Усиление антенны dbi что это

Что такое усиление антенны простыми словами

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

— 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.

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.

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.

Источник

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

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.

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.

Источник

Как определять и различать дБ, дБм и дБи?

«Что такое дБ, дБи, дБм и дБВт в теории усиления антенны? В чем разница между дБ, дБи, дБм и дБВт? Следующее содержание является основной теорией об антенне, это может помочь вам ее ваше признание технологии RF. —— FMUSER «

Если вам это нравится, поделитесь!

Контент (Нажмите, чтобы увидеть! )

5 C широко используется Децибелы (Нажмите, чтобы посетить)

1. Что такое прибыль?
Когда мощность, выходящая из оборудования, превышает мощность, поступающую в оборудование, считается, что мощность увеличивается. Когда вы добавляете усилитель сигнала в свой дом или офис, устройство принимает существующий сигнал и усиливает или увеличивает мощность, что делает возможным более сильный интернет-сигнал или соединение. Измерение коэффициента усиления позволяет выбрать идеальное устройство для ваших нужд. Величина усиления измеряется в децибелах.

2. Что такое дБ ( Децибел ) ?
1) Определение децибел

● По амплитуде

Амплитуда, представленная в шкале дБ (децибел), используется для измерения и индикации ее силы или давления. Проще говоря, если он будет с большей амплитудой, звук может быть как можно громче. Для этого звук называется давлением 0.0002 микробар, что соответствует стандарту для порога слышимости.

● С точки зрения частоты
Частота, которая указывается в Гц (Герцах), используется для измерения и указания определенного количества звуковых колебаний в секунду.

Согласно своим характеристикам, децибелы или дБ широко используются в научных измерительных приложениях, таких как измерения в электротехнике (электроника, определение коэффициентов усиления, потери компонентов, например, аттенюаторы, фидеры, смесители и т. Д.), Измерения звука (акустика, коэффициент шума и т. Д.) отношение сигнал / шум и т. д.), теория управления (графики Боде и т. д.), сигналы и связь и т. д.

2) Когда и как обнаруживаются децибелы?
Термин бел, появившийся при измерении потерь передачи и мощности в телефонии в начале 20 века (1928) в системе Белла в Соединенных Штатах, на самом деле происходит от логарифмической единицы измерения, называемой бел, которая создается Bell Telephone Laboratories и названа в честь ее основателя Александра Грэма Белла.

По сравнению с редко используемым белом, децибел является предлагаемой рабочей единицей, потому что разница в громкости в один децибел между двумя звуками является наименьшей разницей, обнаруживаемой человеческим слухом, а децибел составляет лишь одну десятую бела, т.е. используется для самых разных измерений в науке и технике (как упоминалось выше).

Также есть дБ относительно уровней НАПРЯЖЕНИЯ, но я не буду вдаваться в них, поскольку в наших обсуждениях мы в основном озабочены уровнями МОЩНОСТИ. 3 дБ в два (или половину) раза больше, 6 дБ в четыре раза, 10 дБ в десять раз и так далее. Формула для расчета усиления или потерь в дБ: 10log P1 / P2. Он используется для указания усиления или потери одного устройства (P1) В ОТНОШЕНИИ другого (P2). Таким образом, я могу сказать, что усилитель имеет усиление 30 дБ, или у меня общие потери в фиде 6 дБ. Я НЕ МОГУ сказать, мой усилитель выдает 30 дБ, или у меня антенна на 24 дБ, так как вы должны указать, на что вы ссылаетесь, и именно здесь появляется нижний индекс. ДБ сам по себе не является абсолютным числом, но соотношение.

● Для усилителей

● Для антенн

Это может быть антенна 26.41 дБи (24 дБд) или 21.59 дБи (также 24 дБд!), В зависимости от того, какой у меня был исходный эталон. Разница составляет 4.81 дБ, значительное количество. Большинство производителей антенн отказались играть в эту игру, но референция будет отличаться в разных областях.

Коммерческие антенны, как правило, оценивается в дБи, как людей, покупающих их понимаю, и радиолюбителей антенны, как правило, дБд, как ветчины очень хорошо знакомы с диполей.

3. Что такое децибел-милливатт (дБм или дБмВт)?

(Децибелы при 1 милливатте) Измерение мощности с использованием одного милливатта в качестве контрольной точки (0 дБмВт). Например, сигнал мощностью 1 милливатта (100 микроватт) означает потерю 10 дБмВт. Радиостанция, передающая мощность 50,000 XNUMX Вт, может ослабнуть до пары милливатт к тому времени, когда она будет принята радиоприемником.

Советы: как преобразовать дБм в ватты?

Для систем с низким энергопотреблением, таких как те, которые используются в мобильной связи, шкала дБм (децибел-милливатт) является удобным эталонным уровнем мощности, в котором мощность относится к уровню 1 мВт:

P (дБм) = 10log (P (мВт) / 1 мВт)

Таким образом, если антенна имеет усиление 5 дБи в определенном направлении, это означает, что по сравнению с изотропной антенной (которая будет иметь усиление в этом направлении 0 дБ), эта антенна имеет усиление 5 дБ.

Вы даже можете рассматривать дБи как измерение, которое сравнивает усиление антенны с изотропным излучателем (теоретическая антенна, которая излучает энергию равномерно по сферической диаграмме).

Для вас важно знать, что усилитель сигнала поставляется с антенной со значением дБи.

5. Что такое децибел-ватт (дБВт) ?

Децибел ватт (дБВт) означает децибел относительно 1 ватта, это единица измерения силы сигнала, выраженная в децибелах относительно одного ватта. Мощность в дБВт равна десятикратному логарифму мощности в ваттах по основанию 10. Это очень полезно, так как может выражать большой диапазон значений в коротком диапазоне чисел.

Для мощных систем, таких как те, которые используются в спутниковой связи, обычно используется шкала дБВт (децибел-ватт), в которой мощность относится к 1 Вт:

P (дБВт) = 10log (P (Вт) / 1 Вт)

В чем разница разница между дБ и дБм?

● Децибел (дБ) и дБ относительно милливатта (дБм) представляют собой две разные, но взаимосвязанные концепции.

единица дБм обозначает абсолютный уровень мощности, измеренный в децибел и отнесено к 1 милливатт (мВт). Чтобы преобразовать абсолютную мощность «P» (в ваттах) в дБм, используйте формулу dBm = 10 * log (P / 1 мВт). Это уравнение выглядит почти так же, как и для дБ. Тем не менее, теперь уровень мощности «P» был привязан к 1 мВт. Оказывается, в практическом мире радиосвязи 1 мВт является удобной точкой отсчета для измерения мощности.

Используйте дБ, когда выраж эссинга соотношение между двумя значениями мощности. Используйте дБм при выражении абсолютного значения мощности.

Во многих описаний о FM продуктов, мы продолжаем видеть, как люди используют термины «БД», «дБм», и «дБи» как синонимы, когда они на самом деле означает совершенно разные вещи. Итак, вот небольшой фон от правильного использования терминов.

В чем разница между дБ и дБи?

● Представьте себе антенну, которая излучает энергию одинаково во всех направлениях, как наше Солнце. На научном жаргоне это называется «изотропным излучателем», потому что он не предпочитает излучение в любом направлении… другими словами, у него нет «направленности».

● Этот тип изотропной антенны называется «без усиления». «Нет усиления» может быть выражено в линейных терминах, таких как x1 (раз 1). Это просто означает, что все направления имеют одинаковую энергию излучения и все равны средней энергии излучения. Инженеры-антенны любят логарифмические термины, и мы говорим, что эта ситуация без усиления равна 0 дБи (произносится как «ноль ди глаз»). Представьте себе гигантское зеркало звездного размера рядом с нашим солнцем. Представьте, как это изменило бы это распределение энергии и дало бы солнечную направленность. Работы С Нами В таком воображаемом зеркале одна половина нашей солнечной системы будет темной (за зеркалом).

● Другая половина будет в два раза ярче (если смотреть на прямое солнце и его отражение). Зеркала или линзы имеют вид усиления энергии в некоторых предпочтительных направлениях путем кражи и перенаправления ее в неблагоприятных направлениях. Антенны делают то же самое.

● Зеркала не создают свет, они только отклоняют, направляют или концентрируют его в каком-то направлении. Антенны не создают радиоэнергию, они только отклоняют, направляют или концентрируют ее в каком-то направлении. Эта характеристика направленности называется усилением. Пожалуйста, помните, никакой новой энергии не создается, она просто перенаправляется или задается направленностью (направленностью). Величина усиления в предпочтительном направлении определяется количественно как усиление. Таким образом, зеркало может перенаправить половину энергии солнца (или свечи) и сделать его в два раза ярче (например, две свечи). Говорят иметь е увеличение в 2 раза (умноженное на два) или удвоение.

-10 дБи
Одна десятая, 1/10 или «10%» (убыток, а не прибыль)
-6 дБи
Одна четверть, 1/4 или «25%» (убыток, а не прибыль)
-3 дБи
Половина, 1/2 или «50%» (убыток, а не прибыль)
0 дБи
Без прироста, «то же самое», 100% (без прироста, без потерь)
+1 дБи
На 12% больше, раз 1.12, или 112%
+2 дБи
На 58% больше, раз 1.58, или 158%
+3 дБи
На 100% выше, умноженное на 2, «вдвое» или на 200%
+6 дБи
300% выше, раз 4
+9 дБи
Времена 8 (% масштаб не полезен для больших кратных)
+10 дБи
Времена 10 (% масштаб не полезен для больших кратных)
+13 дБи
Времена 20 (% масштаб не полезен для больших кратных)
+20 дБи
Времена 100 (% масштаб не полезен для больших кратных)

Вас также могут заинтересовать:

Если вам это нравится, поделитесь!

Источник

Простые антенны для раций, ISM-диапазонов и др. приложений. Максимально просто о сложном. Часть 1. Теория

Оглавление

>>> Часть 1. Теория. Простыми словами о сложных материях.

Часть 2. Обзор существующих решений.

Часть 3. Простые практические конструкции своими руками.

Введение

Поводом для написания этой статьи стали предыдущие статьи автора, посвящённые постройки Meshtatic-радиочата на LoRa-модемах:

Часть 5 планировалась как тема по антеннам в приложении к построению Meshtastic-сети, но объём рассматриваемых вопросов и написанного материала оказался гораздо больше, чем хватило бы на одну статью, потому автор решил вынести антенны в отдельное направление.

Кроме того, общаясь в профессиональных и около/радиолюбительских кругах, автор заметил, что антенная тематика неоднократно всплывает в ходе решения большого количества вопросов, касающихся как обычной нелицензируемой радиосвязи посредствам дешёвых раций, так и создания простых радиомодемных устройств ISM-диапазона 433МГц/868МГц. И, как оказывается, большинство людей или не обладает какими-либо знаниями в антенном направлении или они очень сильно поверхностны.

Во-первых – отсутствием элементарной теоретической базы в антенной области, пользуются Китайцы, продавая огромное количество контрафакта антенной тематики;

Во-вторых, сильно падает качество и дальность связи, независимо от того связываетесь ли вы голосом или пытаетесь подружить между собой два или более радиомодемов.

По интернету гуляет огромное количество довольно сложного материала, касающихся теории антенн. Сейчас доступно большое количество учебников и методических материалов. В свободном доступе присутствуют программные решения для моделирования антенн. Но, как показывают наблюдение и практика – учебники непрофессионалам освоить практически нереально, с формулами особенно, моделирование антенн доступно только лишь профессионалам. Публика вынуждена тратить деньги, перебирая антенны с Aliexpress или делясь между собой конструкциями антенн из прошлого века, которые или работают плохо или совсем не работают, или работают там, где люди используют их не по назначению. Простое изложение сложной антенной теории, так сказать, «для гуманитариев» и остальной непрофессиональной публики и подавно отсутствует.

Автор решил взять на себя смелость и попытался максимально просто описать базовые понятия по антенной теории и составил универсальные рекомендациями при выборе антенны для большинства простых задач. Благодаря этим знаниям вам больше не навешают лапши на уши ушлые продавцы с Aliexpress и упрощается хождение по просторам Aliexpress в надежде найти правильную антенну.

Ещё одним фактором, послужившим стимулом к написанию статьи стало появление большого количества приборного инструментария для замеров характеристик антенн и не только. Если, буквально 10 лет назад, непрофессионалы могли только философствовать на тему антенн. Строить догадки, о том рассказали им правду о дальности связи или в очередной раз баек нарассказывали, то сегодня, имея небольшой багаж базовых знаний по антенной теории и обзаведясь недорогим прибором для измерения антенных характеристик, вы легко сможете проверить антенну. Ну а дальность связи сможете оценить сами, когда все элементы цепочки сделаны и гарантированно работают правильно.

И последнее, автор статьи предполагает, что заинтересованный в антенной теории человек, для понимания нижеописанного, обладает базовыми математическими знаниями и базовыми понятиями в области радиотехники, такими как децибел (дБ), длина волны, частота, и подобными…

Основные определения и аспекты

В антенной, как и в любой другой тематике существует несколько базовых определений, характеризующих работу любых антенн:

Диаграмма направленности (ДН)

По наблюдениям автора, в данных вопросах столько легенд, домыслов и спекуляций, что стоит обратить на это пристальное внимание.

Автор умышленно для непрофессионалов опускает довольно сложную и пространную теорию работы антенн с тысячами сложных формул. Для начинающих или не профильных по профессии коллег она будет излишня, а если есть интерес, то по интернету вы найдёте огромное количество учебно-методических материалов на тему теории антенн. Коснёмся только самых важных моментов, которые важно знать и понимать при дальнейшем рассмотрении, описании и выборе любых антенн.

Важное примечание: следует отметить, что антенна – устройство реверсивное и имеет одинаковые характеристики как при приёме, так и при передаче. Т.е. если говорится об усилении на приём, то это же определение верно и для передачи.

Коэффициент усиления антенны, выражаемый в dBi – это усиление, выраженное в децибелах относительно антенны в виде этакого «сферического коня в вакууме», т.е. изотропного бесконечно малого излучателя в вакууме, т.н. точечный источник излучения. Для нас это просто абстрактная цифра, как бы полный 0 в точке начала отсчёта усиления.

Сферический конь в вакууме

Ближайший приблизительный аналог в нашем материальном мире, от которого принято отсчитывать усиление – это ¼ волновой излучатель над идеально проводящей поверхностью. Т.к. ¼ волновой излучатель имеет конечную длину, бОльшую, чем от бесконечно малого источника, то значит, он тоже имеет своё небольшое усиление – примерно 1.8дБ. Такой моделью практически никто не пользуется, но это, чисто для представления.

Коэффициент усиления антенны, выражаемый в dBd – это усиление, относительно простейшей дипольной антенны. В свою очередь, соотношение усиления между идеальной изотропной антенной и идеальным полуволновым диполем составляет 2,15дБ. Т.е. усиление антенны 0dBd =2.15dBi, соответственно антенна с усилением 3dBd = 5.15dBi Усиление в dBd применяется обычно для описания направленных свойств антенн и некоторых других типов антенн, описание которых пока пропустим для простоты.

В вопросе усиления, как мы часто можем видеть в разнообразных рекламных проспектах по антеннам, особенно китайского происхождения, широкое поле для манипуляций и обмана несведущего пользователя. Продавцы в погоне за прибылью и выставлении своих антенн в более выгодном свете, чем у конкурентов, часто умышленно забывают дописать буковку «i», бывает не пишут вообще слова dB или просто нагло рисуют какие-то заоблачные цифры, не соответствующие даже приблизительно реальным характеристикам их изделия.

На практике, в 98% случаев, понятие «усиление антенны» носит условный и весьма приблизительный характер. Этот параметр в последнее время, чаще всего, берётся из математической модели, по которым строится антенна. Математическое моделирование продвинулось так далеко, что уже стало возможным построить электромагнитную модель поля в объёме и просчитать распространение поля на заданное расстояние в любой среде.

Измерениями реального усиления антенн занимаются специализированные лаборатории для военных и других ведомственных служб.

КПД антенны

Диаграмма направленности (ДН)

Когда мы говорили про изотропный бесконечно малый излучатель в виде маленькой лампочки, то обратили внимание, что в любой точке пространства от этой лампочки есть свет, уровень света везде вокруг постоянен, но сила света слаба. Если с одной из сторон от лампочки поставить отражающую поверхность, то сила света в какой-то области в стороне отражателя упадёт, а в противоположной, наоборот увеличится. Так мы создали диаграмму направленности источника излучения. Т.е. энергия, которая раньше равномерно уходила в любую точку пространства теперь меняет направление в отражателе и идёт вся в одну сторону.

В антенной технике ДН образуется за счёт фазового сложения/вычитания волн в каждой точке пространства. Для простой вертикальной ¼ волновой или дипольной антенны, энергия вокруг антенны распространяется по кругу, потому в вертикальной плоскости ДН получается круговой. Если рассматривать распространение радиоволн в горизонтальной плоскости, то получается восьмёрка. В объёмном представлении – это ТОР.

Для многоэлементных антенн происходит сложное многофазное переотражение от разного количества элементов – в результате которого ДН излучения/или приёма приобретают форму сложной узкой кардиоиды.

Хорошее описание ДН представлено в статье «Теория радиоволн: антенны» в 2012 году.

Полный импеданс и резонанс

Полный импеданс описывается на одной частоте точкой или кривой в полосе частот. Для понятного представления о характеристике полного импеданса используется «Диаграмма Смита».

Для удобства представления, диаграмма нормируется (относительно чего она строится) к точке резонанса, где антенна (или иное устройство) имеет активное сопротивление 50 Ом – это центр диаграммы. Короткое замыкание на ней представляется в виде точки слева – 0 Ом, а обрыв в цепи – в точке справа – бесконечный импеданс.

