。緑のボールは、同じ総電力を放射する等方性アンテナの放射パターンです。はそれが放射する電力密度です。最初のアンテナのゲインは

電磁気学では、アンテナのパワーゲインまたは単にゲインは、アンテナ指向性電気効率を組み合わせた重要なパフォーマンス数値です。送信アンテナでは、ゲインは、アンテナが入力電力を指定された方向に向かう電波にどれだけうまく変換するかを表します。受信アンテナでは、ゲインは、アンテナが指定された方向から到着する電波を電力にどれだけうまく変換するかを表します。方向が指定されていない場合、ゲインは、ゲインのピーク値、つまりアンテナのメインローブの方向のゲインを指すと理解されます。方向の関数としてのゲインのプロットは、ゲインパターンまたは放射パターンと呼ばれます。

アンテナゲインは通常、アンテナのビーム軸上の遠方界光源からアンテナによって生成される電力と、すべての方向からの信号に等しく敏感な仮想の無損失等方性アンテナによって生成される電力の比率として定義されます。[1] 通常、この比率はデシベルで表され、これらの単位はデシベル-等方性(dBi)と呼ばれます。別の定義では、受信電力を無損失半波長ダイポールアンテナで受信した電力と比較します。この場合、単位はdBdと表記されます。無損失ダイポールアンテナのゲインは2.15dBiであるため、これらのユニット間の関係は次のようになります。与えられた周波数に対して、アンテナの有効面積はパワーゲインに比例します。アンテナの有効長は、特定の周波数と放射抵抗に対するアンテナのゲインの平方根に比例します。相反性あるため、受信時の相互アンテナのゲインは、送信時のゲインと等しくなります。

指向性ゲインまたは指向性は、アンテナの電気効率を考慮しない別の尺度です。この用語は、別の方向からの干渉信号を拒否しながら、主にアンテナが1つの方向から信号を受信する能力に関係する受信アンテナの場合により適切な場合があります。

パワーゲイン

パワーゲイン(または単にゲイン)は、アンテナの効率を組み合わせた単位のない測定値です と指向性D

効率と指向性の概念は、以下に依存します。

効率

効率_ アンテナの総放射電力です フィードポイントでの入力電力で割った値

送信アンテナには、アンテナを無線送信機に接続する伝送ラインである給電線から電力が供給されます。入力電力 アンテナへの電力は通常、アンテナの端子(フィードポイント)に供給される電力として定義されるため、アンテナの電力損失には、フィードラインでのジュール熱による電力損失や、アンテナ/ラインインピーダンスの不一致によるフィードラインへの反射による損失は含まれません

電磁相反定理は、アンテナの電気的特性(効率、指向性、ゲインなど)が、アンテナを受信に使用する場合と送信する場合で同じであることを保証します。

指向性

アンテナの指向性は、その放射パターン、つまり放射電力が3次元の方向にどのように分配されるかによって決まります。すべてのアンテナは多かれ少なかれ指向性があります。つまり、ある方向に他の方向よりも多くの電力を放射します。方向はここで球座標で指定されます 、 どこは、指定された参照面(地面など)からの高度または角度です。は、参照平面への指定された方向の投影と、指定された符号(時計回りまたは反時計回り)を持つその平面内の指定された参照方向(北または東など)との間の角度として の方位角です。

可能な方向の関数としての出力電力の分布その放射強度によって与えられます SI単位:ステラジアンあたりのワット数、W⋅sr -1)。出力パワーは、放射強度をすべての立体角にわたって積分することにより、放射強度から得られます。

平均放射強度 したがって、によって与えられます

  球には4πステラジアンがあるので
         最初の式を使用して

指向性ゲインまたは指向性 与えられた方向のアンテナのは、その放射強度の比率ですその方向にその平均放射強度にあれは、

したがって、等方性アンテナは、すべての方向で同じ放射強度を持つアンテナを意味し、その効率に関係なく、すべての方向で指向性D = 1を持ちます。より一般的には、アンテナの最大、最小、および平均の指向性は、常に少なくとも1、最大で1、正確に1です。半波長ダイポールの場合、それぞれの値は1.64(2.15 dB)、0、および1です。

