Усиление антенны: Что такое усиление антенны простыми словами -Статьи -Статьи, обзоры, тесты

Коэффициент усиления антенны | TP-Link Россия

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

 На что стоит обратить внимание: Есть второе обозначение, которое характеризует коэффициент усиления антенны, но используется для того, чтобы просто придать характеристикам антенны более высокие цифры, чем есть на самом деле. Это обозначение – дБи, оно характеризует коэффициент усиления антенны относительно воображаемого изотропного излучателя – антенны, которая равномерно излучает сферические волны, распространяемые по всем направлениям. Это увеличивает коэффициент усиления антенны на 2,14 дБ, что является коэффициентом усиления антенны диполь относительно изотропного излучателя. Но это еще не начало . Об этом более подробно рассказывается в разделе

«Как обмануть коэффициент усиления антенны»

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.

Коэффициент обратного излучения антенны: Активный вибратор большинства антенн с направленным излучением – антенна диполь с диаграммой направленности в виде классического «пончика», который перпендикулярен ее оси. Задача, как было описано ранее, заключается в том, чтобы этот «пончик» преобразовать в узкий луч по направлению от антенны. Рефлектор чаще всего представляет собой обыкновенный один или несколько стержней. Даже в случае, если рефлектор — это пучок стрежней, то он не будет отражать всю энергию, т.к. она будет проходить через щели! Часть энергии будет направлена назад (или, в случае приема, будет обходить рефлектор и перехватываться антенной диполь). Запомните, в свободном пространстве антенна диполь чувствительна как по своему направлению, так и сзади, диаграмма ее направленности естественно стремиться по свое форме к «пончику».

 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.

Это напрямую влияет на выбор антенны для конкретных целей. Выбор правильной антенны описан в разделе  «Выбор правильной антенны» . .

Что обозначает усиление антенны 20 Дб?

На этот вопрос сегодня отвечает наш эксперт Станислав Боуш.

 

Пример: если первый усилитель (блок 1) усиливает сигнал в 2 раза, а второй еще в 4 раза (блок 2) , то общее усиление Ку

.

Ку=К1*К2=2*4=8

.

Децибелы выдуманы, чтобы заменить умножение сложением. Разы заменяются логарифмами.

Общая формула усиления по мощности для первого блока выглядит так:

.

К1дб=10*lg(Рвых/Рвх)=10*lg(2)=3 дб,

.

Для первого блока мы заменили 2 раза на 3 децибела;

Формула усиления по мощности для второго блока:

.

К2дб=10*lg(Рвых/Рвх)= 10*lg(4)=6,

.

Мы заменили усиление в 4 раза на 6 децибел для второго блока.

А вот суммарное усиление получается операцией сложения;

.

Кудб= К1удб + К2удб =3+6=9 дб

.

То есть усиление в 8 раз и усиление в 9дб это одно и то же.

Итак, что же означает усиление антенны 20 Дб? Можно воспользоваться таблицей, чтобы это узнать:

 

.

 

20 Дб — это сто раз.

.

Пример, если одна антенна имеет Ку=20 дБ, вторая имеет Ку=17 дБ, то первая антенна мощнее второй в два раза ( правильнее конечно говорить, что «коэффициент усиления больше на 3Дб», или же что «усиление больше в 2 раза»). 3Дб — это очень много. А если вы видите на антенне 40Дб — то это просто обман в случае цифровых эфирных антенн для приема 20 каналов бесплатного ТВ. Разумный максимум 27-30Дб, те не более 1000 раз. И то это для сверхдальнего приема на 80-100 км, для приема на 30-40 км больше 23-25 дб категорически не нужно!

Большее усиление только приведёт к перегрузке усилителя или входного каскада тюнера.

 

 

А еще очень удобно пользоваться децибелами для подсчета ослабления сигнала, например в кабеле.

Например, если на 1 метр кабеля ослабление сигнала 0,3 Дб, то на двух метрах это 0,3+0,3=0,6 Дб,

на трех — 0,9, а на 10 метрах ослабление 10*0,3=3Дб, а 3Дб это ослабление в 2 раза.

 

Теперь Рекомендации:

До 25-30 км Комнатная активная антенна Триада-3320;

До 40 км наружная активная антенна Триада-3350;

До 60 км наружная активная антенна Триада-3360;

Ну а если расстояние совсем большое — Триада-3380 (до 80 км, устанавливать на мачту 8-10 метров)

 

Но по моему опыту, в 50 % случаев сломавшуюся наружную антенну можно заменить на Комнатную активную антенну Триада-3320!

 

А какое расстояние до ближайшего ТВ ретранслятора и Куда направить антенну для приема цифрового ТВ Вы узнаете, перейдя по ЭТОЙ ССЫЛКЕ

 

Но по моему опыту, в 50 % случаев сломавшуюся наружную антенну можно заменить на 

Комнатную активную антенну Триада-3320!

Вот, собственно и все! С вами был канал antenna.ru и я, эксперт Станислав Боуш! Подписывайтесь, лайкайте, мы работаем для Вас!

 

 

Как коэффициент усиления антенны влияет на радиус приема FPV

Коэффициент усиления антенны и диаграмма направленности излучения связаны между собой и, по сути, показывают максимально достижимый радиус уверенного приема. В этой статье мы рассмотрим, как именно коэффициент усиления влияет на расстояние уверенного приема сигнала, разберем все достоинства и недостатки антенн с большим коэффициентом усиления.

Оригинал: How Antenna Gain affects Range in FPV

Есть 2 простых способа увеличения радиуса приема FPV сигнала: увеличить мощность видео передатчика или использовать направленную антенну с большим коэффициентом усиления.

Хоббийщикам не следует слепо увеличивать мощность видео передатчика для увеличения радиуса, просто потому что: первое, он будет тяжелее; второе — он, возможно, будет незаконным; и, третье, он будет потреблять больше энергии и сильнее греться. Так что остается только один вариант — использование антенн с высоким коэффициентом усиления.

Что такое коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны измеряется в децибелах (дБ, dB). 10*log(Pout/Pin). Подробнее на википедии.

Как правило производители антенн указывают их коэффициент усиления. Это значение дает нам кое-какую информацию про изменение диаграммы направленности. Однако, как правило, значение указывается у направленных антенн, и неизвестно у ненаправленных.

Каждые 3 дБ увеличивают радиус уверенного приема сигнала в два раза. Однако увеличение радиуса происходит из-за фокусировки в одном направлении, т.е. антенна становится все более направленной, угол основного лепестка уменьшается.

Очень похоже на шарик. Его объем — это мощность передатчика (или общая площадь покрытия сигналом), это значение не меняется, оно постоянно, но антенна с другим коэффициентом усиления и с другой диаграммой направленности может изменить форму этого шарика. Чем сильнее вы его растягиваете, тем более вытянутым он будет.

water_balloon-fpv-antenna-gain-theory-analogy

Другой пример — лампочка и фонарик. Где лампочка — это аналог ненаправленной антенны, а фонарик — направленной.

fpv-antenna-light-bulb-torch-flash-light-analogy

Несмотря на то, что с увеличением коэффициента усиления антенны, излучение становится все более направленным, а расстояние приема увеличивается; общее правило остается тем же — использовать диверсити приемник с 2 антеннами, работающими одновременно. Этот способ позволяет увеличить радиус приема, и дает большой угол на малых дистанциях.

Диаграмма направленности

У всех антенн своя диаграмма направленности, и сейчас вы хорошо увидите влияние коэффициента усиления.

Диаграмма направленности гипотетической, идеальной антенны с усилением 0 дБ. Это практически идеальная сфера.

antenna-gain-0db

А это стандартная ненаправленная штыревая антенна с коэффициентом усиления 3 дБ. Обратите внимание на значительную потерю в вертикальной плоскости сверху и снизу (именно поэтому при пролете над собой связь часто прерывается, прим. перев). Подобная диаграмма направленности у всех ненаправленных антенн.

antenna-gain-3db

Если изобразить эту диаграмму направленности в 3D, то получится пончик.

pagoda-antenna-fpv-radiation-pattern-3d

Вот пачт, направленная антенна с коэффициентом усиления 8 дБ. Как видите, сигнал сфокусирован в одном направлении (справа, в вертикальной плоскости), собственно, чего и следовало ждать от направленной антенны.

antenna-gain-8db

Заключение

Использование антенн с высоким коэффициентом усиления не может волшебным образом добавить мощности в вашу FPV систему, просто происходит фокусировка сигнала в определенном направлении, так что дистанция уверенного приема увеличивается только в одном, нужном направлении. Важно помнить, что увеличение расстояния и коэффициента усиления приводит к уменьшению угла приема.

При выборе антенны для мини коптера лучше выбирать ненаправленные антенны с небольшим коэффициентом усиления, т.к. на коптере вы будете летать около себя.

В диверсити системах обычно используют пару антенн — ненаправленная антенна + направленная антенна. Направленная антенна позволит вам отлететь подальше в одном направлении, а ненаправленная антенна даст возможность летать на коптере вокруг себя, без потери сигнала.

История изменений

  • Октябрь 2013 — написана первая версия статьи
  • Май 2017 — обновление статьи

Теория радиоволн: антенны / Хабр

image

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.


Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

image

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

image

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

image

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

image

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

image

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

image

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

image

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

image

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

image

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

image

image

Антенна волновой канал

image
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

image

Рамочная антенна

image

Направленность — двулепестковая

image

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

image

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

image

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

image

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

image

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

image
image

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

PS:

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.
Коэффициент усиления антенны — это… Что такое Коэффициент усиления антенны?

Коэффициент усиления (КУ) антенны — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности[1].

КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).

КУ антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

Обычно оперируют значением КУ G0 в направлении максимального излучения антенны. При этом КУ становится мерой эффективности антенны как способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче с учетом потерь энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны. Таким образом, КУ однозначно связан с коэффициентом направленного действия (КНД) D и КПД η антенны: G = D · η. При определении КПД потери на отражение из-за рассогласования входного импеданса антенны с импедансом источника возбуждения обычно не учитываются, либо это специально оговаривается (КУ с учетом потерь на отражение).

Значение КУ, выраженное в дБ, в направлении максимума излучения может составлять от нуля до миллионов. КУ меньше единицы характерен для антенн с низким КПД: электрически малых антенн (укороченные, малогабаритные антенны) и антенн с искусственно введенными поглощающими элементами (антенны для работы в широкой и сверхширокой полосе радиочастот; антенны, располагающиеся на предельно малой высоте от грунта и др.).

Малое значение КУ не обязательно означает, что антенна обладает низким значением КНД (то есть обладает слабо выраженными направленными свойствами). И, наоборот, антенна с высоким КНД может «плохо излучать» радиоволны. Характерный пример — приемная антенна Бевереджа, обладающая типичными значениями КУ −30 дБи и КНД +15 дБи.

Примечания

  1. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения

См. также

  • Коэффициент направленного действия
  • КПД антенны
  • Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. Учеб. для радиотехнических специальностей вузов. — М.: Высш. шк., 1988. — 432 с.
  • А. Ф. Фрадин, Е. В. Рыжков. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. — М.: Связьиздат, 1962. — 316 с.

Выбор антенны для эфирной цифры. Часть 2

Два лидера

«Волновой канал»

Переход на цифру немного расширил разнообразие применяемых антенных конструкций, но лидерами все равно остаются те же конструкции, которые использовались для приема аналога. Одна из них — антенна типа «волновой канал» (ВК), которую иногда называют Яги-Уда по фамилиям ее разработчиков.

Такие антенны появились в 1926 году и широко использовались во время Второй мировой войны в качестве радаров систем ПВО. Классическая антенна ВК (рис 1) оптимизируется для приема узкого диапазона частот, ширина которого составляет около 10% от величины его центральной частоты. То есть ВК, рассчитанный для частоты 500 МГц, будет оптимально работать и в диапазоне 475—525 МГц.

Антенна «Волновой канал»

Антенна «Волновой канал»

В прошлом веке было разработано несколько конструкций ВК с различными формами вибраторов, призванных расширить рабочий диапазон. Так появились антенны с директорами в форме зигзагов, петель и треугольников. Подобные модификации позволяют немного улучшить характеристики антенн, но это не всегда оправдано. Директоры в виде бабочки позволяют расширить рабочую полосу антенны, но одновременно удорожают ее производство, транспортировку, а иногда и монтаж, рассказал «Телеспутнику» Виллем-Жан Богарт, менеджер по продажам компании Funke.

Разработчики ВК экспериментировали также с размерами вибраторов и расстоянием между ними. Как правило, расширения полосы удавалось добиться за счет снижений коэффициента усиления. Самой удачной в этом плане оказалась антенна с х-образными вибраторами, предложенная немецким инженером Эберхардом Шпиндлером в 80-х годах прошлого века. Расчет данной антенны изложен в его книге «Практические конструкции антенн». Этот вариант ВК позволил расширить рабочий диапазон без существенного уменьшения коэффициента усиления. С развитием компьютерного моделирования появились и другие варианты расчета антенн такого типа, позволяющие добиться схожих характеристик.

Логопериодические антенны

В 50-х годах прошлого века в США началось массовое распространение эфирного телевидения. Передающие вышки росли как грибы, число каналов увеличивалось, был принят американский стандарт цветного телевидения NTSC. В результате назрела необходимость в широкополосных антеннах. Ответом на требования рынка стало появление логопериодической антенны (ЛПА), разработанной инженерами Иллинойского университета Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамеле. Они запатентовали принцип ее работы в 1958 году — позже он стал основой множества модификаций ЛПА.

Логопериодическая антенна

По внешнему виду ЛПА похожи на антенны «волновой канал» (рис 2), однако они рассчитаны на прием сигналов в самом широком диапазоне частот, в пределах которого коэффициент усиления антенны практически одинаков. Границы рабочего диапазона определяются размерами и количеством вибраторов.

Но платой за широкополосность логопериодической конструкции стало понижение коэффициента усиления по сравнению с антеннами типа «волновой канал».

ВК или ЛПА?

В том, что эти два типа антенн сохраняют лидерство, никто из опрошенных «Телеспутником» экспертов не сомневается, но они немного разошлись во мнениях по поводу того, который из них оптимален для приема цифровых мультиплексов.

Начальник отдела оптовых продаж и маркетинга компании «Ланс» Игорь Лукашев признает, что оба типа антенн оптимальны в плане цены и качества, то есть коэффициентом усиления. При этом «волновой канал» имеет максимальные параметры относительно своих геометрических размеров. Логопериодическая антенна при той же длине траверсы дает на 15% более низкое усиление — ее преимущество в том, что она обеспечивает абсолютно одинаковое усиление во всем рабочем диапазоне, напоминает Лукашев. Но так как телевидение уходит в ДМВ-диапазон и во многих регионах мультиплексы передаются на близких частотах, актуальность широкодиапазоного приема уменьшается.

Участник форума «Телеспутника» Vramor привел численные ориентиры для выбора между ВК и ЛПА. По его оценкам, антенна «волновой канал» хороша, если номера каналов передачи 1-го и 2-го мультиплексов в частотной сетке отличаются не более чем на 10—15 единиц. Что же касается логопериодической антенны, то она незаменима для приема мультиплексов, передаваемых на сильно разнесенных частотах. Например, если один транслируется на 24 ТВК, а другой — на 58 ТВК.

Директор по продажам «РЭМО» Виталий Фенев отмечает, что логопериодические антенны обладают более стабильными характеристиками во всем рабочем диапазоне по сравнению с другими типами антенн, причем это касается не только коэффициента усиления. Пользователь форума «Теле-Спутника» под ником Valeri 4024 добавил, что ему нравится логопериодика из-за простого согласования с кабелем, не требующего дополнительных устройств.

Альтернативные конструкции антенн

Существуют и другие варианты антенн для приема мультиплексов. Мы рассмотрим конструкции, которые продвинутые пользователи могут сделать самостоятельно: «штыри», «бабочка», «усы» и «три квадрата».

«Бабочки»
Антенна «Бабочка»

Свое название такие антенны получили из-за сходства с крыльями этих насекомых. Ведущий инженер НПП ОСТ Игорь Некрасов характеризует их как аналог петлевого вибратора. Они отличаются невысоким коэффициентом усиления (Ку=2,15дБи (0 дБд) и высоким волновым сопротивлением (300 Ом). Эти показатели говорят о том, что «бабочки» требуют согласующего устройства 300/75 Ом для соединения с кабелем.

По словам Игоря Лукашева, сленговый термин «бабочки» объединяет очень много конструкций, некоторые из которых даже сложно назвать антеннами. Самая удачная конструкция такого типа  — антенна Харченко с рефлектором (рис 3). При небольшой длине она имеет неплохие параметры и позволяет принимать сигнал вблизи телебашни. А на большом удалении может работать в составе антенного поля из 4 или 8 штук, но этот вариант подходит, скорее, для военных, которым нужно быстро развернуть приемную систему. Для индивидуального приема такое поле использовать нерационально из-за большой парусности конструкции.

«Три квадрата»
Антенна «Тройной квадрат»

По поводу эффективности антенны типа «три квадрата» (рис 4) мнения разделились. Виталий Фенев рассматривает ее как разновидность направленной антенны, стоящей в одном ряду с ВК и ЛПА. По его словам, у нее тоже есть ярко выраженная направленная диаграмма, позволяющая получать усиление в одном направлении и подавление боковых и задних лепестков.

А вот Игорь Лукашев считает, что «три квадрата» оправдывали себя для любительского радиоприема на коротких волнах, но совершенно не интересны для телевидения. По усилению «три квадрата» практически равны трехэлементному «волновому каналу», но их конструкция при этом очень хрупкая, из-за чего они не подходят даже для комнатного применения.

Игорь Некрасов полагает, что модификации антенн этого типа с круговым расположением квадратов можно использовать для приема ТВ на подвижный объект, например автомобиль или речной теплоход.

Форумчанин Vramor все варианты «бабочек» и «трех квадратов» считает уделом оригиналов и «самоделкиных», так как никаких преимуществ с точки зрения качества приема перед ЛПА и ВК у них нет. Их отличия от классических моделей сводятся в основном к тому, что они могут размещаться немного по-другому, особенно если речь идет о комнатных антеннах. Например, антенну Харченко, зигзагообразную и без рефлектора, можно повесить на оконную штору или ручку окна.

«Штыри»

«Штыревые» антенны в основном применяются для приема радиостанций в FM-диапазоне, рассказали опрошенные «Телеспутником» эксперты. С появлением трансляций в DVB-T/T2, иначе чем аналог реагирующих на отраженные сигналы, «штыри» начали использоваться и для приема цифрового телевидения в автомобиле. Правда, в этом случае при движении в городе сигнал может периодически пропадать.

Игорь Некрасов (НПП «ОСТ») обращает внимание еще на один важный фактор: «штырь» имеет вертикальную поляризацию, а ТВ, как правило, вещает в горизонтальной поляризации. Поэтому такая конструкция позволяет принимать только сигналы, поляризация которых изменилась при отражении от поверхности или в результате другого искажения. Поэтому неудивительно, что антенны для автомобилей чаще имеют Г-образную форму.

«Усы»
Antenna_Usi_2 (1).jpg

Этот тип антенн для приема ДМВ-сигналов наши эксперты единодушно забраковали. Виталий Фенев утверждает, что «усы» как в комнатных ТВ-антеннах, так и в наружных уже можно списывать в архив, потому что они предназначались для приема сигналов в метровом ТВ-диапазоне, который в России с переходом на цифровое телевидение прекращает свое существование. Игорь Лукашев добавляет, что «усы» не только бесполезны для приема ДМВ-диапазона, но при наличии усилителя в приемной тракте даже вредны, так как усилитель генерирует гармоники метровых сигналов, принимаемых «усами». Гармоники попадают в ДМВ-диапазон и могут поразить частоты, на которых передаются мультиплексы.

Оценка корректности параметров

Следующий вопрос, который мы попытались прояснить, — как по внешнему виду антенны можно оценить корректность параметров, приведенных в ее паспорте, в первую очередь  коэффициент усиления (КУ).

Виталий Фенев из «РЭМО» привел данные, согласно которым комнатные ТВ-антенны типа «кольцо» и плоские антенны обычно дают усиление около 3 дБи. Типичный коэффициент усиления комнатной антенны логопериодического типа — 5-6 дБи, а комнатный вариант «волнового канала», как правило, усиливает сигнала на 4—6 дБи. Коэффициент усиления наружных антенн может сильно разниться в зависимости от их размеров, но обычно не превышает 18 дБи. Приведенные выше цифры относятся к пассивным антеннам, не имеющим встроенного усилителя. 

«Изотропный децибел»

Единицей изотропный децибел (дБи, в латинской транскрипции — dBi) обозначают уровень выходного сигнала антенны, относительно сигнала, снятого с антенны с шарообразной диаграммой направленности. Традиционным для российской школы является измерение усиления антенны относительно полуволнового диполя, и если усиление указано в обычных децибелах (дБ), то по умолчанию предполагается, что оно приведено относительно полуволнового диполя. Заметим, что усиление относительно изотопной антенны всегда на 2,15 дБ больше усиления относительно полуволнового диполя. Поэтому последние годы многие производители стали указывать не традиционную метрику, а усиление в дБи. Более того, некоторые производители в спецификациях антенн сокращают «дБи» до просто «дБ», приписывая своим моделям дополнительные 2,15 дБ усиления.

Игорь Лукашев из «ЛАНС» дал ориентиры для оценки усиления антенны «волновой канал» по длине несущей траверсы. Он рассчитан для антенн, оптимизированных для приема частоты 600 МГц (длина волны -50 см). При длине траверсы равной длине волны усиление антенны составит 6—8 дБ; если длина траверсы будет вдвое больше, то усиление антенны окажется в районе 10—12 дБ, а при траверсе 240 см — 14—16 дБ. Эти оценки приведены в честных дБ. Для логопериодической антенны величина усиления в каждом случае будет на 15% ниже.

По данным Игоря Некрасова из НПП «ОСТ» коэффициент усиления антенн типа «польские сетки» для ДМВ-диапазона равняется 7,5—11,5 дБи. Показатели ЛПА в зависимости от длины и количества элементов составляют от 6 до 11 дБи, а ВК — от 9 до 16 дБи. При использовании в ВК директоров сложной формы (петли, х-образные) можно получить максимальный КУ до 18 дБ. Антенна Харченко (двойной квадрат с рефлектором) обеспечивает показатели в 8—12 дБи.

Чаще всего этот показатель завышается, когда производитель в качестве коэффициента усиления заявляет суммарное усиление антенны и встроенного усилителя, вместо того, чтобы указать эти два коэффициента раздельно. В результате на коробке с антенной скромных размеров и реальным КУ в 3—5 дБ нередко можно увидеть космический параметр 25—30 дБ.

Существует также практика завышения КУ пассивных антенн. Например, для «волнового канала» с траверсой в 40—50 см вполне может быть указан КУ в 16 дБ.

Антенные усилители

Важнейшим параметром, определяющим возможность приема ТВ-сигнала антенной, является отношение полезного сигнала к шуму (Signal to Noise Ratio, SNR). Шум присутствует в любом телевизионном сигнале, но пассивная антенна ничего к нему не добавляет — на ее выходе формируется усиленный сигнал, но с тем же уровнем SNR, что и на входе. Если используется усилитель, то он не только дополнительно усиливает сигнал с выхода антенны, но также добавляет к нему собственный шум, понижая результирующий SNR. Если сигнал усиливается непосредственно на выходе антенны, где его уровень максимален, то шум, добавляемый усилителем, повлияет на SNR незначительно. С выхода активной или пассивной антенны сигнал попадает в коаксиальный кабель, где он неизбежно затухает, но отношение уровня полезного сигнала к шуму сохраняется. Если же сигнал усилить после затухания в коаксиальном кабеле, перед подачей на вход телевизора, то шум усилителя при том же абсолютном значении снизит SNR больше.

Несмотря на это, Игорь Лукашев считает предпочтительным использовать не встроенный, а внешний малошумящий усилитель, по крайней мере с внешними антеннами, установленными на мачте. Он отмечает, что усилитель — самая уязвимая часть антенны. Особенно часто он выходит из строя во время грозы. Если встроенный в антенну усилитель поломался, то придется менять всю конструкцию. Или как минимум демонтировать антенну, менять усилитель и монтировать ее повторно. Это сложно и дорого. В таких случаях лучше установить в удобном месте под кровлей внешний усилитель. Даже на 5 метрах кабеля сигнал с антенны ослабится меньше, чем на 1 дБ, что в большинстве случаев совсем некритично.

Точно определить, в каких случаях достаточно пассивной антенны, а когда потребуется усилитель, можно только путем экспериментов или замеров, однако есть общие закономерности. В НПП «ОСТ» рекомендуют в загородных домохозяйствах устанавливать наружные антенны с усилителем. Причем чем дальше от ретранслятора находится дом, тем выше должен быть коэффициент усиления. Например, КУ встроенного усилителя достаточно на уровне 18—22 дБи, главное, чтобы он был хорошо согласован с антенной и имел небольшой коэффициент шума, не более 2—2,5дБ. Чем ближе к городу, тем выше требования к нагрузочной способности встроенного усилителя, которую косвенно можно оценить по заявленному потреблению. У мощного усилителя потребление должно быть в районе 30—45 мА, а не 10—20 мА.

В городе активные антенны актуальны только в условиях непрямой видимости телебашни — это касается и наружных, и комнатных антенн.

Виталий Фенев предостерегает от применения активных антенн вблизи телевизионной вышки, так как чересчур мощный сигнал вредит качеству приема. По его словам, в городе усилитель будет полезен, только если длина коаксиального кабеля от антенны к телевизору превышает 20 метров, а также при построении внутриквартирной сети из нескольких телевизоров.

Генеральный директор «Телевес Рус» Валерий Варданян обращает внимание, что если сигнал слабый и зашумленный, то пользы от усилителя, скорее всего, не будет, так как на выходе сигнал может оказаться еще более зашумленным. Заранее определить степень зашумленности в месте приема без приборов сложно, поэтому многие антенны, в том числе и от Televes, сейчас оснащаются отключаемыми усилителями.

Фильтрация входных сигналов

Если в диапазоне приема много посторонних электромагнитных сигналов, то они могут перегружать усилитель антенны, искажая сигналы на его входе. Для отстройки от таких паразитных сигналов может помочь предварительная фильтрация.

В реальном мире основную проблему при приеме телесигнала в ДМВ-диапазоне могут создавать сигналы, передаваемые в сотовых сетях четвертого поколения. С развитием 4G многие производители, в частности Televes и Funke, встраивают в свои антенны режекторные фильтры, отсекающие LTE-диапазоны.

При этом в разных странах под LTE выделены разные диапазоны. Поэтому, выбирая такую модель антенны, нужно как минимум убедиться, что встроенный режекторный фильтр настроен на диапазон, занимаемый LTE в вашей стране. К тому же битва между разными ведомствами за частотный ресурс идет постоянно, и нельзя гарантировать, что сегодняшние частотные назначения через несколько лет не поменяются. Чтобы подстраховаться от таких случаев, Игорь Лукашев рекомендует приобрести внешний фильтр входных сигналов.

Надеемся, что советы наших экспертов помогут вам сориентироваться при выборе антенны и учесть возможные подводные камни выбора подходящей модели. _________________________

Подпишитесь на канал «Телеcпутника» в Telegram: перейдите по инвайт-ссылке или в поисковой строке мессенджера введите @telesputnik, затем выберите канал «ТелеСпутник» и нажмите кнопку +Join внизу экрана.

Также читайте «Телеcпутник» во «ВКонтакте», Facebook , «Одноклассниках» и Twitter.

И подписывайтесь на канал «Телеспутника» в «Яндекс.Дзен».



Выбор материала для изготовления антенн.

латунная проволока для антенныКакой металл можно применить для изготовления антенны, а какой нежелательно? Какими критериями руководствоваться в выборе материала? Эти вопросы обязательно встанут перед вами, если вы всерьез взялись изготовить хорошую антенну самостоятельно. Попробуем найти на них ответ.

В поиске ответа самым важным является понимание того факта, что на высоких частотах ток течет не во всем сечении проводника, а только в тонком поверхностном слое. Это явление носит название скин-эффект. За толщину скин-слоя принято брать расстояние от поверхности металла, на котором величина тока равна 0.37 от величины на поверхности. При этом сопротивление скин-слоя такой толщины на данной частоте равно его сопротивлению на постоянном токе. Толщина скин-слоя уменьшается с ростом частоты. При этом уже в ДМВ диапазоне она составляет единицы микрон. Из этого следует вывод, что для нас важно из чего изготовлен поверхностный слой проволоки и не важен состав ее середины.


 metall003Сразу исключим непригодные металлы для антенны — это ферромагнетики — железо, никель и сплавы на их основе, например, сталь. Однако биметаллические провода со стальной серединой и медным покрытием (БСМ, БСМГ), очень даже пригодны. Именно благодаря наличию скин-эффекта. А конкретнее — все металлы и сплавы, которые можно применять в качестве внешнего слоя элементов антенн, можно разделить на две группы:

  1. серебро, медь, алюминий.
  2. латунь, цинк, дюралюминий.

Внутри групп металлы мало отличаются по потерям и практически равноценны. Антенны из металлов и сплавов 2-ой группы уступят по усилению антеннам из металлов 1-ой группы от 0.04 до 0.16 dB, что на практике почти не ощутимо. Очевидно, что годится не только биметалл с медным покрытием, но и сплошной медный провод или провод из любого из шести вышеперечисленных металлов.
О всевозможных сплавах следует сказать отдельно. Примеры:

  • в сплаве манганин меди 85%, а его сопротивление в 30 раз выше, чем у чистой меди.
  • нихром — сплав никеля 70% + хрома 15% + железа 15% имеет сопротивление в 10 раз выше, чем у любого из его компонентов.

Поэтому совершенно не стоит рассчитывать, что присутствие слова «медь» или «алюминий» в названии или в составе сплава обеспечит ему малое сопротивление.


 проолока для антенныБлагодаря скин-эффекту шероховатость поверхности провода увеличивает его сопротивление, т. к. увеличивается длина пути для ВЧ тока. Под влиянием атмосферных воздействий провод обычно окисляется, его поверхность становится более шероховатой и свойства антенны ухудшаются. При этом можно выделить несколько случаев:

  • Биметаллические провода с медным покрытием обычно со временем сильно окисляются, приобретая очень плохую поверхность, поэтому нуждаются в периодической полировке. Допустимо ошкуривание поверхности мелкой шкуркой вдоль провода.
  • Оцинкованная сталь, наоборот, со временем улучшает свои свойства и хорошо пригодна для долговременных конструкций.
  • Алюминий и трубки из его сплавов (дюралюминий) — лучшие для пассивных и активных элементов не требующих пайки. Поверхностная пленка окисла довольно прочна и надежно защищает металл от дальнейшего окисления. Однако дюралюминивые сплавы нуждаются в дополнительной изоляции от агрессивной атмосферы путем покрытия лаком.
  • Латунь по прочности, состоянию и стабильности поверхности, надежности пайки, можно использовать для любых элементов антенны. Недостаток — повышенная хрупкость на морозе.
  • Часто в качестве материала для изготовления антенн используют медные или алюминиевые провода для электропроводки. Это вполне допустимо, однако предпочтительней выбирать одножильный провод. У электриков провода измеряются по поперечному сечению, так принято, нам же необходимо в расчетах знать диаметр провода. Вот таблица соответствия:
Таблица соответствия стандартных сечений жил проводов их диаметрам
Стандартный ряд сечений жил провода, мм2 0,35 0,5 0,75 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 16,0 25,0 30,0
Диаметр, соответствующий сечению жилы, мм 0,67 0,80 0,98 1,1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,3 2,5 2,7 3,2 3,6 4,5 5,6 6,2

Лакокрасочное покрытие хоть и способно защитить провод от окисления, однако со временем все же разрушается и нуждается в периодическом обновлении. Понятное дело! Если вы следите за состоянием своего автомобиля, то антенна тоже нуждается в уходе. wink

По механическим свойствам, способности противостоять нагрузкам, например весу птиц в порядке уменьшения прочности металлы располагаются в следующем ряду: стальной биметаллический провод, жесткая латунь, дюралюминий, медь, алюминий. Отдельно стоит упомянуть, что замена сплошного металла на фольгированный стеклотекстолит на высоких частотах без пересчета антенны недопустима,  подробнее здесь.

При подключении кабеля снижения к антенне в месте контактов разных металлов возможна электрохимическая коррозия. В следующей таблице указана совместимость разных металлов в контактном соединении на открытом воздухе :

Сопрягаемый металл или покрытиеМедь и ее сплавыСтальАлюминий и его сплавыСталь нержавеющаяОлово и припои марки ПОСЦинк (металл и хроматированное покрытые)Никель и никелевое покрытиеКадмий (металл и хроматированное покрытые)
Медь и ее сплавы

+

+

+

+

0

Сталь

+

Алюминий и его сплавы

+

0

0

+

+

Сталь нержавеющая

+

0

+

+

+

Олово и припои марки ПОС

+

0

+

+

0

+

0

Цинк (металл и хроматированное покрытые)

+

0

+

+

Никель и никелевое покрытие

+

+

+

+

 

«+» — совместимые, «-» — не совместимые, «0» — нейтральные.

При выборе места установки антенны на крыше необходимо избегать близости дымовых и вентиляционных труб, т. к. выходящие газы оказывают разрушающее действие на металл антенны. Со временем под воздействием агрессивной окружающей среды антенна постепенно разрушается, но радует то, что IT технологии распространяются и развиваются гораздо более высокими темпами smile

 

90000 Antenna Gain 90001 90002 On this page, we’ll introduce another fundamental antenna parameter: antenna gain. 90003 90004 Antenna Gain 90005 90002 The term 90007 Antenna Gain 90008 describes how much power is transmitted in the direction of peak radiation to that of an isotropic source. 90009 Antenna gain 90010 is more commonly quoted than directivity in an antenna’s specification sheet because it takes into account the actual losses that occur. 90003 90002 A transmitting antenna with a gain of 3 dB means that the power received far from the antenna will be 3 dB higher (twice as much) than what would be received from a lossless isotropic antenna with the same input power.Note that a lossless antenna would be an antenna with an antenna efficiency of 0 dB (or 100%). Similarly, a receive antenna with a gain of 3 dB in a particular direction would receive 3 dB more power than a lossless isotropic antenna. 90003 90002 Antenna Gain is sometimes discussed as a function of angle. In this case, we are essentially plotting the radiation pattern, where the units (or magnitude of the pattern) are measured in antenna gain. An example of the radiation pattern plotted in terms of gain is shown in Figure 1: 90003 90016 Figure 1.Example Gain Pattern for an Antenna. 90003 90002 However, more often a single number is quoted the gain is the ‘peak gain’ over all directions. Antenna Gain (90019 G 90020) can be related to directivity (90019 D 90020) and antenna efficiency by: 90003 90024 90025 90026 90027 90028 90029 [Equation 1] 90028 90031 90032 90002 The gain of a real antenna can be as high as 40-50 dB for very large dish antennas (although this is rare). Directivity can be as low as 1.76 dB for a real antenna (example: short dipole antenna), but can never theoretically be less than 0 dB.However, the peak gain of an antenna can be arbitrarily low because of losses or low efficiency. Electrically small antennas (small relative to the wavelength of the frequency that the antenna operates at) can be very inefficient, with antenna gains lower than -10 dB (even without accounting for impedance mismatch loss). 90003 90004 Is a High Gain Antenna Advantageous? 90005 90002 Often manufacturers of antennas (be they wifi antennas, gps antennas, or tv antennas) specify the antenna gain.For instance, manufacturers of wifi antennas may market the wifi antenna as a «high gain antenna», which is more expensive than a similar low gain antenna. The question is: do we want high gain? 90003 90002 The answer is: it depends. If you know exactly where your desired signal is coming from, you would like to have maximum gain (towards the desired) direction. However, if you do not know where the desired signal will be coming from, it is better to have a low gain antenna. A couple examples will make this clear.90003 90002 {Example # 1} — TV Antennas. If you mount a TV antenna on your roof, and know the tv broadcast antennas are to the south (for example, on some hill south of the city), then it is preferred to have a high gain antenna. Antennas with gain of at least 12-15 dB are preferred. 90003 90002 {Example # 2} — GPS (Global Positioning System). GPS antennas for mobile devices are receive only. The job of the gps antenna is to triangulate your position by measuring the received signal from multiple gps satellites, which are all in different directions relative to the receive antenna.For this case, a very highly directional antenna would not be preferred. 90003 90002 {Example # 3} — Mobile Cellular Antennas. The cellular antenna on your smartphone communicates with a single cellular network tower. However, the cellular antenna can be held in any orientation, and can be in any position relative to the network tower. Hence, for your mobile device, it is preferred to have a low gain antenna. 90003 90004 A note on Units for Antenna Gain 90005 90002 If you look at the specification sheet for an antenna, you will typically see units for antenna gain listed in dB, dBi or dBd.I define these terms below: 90003 90002 dB — decibels, as we have been discussing. 10 dB means 10 times the energy relative to an isotropic antenna in the peak direction of radiation. 90003 90002 dBi — «decibels relative to an isotropic antenna». This is the same as dB as we have been using it. 3 dBi means twice (2x) the power relative to an isotropic antenna in the peak direction. 90003 90002 dBd — «decibels relative to a dipole antenna «. Note that a half-wavelength dipole antenna has a gain of 2.15 dBi. Hence, 7.85 dBd means the peak gain is 7.85 dB higher than a dipole antenna; this is 10 dB higher than an isotropic antenna. 90003 90057 Next Topic: Beamwidths and Sidelobes 90016 Antenna Basics 90003 90016 Antenna Tutorial (Home) 90003 90057 90002 This page on antenna gain is copyrighted. No portion can be reproduced without permission from the author. Copyright antenna-theory.com, 2009-2016.90003.90000 What Is Antenna Gain? And What are «dBi» and «dB»? Find Out Here 90001 90002 What are «dBi» and «dB»? 90003 90004 90005 90004 Imagine an antenna that radiates energy equally in all directions, much like our sun does. In scientific lingo, this is said to be an «isotropic radiator», because it has no preference for radiation in any direction … in other words it has no «directivity». This type of isotropic antenna is said to have «no gain». «No gain» can be expressed in linear terms like x1 (times 1).That simply means that all directions have the same energy radiation, and are all equal to the average energy radiation. 90005 90004 Antenna engineers like logarithmic terms, and we say this no-gain situation is 0 dBi (pronounced «zero dee bee eye»). Imagine a giant stellar sized mirror beside our sun. Imagine how it would change this energy distribution and give the sun directivity. With such an imaginary mirror, one half of our solar system would be dark (behind the mirror). The other half would be twice as bright (seeing the direct sun plus it’s reflection).Mirrors or lenses have the appearance of intensifying energy in some preferred directions by stealing and redirecting it from disadvantaged directions. Antennas do the same thing. Mirrors do not create light, they only divert, direct, or concentrate it in some direction. Antennas do not create radio energy, they also only divert, direct, or concentrate it in some direction. This is directional feature is called 90009 gain 90010. Please remember, no new energy is created, it is simply redirected or given directionality (directivity).The amount of intensification in a preferred direction is quantified as gain. Thus a mirror can redirect half of the energy from the sun (or a candle), and make it look twice as bright (i.e. two candles). It is said to have a gain of 2x (times two) or doubling. We also answer the age often asked question: «Is More Antenna Gain Better?» 90005 90002 The Logarithmic dB Scale 90003 90004 Antenna engineers use a logarithmic scale to express this apparent 2x (times two) mirror power doubling as +3 dBi.It still means «doubling». Here are some other examples of ratios or multipliers on the engineering dB log scale. 90005 90016 90017 90018 90019 90020 Gain in dBi 90021 90022 90019 90020 What It Really Means 90021 90022 90027 90018 90029 90030 -10 dBi 90031 90032 90029 90030 One tenth, 1/10, or «10% of» (loss, not gain) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 -6 dBi 90031 90032 90029 90030 One quarter, 1/4, or «25% of» (loss, not gain) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 -3 dBi 90031 90032 90029 90030 One half, 1/2, or «50% of» (loss, not gain) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 0 dBi 90031 90032 90029 90030 No gain, «same», 100% (no gain, no loss) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +1 dBi 90031 90032 90029 90030 12% higher, times 1.12, or 112% 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +2 dBi 90031 90032 90029 90030 58% higher, times 1.58, or 158% 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +3 dBi 90031 90032 90029 90030 100% higher, times 2, «double», or 200% 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +6 dBi 90031 90032 90029 90030 300% higher, times 4 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +9 dBi 90031 90032 90029 90030 Times 8 (% scale in not useful for large multiples) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +10 dBi 90031 90032 90029 90030 Times 10 (% scale in not useful for large multiples) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +13 dBi 90031 90032 90029 90030 Times 20 (% scale in not useful for large multiples) 90031 90032 90027 90018 90029 90030 +20 dBi 90031 90032 90029 90030 Times 100 (% scale in not useful for large multiples) 90031 90032 90027 90148 90149 90004 90005 90002 Evaluate Your Antennas 90003 90004 We are ready to help, just tell us about your project, and partner with our antenna testing service.90005 90004 90005 90004 90005 .90000 Antenna Gain Explained — KB9VBR Antennas 90001 90002 I’m gonna take a confusing subject and hopefully demystify it. Antenna Gain is a popular subject amongst hams. We talk about gain all the time, we’ll compare antenna systems and apply values ​​to as how impressive they are by their gain figures. But what exactly is antenna gain, and what do those numbers mean to me? I’ll take a non mathematical look at antenna gain and how it relates to performance. 90003 90002 I’ll also answer some important questions such as: high gain antennas are better than low gain ones.Or the rubber duck on your portable has negative gain. What does all this mean? Is more gain a good thing? Can we really have negative gain? An finally, why we need to take all gain figures with a grain of salt. 90003 90006 First some definitions: 90007 90002 90009 Antenna gain: 90010 is the relative measurement of an antenna’s ability to direct or concentrate the radiated signal emitting from it. Gain is measured in Dbi (decibels relative to an isotropic radiator) or Dbd (decibels relative to a dipole radiator).90003 90002 90009 Isotropic radiator: 90010 is a theoretical single point in space that radiates energy equally in every direction similar to the Sun radiating its light. The isotropic radiator exhibits the same magnitude or properties when measured in all directions. It has no preferred direction of radiation. It radiates uniformly in all directions over a sphere centered on the source. 90003 90002 90009 Dipole radiator: 90010 is a half wave dipole antenna (1/4 wave on each side). Gain measurements referenced to a dipole will be lower than those compared to the isotropic since a dipole already has about 2.15 Dbi of gain. 90003 90002 90009 Decibels: 90010 a unit used to measure the intensity of a sound or the power level of an electrical signal by comparing it with a given level on a logarithmic scale. A change in power by a factor of 10 is a 10 dB change in level. for every 3db increase on the scale, its power is doubled. 90003 90006 How does Antenna Gain work? 90007 90002 Say you take an antenna and connect it to your transmitter. For simplicity’s sake we’re going to use a VHF FM transmitter.When you transmit, there is a constant amount of energy that is radiated from an antenna. The antenna can not create more energy or make energy out of nothing, but it can focus the transmitted energy, making it more concentrated. This concentrating or focusing effect the antenna performs is considered gain. [Pq] The antenna concentrates the energy, so we gain more signal, range, or distance. [/ Pq] 90003 90002 The simplest type of antenna is an isotropic antenna. An isotropic antenna is a theoretical antenna that evenly radiates equal and evenly in all directions.Think of it like the sun, it’s radiation pattern is a perfect sphere, and it’s energy is ubiquitous and everywhere. An isotropic antenna is considered to have a gain of zero. As you add antenna elements, lengthen the antenna, or change it’s characteristics, the radiated signal becomes more focused, much like a lens can focus the sunlight and burn things. The lens is not make the sun more powerful, it’s just concentrating the energy at a single spot. 90003 90002 Isotropic antennas do not exist in real life, we use them as reference points.Since gain is a relative measurement, you need a starting point for comparison. As we measure and rate antennas, we’ll use the term Dbi (decibels compared to Isotropic) to state our antenna gain figures. 90003 90002 Let’s look at some common vertical antennas. A 1/4 vertical wave antenna will have a near spherical radiation pattern and a gain of 1Dbi. (1 Db advantage compared to Isotropic antenna) If we lengthen the element so that the antenna is now a 1/2 wave vertical, the antenna will begin to concentrate the signal and the radiation pattern will compress and look more like a doughnut.The gain is now about 3dbi. Adding or lengthening the antenna elements causes the angle of radiation to narrow, concentrating the signal onto a smaller point. Instead of signal going every which way, the energy is being concentrated near the horizon. The antenna did not make more energy, it’s just focusing the energy it was presented. 90003 90002 Gain with directional and yagi antennas works in the same manner. The driven element is typically a 1/4 wave dipole with a gain of 2.15dbi. If I add a reflecting element and a directing element that are spaced and sized to harmonize with the driven element, I’ll focus the energy and increase the gain to 5.5 — 7 db. Add more elements and the signal starts to turn into a powerful little pinpoint. 90003 90006 Common Antenna Gain Questions 90007 90002 90009 So after reading this description, you’d think the higher the gain of the antenna, the better. Right? 