Explicarea câştigului unei antene

Acest aspect prezintă dificultăţi chiar şi pentru cei mai avansaţi ingineri RF – anume “câştigul” unei antene. Chiar şi legislaţia prevede că „Puterea Radiată Efectivă (PRE) nu va depăşi...” iar aceasta se bazează pe semnalul de intrare în antenă înmulţit cu câştigul antenei. Există percepţia că, în momentul în care prezintă un câştig, antenele generează o anumită putere în jurul lor. Din păcate, nu aşa stau lucrurile. Dacă examinăm o antenă, vom observa că este construită din material simple, cele mai bune fiind aur, argint, cupru şi apoi aluminiu. Aceste materiale nu pot crea putere în sine.

Înainte de a trece la explicaţii, există câţiva termeni care trebuie definiţi pentru a putea înţelege mai bine câştigul unei antene.

decibel (dB): unitate de măsură a pierderii sau câştigului. Câştigul are o valoare pozitivă, pierderea o valoare negativă şi este egală cu

10*log(Pout/Pin)

Câştigul antenei: Creşterea relativă a radiaţiei într-un punct de maximă intensitate, exprimată ca valoare în dB peste un standard, în acest caz antena simplă, un dipol (doi poli) în semiundă, după care sunt măsurate toate celelalte antene. Referinţa este cunoscută ca 0dBD (zero decibeli raportat la dipol). O antenă cu puterea radiată efectivă egală cu dublul puterii de intrare va avea deci un câştig de 10*log(2/1) = 3dBD.

O menţiune: Există o a doua „referinţă” folosită la cifrele pentru câştigul de antenă, însă e folosită doar pentru a-i da unei antene o valoare a câştigului mai mare decât cea care e realizată efectiv. Este cunoscută ca dBi şi reprezintă câştigul unei antene în raport cu o antenă izotropică imaginară – una care radiază în mod egal într-un model sferic (egal în toate direcţiile). Aceasta creşte valoarea câştigului antenei cu 2.14dB, acesta fiind „câştigul” unui dipol faţă de o antenă izotropică; câştigul real nu e însă acesta! Subiectul e dezbătut mai pe larg în lucrarea "Cheating with Antenna Gain"

Model de radiaţie: Reprezentare grafică a intensităţii radiaţiei faţă de un unghi cu perpendiculara. Graficul e de obicei circular, cu intensitatea indicată prin distanţa de la centrul cu baza în unghiul corespunzător.

Toate modelele de radiaţie de pe această pagină sunt pentru elemenţi de antenă montaţi vertical şi priviţi din lateral (adică în unghi drept cu antena), după cum se vede alături.

Unghi de radiaţie: În general, se acceptă că lăţimea de fascicul este unghiul dintre două puncte (în acelaşi plan) în care radiaţia coboară la „jumătate de putere”, adică 3dB sub punctul de maximă radiaţie. Folosind orice altceva decât 3dB nu ajută reputaţiei antenei pentru că ar da impresia că antena are o lăţime de fascicul mai largă/mai îngustă, iar dacă un inginer serios ar vedea asta, ar respinge, pe bună dreptate, un asemenea design.

Acoperire: Zona geografică în care semnalul este încă la un nivel la care poate fi recepţionat, de obicei exprimată ca distanţă radială faţă de locul antenei.

Pentru început, să luăm un dipol standard cu ½ lungime de undă şi să-l „suspendăm” în aer (să ignorăm alţi factori de mediu, cum ar fi stâlpul de susţinere, care ar putea afecta antena). Modelul de radiaţie al acestei antene este denumit frecvent „gogoaşă”, după cum se vede în figura alăturată.

Întrucât materialele nu creează putere, singura alternativă este să ne concentrăm pe energia pierdută, de pildă pe cea direcţionată în sus, către o direcţie mai utilă şi anume în plan orizontal. Rezultatul este arătat în imaginea de alături. Aici forma radiaţiei a fost astfel schimbată încât energia limitrofă a fost concentrată pentru a complementa jumătatea din mijloc, rezultatul fiind o dublare a energiei radiate în planul necesar sau un câştig efectiv de 3dB.

Această concentrare se poate intensifica şi mai mult, cu obţinerea unor câştiguri de 6dB (4 ori) la 9dB (8 ori). Cele două modele rezultante sunt prezentate mai jos.

După cum se poate vedea, metoda prin care o antenă este făcută să aibă „câştig” este mai degrabă o chestiune de focalizare a radiaţiei (cu alte cuvinte, transformarea gogoşii într-o clătită), intensificând astfel radiaţia în plan orizontal. Antenele cu radiaţie omni-direcţională şi câştiguri peste 9dB nu sunt practice din cauză că această concentrare este direct legată de lungimea antenei (în lungimi de undă). Există, totuşi, şi o altă metodă de concentrare, pentru a intensifica radiaţia într-o singură direcţie.

Dacă se aşează un reflector lângă un dipol, toată energia care ar fi radiată în direcţia reflectorului este acum reflectată înapoi în direcţia dipolului. Aceasta face ca toată energia să apară într-o singură emisferă, ceea ce conduce la o dublare a energiei radiate în această direcţie, sau un câştig de 3dB.

Se poate obţine o concentrare şi mai mare prin folosirea unor „directori” şi, iarăşi, prin reducerea şi mai mult a unghiului, adică împachetarea întregii radiaţii pe o singură direcţie, cu obţinerea unui câştig mai mare. Astfel se pot obţine câştiguri şi de 20dB. Unghiul efectiv însă al unei astfel de antene este mic (în mod normal, ±10 grade).

La antenele direcţionale, mai există o cifră de reţinut.

Raportul faţă-spate: Elementul cheie al majorităţii antenelor direcţionale este un dipol cu un model de radiaţie clasic tip „gogoaşă”, perpendicular pe axa lui. Aşa cum am arătat, ideea este a lua acest model gogoaşă şi a-l turti într-un fascicul în faţa antenei. De regulă, reflectorul este un singur braţ sau câteva braţe. Chiar dacă sunt mai multe, reflectorul nu va opri toată energia care trece printre ele! Va exista o energie radiată către spate (sau, în cazul recepţiei, va ocoli reflectorul şi va fi interceptată de dipol). Nu uitaţi, atunci când e în aer, dipolul este la fel de sensibil în această direcţie precum este şi în faţa antenei, şi are o tendinţă naturală de a dori să continue cu modelul gogoaşă.

Nici măcar o placă metalică rigidă folosită ca reflector nu va izola complet faţa de spate, din cauza „difracţiei”. Capetele metalului vor face ca o parte din semnal să se curbeze pe marginile reflectorului şi să meargă către spate (sau, în cazul recepţiei, din spate către dipol).

Raportul acestei diferenţe faţă-spate este definit cu referire la direcţia faţă (dorită) a antenei şi este exprimat de obicei în dB.

Concluzie:

Antenele nu creează putere în mod miraculos, ci doar focalizează RF radiată în modele mai înguste astfel încât antena transmite o putere mai mare într-o anumită direcţie.

După cum se poate observa, „câştigul” este şi „pierdere”. Cu cât e mai mare câştigul unei antene, cu atât e mai mic unghiul efectiv de utilizare. Acest aspect e unul pe care oamenii il uita – si anume ca iau puterea din alte direcţii şi o suprapun peste radiaţie în direcţia dorită.

Acest lucru influenţează în mod direct alegerea antenei pentru o anumită utilizare. Alegerea antenei corecte este discutată în "Alegerea antenei potrivite".