Коефіцієнт посилення антени

Коефіцієнт посилення антени

Коефіцієнт посилення антени вай фай – це той самий момент, який може поставити в глухий кут навіть найпросунутіших інженерів, фахівців в галузі радіочастотних технологій. Навіть у законодавстві зазначено, що «Ефективна випромінювана потужність не перевищує…», що спирається на потужність, що підводиться до входу антени, помножену на коефіцієнт посилення антени. Вважається, що в момент прояву коефіцієнта посилення антена сама в собі магічним чином створює якусь енергію. На жаль, це не так. Якщо ви подивіться на антену, то побачите, що основний матеріал, з якого вона зроблена це золото, срібло, мідь. ці матеріали підходять найкраще, потім іде алюміній. Самі собою ці матеріали не можуть створювати енергію всередині себе.

Перш ніж почати щось пояснювати, спочатку необхідно дати визначення деяким термінам, для більш зрозумілого пояснення, що ж таке коефіцієнт посилення антени.

децибел (дБ): одиниця виміру згасань, служить вираження коефіцієнта посилення. Коефіцієнт посилення має позитивне значення, згасання – негативне, обчислюється за такою формулою:

 10* log (P на виході/ P на вході)

Коефіцієнт посилення антени: відносне збільшення випромінювання в піковий момент, величина якого, виражена в дБ, вище еталонного, у цьому випадку штатна антена, антена диполь в половину довжини хвилі (як у випадку з двополюсними антенами), якою вимірюються всі інші антени . Позначення, що використовується, відомо як 0дБд (0 децибел щодо диполя). Таким чином, антена з ефективною випромінюваною потужністю вдвічі вища за вхідну потужність матиме коефіцієнт посилення 10* log (2/1) = 3дБд

 На що варто звернути увагу: Є друге позначення, яке характеризує коефіцієнт посилення антени, але використовується для того, щоб просто надати характеристикам антени вищі цифри, ніж є насправді. Це позначення – дБі, воно характеризує коефіцієнт посилення антени щодо уявного ізотропного випромінювача – антени, яка рівномірно випромінює сферичні хвилі, що розповсюджуються в усіх напрямках. Це збільшує коефіцієнт посилення антени на 2,14 дБ, що є коефіцієнтом посилення антени диполь щодо ізотропного випромінювача.

Діаграма спрямованості: графічне уявлення залежності інтенсивності випромінювання від кута напрямку антени від перпендикуляра. Зазвичай графік має круглий вигляд, інтенсивність позначена відстанню від центру щодо відповідного кута.

Всі діаграми спрямованості, які показані на цій сторінці, складені для антени з вертикально встановленими елементами антени, вигляд дано з боку (тобто під прямим кутом до антени), як показано на зображенні поруч.

Кут випромінювання: Існує загальноприйнята думка, що ширина діаграми спрямованості антени – це кут між двома точками (у тій же площині) між якими випромінювання відбувається в половину потужності, тобто. на 3дБ менше максимального випромінювання. Інші цифри, крім 3дБ, не дозволять покращити репутацію антени, оскільки в цьому випадку виникне відчуття, що антена має більш широку/вузьку ширину діаграми спрямованості антени, а серйозний інженер не став би довіряти такій конструкції.

Зона впевненого прийому: Така фізико-геологічна зона, в якій приймається сигнал, зазвичай описується як відстань по радіусу від місця, де розташована антена.

Для початку давайте спочатку візьмемо як зразок антену диполь в половину довжини хвилі і «містимо» її вільно у просторі (тобто не враховуватимемо все, що знаходиться поруч, наприклад кріплення тощо, які могли б впливати на антену). Діаграма спрямованості такої антени зазвичай називається «пончик», вона проілюстрована нижче на малюнку.

 

Оскільки матеріал не може створювати потужність, то єдиною альтернативою є концентрація марно витраченої енергії, наприклад тієї, яка йде в напрямок неба, та напрямок її за потрібним напрямком у горизонтальній площині. Результат видно на сусідньому малюнку. Форма випромінювання змінилася таким чином, що енергія, яка розходилася в сторони, тепер сконцентрована для посилення середньої половини. В результаті потужність випромінюваної енергії подвоюється в необхідному напрямку, коефіцієнт посилення – 3дБ.

  

Така концентрація енергії може бути посилена ще більше, від 6дБ (у 4 рази) до 9 дБ (у 8 разів). Діаграми можна побачити на рисунках нижче.

  

Тепер ясно, для того щоб у антени з'явився коефіцієнт посилення, потрібно лише сконцентрувати її випромінювання (тобто змінити "пончик» на діаграмі до форми тонкої «лепешки»), зробивши, таким чином, випромінювання більш інтенсивним вздовж горизонтальної поверхні. Антени з випромінюванням по всіх напрямках і коефіцієнтом посилення вище 9дБ непрактичні в силу того, що концентрація енергії безпосередньо пов'язана з довжиною (з довжинами хвилі) антени. Однак є ще один метод концентрації випромінювання, який дозволяє направити випромінювання тільки в одному напрямку.

 Якщо рефлектор поміщений поряд з антеною диполь, то вся енергія, яка б прямувала у напрямку рефлектора, тепер відображається назад у напрямку антени диполь. Таким чином, вся енергія тепер сконцентрована тільки в одній півсфері, в результаті енергія, що випромінюється, подвоюється в даному напрямку, коефіцієнт посилення – 3дБ.

 

Дальша концентрація енергії може бути отримана за допомогою використання «директорів (направників)» і, знову ж таки, роблячи кут дедалі менше, фокусуючи всю енергію щодо одного напрямі. Таким чином досягається вищий коефіцієнт посилення. Зазвичай досягається коефіцієнт посилення 20 дБ. Ефективний кут такої антени малий (зазвичай ± 10 градусів)

 

У разі антен з спрямованим випромінюванням потрібно знати ще одну величину.

Коефіцієнт зворотного випромінювання антени: Активний вібратор більшості антен з спрямованим випромінюванням – антена диполь з діаграмою спрямованості у вигляді класичного "пончика", який перпендикулярний її осі. Завдання, як було описано раніше, полягає в тому, щоб цей "пончик» перетворити на вузький промінь у напрямку від антени. Рефлектор найчастіше є звичайним один або кілька стрижнів. Навіть у разі, якщо рефлектор - це пучок стрижнів, він не відбиватиме всю енергію, т.к. вона проходитиме через щілини! Частина енергії буде спрямована назад (або у разі прийому обходитиме рефлектор і перехоплюватиметься антеною диполь). Запам'ятайте, у вільному просторі антена диполь чутлива як за своїм напрямом, так і ззаду, діаграма її спрямованості природно прагнути за своєю формою до «пончика».

 Навіть суцільний шматок металу як рефлектор не зможе повністю ізолювати від заднього випромінювання через дифракцію. Прикро, але кінчики металу стануть причиною того, що сигнал повертатиметься на кутах рефлектора у зворотному напрямку (або, у разі прийому, від задньої частини до антени диполь).

 Коефіцієнт такого зворотного випромінювання антени визначається щодо переднього (необхідного) напрямку антени і зазвичай виявляється у дБ.

На закінчення:

Антени зовсім не виробляють самі собою якимсь магічним чином енергію, вони лише концентрують випромінювану радіочастотну енергію у вузькому напрямку таким чином, що виникає відчуття, ніби з антени в необхідний напрямок виходить більше потужності.

 Наскільки видно з вищеописаного, коефіцієнт посилення також є «втратою». Чим вищий коефіцієнт посилення антени, тим менший кут її корисного використання. Від уваги багатьох вислизає той факт, що енергія була "вкрадена". в інших напрямках, а потім нав'язана випромінюванню в потрібному напрямку. Це безпосередньо впливає на вибір антени для конкретних цілей.