в чем измеряется усиление антенны
Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида
Всем привет! Я не буду вас грузить сложными понятиями, а также формулами. Те люди, которые их знают, на эту статью точно не попадут. Я постараюсь приблизительно представить в вашей голове, что же такое коэффициент усиления антенны. Во второй главе я расскажу, как можно усилить Wi-Fi или мобильный интернет (3G, 4G), так же как можно ловить или передавать интернет на многие километры. Если у вас останутся вопросы после прочтения статьи, то пишите в комментариях.
Разбор
Давайте начнем с самого начала. Все эти антенны нужны для излучения радиоволн. Что же такое радиоволны? – это электромагнитное излучение. Её используют почти везде – мобильна связь 3G, 4G, 5G, LTE, Wi-Fi, спутниковый интернет, радио и т.д.
Свет является такой же волной, только имеет более высокую частоту. Давайте представим себе, что у нас есть лампочка. Мы возьмем эту лампочку и прикрутим её в большой комнате. Если включить эту лампочку, то свет начнет светить во все стороны. Так как комната большая, то большая часть углов будут еле-еле подсвечены или будут полностью погружены во мрак.
Теперь мы возьмем, и с одной стороны лампочки установим специальный отражатель с зеркальной поверхностью. Теперь лампа начнет светить только в одну сторону – пучок света стал сильнее и может осветить даже более темные участки и углы. Если отражатель сделать уже по отношению к выходному свету, то пучок станет также уже, а расстояние, на которое сможет пройти свет без серьезного затухания, станет выше. Но с других сторон, где свету преграждает стенки отражателя – везде будет тьма. На таком принципе работаю все фонарики.
А теперь мы подобрались к простому определению. Коэффициент усиления (КУ) антенны – это способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении, при этом возможность как принимать, так и передавать сигнал.
Рассчитывается как отношение мощности, которая необходима, чтобы создать напряжение антенны в концентрированном направлении, к мощности, которая нужна была бы (в теории), чтобы подвести к эталонной антенне для создания такой же напряженности поля в той же точке.
Пока ничего не понятно? Смотрите, эталонная антенна – это та антенна, которая как наша лампочка распространяет радиоволны во все стороны. А вот реальная антенна – это как раз та самая лампочка с отражателем, которая концентрирует сигнал в определенный пучок.
Посмотрите на рисунок выше. КУ – это как раз размер того самого пучка. Чем выше КУ, тем сам пучок имеет меньший угол, но более высокую длину или, если быть точнее, дальность распространения. КУ антенны измеряется в децибелах (дБ, дБи, дБд). В характеристиках роутера, а также у 3G/4G или Wi-Fi антенн обычно используется показатель dBi (или дБи).
Посмотрите на картинку ниже. Как понятно из картинки, чем больше параметр dBi, тем дальше летит радиоволна. Но тут также нужно учитывать, что сам размер пучка становится меньше.
Именно поэтому дома у роутера устанавливают всенаправленные антенны с dBi от 3 до 5, чтобы не приходилось ходить с телефоном и ловить этот самый пучок. Но если вы хотите передать интернет с вай-фай на несколько километров по мосту, то уже используют устройства с большим показателем КУ – от 15 dBi и больше.
Как улучшить сигнал и усилить антенну?
Смотря для чего вы хотите это сделать. Для домашнего Wi-Fi можно сделать отдельную всенаправленную антенну. Особенно это помогает, если антенки у маршрутизатора внутренние. Второй вариант, если вы хотите построить вай-фай мост.
Что такое Wi-Fi мост? Представим ситуацию, что вы живете в частном доме. А ваш брат через пару километров в многоэтажке. Все провайдеры вам отказывают проводить интернет. 3G/4G не ловит, и тогда на помощь может прийти Wi-Fi мост. Ваш брат покупает (или делает сам) Wi-Fi пушку, которая подключена к его роутеру. Вы делаете или покупаете аналогичное устройство.
Обе эти Wi-Fi пушки из-за большого КУ должны быть направлены точно друг на друга. Вспоминаем, чем больше КУ, тем дальше летит радиоволна, но имеет меньший размер луча. Вот таким вот образом можно передать вай-фай с интернетом по мосту на несколько километров.
Если же вы хотите усилить мобильный сигнал, то все делается примерно аналогично. Покупаем или делаем узконаправленную антенну с высоким КУ. Направляем её на вышку. Антенну можно подключить к повторителю дома. Опять же есть как самодельные варианты, так и покупные. О тех и других я уже подробно писал тут.
Формула
Видео
Если еще остались вопросы, то можете посмотреть полезное видео ниже или обратиться ко мне в комментариях.
Что такое усиление антенны простыми словами
У радиоволны есть ещё одна характеристика: поляризация, но о ней расскажем позднее.
— свет распространяется прямолинейно;
— если на пути луча света поставить большую преграду, то образуется тень;
— если на пути луча света поставить преграды, которые меньше длины волны или сравнимы с ней, то свет, претерпев некоторые изменения, пройдёт дальше;
— стекло ослабляет яркость света, иногда очень сильно;
— если на пути солнечного света поставить увеличительное стекло, то в его фокусе получится яркая ослепительная точка, которая может зажечь дерево.
Радиоволны имеют большую длину волны, чем свет, но от этого законы их распространения не меняются. В технике используются радиоволны различных частот (длин волн):
— телевидение: 50-600 МГц (6-0,5 м)
— мобильная связь GSM900: 900 МГц (33 см);
— мобильная связь GSM1800: 1800 МГц (17 см);
— 3G интернет: 2000 МГц (15 см);
— Wi-Fi: 2450 МГц (12 см) и 5750 МГц (5 см).
Радиоволны распространяются прямолинейно, так же как и свет.
Если на пути радиоволн, представленных в таблице, поставить преграду размером порядка одного метра, то волна не ослабнет. Здесь можно провести аналогию с волнами на море: большая волна не ослабнет из-за находящегося в воде человека, а большой корабль не даст волнам пройти.
Если же на пути радиоволны будет большое препятствие, например, многоэтажный дом, то оно значительно уменьшит сигнал, вплоть до полного его ослабления.
Оконное стекло также ослабляет радиоволны.
Спутниковая тарелка действует подобно увеличительному стеклу: собирает сигнал с большой площади и концентрирует в одной точке. И наоборот, сигнал исходит из одной точки, а тарелка собирает его и преобразует в узкий направленный пучок.
Любая антенна будет одинаково хорошо работать как на приём, так и на передачу сигнала в пределах своего рабочего диапазона частот. Поэтому для простоты в дальнейшем мы будем говорить только про приём или только про передачу.
Коэффициент усиления антенны характеризует способность антенны концентрировать сигнал в каком-либо определённом направлении. Приведём аналогию: представим, что в тёмной комнате у вас горит слабая 1 Вт лампочка. Вы сможете увидеть лишь контуры предметов в этой комнате, а дальние углы останутся тёмными. Теперь у вас в руках есть ещё небольшое зеркало. Оно отражает часть света от лампочки, и одна половина комнаты освещена в два раза лучше, но другая половина скрыта в тени от зеркальца. В третьем случае поместим эту лампочку в отражатель от фонарика: получится пятно яркого света размером с ладонь. При помощи этого фонаря вы сможете осветить самый дальний угол комнаты. Но ничего, кроме этого пятна света вы не увидите. Таким образом, во всех случаях лампочка оставалась одна и та же. Мы использовали различные отражатели, меняя концентрацию светового луча в определённом направлении.
Абсолютно так же это происходит и у антенн. На самом деле антенны не усиливают, а концентрируют сигнал в одном или нескольких направлениях, и термин «коэффициент усиления» не должен вводить вас в заблуждение.
Коэффициент усиления измеряется в децибелах (дБ). Это логарифмическая величина и введена она для упрощения математических расчетов. Коэффициент усиления сравнивает мощность изотропного излучателя (одинокой лампочки без зеркал в примере) и мощность данной антенны. Для перевода отношения мощностей в децибелы необходимо воспользоваться следующей таблицей.
| Усиление, разы | 10000 | 100 | 10 | 4 | 2 | 1,26 | 1 | 0,79 | 0,5 | 0,25 | 0,1 | 0,01 | 0,0001 |
| Усиление, дБ | 40 | 20 | 10 | 6 | 3 | 1 | 0 | -1 | -3 | -6 | -10 | -20 | -40 |
Например, если одна антенна имеет Ку=10 дБ, вторая имеет Ку=13 дБ, то вторая антенна мощнее первой в два раза.
Из двух антенн с одинаковым коэффициентом усиления и сходной конструкции меньшие размеры будет иметь антенна, предназначенная для приёма волн меньшей длины волны. Например, WiFi антенна усилением 20 дБ на частоту 5500 МГц имеет размер 18х18 см, а антенна усилением тоже 20 дБ, но на частоту 1800МГц, имеет размеры 60х60 см.
Поляризация радиоволны — это явление направленного колебания векторов напряженности электрического или магнитного полей. Поляризация может быть линейной (в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны), круговой (правой либо левой, в зависимости от направления вращения вектора индукции) или эллиптической (промежуточный случай между круговой и линейной поляризациями). В наземной связи в основном используется только линейная поляризация.
Коэффициент усиления антенны
Определение и формула коэффициента усиления антенны
Можно определение коэффициента усиления представить несколько иначе: Коэффициент усиления антенны — это относительная величина, отражающая эффективность рассматриваемой антенны в сравнении с полуволновым диполем (изотропным излучателем).
Чаще всего обозначением для коэффициента усиления служит буква G.
Коэффициент усиления антенны показывает, какова способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении. Антенны предназначены не для усиления, а для концентрации сигнала в избранном направлении. Коэффициент усиления антенны является количественной характеристикой возможности антенны сконцентрировать мощность электромагнитного излучения в узком пучке, при учете потерь на конструктивных элементах антенны и близких к ней объектах.
Коэффициент усиления антенны связан с коэффициентом направленного действия (D) и КПД антенны (
) соотношением:
Так же говорят, что коэффициент усиления антенны отражает, во сколько раз следует увеличить мощность на входе антенны, если заменить рассматриваемую антенну идеальной ненаправленной антенной и при этом плотность потока мощности электромагнитной волны, которую излучает антенна измениться в точке, где проводится наблюдение, не должно. Считают, что КПД ненаправленной антенны равен одному.
Из двух антенн, обладающих одинаковыми коэффициентами усиления и сходными конструкциями, меньшие размеры будет иметь та антенна, которая назначается для приема волн меньшей длины.
Введение коэффициента усиления антенны, как самостоятельного параметра связано с тем, что эту величину можно измерить при помощи метода сравнения. При этом используется эталонная антенна с известным коэффициентом усиления.
Диаграмма направленности
Направленность антенны показывает, как изменяется коэффициент усиления антенны в зависимости от направления. Для изображения направленности применяют специальные графики, которые называют диаграммами направленности. Направленность связана с конструкцией антенны. Диаграммы направленности рассматривают для горизонтальных и вертикальных плоскостей.
Единицы измерения коэффициента усиления антенны
Коэффициент усиления антенны может быть безразмерным или может быть выражен в децибелах. При этом:
Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю, обычно представлен в дБ, а в отношении к изотропному излучателю в дБи. Например, если G=5 дБи, то в отношении к диполю G=5-2,14=2,86дБ.
Примеры решения задач
| Задание | Каков коэффициент усиления антенны, если ее КПД равен 0,5 при коэффициенте направленного действия 13 дБ? |
| Решение | В качестве основы для решения задачи используем формулу для коэффициента усиления: |
Примем во внимание, что коэффициент направленного действия задан в дБ:
| Задание | На вход системы последовательных передающих устройств (рис.1) подана мощность 8 мВт. Первый компонент системы имеет затухание 24 дБ, второй элемент усиливает сигнал (коэффициент усиления 35 дБ), третий с затуханием 10 дБ. Какой будет мощность на выходе? |
Вычислим коэффициент усиления:
По определению коэффициента усиления антенны:
мВт
мВтКопирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.
Коэффициент усиления антенны
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
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.
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.
Виды антенн, коэффициент усиления сигнала и диаграмма направленности
Антенна – это приемопередающее устройство для излучения или приема радиосигналов, которые используются для организации связи. При этом она может излучать радиосигналы как во всех направлениях по плоскости, так и иметь узконаправленную диаграмму направленности.
Каждые 3 dBi увеличивают радиус уверенного приема в два раза. Однако это происходит из-за фокусировки в одном направлении и она становится более направленной. Поэтому имея небольшой коэффициент усиления 2 – 5 dBi – достигается зона уверенного приема для устройств поблизости, а с коэффициентом усиления в 7 – 9 dBi – для удаленных устройств.
Всенаправленные антенны
Всенаправленная антенна имеют круговую диаграмму направленности. В радиусе действия равномерно покрывают все пространство. В основном такие антенны представляют собой штыревой вид. Штыревые антенны могут располагаться вертикально или горизонтально. Если положение антенны вертикальное, то в горизонтальной плоскости излучаемая энергия будет распространяться равномерно. Если антенна установлена горизонтально (направленная антенна), сигнал не будет излучаться равномерно, а вдоль оси антенны его вообще не будет.
Направленные и полунаправленные антенны
Направленная антенна фокусируют излучаемую мощность в узкие лучи. Диаграмма направленности имеет главный лепесток и несколько второстепенных. Они служат для усиления слабого сигнала, часто используется для связи на большие расстояния.
Патч-антенна
Патч-антенна – полунаправленный излучатель, использующий плоскую металлическую полосу, установленную над заземляющим слоем. Излучение с задней стороны антенны эффективно отсекается заземляющим слоем, улучшая прямую направленность. Обычно она прямоугольной формы и заключена в пластиковый корпус. Патч-антенна может иметь ширину луча от 30° до 180° и типичное усиление 9 dBi.
Секторная антенна
Параболическая антенна
Параболическая или тарелочная антенны являются распространенный тип направленных излучателей. Параболический отражатель имеет высокую направленность и может фокусировать радиочастотную энергию в луч, обычно не превышающую 25°. Коэффициент усиления зависит от диаметра и частоты. На частоте 2.4 ГГц отражатель длиной 1 метр обеспечит усиление
26 dBi. Чаще всего они используются для связи на большие расстояния между зданиями или на открытых территориях.