Если вы внимательно следите за мыслью, то можете догадаться, что резонанс всегда находится на горизонтальной линии. Значение реактивного импеданса в зависимости от характера отображается выше или ниже горизонтальной линии.

Направление изменения импеданса на диаграмме Смита

КСВ (он же КСВН, он же SWR) и согласование антенны

Теперь, когда мы узнали, чем характеризуются основные параметры антенны сразу становится понятно откуда берутся иные, вероятно часто слышимые раньше определения.

КСВ антенны – Коэффициент Стоячей Волны (по Напряжению) (англ. standing wave ratio) – это параметр, характеризующий состояние согласования антенны с приёмно-передающим устройством, к которому антенна подключена. Если входной/выходной импеданс устройства настроен условно на 50 Ом, и настроенная в резонанс антенна имеет 50 Ом эквивалентного активного сопротивления, то рассогласование отсутствует, и вся энергия перетекает из передатчика в антенну, а затем в пространство или из пространства в антенну, а затем в приёмник без потерь. В таком случае говорят, что КСВ=1. Если импеданс антенны отличается от 50 Ом в ту или иную сторону и/или имеет реактивную составляющую в своём импедансе, то наступает рассогласование. Энергия частично отражается от антенны (при передаче) или от приёмника (при приёме) и суммарное количество энергии, излучённое в пространство или принятое приёмником, уменьшается. Степень рассогласования характеризуется повышением уровня КСВ.

Для простоты понимания, автор умышленно не приводит в статье даже не сильно сложные формулы. Если вы хотите более подробно понять как считается КСВ, то отправляемся к учебникам.

На практике, всё что вам достаточно знать – это приемлемым уровнем рассогласования антенны при приёме является КСВ Пример измерения КСВ автомобильной антенны

Когда в цепи «передатчик – антенна» появляется дополнительный элемент – переносчик энергии – коаксиальный кабель, то он тоже должен быть максимально согласован по импедансу, как с антенной, так и с приёмно-передающим устройством. Точно так же, если на места стыка «устройство-кабель» или «кабель-антенна» присутствует разность импедансов, то наступает рассогласование в общей цепи и происходят потери энергии. По этой причине делают коаксиальные кабели стандартных импедансов 50 и 75 Ом. Кроме того, в коаксиальном кабеле присутствуют потери при переносе энергии в материале. Чем кабель толще и короче, тем потерь в нём меньше.

Обратные потери (коэффициент отражения – reflection coefficient)

Этот параметр не очень часто можно услышать в около/радиолюбительской среде, но он часто применяется профессионалами связистами. Этот коэффициент показывает какое количество энергии отразилось от антенны обратно в кабель. Выражается в Децибелах с обратным знаком. Таким образом видно, при неидеальном согласовании, чем больше энергии ушло в антенну на излучение, тем меньше её отразилось обратно. Применительно к антенне этот параметр практически никогда не описывается, но при наличии прибора для измерения антенных характеристик конкретно по этому параметру хорошо видно качество работы антенны. Даже не по параметру КСВ, а именно по обратным потерям. Смотрим скрин прибора:

Типовой график КСВ и Обратных потерь

Фиолетовым цветом у нас показан параметр обратных потерь, а синим цветом – КСВ антенны. Если смотреть по графику КСВ, то в полосе частот 430-450МГц антенна вроде бы работает хорошо, но по графику обратных потерь видно, что лучше всего антенна работает в довольно небольшой полосе от центральной частоты 440МГц. Ещё более показательным становится график, когда антенна сверхширокополосная, когда она имеет более-менее низкий но не постоянный уровень КСВ в очень широкой полосе, но точки идеального согласования у неё неизвестны.

Пример графика КСВ и Обратных потерь в широкой полосе

Полезные ссылки по теме и источники откуда была взята графика:

Собственные наработки автора.

Теперь, когда у вас есть основные базовые понятия по антеннам, вы можете критично выбирать любые антенны для любых приложений: будь то антенны для ТВ, для портативной радиостанции или для Meshtastic-модема.

В следующей статье, будут рассмотрены примеры замеров разных антенн для диапазона 433МГц и 868МГц и предложены универсальные рекомендации по выбору антенн.

P.S. Автор не претендует на истину в последней инстанции; Если вы профессионал и/или глубокий теоретик в области антенной техники и обнаружили в статье какие-либо неточности, сообщите об этом автору в личку.

Часть 1 >>>>>>>>>>>> Часть 2. Обзор существующих решений.

Источник