Что такое коэффициент усиления антенны?

Для чего нужна антенна с высоким КУ? Зависимость усиления антенны от её диаграммы направленности

Коэффициент усиления (КУ или G) антенны – это параметр, характеризующий направленные свойства антенны и показывающий, насколько усиление данной антенны в выбранном направлении выше (либо ниже) по сравнению с эталонным излучателем.
Численно коэффициент усиления равен отношению квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в направлении максимума диаграммы направленности, к значению квадрата напряженности поля, созданного эталонной антенной, при условии равенства подводимых к антеннам мощностей.

В качестве эталонной антенны принимают либо симметричный полуволновый вибратор (диполь) с КНД = 1,64, либо изотропный излучатель, представляющий собой гипотетический (идеальный) источник, излучающий энергию равномерно во всех направлениях пространства (КНД = 1).
В первом случае единицей коэффициента усиления является dBd (усиление относительно дипольной антенны), во-втором – dBi (относительно изотропной). При этом КУ, выраженное в dBd, всегда на 2,15 дБ меньше, чем – в dBi, т. е.
КУ_{ант (dBi)} = КУ_{ант (dBd)} + 2,15.

В зарубежных источниках параметры усиления антенны обозначаются как:
Ga (dBi) – усиление антенны по отношению к изотропному излучателю;
Gh (dBd) – усиление относительно полуволнового диполя.

Если при указании параметра усиления антенны размерность выражена в дБ, то, как правило (если это не оговорено отдельно), данная характеристика даётся относительно усиления изотропного излучателя.

Для наглядности материала, изложенного выше, на Рис.1 приведены диаграммы направленности и КУ двух эталонных излучателей и практической конструкции, знакомой многим под названием антенна Яги – Уда.



Рис.1 ДН и КУ изотропного излучателя, 0.5λ диполя и антенны Yagi

Глядя на положительные значения КУ, может возникнуть ошибочное мнение, что антенна усиливает сигнал, т. е. добавляет излучаемой волне дополнительной энергии. Однако это не совсем так, а вернее совсем не так! Главной функцией антенны является преобразование энергии, поступающей на неё от передатчика, в энергию излучаемых электромагнитных волн и концентрация (т. е. фокусировка) её в определённом или определённых направлениях.
Расхожее сравнение освещённости от маленькой лампочки и той же лампочки, но вставленной в фонарь, убедительно демонстрирует принцип доставки максимума электромагнитной энергии до выбранного объекта.

Второе распространённое заблуждение – высокий коэффициент направленного действия или узкая ДН всегда означает высокое усиление.
Не верно! И связано это с различиями в учёте факторов, которые характеризуют эти параметры. КУ учитывает не только направленные свойства антенны, но и её КПД, т. е. факторы потерь в элементах конструкции и объектах, расположенных в ближней зоне.
В качестве примера можно привести укороченную антенну, у которой вполне может быть высокий КНД, но, при этом, низкое соотношение мощностей излучения и потерь, что, в конечном итоге, означает невысокий КПД и отрицательное усиление.

Для интересующихся приведём формулы:

КУ = КНД*КПД = КНД* P_изл /(P_изл + P_пот), где :
КНД  –  коэффициент направленного действия антенны;
КПД = P_изл /(P_изл + P_пот) ;
P_изл  –  мощность излучения антенны;
P_пот  –  мощность потерь в антенне.

Итак, подытожим:
Высокий коэффициент усиления антенны – это почти всегда хорошо.
Так, если коэффициент усиления антенны составляет 8 dBi, то это означает, что в заданном направлении мощность излучения на 8 дБ (или в 6.31 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны и на 5.85 дБ (или в 3.85 раз) больше, чем у полуволнового диполя.
Соответственно, при приёме на такую антенну можно расслышать станцию с мощностью в 3.85 раза более низкой, чем при приёме на диполь. И тут дело не только в том, что в приёмник поступит более мощный сигнал (его всегда можно усилить), а в том, что узкая диаграмма направленности таких антенн позволяет минимизировать влияние помех и наводок при приёме.

К основным недостаткам антенн с высоким усилением относится более сложная, чем у аналогов с меньшим КУ, конструкция (не лечится) и узкая направленность, не позволяющая покрыть значительную площадь. Лечится либо переключением нескольких антенн с различными ДН, либо введением поворотного механизма, что делает конструкцию ещё более сложной.