Усиление и направленность являются двумя ключевыми факторами для антенн, которые связаны друг с другом и часто отображаются на полярной диаграмме или диаграмме излучения.
Радиоантенны или антенны не излучают одинаково во всех направлениях — любая реальная конструкция радиоантенны будет излучать больше в одних направлениях, чем в других. Фактическая картина излучения антенны зависит от типа конструкции антенны, ее размера, окружающей среды и многих других факторов, и ее часто изображают на полярной диаграмме или диаграмме излучения.
Эта диаграмма направленности или диаграмма направленности может использоваться для обеспечения того, чтобы излучаемая мощность была сфокусирована в желаемых направлениях, или для приемника максимальная чувствительность была в желаемом направлении. Какими бы ни были приложения: радиосвязь, радиовещание, радар, мобильная связь и т. д., диаграмма направленности с ее полярной диаграммой важна для обеспечения требуемой работы всей системы.
Полярные диаграммы
Нормально ссылаться на диаграммы направленности и усиление с точки зрения передаваемого сигнала. Часто легче визуализировать радиоантенну с точки зрения ее излучаемой мощности, однако антенна работает точно так же для приема. Цифры усиления, полярные диаграммы и все аспекты производительности идентичны как для передачи, так и для приема. Чтобы визуализировать способ излучения радиоантенны, используется диаграмма, известная как полярная диаграмма. Обычно это двухмерный график вокруг антенны, показывающий интенсивность излучения в каждой точке для конкретной плоскости. Хотя диаграмма направленности антенны различается в трех измерениях, обычно график делается в определенной плоскости, обычно либо горизонтальной, либо вертикальной, поскольку именно эти две плоскости используются чаще всего. Это упрощает как измерения, так и представление результатов. Пример простой диаграммы направленности антенны Yagi показан ниже.
Обычно шкала на полярной диаграмме логарифмическая, чтобы различия можно было удобно увидеть на графике.
Основы направленности антенны
Конструкции радиоантенн часто классифицируют по типу полярной диаграммы, которую они демонстрируют. Например, всенаправленная антенна излучает одинаково (или примерно одинаково) во всех направлениях в интересующей плоскости. Конструкция антенны, которая излучает одинаково во всех направлениях во всех плоскостях, называется изотропной антенной. Как уже упоминалось, в действительности невозможно произвести один из них, но он полезен в качестве теоретического эталона для некоторых измерений.
Другие РЧ-антенны имеют остронаправленные диаграммы направленности, и их можно использовать в ряде приложений. Антенна Яги является примером направленной антенны и, возможно, наиболее широко используется для телевизионного приема. Эти антенны имеют главный луч в одном направлении и ряд лепестков в других направлениях. Соответственно, эти антенны часто называют «лучевыми». Одной из основных целей конструкции этих антенн является обеспечение того, чтобы максимальное количество энергии было сфокусировано в основном луче, а боковые лепестки были сведены к минимуму.
Ширина луча радиоантенны
Есть ряд ключевых особенностей, которые можно увидеть на полярной диаграмме антенны. Одна из первых вещей, которую можно увидеть на полярных диаграммах многих антенн, и, в частности, лучевой антенны, это наличие основного лепестка или лепестка и ряда второстепенных лепестков. Часто бывает полезно определить ширину луча радиочастотной антенны. Это очень полезно при рассмотрении направленных или лучевых антенн, таких как Yagi, поскольку целью антенны является фокусировка передаваемой энергии в одном направлении.
Зная ширину луча, можно получить представление о точности, с которой антенна должна быть сориентирована при ее выравнивании или повороте в сторону другой станции на линии связи. Ширина луча антенны принимается за угол между двумя точками, в которых мощность падает до половины своего максимального уровня, т. е. -3 дБ. В результате этот параметр часто называют шириной луча половинной мощности.
Усиление радиоантенны
Радиоантенна излучает заданную мощность. Это мощность, рассеиваемая на сопротивлении излучения радиоантенны. Изотропный радиатор будет распределять его равномерно во всех направлениях. Для антенны с диаграммой направленности будет излучаться меньшая мощность в одних направлениях и больше в других. Тот факт, что в заданных направлениях излучается больше мощности, означает, что можно считать, что это дает усиление. Коэффициент усиления можно определить как отношение сигнала, передаваемого в «максимальном» направлении, к сигналу стандартной или эталонной антенны. Иногда это можно назвать «успехом вперед».
Полученное значение обычно выражается в децибелах (дБ). Теоретически стандартная антенна может быть любой, но обычно используются два типа. Наиболее распространенным типом является простой диполь, поскольку он легко доступен и является основой многих других типов антенн. В этом случае усиление часто выражается в дБд, т. е. усиление, выраженное в децибелах над диполем.
Однако диполь не излучает одинаково во всех направлениях во всех плоскостях, поэтому иногда используется изотропный источник. Это воображаемый тип антенны, излучающей одинаково во всех направлениях. Когда изотропный излучатель используется в качестве сравнительной антенны для определения усиления, цифры указываются в дБи, т. е. усиление в децибелах по сравнению с изотропным источником. Основной недостаток использования изотропного источника (антенны дБи) в качестве эталона заключается в том, что это только воображаемый тип антенны. Его невозможно реализовать на практике, поэтому цифры, использующие его, могут быть только теоретическими.
Однако можно связать два усиления, поскольку диполь имеет усиление 2,1 дБ по сравнению с изотропным источником, т.е. 2,1 дБи. Другими словами, показатели, выраженные как усиление по изотропному источнику, будут на 2,1 дБ выше, чем по отношению к диполю. При выборе антенны и просмотре характеристик усиления обязательно проверьте, относится ли усиление к диполю или изотропному источнику, т. е. значение дБи антенны соответствует значению дБд антенны. Цифры, указанные в дБи, будут на 2,1 дБ лучше, чем указанные в дБд.
Соотношение передней и задней антенны
Помимо прямого усиления антенны, другим важным параметром является отношение фронта к тылу. Это выражается в децибелах и, как следует из названия, представляет собой отношение максимального сигнала в прямом направлении к сигналу в противоположном направлении.
Эта цифра обычно выражается в децибелах. Обнаружено, что конструкцию антенны можно отрегулировать так, чтобы обеспечить либо максимальное усиление вперед, либо оптимальное соотношение между фронтом и задним ходом, поскольку эти два значения обычно не совпадают в точности. Для большинства операций в диапазоне ОВЧ и УВЧ конструкция обычно оптимизирована для оптимального усиления в прямом направлении, поскольку это дает максимальный излучаемый сигнал в требуемом направлении.
F = мощность в прямом направлении
B = мощность в обратном направлении
Баланс усиления/ширины луча радиоантенны
Есть несколько параметров, которые необходимо сбалансировать при настройке конструкции антенны. Может показаться, что поиск высокого усиления в прямом направлении является основным требованием, но стоит помнить, что по мере увеличения усиления в прямом направлении ширина луча сужается.
Антенны с очень узкой шириной луча требуют точной настройки, и они также должны иметь возможность поддерживать свою настройку и не сдуваться ветром и т. д. Дополнительным фактором, о котором следует помнить, является то, что, поскольку конструкции направленных антенн имеют много взаимодействующих элементов, максимальное усиление в прямом направлении может не соответствовать другим параметрам, таким как максимальное соотношение между передним и задним направлением. При разработке антенны необходимо убедиться, что конструкция соответствует фактическим эксплуатационным требованиям, а не просто теоретической спецификации.
Усиление, направленность и полярные диаграммы являются ключевыми аспектами любой радиоантенны, независимо от того, используется ли она для приема домашнего вещания, передачи вещания, радиосвязи, мобильной связи, радара или чего-либо еще. Понимание спецификаций, полярных диаграмм и балансировки, которые необходимо выполнить, помогает при выборе антенны для любой конкретной ситуации.