Этот вопрос ставит в тупик даже самых продвинутых радиоинженеров, а именно «коэффициент усиления» антенны. Даже закон гласит, что «Эффективная мощность излучения (ERP) не должна превышать…», и это основано на входном сигнале антенны, умноженном на коэффициент усиления антенны.
Существует мнение, что в тот момент, когда антенны демонстрируют усиление, они волшебным образом создают энергию внутри себя. К сожалению, это не так. Если внимательно изучить антенну, то можно заметить, что она изготовлена из основных материалов, лучшими из которых являются золото, серебро, медь, а затем алюминий. Эти материалы сами по себе не могут создавать энергию.
Прежде чем мы перейдём к каким-либо объяснениям, есть несколько терминов, которые нуждаются в определении, чтобы помочь в объяснении коэффициента усиления антенны.
Децибел (dB): единица измерения потерь или усиления. Усиление имеет положительное значение, потери — отрицательное, и равно
10*log(Pout/Pin)
Формула 10*log(Pout/Pin) означает: 10, умноженное на логарифм отношения выходной мощности (Pout) к входной мощности (Pin).
Коэффициент усиления антенны: Относительное увеличение излучения в максимальной точке, выраженное в децибелах относительно стандартной антенны, в данном случае базовой антенны – полуволнового диполя (как в «Two-Poles» двухполюснике), по отношению к которой измеряются все остальные антенны. Эталон называется 0 dBD (ноль децибел относительно диполя). Таким образом, антенна с эффективной излучаемой мощностью, вдвое превышающей входную мощность, будет иметь коэффициент усиления 10*log(2/1) = 3 dBD.
Предупреждение: Существует второе понятие «эталона», используемое при указании коэффициента усиления антенны, которое применяется для искусственного завышения этого показателя по сравнению с реальным. Оно называется dBi и обозначает усиление антенны относительно воображаемой изотропной антенны, которая излучает равномерно во всех направлениях (по сферическому паттерну). Это увеличивает показатель усиления антенны на 2,14 дБ, что соответствует «усилению» диполя по сравнению с изотропной антенной. Однако это не является преимуществом!
Диаграмма направленности: Графическое представление интенсивности излучения в зависимости от угла отклонения от перпендикуляра. Обычно график имеет круглую форму, где интенсивность обозначается расстоянием от центра, соответствующим определённому углу.
Все диаграммы направленности на этой странице представлены для антенных элементов, установленных вертикально, и показаны сбоку (то есть под прямым углом к антенне), как показано выше.
Угол излучения: Общепринято, что ширина луча — это угол между двумя точками (в одной плоскости), в которых мощность излучения падает до «половины» (то есть на 3 дБ ниже точки максимального излучения). Использование значений, отличных от 3 дБ, не идёт на пользу репутации антенны, поскольку это может создать впечатление, что антенна имеет более широкую или более узкую диаграмму направленности, и если серьёзный инженер увидит это, он, по праву, дискредитирует такую конструкцию.
Покрытие: Физическая геологическая область, где сигнал всё ещё находится на уровне, который может быть принят, обычно описываемая как радиус от места расположения антенны.
Для начала рассмотрим стандартный полуволновой диполь и «подвесим» его в свободном пространстве (то есть, проигнорируем все возможные окружающие объекты, такие как крепёжный столб и т.п., которые могли бы повлиять на антенну). Диаграмма направленности этой антенны обычно называется «бубликом», как показано на прилагаемом рисунке.
Поскольку материалы не могут создавать энергию, единственной альтернативой является концентрация рассеянной энергии, например, той, что уходит вверх, в более полезном направлении, а именно в горизонтальной плоскости. Результат показан на прилагаемом рисунке. Здесь форма излучения была изменена таким образом, что внешняя энергия была сфокусирована для дополнения средней части, что привело к удвоению излучаемой энергии в требуемой плоскости или, по сути, к усилению на 3 дБ.
Эта фокусировка может быть ещё более усилена, так что могут быть достигнуты усиления от 6 дБ (в 4 раза) до 9 дБ (в 8 раз). Результат представлен двумя диаграммами ниже.
Как видно, антенну делают «направленной» путём фокусировки излучения (то есть, превращая диаграмму в форме бублика в плоский блин), тем самым усиливая излучение в горизонтальной плоскости. Антенны с всенаправленным излучением и коэффициентом усиления более 9 дБ непрактичны, поскольку фокусировка напрямую связана с длиной антенны (в длинах волн). Однако существует ещё один способ фокусировки, позволяющий усилить излучение только в одном направлении.
Если рядом с диполем разместить отражатель, вся энергия, которая обычно излучалась бы в направлении отражателя, будет отражена обратно в сторону диполя. Это приводит к тому, что вся энергия концентрируется в одном полушарии, удваивая излучаемую мощность в этом направлении, что эквивалентно усилению в 3 дБ.
Дальнейшее фокусирование достигается с помощью «направителей». Снова, уменьшая угол всё больше и больше, то есть концентрируя всё излучение в одном направлении, достигается более высокий коэффициент усиления. Здесь вполне реально достичь усиления до 20 дБ. Однако эффективный угол такой антенны невелик (обычно ±10 градусов).
При работе с направленными антеннами необходимо помнить ещё об одном показателе.
Соотношение передней и задней диаграмм направленности (вперёд/назад): Активный элемент большинства направленных антенн представляет собой диполь с классической диаграммой направленности в форме «бублика», перпендикулярной его оси. Идея заключается в том, чтобы взять эту «бубличную» диаграмму направленности и сжать её в луч, направленный вперёд от антенны. Рефлектор обычно представляет собой один стержень, возможно, их несколько. Даже если их много, рефлектор не сможет остановить каждую частицу энергии, просачивающуюся между зазорами! Часть энергии будет излучаться в заднем направлении (или, в случае приёма, обойдёт рефлектор и будет перехвачена диполем). Помните, что в свободном пространстве диполь одинаково чувствителен к этому направлению, как и к передней части антенны, и естественным образом стремится сохранить свою исходную «бубличную» диаграмму направленности.
Даже сплошной металлический лист, используемый в качестве отражателя, не сможет полностью изолировать переднюю часть от задней из-за явления дифракции. Именно края металла заставят часть сигнала «огибать» края отражателя и распространяться в заднем направлении (или, в случае приёма, из задней части к диполю).
Отношение этой разницы между передней и задней частями определяется относительно переднего (желаемого) направления антенны и обычно выражается в децибелах.
В заключение:
Антенны не создают энергию волшебным образом, а лишь фокусируют излучаемую радиочастотную энергию в более узкие диаграммы направленности, благодаря чему в нужном направлении кажется, что от антенны исходит больше мощности.
Как видно, «усиление» также является «потерей». Чем выше усиление антенны, тем меньше эффективный угол её использования. Это та часть, которую люди забывают, а именно, что они забрали мощность из других направлений и перенесли её на излучение в предполагаемом направлении. Это напрямую влияет на выбор антенны для конкретной задачи.
marcspages.co
