Усиление антенны в чем измеряется

Коэффициент усиления антенны

Определение и формула коэффициента усиления антенны

Можно определение коэффициента усиления представить несколько иначе: Коэффициент усиления антенны — это относительная величина, отражающая эффективность рассматриваемой антенны в сравнении с полуволновым диполем (изотропным излучателем).

Чаще всего обозначением для коэффициента усиления служит буква G.

Коэффициент усиления антенны показывает, какова способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении. Антенны предназначены не для усиления, а для концентрации сигнала в избранном направлении. Коэффициент усиления антенны является количественной характеристикой возможности антенны сконцентрировать мощность электромагнитного излучения в узком пучке, при учете потерь на конструктивных элементах антенны и близких к ней объектах.

Коэффициент усиления антенны связан с коэффициентом направленного действия (D) и КПД антенны () соотношением:

Так же говорят, что коэффициент усиления антенны отражает, во сколько раз следует увеличить мощность на входе антенны, если заменить рассматриваемую антенну идеальной ненаправленной антенной и при этом плотность потока мощности электромагнитной волны, которую излучает антенна измениться в точке, где проводится наблюдение, не должно. Считают, что КПД ненаправленной антенны равен одному.

Из двух антенн, обладающих одинаковыми коэффициентами усиления и сходными конструкциями, меньшие размеры будет иметь та антенна, которая назначается для приема волн меньшей длины.

Введение коэффициента усиления антенны, как самостоятельного параметра связано с тем, что эту величину можно измерить при помощи метода сравнения. При этом используется эталонная антенна с известным коэффициентом усиления.

Диаграмма направленности

Направленность антенны показывает, как изменяется коэффициент усиления антенны в зависимости от направления. Для изображения направленности применяют специальные графики, которые называют диаграммами направленности. Направленность связана с конструкцией антенны. Диаграммы направленности рассматривают для горизонтальных и вертикальных плоскостей.

Единицы измерения коэффициента усиления антенны

Коэффициент усиления антенны может быть безразмерным или может быть выражен в децибелах. При этом:

Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю, обычно представлен в дБ, а в отношении к изотропному излучателю в дБи. Например, если G=5 дБи, то в отношении к диполю G=5-2,14=2,86дБ.

Примеры решения задач

Задание	Каков коэффициент усиления антенны, если ее КПД равен 0,5 при коэффициенте направленного действия 13 дБ?
Решение	В качестве основы для решения задачи используем формулу для коэффициента усиления:

Примем во внимание, что коэффициент направленного действия задан в дБ:

Задание

На вход системы последовательных передающих устройств (рис.1) подана мощность 8 мВт. Первый компонент системы имеет затухание 24 дБ, второй элемент усиливает сигнал (коэффициент усиления 35 дБ), третий с затуханием 10 дБ. Какой будет мощность на выходе?

РешениеКоэффициенты усиления даны в дБ, значит результирующий коэффициент усиления (G) антенны найдем как алгебраическую сумму, коэффициентов отдельных передающих антенн:

Вычислим коэффициент усиления:

По определению коэффициента усиления антенны:

мВт

Ответ мВт

Копирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.

Источник

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.

Усиление, разы	10000	100	10	4	2	1,26	1	0,79	0,5	0,25	0,1	0,01	0,0001
Усиление, дБ	40	20	10	6	3	1	0	-1	-3	-6	-10	-20	-40

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

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Аннотация

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.

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).

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.

Источник

Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида

Всем привет! Я не буду вас грузить сложными понятиями, а также формулами. Те люди, которые их знают, на эту статью точно не попадут. Я постараюсь приблизительно представить в вашей голове, что же такое коэффициент усиления антенны. Во второй главе я расскажу, как можно усилить Wi-Fi или мобильный интернет (3G, 4G), так же как можно ловить или передавать интернет на многие километры. Если у вас останутся вопросы после прочтения статьи, то пишите в комментариях.

Разбор

Давайте начнем с самого начала. Все эти антенны нужны для излучения радиоволн. Что же такое радиоволны? – это электромагнитное излучение. Её используют почти везде – мобильна связь 3G, 4G, 5G, LTE, Wi-Fi, спутниковый интернет, радио и т.д.

Свет является такой же волной, только имеет более высокую частоту. Давайте представим себе, что у нас есть лампочка. Мы возьмем эту лампочку и прикрутим её в большой комнате. Если включить эту лампочку, то свет начнет светить во все стороны. Так как комната большая, то большая часть углов будут еле-еле подсвечены или будут полностью погружены во мрак.

Теперь мы возьмем, и с одной стороны лампочки установим специальный отражатель с зеркальной поверхностью. Теперь лампа начнет светить только в одну сторону – пучок света стал сильнее и может осветить даже более темные участки и углы. Если отражатель сделать уже по отношению к выходному свету, то пучок станет также уже, а расстояние, на которое сможет пройти свет без серьезного затухания, станет выше. Но с других сторон, где свету преграждает стенки отражателя – везде будет тьма. На таком принципе работаю все фонарики.

А теперь мы подобрались к простому определению. Коэффициент усиления (КУ) антенны – это способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении, при этом возможность как принимать, так и передавать сигнал.

Рассчитывается как отношение мощности, которая необходима, чтобы создать напряжение антенны в концентрированном направлении, к мощности, которая нужна была бы (в теории), чтобы подвести к эталонной антенне для создания такой же напряженности поля в той же точке.

Пока ничего не понятно? Смотрите, эталонная антенна – это та антенна, которая как наша лампочка распространяет радиоволны во все стороны. А вот реальная антенна – это как раз та самая лампочка с отражателем, которая концентрирует сигнал в определенный пучок.

Посмотрите на рисунок выше. КУ – это как раз размер того самого пучка. Чем выше КУ, тем сам пучок имеет меньший угол, но более высокую длину или, если быть точнее, дальность распространения. КУ антенны измеряется в децибелах (дБ, дБи, дБд). В характеристиках роутера, а также у 3G/4G или Wi-Fi антенн обычно используется показатель dBi (или дБи).

Посмотрите на картинку ниже. Как понятно из картинки, чем больше параметр dBi, тем дальше летит радиоволна. Но тут также нужно учитывать, что сам размер пучка становится меньше.

Именно поэтому дома у роутера устанавливают всенаправленные антенны с dBi от 3 до 5, чтобы не приходилось ходить с телефоном и ловить этот самый пучок. Но если вы хотите передать интернет с вай-фай на несколько километров по мосту, то уже используют устройства с большим показателем КУ – от 15 dBi и больше.

Как улучшить сигнал и усилить антенну?

Смотря для чего вы хотите это сделать. Для домашнего Wi-Fi можно сделать отдельную всенаправленную антенну. Особенно это помогает, если антенки у маршрутизатора внутренние. Второй вариант, если вы хотите построить вай-фай мост.

Что такое Wi-Fi мост? Представим ситуацию, что вы живете в частном доме. А ваш брат через пару километров в многоэтажке. Все провайдеры вам отказывают проводить интернет. 3G/4G не ловит, и тогда на помощь может прийти Wi-Fi мост. Ваш брат покупает (или делает сам) Wi-Fi пушку, которая подключена к его роутеру. Вы делаете или покупаете аналогичное устройство.

Обе эти Wi-Fi пушки из-за большого КУ должны быть направлены точно друг на друга. Вспоминаем, чем больше КУ, тем дальше летит радиоволна, но имеет меньший размер луча. Вот таким вот образом можно передать вай-фай с интернетом по мосту на несколько километров.

Если же вы хотите усилить мобильный сигнал, то все делается примерно аналогично. Покупаем или делаем узконаправленную антенну с высоким КУ. Направляем её на вышку. Антенну можно подключить к повторителю дома. Опять же есть как самодельные варианты, так и покупные. О тех и других я уже подробно писал тут.

Формула

Видео

Если еще остались вопросы, то можете посмотреть полезное видео ниже или обратиться ко мне в комментариях.

Источник