Коэффициент усиления антенны это

Оказывается, в одних случаях коэффициент усиления антенны рассчитывают относительно диполя — полуволнового вибратора, а в других случаях относительно изотропного излучателя, то есть излучателя, одинаково излучающего во всех направлениях, излучателя, не существующего в природе.
Но обычно никто не пишет в характеристиках антенн ни dBi ни dBd, а пишут просто dB (русское дБ). Тут важно определится относительно какого уровня измерен к.у. антенны, если указано просто дБ. Автор статьи в Википедии пишет, что если не оговорено специально в характеристиках антенн, какие именно дБ имеются в виду, значит, имеется в виду, что коэффициент усиления измерен относительно изотропного излучателя.

Я то считал, что к.у. антенны всегда относительно полуволнового вибратора. Особенно телевизионной.
Получается, что полуволновый диполь (два прута, торчащие в стороны), антенна, которую я всегда считал простейшей антенной с наименьшим коэффициентом усиления, равным 0 дБ, имеет к.у. 2.15 dBi, или просто 2.15 dB.

dBi (русское дБи) — изотропный децибел (децибел относительно изотропного излучателя). Характеризует коэффициент направленного действия (а также коэффициент усиления) антенны относительно коэффициента направленного действия изотропного излучателя. Как правило, если не оговорено специально, характеристики усиления реальных антенн даются именно относительно усиления изотропного излучателя. То есть, когда вам говорят, что коэффициент усиления какой-то антенны равен 12 децибел, подразумевается 12 дБи.

dBd (русское дБд) — децибел относительно полуволнового вибратора («относительно диполя»). Характеризует коэффициент направленного действия (а также коэффициент усиления) антенны относительно коэффициента направленного действия полуволнового вибратора, размещенного в свободном пространстве. Поскольку коэффициент направленного действия указанного полуволнового вибратора приближённо равен 2,15 дБи, то коэффициент направленного действия, измеряемый в дБд, всегда меньше коэффициента направленного действия, измеряемого в дБи, на фиксированную величину, равную 2,15 дБ.

БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ:
Изотропный децибел (dBi) в Разновидность децибела. Характеризует идеальную антенну, у которой диаграмма направленности выглядит в виде идеальной сферы. Как правило, если не оговорено специально, характеристики усиления реальных антенн даются именно относительно усиления изотропной антенны. В любительской литературе почти всегда не оговорено (но подразумевается), что относительно полуволнового вибратора, поэтому и не сходится КНД с цифрами ширины диаграммы.
Кстати, КУ антенны тут не совсем верно. Правильней коэффициент направленного действия ( КНД). А коэффициент усиления (КУ), уже производная величина от КНД, с учетом потерь в элементах антенны.

Vlad_Petr, спасибо. Было бы интересно вписывать в эту тему технические характеристики антенн. Особенно меня интересуют телевизионные.

Антенны. Часть1. Диаграмма направленности и усиление.

Странно, а я, сколько помню понятия КУ и КНД, всегда знал, что бывает относительно изотропного излучателя и относительно диполя. И «по умолчанию» — относительно изотропного излучателя.

Но это видимо, не отложилось, или не читал.

Чёт всем мозги заплели. Ляжем по-другому.

1. Коэффициент направленного действия (КНД) антенны D показывает во сколько раз мощность передатчика ненаправленной антенны больше мощности передатчика данной антенны, чтобы создать одинаковую напряжённость поля одной и той же точки в дальней зоне в направлении максимума излучения.

2. Коэффициент усиления антенны G=D*K, где К — к.п.д. антенны.

3. КНД полуволнового симметричного вибратора равен 1.64 или 10lg1.64 = 2.148 дБ.

4. Ненаправленной (изотропной) антенны с ЗАДАННОЙ поляризацией не существует даже ТЕОРЕТИЧЕСКИ. Если бы она была, то при прочих равных условиях (размер, материал и т.п.) её КНД принимается равным D=1 или 0 дБ.

5. Измерение КНД достаточно трудоёмкая задача, может решаться разными методами, например, напрямую измеряется поле вокруг антенны, затем интегрируется по сфере и вычисляется полная мощность, излученная антенной. Метод требует нехилых затрат оборудования, времени и пространства. Поэтому обычно используется метод замещения, у испытуемой антенны замеряется напряжённость поле в дальней зоне, затем ставится диполь с известным КНД, подводимая мощность Pизв изменяется до достижения той же напряжённости поля, затем к известному КНД известной антенны добавляется 10*lg(Pизв/Pх). Вгрубе как-то так.

