3.2 Диаграмма, усиление и эффективность антенны

Вопрос и краткий ответ

Как читать паспортное усиление и диаграмму? Зафиксируйте частоту или полосу, что именно указано (directivity, gain или realized gain), опору (dBi или dBd), направление и плоскость сечения. Максимум усиления не показывает уровень во всех ориентациях аппарата и не задаёт дальность сам по себе. EIRP в выбранном направлении зависит от мощности, дошедшей до антенны, и соответствующего усиления; её нельзя приравнивать к мощности на разъёме передатчика. Бюджет линии и модель свободного пространства — в 2.1 и материалах раздела 08 после их проверки.

Порядок: полоса и величина в паспорте → сечения и ориентация → одинаковые опоры при сравнении → установленная сборка (корпус, кабель) → не выводить радиус из одного dBi. Тип конструкции — 3.1; поляризация — 3.3; отражение на входе — 3.4; монтаж — 3.5.

Роли на БПЛА: борт и земля

На борту ориентация меняется: крен, тангаж и рысканье сдвигают направление на станцию относительно главного лепестка и провалов. Сравнивайте усиление не только в максимуме, а в секторе ожидаемых углов полёта. На земле часто важнее ширина луча и возможность наведения: узкий лепесток с высоким максимумом требует удержания станции в этом секторе.

Управление, видео и телеметрия могут работать на разных частотах: диаграмма и усиление зависят от частоты, поэтому одна точка паспорта не закрывает все звенья. Типы антенн под роли борт/земля — в 3.1.

Как понять, куда антенна излучает и сколько это даёт

Диаграмма показывает, как излучение меняется по направлениям. Усиление характеризует излучение в выбранном направлении относительно опорной антенны; эффективность помогает учесть потери внутри антенны. Число максимального усиления ещё не говорит, что произойдёт при повороте аппарата: станция может оказаться вне главного лепестка или в провале.

Как читать диаграмму

Диаграмма может быть трёхмерной или представленной сечениями. На сечении проверьте, какая плоскость показана, где находится ось антенны, какие углы и частота использованы. Главный лепесток — область основного максимума; боковые и задние лепестки показывают другие направления излучения; провалы — направления пониженного уровня. Одно сечение не показывает всю картину.

Ширина главного лепестка часто задаётся между точками, расположенными на 3 dB ниже максимума, но производитель может применять другое определение. Keysight, Antenna Performance Tips, Tip 2, отдельно перечисляет диаграмму, поляризацию и ширину луча и показывает пример сечения дальней зоны. Смотрите легенду: шкала может быть нормирована к максимуму и не содержать абсолютного усиления. Без указания поляризации для данного направления сравнение неполно — см. 3.3.

«Всенаправленная» обычно означает близкую к равномерной диаграмму в одной плоскости, а не сферическое покрытие. Простой вертикальный диполь может иметь провалы вдоль своей оси. Поэтому направление на станцию относительно антенны важно при крене и тангаже; конструкция и окружение могут изменить реальную диаграмму. Типы антенн объясняют различия конструкций.

Паспортная и установленная диаграмма

Паспортные сечения обычно относятся к оговорённым условиям (часто модель в свободном пространстве или на заданном стенде). Корпус аппарата, кабель, крепление и соседние элементы меняют окружение: установленная диаграмма может отличаться от паспортной. Пока нет данных или измерения установленной сборки, эту неопределённость нужно явно учитывать. Условия монтажа и фидера — 3.5; отражение на входе само по себе диаграмму не измеряет — 3.4.

Направленность, усиление и эффективность

Направленность (directivity) описывает распределение уже излучённой мощности по направлениям. Усиление (gain) дополнительно учитывает эффективность излучения: часть принятой антенной мощности может рассеяться в её материалах. Реализованное усиление (realized gain), в принятом определении, дополнительно учитывает потери из-за отражения на входе относительно выбранного опорного импеданса. Эти различия приведены в MathWorks, Field Calculation in Antennas, разделы Directivity, Gain и Realized Gain.

Смотрите, что именно указал производитель: gain или realized gain, направление, частоту и полосу. Если использовано реализованное усиление, повторное добавление тех же потерь согласования в бюджет может посчитать их дважды. Потери отдельного кабеля при этом зависят от того, где задана опорная плоскость характеристики. Не предполагайте состав паспортного значения без описания методики.

dBi, dBd, dBm и EIRP

dBi указывает опору на идеальный изотропный излучатель; dBd — на полуволновый диполь. Их численные значения относятся к разным опорам и нельзя складывать или сравнивать как одинаковые без пересчёта по явному соглашению источника. dBm — уровень мощности относительно 1 mW, а не усиление антенны. Rohde & Schwarz, Demystifying OTA testing, §§2.2.5–2.2.6 различает усиление относительно изотропного излучателя и мощность излучения относительно диполя.

Антенна не создаёт дополнительную энергию как активный усилитель: направленное излучение перераспределяет её по направлениям, при этом реальные потери уменьшают излучённую долю. Излучаемая в заданном направлении эквивалентная изотропная мощность (EIRP) зависит от мощности, дошедшей до антенны, и соответствующего усиления; её нельзя приравнивать к мощности на выходе передатчика. Одно значение dBi не определяет дальность или запас связи: нужны мощность в плоскости антенны, потери тракта, трасса и приёмник — см. 2.1 и расчёты раздела 08 после проверки.

Пример сравнения и порядок действий

Условно производитель A показывает более высокий максимум, но только в узком секторе; производитель B показывает более широкий сектор с меньшим максимумом. Если аппарат меняет ориентацию, сравните значения в направлениях на станцию для обеих установок. Максимум A сам по себе не гарантирует лучший уровень во всех положениях. Это качественный пример: численные характеристики моделей не заданы.

1. Найдите частоту и рабочую полосу каждого интересующего звена, затем проверьте, какая величина показана: directivity, gain или realized gain.
2. Определите ориентацию антенны, оси и плоскости сечений. Проверьте главные и боковые лепестки, провалы и поляризацию в нужных направлениях — 3.3.
3. Сопоставляйте одинаковые опоры — dBi с dBi, dBd с dBd; фиксируйте плоскость измерения и включённые потери.
4. Для итоговой установки учитывайте корпус, кабель, крепление и соседние элементы. При отсутствии установленной диаграммы отметьте неопределённость и при необходимости измерьте — 3.5.
5. Не переходите от максимума dBi к радиусу связи без бюджета линии и условий трассы.

Связанные материалы и источники

Версия согласована владельцем; основной RAG выключен. Карта базы: 3.1 типы; 3.3 поляризация; 3.4 согласование; 3.5 размещение и кабели; 2.1 свободное пространство.

Модель в свободном пространстве не воспроизводит автоматически отражения и экранирование корпусом. Проверка отражения на входе сама по себе не измеряет усиление и диаграмму.

• Keysight, Antenna Performance Tips, Tip 2, стр. 5–6.
• MathWorks, Field Calculation, Directivity, Gain и Realized Gain.
• Rohde & Schwarz, OTA testing, §§2.2.5–2.2.6.