Антенны являются неотъемлемой частью любых систем беспроводной связи. От их характеристик напрямую зависит качество передачи и приема сигналов. В этой статье речь пойдет об одном из важнейших параметров антенны - ее коэффициенте усиления.
1. Понятие коэффициента усиления антенны
Коэффициент усиления антенны - это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз мощность излучения антенны в заданном направлении больше мощности изотропного излучателя при одинаковой подводимой мощности.
Коэффициент усиления антенны = Мощность излучения антенны / Мощность изотропного излучателя.
Физический смысл коэффициента усиления заключается в том, что антенна концентрирует энергию излучения в нужном направлении. Чем выше концентрация, тем больше коэффициент усиления.
Коэффициент усиления измеряется в безразмерных единицах или в децибелах (дБ, дБи).
Коэффициент усиления антенны связан с ее коэффициентом направленного действия (КНД) следующим соотношением:
G = КНД * КПД антенны
где КПД антенны учитывает ее реальные потери.
Типичные значения коэффициента усиления:
- Для omnidirectional антенн: 2-6 дБи
- Для секторных антенн: 10-19 дБи
- Для высоконаправленных антенн: 20-30 дБи
2. Факторы, влияющие на коэффициент усиления
На значение коэффициента усиления антенны влияют следующие основные факторы:
- Размеры и форма антенны. С увеличением размеров антенны в направлении электрического поля растет и ее коэффициент усиления.
- Материал элементов антенны. Лучше всего подходят медь, серебро, золото, а также алюминий.
- Рабочая частота. С ростом частоты коэффициент усиления у малогабаритных антенн снижается.
- Наличие рефлекторов, линз и других фокусирующих устройств позволяет увеличить коэффициент усиления за счет более эффективной концентрации излучения.
Также важную роль играют:
- форма и структура антенны;
- волновое сопротивление;
- тип и параметры фидера.
3. Методы повышения коэффициента усиления
Существует несколько основных способов увеличения коэффициента усиления антенн:
- Использование решеток из нескольких одинаковых антенн
- Применение пассивных отражателей (рефлекторов)
- Фазированные антенные решетки
- Увеличение электрического размера антенны
- Оптимизация формы и внутренней структуры антенны
Рассмотрим некоторые методы более подробно.
Использование решеток из нескольких антенн
Один из простых способов увеличить коэффициент усиления - это объединить несколько одинаковых всенаправленных антенн в решетку. Например, 4 изотропных излучателя, соединенных в решетку 2x2, обеспечат коэффициент усиления 6 дБи.
Применение рефлекторов
Размещение за антенной пассивного отражателя (рефлектора) позволяет "перенаправить" часть излучаемой энергии в нужном направлении. За счет этого коэффициент усиления антенны возрастает.
Например, для вибраторного диполя с рефлектором значение коэффициента усиления может достигать 10-12 дБи.
Фазированные антенные решетки
ФАР представляют собой группу излучателей, в которых фаза сигнала индивидуально регулируется с помощью фазовращателей. Это позволяет гибко управлять диаграммой направленности всей антенной системы.
Коэффициент усиления ФАР может быть очень высоким, до 40-50 дБи.
Однако стоимость построения таких систем довольно велика из-за большого количества потребных фазовращателей и сложности обработки сигналов.
4. Коэффициент усиления различных типов антенн
Рассмотрим типовые значения коэффициентов усиления для разных классов антенн.
Проволочные антенны
- Полуволновой диполь: 2.1 дБи
- Диполь с одним рефлектором: 10 дБи
- Вибратор с двумя рефлекторами: 12-15 дБи
Апертурные антенны
| Рупорный излучатель | 10-20 дБи |
| Параболическая антенна диаметром 1 м | 38-43 дБи |
Как видно из примеров, использование специальных конструкций для концентрации излучения позволяет значительно увеличить коэффициент усиления по сравнению с простыми проволочными антеннами.
Другие типы антенн
Современные печатные микрополосковые антенны для сотовой связи и Wi-Fi имеют типовое значение коэффициента усиления G от 5 до 8 дБи. Встраиваемые антенны в мобильных телефонах и планшетах обычно имеют G = 3-5 дБи.
Для сравнения, антенна с высоким коэффициентом усиления типа Yagi-Uda, используемая для любительской радиосвязи в диапазоне 2 м, может иметь G порядка 16-18 дБи. А антенны с наибольшим коэффициентом усиления из всех реально применяемых конструкций - это зеркальные антенны диаметром 30 и 70 м для дециметрового и метрового диапазона соответственно. Их коэффициент усиления достигает 50 дБи и более.
5. Выбор антенны с нужным коэффициентом усиления
При выборе антенны для конкретного применения необходимо учитывать следующие факторы:
- Требуемая дальность связи
- Условия эксплуатации
- Рабочий частотный диапазон
- Необходимость согласования с трактом передатчика или приемника
Рассмотрим их более подробно.
