Основные принципы работы и определения

В реальном устройстве антенну практически никогда не следует рассматривать отдельно от остального передающего тракта (фидера и передатчика), поскольку общая эффективность передачи критически зависит от согласованности всех трёх частей системы. Однако для понимания основ сначала следует рассмотреть свойства самих антенн отдельно.

Представим, что по передающему тракту к антенне подводится переменный электрический сигнал. В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый передатчиком, протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает в пространстве вокруг себя переменное магнитное поле той же частоты. Это меняющееся во времени магнитное поле, в свою очередь, не только воздействует на породивший его электрический ток в соответствии с законом Фарадея, но и создаёт вокруг себя меняющееся во времени электрическое поле. Это переменное электрическое поле создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство.

Энергия источника электрического тока преобразуется антенной в энергию электромагнитной волны и переносится электромагнитной волной в пространстве. В режиме приёма ровно наоборот — переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприёмник). Наведённые токи порождают напряжения на входном сопротивлении приёмника (импеданс приёмного тракта).

Важно понимать, что фундаментальный принцип работы любой антенны заключается в преобразовании энергии. Антенна является пассивным устройством сопряжения между направляющей системой (трактом, фидером) и свободным пространством. Она не увеличивает общую мощность сигнала принимаемого в одной точке пространства, а трансформирует энергию тока проводимости в энергию электромагнитного излучения (и наоборот в случае принимающей антенны), перераспределяя её в пространстве в соответствии с коэффициентом усиления и диаграммой направленности.

Из вышеизложенного следует следующий важный принцип теории антенн — принцип обратимости.


Если антенна обладает высокой направленностью на передачу, она будет обладать такой же избирательностью на приём. Способность антенны эффективно преобразовывать ток в электромагнитную волну математически эквивалентна её способности наводить ЭДС под воздействием падающей волны. Это свойство позволяет проводить измерения параметров приёмных антенн в режиме передачи, что технически проще и точнее.



Для удобства математического описания антенн их характеристики принято сравнивать с характеристиками гипотетического идеального излучателя, одинаково излучающего (принимающего) во все стороны, т.е. с математической моделью идеальной изотропной антенны, имеющей идеальную сферическую диаграмму направленности. Коэффициент усиления такой антенны принято считать за единицу (G = 0 dBi в логарифмическом масштабе) и КУ остальных антенн указывается относительно её.

Реальные антенны практически никогда не излучают равномерно во всех направлениях: это ограничение продиктовано не несовершенством технологий, а фундаментальной физикой электромагнитных полей. Электромагнитная волна является поперечной (векторы E и H перпендикулярны направлению распространения). Математически это объясняется через теорему о «причесывании ежа»: невозможно создать непрерывное касательное векторное поле на сфере, которое нигде не обращалось бы в ноль.



Отличие КНД (Коэффициента направленного действия) от КУ заключается в том, что коэффициент усиления учитывает не только направленные свойства, но и энергетические потери в конструкции антенны, т.е. отражает также и эффективность антенны.

КУ связан с КНД через коэффициент полезного действия (КПД) антенны:

Где:
G — коэффициент усиления (Gain);
D — коэффициент направленного действия (Directivity);
η — КПД антенны (учитывает омические потери в проводниках и диэлектриках).



В технической документации ДН представляется в виде:

• Трёхмерного изображения: в сферической системе координат (θ,φ).
• Двумерных сечений (плоских диаграмм): в полярных или декартовых координатах. Чаще всего рассматривают два главных сечения:
  • Плоскость E: проходит через вектор напряженности электрического поля и направление максимального излучения.
  • Плоскость H: проходит через вектор напряженности магнитного поля и направление максимального излучения.

Основные элементы ДН:
Главный лепесток: область, содержащая направление максимального излучения.
Боковые лепестки: области побочного излучения. Стремление минимизировать их уровень (УБЛ) критично для подавления помех.
Задний лепесток: излучение в направлении, противоположном главному (≈ 180°).


Для описания «уровня фокусировки» энергии используются следующие характеристики:
Ширина диаграммы направленности (θ_{3 дБ}​): угловое расстояние между точками главного лепестка, в которых мощность падает вдвое (на 3 дБ) относительно максимума. В англоязычных источниках называется HPBW (Half Power Beam Width).
Коэффициент направленного действия (КНД): отношение плотности потока мощности в главном направлении к средней плотности по всем направлениям.
Уровень боковых лепестков (УБЛ): отношение максимального значения самого большого бокового лепестка к уровню главного, выраженное в децибелах (например, −20 дБ).

Поляризация

Поляризация электромагнитных волн это параметр, который часто игнорируется во вводных материалах, однако его игнорирование на практике ведет к полной потере связи даже при исправном оборудовании и высоком коэффициенте усиления антенн, поэтому требуется уделить немного внимания данному вопросу.



Существует три основных типа поляризаций:

1. Линейная поляризация (вертикальная и горизонтальная): наиболее простая и распространенная. Вектор E колеблется в одной плоскости. Максимальная эффективность приема достигается, когда ось приемной антенны совпадает с этой плоскостью. Если повернуть приемный диполь на 90° (ортогонально), прием теоретически прекращается. Это наиболее распространенный тип для наземных систем связи (Wi-Fi, LTE)
2. Круговая поляризация (правая или левая): вектор E вращается в пространстве по мере распространения волны. Главное преимущество круговой поляризации — её ориентационная независимость в плоскости приема. Приемная антенна будет стабильно получать сигнал независимо от того, как она наклонена или повернута вокруг оси направления связи. Это делает её незаменимой для спутниковых систем (GPS/ГЛОНАСС, спутниковое ТВ), где положение объекта может меняться.
3. Эллиптическая поляризация: общий случай, когда компоненты поля имеют разную амплитуду и фазу. Это часто возникает как побочный эффект при переотражениях волн или несовершенстве конструкций.

При рассмотрении антенны для конкретного применения всегда держите в уме плоскость поляризации! Эффективность приёма и передачи напрямую зависит от того, насколько согласованы ориентации векторов передающей и приемной антенн. Если вектор E вертикален, а приемный диполь расположен горизонтально, наведенная ЭДС теоретически будет равна нулю. В реальности из-за переотражений сигнал вероятно можно будет принять, но он будет крайне слабым.

Количественное выражение потерь из-за несовпадения поляризаций (PLF) описывается зависимостью:
где Θ — угол между вектором поля волны и осью поляризации антенны.

Важно понимать «смешанные» случаи: если линейная антенна принимает сигнал круговой поляризации (или наоборот), всегда возникает фиксированная потеря в 3 дБ (50% мощности). Это происходит потому, что линейная антенна «видит» только одну из двух ортогональных составляющих круговой волны. Несмотря на потерю половины энергии, такая связь остается стабильной при любом угле поворота антенны, что часто используется как компромиссное решение.

Единицы измерения

КУ обычно выражается в логарифмических единицах - децибелах (дБ).
В зависимости от эталона сравнения используют разные обозначения:
дБи (dBi): усиление относительно изотропного излучателя (идеальная точка, излучающая равномерно во все стороны)
дБд (dBd): усиление относительно полуволнового диполя

Важно помнить: 0 dBd ≈ 2.15 dBi. Если в документации указано просто «дБ», чаще всего подразумевается dBi.

Интересные сведения