Да в общем, теперь все понятно по этим характеристикам антенн. Важно узнать другое, какой коэффициент усиления ставят в технических характеристики хитрые производители антенн, обозначая его в дБ, а не дБи или дБд. Понятное дело, им выгоднее ставить коэффициент относительно изотропного излучателя, так как он больше, скрывая в названии единиц третий символ. И это преднамеренный обман. Но, возможно, где-то кто-то ставит коэффициент относительно полуволнового вибратора, обозначая его тоже дБ.
Как в этом разобраться, и как неприятно, что ложь пролезла сюда – в точную науку – радиотехнику?

GM: Измерение КНД достаточно трудоёмкая задача, может решаться разными методами, например, напрямую измеряется поле вокруг антенны,

Чуток на другой бок повернемся. Задача упрощается двумя обстоятельствами:
1. На прием и передачу она работает одинаково.
2. При изменении в разы ее размеров, и во столько-же раз частоты сигнала, ее параметры в дальней зоне не меняются. Это намного упрощает снятие реальной диаграммы направленности.

Не упрощается, к сожалению. Измерение — это количественная величина, должна быть представлена максимально точно.

[Ну как Кулон действовал при измерении постоянного электрического поля — вносил шарик на ниточке и по отклонению нитки от вертикали определял силу, действующую на пробный шарик. Шарик вносил возмущение в измеряемое поле и итоговая точность была порядка 1%. Сравните с точностью 1Е-6, которую достиг Кавендиш за 100 лет до него.]

Измеряя с помощью пробного зонда, вы вносите изменения в поле, да к тому же нужно зонд перемещать, значит нужен некий манипулятор, который тоже вносит изменения в поле. Ведь зонд сам по себе не летает вокруг антенны, хотя было и такое — облетали антенну на вертолёте и снимали сечения ДН (весьма приблизительные). Сейчас стараются обойтись математическими расчётами.

GM: Измеряя с помощью пробного зонда, вы вносите изменения в поле, да к тому же нужно зонд перемещать,

. Это при сдаче в эксплуатацию антенного поля передающего ДВ СВ КВ радиоцентра делали облеты на вертолете с приемником. Диаграмма формируется в ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ, где уже никого, и никакие «возмущения» не интересуют. Аналогию с Кулоном, полагаю, вообще некорректной, ибо антенна моего приемника на антенну передатчика вообще никак не влияет. Все проще и ближе к реальности. И относительная погрешность в еденицы процентов всех устраивает, точнее и не надо, просто нет в большей точности никакого практического смысла.
Все простым поворотом. Например, в большом (100-500 лямбда) помещении, где все стены пол и потолок отделаны поглощающим и не отражающим материалом, ставятся две антенны. Частоты и размеры исследуемой антенны пропорциональны требуемой модели.Одна из них, например, полуволновой диполь штатная измерительная. При этом, к исследуемой антенне подключен генератор. Исследуемую антенну поворачивают по всякому относительно направления на приемный диполь. Снимают характеристики направленности в двух плоскостях. Похоже, но проще и в худших условиях, делают и любители на верхних КВ и УКВ диапазонах (и я так делал): На расстоянии около 100 лямбда передатчик работающий на диполь. Испытуемая антенна,- как приемная. Снимаются диаграммы направленности путем поворота приемной антенны относительно направления на передающую. Получаем значения сигнала от углов поворота. Нормируем относительно максимального, про точном направлении на перед. антенну, строим диаграммы, считаем КНД. Заметим, что значение мощности того сигнала, в расчетах не участвует. Принятый сигнал нормируется относительно прямого максимума и это все. Таким-же образом, настраиваются и вибраторные ЯГИ антенны осевого излучения (изм. длины или расстояния между элементами). Сейчас, все чаще, считают по математическим моделям. Но все равно, результат проверяют практическими измерениями.

Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.

Разбор

Давайте начнем с самого начала. Все эти антенны нужны для излучения радиоволн. Что же такое радиоволны? – это электромагнитное излучение. Её используют почти везде – мобильна связь 3G, 4G, 5G, LTE, Wi-Fi, спутниковый интернет, радио и т.д.

Свет является такой же волной, только имеет более высокую частоту. Давайте представим себе, что у нас есть лампочка. Мы возьмем эту лампочку и прикрутим её в большой комнате. Если включить эту лампочку, то свет начнет светить во все стороны. Так как комната большая, то большая часть углов будут еле-еле подсвечены или будут полностью погружены во мрак.

Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида

Теперь мы возьмем, и с одной стороны лампочки установим специальный отражатель с зеркальной поверхностью. Теперь лампа начнет светить только в одну сторону – пучок света стал сильнее и может осветить даже более темные участки и углы. Если отражатель сделать уже по отношению к выходному свету, то пучок станет также уже, а расстояние, на которое сможет пройти свет без серьезного затухания, станет выше. Но с других сторон, где свету преграждает стенки отражателя – везде будет тьма. На таком принципе работаю все фонарики.

А теперь мы подобрались к простому определению. Коэффициент усиления (КУ) антенны – это способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении, при этом возможность как принимать, так и передавать сигнал.

Рассчитывается как отношение мощности, которая необходима, чтобы создать напряжение антенны в концентрированном направлении, к мощности, которая нужна была бы (в теории), чтобы подвести к эталонной антенне для создания такой же напряженности поля в той же точке.

Пока ничего не понятно? Смотрите, эталонная антенна – это та антенна, которая как наша лампочка распространяет радиоволны во все стороны. А вот реальная антенна – это как раз та самая лампочка с отражателем, которая концентрирует сигнал в определенный пучок.

Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида

Посмотрите на рисунок выше. КУ – это как раз размер того самого пучка. Чем выше КУ, тем сам пучок имеет меньший угол, но более высокую длину или, если быть точнее, дальность распространения. КУ антенны измеряется в децибелах (дБ, дБи, дБд). В характеристиках роутера, а также у 3G/4G или Wi-Fi антенн обычно используется показатель dBi (или дБи).

Посмотрите на картинку ниже. Как понятно из картинки, чем больше параметр dBi, тем дальше летит радиоволна. Но тут также нужно учитывать, что сам размер пучка становится меньше.

Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида

Именно поэтому дома у роутера устанавливают всенаправленные антенны с dBi от 3 до 5, чтобы не приходилось ходить с телефоном и ловить этот самый пучок. Но если вы хотите передать интернет с вай-фай на несколько километров по мосту, то уже используют устройства с большим показателем КУ – от 15 dBi и больше.

Как улучшить сигнал и усилить антенну?

Смотря для чего вы хотите это сделать. Для домашнего Wi-Fi можно сделать отдельную всенаправленную антенну. Особенно это помогает, если антенки у маршрутизатора внутренние. Второй вариант, если вы хотите построить вай-фай мост.

Что такое Wi-Fi мост? Представим ситуацию, что вы живете в частном доме. А ваш брат через пару километров в многоэтажке. Все провайдеры вам отказывают проводить интернет. 3G/4G не ловит, и тогда на помощь может прийти Wi-Fi мост. Ваш брат покупает (или делает сам) Wi-Fi пушку, которая подключена к его роутеру. Вы делаете или покупаете аналогичное устройство.

Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида

Обе эти Wi-Fi пушки из-за большого КУ должны быть направлены точно друг на друга. Вспоминаем, чем больше КУ, тем дальше летит радиоволна, но имеет меньший размер луча. Вот таким вот образом можно передать вай-фай с интернетом по мосту на несколько километров.

Если же вы хотите усилить мобильный сигнал, то все делается примерно аналогично. Покупаем или делаем узконаправленную антенну с высоким КУ. Направляем её на вышку. Антенну можно подключить к повторителю дома. Опять же есть как самодельные варианты, так и покупные. О тех и других я уже подробно писал тут.

Основы радиолокации

Рисунок 1. К сравнению поверхности, облучаемой направленной антенной, и сферической поверхности.
(Обратите внимание: при сравнении радиус сферы должен быть равен расстоянию до прямоугольника от центральной точки.)

Рисунок 1. К сравнению поверхности, облучаемой направленной антенной, и сферической поверхности.
(Обратите внимание: при сравнении радиус сферы должен быть равен расстоянию до прямоугольника от центральной точки.)

Направленность и усиление антенны

Коэффициент усиления антенны G объединяет коэффициент направленного действия D и эффективность η антенны в один простой для использования параметр.

Коэффициент направленного действия антенны

Коэффициент направленно действия антенны определяется как отношение плотности мощности S (интенсивность излучения на единицу площади) реальной антенны в ее основном направлении к аналогичной величине для гипотетической, не существующей в действительности, изотропной антенны, излучающей равномерно во всех направлениях. Таким образом, плотность мощности изотропного излучателя равномерно распределяется по поверхности сферы. Реальная же антенна имеет более или менее выраженную направленность излучения, которая количественно характеризуется значением коэффициента направленного действия. С учетом приведенного выше, формула для его определения выглядит так:

D =SгдеS – плотность мощности реальной антенны в основном направлении ее излучения;
Si – плотность мощности изотропного излучателя.
(1)
Si

Направленная антенна концентрирует излучаемую ею мощность только на небольшой части поверхности сферы. Величина этой части может быть определена в относительных единицах по отношению ко всей площади сферы. Площадь этой части может также быть определена на основании значений ширины луча антенны (в радианах) по уровню половинной мощности. (Очевидно, что в формуле для площали участка поверхности используются линейные размеры этого участка. Они определяются как произведение угловых размеров участка на радиус сферы. При вычислении отношения площадей радиус, входящий и в числитель и в знаменатель, сокращается). Линейные размеры искомой эффективной площади определяются в кратности к длине волны.

D =Aсферы4π r 2==4π · AэффгдеAсферы – площадь поверхности сферы единичного радиуса;
Aэфф = b·h – эффективная апертура на поверхности сферы;
θAz – ширина луча по уровню половинной мощности (в радианах) в горизонтальной плоскости;
θEl – ширина луча по уровню половинной мощности (в радианах) в угломестной плоскости;
b – ширина участка поверхности;
h – высота участка поверхности.
(2)
AэффθAz · θElλ/b · λ/hλ 2

(Здесь, однако, присутствует неточность, поскольку поверхность Aэфф = b·h представляет собой плоскую поверхность, а не сферическую. Соответствующая погрешность будет тем меньше, чем меньше площадь b·h по сравнению с площадью сферы, то есть, чем выше направленность антенны. Этой погрешностью можно пренебрегать при ширине луча по уровню половинной мощности до 20°).

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент направленного действия антенны является существенным составлящим коэффициента усиления антенны. Однако, кроме него, при анализе реальных антенн должны учитываться и потери. Излучаемая антенной мощность пропорциональна поступающей от передатчика мощности, которая может быть легко измерена на фидере антенны. Однако часть подводимой от передатчика мощности теряется в антенне на питающей линии за счет ее омического сопротивления. Эти потери и определяют эффективность антенны. Для идеальной антенны без потерь коэффициент усиления был бы равен коэффициенту направленного действия. Для реальных антенн коэффициент усиления всегда меньше коэффициента направленного действия:

Коэффициент усиления антенны не всегда должен быть больше 1. Существуют также антенны с коэффициентом усиления меньше 1. Обычно это антенны для измерений, где важно достичь равномерности коэффициента усиления в очень широкой полосе частот для сравнения результатов измерений в различных частотных диапазонах.

Допущения

Необходимо сделать некоторые упрощения для того, чтобы соотнести сферическую поверхность изотропного излучателя с эффективной апертурой антенны:

  1. Предполагается, что вся излучаемая энергия сосредоточена в основном лепестке диаграммы направленности антенны. В этом предположении боковые лепестки будут отсутствовать.
  2. Предполагается, что вся излучаемая антенной энергия сосредоточена в пределах измеренной ширины луча по уровню половинной мощности. Соответственно, за пределами луча излучение энергии отсутствует.
  3. В пределах ширины луча по уровню половинной мощности энергия распределена равномерно. (Таким образом, как правило конусообразное тело становится пирамидальным. Прямоугольник в основании полученной пирамиды имеет площадь, равную произведению ширины луча в угломестной плоскости и ширины луча в азимутальной плоскости!).

Только при перечисленных допущениях можно сравнить две упомянутые выше геометрические поверхности – прямоугольник и фрагмент сферической поверхности.

Технология MIMO

Для увеличения пропускной способности систем связи или повышения надёжности, можно использовать реализации схем, в которых передача и приём осуществляются несколькими антеннами. Соседние антенны в подобных схемах необходимо изолировать для снижения корреляции за счёт пространственного, поляризационного и др. методов разнесения. Данная технология называется MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Для пояснения принципов технологии MIMO рассмотрим схему на рисунке 13. Передатчик и приёмник используют по две антенны разной поляризации — вертикальной и горизонтальной. На передающей стороне исходный поток данных делится на два подпотока, каждый из которых отправляется в свой канал обработки и, впоследствии, передаётся через отдельную антенну. В приёмнике реализуется обратный процесс — один подпоток данных принимается через антенну горизонтальной поляризации, другой — через антенну вертикальной поляризации. После подпотоки объединяются в единый поток данных и передаются на дальнейшие звенья обработки.

Рисунок 13 — Пример использования схемы MIMO с двумя потоками

Рассмотренная на рисунке 13 схема увеличивает пропускную способность канала связи в два раза. Возможна реализация сценария использования нескольких антенн для повышения надёжности связи — в этом случае подпотоки данных передаются на меньшей скорости, сохраняя общую пропускную способность системы, либо поток данных не делится на подпотоки, а дублируется в каждом из каналов связи.

На рисунке 13 представлена схема MIMO с двумя потоками данных, но следует иметь в виду, что число потоков данных может быть произвольным и зависит от числа антенн.

Сценарии построения беспроводных систем связи

При выборе антенных устройств для беспроводной системы связи необходимо отталкиваться от условий, в которых будет разворачиваться система связи. Возможны три сценария:

  • беспроводная фиксированная система связи;
  • беспроводная мобильная система связи;
  • беспроводная система связи с передвижными объектами.

В фиксированных системах связи «точка-многоточка» на выделенной площадке устанавливается базовая станция с одним или несколькими секторами. Диаграмма направленности сектора при этом зависит от конфигурации базовой станции: для обеспечения кругового охвата ширина диаграммы направленности секторных антенн равна 360° при конфигурации с одним сектором, 120° — с тремя секторами, 60° — с шестью и т.д. Используются антенны с широкой диаграммой направленности, поскольку сектор работает в режиме «точка-многоточка» и должен обеспечивать подключение фиксированных абонентов на определённой территории. Абонентские устройства при этом статичны и съюстированы с сектором. Для того, чтобы снизить уровень паразитного излучения, ширину диаграммы направленности клиентского устройства выбирают достаточно узкой.

Рисунок 14 — Пример схемы беспроводной фиксированной системы связи

В мобильных системах связи, в отличие от фиксированных, абоненты могут менять местоположение, поэтому диаграммы направленности клиентских устройств, как правило, выбираются всенаправленными:

Рисунок 15 — Примеры схем беспроводных мобильных систем связи

Комбинацией рассмотренных типов систем связи является беспроводная система связи с передвижными объектами. В рамках данного сценария местоположение устройств может изменяться время от времени. При этом, в случае использования узконаправленных антенн, необходимо производить юстировку при изменении местоположения устройства, либо использовать системы с автоматическим слежением.

Рисунок 16 — Пример схемы связи с передвижными объектами

Представленная классификация беспроводных систем связи справедлива как для схем «точка-многоточка», так и для схем «точка-точка».

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ0 и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ0 = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

— в относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

УБЛ в районе -18 дБ считается довольно хорошим показателем для высоконаправленной антенны. На рисунке изображены уровни первых боковых лепестков. Аналогично можно указывать также уровни всех последующих, но практической ценности их значение имеет мало, а представляет скорее академический интерес. Дело в том, что первые боковые лепестки находятся как правило «ближе всех остальных» к максимуму диаграммы направленности и могут оказывать помехи. Например, если сопровождение объекта происходит на уровне главного лепестка диаграммы -3дБ, а уровень первого бокового лепестка близок к этому значению (например -5:7 дБ), то велика вероятность начать цеплять объект боковым излучением со всеми вытекающими отсюда последствиями (неправильное позиционирование, потеря объекта и др.). Низкий УБЛ необходим не только для радиолокации, но и для области связи, ведь наличие паразитного излучения это всегда дополнительные помехи.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е0 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Еср 2 ). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е0 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Еоэ 2 ), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Для такого эталонного вибратора Dэ=3,28, поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D * ŋ/3,28 , где ŋ – КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого D э=1,64, тогда КУ:

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий Dэ=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны – это тот самый момент, который может поставить в тупик даже самых продвинутых инженеров, специалистов в области радиочастотных технологий. Даже в законодательстве указано, что «Эффективная излучаемая мощность не превышает…», что опирается на мощность, подводимую ко входу антенны, помноженную на коэффициент усиления антенны. Считается, что в момент проявления коэффициента усиления антенна сама внутри себя магическим образом создает некую энергию. К несчастью, это не так. Если вы посмотрите на антенну, то увидите, что основной материал, из которого она сделана это золото, серебро, медь – эти материалы подходят лучше всего, затем идет алюминий. Сами по себе эти материалы не могут создавать энергию внутри себя.

Прежде чем начать что-то объяснять, сначала необходимо дать определение некоторым терминам, для более доходчивого объяснения, что же такое коэффициент усиления антенны.

децибел (дБ): единица измерения затуханий, служит для выражения коэффициента усиления. Коэффициент усиления имеет положительное значение, затухание – отрицательное, вычисляется по формуле:

10* log ( P на выходе/ P на входе)

Коэффициент усиления антенны: относительное увеличение излучения в пиковый момент, величина которого, выраженная в дБ, выше эталонного, в этом случае штатная антенна, антенна диполь в половину длины волны (как в случае с двухполюсными антеннами), которой измеряются все прочие антенны. Используемое обозначение известно как 0дБд (0 децибел относительно диполя). Таким образом, антенна с эффективной излучаемой мощностью в два раза выше входной мощности будет иметь коэффициент усиления 10* log (2/1) = 3дБд

На что стоит обратить внимание: Есть второе обозначение, которое характеризует коэффициент усиления антенны, но используется для того, чтобы просто придать характеристикам антенны более высокие цифры, чем есть на самом деле. Это обозначение – дБи, оно характеризует коэффициент усиления антенны относительно воображаемого изотропного излучателя – антенны, которая равномерно излучает сферические волны, распространяемые по всем направлениям. Это увеличивает коэффициент усиления антенны на 2,14 дБ, что является коэффициентом усиления антенны диполь относительно изотропного излучателя. Но это еще не начало . Об этом более подробно рассказывается в разделе «Как обмануть коэффициент усиления антенны»

Диаграмма направленности: графическое представление зависимости интенсивности излучения от угла направления антенны от перпендикуляра. Обычно график имеет круглый вид, интенсивность обозначена расстоянием от центра относительно соответствующего угла.

Все диаграммы направленности, которые показаны на этой странице, составлены для антенн с вертикально установленными элементами антенны, вид дан со стороны (т.е. под прямым углом к антенне), как показано на изображении рядом.

Угол излучения: Существует общепринятое мнение, что ширина диаграммы направленности антенны – это угол между двумя точками (в той же плоскости) между которыми излучение происходит в «половину мощности», т.е. на 3дБ меньше максимального излучения. Другие цифры, кроме 3дБ, не позволят улучшить репутацию антенны, поскольку в этом случае возникнет ощущение, что антенна имеет более широкую/узкую ширину диаграммы направленности антенны, а серьезный инженер не стал бы доверять такой конструкции.

Зона уверенного приема: Такая физико-геологическая зона, в которой принимается сигнал, обычно описывается как расстояние по радиусу от места, где расположена антенна.

Для начала давайте сначала возьмем в качестве эталона антенну диполь в половину длины волны и «поместим» ее свободно в пространстве (т.е. не будем учитывать все, что находится рядом, например крепление и т.п., которые могли бы влиять на антенну). Диаграмма направленности такой антенны обычно называется «пончик», она проиллюстрирована ниже на рисунке.

Поскольку материал не может создавать мощность, то единственной альтернативой является концентрация бесполезно израсходованной энергии, например той, которая идет в направление неба, и направление ее по нужному направлению в горизонтальной плоскости. Результат виден на соседнем рисунке. Форма излучения изменилась таким образом, что та энергия, которая расходилась в стороны, теперь сконцентрирована для усиления средней половины. В результате мощность излучаемой энергии удваивается в требуемом направлении, коэффициент усиления – 3дБ.

Такая концентрация энергии может быть усилена еще более, от 6дБ (в 4 раза) до 9 дБ (в 8 раз). Диаграммы видны на рисунках ниже.

Теперь ясно, для того чтобы у антенны появился коэффициент усиления, нужно всего лишь сконцентрировать ее излучение (т.е. изменить «пончик» на диаграмме до формы тонкой «лепешки»), сделав, таким образом, излучение более интенсивным вдоль горизонтальной плоскости. Антенны с излучением по всем направлениям и коэффициентом усиления выше 9дБ непрактичны в с илу того, что концентрация энергии напрямую связана с длиной (с длинах волны) антенны. Однако, есть еще один метод концентрации излучения, который позволяет направить излучение только в одном направлении.

Если рефлектор помещен рядом с антенной диполь, то вся энергия, которая бы направлялась в направлении рефлектора, теперь отражается назад в направлении антенны диполь. Таким образом, вся энергия теперь сконцентрирована только в одной полусфере, в результате излучаемая энергия удваивается в данном направлении, коэффициент усиления – 3дБ.

Дальнейшая концентрация энергии, может быть получена с помощью использования «директоров (направителей)» и, опять же, делая угол все меньше и меньше, фокусируя всю энергию в одном направлении. Таким образом достигается более высокий коэффициент усиления. Обычно достигается коэффициент усиления в 20 дБ. Эффективный угол такой антенны мал (обычно ± 10 градусов)

В случае с антеннами с направленным излучением, нужно знать еще одну величину.

Коэффициент обратного излучения антенны: Активный вибратор большинства антенн с направленным излучением – антенна диполь с диаграммой направленности в виде классического «пончика», который перпендикулярен ее оси. Задача, как было описано ранее, заключается в том, чтобы этот «пончик» преобразовать в узкий луч по направлению от антенны. Рефлектор чаще всего представляет собой обыкновенный один или несколько стержней. Даже в случае, если рефлектор — это пучок стрежней, то он не будет отражать всю энергию, т.к. она будет проходить через щели! Часть энергии будет направлена назад (или, в случае приема, будет обходить рефлектор и перехватываться антенной диполь). Запомните, в свободном пространстве антенна диполь чувствительна как по своему направлению, так и сзади, диаграмма ее направленности естественно стремиться по свое форме к «пончику».

Даже сплошной кусок металла в качестве рефлектора не сможет полностью изолировать от заднего излучения по причине дифракции. Досадно, но самые кончики металла станут причиной того, что сигнал будет поворачиваться на углах рефлектора в обратном направлении (или, в случае приема, от задней части по направлению к антенне диполь).

Коэффициент такого обратного излучения антенны определяется относительно переднего (требуемого) направления антенны и обычно выражается в дБ.

В заключение:

Антенны вовсе не производят сами собой неким магическим образом энергию, они всего лишь концентрируют излучаемую радиочастотную энергию в узком направлении таким образом, что возникает ощущение, будто из антенны в требуемое направление выходит больше мощности.

Насколько видно из вышеописанного, коэффициент усиления также является «потерей». Чем выше коэффициент усиления антенны, тем менее угол ее полезного использования. От внимания многих ускользает тот факт, что энергия была «украдена» у прочих направлений, а затем навязана излучению в требуемом направлении.

Это напрямую влияет на выбор антенны для конкретных целей. Выбор правильной антенны описан в разделе «Выбор правильной антенны» . .

Что такое усиление антенны простыми словами

Радиосвязь, сотовая связь, телевидение, беспроводной Wi-Fi и 3G интернет осуществляются при приёме и передаче радиоволн антеннами. Радиоволна — это электромагнитное излучение. Любая радиоволна характеризуется тремя основными параметрами: длиной волны, амплитудой и скоростью распространения. Свет и радиоволны распространяются с огромной скоростью: 300 тысяч километров в секунду (то есть луч света долетит от Земли до Луны меньше, чем за две секунды). Длина волны — это расстояние между двумя любыми её гребнями. Амплитуда — это «высота», на которую поднимается этот гребень. Чем больше амплитуда световой волны, тем ярче этот свет (иными словами, тем выше интенсивность волны). Зная длину волны и скорость её распространения, всегда можно вычислить частоту волны (это число гребней, образовавшихся за одну секунду). Частота измеряется в Герцах.

У радиоволны есть ещё одна характеристика: поляризация, но о ней расскажем позднее.

Любой видел радиоволны, и не раз. Ведь свет — это тоже радиоизлучение, но с очень малой длиной волны (соответственно очень высокой частотой), в тысячу раз меньше миллиметра. Чтобы понять, как распространяются радиоволны, достаточно провести аналогию с распространением света.

— свет распространяется прямолинейно;

— если на пути луча света поставить большую преграду, то образуется тень;

— если на пути луча света поставить преграды, которые меньше длины волны или сравнимы с ней, то свет, претерпев некоторые изменения, пройдёт дальше;

— стекло ослабляет яркость света, иногда очень сильно;

— если на пути солнечного света поставить увеличительное стекло, то в его фокусе получится яркая ослепительная точка, которая может зажечь дерево.

Радиоволны имеют большую длину волны, чем свет, но от этого законы их распространения не меняются. В технике используются радиоволны различных частот (длин волн):

— телевидение: 50-600 МГц (6-0,5 м)

— мобильная связь GSM900: 900 МГц (33 см);

— мобильная связь GSM1800: 1800 МГц (17 см);

— 3G интернет: 2000 МГц (15 см);

— Wi-Fi: 2450 МГц (12 см) и 5750 МГц (5 см).

Радиоволны распространяются прямолинейно, так же как и свет.

Если на пути радиоволн, представленных в таблице, поставить преграду размером порядка одного метра, то волна не ослабнет. Здесь можно провести аналогию с волнами на море: большая волна не ослабнет из-за находящегося в воде человека, а большой корабль не даст волнам пройти.

Если же на пути радиоволны будет большое препятствие, например, многоэтажный дом, то оно значительно уменьшит сигнал, вплоть до полного его ослабления.

Оконное стекло также ослабляет радиоволны.

Спутниковая тарелка действует подобно увеличительному стеклу: собирает сигнал с большой площади и концентрирует в одной точке. И наоборот, сигнал исходит из одной точки, а тарелка собирает его и преобразует в узкий направленный пучок.

Радиоволна, попадая на антенну, вызывает в ней электромагнитные колебания, и по проводящим частям антенны начинает течь электрический ток. Этот ток опускается по кабелю в приемное устройство, где из него извлекается информация (звук, изображения, данные, . ). И наоборот, если подать на антенну электрический ток определенной частоты, то антенна будет излучать в пространство радиоволны этой же частоты.

Любая антенна будет одинаково хорошо работать как на приём, так и на передачу сигнала в пределах своего рабочего диапазона частот. Поэтому для простоты в дальнейшем мы будем говорить только про приём или только про передачу.

Коэффициент усиления антенны характеризует способность антенны концентрировать сигнал в каком-либо определённом направлении. Приведём аналогию: представим, что в тёмной комнате у вас горит слабая 1 Вт лампочка. Вы сможете увидеть лишь контуры предметов в этой комнате, а дальние углы останутся тёмными. Теперь у вас в руках есть ещё небольшое зеркало. Оно отражает часть света от лампочки, и одна половина комнаты освещена в два раза лучше, но другая половина скрыта в тени от зеркальца. В третьем случае поместим эту лампочку в отражатель от фонарика: получится пятно яркого света размером с ладонь. При помощи этого фонаря вы сможете осветить самый дальний угол комнаты. Но ничего, кроме этого пятна света вы не увидите. Таким образом, во всех случаях лампочка оставалась одна и та же. Мы использовали различные отражатели, меняя концентрацию светового луча в определённом направлении.

Абсолютно так же это происходит и у антенн. На самом деле антенны не усиливают, а концентрируют сигнал в одном или нескольких направлениях, и термин «коэффициент усиления» не должен вводить вас в заблуждение.

Коэффициент усиления измеряется в децибелах (дБ). Это логарифмическая величина и введена она для упрощения математических расчетов. Коэффициент усиления сравнивает мощность изотропного излучателя (одинокой лампочки без зеркал в примере) и мощность данной антенны. Для перевода отношения мощностей в децибелы необходимо воспользоваться следующей таблицей.

Усиление, разы1000010010421,2610,790,50,250,10,010,0001
Усиление, дБ4020106310-1-3-6-10-20-40

Например, если одна антенна имеет Ку=10 дБ, вторая имеет Ку=13 дБ, то вторая антенна мощнее первой в два раза.

Из двух антенн с одинаковым коэффициентом усиления и сходной конструкции меньшие размеры будет иметь антенна, предназначенная для приёма волн меньшей длины волны. Например, WiFi антенна усилением 20 дБ на частоту 5500 МГц имеет размер 18х18 см, а антенна усилением тоже 20 дБ, но на частоту 1800МГц, имеет размеры 60х60 см.

Поляризация радиоволны — это явление направленного колебания векторов напряженности электрического или магнитного полей. Поляризация может быть линейной (в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны), круговой (правой либо левой, в зависимости от направления вращения вектора индукции) или эллиптической (промежуточный случай между круговой и линейной поляризациями). В наземной связи в основном используется только линейная поляризация.

Поляризации волны соответствует грубая аналогия с волнами, бегущими по верёвке. Если жёстко закрепить один конец верёвки, а другой её конец начать перемещать в вертикальном направлении, то по верёвке побегут вертикальные волны — говорят, что они вертикально поляризованы. Если конец верёвки перемещать в горизонтальном направлении, то по верёвке побегут горизонтально поляризованные волны.

Любая антенна с линейной поляризацией из всего спектра падающих на неё волн примет только те волны, поляризация которых совпадает с поляризацией антенны. На каждую антенну на заводе наносят направление её поляризации (обычно это стрелочка). При монтаже антенну можно установить так, чтобы стрелочка была расположена либо вертикально, либо горизонтально. Соответственно, антенна будет принимать либо вертикально, либо горизонтально поляризованные волны. Поэтому выбор поляризации — очень важный момент при построении беспроводной сети. Неправильно установленная по поляризации антенна примет сигнал, но с очень значительными ослаблениями, иногда неприемлемыми для качественной связи.

Вам понравилась эта статья?

Что такое коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления (КУ) антенны описывает её способность фокусировать радиосигнал, а не увеличивать его мощность, как может показаться. Рассмотрим на примере лампы мощностью 1 Вт: чтобы осветить всю комнату, её мощности будет недостаточно. Если перед ней поставить зеркала, то часть комнаты будет лучше освещена за счёт отражённого света, а если использовать отражатель от фонарика, то будет сформирован яркий световой пучок, в пределах которого всё будет хорошо видно.

Антенны тоже усилить сигнал физически не могут, а лишь концентрируют его. КУ антенны измеряют в децибелах (дБ) — логарифмической величине, которую ввели, чтобы упростить расчёты. Она показывает, насколько мощным будет сфокусированное антенной излучение в идеальных условиях по сравнению с мощностью изначального радиосигнала. Чтобы перевести мощности в децибелы, достаточно воспользоваться специальной таблицей.

Поскольку КУ является логарифмическим значением, то при сравнении двух антенн с КУ 10 Дб и 13 Дб получится, что мощность второй почти двукратно превышает мощность первой. Если сравнить две антенны похожей конфигурации и с равным КУ, то гораздо компактнее окажется модель, принимающая радиоволны меньшей длины, но при условии, что у обеих антенн аналогичный КУ и похожая конструкция.

Например, если сравнивать WiFi антенну на 20 дБ частотой 5500 МГц, имеющую размеры 18х18 см, с антенной на 20 дБ для частоты 1800 МГц, то габариты последней будут 60х60 см.

Что такое поляризация антенны

Это параметр указывает направленность колебаний вектора напряжённости полей: магнитных, электромагнитных и электрических. Она делится на:

  • линейную, направление которой перпендикулярно распространению волны;
  • круговую, с правым и левым направлением;
  • эллиптическую, представляющую собой нечто среднее между рассмотренными выше вариантами.

Рассмотрим, что это такое на примере верёвки. Если привязать один её конец, а второй энергично перемещать по вертикали вверх-вниз, то на ней появятся вертикально поляризованные волны. Если перемещать её по сторонам, то они будут поляризованы по горизонтали.

Антенна хорошо принимает только радиоволны с совпадающей поляризацией. Узнать, как правильно поляризовать антенну, можно по специальному обозначению — стрелке, которую наносят на производстве. Дальше остаётся только правильно установить антенну, ориентируюсь по стрелочке, задавая ей тем самым вертикальную или горизонтальную поляризацию.

Этот параметр очень важно учитывать, так как несовпадение поляризации антенны и радиосигнала не сможет обеспечить устойчивую радиосвязь.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий