Расчет коэффициента усиления антенны

Содержание

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 излучаемой антенной электромагнитной волны в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

Обычно оперируют значением КУ G в направлении максимума диаграммы направленности антенны. При этом КУ становится количественной мерой способности антенны концентрировать мощность электромагнитной волны в узком луче с учетом потерь 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 разах, в направлении максимума диаграммы направленности 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 слабо выраженными направленными свойствами (то есть низким значением КНД). И, наоборот, антенна, формирующая направленное излучение (то есть с узкой диаграммой направленности, с высоким КНД) может «плохо излучать» радиоволны. Характерный пример — приемная антенна Бевереджа, обладающая типичными значениями КУ −30 дБи и КНД +15 дБи и обеспечивающая большее значение отношения сигнал/(эфирный шум + помеха) по сравнению со слабонаправленными антеннами (например, штыревыми и вибраторными, у которых различие между КУ и КНД существенно меньше) .

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:

Ответ G=10.

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?

Решение Коэффициенты усиления даны в дБ, значит результирующий коэффициент усиления (G) антенны найдем как алгебраическую сумму, коэффициентов отдельных передающих антенн:

Вычислим коэффициент усиления:

По определению коэффициента усиления антенны:

мВт

Ответ мВт

Копирование материалов с сайта возможно только с разрешения
администрации портала и при наличие активной ссылки на источник.

Для параболического зеркала коэффициент усиления рассчитывается так:

Где:
G_a — коэффициент усиления;
k — эффективность или коэффициент использования поверхности антенны (для большинства антенн равен примерно 0.55);
D — диаметр Антенны;
λ — длина волны;
Φ — угол прихода волны;
π — число "ПИ"

Реальные цифры могут отличаться от полученного результата. Не все антенны изготавливают с соблюдением всех допусков и стандартов.

Понравился сайт? Расскажи друзьям!