дБи

дБи — это логарифмическая единица измерения коэффициента усиления антенны, выражающая усиление относительно изотропного излучателя (диполя Герца). Обозначается как dBi (от англ. decibel isotropic). Используется в радиотехнике, антенной технике и телекоммуникациях для сравнения направленных свойств антенн с идеальным ненаправленным источником.

Определение и физический смысл

Коэффициент усиления (КУ) антенны в дБи показывает, во сколько раз мощность излучения в заданном направлении (обычно в направлении главного лепестка диаграммы направленности) больше, чем мощность, излучаемая изотропным излучателем при одинаковой подводимой мощности. Изотропный излучатель — это гипотетическая антенна, излучающая равномерно во всех направлениях, не имеющая направленных свойств. Его КУ принимается за 0 дБи.

Формула для перевода из абсолютных единиц: \[ G_{\text{dBi}} = 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{P_{\text{max}}}{P_{\text{iso}}}\right) \] где \(P_{\text{max}}\) — мощность излучения в направлении максимума диаграммы направленности реальной антенны, \(P_{\text{iso}}\) — мощность, излучаемая изотропным излучателем.

На практике дБи используется для оценки направленности антенн: чем выше значение в дБи, тем более узким и направленным является луч излучения, и тем выше усиление в выбранном направлении. Например, антенна с КУ 10 дБи излучает в 10 раз мощнее в направлении главного лепестка, чем изотропный излучатель.

Отличие от дБд

Существует другая единица — дБд (decibel dipole), где усиление измеряется относительно полуволнового диполя (диполя Герца). Полуволновой диполь имеет собственный КУ около 2,15 дБи. Соотношение между единицами: \[ G_{\text{dBi}} = G_{\text{dBd}} + 2,15 \] Таким образом, если антенна имеет КУ 5 дБд, то в дБи это будет 7,15 дБи. В технической документации чаще используется дБи, так как он привязан к абсолютному эталону — изотропному излучателю.

Применение в технике

Антенны Wi-Fi и сотовой связи

В беспроводных сетях (Wi-Fi, LTE, 5G) дБи используется для указания усиления антенн. Типичные значения:

• Всенаправленные антенны: 2–5 дБи.
• Секторные антенны: 10–18 дБи.
• Параболические антенны (спутниковая связь): 20–50 дБи и выше.

Чем выше дБи, тем уже диаграмма направленности и больше дальность связи в выбранном направлении, но меньше угол обзора.

Спутниковая связь

Для приёма сигналов с геостационарных спутников (например, спутниковое телевидение) используются антенны с КУ 30–40 дБи. Это позволяет компенсировать большие потери на трассе распространения сигнала.

Радиолокация

В радиолокационных станциях (РЛС) антенны с высоким КУ (до 50–60 дБи) обеспечивают узкий луч и высокую разрешающую способность по углу.

Расчёт и измерение

Измерение КУ в дБи проводится в безэховых камерах или на открытых полигонах с использованием эталонных антенн. Процедура включает:

1. Измерение мощности излучения эталонной антенны (изотропного излучателя или диполя).
2. Измерение мощности излучения испытуемой антенны в направлении максимума.
3. Вычисление разницы в децибелах.

На практике для бытовых антенн (например, для Wi-Fi) производители указывают КУ в дБи, полученный расчётным или экспериментальным путём. Однако реальное усиление может отличаться из-за влияния корпуса, кабелей и окружающей среды.

Связь с другими параметрами

• Эффективная площадь антенны \(A_{\text{eff}}\) связана с КУ в дБи формулой:

\[ A_{\text{eff}} = \frac{\lambda^2}{4\pi} \cdot 10^{G_{\text{dBi}}/10} \] где \(\lambda\) — длина волны.

• Ширина диаграммы направленности обратно пропорциональна КУ: чем выше дБи, тем уже луч.
• КПД антенны учитывает потери; КУ в дБи всегда меньше, чем коэффициент направленного действия (КНД) в дБи, если есть омические потери.

Примеры значений

Ограничения и критика

• Единица дБи не учитывает потери в фидерном тракте (кабелях, разъёмах). На практике усиление системы может быть ниже, чем указано на антенне.
• Для антенн с очень высоким КУ (более 20 дБи) требуется точная юстировка, иначе сигнал может быть потерян.
• В маркетинговых материалах иногда завышают КУ в дБи, особенно для дешёвых антенн Wi-Fi, что вводит потребителей в заблуждение.

Источники

• ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь. Термины и определения».
• Балакирев В. А., «Антенны и распространение радиоволн», 2018.
• ITU-R Recommendation P.525-4 «Calculation of free-space attenuation».
• Справочник по антенной технике под ред. Ротхаммеля К., 2019.