Directiviteit is een fundamentele antenneparameter. Het is een maat voor het stralingspatroon van een directionele antenne. Een antenne die in alle richtingen gelijkmatig straalt, heeft een directiviteit van 1 (dit komt overeen met nul decibel, -0 dB).
De functie van sferische coördinaten kan worden geschreven als een genormaliseerd stralingspatroon:
[Vergelijking 1]
Een genormaliseerd stralingspatroon heeft dezelfde vorm als het oorspronkelijke stralingspatroon. Het genormaliseerde stralingspatroon wordt in grootte gereduceerd, zodat de maximale waarde van het stralingspatroon gelijk is aan 1. (De grootste waarde is vergelijking [1] van "F"). Mathematisch gezien wordt de formule voor directionaliteit (type "D") als volgt geschreven:
Dit lijkt misschien een ingewikkelde richtingsvergelijking. De stralingspatronen van moleculen zijn echter van het grootste belang. De noemer vertegenwoordigt het gemiddelde vermogen dat in alle richtingen wordt uitgestraald. De vergelijking is dan een maat voor het piekvermogen gedeeld door het gemiddelde. Dit geeft de richtingsgevoeligheid van de antenne.
Directioneel paradigma
Neem bijvoorbeeld de volgende twee vergelijkingen voor het stralingspatroon van twee antennes.
Antenne 1
Antenne 2
Deze stralingspatronen zijn weergegeven in Figuur 1. Merk op dat de stralingsmodus alleen afhankelijk is van de poolhoek theta (θ). Het stralingspatroon is niet afhankelijk van de azimuthoek. (Het azimutale stralingspatroon blijft onveranderd). Het stralingspatroon van de eerste antenne is minder gericht dan het stralingspatroon van de tweede antenne. Daarom verwachten we dat de directiviteit van de eerste antenne lager zal zijn.
Figuur 1. Stralingspatroondiagram van een antenne. Heeft deze een hoge directionaliteit?
Met behulp van formule [1] kunnen we berekenen dat de antenne een hogere richtingsgevoeligheid heeft. Om je begrip te testen, denk na over Figuur 1 en wat richtingsgevoeligheid is. Bepaal vervolgens welke antenne een hogere richtingsgevoeligheid heeft zonder wiskundige berekeningen te gebruiken.
Resultaten van de richtingsberekening, gebruik formule [1]:
Directionele antenne 1 berekening, 1,273 (1,05 dB).
Directionele antenne 2 berekening, 2,707 (4,32 dB).
Een verhoogde directionaliteit betekent een meer gefocuste of gerichte antenne. Dit houdt in dat een ontvangende antenne 2,707 keer het piekvermogen heeft van een omnidirectionele antenne. Antenne 1 ontvangt 1,273 keer het vermogen van een omnidirectionele antenne. Omnidirectionele antennes worden als gangbare referentie gebruikt, hoewel er geen isotrope antennes bestaan.
Mobiele telefoonantennes moeten een lage richtingsgevoeligheid hebben, omdat signalen uit alle richtingen kunnen komen. Satellietantennes daarentegen hebben een hoge richtingsgevoeligheid. Een satellietantenne ontvangt signalen uit een vaste richting. Als je bijvoorbeeld een satellietschotel koopt, vertelt de provider je in welke richting je deze moet richten en de schotel ontvangt dan het gewenste signaal.
We sluiten af met een lijst van antennetypes en hun richtingsgevoeligheid. Dit geeft u een idee van welke richtingsgevoeligheid gangbaar is.
Antennetype Typische richtingsgevoeligheid Typische richtingsgevoeligheid [decibel] (dB)
Korte dipoolantenne 1.5 1.76
Halfgolfdipoolantenne 1.64 2.15
Patch (microstripantenne) 3.2-6.3 5-8
Hoornantenne 10-100 10-20
Schotelantenne 10-10.000 10-40
Zoals de bovenstaande gegevens laten zien, varieert de richtingsgevoeligheid van antennes sterk. Daarom is het belangrijk om de richtingsgevoeligheid te begrijpen bij het selecteren van de beste antenne voor uw specifieke toepassing. Als u energie vanuit meerdere richtingen in één richting wilt verzenden of ontvangen, dan moet u een antenne met een lage richtingsgevoeligheid ontwerpen. Voorbeelden van toepassingen voor antennes met een lage richtingsgevoeligheid zijn autoradio's, mobiele telefoons en draadloze internettoegang voor computers. Omgekeerd, als u zich bezighoudt met remote sensing of gerichte energieoverdracht, dan is een antenne met een hoge richtingsgevoeligheid vereist. Antennes met een hoge richtingsgevoeligheid maximaliseren de energieoverdracht vanuit de gewenste richting en verminderen signalen uit ongewenste richtingen.
Stel dat we een antenne met een lage richtingsgevoeligheid willen. Hoe doen we dat?
De algemene regel in de antennetheorie is dat je een elektrisch kleine antenne nodig hebt om een lage richtingsgevoeligheid te bereiken. Dat wil zeggen, als je een antenne gebruikt met een totale afmeting van 0,25 tot 0,5 golflengte, minimaliseer je de richtingsgevoeligheid. Halfgolfdipoolantennes of halfgolfsleufantennes hebben doorgaans een richtingsgevoeligheid van minder dan 3 dB. Dit is de laagst mogelijke richtingsgevoeligheid die je in de praktijk kunt bereiken.
Uiteindelijk kunnen we geen antennes maken die kleiner zijn dan een kwart golflengte zonder de efficiëntie en de bandbreedte van de antenne te verminderen. Antenne-efficiëntie en antennebandbreedte zullen in volgende hoofdstukken worden besproken.
Voor een antenne met een hoge richtingsgevoeligheid hebben we antennes nodig met een grote golflengte. Satellietantennes en hoornantennes hebben bijvoorbeeld een hoge richtingsgevoeligheid. Dit komt mede doordat ze een grote golflengte hebben.
Hoe komt dat? Uiteindelijk heeft de reden te maken met de eigenschappen van de Fourier-transformatie. Wanneer je de Fourier-transformatie van een korte puls uitvoert, krijg je een breed spectrum. Deze analogie gaat niet op bij het bepalen van het stralingspatroon van een antenne. Het stralingspatroon kan worden gezien als de Fourier-transformatie van de stroom- of spanningsverdeling langs de antenne. Daarom hebben kleine antennes brede stralingspatronen (en een lage directiviteit). Antennes met een grote, uniforme spannings- of stroomverdeling hebben zeer gerichte patronen (en een hoge directiviteit).
E-mail:info@rf-miso.com
Telefoon: 0086-028-82695327
Website: www.rf-miso.com
Geplaatst op: 7 november 2023
