Коэффициенты усиления различных антенн

Коэффициент усиления является мерой направленности антенны. Данный параметр определяется как отношение мощности сигнала, излученного в определённом направлении, к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной в любом направлении.

Коэффициент усиления антенны по отношению к диполю обычно дается в дБ (dB), а по отношению к изотропному излучателю – в дБи (dBi)

Единицы измерения (дБ)

Впервые использованная для измерений интенсивности сигнала, единица измерения децибел была названа так в честь Александра Грэма Бэлла. При помощи децибела инженеры без труда смогли описать коэффициент входящей и выходящей энергии или напряжения. Значения в децибелах вычисляются по логарифмической шкале, что позволяет обеспечить спецификацию характеристик в широком диапазоне напряжений или мощностей 3.1 и 3.2.

(3.1)

(3.2)

где – измеренная мощность (Вт);

– эталонная мощность (Вт);

– измеренное напряжение (В);

– эталонное напряжение (В).

Усиление и снижение интенсивности сигнала, а также его относительные уровни обычно выражаются в децибелах дБ (dB). Децибелом называется мера отношения между двумя уровнями сигнала.

Для такого выбора имеется несколько причин:

- интенсивность сигнала часто снижается по логарифмическому закону, поэтому ослабление проще выражать в децибелах, являющихся логарифмическими единицами;

- суммарное усиление или ослабление сигнала в каскадном канале передачи можно вычислить с помощью простых операций сложения или вычитания.

Пример 1: Если на входе линии передачи уровень мощности сигнала составляет 100 мВт, а на некотором расстоянии 50 мВт, то ослабление сигнала можно выразить следующим образом:

.

В децибелах выражается относительное, а не абсолютное отличие сигналов. Ослабление сигнала с 10 Вт на 5 Вт также является ослаблением на 3 дБ.

Пример 2: Использование децибелов полезно при определении усиления или снижения мощности, происходящего на последовательности передающих элементов. Рассмотрим, например, последовательность элементов, на вход которой подаётся мощность 4 мВт, первый элемент является кабельной сборкой с затуханием 12 дБ, второй элемент - это усилитель с усилением 35 дБ, а третий - ещё одна кабельная сборка с затуханием 10 дБ. Суммарное усиление тракта равно (-12+35-10)=13 дБ. Вычисляем мощность на выходе:

,

.

Значения в децибелах связаны с относительными амплитудами или изменениями амплитуд, но никак не с абсолютными уровнями. Было бы удобно представить абсолютный уровень мощности также в децибелах, чтобы можно было легко вычислять усиление или снижение мощности по отношению к исходному сигналу. Единица дБВт или dBW (децибел-ватт) широко используется для расчёта СВЧ радиолиний. В качестве эталонного уровня выбрана величина 1 Вт, и ей присвоено значение 0 дБВт. Абсолютный уровень мощности в децибел-ваттах определяется следующим образом:

.

Широко используется и другая производная единица – дБмВт (dBm) (децибел-милливат). В этом случае за эталонный уровень мощности принимается 1 мВт, т.е. 0 дБмВт соответствует 1 мВт.

.

Полезно также запомнить следующие соотношения:

+30 дБмВт = 0 дБВт;

0 дБмВт = - 30 дБВт

Увеличение мощности сигнала в одном направлении возможно лишь за счёт остальных направлений распространения. Другими словами, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечёт за собой уменьшение мощности в других направлениях. Необходимо отметить, что коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной (как может показаться из названия), поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия.