Что такое dbi для антенны

Что такое dbi для антенны

dB (дБ) — децибел. В общем случае логарифмическая единица отношений чего либо. Заменяет собой такое понятие как «разы». Т.е. это не абсолютная величина типа вольт или ватт, а относительная, как например проценты.

Np(dB) = 10 lg (P1/P2)

Например, если уровень сигнала возрос в 1000 раз, то это соответствует +30 dB (говорят сигнал возрос на 30 дБ). Применение такой единицы измерения отношений, позволяет заменить умножение/деление на сложение/вычитание при подсчете усиления/ослабления. Пример… В фидере сигнал был ослаблен в 4 раза, а усилитель его повысил в 220 раз. Тогда в системе фидер-усилитель сигнал усилился в 220 / 4 = 55 раз. В децибелах расчет проще 23 — 6 = 17 дБ.

dBm (дБм). Иногда удобно какую либо величину принять за эталон (нулевой уровень) и относительно ее измерять уровень уже в децибелах. Так, если принять за нулевой уровень — 1мВт и относительно его измерять, то появляется такая единица измерения как дБм(1мВт = 0 дБм). Она уже имеет вполне весомый физический смысл, в отличии от безличных децибелов, dBm — это мера мощности. В ней измеряют уровень слабых сигналов (в том же «палкомере» модема), чувствительность приемников, мощность передатчиков и т.п. Например уровень в 50 мкВ на 50-омном входе приемника соответствует уровню мощности 5·10-8 мВт или -73 дБм. Измерять чувствительность в единицах мощности более удобно, чем в единицах напряжения, так так нам приходится иметь дело с сигналами разной формы, в том числе шумовыми. К тому же, мы избавляемся от необходимости каждый раз уточнять, каково входное сопротивление приемника. Например, пороговая мощность большинства «свистков», при которой они еще коннектятся с базовой станцией около -110 dBm. Мощность передатчика, например Wi-Fi роутера, тоже можно измерять в dBm.

dBi (дБи). Единица измерения усиления антенн относительно «эталонной» антенны. За такую эталонную антенну принят так называемый изотропный излучатель — идеальная антенна, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, коэффициент усиления которой равен единице и КПД которой равен 100%. Излучение сигнала таким излучателем происходит с равномерной интенсивностью во все стороны. Такой антенны в природе не существует, это виртуальный объект, однако, очень удобный в качестве эталона для измерения параметров реальных антенн. Существует еще одна единица: dBd — здесь за эталон принят полуволновой диполь. Однако, использование dBi предпочтительнее (и чаще всего именно его и используют, иногда даже пишут дБ, но подразумевают дБи), т.к. в этом случае проще расчет энергетического баланса трассы радиосвязи. dBi — это относительная единица, ничем по сути от простого децибела не отличима, кроме определения эталона, относительно которого и идет отсчет.

Коэффициент усиления антенны определяет, насколько децибел плотность потока энергии, излучаемого антенной в определенном направлении, больше плотности потока энергии, который был бы зафиксирован в случае использования изотропной антенны. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi).
Так, если коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 dBi, то это означает, что в этом направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях. Конечно, когда говорят, что коэффициент усиления антенны составляет 5 dBi, то имеется в виду направление, в котором достигается максимальная мощность излучения (главный лепесток диаграммы направленности).
Зная коэффициент усиления антенны и мощность передатчика, нетрудно рассчитать мощность сигнала в направлении главного лепестка диаграммы направленности. Так, при использовании беспроводной точкой доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае применения изотропной 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.

Читайте также:  Боксовый кулер ryzen 2600

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)

Читайте также:  Как в маткаде задать интервал с шагом

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" . .

Радиосвязь, сотовая связь, телевидение, беспроводной Wi-Fi и 3G интернет осуществляются при приёме и передаче радиоволн антеннами. Радиоволна — это электромагнитное излучение. Любая радиоволна характеризуется тремя основными параметрами: длиной волны, амплитудой и скоростью распространения. Свет и радиоволны распространяются с огромной скоростью: 300 тысяч километров в секунду (то есть луч света долетит от Земли до Луны меньше, чем за две секунды). Длина волны — это расстояние между двумя любыми её гребнями. Амплитуда — это "высота", на которую поднимается этот гребень. Чем больше амплитуда световой волны, тем ярче этот свет (иными словами, тем выше интенсивность волны). Зная длину волны и скорость её распространения, всегда можно вычислить частоту волны (это число гребней, образовавшихся за одну секунду). Частота измеряется в Герцах.

У радиоволны есть ещё одна характеристика: поляризация, но о ней расскажем позднее.

Любой видел радиоволны, и не раз. Ведь свет — это тоже радиоизлучение, но с очень малой длиной волны (соответственно очень высокой частотой), в тысячу раз меньше миллиметра. Чтобы понять, как распространяются радиоволны, достаточно провести аналогию с распространением света.

— 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.

Читайте также:  Ик передатчик для андроид

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.

Радиоволна, попадая на антенну, вызывает в ней электромагнитные колебания, и по проводящим частям антенны начинает течь электрический ток. Этот ток опускается по кабелю в приемное устройство, где из него извлекается информация (звук, изображения, данные, . ). И наоборот, если подать на антенну электрический ток определенной частоты, то антенна будет излучать в пространство радиоволны этой же частоты.

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 -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.

Поляризации волны соответствует грубая аналогия с волнами, бегущими по верёвке. Если жёстко закрепить один конец верёвки, а другой её конец начать перемещать в вертикальном направлении, то по верёвке побегут вертикальные волны — говорят, что они вертикально поляризованы. Если конец верёвки перемещать в горизонтальном направлении, то по верёвке побегут горизонтально поляризованные волны.

Любая антенна с линейной поляризацией из всего спектра падающих на неё волн примет только те волны, поляризация которых совпадает с поляризацией антенны. На каждую антенну на заводе наносят направление её поляризации (обычно это стрелочка). При монтаже антенну можно установить так, чтобы стрелочка была расположена либо вертикально, либо горизонтально. Соответственно, антенна будет принимать либо вертикально, либо горизонтально поляризованные волны. Поэтому выбор поляризации — очень важный момент при построении беспроводной сети. Неправильно установленная по поляризации антенна примет сигнал, но с очень значительными ослаблениями, иногда неприемлемыми для качественной связи.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector