НАЗНАЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН

Антенны служат для преобразования радиоволн в переменный электрический ток и наоборот. Любая радиоантенна может работать как на прием, так и на передачу сигнала. Главные характеристики этих устройств описаны ниже.

Полоса пропускания.

Антенны проектируют и строят с учетом рабочего интервала частот — полосы пропускания. У одних конструкций она может быть шире, у других уже. Для телевидения, WiFi, мобильной связи, GPS выделяются разные радиодиапазоны.

Направленность.

Антенну называют направленной, если мощность ее излучения в одну из сторон существенно больше, чем в остальные. Для того, чтобы наглядно показать, как меняется мощность в зависимости от направления, строят диаграммы направленности.

Ненаправленные антенны одинаково действуют на все 360 градусов, их диаграмма имеет круговую форму. Радиоантенна с диаграммой направленности в форме сферы называется изотропной. Теоретически доказано, что построить ее невозможно. Тем не менее изотропный излучатель используют в качестве эталона для того, чтобы сравнивать радиоантенны и показывать, насколько хороша та или иная конфигурация.

Коэффициент усиления.

Соотношение мощностей излучения исследуемой и эталонной радиоантенн характеризуется коэффициентом усиления. Реальные антенны всегда излучают в каком-то направлении меньше, в каком-то больше. Если не оговорено иное, то в характеристиках указывают пиковый коэффициент усиления.

Для коэффициента усиления принята логарифмическая единица измерения децибел (десятая часть бела). Чтобы посчитать соотношение двух мощностей в децибелах нужно подставить их в формулу L = 10*lg(P/Pi), где L – коэффициент усиления антенны, P – мощность ее излучения, Pi — мощность изотропного излучателя при тех же условиях.

Чтобы подчеркнуть сравнение с изотропным эталоном, такие децибелы обозначают как дБи. В технических характеристиках изделий принято обозначение дБ.

Перевести децибелы в «разы» можно по формуле G = P/Pi = 10**(L/10). Далее приведены некоторые значения (дБ — «раз»):

• 3 децибела соответствует усилению в 2 раза;
• 6 – 4;
• 7 — 5;
• 10 — 10;
• 15 — 32;
• 20 — 100;
• 30 — 1000.

Если к конструкции радиоантенны добавлен электронный усилитель, ее называют активной. Производители указывают коэффициент усиления таких изделий с учетом усилителя. Электронные усилители производят шумы, которые могут искажать сигнал, поэтому не рекомендуется применять их без необходимости.

Входное сопротивление.

Если входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению кабеля (фидера), по которому она подключается, применяют согласующие устройства. ТВ-кабели в подавляющем большинстве стран (включая РФ) имеют волновое сопротивление 75 Ом. Кабели для WiFi, GSM, 3G, 4G, радио, GPS выпускают с волновым сопротивлением 50 Ом.

Производители изготавливают антенны с входным сопротивлением, согласующимся с волновым сопротивлением кабеля.

Характерный размер.

Для большинства радиоантенн это половина длины волны. Но есть исключения. Например, в конструкцию параболических антенн входит отражатель («тарелка»), диаметр которого может намного превышать длину волны.

Размеры радиоантенн WiFi. GPS, GSM, смонтированных на печатных платах, напротив, бывают существенно меньше половины длины волны благодаря применению материалов с большой диэлектрической проницаемостью. Существуют антенные поля площадью в несколько гектаров и антенны, чей размер измеряется в миллиметрах.

ВИДЫ И ТИПЫ АНТЕНН

Известно множество конструкций радиоантенн. Наиболее удачные из них стали массовыми.

Самые простые и, возможно, самые распространенные — диполь и четвертьволновая антенна. Первый состоит из двух проводников длиной около четверти волны каждый; второй — из одного проводника длиной около четверти волны. Четвертьволновую антенну часто называют «штырем». Диполь и «штырь» — это узкополосные радиоантенны с коэффициентом усиления 2 — 5 дБ.

Штыревая антенна одинаково излучает/принимает сигнал во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной своей оси. Вдоль оси излучение отсутствует. Такие радиоантенны используют, если взаимное положение передающего и принимающего устройств все время меняется. Поэтому «штыри» часто можно видеть на автомобилях, портативных радиоприемниках, рациях, WiFi-роутерах.

Простота конструкции способствует применению и в случае относительно неподвижных объектов: знаменитая комнатная телевизионная антенна «усы» — не что иное, как диполь. Для того, чтобы нивелировать недостатки, связанные с узкой полосой пропускания, «усы» делают телескопическими, и их можно подстраивать на нужную длину волны.

В качестве уличных ТВ-антенн часто можно увидеть «волновой канал» - узкополосную направленную радиоантенну с коэффициентом усиления 5 — 12 дБ (в зависимости от модификации). Она изобретена в 1926 году Синтаро Уда и Хидэцугу Яги из Имперского университета Тохоку (Япония). Яги запатентовал изобретение, и для антенны стали использовать второе название — Яги.

В конструкции используется один активный элемент (диполь), соединенный с линией передачи. Его размер сопоставим с половиной длины волны. На одной штанге с диполем крепятся пассивные элементы:

• рефлектор (длиннее диполя);
• директор (короче диполя).

Основной прием (передача) «волнового канала» идет в направлении директора. Директоров может быть несколько. Добавление каждого нового элемента повышает коэффициент усиления и уменьшает угол действия (повышает направленность).

Альтернативой «волновому каналу» при приеме телевизионного сигнала служит логопериодическая антенна. Она внешне напоминает антенну Яги, но у нее другая конфигурация. Эта широкополосная радиоантенна с коэффициентом усиления 6 — 7 дБ изобретена в 1958 году Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамелем в Университете штата Иллинойс (США).

Логопериодическая антенна состоит из ряда активных элементов (диполей), расположенных в порядке убывания их длины. Добавление новых элементов увеличивает полосу пропускания. Пик диаграммы направленности находится со стороны более короткого диполя.

Что касается еще одной популярной конструкции — панельной антенны (патч), то она наиболее часто применяется для WiFi, GSM, 3G, 4G, GPS. Такая узкополосная направленная радиоантенна с коэффициентом усиления 5 — 10 дБ представляет собой прямоугольную (иногда эллиптическую) пластину и пластину-отражатель (экран), разделенные слоем диэлектрика.

Наибольшее распространение конструкция получила, начиная с 70-х годов 20-го века, когда панельные антенны стали массово применять на печатных платах. Длина стороны прямоугольной пластины патча сопоставима с половиной длины волны, если между пластиной и экраном находится воздух или другой материал со схожей диэлектрической проницаемостью.

Параболическую антенну можно получить из любой, поместив ее в фокус отражателя. «Тарелка» делает произвольную антенну узконаправленной, доводя коэффициент усиления до 30-40 дБ. В распоряжении ученых есть несколько гигантских отражателей с усилением 80 дБ, которые используются в составе радиотелескопов.

Полоса пропускания зависит от радиоантенны, помещенной в фокус. Спутниковая антенна — другое название, полученное из-за использования для приема спутникового ТВ.

Для того, чтобы сделать полосу пропускания шире или использовать в работе несколько диапазонов, изготавливают комбинированные конструкции — несколько в одной. Например, распространены наружные ТВ-антенны Яги для дециметровых волн, совмещенные с диполем для метровых волн.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ АНТЕНН

В мире существует довольно много технологий и стандартов, предусматривающих передачу информации с помощью радиоволн. Передатчик формирует сигнал в заданной полосе несущей частоты с закодированной на ней информацией Приемник декодирует полученные колебания с выделением полезной информации. Практически любая информация может быть подготовлена и передана при помощи радиоволн.

Для передачи и получения сигнала нужны антенны. Причем их характеристики должны соответствовать параметрам приемопередающей аппаратуры и решаемым задачам по обмену информацией.

Чтобы подобрать радиоантенну для приема эфирного телевидения или усиления сигнала WiFi-роутера, совершенно нет необходимости изучать тонкости стандартов. На радиочастотах выделены диапазоны, а на упаковках и в описаниях антенн есть ссылки на них. В списке приведены некоторые обозначения с указанием области использования и частот диапазона в РФ:

• CB (свободное использование, рации) – 26.965 — 27.860 МГц;
• VHF (метровые волны, радио и телевидение) – 48.5 – 230 МГц;
• UHF (дециметровые волны, телевидение (в том числе цифровое)) – 470 – 862 МГц;
• FM (радио) – 85.5 – 108 МГц;
• LPD (свободное использование, рации) — 433 — 434 МГц;
• PMR (свободное использование, рации) — 446 МГц;
• GPS (спутниковая система навигации) – 1.58 ГГц;
• ГЛОНАСС (спутниковая система навигации) — 1.60 ГГц;
• GSM (мобильная сотовая связь) – 890 — 960 МГц, 1710 — 1880 МГц;
• WiFi (беспроводные локальные сети) – 2.4 ГГц.

Полоса пропускания радиоантенны соответствует диапазону, указанному в ее паспорте. Что касается направленности, то изготовители, как правило, предлагают направленные модели, если ожидается стационарное положение приемника и передатчика.

Направленные антенны широко применяются при усилении сигнала сотовой связи, а штыревые в WiFi ретрансляторах. Комбинации этих типов применяются в GSM репитерах и системах беспроводной сигнализации.

Коэффициент усиления тем важнее, чем дальше разнесены источник и получатель информации. Но также следует обратить внимание на коэффициент усиления, если источник сигнала имеет малую мощность.