Как рассчитать коэффициент усиления антенны

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» . .

Коэффициент усиления антенны

Дата последнего обновления: 08-31-2011 14:38:25 PM 164808

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» . .

Был ли этот FAQ полезен?

Ваш отзыв поможет нам улучшить работу сайта.

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Перед тем как перейти к рассмотрению конструкции и работы разного типа антенн, рассмотрим одну из важнейших характеристик антенны – диаграмму направленности и те параметры, которые из нее напрямую вытекают.
Рекомендую, также, ознакомиться с предыдущей статьёй — Ликбез: основы теории по антеннам.

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

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.

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.

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.

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.

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:

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 θ_0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ₀ = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ_0,5 = 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):

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

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

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

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 (Е_ср 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:

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 (Е_оэ 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).

Для такого эталонного вибратора D_э=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 D_э=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.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Калькулятор расчёта коэффициента усиления параболической антенны.

Для параболического зеркала коэффициент усиления рассчитывается так:

G_a = 10lg(k(πD / λ) 2 cos(Φ))

Где:
G_a — коэффициент усиления;
k — эффективность или коэффициент использования поверхности антенны (для большинства антенн равен примерно 0.55);
D — диаметр Антенны;
λ — длина волны;
Φ — угол прихода волны;
π — число «ПИ»

Реальные цифры могут отличаться от полученного результата. Не все антенны изготавливают с соблюдением всех допусков и стандартов.