Зависимость от требуемой дальности связи
Чем больше нужная дальность устойчивой связи, тем выше должен быть коэффициент усиления передающей и приемной антенны. Например, для сотовой связи в радиусе нескольких километров достаточно антенны с G = 10-15 дБи. А для спутниковой связи на расстоянии до 40 000 км потребуется антенна с G не менее 40-50 дБи.
Учет условий эксплуатации
Если антенна будет работать в сложных условиях: вибрации, влажность, загрязнения - то следует выбирать ее с запасом по коэффициенту усиления, чтобы компенсировать дополнительные потери.
Влияние частотного диапазона
С уменьшением длины волны (ростом частоты) эффективность большинства антенных конструкций снижается. Поэтому для обеспечения нужного G на частоте тв антенны выше 1 ГГц приходится применять более сложные решения.
Необходимость согласования с трактом
Коэффициент усиления указывает максимально достижимую концентрацию излучения антенны в заданном направлении. Но на практике часть энергии теряется в тракте вследствие рассогласования.
Поэтому нужно выбирать антенну с запасом по G и использовать согласующие устройства, особенно в тракте передающей антенны.
6. Расчет коэффициента усиления
Коэффициент усиления антенны можно рассчитать по следующей формуле:
где:
- G - коэффициент усиления, дБи
- λ - длина волны, м
- D - диаметр раскрыва антенны, м
- η - КПД антенны (0,55-0,7)
Данная формула применима для антенн с круглым раскрывом: параболических, рупорных и др.
Пример расчета
Допустим, имеем параболическую антенну диаметром 2 м, работающую на частоте 14 ГГц (длина волны λ = 21 мм). Требуется определить ее коэффициент усиления G.
Подставляем значения в формулу:
Полученное значение G = 34 дБи говорит о том, что данная антенна относится к классу высоконаправленных с высоким коэффициентом усиления.
7. Измерение коэффициента усиления
Для измерения коэффициента усиления антенн в заводских или лабораторных условиях используют стандартизованные методы.
Стандартные методы измерения
Основные методы измерения G:
- Метод двух антенн
- Метод трех антенн
- Метод замещения
Каждый метод подходит для определенных типов и частотных диапазонов антенн.
Используемые приборы и оборудование
Для измерения коэффициента усиления антенн используются:
- Измерители КСВН и ослабления
- Анализаторы спектра
- Генераторы сигналов высокой частоты
- Поглощающие камеры для высоких мощностей
- Измерительные антенны с известными параметрами
Также необходимо специализированное оборудование: безэховые камеры, позиционеры антенн, контрольно-измерительные площадки для испытаний на открытом воздухе.
Погрешности измерения
При измерении коэффициента усиления антенн возможны следующие основные погрешности:
- Неточность задания фазового центра антенны
- Влияние близких отражающих объектов
- Нестабильность характеристик среды распространения радиоволн
- Погрешности измерительных антенн и приборов
Особенности измерения разных диапазонов
Коэффициент усиления антенн для диапазонов СВЧ и выше измеряют в безэховых камерах или анэхоичных помещениях. Для диапазонов ОВЧ, УКВ, КВ применяют открытые измерительные площадки.
Рекомендации по проведению измерений
Для получения достоверного значения коэффициента усиления при измерениях необходимо:
- Использовать поверенное измерительное оборудование
- Устанавливать антенну на вращающийся позиционер
- Соблюдать требования к измерительной площадке
- Учитывать погрешности на этапе обработки результатов
Это позволит минимизировать ошибки и получить реальное значение коэффициента усиления антенны.
8. Повышение коэффициента усиления антенн на практике
Рассмотрим несколько практических способов увеличения коэффициента усиления существующих антенн.
Выбор оптимальной высоты подвеса
Подвес антенны на определенной высоте позволяет уменьшить влияние ближней зоны и отражений от подстилающей поверхности. Это приводит к увеличению концентрации излучения вблизи горизонтальной плоскости и росту коэффициента усиления на 2-4 дБ.
Использование отражателей
Установка за антенной дополнительных отражающих элементов (рефлекторов, директоров) дает выигрыш в 3-6 дБ. Но требует точного расчета их размеров и положения.
Экранирование источников помех
Металлические экраны вокруг антенны препятствуют попаданию электромагнитного излучения извне в ее диаграмму направленности. Это снижает уровень шума и повышает отношение сигнал/шум на входе приемника, что эквивалентно увеличению коэффициента усиления антенны на 1-3 дБ.
Замена соединительного кабеля
Применение кабеля с меньшим затуханием между передатчиком и антенной позволяет получить выигрыш в коэффициенте усиления до нескольких дБ. Оптимальный вариант - использование волноводного тракта.
Установка усилителя у антенны
Если разместить малошумящий усилитель непосредственно на антенне, можно компенсировать потери в приемном тракте. Это эквивалентно повышению коэффициента усиления приемной антенны на 10-20 дБ без изменения ее конструкции.
