Qu'est-ce que l'ouverture effective d'une antenne ?
Leouverture effective d'une antenne, également appelézone efficace (Ae), décrit l'efficacité avec laquelle une antenne réceptrice capte la puissance d'une onde électromagnétique incidente. Il s'agit d'une surface de réception équivalente, et non nécessairement de l'ouverture physique de l'antenne.
Pour une onde plane à polarisation adaptée arrivant de la direction de réception maximale, l'ouverture effective relie la densité de puissance incidente à la puissance disponible aux bornes de l'antenne.
If Sest la densité de puissance incidente en W/m2etPrsi la puissance reçue disponible est exprimée en watts, alors :
Pr= SAe
Une ouverture effective plus grande capte plus de puissance provenant du même champ incident, à condition que la direction d'arrivée et la polarisation soient alignées.
L'ouverture effective tient compte du rendement de rayonnement et des autres pertes de l'antenne, notamment les pertes par effet Joule et diélectrique. Elle mesure donc la performance de réception utile et non seulement la taille physique. Le rendement d'ouverture, l'adaptation d'impédance et l'adaptation de polarisation peuvent tous réduire la puissance délivrée au récepteur.
Formule d'ouverture effective et gain d'antenne
L'ouverture effective maximale d'une antenne est liée à son gain.Get longueur d'ondeλpar:
Ae= Gλ2/(4π)
Utilisez le gain comme un rapport linéaire, et non en dBi, dans cette équation. Convertissez le gain avecG = 10G(dBi)/10Parce que la longueur d'onde est égale àc/f, l'ouverture effective diminue avec l'augmentation de la fréquence lorsque le gain est maintenu constant.
Inversement, des antennes de même ouverture physique peuvent atteindre un gain plus élevé aux longueurs d'onde plus courtes lorsque l'efficacité d'ouverture reste comparable. Cette relation permet aux ingénieurs de comparer les performances de réception sur différentes fréquences.
Comment l'ouverture effective est-elle déterminée ?
L'ouverture effective peut être calculée à partir du gain mesuré, déterminé par comparaison avec une antenne de référence, ou déduite de mesures de puissance de réception étalonnées. Ce résultat est utile pour l'établissement des bilans de liaison, les mesures d'antenne et l'estimation de la sensibilité du système.
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Utilisation de l'ouverture effective dans l'équation de transmission de Friis
LeÉquation de transmission de FriisIl établit un lien entre la puissance transmise, les gains d'antenne, la longueur d'onde et la distance de séparation dans une liaison en champ lointain en espace libre. Pour le gain de l'émetteurGtgain du récepteurGr, longueur d'ondeλet la distanceR, il estime la puissance disponible à l'antenne de réception.
En utilisantPr= SAerend explicite le rôle de l'ouverture effective de réception : l'antenne émettrice établit la densité de puissance au niveau du récepteur, et l'antenne réceptrice convertit une partie de ce champ en puissance terminale.
Dérivation de la formule de transmission de Friis
Considérons deux antennes séparées par une distanceRDans un espace dégagé. L'antenne de réception doit se trouver dans le champ lointain de l'émetteur, et les antennes doivent être alignées en direction et en polarisation.
If PtSi une puissance de watts est délivrée à une antenne émettrice isotrope idéale, cette puissance se répartit sur la surface d'une sphère. À distanceR, la densité de puissance incidente est :
Figure 1. Antennes d'émission (Tx) et de réception (Rx) séparées parR.
Pour une antenne émettrice pratique avec gainGtEn direction du récepteur, la densité de puissance incidente augmente de ce facteur de gain :
Si l'antenne de réception a une ouverture effectiveAe, la puissance reçue disponible est la densité de puissance incidente multipliée parAe:
En substituant la relation gain-ouverture pour l'antenne de réception, on obtient :
La puissance reçue peut donc s'écrire sous la forme habituelle en espace libre :
Équation 1.Équation de transmission de Friis en termes de longueur d'onde.
Équation 1Cette formule met en relation la puissance d'émission, le gain d'antenne, la longueur d'onde et la distance de séparation. Elle est valable pour la propagation en champ lointain en visibilité directe dans l'espace libre. Les systèmes réels nécessitent des termes supplémentaires pour tenir compte des pertes de câble, des pertes de connexion, des erreurs de pointage, de l'atténuation atmosphérique et d'autres effets de propagation.
Forme fréquentielle de l'équation de Friis
Parce queλ = c/f, l'équation peut également être exprimée en termes de fréquence :
Équation 2.Équation de transmission de Friis en fonction de la fréquence.
Comment la fréquence affecte la puissance reçue
Lorsque le gain de l'antenne et la distance sont constants, l'équation de Friis prédit une diminution de la puissance reçue lorsque la fréquence augmente, car la longueur d'onde diminue. Cette comparaison suppose des valeurs de gain identiques à chaque fréquence.
Pour les antennes à ouverture physique fixe, le gain augmente généralement lorsque la longueur d'onde diminue. Les liaisons haute fréquence et millimétriques peuvent donc atteindre d'excellentes performances avec des antennes directionnelles à gain élevé, à condition que le bilan de liaison prenne également en compte la précision de pointage, l'absorption atmosphérique, la pluie et les pertes matérielles.
Utilisez l'équation de Friis comme référence en espace libre plutôt que comme modèle de propagation complet. Elle suppose un fonctionnement en champ lointain, une visibilité directe sans obstacle et des antennes correctement alignées.
Désadaptation de polarisation
Si les antennes d'émission et de réception ne sont pas adaptées en polarisation, multipliez la puissance reçue idéale par le facteur de perte de polarisation (PLF). Pour des vecteurs de polarisation normalisés, le PLF varie de 0 à 1 ; une valeur de 1 représente une adaptation parfaite. La formule générale ci-dessous inclut ce terme de désadaptation.
Équation 3.Équation de transmission de Friis généralisée incluant le désaccord de polarisation.
Points clés à retenir
- L'ouverture effective convertit la densité de puissance incidente en puissance reçue disponible.
- Pour le gainGet longueur d'ondeλ, Ae= Gλ2/(4π).
- Utilisez le gain linéaire, et non le dBi, dans les calculs d'ouverture et de Friis.
- La loi de Friis s'applique aux liaisons en champ lointain et en espace libre ; les bilans de liaison pratiques nécessitent des pertes supplémentaires.
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Date de publication : 8 janvier 2024
