Hyödyllinen parametri antennin vastaanottotehon laskemisessa ontehokas aluetaitehokas aukkoOletetaan, että vastaanottoantennin polarisaatioltaan sama tasoaalto osuu antenniin. Oletetaan lisäksi, että aalto kulkee antennia kohti antennin maksimaalisen säteilyn suuntaan (suuntaan, josta vastaanotettaisiin eniten tehoa).

Sittentehokas aukkoparametri kuvaa, kuinka paljon tehoa otetaan talteen tietystä tasoaalloista. Olkoonpolkoon tasoaallon tehotiheys (W/m^2). JosP_tedustaa antennin vastaanottimen käytettävissä olevien antenniliittimien tehoa (watteina), jolloin:

Näin ollen efektiivinen pinta-ala kuvaa yksinkertaisesti sitä, kuinka paljon tehoa antenni ottaa vastaan tasoaallosta ja lähettää sen eteenpäin. Tämä pinta-ala ottaa huomioon antennin sisäiset häviöt (ohmiset häviöt, dielektriset häviöt jne.).

Yleinen suhde minkä tahansa antennin teholliselle aukolle huippuvahvistuksen (G) suhteen on seuraava:

Tehokas aukko tai tehollinen pinta-ala voidaan mitata todellisista antenneista vertaamalla sitä tunnettuun antenniin, jolla on tietty tehollinen aukko, tai laskemalla se käyttämällä mitattua vahvistusta ja yllä olevaa yhtälöä.

Efektiivinen aukko on hyödyllinen käsite tasoaallon vastaanotetun tehon laskemiseksi. Nähdäksesi tämän toiminnassa, siirry seuraavaan Friisin läpäisykaavaa käsittelevään osioon.

Friisin siirtoyhtälö

Tällä sivulla esittelemme yhden antenniteorian perustavanlaatuisimmista yhtälöistä,Friisin läpäisyyhtälöFriisin lähetysyhtälöä käytetään laskemaan yhdestä antennista vastaanotettu teho (vahvistuksellaG1), kun se lähetetään toisesta antennista (vahvistuksellaG2), joiden välissä on etäisyysRja toimivat taajuudellaftai aallonpituus lambda. Tämä sivu kannattaa lukea muutaman kerran, ja se pitäisi ymmärtää täysin.

Friis-vaihteistokaavan johdannainen

Friisin yhtälön johtamisen aloittamiseksi tarkastellaan kahta antennia vapaassa tilassa (ei esteitä lähellä) etäisyyden päässä toisistaanR:

Oletetaan, että lähetysantennille syötetään ( ) wattia kokonaistehoa. Oletetaan tällä hetkellä, että lähetysantenni on monisuuntainen, häviötön ja että vastaanottoantenni on lähetysantennin kaukokentässä. Tällöin tehotiheysp(watteina neliömetriä kohden) vastaanottoantenniin etäisyyden päässä tulevasta tasoaallostaRlähetysantennista saadaan kaavasta:

Kuva 1. Lähetys- (Tx) ja vastaanotto- (Rx) antennit erotettuna toisistaanR.

Jos lähetysantennilla on antennin vahvistus vastaanottoantennin suunnassa, joka on annettu kaavalla (), niin yllä oleva tehotiheysyhtälö on seuraava:

Vahvistustermi ottaa huomioon todellisen antennin suuntavaikutuksen ja häviöt. Oletetaan nyt, että vastaanottoantennilla on efektiivinen aukko, joka saadaan kaavasta()Tällöin tämän antennin vastaanottama teho ( ) saadaan kaavasta:

Koska minkä tahansa antennin tehollinen aukko voidaan ilmaista myös seuraavasti:

Tuloksena oleva vastaanotettu teho voidaan kirjoittaa muodossa:

Yhtälö1

Tätä kutsutaan Friisin siirtokaavaksi. Se yhdistää vapaan tilan polun häviön, antennin vahvistukset ja aallonpituuden vastaanotto- ja lähetystehoihin. Tämä on yksi antenniteorian perusyhtälöistä, ja se tulisi muistaa (sekä yllä oleva johdanto).

Toinen hyödyllinen Friisin läpäisyyhtälön muoto on esitetty yhtälössä [2]. Koska aallonpituus ja taajuus f liittyvät toisiinsa valonnopeuden c kautta (katso johdanto taajuussivulle), meillä on Friisin läpäisyyhtälö taajuuden funktiona:

Yhtälö2

Yhtälö [2] osoittaa, että korkeammilla taajuuksilla häviää enemmän tehoa. Tämä on Friisin siirtoyhtälön perustulos. Tämä tarkoittaa, että tietyillä vahvistuksilla varustetuilla antenneilla energiansiirto on suurin alemmilla taajuuksilla. Vastaanotetun ja lähetetyn tehon välinen ero tunnetaan polkuhäviönä. Toisin sanoen Friisin siirtoyhtälö sanoo, että polkuhäviö on suurempi korkeammilla taajuuksilla. Tämän Friisin siirtokaavan tuloksen merkitystä ei voida yliarvioida. Tästä syystä matkapuhelimet toimivat yleensä alle 2 GHz:n taajuudella. Korkeammilla taajuuksilla voi olla enemmän taajuusspektriä käytettävissä, mutta niihin liittyvä polkuhäviö ei mahdollista laadukasta vastaanottoa. Frissin siirtoyhtälön lisäseurauksena oletetaan, että sinulta kysytään 60 GHz:n antenneista. Koska tämä taajuus on erittäin korkea, saatat todeta, että polkuhäviö on liian suuri pitkän kantaman tiedonsiirtoon – ja olet täysin oikeassa. Hyvin korkeilla taajuuksilla (60 GHz:iä kutsutaan joskus mm-alueeksi (millimetriaalto)) polkuhäviö on erittäin suuri, joten vain pisteestä pisteeseen -tiedonsiirto on mahdollista. Tämä tapahtuu, kun vastaanotin ja lähetin ovat samassa huoneessa ja vastakkain. Friisin lähetyskaavan lisäkorrollaarina, luuletko matkapuhelinoperaattoreiden olevan tyytyväisiä uuteen LTE (4G) -kaistaan, joka toimii 700 MHz:n taajuudella? Vastaus on kyllä: tämä on matalampi taajuus kuin millä perinteiset antennit toimivat, mutta yhtälöstä [2] huomaamme, että myös polun häviö on siksi pienempi. Näin ollen he voivat "peittää laajemman alueen" tällä taajuusspektrillä, ja Verizon Wirelessin johtaja kutsui tätä äskettäin "korkealaatuiseksi spektriksi" juuri tästä syystä. Sivuhuomautus: Toisaalta matkapuhelinvalmistajien on sovitettava suuremman aallonpituuden omaava antenni kompaktiin laitteeseen (alempi taajuus = suurempi aallonpituus), joten antennisuunnittelijan työstä tuli hieman monimutkaisempi!

Lopuksi, jos antennien polarisaatio ei ole sovitettu, yllä oleva vastaanotettu teho voidaan kertoa polarisaatiohäviökertoimella (PLF) tämän epäsuhdan huomioon ottamiseksi. Yllä olevaa yhtälöä [2] voidaan muuttaa yleistetyn Friisin läpäisykaavan aikaansaamiseksi, joka sisältää polarisaatioepäsuhdan: