Открыть сервис
Главная → Блог → Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны — это относительная безразмерная величина, характеризующая способность антенны концентрировать излучаемую электромагнитную энергию в определённом направлении по сравнению с эталонной антенной. Определяется как отношение плотности потока мощности, создаваемой данной антенной в заданном направлении, к плотности потока мощности, создаваемой эталонной антенной при одинаковой подводимой мощности. Коэффициент усиления (КУ) является одним из ключевых параметров антенн в радиосвязи, радиолокации, спутниковой связи и других областях радиоэлектроники.

Определение и физический смысл

Коэффициент усиления антенны (G) математически выражается как произведение коэффициента направленного действия (КНД) и коэффициента полезного действия (КПД) антенны:

\[ G = D \cdot \eta \]

где:

  • \( D \) — коэффициент направленного действия (характеризует степень концентрации излучения в пространстве);
  • \( \eta \) — коэффициент полезного действия антенны (учитывает потери в проводниках, диэлектриках и элементах конструкции).

Физический смысл КУ заключается в том, что он показывает, во сколько раз мощность сигнала в заданном направлении больше, чем при использовании изотропного излучателя (гипотетической антенны, излучающей равномерно во все стороны) или полуволнового вибратора. КУ не является абсолютной мерой мощности, а лишь относительной характеристикой направленности и эффективности антенны.

Единицы измерения

Коэффициент усиления обычно выражается в децибелах (дБ) относительно эталонной антенны. Наиболее распространены следующие обозначения:

  • dBi — децибелы относительно изотропного излучателя (идеальной точечной антенны, излучающей сферически симметрично). Используется в спутниковой связи, радиолокации и антенной технике.
  • dBd — децибелы относительно полуволнового диполя (вибратора длиной λ/2). Значение КУ в dBd примерно на 2,15 дБ меньше, чем в dBi, так как полуволновой диполь сам имеет КНД около 1,64 (2,15 дБ) относительно изотропного излучателя.

Пересчёт между единицами: \( G_{dBi} = G_{dBd} + 2,15 \).

Классификация антенн по коэффициенту усиления

Слабые направленные антенны (КУ до 5-6 dBi)

  • Изотропный излучатель — теоретическая модель, КУ = 0 dBi.
  • Полуволновой диполь — КУ около 2,15 dBi (0 dBd). Простейшая практическая антенна, широко применяется в радиосвязи.
  • Четвертьволновой штырь (штыревая антенна) — КУ около 2-3 dBi. Используется в портативных радиостанциях, автомобильных антеннах.
  • Петлевой вибратор — КУ до 3-4 dBi.

Средне направленные антенны (КУ от 6 до 15 dBi)

  • Директорные антенны (Яги-Уда) — КУ от 6 до 12 dBi в зависимости от числа элементов (директоров). Применяются в телевизионном приёме, радиолюбительской связи.
  • Логопериодические антенны — КУ от 6 до 10 dBi, широкополосные, используются в измерительной технике и связи.
  • Рупорные антенны — КУ от 10 до 15 dBi, применяются в СВЧ-диапазоне.

Сильно направленные антенны (КУ от 15 до 50 dBi и выше)

  • Параболические антенны (спутниковые тарелки) — КУ от 20 до 50 dBi и более. Чем больше диаметр зеркала, тем выше КУ. Используются в спутниковой связи, радиолокации, радиоастрономии.
  • Зеркальные антенны (Кассергена, Грегори) — КУ до 40-50 dBi.
  • Рупорно-линзовые антенны — КУ до 30-35 dBi.
  • Антенные решётки (фазированные, активные) — КУ пропорционален числу элементов, может достигать 40-50 dBi.

Факторы, влияющие на коэффициент усиления

Конструктивные параметры

  • Размеры антенны — чем больше электрические размеры (в длинах волн), тем выше потенциальный КУ. Для апертурных антенн (параболических, рупорных) КУ пропорционален площади раскрыва.
  • Форма и геометрия — форма отражателя, расположение облучателя, профиль линзы влияют на распределение поля и, следовательно, на КУ.
  • Количество элементов — в решётках и директорных антеннах увеличение числа элементов повышает КУ, но с насыщением.
  • Качество изготовления — точность поверхности зеркала, допуски на элементы влияют на фазовые искажения, снижающие КУ.

Электрические характеристики

  • Рабочая частота — КУ обычно растёт с увеличением частоты при фиксированных геометрических размерах, так как электрические размеры увеличиваются.
  • КПД антенны — потери в проводниках (скин-эффект), диэлектриках (изоляторы, подложки), в элементах согласования снижают КУ. Для высокоэффективных антенн (например, из меди) КПД близок к 100%, для малогабаритных — может быть ниже 50%.
  • Согласование с фидером — рассогласование (неравенство волновых сопротивлений) приводит к отражению части мощности, что снижает эффективный КУ.

Внешние условия

  • Влияние земли — отражение от поверхности земли может изменять диаграмму направленности и, соответственно, КУ в определённых направлениях.
  • Атмосферные явления — дождь, снег, обледенение могут вызывать дополнительные потери, особенно на высоких частотах (выше 10 ГГц).
  • Препятствия — близкорасположенные объекты (здания, деревья, другие антенны) могут искажать диаграмму и снижать КУ.

Измерение коэффициента усиления

Измерение КУ проводится в безэховых камерах или на открытых полигонах с использованием эталонных антенн. Основные методы:

  • Метод сравнения — измеряемая антенна и эталонная антенна с известным КУ поочерёдно подключаются к приёмнику, и по разнице уровней сигнала определяется КУ.
  • Метод двух антенн — две одинаковые антенны (измеряемая и вспомогательная) располагаются на известном расстоянии, и по измеренной мощности передачи и приёма рассчитывается КУ.
  • Метод трёх антенн — используется для повышения точности, когда одна из антенн служит эталоном.

Измерения проводятся на нескольких частотах в рабочем диапазоне. Результаты представляются в виде графика зависимости КУ от частоты.

Применение

Коэффициент усиления является критическим параметром при проектировании систем связи и радиолокации:

  • Спутниковая связь — высокий КУ (30-50 dBi) позволяет компенсировать огромные потери на трассе «Земля-спутник».
  • Радиолокация — высокий КУ обеспечивает большую дальность обнаружения и высокое угловое разрешение.
  • Мобильная связь — базовые станции используют антенны с КУ 10-18 dBi для формирования секторов покрытия.
  • Радиовещание — направленные антенны с КУ 6-12 dBi используются для улучшения приёма в удалённых районах.
  • Радиоастрономия — антенны с КУ до 70-80 dBi (например, радиотелескопы) позволяют регистрировать слабые сигналы от космических объектов.

Ограничения и критика

Коэффициент усиления не является универсальным показателем качества антенны. Он не учитывает:

  • Ширину диаграммы направленности — узкий луч даёт высокий КУ, но требует точного наведения.
  • Уровень боковых лепестков — высокий КУ может сопровождаться значительными боковыми лепестками, что приводит к помехам.
  • Поляризационные характеристики — КУ не отражает поляризационную чистоту.
  • Широкополосность — антенны с высоким КУ обычно узкополосны.

В ряде приложений (например, в системах связи с подвижными объектами) предпочтительны антенны с умеренным КУ, но широкой диаграммой направленности.

См. также

Источники

  • Сазонов Д. М. «Антенны и устройства СВЧ». — М.: Высшая школа, 1988.
  • Марков Г. Т., Сазонов Д. М. «Антенны». — М.: Энергия, 1975.
  • Баланис К. А. «Современная антенная техника». — М.: Радиотехника, 2005.
  • ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь. Термины и определения».
  • IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas (IEEE Std 145-2013).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы