Коефіцієнт підсилення антени

Коефіцієнт посилення антени – це момент, який може поставити в глухий кут навіть найпросунутіших радіочастотних інженерів. Навіть у законодавстві зазначено, що «Ефективна випромінювана потужність не перевищує...», яка залежить від потужності, що подається на вхід антени, помноженої на коефіцієнт посилення антени. Вважається, що в момент прояву коефіцієнта посилення антена сама магічним чином створює всередині себе якусь енергію. На жаль, це не так. Якщо ви подивитеся на антену, то побачите, що основним матеріалом, з якого вона виготовлена, є золото, срібло, мідь, які є найкращими матеріалами, а також алюміній. Самі по собі ці матеріали не можуть створювати енергію всередині себе.

Перш ніж почати щось пояснювати, вам спочатку потрібно визначити деякі терміни, щоб чіткіше пояснити, що таке коефіцієнт посилення антени.

децибел (дБ): одиниця загасання, яка використовується для вираження посилення. Коефіцієнт посилення має позитивне значення, загасання негативне, і розраховується за формулою:

10* log (вихід P / вхід P)

Коефіцієнт підсилення антени: відносне збільшення випромінювання в піковий момент, виражене в дБ вище еталонного значення, в даному випадку стандартної антени, напівхвильової дипольної антени (як у випадку біполярних антен), яка використовується для вимірювання всіх інших антен. Використовуване позначення відоме як 0 дБд (0 децибел відносно диполя). Таким чином, антена з ефективною випромінюваною потужністю, що вдвічі перевищує вхідну потужність, матиме коефіцієнт посилення 10*log (2/1) = 3dBd

На що слід звернути увагу: Існує друге позначення, яке характеризує коефіцієнт посилення антени, але використовується просто для того, щоб надати продуктивності антени вищі цифри, ніж вона є насправді. Це позначення dBi, і воно характеризує коефіцієнт посилення антени щодо уявного ізотропного випромінювача – антени, яка рівномірно випромінює сферичні хвилі, що поширюються у всіх напрямках. Це збільшує коефіцієнт підсилення антени на 2,14 дБ, що є коефіцієнтом посилення дипольної антени щодо ізотропного випромінювача. Але це ще не початок. Більш докладно це пояснюється в розділі «Як накрутити по посиленню антени»

Діаграма спрямованості: графічне зображення інтенсивності випромінювання як функції кута нахилу антени від перпендикуляра. Як правило, графік є круговим, при цьому інтенсивність позначається відстанню від центру щодо відповідного кута.

Всі діаграми спрямованості, показані на цій сторінці, призначені для антен з вертикально встановленими антенними елементами, вид подається збоку (тобто під прямим кутом до антени), як показано на зображенні поруч з нею.

Кут випромінювання: Прийнято вважати, що ширина діаграми спрямованості антени - це кут між двома точками (в одній площині), між якими випромінювання відбувається на «половині потужності», тобто на 3 дБ менше максимального випромінювання. Цифри, відмінні від 3 дБ, не поліпшать репутацію антени, так як створять враження, що антена має більш широку/вузьку ширину діаграми антени, і серйозний інженер не довірився б такій конструкції.

Надійна зона прийому: фізіологічна зона, в якій приймається сигнал, зазвичай описується як радіусна відстань від місця розташування антени.

Для початку давайте спочатку візьмемо за еталон напівхвильову дипольну антену і «розмістимо» її вільно в просторі (тобто проігноруємо все, що знаходиться поблизу, наприклад, кріплення і т.д., що може вплинути на антену). Діаграма спрямованості такої антени прийнято називати «пончиком» і проілюстрована на малюнку нижче.

Оскільки матеріал не може виробляти енергію, єдиною альтернативою є концентрація витраченої енергії, наприклад, тієї, що йде в напрямку неба, і спрямування її в правильному напрямку в горизонтальній площині. Результат можна побачити на сусідньому малюнку. Форма випромінювання змінилася таким чином, що енергія, яка розходилася в сторони, тепер концентрується для посилення середньої половини. В результаті потужність випромінюваної енергії подвоюється в необхідному напрямку, коефіцієнт посилення становить 3 дБ.

Ця концентрація енергії може бути посилена ще більше, від 6 дБ (в 4 рази) до 9 дБ (в 8 разів). Схеми можна побачити на малюнках нижче.

Тепер зрозуміло, що для того, щоб антена набрала коефіцієнт посилення, необхідно лише сконцентрувати її випромінювання (тобто змінити «пончик» на схемі на форму тонкого «пирога»), зробивши таким чином випромінювання більш інтенсивним уздовж горизонтальної площини. Антени з випромінюванням у всіх напрямках і коефіцієнтом посилення вище 9 дБ непрактичні, оскільки концентрація енергії безпосередньо пов'язана з довжиною (довжинами хвиль) антени. Однак існує ще один метод концентрації випромінювання, що дозволяє направити випромінювання тільки в одному напрямку.

Якщо рефлектор розмістити поруч з дипольною антеною, то вся енергія, яка була б спрямована в напрямку рефлектора, тепер відбивається назад в напрямку дипольної антени. Таким чином, вся енергія тепер зосереджена тільки в одній півкулі, в результаті чого випромінювана енергія подвоюється в цьому напрямку, коефіцієнт посилення становить 3 дБ.

Подальшу концентрацію енергії можна отримати, використовуючи «директори» і, знову ж таки, роблячи кут все менше і менше, фокусуючи всю енергію в одному напрямку. Таким чином досягається більш високий коефіцієнт посилення. Зазвичай досягається коефіцієнт посилення в 20 дБ. Ефективний кут нахилу такої антени невеликий (зазвичай ± 10 градусів)

У випадку з спрямованими антенами є ще одна величина, яку потрібно знати.

Коефіцієнт зворотного випромінювання антени: Активний вібратор більшості спрямованих антен являє собою дипольну антену з діаграмою спрямованості у вигляді класичного «пончика», який розташований перпендикулярно своїй осі. Завдання, як було описано раніше, полягає в тому, щоб перетворити цей «пончик» у вузький промінь подалі від антени. Відбивачем найчастіше є звичайна одна або кілька стрижнів. Навіть якщо відбивач являє собою пучок стрижнів, він не буде відображати всю енергію, тому що буде проходити через щілини! Частина енергії буде спрямована назад (або, в разі прийому, обійде відбивач і буде перехоплена дипольною антеною). Пам'ятайте, у вільному просторі дипольна антена чутлива як у своєму напрямку, так і ззаду, її діаграма спрямованості природно прагне до форми до «пончика».

Навіть твердий шматок металу в якості відбивача не зможе повністю ізолюватися від зворотного випромінювання за рахунок дифракції. На жаль, самі кінчики металу змусять сигнал обертатися по кутах відбивача в протилежну сторону (або, в разі прийому, ззаду в бік дипольної антени).

Коефіцієнт зворотного випромінювання такої антени визначається щодо прямого (необхідного) напрямку антени і зазвичай виражається в дБ.

На закінчення:

Антени не виробляють енергію магічним чином самі по собі, вони просто концентрують випромінювану радіочастотну енергію у вузькому напрямку таким чином, що створюється відчуття, ніби більше енергії виходить з антени в потрібному напрямку.

Як видно з вищесказаного, виграш - це теж «збиток». Чим вище коефіцієнт посилення антени, тим менше кут її корисного використання. Багато хто не бере до уваги той факт, що енергія була «вкрадена» з інших напрямків, а потім нав'язана радіації в потрібному напрямку.

Це безпосередньо впливає на вибір антени для конкретних цілей. Вибір правильної антени описаний у розділі «Вибір правильної антени». .