Как измерить коэффициент усиления антенны
Измерение коэффициента усиления
Применение направленных эталонных антенн с известным коэффициентом усиления вместо полуволнового вибратора целесообразно в тех случаях, когда
испытуемая антенна является остронаправленной с коэффициентом усиления относительно полуволнового вибратора более 14… 16 дБ. Это позволит увеличить точность определения коэффициента усиления. В дециметровом диапазоне волн, например, в качестве эталонной антенны иногда используется рупорная антенна с прямоугольным раскрывом, коэффициент усиления которой может быть с достаточной точностью рассчитан исходя из размеров раскрыва рупора.
Экспериментальное определение коэффициента усиления антенн метровых и дециметровых волн является одним из наиболее сложных видов антенных измерений. Это связано прежде всего с тем что в место установки испытуемой и эталонной антенн приходит не только основная’ волна от вспомогательной передающей антенны, но и волны, отраженные от земли. Диаграммы направленности испытуемой и эталонной антенн в вертикальной плоскости, как правило, различны, поэтому различна и «чувствительность» этих антенн к отраженным волнам, в результате чего нарушается действительное соотношение между уровнями сигналов на выходах антенн и возникает ошибка в значении коэффициента усиления.
Интерференция прямой и отраженных волн на испытательной площадке приводит к высотному распределению поля в области расположения испытуемой антенны. Степень неравномерности этого распределения позволяет судить об уровне отраженных от земли волн. По имеющимся данным влиянием отраженных волн при измерении коэффициента усиления можно практически пренебречь, если в области расположения испытуемой антенны неравномерность высотного распределения поля не^ превышает 1 дБ.
Существует несколько различных способов снижения уровня отраженных волн.
Применение остронаправленной вспомогательной передающей антенны с диаграммой направленности, сжатой в вертикальной плоскости (рис. 65). Антенна выполняется в виде решетки из нескольких синфазных антенных полотен, разнесенных в вертикальной плоскости. Эти антенны по схемам и конструкциям аналогичны остронаправленным синфазным антеннам, применяемым в сложных условиях приема и описанным в гл. 7.
Такой способ снижения уровня отраженных волн на испытательной площадке весьма эффективен, однако он требует изготовления сложной по конструкции вспомогательной передающей антенны и некоторого увеличения расстояния между испытуемой и вспомогательной антеннами (до 35… 40 м).
Подбор высоты установки вспомогательной передающей антенны (рис. 66). Высота установки hi выбирается так, чтобы направление отраженного от земли луча, пришедшего в точку установки испытуемой антенны А2, исходил из области первого «нуля» вертикальной диаграммы направленности вспомогательной передающей антенны А1. В случае вертикально-поляризованной типа «волновой канал» угол в вертикальной плоскости между максимумом диаграммы и первым «нулем» составляет: для трехэлементйой антенны — около 40°, для пятиэлементной — около 30°, для семиэлементной — около 25°. Более точно направления нулей диаграммы можно определить, измерив характеристику направленности в соответствующей плоскости. У горизонтально-поляризованной вспомогательной передающей антенны нулевое направление в вертикальной плоскости отсутствует и появляется только в случае построения этой антенны из двух или нескольких вертикально разнесенных антенн. Для двухэтажной вспомогательной передающей антенны угол в вертикальной плоскости между максимумом диаграммы и перзым нулем определяется соотношением (см. рис. 66).
где λ — длина волны; d — разнос между этажами по вертикали.
Рассеяние отраженных волн. Японскими стандартами рекомендуется методы уменьшения уровня отраженной волны на испытательных площадках благодаря ее рассеянию на клиновидных препятствиях. Один из вариантов показан на рис. 67. Вспомогательная передающая и испытуемая антенны устанавливаются на двух рядом стоящих металлических сооружениях. Отраженная волна дважды рассеивается на клиновидных препятствиях, и амплитуда ее в месте установки испытуемой антенны существенно уменьшается.
Неравномерность высотного распределения поля в месте установки испытуемой антенны может быть определена с помощью подключенного к приемнику полуволнового вибратора с изменяемой высотой установки как разность между максимальным и минимальным значениями поля, измеренными выше и ниже геометрического центра испытуемой антенны. Если неравномерность не превышает 1 … 1,5 дБ, то измерение коэффициента усиления может быть произведено следующим образом.
1. Собрать схему рис. 68, а, для чего закрепить на трубостойке вспомогательную передающую антенну А1 соответствующего канала или диапазона и подключить ее к генератору сигналов Г, установить на подъемно-поворотном устройстве испытуемую антенну А2, подключить ее к приемнику П со стрелочным индикатором. В качестве генератора сигналов может быть использован любой генератор промышленного производства соответствующего диапазона частот.
2. Произвести ориентирование антенн А1 и А2 таким образом, чтобы максимумы их диаграмм направленности были направлены друг на друга.
3. Повернуть антенну А2 на угол 20… 30° влево и вправо от исходного положения, уточнить направление максимума диаграммы, записать уровень сигнала Ui.
4. Собрать схему рис. 68, б, для чего заменить антенну А2 эталонной антенной ЭА, установив ее в месте, соответствующем геометрическому центру антенны А2.
5. Повернуть антенну ЭА так, чтобы максимум ее’ диаграммы был направлен на антенну А1, записать уровень сигнала 1Т2.
6. Определить коэффициент усиления по напряжению («по полю»):
а) при использовании в качестве эталонной антенны полуволнового вибратора
б) при использовании в качестве эталонной антенны направленной антенны с коэффициентом усиления Кэ относительно полуволнового вибратора
7. Коэффициент усиления, дБ,
Рекомендуемые размеры полуволновых петлевых вибраторов, используемых в качестве эталонных антенн, приведены на рис. 26—29, кабель снижения подключается через полуволновое U-колено в соответствии с рис. 32, а. Марка и длина кабелей снижения испытуемой и эталонной антенн должны быть одинаковыми.
Когда неравномерность высотного распределения поля в месте установки испытуемой антенны превышает 1 … 1,5 дБ, следует применять метод усреднения поля по высоте, Этот метод требует плавного изменения высоты установки испытуемой и эталонной антенн в процессе измерений, в связи с чем усложняется конструкция приемного оборудования. Для изменения высоты установки антенн может быть применена телескопическая (раздвижная) мачта. После установки и подключения испытуемой и вспомогательной передающей антенн производится их взаимное ориентирование, а затем, поднимая и опуская испытуемую антенну относительно ее среднего положения, записывают соседние по высоте максимальное и минимальное значения сигнала Ui макс и Ui мин и определяют его среднее значение
Ui ср— (Ui макс + Ui мин)/2.
Далее заменяют испытуемую антенну эталонной, устанавливают ее в точку* соответствующую геометрическому центру испытуемой антенны, после чего, поднимая и опуская эталонную антенну, записывают соседние по высоте максимальное ии минимальное значения сигналов U2 макс и U2 мин и определяют его среднее значение
U2 СР= (U2 макс + U2 мин )/2Коэффициент усиления по напряжению («по полю») определяется по тем же формулам, что и ранее, с заменой Ui на Ui Ср и U2 на U2 ср. Отметим, что чем больше неравномерность высотного распределения поля, тем больше ошибка & определении коэффициента усиления.
Источник: Капчинский JI. М., Конструирование и изготовление телевизионных антенн.— 2-е изд., стереотип.— М.: Радио и связь, 1995.— 00 с.: ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1216).
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? |
Вычислим коэффициент усиления:
По определению коэффициента усиления антенны:
мВт
мВтКопирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на 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 θ0,5. 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 θ0,5 = 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 (Еср 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 (Еоэ 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 Dэ=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.
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.