Ширина основного лепестка, азимут, угол места

Антенны

Устройство, преобразующее электрический ток в электромагнитную волну, как это было показано в уроке "Основные характеристики радиоволн", называется антенной. Кроме того, антенны преобразуют энергию электромагнитной волны в электрический ток в режиме приёма радиосигнала. Возможность использования антенны как для передачи, так и для приёма электромагнитных волн называется свойством обратимости.

Основные характеристики

Диаграмма направленности

Основной характеристикой, отражающей особенности антенн, является диаграмма направленности. Под диаграммой направленности понимают зависимость поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. Как правило, диаграмму направленности изображают в полярных системах координат, рассматривая в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Важно понимать, что диаграмма направленности демонстрирует распределение в пространстве энергии, подведённой к антенне. Примеры диаграмм направленности представлены на рисунках 1-3:

 

 

Рисунок 1 - Диаграмма направленности изотропного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в – трёхмерное изображение

 

 

 

Рисунок 2 - Диаграмма направленности всенаправленного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в – трёхмерное изображение

 

Рисунок 3 - Диаграмма направленности направленного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в - трёхмерное изображение

 

Выраженные максимумы диаграммы направленности называют лепестками. На практике сложно реализовать направленные антенны, излучающие только в нужном направлении: как правило, излучение в рамках основного лепестка будет сопровождаться побочным - боковыми и задними лепестками:

Рисунок 4 - Диаграмма направленности с характерно выраженными лепестками излучения

Уровень боковых лепестков

Параметр "уровень боковых лепестков" показывает насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка и рассчитывается по формуле:

Коэффициент защитного действия

Под коэффициентом защитного действия понимают отношение напряжённости поля, излученного антенной в главном направлении, к напряжённости поля, излучённого в противоположном направлении:

Коэффициент усиления

Антенна является пассивным устройством и передаваемый сигнал не усиливает в буквальном смысле, однако, за счёт неоднородной диаграммы направленности, устройство совершает перераспределение энергии. Перераспределение энергии позволяет на передающей стороне увеличить интенсивность излучения, а на приёмной - улучшить чувствительность по некоторым направлениям в пространстве по сравнению с изотропной антенной. Важно помнить, что перераспределение энергии осуществляется не только в направлении основного лепестка, относительно которого рассчитывается коэффициент усиления, но также и в направлении боковых и задних лепестков.

Таким образом, коэффициент усиления характеризует во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны при замене данной антенны на изотропную, чтобы значение плотности потока мощности излучаемой антенной электромагнитной волны в точке наблюдения не изменилось. Коэффициент усиления учитывает потери подводимой энергии через коэффициент полезного действия:

Частотный диапазон

В уроке "Основные характеристики радиоволн" был рассмотрен механизм формирования электромагнитной волны для вибратора. При этом электрический ток, протекающий по вибратору, образовывал стоячую волну, узел которой располагался посередине, а амплитудные значения тока наблюдались на краях вибратора. Таким образом, максимальные значения напряжённости поля будут наблюдаться в случае, если длина вибратора равна половине длины волны колебаний, что свидетельствует о зависимости между длиной волны излучения и габаритами антенны. Согласно свойству обратимости, связь между длиной волны и габаритами также характерна для приёмной антенны.

В общем случае, независимо от конструктивного исполнения антенны, длина волны радиосигнала пропорциональна размерам антенны, что является одной из директив для выбора частотного диапазона при проектировании системы связи. По этой причине, одной из характеристик антенны является рабочий диапазон частот, для которого сохраняются заявленные параметры.

К примеру, широкое распространение беспроводных систем передачи данных в диапазоне 5 ГГц обусловлено небольшими размерами антенны - 6 см и приемлемыми показателями затухания.

Поляризация

Поляризация электромагнитной волны, рассматриваемая в рамках "Основные характеристики радиоволн", определяется конструктивными особенностями и расположением используемой антенны. Важно понимать, что передающая и приёмная антенны должны быть согласованы по поляризации: на рисунке 6 представлены ситуации с согласованием (а) и рассогласованием (б) по поляризации на приёмной и передающей сторонах:

Рисунок 6 - Согласование (а) и рассогласование (б) приёмной и передающей сторон по поляризации

 

Поскольку электромагнитные волны ортогональных поляризаций не оказывают взаимовлияния, то возможно использования двух радиосигналов разных поляризаций в одной полосе частот. Существуют различные сценарии использования данного инструмента: увеличение пропускной способности, организация дуплексного канала связи, организация множественного доступа, повышение надёжности канала связи.

