Efektywny obszar dipola
On 31 stycznia, 2021 by adminEfektywny obszar dipola to $ \ lambda ^ {2} / 4 * \ pi $. Rozważmy fale em o częstotliwości 1 GHz. Weźmy pod uwagę dwie anteny o długości 15 cm, czyli półfalowej i 1 cm. Oba mają ten sam efektywny obszar. Jest to bardzo nieintuicyjne, ponieważ pole powierzchni nie zależy od długości dipola. Co wyjaśnia tę nieintuicyjną formułę? Po co zawracać sobie głowę długością anteny, szczególnie jeśli chodzi o odbiór?
Komentarze
- Możesz również rozważyć pytanie o fizyczne aspekty tego pytania w Physics SE , o ile pytanie nie jest identyczne. Prawdopodobnie powinieneś pokazać źródło, z którego pochodzi $ (\ pi / 4) \ lambda ^ 2 $. Efektywny obszar można ogólnie traktować jako przekrój absorpcji i jest to naprawdę inny sposób wyrażenia prawdopodobieństwa absorpcji padającego fotonu. Zatem odpowiedź tutaj i odpowiedź tutaj będą komplementarne, ale nie będą duplikatami.
- Przekrój absorpcji jest miarą prawdopodobieństwa, która różni się od efektywnej apertury w teorii anten. Pochodzenie wzoru na efektywną aperturę to po prostu sferyczna konstrukcja promieniowania izotropowego.
Odpowiedź
Preferowany termin jest efektywna przysłona. Efektywna apertura jest definiowana jako:
$$ A_e = \ frac {\ lambda ^ 2} {4 \ pi} G \ tag 1 $$
gdzie $ \ lambda $ to długość fali działania, a G jest liniowym wzmocnieniem anteny.
Zatem z równania 1 możesz zobaczyć, że musisz uwzględnić wzmocnienie anteny – nie zostało to odzwierciedlone w twoim wzorze. Wzmocnienie anteny jest zdefiniowane jako:
$$ Wzmocnienie = sprawność * Kierunkowość \ tag 2 $$
Dipol 1/2 fali ma kierunkowość 1,65. Kiedy skracasz dipol, jego kierunkowość maleje, ale szybko osiąga wartość końcową 1,5, niezależnie od tego, o ile bardziej jest skracana.
Co ma ostateczny wpływ na A e w przypadku małego dipola to jego sprawność. Sprawność definiuje się jako:
$$ Efficiency = \ frac {R_r} {R_r + R_l} \ tag 3 $$
gdzie R r to odporność na promieniowanie, a R l to straty rezystancyjne.
Ponieważ rozmiar dipola staje się mniejszy w porównaniu do 1/2 $ \ lambda $ dipol, jego opór promieniowania gwałtownie spada jako funkcja kwadratu jego ułamkowej długości fali. W przypadku materiałów i metod konstrukcyjnych, R l spada tylko proporcjonalnie do ułamkowej długości fali. W związku z tym wydajność gwałtownie spada wraz z kurczenie się dipola. Ponieważ zmniejsza to zysk anteny, A e anteny jest również zmniejszone.
Dla danej długości fali, A e anteny jest wprost proporcjonalna do jej wzmocnienia, ale A e zapewnia konstrukcję, która pomaga wizualizować aperturę zbierania anteny, gdy przecina ją fala płaska. Im większa apertura, tym większa całkowita moc odbieranego sygnału, która jest dostępna w punkcie zasilania anteny. To właśnie ta moc określa siłę sygnału na zaciskach wejściowych odbiornika.
Odpowiedź
Efektywny obszar , zwana także efektywną aperturą , to moc obserwowana w punkcie zasilania anteny podzielona przez irradiancja , na którą wystawiona jest antena .
Irradiancja jest wyrażana jako moc na powierzchnię, na przykład „1 mikrowat na metr kwadratowy”. Efektywna przysłona to obszar. Na przykład, jeśli irradiancja wynosi 1 μW / m 2 i obserwuję 2 μW w punkcie zasilania anteny, efektywna apertura anteny musi wynosić 2 metry kwadratowe.
To jest po prostu inny sposób wyrażania wzmocnienia. Wzmocnienie ($ G $) i efektywna apertura $ (A_e $) są powiązane przez:
$$ G = {4 \ pi A_e \ over \ lambda ^ 2} $$
Więc kiedy mówisz, że dipol ćwierćfalowy i znacznie mniejszy dipol mają taką samą efektywną aperturę, mówisz, że mają ten sam zysk.
Ponadto twierdzisz, że mają zysk:
$$ G = {4 \ pi (\ lambda ^ 2/4 \ cdot \ pi) \ over \ lambda ^ 2} $$
co upraszcza do
$$ G = \ pi ^ 2 \ około 9,87 $$
To jest niepoprawne. Bezstratny, nieskończenie mały dipol ma wzmocnienie 1,5. Dipol półfalowy ma wzmocnienie 1,64.
Poza tym słusznym pytaniem jest pytanie, dlaczego wzmocnienie półfali i krótkiego dipola są prawie takie same. Wygląda na to, że krótki dipol, będąc fizycznie znacznie mniejszy, miałby mniejszy efektywny apertura, a tym samym mniejszy ga w. A jednak zysk nigdy nie spada poniżej 1,5, niezależnie od tego, jak mały staje się dipol.
Powodem jest to, że ten idealny, teoretycznie nieskończenie mały dipol jest bezstratny, więc cała energia jest ostatecznie wypromieniowywana. W związku z tym nie ma sposobu na zmniejszenie wzmocnienia, z wyjątkiem zmniejszenia kierunkowości anteny, co nie jest możliwe, dopóki geometria pasuje do definicji dipola.
W praktyce, dipol staje się krótszy, jego impedancja staje się bardziej reaktywna.Aby przesłać moc do anteny lub z anteny, wymagana jest odpowiednia sieć, która musi obsługiwać rosnący szczytowy prąd i napięcie. Teoretycznie ta moc bierna może krążyć między anteną a dopasowaną siecią bez strat, ale rzeczywiste pasujące sieci nie są bezstratne. Tak więc w praktyce wydajność (a tym samym wzmocnienie i efektywna apertura) zbliża się do zera, gdy dipol zbliża się do zerowej długości.
W przypadku wzajemności to samo dotyczy odbioru: wzmocnienie nie spada poniżej 1,5 niezależnie od wielkości dipol. Porównując dipol ćwierćfalowy i wyjątkowo mały dipol bezstratny, każdy z nich otrzymuje mniej więcej taką samą moc (odpowiednio 1,64 vs 1,5), ale prąd i napięcie w przypadku małego dipola będą niezwykle duże ze względu na ogromną moc bierną .
Komentarze
- Warunkiem niejawnym wzmocnienia anteny jest dopasowana impedancja punktu zasilania. Myśląc o Ae z perspektywy odbioru, jeśli impedancja anteny wynosi R-jX, a impedancja obciążenia R + jX, to maksymalna dostępna moc jest przenoszona z anteny do obciążenia. A ponieważ jest to bezstratne w wyidealizowanym przypadku, nie ma dodatkowego ponownego promieniowania z anteny. Czego mi brakuje?
- @ GlennW9IQ Nic. ' Nie jestem pewien, do czego ' zmierzasz. Nie ' nie zgadzam się z niczym w Twojej odpowiedzi, po prostu pomyślałem, że ' wybiorę inne podejście. Pomyślałem też, że ' d wskazałem, że pierwsze zdanie pytania jest nieprawidłowe.
- Nie ' t kontrastujące nasze dwie odpowiedzi, ale próbowałem uchwycić logikę twojego trzeciego do ostatniego akapitu z perspektywy odbioru.
- @ GlennW9IQ Bardziej jasne po przeredagowaniu?
- Przy okazji – bardzo mi się podoba Twoja otrzymana moc / definicja irradiancji.
Dodaj komentarz