Figure 1. Régions du faisceau principal et des lobes secondaires utilisées pour définir l'efficacité du faisceau d'antenne.
Qu'est-ce que l'efficacité du faisceau d'une antenne ?
efficacité du faisceau d'antenneL'efficacité du faisceau principal, également appelée efficacité du faisceau principal, correspond à la fraction de la puissance totale rayonnée par une antenne qui se situe à l'intérieur d'une zone de faisceau principal définie. Elle répond à une question pratique de conception : quelle proportion du rayonnement disponible est concentrée vers le secteur angulaire souhaité au lieu d'être répartie entre les lobes secondaires et le lobe arrière ?
Pour une antenne de réception, la réciprocité permet d'interpréter le même concept comme la fraction de la puissance reçue captée par le faisceau principal, lorsque le champ environnant et les conditions de polarisation sont définis de manière cohérente. L'efficacité du faisceau est donc particulièrement utile en radar, radiométrie, liaisons satellitaires, systèmes micro-ondes point à point et mesures d'antennes, où l'énergie provenant de directions indésirables ou s'en éloignant peut réduire la précision ou accroître les interférences.
Sur la figure 1, le lobe principal est centré sur l'axe z. Si l'angle du cône θ1marque le premier zéro ou une autre limite de faisceau principal explicitement spécifiée, l'efficacité du faisceau est calculée en intégrant le diagramme de puissance à l'intérieur de ce cône et en le divisant par la puissance intégrée sur le diagramme de rayonnement complet.
Formule d'efficacité du faisceau d'antenne
En utilisant le modèle de puissance normalisé Pn(θ,φ), l'expression générale de l'efficacité du faisceau est présentée ci-dessous :
Le numérateur représente la puissance contenue dans l'angle solide du faisceau principal sélectionné, ΩMBLe dénominateur représente la puissance totale rayonnée intégrée sur 4π stéradians. La valeur résultante, ηB, est sans dimension et est normalement exprimé en pourcentage.
- Pn(θ,φ)est le profil de puissance normalisé. Si des données de champ électrique mesurées sont utilisées, le terme de puissance correspondant est proportionnel à |E|.2.
- ΩMBest la région du faisceau principal spécifiée, souvent délimitée par les premiers zéros ou par un angle de cône défini.
- θ et φsont les coordonnées d'élévation et d'azimut utilisées pour décrire le diagramme de rayonnement complet.
La limite du faisceau principal doit toujours être précisée avec le résultat. Deux laboratoires peuvent obtenir des valeurs numériques différentes à partir du même diagramme de diffraction si l'un intègre jusqu'au premier zéro tandis que l'autre utilise un cône angulaire fixe. Pour un faisceau crayon approximativement symétrique par révolution, l'intégration peut être simplifiée comme indiqué dans l'expression suivante.
Comment mesure-t-on l'efficacité du faisceau d'une antenne ?
L'efficacité du faisceau est obtenue à partir des données du diagramme de rayonnement plutôt qu'à partir d'une simple mesure axiale. On peut utiliser un banc d'essai de champ lointain étalonné, un banc d'essai d'antennes compact ou un système de champ proche avec une transformation de champ lointain validée. Pour les réseaux d'antennes à commande de phase, la mesure doit être répétée pour chaque état de faisceau, fréquence et polarisation requis, car les erreurs de balayage, d'amplitude ou de phase peuvent redistribuer la puissance vers les lobes secondaires.
- Mesurer le diagramme de rayonnementsur une couverture angulaire suffisante pour inclure le faisceau principal, les lobes secondaires et le lobe arrière.
- Convertir le champ mesuré en un diagramme de puissanceet appliquer la même normalisation à chaque échantillon angulaire.
- Définir la limite de la poutre principale, comme le contour du premier zéro ou un angle de cône spécifié.
- Intégrez le pouvoir à l'intérieur de cette limiteet divisez-le par la puissance intégrée sur l'ensemble du motif.
- Signalez les conditions d'essai, notamment la fréquence, la polarisation, l'état du faisceau, la résolution angulaire et la définition des limites.
Deux coupes bidimensionnelles dans les plans E et H permettent d'observer la largeur du faisceau et le comportement des lobes secondaires, mais ne fournissent généralement pas une valeur complète d'efficacité du faisceau en trois dimensions, sauf si la symétrie de rotation est justifiée. Des données de diagramme de rayonnement complètes ou couvrant toute la sphère offrent un résultat plus fiable. En savoir plus sur les systèmes RF MISO.capacités de test d'antennes.
