DSC03954

154 WSTĘP DO TECHNIKI ANTENOWEJ

promieniowania). Kierunkowość nie jest więc najlepszym parametrem do projektowania bilansu energetycznego systemu. Lepszym parametrem jest zysk energetyczny (w skrócie często mówimy zysk anteny), definiowany jako wielokrotność stosunku gęstości promieniowania w danym kierunku do mocy doprowadzonej do zacisków anteny (mocy wchodzącej do zacisków wejściowych w przypadku niedopasowania impedancyjnego):

(7.102)

U (0,4>) jest gęstością promieniowania anteny, która jest również zależna od strat w antenie. Definicja zysku nie obejmuje strat wynikających z powodu niedopasowania impedancyjnego lub polaryzacyjnego. Zwróćmy uwagę, że w ogólności zysk anteny jest funkcją kątów (0, <j)). W praktyce określa się go zwykle dla kierunku maksymalnego promieniowania:

G =

p

¹ we

(7.103)

Zysk energetyczny wyraża się w dB ze względu na wygodę przy projektowaniu łącza radiowego:

(7.104)

G_dB = lOlogG

Zdefiniowany równaniem (7.103) zysk jest wyrażony względem zysku bezstratnej anteny izotropowej. W wielu katalogach podaje się czasami zysk anteny względem innych anten, najczęściej dipola półfalowego. W takim przypadku zysk anteny względem źródła izotropowego wyraża się wzorem

(7.105)

GdB — G^+2,15

Należy o tym pamiętać, gdyż w przypadku podstawienia błędnej wartości do obliczeń projektowane zasięgi sygnału radiowego mogą się różnić od rzeczywistych lub też wystąpi przeszacowanie mocy nadajnika. W literaturze angielskojęzycznej na oznaczenie zysku względem anteny izotropowej używa się oznaczenia dBi, a zysku względem dipola półfalowego dBd.

Zastanówmy się nieco głębiej nad różnicą między kierunkowością i zyskiem energetycznym. Kierunkowość możemy zapisać jako

(7.106)

Porównując ten wzór z (7.102) zauważamy jedynie różnicę w mocy stojącej w mianowniku. Kierunkowość może być traktowana jako zysk energetyczny tylko w tym przypadku, gdy cała moc wchodząca do zacisków jest równa mocy wypromieniowanej przez antenę (P_pr = P_we). Zysk odzwierciedla fakt, że w antenach rzeczywistych nie cała moc dostępna na zaciskach zamienia się na falę elektromagnetyczną w wolnej przestrzeni. Różnica między tymi mocami jest mocą strat cieplnych powstałych w elementach anteny zbudowanej z nieidealnego przewodnika

(dlatego tak duże nadzieje wiąże się z nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi, w których straty są praktycznie pomijalne). Parametrem wiążącym moc promieniowaną i dostępną na zaciskach jest sprawność energetyczna anteny

we

(7.107)

zawierająca się w przedziale od 0 do 1. Podstawiając (7.107) do (7.102) otrzymujemy

G(0, (J>) = ti

4tcU (0, <J>)

(7.108)

Biorąc kierunek maksymalnego promieniowania otrzymujemy bardzo ważną zależność:

(7.109)

G = r|D

Zysk energetyczny lepiej opisuje antenę, obejmując zarówno jej właściwości kierunkowe, jak i sprawność, dlatego jest najważniejszym parametrem w obliczaniu bilansu energetycznego na drodze antena nadawcza — antena odbiorcza. Wyobraźmy sobie dwie anteny, z których pierwsza będzie mieć większą kierunkowość niż druga (D| > D₂). Załóżmy, że do zacisków obu anten wchodzi taka sama moc P_w. W punkcie obserwacji P, umieszczonym w strefie promieniowania, mierzymy natężenie pola elektrycznego pochodzące od obu anten. Pomimo iż patrząc na charakterystyki promieniowania wydaje nam się, że natężenie pola pochodzące od pierwszej anteny powinno być większe, okazuje się, że podczas pomiaru jest ono mniejsze. Ten pozorny paradoks tłumaczymy oczywiście większą sprawnością energetyczną drugiej anteny, która powoduje, że G_z > G₍. W opisanym przykładzie wyjaśniono, dlaczego przy projektowaniu bierzemy pod uwagę zysk energetyczny.

Zysk energetyczny może być określony poprzez porównanie natężenia pola elektrycznego pochodzącego od badanej anteny z natężeniem pola wytwarzanym przez antenę wzorcową (bezstratna antena izotropowa lub dipol półfalowy). Antena wzorcowa musi być zasilana taką samą mocą, co badana antena. Mając pomiary obu natężeń obliczamy zysk z zależności

G = 20 log

natężenie pola elektrycznego pochodzące od badanej anteny

natężenie pola elektrycznego od anteny wzorcowej zasilanej taką samą mocą

Zwróćmy uwagę, że o ile najmniejsza wartość kierunkowości wynosi 0 dB (1), to zysk energetyczny wyrażony w dB może osiągać wartości ujemne.

Z zyskiem energetycznym wiąże się jeszcze jeden parametr, zwany zastępczą mocą promieniowaną izotropowo przez antenę. Jest to iloczyn zysku i mocy doprowadzonej do zacisków anteny

(7.110)

EIRP = P_WCG