指向性がアンテナの指向性は方向に関係なく与えられ、それは任意の方向での最大指向性を指します。

ゲイン

パワーゲインまたは単にゲイン 与えられた方向のアンテナの放射強度の比率として定義されることによって効率を考慮に入れますその方向に完全に効率的なアンテナの平均放射強度に。後者は等しいので、したがって、それはによって与えられます

                   2番目の方程式を使用して
                   の方程式を使用して

指向性と同様に、ゲインがアンテナの角度は方向に関係なく与えられ、任意の方向での最大ゲインを指します。任意の方向のゲインと指向性の唯一の違いは、独立、このセクションの基本式を取得します。

まとめ

送信機から受信した電力の特定の部分のみが実際にアンテナによって放射されている場合(つまり、100%未満の効率)、指向性ゲインは、特定の方向に放射された電力を、(総電力ではなく)その減少した電力と比較します。受信)、非効率性を無視します。したがって、指向性は、すべての方向に渡ったときの最大の指向性ゲインであり、常に少なくとも1.一方、パワーゲインは、特定の方向の放射電力をアンテナが送信機から受信する実際の電力と比較することにより、効率の低下を考慮に入れます。これにより、アンテナの寄与に対してより有用なメリットが得られます。受信機に向けて電波を送信する送信機の能力に。すべての方向で、等方性アンテナのパワーゲインは効率に等しいため、常に最大1ですが、指向性アンテナの場合は1を超えることができ、理想的には1を超える必要があります。

インピーダンスの不一致の場合、P inは、伝送線路の入射電力から反射電力を引いたものとして計算されることに注意してください。または同等に、アンテナ端子 のrms電圧Vに関して:

ここで Zinフィードポイントインピーダンスです。

デシベル単位のゲイン

アンテナゲインの公表値は、ほとんどの場合、対数目盛であるデシベル(dB)で表されます。ゲイン係数Gから、デシベル単位のゲインは次のようになります。

したがって、ピークパワーゲインが5のアンテナは、ゲインが7dBiであると言えます。dBiは、単にdBではなく、アンテナが等方性ラジエーターと比較される基本的な定義によるゲインであることを強調するために使用されます。

アンテナのゲインの実際の測定が実験室で行われる場合、テストアンテナの電界強度は、特定の距離で、たとえば1ワットの送信機電力が供給されたときに測定されます。その電界強度は、テスト対象のアンテナのゲインを決定するために、同じ電力を受信する同じ距離にあるいわゆる基準アンテナを使用して検出された電界強度と比較されます。基準アンテナが等方性ラジエーター(irad)の場合、その比率はGに等しくなります。

ただし、真の等方性ラジエーターを構築することはできないため、実際には別のアンテナが使用されます。これは多くの場合、半波長ダイポールであり、非常によく理解された再現性のあるアンテナであり、任意の周波数に対して簡単に構築できます。半波長ダイポールの指向性ゲインは1.64であることが知られており、ほぼ100%効率的にすることができます。ゲインはこの基準アンテナに対して測定されているため、テストアンテナのゲインの差はダイポールのゲインの差と比較されることがよくあります。したがって、ダイポールに対するゲインはしばしば引用され、混乱を避けるためにdBiの代わりにdBdを使用して示されます。したがって、真のゲイン(等方性ラジエーターと比較して)Gに関して、ゲインのこの数値は次の式で与えられます。

たとえば、ゲインG = 5の上記のアンテナは、ダイポールに関して5 / 1.64 = 3.05のゲインを持つか、デシベルでこれを10 log(3.05)= 4.84dBdと呼びます。一般に:

dBiとdBdの両方が一般的に使用されています。アンテナの最大ゲインがデシベルで指定されている場合(たとえば、製造元によって)、これが等方性ラジエーターに対するゲインを意味するのか、ダイポールに対するゲインを意味するのかを確認する必要があります。dBiまたはdBdが指定されている場合、あいまいさはありませんが、dBのみが指定されている場合は、細字部分を参照する必要があります。上記の関係を使用して、どちらの図も簡単にもう一方の図に変換できます。

アンテナの指向性パターンを検討する場合、ダイポールに関するゲインは、各方向のアンテナのゲインとその方向のダイポールのゲインを比較することを意味するものではないことに注意してください。むしろ、各方向のアンテナのゲインとダイポールのピークゲイン(1.64)を比較したものです。したがって、どの方向でも、このような数値はdBiで表されるゲインより2.15dB小さくなります。

部分ゲイン

部分ゲインはパワーゲインとして計算されますが、特定の偏波に対して計算されます。放射強度の一部として定義されます 等方性アンテナの総放射強度で割った、特定の偏波に対応します。[2]

の部分的な利益コンポーネントは次のように表されます

どこそれぞれに含まれる特定の方向の放射強度を表しますフィールドコンポーネント。

この定義の結果として、アンテナの総利得は、任意の2つの直交偏波の部分利得の合計であると結論付けることができます。

計算例

無損失アンテナが次の式で与えられる放射パターンを持っていると仮定します。

そのようなアンテナのゲインを見つけましょう。

解決策

まず、このアンテナのピーク放射強度を見つけます。

総放射電力は、すべての方向で統合することで求めることができます。

アンテナは無損失として指定されているため、放射効率は1です。最大ゲインは次のようになります。

半波長ダイポールのゲインを基準にして表すと、次のようになります。

実現ゲイン

IEEE Standard 145–1993によると、[1] 実現ゲインは、「アンテナ入力インピーダンスと指定されたインピーダンスの不一致による損失によって減少する」という点で、上記のゲインの定義とは異なります。この不一致は、上記の散逸損失を超える損失を引き起こします。したがって、実現ゲインは常にゲインよりも小さくなります。

実現ゲインと区別するためにさらに明確にする必要がある場合、ゲインは絶対ゲインとして表すことができます。[1]

総放射電力

総放射電力(TRP)は、ソース電力が測定に含まれている場合にアンテナから放射されるすべてのRF電力の合計です。TRPは、ワットまたは対応する対数式で表されます。多くの場合、dBmまたはdBWです。[3]

モバイルデバイスをテストする場合、TRPは、ユーザーの体や手などの電力吸収損失のすぐ近くで測定できます。[4]

TRPは、体の喪失(BoL)を決定するために使用できます。身体の喪失は、喪失の存在下で測定されたTRPと自由空間で測定されたTRPの比率と見なされます。

も参照してください

参考文献

  1. ^ a bc 「アンテナの用語のIEEE標準定義」IEEE STD 145-1993:1–32。1993年7月1日。doi10.1109 /IEEESTD.1993.119664ISBN 978-0-7381-0555-0
  2. ^ Balanis、Constantine A.(2016)。アンテナ理論:分析と設計(第4版)。ニュージャージー州ホーボーケン。p。63. ISBN 978-1-119-17898-9OCLC933291646 _
  3. ^ 「ワイヤレスデバイスの無線パフォーマンスに関するCTIAテストプランRev.3.4.2」(PDF)認定テストプランCTIA。2015年5月。2016年2月16日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。
  4. ^ モバイルブロードバンドマルチメディアネットワーク:ルイスM.コレイアによる4Gの技術、モデル、ツール

参考文献

  • アンテナ理論(第3版)、C。Balanis著、Wiley、2005年、ISBN 0-471-66782-X 
  • すべてのアプリケーション用のアンテナ(第3版)、John D. Kraus、Ronald J. Marhefka、2002年、ISBN 0-07-232103-2 

パブリックドメイン この記事に は、一般サービス管理文書「連邦規格1037C」のパブリックドメインの資料が組み込まれていますMIL-STD-188をサポート)