Efficacité du faisceau par rapport à d'autres termes relatifs à l'efficacité des antennes
Efficacité du faisceau par rapport à l'efficacité du rayonnement
Efficacité du rayonnementcompare la puissance rayonnée à la puissance acceptée par l'antenne et reflète donc les pertes par conducteur et diélectrique.efficacité du faisceauCe terme décrit la répartition de la puissance rayonnée. Une antenne peut présenter de faibles pertes internes tout en conservant un rendement de faisceau modeste si une part importante de la puissance est générée par les lobes secondaires ou le lobe arrière.
Efficacité du faisceau en fonction de la directivité et du gain
DirectivitéCe terme décrit la concentration maximale du rayonnement par rapport à un radiateur isotrope. Le gain combine la directivité et l'efficacité du rayonnement, tandis que le gain réalisé tient également compte de l'adaptation d'impédance. L'efficacité du faisceau est différente car elle intègre la puissance sur une plage angulaire au lieu d'évaluer uniquement la direction du pic.
Efficacité du faisceau vs. largeur du faisceau
La largeur de faisceau à mi-puissance correspond à l'écart angulaire entre les points à -3 dB du lobe principal. Un faisceau étroit est souvent associé à une directivité élevée, mais ne garantit pas à lui seul un rendement de faisceau élevé. Un diagramme de rayonnement peut présenter un pic étroit tout en envoyant une énergie significative dans les lobes secondaires. Il est donc essentiel d'analyser la largeur de faisceau et le niveau des lobes secondaires conjointement à la valeur du rendement de faisceau intégré.
Quels sont les facteurs qui déterminent l'efficacité du faisceau d'une antenne ?
1. Niveaux des lobes secondaires et des lobes arrière
La puissance située en dehors de la zone du faisceau principal sélectionné réduit directement l'efficacité du faisceau. Des lobes secondaires importants peuvent résulter de discontinuités d'ouverture, d'espacements inadéquats du réseau, d'erreurs d'amplitude ou d'un profil d'illumination non optimisé pour le diagramme de rayonnement requis. Le rayonnement arrière et la diffusion par les structures voisines peuvent avoir un effet similaire.
2. Éclairage de l'ouverture et atténuation de l'amplitude
Les antennes à ouverture et les réseaux d'antennes utilisent une distribution d'amplitude sur l'ouverture rayonnante. Une distribution quasi uniforme permet d'obtenir un faisceau principal étroit et une directivité élevée, mais peut également générer des lobes secondaires relativement importants. L'application d'une atténuation d'amplitude permet de réduire les lobes secondaires et de concentrer la puissance totale du diagramme de rayonnement dans la zone souhaitée. Cependant, une atténuation excessive peut élargir le faisceau principal et réduire le gain maximal ou le rendement d'ouverture. Le réglage optimal résulte donc d'un compromis spécifique à l'application.
3. Débordement d'alimentation et blocage structurel
Dans une antenne réflectrice, l'énergie qui ne parvient pas au réflecteur est considérée comme une dispersion et ne contribue pas au faisceau principal souhaité. Les supports d'alimentation, un sous-réflecteur ou des éléments matériels situés à proximité peuvent également bloquer ou diffuser une partie du champ d'ouverture. Un choix judicieux de l'alimentation, un positionnement focal approprié et un alignement mécanique correct permettent de limiter ces pertes et les lobes indésirables.
4. Erreurs de phase, d'amplitude et de surface
Le déséquilibre de phase entre les éléments du réseau, les pertes d'alimentation inégales, les tolérances de fabrication, les défauts de surface du réflecteur et la distorsion du radôme peuvent dévier l'énergie du faisceau cible. Ces effets prennent généralement plus d'importance avec l'augmentation de la fréquence, car une erreur dimensionnelle fixe représente une fraction plus importante de la longueur d'onde.
5. Pureté de polarisation
Certaines définitions de l'efficacité du faisceau ne prennent en compte que la puissance dans la polarisation souhaitée. Le rayonnement à polarisation croisée, à l'intérieur ou à l'extérieur du faisceau principal, peut alors réduire la valeur mesurée. La polarisation doit être spécifiée de manière cohérente dans les simulations, les mesures et les exigences du système.
L'efficacité du faisceau, la largeur du faisceau et la bande passante sont différentes.
efficacité du faisceauest un rapport de puissance angulaire intégré.largeur du faisceaudécrit la largeur angulaire du lobe principal à un niveau donné, généralement le point de demi-puissance ou de -3 dB.Bande passante de l'antennedécrit la plage de fréquences pour laquelle les exigences sélectionnées sont satisfaites. Ces paramètres s'influencent mutuellement, mais ne sont pas interchangeables.
Un modèle peut maintenir un TOS acceptable sur une large bande de fréquences, tandis que sa direction de faisceau, le niveau de ses lobes secondaires ou son rendement de faisceau varient considérablement près des bords de bande. Les performances du diagramme de rayonnement doivent donc être vérifiées à plusieurs fréquences plutôt que déduites de la seule bande passante d'impédance. Pour une description détaillée des définitions de bandes de fréquences, voirBande passante de l'antenne.
Comment améliorer l'efficacité du faisceau ?
- Choisissez une conicité d'ouverture qui équilibre la suppression des lobes secondaires, la largeur du faisceau principal et le gain.
- Optimiser la position d'alimentation du réflecteur, l'éclairage des bords et le débordement.
- Utilisez un espacement approprié des éléments et un contrôle précis de l'amplitude ou de la phase dans les réseaux pour éviter les lobes de réseau.
- Réduire les obstructions, la dispersion des câbles et les interactions indésirables avec la structure de montage ou le radôme.
- Contrôlez les tolérances d'usinage, la précision de surface et l'alignement à la fréquence de fonctionnement la plus élevée.
- Vérifier les diagrammes de polarisation co-polaire et croisée sur toute la bande de fonctionnement et dans chaque état de faisceau requis.
Où l'efficacité des feux de route est-elle la plus importante ?
Un rendement de faisceau élevé est particulièrement précieux lorsque la puissance ou l'énergie reçue doit être confinée dans une direction bien définie. Parmi les exemples typiques, citons les radars de poursuite et d'imagerie de cibles, les liaisons de communication par satellite, la radioastronomie et la radiométrie, les liaisons micro-ondes point à point, les systèmes d'alimentation par réflecteur, les antennes d'étalonnage et les réseaux d'antennes à balayage électronique.
Il n'existe pas de pourcentage d'efficacité de faisceau universel valable pour toutes les antennes. Une spécification pertinente doit préciser la fréquence de fonctionnement, la polarisation, l'état du faisceau et la limite angulaire, ainsi que le comportement acceptable des lobes secondaires et des lobes arrière. Ceci permet une comparaison directe entre les données du fournisseur, les simulations et les résultats de mesure.
Que doivent vérifier les acheteurs dans une fiche technique d'antenne ?
Lorsque le contrôle du faisceau est important, ne vous fiez pas uniquement au gain maximal pour évaluer une antenne. Demandez au fabricant quelles sont les données de diagramme de rayonnement et les conditions de test disponibles pour le modèle et la gamme de fréquences concernés.
- Plage de fréquences de fonctionnement et fréquences utilisées pour les mesures de diagramme
- Gain, largeur de faisceau à mi-puissance et niveau du premier lobe secondaire en fonction de la fréquence
- Diagrammes de rayonnement co-polaire et croisé dans les plans requis ou sur un balayage sphérique
- La limite angulaire et la polarisation utilisées pour calculer l'efficacité du faisceau, lorsque cette valeur est spécifiée
- ROS, interface de connecteur ou de guide d'ondes, gestion de la puissance et exigences environnementales
- Tolérances mécaniques, configuration de montage et toute configuration d'alimentation du radôme ou du réflecteur
Solutions d'antennes micro-ondes RF MISO
RF MISO fournit des antennes micro-ondes et ondes millimétriques pour la mesure, le radar, les communications et l'intégration de systèmes. Parmi ses gammes de produits, on trouve notamment :antennes cornet à gain standard, antennes réflectricesetantennes réseauLes spécifications propres au modèle et les données de test disponibles doivent être comparées aux performances requises en matière de fréquence, de polarisation, de gain et de diagramme de rayonnement.
Pour le choix d'une antenne ou pour une exigence personnalisée,contacter RF MISO at info@rf-miso.com.
Date de publication : 12 juillet 2024
