Основные характеристики антенн
Содержание статьи:
Вступление
1. Понятие изотропной антенны
2. Понятие диаграммы направленности
3. Значение коэффициента усиления
4. Разновидности поляризации антенн
5. Определение входного импеданса
6. Выбор антенн по их характеристикам
Вступление
Для верного выбора требуемой антенны, например, для организации некоторой связи, пользователю нужно знать основные характеристики антенн.
К ним могут относиться: частотная полоса, ДНА - диаграмма направленности, КУ - коэффициент усиления, направленность, поляризация, входной импеданс и пр.
Если говорить о коэффициенте усиления (КУ), то, пожалуй, он является важной для выбора антенны основной характеристикой.
Судя по названию словосочетания данного коэффициента, легко ошибочно подумать, что антенны могут усиливать сигнал, но это совершенно не так.
Например, если у Вас мощность передатчика равна 100 мВт, то получается так: какую бы Вы антенну не использовали в своей работе, мощность передаваемого сигнала составит также 100 мВт.
Это объясняется теоретически тем, что антенна – пассивное устройство, поэтому брать ей энергию на усиление сигнала просто неоткуда.
Но тогда, что же все-таки определяет такая достаточно важная для антенны характеристика, как ее коэффициент усиления?
Выяснить это позволяет ознакомление с понятиями: «изотропная антенна», а также «диаграмма направленности антенны».
1. Понятие изотропной антенны
Энергия, излучаемая антенной, передается по всем направлениям в виде электромагнитных (ЭМ) волн.
Но эффективность самой передачи сигнала может быть разной для конкретного направления. Она определяется диаграммой направленности.
Вот как раз для оценки этой эффективности передачи по разным направлениям сигнала и введено понятие «изотропной антенны», или «изотропного излучателя».
В природе конечно же изотропной антенны не существует, она лишь выступает для расчетов и символизирует понятие идеальной антенны.
Простейшая передающая антенна неравномерно излучает энергию. И в одном направлении это излучение может быть наибольшим, в другом наименьшим.
Предполагается, что изотропная антенна (антенна идеальная) по всем направлениям излучает энергию одинаково. Поэтому в качестве эталона и берется изотропная антенна, с которой очень удобно сравнивать параметры всех реальных антенн.
2. Понятие диаграммы направленности
У антенны направленные свойства выражаются зависимостью напряженности поля, которое излучает антенна, от направления.
Такая зависимость, выраженная в графическом виде, является ДНА (т.е. диаграммой направленности антенны). Изображение ДНА может быть в двух- или трехмерном виде.
Трехмерная ДНА изображается в виде некой поверхности, описываемой радиус-вектором, идущим из самого начала координат. А длина радиус-вектора пропорциональна энергии, которую данная антенна излучает по тому направлению или иному.
Двухмерные ДНА изображаются для вертикальной, а также горизонтальной плоскостей. Здесь ДНА имеет форму в виде замкнутой линии системы (полярной) координат, где значение длины от центра ДНА до любой точки ДНА прямо пропорционально излучаемой этой антенной энергии в данном направлении.
Так как изотропная антенна (так называемая «идеальная антенна») энергию излучает одинаково по всем возможным направлениям, то ее ДНА представляется как фигура сферы при трехмерном изображении или в виде просто окружности при двухмерном изображении ДНА. При этом, местоположение изотропной антенны (иногда называемой «изотропным излучателем») совпадает с центром сферы или окружности.
У направленных антенн на ДНА можно увидеть направления преимущественного излучения в виде лепестков. Максимальное излучение отображается в виде главного лепестка, остальное излучение - в виде боковых лепестков. При этом лепесток, который является противоположным главному, обзывается задним. Направления, где антенна сигнал не излучает, обозначают нулями.
ДНА характеризуют также шириной, которая отождествляет угол, внутри которого КУ относительно максимальному уменьшается не более 3 дБ. КУ и ширина ДНА практически всегда взаимосвязаны: чем больше КУ, тем уже ДНА, и наоборот.
3. Значение коэффициента усиления
Итак, переходим к коэффициенту усиления (КУ), являющимся основной характеристикой антенны.
КУ показывает величину, которая определяет на сколько дБ (децибел) параметр плотности потока энергии, излучающей антенной в конкретном направлении, составляет больше плотности потока излучаемой энергии идеальной антенной (изотропной) в этом направлении. КУ антенны измеряется в дБи (dBi - изотропных децибелах).
Например, если в заданном направлении КУ антенны равен 5 дБи, значит мощность в этом направлении излучения на 5 децибел (или в 3,16 раз) составляет больше мощности, которую изотропная антенна излучает.
Однако увеличение сигнальной мощности по одному направлению компенсирует ее уменьшение по другим направлениям. Т.е. коэффициент усиления предполагает максимальное значение мощности излучения, которое выражается главным лепестком на ДНА.
Если известны значения КУ антенны, мощность передатчика, то можно определить мощность сигнала по направлению ДНА главного лепестка.
Например, пользуясь направленной антенны с КУ = 10 dBi и передатчика (беспроводной точки доступа) мощностью = 20 dBm (= 100 мВт), расчет мощности с учетом направления максимального усиления сигнала будет следующим: 10 dBi + 20 dBm = 30 dBm (= 1000 мВт). Это означает, что суммарная мощность данной антенны и передатчика будет больше в 10 раз, чем с если бы использовалась изотропная антенна.
4. Разновидности поляризации антенн
Излучаемы антенной электромагнитные (ЭМ) волны распространяются в среде по-разному. Такое распространение зависит от вида поляризации антенны. Поляризация антенны является тоже основной характеристикой антенны и может быть линейной и круговой.
Так, антенны, которые применяются для беспроводной связи (например, антенны Wi-Fi), в основном имеют линейную поляризацию (вертикальную, горизонтальную). То есть вектор электрического поля (E-поля) лежит или в вертикальной плоскости, либо в горизонтальной.
В большинстве случаев на практике используется вертикальная поляризация. Однако в ряде случаях применение горизонтальной поляризации более эффективнее.
Для работающей в прямой видимости линии связи, применяют антенны, имеющие одинаковую поляризацию. А изменение поляризации за счет 90 градусного поворота антенны может улучшить качество линии связи, за счет уменьшения помех.
Есть также антенны двойной поляризации (линейной или круговой), которые применяются для измерений, исследования, испытания на ЭМС, радио-мониторинга и прочее.
5. Определение входного импеданса
Входной импеданс (сопротивление) антенны определяется отношением значения напряжения (на клеммах) к силе тока и является тоже основной характеристикой антенны.
Входной импеданс антенны важен для определения коэффициента ее усиления и КПД. Во входном импедансе есть составляющие разных сопротивлений: сопротивление излучения, сопротивление потерь.
6. Выбор антенн по их характеристикам
Если выбирать антенну по основным характеристикам, то следует учитывать, что параметры антенны взаимосвязаны. То есть, максимизировать положительные и минимизировать отрицательные характеристики антенны невозможно.
Например, если выбирать антенну с широким главным лепестком ДНА, то ее КУ (коэффициент усиления) будет невысоким. А если выбирать антенну с широкой полосой, то ее ДНА окажется неоднородна.
В итоге можно сделать заключение, что при выборе антенны важно определиться с конкретными основными характеристиками антенны, которые нужны для определенных задач ее применения.