90010 Well, not exactly. Antenna gain is only part of the entire transmission system. You also need to take into account your antenna’s location, height, and average terrain. In fact terrain can be a big determining factor on what type of antenna you will want to select.High gain antennas work best if you are located well above average terrain or in a flat, spacious area. But if your are in an urban area, valley, or low spot, then a low gain antenna will be more appropriate. As the gain increases, the radiation pattern flattens out, concentrating more signal towards the horizon. A high gain antenna in the valley will just drive the signal into the ground or a low gain antenna on top of a mountain will and more energy to the sky than the horizon. Pick an antenna and gain characteristic that’s best for your location and terrain.90003 90002 90009 I heard someone say that rubber duck HT antennas have ‘negative gain’ What does that mean? 90010 Handheld radio antennas are designed for portability, so they tend to be quite small. Since most HTs are used on a repeater, their antennas do not have to be very long to get the signal out. A two meter duck antenna is typically a coiled spring encased plastic. If you were to stretch it out, it would be close to 19 inches long, the 1/4 wave length for 2 meters. Since the antenna has the electrical length of a 1/4 wave antenna, the radio thinks it is a 1/4 wave antenna.But because of it’s diminutive size and electrical resistance, it actually attenuates your signal, resulting in a negative gain amount. Fine for getting into the local repeater, but you’ll never make distance contacts with it. 90003 90002 90009 So why do we need to take gain figures with a grain of salt? 90010 Antenna gain is a relative measurement, so gain values ​​can be misleading if the reference point is not disclosed. Antenna manufacturers will often state gain figures based on Dbi or Dbd, that is referenced to an isotropic or dipole radiator, but some will leave the designator off, leaving you to wonder about the antenna’s actual capabilities.If you are unsure about an antenna’s gain characteristics or capabilities, ask the manufacturer to describe the style or style of antenna it is. A half wave antenna is a half wave antenna. If someone makes an claim that an antenna has ‘6 Db of gain over a J-Pole antenna’, then they really do not understand how gain works. 90003 90006 Summary 90007 90002 Antennas decisions should not be made just by gain figures alone. Nor will a higher gain antenna be the best choice for your situation. I had a customer that purchased both a Slim Jim and a J-Pole antenna.He did some comparison testing and found that the J-Pole works better at his location. The reason? He lived in a valley and found that the J-Pole’s more even radiation distribution did a better job at getting the signal out from his location. I’m sure if his station was at the top of a hill, the Slim Jim would be the clear winner. 90003 90002 Have you found that antenna gain, either low or high, makes a difference at your station’s location? Why not share your experiences in the comments below.90003 90002 90003 90002 90003 .90000 Antenna Basics 90001 90002 Antenna Fundamentals 90003 90004 Let’s get right down to the study of antennas and 90005 Antenna Basics 90006. Suppose one day you’re walking down the street and a kind but impatient person runs up and asks you to design an antenna for them. «Sure», you quickly reply, adding «what is the desired frequency, gain, bandwidth, impedance, and polarization? » 90007 90004 Or perhaps you have never heard of (or are a little rusty) on the above parameters.Well then, you’ve come to the right place. Before we can design an antenna or discuss antenna types, we must understand the basics of antennas, which are the fundamental parameters that characterize an antenna. 90007 90004 So let us learn something. We’ll start with frequency and step through radiation patterns, directivity and gain, and ultimately close with an explanation on why antennas radiate. Jump ahead if this is already familiar to you. 90007 Frequency The basics of sinusoids (sine and cosine waves), wavelength, frequency and the speed of light.More Advanced Frequency Information 90004 A discussion on how all waveforms in the universe are made up of the sum of sinusoids (simple waves) This helps explains why in antenna theory we always discuss wavelength and frequency no matter what signal (information) we want to transmit. 90007 Frequency Bands No discussion on antenna fundamentals is complete without a real-world list of frequency bands. Radiation Pattern 90004 The radiation pattern for an antenna is defined on this page.We have 3D graphs of real antenna radiation patterns, with a discussion on isotropic, omnidirectional and directional radiation patterns. Radiation patterns are of the utmost importance in the discussion of antenna basics. 90007 Field Regions 90004 The introduction to antennas continues with a discussion of Field Regions. The Far Field, Near Field and Fresnel Regions for an antenna is presented. 90007 Directivity 90004 Directivity is fundamental to antennas. It is a measure of how «directional» an antenna’s radiation pattern is.90007 Antenna Efficiency 90004 An antenna’s efficiency is a measure of how much power is radiated by the antenna relative to the antenna input power. 90007 Antenna Gain 90004 Antenna Gain is a measure of power radiated in a particular direction (typically the peak direction of radiation). 90007 Beamwidths and Sidelobes 90004 An antenna’s radiation pattern in the far field is often characterized by it’s beamwidth and sidelobe levels. This introduction to antenas illustrates this with an example.90007 Impedance 90004 Antenna Impedance is presented as the ratio of voltage to current at the antenna’s terminals. Low- and High-Frequency models are presented for transmission lines. The fundamentals of antenna theory requires that the antenna be «impedance matched» to the transmission line or the antenna will not radiate. The concept of VSWR is introduced as a measure of how well matched an antenna is. 90007 Bandwidth 90004 The bandwidth of an antenna is the frequency range over which the antenna radiates.The bandwidth can be defined in different ways; this page presents an introduction to antenna bandwidth. 90007 Polarization of Waves 90004 All electromagnetic plane waves have an associated polarization. The antenna concepts of Linear, Circular and elliptical polarization are presented. 90007 Polarization of Antennas 90004 Antennas are also classified by their polarization; this defines the type of plane wave polarization the antenna is most sensitive to. This is a fundamental antenna concept.90007 Effective Aperture 90004 Effective aperture is a basic antenna concept that is a measure of the power captured by an antenna from a plane wave. Effective aperture can be expressed as a function of the antenna gain and the wavelength of interest. 90007 Friis Transmission Equation 90004 Friis Transmission Formula is the most fundamental equation of antenna theory. This equation relates transmit power, antenna gains, distance and wavelength to received power. This page is a must-read for those interested in antenna theory.90007 Antenna Temperature 90004 Antenna Temperature is a property of an antenna and the environment it operates in. It is a measure of the noise received by the antenna due to thermal (or temperature) effects. 90007 Why do Antennas Radiate? 90004 The antenna basics section concludes with a discussion of Why Antennas Radiate. The idea here is to explain the physical concepts that produce radiation in terms of electrons flowing on a wire. 90007 90042 90043 90004 After concluding the study of Antenna Fundamentals, the next step in the understanding of antenna theory is to move on to the types of antennas page, where basic antenna types are discussed.You will find that the understanding of the above concepts is crucial for understanding real antennas. 90007 90007.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *