Zysk energetyczny anteny

User Application Requirement
Updated 10-09-2011 19:49:21 PM

Pojęcie "zysk energetyczny anteny" jest złożonym pojęciem trudnym do wyjaśnienia nawet dla doświadczonych inżynierów RF. W przepisach do tej wielkości odnosi się pośrednio poprzez "efektywną moc wypromieniowana (ERP)", której obliczenia opierają się na sile sygnału dostarczonego do anteny pomnożonej przez zysk anteny. Można z tego wywnioskować, że antena magicznie wytwarza dodatkową energię, której ilość jest określona wielkością zysku energetycznego. Niestety nie jest to prawda. Antena jest zbudowana ze zwykłych materiałów, takich jak złoto, srebro, miedź oraz aluminium. Wykorzystane materiały nie mogą samodzielnie wyprodukować energii.

Przed wyjaśnieniem pojęć związanych z pracą anteny, konieczne jest wyprowadzenie kilku, wykorzystanych poniżej definicji.

decybel (dB): jednostka pomiaru straty lub zysku energetycznego. Zysk ma wartość dodatnią natomiast strata ujemną. Są one obliczane wg wzoru:

10*log(Pwyj/Pwej)

Zysk anteny: Jest to relatywny przyrost mocy wypromieniowanej przez antenę przy maksymalnym zasilaniu w odniesieniu do energii wypromieniowanej przez wzorcową bipolową antenę półfalową. Wartość ta jest wyrażona w jednostce dB. Wartością referencyjną jest 0dBD (zero decybeli w odniesieniu do wzorcowej anteny dipolowej). Antena o dwukrotnie większej efektywnej mocy wypromieniowanej w stosunku do mocy wejściowej posiada zysk 10*log(2/1) = 3dBD.

Uwaga: Istnieje jeszcze jedna 'referencyjna' wartość wykorzystywana do opisania zysku energetycznego anteny. Jest ona jednak stosowana głównie po to, by wykazać lepsze parametry urządzenia od tych posiadanych w rzeczywistości. Jest nią dBi i przedstawia zysk energetyczny anteny w odniesieniu do hipotetycznej anteny izotropowej, dla której pole promieniowania przypomina sferę (taka sama moc jest wypromieniowana w każdym kierunku). Wyniki zysku energetycznego różnią się o 2,14dB pomiędzy anteną dipolową a izotropową. Jednak to jeszcze nie wszystko! Więcej informacji na ten temat można uzyskać w artykule "Cheating with Antenna Gain", w którym opisano w jaki sposób manipuluje się parametrami zysku energetycznego anteny.

Charakterystyka promieniowania anteny: Graficzna reprezentacja zdolności wypromieniowania energii przez antenę w różnych kierunkach. Charakterystyka najczęściej posiada okrągły kształt i wyraża intensywność promieniowania przy różnych kątach. Odległością od środka wykresu jest miarą siły promieniowania.

Wszystkie charakterystyki promieniowania zamieszczone na tej stronie są przygotowane dla anten zamontowanych pionowo i jest to widok przedstawiony z boku.
 

Kąt wypromieniowywania energii: Generalnie uważa się, że jest to szerokość pasma pomiędzy dwoma punktami (na tej samej płaszczyźnie), dla których poziom wypromieniowanej energii spada o połowę, np. 3dB poniżej maksymalnej wartości. Wykorzystanie innej wartości niż 3dB nie wpływa korzystnie na reputację urządzenia, ponieważ użytkownik może odnieść wrażenie, że posiadana szerokość kąta promieniowania jest mniejsza dla tego danego rodzaju anteny.

Pokrycie sygnałem: Jest to fizyczny obszar, na którym jest możliwy odbiór sygnału z anteny. Zazwyczaj opisywany jest jako zasięg anteny.

Na początku rozpatrzymy przykład dipolowej anteny półfalowej umieszczonej w wolnej od przeszkód przestrzeni (np. brak w otoczeniu jakichkolwiek przeszkód, które mogły by mieć wpływ na antenę). Charakterystyka promieniowania anteny wygląda jak na rysunku przedstawionym poniżej.

