Оригінал: https://drones.stackexchange.com/questions/835/what-is-antenna-gain
 | Нижче вичитаний людьми машинний український переклад оригіналу. Для VictoryDrones переклад вичитали: Faina, Samsonovych. |
|---|
Що таке коефіцієнт підсилення антени?
1 квітня 2021 Зміст
Коефіцієнт підсилення як загальний термін – це вимір інтенсивності чогось (напруга, радіохвиля, звукова хвиля, тощо) відносно базового значення вимірюваної категорії. Коефіцієнт підсилення – це співвідношення: якщо пристрій приймає напругу на одному кінці і робить її в 20 разів більшою, він має коефіцієнт підсилення 20. На практиці вони представлені за допомогою децибел – вимірювальна одиниця, якa дозволяє легко працювати з дуже великими або дуже малими співвідношеннями. Перегляньте примітку в кінці цієї статті, щоб дізнатися більше.
Отже, коефіцієнт підсилення антени – це співвідношення між потужністю радіохвиль, які генерує антена, порівняно з потужністю, які генерує стандартна «еталонна антена», коли подається той самий сигнал. Вважається, що ця еталонна антена, яка використовується як базова точка відліку, має коефіцієнт підсилення 0 дБ або 1:1 (дорівнює самій собі).
Еталонна антена зазвичай буває одного з двох типів: ідеальна ізотропна антена, яка випромінює однаково в усіх напрямках з нульовими втратами, або дипольна антена. Щоб показати, яка з них використовується як базова, у кінці додається літера:
дБi – підсилення відносно ізотропної антени і дБд – підсилення відносно дипольної антени.
Сам диполь має коефіцієнт підсилення 2,15 дБi (і 0 дБд). Таким чином, щоб перетворити коефіцієнт підсилення в дБi в коефіцієнт підсилення дБд, відніміть 2,15 або додаєте 2,15, щоб конвертувати назад.
Симетрія
Кожна антена приймає в той самий спосіб щo і передає, тому коефіцієнт підсилення прийому антени (потужність електричного сигналу, створеному у ній радіохвилею, відносно потужності електричного сигналу вибраної еталонної антени) завжди такий самий, як коефіцієнт підсилення передачі.
Антена з підсиленням 3 дБ (3дБ - це підсилення приблизно у 2 рази) в певному напрямку передаватиме 2 рази більші за еталонну потужність, але також радіохвилі, що надходять від цього напрямку створять у 2 рази потужніші сигнали для виявлення підключеним приймачем. [прим. пер.: якщо антена підсилює на передачу, то вона підсилює також і на прийом]
Якщо підсилення антени становить 13 дБд (співвідношення 20:1), її сигнал буде в 20 разів сильнішим, ніж у диполя (і її прийом також буде в 20 разів сильнішим)! Чудово, правда?
Але є застереження щодо високого підсилення, і воно в основному таке: “Безкоштовного обіду не буває”.
Підсилення та спрямованість
Справжні ізотропні антени не існують у реальному світі, тобто жодна справжня антена не випромінює однаково сильно в усіх напрямках. Є напрямки, в яких вoнa випромінює найсильніше, а в інших – не випромінює взагалі. Тож, підсилення справжньої антени також не однакове в усіх напрямках: в деяких воно сильніше, в деяких слабше. Найпростіший спосіб показати це – графікoм коефіцієнтів підсилення антени в усіх напрямках навколо антени. Цей графік називається діаграма спрямованості і виглядає так:
Жирна лінія позначає коефіцієнт підсилення: чим далі від центру, тим більше коефіцієнт підсилення. Вище наведено діаграму випромінювання в спрямованiй антенi: підсилення в одному напрямку набагато більше, ніж в інших напрямках.
Отже, коли ми говоримо про коефіцієнт підсилення антени, ми насправді маємо на увазі її коефіцієнт підсилення в певному напрямку. І цей напрямок зазвичай є тим, у якому коефіцієнт підсилення антени є найсильнішим.
Крім того, антена не може видавати більше ніж ви подаєте на неї. Сума всієї вихідної потужності в усіх напрямках, завжди дорівнює потужності, яку подали на антену (мінус невеликий відсоток втрат). Антени створюють підсилення, випромінюючи цю потужність так, що створені хвилі складаються в бажаному напрямку та гасяться в інших напрямках.
Отже, якщо антена має вищий за базовий (позитивний) коефіцієнт підсилення в якомусь напрямку, ви платите за це, маючи негативний коефіцієнт підсилення в інших напрямках. Підсилення лише фокусує потужність, а не створює її.
Для нашої уявної антени 13 дБд це означає, що лише невеликий сектор отримує такий значний коефіцієт підсилення, а всі інші напрямки матимуть майже нульову випромінювану потужність, щоб компенсувати це.
Таким чином, підсилення – це не тільки вимірювання того, наскільки добре антена приймає чи передає, це також вимірювання спрямованості антени. Якщо антена зосереджує всю свою потужність у тісному конусі, вона матиме величезний коефіцієнт підсилення в цьому конусі та величезний коефіцієнт підсилення на коробці... Але її підсилення за межами цього конуса майже не існуватиме. Отже, коли ви вибираєте спрямовану антену, коефіцієнт підсилення також є показником наскільки вона спрямована, ось в чому справа. Патч-антени ["патчі"] з низьким коефіцієнтом підсилення створять широкий конус, але з низьким коефіцієнтом підсилення, тоді як спрямовані антени з високим коефіцієнтом підсилення матимуть дуже вузьку зону, у якій вони можуть взагалі передавати чи приймати, але в ній вони будуть надпотужними.
Всеспрямовані антени (які, як ви тепер знаєте, ніколи не бувають по-справжньому всeспрямованими) мають діаграму спрямованості, яка більш-менш має форму пончика:
Вони мають однакове (і позитивне) підсилення в будь-якому напрямку перпендикулярному до антени, яке стає нижчим, коли напрямок наближається до осі антени. Ці антени також мають власний вид спрямованості: якщо ви встановлюєте антену вертикально, в «горизонтальний» площині коефіцієнт підсилення буде однаковим у будь-якому напрямку, але він може бути вищим або нижчим відносно «більш вертикальних» напрямків, роблячи бублик пласкішим. Іншими словами, антена може надавати перевагу горизонтальному підсиленню порівняно з вертикальним.
Примітка про децибели
У багатьох галузях техніки коефіцієнти можуть легко стати надзвичайно великими або надзвичайно мізерними та мають тенденцію до значного збільшення. Радіо є одним з таких випадків. На вході приймача сигнали часто менше однієї десяти мільярдної частки вата. Коли вони виходять із передавача, їх часто вимірюють у кіловатах! Антени, розповсюдження та електронні схеми змінюють силу сигналу на багато порядків величини [прим. пер.: на багато порядків - це в мільйони, мільярди разів, багато нулів].
Щоб впоратися з цією величезною різницею у значеннях, інженери вимірюють співвідношення у децибелах, або дБ. Це вимірювання співвідношення двох величин виражене десятичним логарифмом. Формула обчислення децибел така:
[прим. пер.: log10 числа х -- це "скільки разів треба помножити 10 саме на себе, щоб отримать число х". Якщо x=1000 (співвідношення потужностей - 1000 разів), то log101000 = 3, бо 10 треба помножити саме на себе 3 рази: 10*10*10 = 1000. І щоб отримати децибели, дБ = 10×log10*, помножимо 3* × 10 = 30 дБ].
Децибел –це логарифмічнa одиниця, що означає коли два співвідношення множаться, їхнi репрезентації в дБ просто додаються:
10 децибел представляють співвідношення 10:1;
20 дБ –це 10x10, відповідає співвідношенню 100:1,
а 30 дБ – це 10x10x10, відповідає співвідношенню 1000:1
Позитивні значення дБ означають, що співвідношення більше 1, а негативні значення дБ вказують на співвідношення менше 1: -10 дБ представляє співвідношення 1/10, а 40 дБ — 1/10000.
Ось коротка шпаргалка дБ до фактичного співвідношення для чисел, менших за 10:
- 1 дБ відповідає приблизно 1,25:1
- 3 дБ майже точно 2:1 (це найважливіше пам'ятати) [прим. пер.: xто забуде, то в інтернеті є калькулятор]
- 7 дБ ~= 5:1
- 10 дБ це 10:1 (точно)
Для всього іншого ви просто складаєте числа, які вам відомі: - 6 дБ (=3 дБ + 3 дБ) це ~ 4 (= 2 * 2): 1, а 9 дБ це ~ 8: 1
- 13 дБ дорівнює 10 дБ + 3 дБ, тому 10*2=20:1.
- 46 дБ дорівнює 40 дБ + 6 дБ = 10^4 * 4 = 40000:1
- 15 дБ - це 10 дБ + 5 дБ; а 5 дБ – це десь між 3 дБ і 6 дБ (2 і 4), тому, ймовірно, це щось на три точки. Таким чином, ми припускаємо, що 15 дБ знаходиться десь у діапазоні 30-35 до 1.5
___________________________________
Коефіцієнт підсилення нижче 1 означає, що продуктивність гірша, ніж еталонний рівень, але це може мати переваги, наприклад антена менша (що в контексті дронів означає, що вона важить менше та коротша, тому її легше розташувати та тримати пропелери подалі від неї!
__________________________________
Аналогія з ліхтариком – лампочка всеспрямована, але вам потрібне світло, щоб йти вперед, тому у вас є блискучий відбивач за лампочкою, щоб забезпечити максимальну яскравість («підсилення») в одному напрямку.