Конструктив антенн

Изотропная антенна

В теории антенн используется модель изотропной антенны, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, представленную на рисунке 1. Создание такой антенны в реальной жизни невозможно.

Всенаправленная антенна

Используемая на практике антенна, наиболее схожая с изотропным излучателем по диаграмме направленности - всенаправленная антенна. Пример диаграммы направленности всенаправленной антенны представлен на рисунке 2, а конструктивное исполнение - на рисунке 7:

Рисунок 7 - Пример всенаправленной антенны

Направленная антенна

В отличии от рассмотренных вариантов антенн, направленные отличаются выраженным главным лепестком и имеют множество конструктивных вариантов исполнения. Пример диаграммы направленности устройства представлен на рисунке 3, конструктивное исполнение - на рисунке 8.

Может показаться, что из-за сложного конструктивного исполнения направленные антенны превосходят по своим показателям всенаправленные, однако выбор антенны напрямую зависит от решаемой задачи. Например, при построении беспроводного канала "точка-точка" следует использовать узконаправленные устройства, при построении многосекторной базовой станции - антенны с определённой шириной главного лепестка, вплоть до всенаправленной при односекторной конфигурации.

Рисунок 8 - Примеры направленных антенн

 

Многообразие конструктивных реализаций направленных антенн обусловлено тем, что направленные антенны шире распространены в беспроводных системах связи, чем всенаправленные. Например, в линейке компании "Инфинет" представлены решения с возможностью подключения внешней антенны и с интегрированной антенной, представляющей микрополосковую антенную решётку:

Рисунок 9 - Устройства компании "Инфинет": а - с интегрированной антенной, б - с возможностью подключения внешней антенны

Единицы измерения

В соответствии с международной системой единиц, мощность измеряется в Ваттах:

При передаче и приёме радиосигналов, как правило, оперирует меньшими величинами, миливаттами:

Для оценки энергетики каналов связи удобно использовать безразмерную величину - децибел, которая пропорциональна десятичному логарифму отношения двух энергетических величин:

Отдельно выделяют величину децибелл-милливатт, в которой измеряемая величина нормируется относительно 1 мВт:

 

Антенны

Устройство, преобразующее электрический ток в электромагнитную волну, как это было показано в уроке "Основные характеристики радиоволн", называется антенной. Кроме того, антенны преобразуют энергию электромагнитной волны в электрический ток в режиме приёма радиосигнала. Возможность использования антенны как для передачи, так и для приёма электромагнитных волн называется свойством обратимости.

Основные характеристики

Диаграмма направленности

Основной характеристикой, отражающей особенности антенн, является диаграмма направленности. Под диаграммой направленности понимают зависимость поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. Как правило, диаграмму направленности изображают в полярных системах координат, рассматривая в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Важно понимать, что диаграмма направленности демонстрирует распределение в пространстве энергии, подведённой к антенне. Примеры диаграмм направленности представлены на рисунках 1-3:

 

 

Рисунок 1 - Диаграмма направленности изотропного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в – трёхмерное изображение

 

 

 

Рисунок 2 - Диаграмма направленности всенаправленного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в – трёхмерное изображение

 

Рисунок 3 - Диаграмма направленности направленного излучателя: а - вертикальная плоскость, б - горизонтальная плоскость, в - трёхмерное изображение

 

Выраженные максимумы диаграммы направленности называют лепестками. На практике сложно реализовать направленные антенны, излучающие только в нужном направлении: как правило, излучение в рамках основного лепестка будет сопровождаться побочным - боковыми и задними лепестками:

Рисунок 4 - Диаграмма направленности с характерно выраженными лепестками излучения

Ширина основного лепестка, азимут, угол места

Под шириной луча понимают угловой сектор, внутри основного лепестка диаграммы направленности антенны, в пределах которого излучается наибольшая часть энергии сигнала. Величина измеряется по уровню половинной мощности, что соответствует снижению уровня напряжённости на 3 дБ.

Эффективная эксплуатация беспроводных систем связи достигается при выполнении условия качественной юстировки - сонаправленности основных лепестков антенн приёмника и передатчика. Для достижения этого условия, в процессе предварительного планирования и монтажа используют следующие параметры:

· азимут - угол, образуемый направлением антенны и направлением на север в горизонтальной плоскости;

· угол места - наклон антенны относительно горизонта в вертикальной плоскости.

Рисунок 5 - Иллюстрация понятий угла места и азимута

Уровень боковых лепестков

Параметр "уровень боковых лепестков" показывает насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка и рассчитывается по формуле: