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Discussão sobre arranjo e antena de matriz
2022-04-10
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Abstrato:
Na vida real, o terminal que usamos geralmente é equipado com antena única ou antena MIMO, que possui altos ganhos e feixe relativamente amplo de 3dB no diagrama de direção de radiação de antena única. Em muitas demandas de comunicação de longa distância, é necessária uma antena direcional forte (por exemplo, antena de estação base) para compensar a atenuação do espaço.
Antena Direcional
Na coluna Antena Xuege, antena osciladora omnidirecional (antena de geração de ondas eletromagnéticas para oscilador simétrico) é apresentado primeiro. A vantagem deste tipo de antena é obter uma cobertura abrangente, mas os ganhos não são altos e o alcance da comunicação é limitado. Além disso, durante o uso real, a antena omnidirecional precisa de uma área livre maior.
Suponha que em um ambiente escuro e invisível, uma lanterna tenha potência de 3 W e é muito brilhante apesar do domínio brilhante muito pequeno, um feixe no escuro. A potência de uma lâmpada comum é de 60 W e o domínio de brilho de 360° é muito amplo, mas o brilho é relativamente fraco. Embora a potência da lâmpada seja 20 vezes maior que a da lanterna, para iluminar determinado item indefinido na linha de visão, a lanterna é inevitavelmente aplicável à lâmpada, apesar do domínio brilhante invisível. Ambos têm suas respectivas vantagens e desvantagens. A lanterna é semelhante à antena direcional e a lâmpada é semelhante à antena omnidirecional.
Comparativamente falando, antena direcional, que possui radiação mais centralizada energia e ganhos mais elevados do que a antena omnidirecional, é mais adequado para comunicação ponto a ponto de longa distância. A antena direcional end-fire no diagrama direcional - antena yagi será constituída após aumentar um refletor passivo e dispor paralelamente oito diretores passivos, que podem ser amplamente encontrados em HF, Marcas de ondas VHF e UHF.
Conforme mostrado na figura abaixo, o diagrama direcional da face H do oscilador de meia onda excitado é um círculo, o que significa que a energia da radiação pode realizar uma cobertura de 360° no plano horizontal e é não direcional. Mas depois de colocar um ou vários osciladores passivos adicionais lado a lado, o diagrama direcional na face H será direcional.
Em geral, quanto maior for o número de administradores, mais forte será a direcionalidade; mas não é uma relação linear, pois a corrente induzida em vários diretores finais é gradualmente enfraquecida.
Além da antena yagi, a antena direcional convencional também inclui antena parabólica, antena Vivaldi e antena microstrip patch com piso (Comparação de simulação HFSS e CST de antena patch e análise de módulo característico e aplicação de antena patch).
Por que a antena array é usada?
The O sistema de antenas disposto e constituído por muitas antenas únicas idênticas (por exemplo, antena simétrica) de acordo com a lei definida também é chamado de arranjo de antenas. Unidades independentes comumente conhecidas como arranjo de antenas serão chamadas de elementos de arranjo ou unidades de antena. Será uma matriz linear ou matriz planar.
Direcionalidade e eficiência de abertura são mencionados no artigo Discussão da antena de calibre planar. Para atender às demandas cada vez mais rigorosas de sistemas como comunicação, radar, navegação, pouso por micro-ondas, perturbação e anti-dfforisturbance, é necessário dispor unidades de antenas para melhorar os grãos da antena, para quando “todo mundo adiciona combustível, as chamas aumentam”.
A seguir, vamos ver por que os ganhos podem ser melhorados após o arranjo de antenas (tomando o arranjo linear uniforme, por exemplo):
Conforme mostrado na figura acima, cada antena é considerada uma fonte pontual após negligenciar o tamanho e a forma da antena e o fator de acoplamento entre as unidades. Considerando que a zona distante pode ser vista aproximadamente que os raios de várias unidades de antena para o ponto designado são paralelos, a diferença do caminho da onda entre os nth unidade e o 1st unidade é:
A corrente de excitação da primeira unidade de antena na figura é a diferença de fase de excitação de duas unidades adjacentes e o campo de radiação da zona distante do nth unidade (forma arbitrária) pode ser escrita abaixo:
O campo total pode ser registrado abaixo:
Suponha que o fator da matriz seja:
Pode ser simplificado em:
Put para a frente e normalizar o fator comum, e o fator normalizado será obtido:
Quando a potência radiante total é a mesma, a relação entre a densidade de potência na direção máxima do lóbulo principal e a densidade de potência média de todo o espaço é definida como fator de diretividade. Desprezando a perda da antena, o fator de diretividade pode ser considerado como ganhos reais da antena. Da mesma forma, a fórmula será a seguinte se apenas a matriz linear uniforme for considerada.
Com relação ao arranjo lateral, a seguinte equação será estabelecida quando o número de unidades N for relativamente grande:
INo caso de colocar em operação integral, a operação adicional pode ser realizada substituindo os limites superior e inferior da integral.
Portanto, para arranjo linear uniforme com amplitude uniforme e mesma fase, os maiores ganhos podem ser expressos abaixo:
É o comprimento da matriz aqui. Isso mostra que quando o espaçamento entre unidades é fixo, o número de unidades e os ganhos mostram uma relação linear teoricamente. Enquanto isso, a fórmula significa que quando o tamanho do arranjo é fixo, ela não é necessariamente útil para melhorar os ganhos do arranjo ao aumentar cegamente as unidades de antena. Assim, a matriz esparsa é derivada. O arranjo esparso pode reduzir as unidades de antena até certo ponto para reduzir os custos de engenharia e, além disso, é mais livre na organização dos elementos do arranjo. Papai, que, além disso, poderia obter um desempenho de antena mais excelente.
Suponha que a figura abaixo seja um arranjo linear de uma antena patch, o comprimento total fixo do arranjo é: número de unidades * espaçamento entre unidades = 100 mm. Desde A operação de tradução na modelagem CST suporta modelagem de todas as variáveis, dimensão da direção do eixo y de unidade de antena pode ser fixada como 12.5 mm e a direção no eixo x é definida como 100 mm/unidade. Defina o número de unidades como uma variável para referência, e as alterações de ganho reais correspondentes de diferentes números de unidades serão simuladas no caso de disposição uniforme sob comprimento total de disposição fixo.
A figura abaixo mostra circunstâncias de diferentes números de unidades: Coeficiente de reflexão da porta da Unidade 1. 17 GHz S11 está basicamente em -15dB ou mais, e a correspondência de portas é excelente.
Sob as dimensões de 12.5 mm × 100 mm, os ganhos máximos correspondentes de 17 GHz serão os seguintes quando eficiência de abertura é 100%.
Abaixo mostra a direcionalidade de 17GHz sob excitação da mesma fase de todas as unidades, comparando com diferentes números de unidades.
De acordo com o resultado acima, se o número de unidades for muito escasso, a direcionalidade será reduzida e o primeiro par de pétalas será relativamente alto. Os números de unidades (8 e 10) têm direcionalidade basicamente consistente. O primeiro possui grande espaçamento entre unidades e o isolamento entre as unidades é mais vantajoso.
In em geral, com base na determinação do tamanho do arranjo, aumentar cegamente a unidade da antena nem sempre pode melhorar o ganho da antena; pelo contrário, pode resultar na deterioração do isolamento entre as unidades de antena, o que, além disso, reduz o ganho da antena. O espaçamento e o número de unidades devem ser determinados de acordo com a faixa de ângulo de varredura do feixe, o isolamento da unidade e os requisitos específicos (por exemplo, orçamento de custo real).
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