 

Ponieważ materiały wykorzystane do produkcji anteny nie mogą wytworzyć energii, jedynym sposobem zwiększenia wydajności urządzenia jest ograniczenie strat energii. Na przykład można skierować całą wypromieniowaną energię we właściwym kierunku. Wynik takiego działania przedstawiono na załączonym rysunku. Kształt charakterystyki został zmieniony w taki sposób, że największa część energii została skupiona w środkowej części pasma. W wyniku podwojono ilość energii wypromieniowanej w pożądanej płaszczyźnie lub efektywnie uzyskano zysk na poziomie 3dB.

Wypromieniowaną energię można dodatkowo dokładniej skupić na wybranym kierunku i w efekcie uzyskać zysk energetyczny anteny na poziomie 6dB (4 krotnie większy) do 9dB (8 krotnie większy). Sytuację taką przedstawiają dwie charakterystyki umieszczone poniżej.

Jak wynika z przedstawionych powyżej przykładów podstawową metodą na poprawę zysku energetycznego anteny jest skupienie jej promieniowania w wybranej płaszczyźnie. Anteny dookólne o zysku powyżej 9dB są niepraktyczne, ponieważ stopień skupienia promieniowania ma bezpośredni związek z długością anteny. Poziom skupienia promieniowania można poprawić jeszcze jedną metodą - poprzez zwiększenie poziomu promieniowania tylko w jednym kierunku.

Jeżeli za anteną dipolową zostanie umieszczone tarcza, która będzie odbijać promieniowanie, cała energia skierowana w kierunku reflektora zostanie odbita z powrotem w kierunku anteny. W wyniku tego, całe promieniowanie wyemitowane przez antenę zostanie skierowane tylko w jedną stronę podwajając ilość energii w danej płaszczyźnie lub zwiększając zysk o 3dB.

 

Wiązkę można dodatkowo skupić zawężając bardziej jej kąt promieniowania. Skupiając całe promieniowanie w wąskiej wiązce skierowanej w jednym kierunku można osiągnąć większy zysk energetyczny urządzenia. W takim przypadku możliwe jest osiągnięcie zysku energetycznego na poziomie 20dB. Jednak efektywny kąt wypromieniowanej energii dla takiej anteny jest bardzo mały (zazwyczaj ±10 stopni).

W przypadku anten kierunkowych należy uwzględnić jeszcze jeden parametr.

Wskaźnik F/B: Podstawowym elementem większości anten kierunkowych jest dipol. Posiada on prostopadłą do osi anteny charakterystykę promieniowania w kształcie krążka. W celu poprawienia zysku energetycznego dąży się do odkształcenia istniejącej charakterystyki w promień wychodzący z przodu anteny. Reflektor anteny to zazwyczaj jeden lub kilka prętów. Nawet jeśli prętów jest dużo, reflektor nie odbije całkowicie wysyłanego promieniowania. Część sygnału przedostanie się do tyłu urządzenia (lub w przypadku odbioru, ominie reflektor i zostanie przechwycony przez dipol). Należy zapamiętać, iż w wolnej przestrzeni dipol posiada naturalną predyspozycję do tworzenia charakterystyki w kształcie krążka.

W związku ze zjawiskiem "dyfrakcji", nawet reflektor całkowicie wykonany z metalu nie będzie w pełni separować czoła anteny od jej tyłu. Pewna część sygnału zawsze zostanie przekazana niezależnie od wykorzystanego kształtu i materiału reflektora.

Ten współczynnik różnicy pomiędzy przodem a tyłem anteny jest definiowany w odniesieniu do wielkości wypromieniowanej do przodu (kierunek preferowany) i zazwyczaj jest wyrażany w dB.


Podsumowanie:

Anteny nie generują w magiczny sposób energii, lecz zwyczajnie skupiają wypromieniowaną energię w bardzo wąskim kanale. W ten sposób może się wydawać, że wytwarzany w danym kierunku sygnał posiada większą moc.

Jak widać w tym przypadku "zysk" oznacza również "stratę". Im większy zysk energetyczny anteny, tym mniejszy staję się kąt wypromieniowywanej energii. Większość ludzi zapomina o tym, że antena odwróciła na reflektorze w pożądanym kierunku część z energii wytwarzanej w innych kierunkach.

Te modyfikacje mają bezpośredni wpływ na wybór rodzaju anteny w zależności od jej zastosowania. Wybór właściwej anteny opisuje artykuł "Choosing the correct antenna".