放射線パターン

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三次元アンテナ放射パターン。原点から任意の方向への半径方向の距離は、その方向に放出される放射線の強度を表します。トップショー指令のパターンホーンアンテナ、底示す全方位簡単のパターン垂直アンテナ

アンテナ設計の分野では放射パターン(またはアンテナパターンまたは遠方界パターンという用語は、アンテナまたは他のソースからの電波の強度の方向(角度)依存性を指します。[1] [2] [3]

特に光ファイバーレーザー、および集積光学の分野では、放射パターンという用語は、近接場パターンまたはフレネルパターンの同義語として使用することもできます[4]これは近接場、またはソースのフレネル領域における電磁場の位置依存性を指します。近接場パターンは、最も一般的には、光源の前に配置された平面上、または光源を囲む円筒形または球面上で定義されます。[1] [4]

アンテナの遠方界パターンは、アンテナ範囲実験的に決定することができます。あるいは、近距離場パターンを近距離場スキャナーを使用して見つけ、それから放射パターンを計算によって推定することもできます。[1] 遠方界放射パターンは、NECなどのコンピュータプログラムによってアンテナ形状から計算することもできますHFSSのような他のソフトウェアも近接場を計算できます。

遠方界放射パターンは、以下を含むいくつかの関連する変数の1つのプロットとしてグラフィカルに表すことができます。一定の(大きな)半径で電界強度振幅パターンまたは電界パターン)、単位立体角あたりのパワー(パワーパターン)、および指向性ゲイン。非常に多くの場合、相対振幅のみがプロットされ、アンテナボアサイトの振幅または総放射電力のいずれかに正規化されます。プロットされた量は、線形スケールまたはdBで表示できます。プロットは、典型的には(右側のように)3次元グラフとして、または別個にグラフとして表されている垂直面水平面これは、極座標図としてよく知られています

相反性

そのアンテナの基本的な特性である受信パターンのために使用されるアンテナの(方向の関数として感度)の受信をするために使用される場合、アンテナの遠視野放射パターンと同一である送信これは電磁気学相反定理の結果であり、以下で証明されています。したがって、放射パターンの説明では、アンテナは送信または受信のどちらか便利な方と見なすことができます。これはパッシブアンテナエレメントにのみ適用されます。増幅器または他のコンポーネントを含むアクティブアンテナは、もはや相互デバイスではありません。

典型的なパターン

典型的な極放射プロット。ほとんどのアンテナは、「ローブ」のパターンまたは放射の最大値を示します。指向アンテナ、伝搬の所望の方向に、「と呼ばれ、ここで最大ローブを示すメインローブ」。他のローブは「サイドローブ」と呼ばれ、通常、不要な方向への放射を表します。

以来、電磁放射があるダイポール放射ような仮説が、放射するコヒーレントに均等に全ての方向にそのアンテナを構築することは不可能である等方性アンテナを計算するための基準として使用されるアンテナ利得

最も単純なアンテナであるモノポールアンテナダイポールアンテナは、共通の軸に沿った1本または2本の真っ直ぐな金属棒で構成されています。これらの軸対称アンテナには、全方向性パターンと呼ばれる同様の対称性を持つ放射パターンがあります。それらはアンテナに垂直なすべての方向に等しい電力を放射し、電力は軸に対する角度によってのみ変化し、アンテナの軸上でゼロに低下します。これは、アンテナの形状が対称である場合、その放射パターンは同じ対称性を持つという一般的な原理を示しています。

ほとんどのアンテナでは、アンテナのさまざまな部分からの放射がいくつかの角度で干渉します。アンテナの放射パターンは干渉パターンと見なすことができます。ゼロ異なる部分からの電波が届く特定の角度で放射線には、これは結果位相がずれ、及び 極大電波が届く他の角度で放射線の位相に。したがって、ほとんどのアンテナの放射プロットは、放射がゼロになるヌル」で区切られた、さまざまな角度でのローブと呼ばれる最大値のパターンを示しています。アンテナが波長と比較して大きいほど、ローブが多くなります。

長方形の放射プロット、極プロットの代替表示方法。

指向性アンテナの目的は、ある特定の方向に電波を放射することである、アンテナは、所望の方向に向けローブにおけるその電力の大部分を放射するように設計されています。したがって、放射プロットでは、このローブは他のローブよりも大きく表示されます。それは「メインローブと呼ばれます。メインローブの中心を通過する最大放射軸は、「ビーム軸」またはボアサイト軸と呼ばれます。スプリットビームアンテナなどの一部のアンテナでは、複数のメジャーローブが存在する場合があります。他のローブメインローブの横にある、他の方向への不要な放射を表すものは、マイナーローブと呼ばれます。メインローブに対してある角度で向けられたマイナーローブは、「サイドローブ」と呼ばれます。"。メインローブと反対方向(180°)のマイナーローブは"バックローブ"と呼ばれます。

マイナーローブは通常、望ましくない方向の放射を表すため、指向性アンテナでは、設計目標は通常、マイナーローブを減らすことです。サイドローブは通常、マイナーローブの中で最大です。マイナーローブのレベルは、通常、メジャーローブのパワー密度に対する問題のローブのパワー密度の比率として表されます。この比率は、サイドローブ比率またはサイドローブレベルと呼ばれることがよくあります。多くのアプリケーションでは、通常、-20dB以上のサイドローブレベルは望ましくありません。サイドローブレベルを-30dB未満にするには、通常、非常に注意深い設計と構築が必要です。たとえば、ほとんどのレーダーシステムでは、サイドローブを介した誤ったターゲット表示を最小限に抑えるために、サイドローブの比率を低くすることが非常に重要です。

相互主義の証明

完全な証拠については、相反性(電磁気学)の記事を参照してください。ここでは、均質な媒体において、アンテナのサイズと比較して大きな距離で隔てられた2つのアンテナの近似に限定された一般的な単純な証明を提示します。最初のアンテナは、パターンを調査するテストアンテナです。このアンテナは、どの方向にも自由に向けることができます。2番目のアンテナは基準アンテナであり、最初のアンテナをしっかりと指します。

各アンテナは、特定のソースインピーダンスを持つ送信機と同じ入力インピーダンスを持つ受信機に交互に接続されます(インピーダンスは2つのアンテナ間で異なる場合があります)。

2つのアンテナは十分に離れているため、送信アンテナの特性は、受信アンテナによってアンテナにかかる負荷の影響を受けないと想定されます。したがって、送信機から受信機に転送される電力量は、2つの独立した要素の積として表すことができます。1つは送信アンテナの指向性に依存し、もう1つは受信アンテナの指向性に依存します。

送信アンテナの場合、ゲインの定義により、 、離れた場所での放射パワー密度 アンテナから(つまり、ユニット領域を通過する電力)は

ここで、角度 アンテナからの方向への依存を示し、 送信機が整合負荷に供給する電力を表します。ゲイン3つの要因に分解される可能性があります。アンテナ利得(パワーの方向再分配)、放射効率(アンテナにおける抵抗損失を占める)、および起因アンテナと送信機との間の不整合に最後損失。厳密には、不一致が含まれるように、それが呼ばれるべき実現利益[4]が、これは一般的な使い方ではありません。

受信アンテナの場合、受信機に供給される電力は次のとおりです。

ここ は入射放射線のパワー密度であり、 アンテナの開口部またはアンテナの有効面積(観測された捕捉電力を遮断するためにアンテナが占める必要のある面積)です。方向性の引数は、受信アンテナに関連するようになりました。 オーム損失とミスマッチ損失を含むと見なされます。

これらの表現をまとめると、送信機から受信機に転送される電力は次のようになります。

どこ は、それぞれ送信アンテナと受信アンテナの方向に依存するプロパティです。基準アンテナ(2)からテストアンテナ(1)への送信の場合、

反対方向への送信用

ここで、ゲイン と有効面積 このアンテナの向きは最初のアンテナに対して固定されているため、アンテナ2の方向は固定されています。

ここで、アンテナの特定の配置に対して、相反定理は、電力伝達が各方向で等しく効果的であることを要求します。

どこから

ただし、この式の右辺は固定されているため(アンテナ2の方向が固定されているため)、

つまり、(受信)有効アパーチャと(送信)ゲインの方向依存性は同じです(QED)。さらに、比例定数はアンテナの性質に関係なく同じであるため、すべてのアンテナで同じである必要があります。特定のアンテナ(ヘルツダイポールなど)を分析すると、この定数は次のようになります。、 どこ は自由空間の波長です。したがって、どのアンテナでも、ゲインと有効口径は次のように関係します。

受信アンテナの場合でも、有効口径を指定するよりもゲインを指定する方が一般的です。したがって、受信機に供給される電力は、通常、次のように記述されます。

リンクバジェットを参照)。ただし、有効口径は、アンテナの実際の物理的サイズと比較するために重要です。

実用的な結果

  • コンピュータシミュレーションによって受信アンテナのパターンを決定する場合、考えられるすべての入射角に対して計算を実行する必要はありません。代わりに、アンテナの放射パターンは単一のシミュレーションによって決定され、受信パターンは相互関係によって推測されます。
  • 測定によってアンテナのパターンを決定する場合、アンテナは受信または送信のどちらか便利な方になります。
  • 実用的なアンテナの場合、サイドローブレベルは最小である必要があり、最大の指向性を持つ必要があります。[5]

も参照してください

参考文献

  1. ^ a b c Constantine A. Balanis:「アンテナ理論、分析および設計」、John Wiley&Sons、Inc。、第2版。1982 ISBN  0-471-59268-4
  2. ^ デイヴィッドKチェン:「フィールドとウェーブ電磁気」、アディソン・ウェズリー出版社(株)、第2版、1998年ISBN 0-201-52820-7 
  3. ^ エドワードC.ジョーダン&キースG.バルマン; 「電磁波と放射システム」(第2版、1968年)Prentice-Hall。ISBN 81-203-0054-8 
  4. ^ a b c 米国電気電子学会、「電気電子用語のIEEE標準辞書」; 第6版 ニューヨーク、ニューヨーク、電気電子工学研究所、c1997。IEEE Std100-1996。ISBN 1-55937-833-6 [ed。規格調整委員会10、用語と定義; ジェーン・ラダッツ、(議長)] 
  5. ^ シン、アービンダー; サルゴトラ、ロヒット(2016年7月20日)。「花受粉アルゴリズムを使用した線形アンテナアレイの合成」。ニューラルコンピューティングとアプリケーション29(2):435–445。土井10.1007 / s00521-016-2457-7

パブリックドメイン この記事には、一般調達局のドキュメント「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

外部リンク