Эффективность антенны связана с мощностью, подаваемой на антенну, и мощностью, излучаемой антенной. Высокоэффективная антенна будет излучать большую часть энергии, подаваемой на неё. Неэффективная антенна поглощает большую часть энергии, теряемой внутри антенны. Кроме того, неэффективная антенна может иметь значительное отражение энергии из-за несоответствия импедансов. Неэффективная антенна имеет меньшую излучаемую мощность по сравнению с более эффективной антенной.
[Примечание: Импеданс антенны рассматривается в последующей главе. Несоответствие импедансов — это отраженная от антенны мощность, поскольку значение импеданса неверно. Поэтому это называется несоответствием импедансов.]
Тип потерь внутри антенны — это потери проводимости. Потери проводимости обусловлены конечной проводимостью антенны. Другой механизм потерь — диэлектрические потери. Диэлектрические потери в антенне обусловлены проводимостью в диэлектрическом материале. Внутри или вокруг антенны может присутствовать изоляционный материал.
Отношение эффективности антенны к излучаемой мощности можно записать как входную мощность антенны. Это уравнение [1]. Также известно как эффективность излучения антенны.
[Уравнение 1]
Эффективность — это отношение. Это отношение всегда представляет собой величину от 0 до 1. Эффективность часто выражается в процентах. Например, эффективность 0,5 соответствует 50% эффективности. Эффективность антенны также часто указывается в децибелах (дБ). Эффективность 0,1 равна 10%. Это также равно -10 децибелам (-10 децибелам). Эффективность 0,5 равна 50%. Это также равно -3 децибелам (дБ).
Первое уравнение иногда называют эффективностью излучения антенны. Это отличает его от другого часто используемого термина, называемого полной эффективностью антенны. Полная эффективная эффективность = эффективность излучения антенны, умноженная на потери из-за несоответствия импеданса антенны. Потери из-за несоответствия импеданса возникают, когда антенна физически соединена с линией передачи или приемником. Это можно суммировать в формуле [2].
[Уравнение 2]
формула [2]
Потери из-за несоответствия импедансов всегда представляют собой число от 0 до 1. Следовательно, общая эффективность антенны всегда меньше эффективности излучения. Повторюсь, если потерь нет, эффективность излучения равна общей эффективности антенны, обусловленной несоответствием импедансов.
Повышение эффективности — один из важнейших параметров антенны. Она может быть очень близка к 100% для спутниковой тарелки, рупорной антенны или полуволнового диполя без каких-либо потерь в окружающем материале. Антенны сотовых телефонов или бытовой электроники обычно имеют эффективность 20–70%. Это эквивалентно -7–1,5 дБ (-7, -1,5 дБ). Часто это происходит из-за потерь в электронике и материалах, окружающих антенну. Они, как правило, поглощают часть излучаемой мощности. Энергия преобразуется в тепловую, и излучения нет. Это снижает эффективность антенны. Антенны автомобильных радиоприемников могут работать на AM-частотах с эффективностью 0,01. [Это 1% или -20 дБ.] Эта неэффективность обусловлена тем, что антенна меньше половины длины волны на рабочей частоте. Это значительно снижает эффективность антенны. Беспроводные каналы связи поддерживаются благодаря тому, что передающие вышки AM-диапазона используют очень высокую мощность передачи.
Потери, связанные с несоответствием импедансов, обсуждаются в разделах «Диаграмма Смита» и «Согласование импедансов». Согласование импедансов может значительно повысить эффективность антенны.
Усиление антенны
Долгосрочный коэффициент усиления антенны описывает, какая мощность передается в направлении пикового излучения относительно изотропного источника. Коэффициент усиления антенны чаще всего указывается в технической документации на антенну. Коэффициент усиления антенны важен, поскольку он учитывает фактические потери.
Антенна с коэффициентом усиления 3 дБ означает, что мощность, принимаемая антенной, на 3 дБ значительно выше, чем мощность, принимаемая изотропной антенной без потерь при той же входной мощности. 3 дБ эквивалентно удвоенной мощности источника питания.
Коэффициент усиления антенны иногда рассматривается как функция направления или угла. Однако, если коэффициент усиления определяется одним числом, то это число представляет собой пиковое усиление для всех направлений. «G» коэффициента усиления антенны можно сравнить с направленностью «D» футуристического типа.
[Уравнение 3]
Коэффициент усиления реальной антенны, который может достигать размеров очень большой спутниковой тарелки, составляет 50 дБ. Направленность может быть всего 1,76 дБ, как у реальной антенны (например, короткой дипольной антенны). Направленность никогда не может быть меньше 0 дБ. Однако пиковый коэффициент усиления антенны может быть сколь угодно малым. Это связано с потерями или неэффективностью. Электрически малые антенны — это относительно небольшие антенны, работающие на длине волны частоты, на которой работает антенна. Малые антенны могут быть очень неэффективными. Коэффициент усиления антенны часто ниже -10 дБ, даже если не учитывать несоответствие импедансов.
Дата публикации: 16 ноября 2023 г.
