Оснащение производства
Лаборатория и Тестирование
Связь и Телекоммуникации
Безопасность и Спецтехника
Энергетика и Электротехника
Что такое диаграмма направленности
Диаграмма направленности (ДН) антенны — зависимость излучаемого (или принимаемого) поля от направления. Антенна одна и та же на передачу и на приём, поэтому и диаграмма у неё одна. Её рисуют для дальней зоны, где форма поля уже не зависит от расстояния, и обычно нормируют: максимум принимают за 0 дБ, остальные направления подписывают в минус децибелах. ДН по мощности и по полю в децибелах совпадают, а в разах отличаются: половине мощности (−3 дБ) соответствует 0,707 по полю.
Пространственная диаграмма — объёмная фигура, на бумаге её показывают двумя сечениями. Для антенн связи это горизонтальная (азимутальная) и вертикальная (угломестная) плоскости. В учебниках и в описании рупоров встречаются E- и H-плоскости — плоскости вектора электрического и магнитного поля. У вертикально поляризованной антенны E-плоскость совпадает с вертикальной, а H — с горизонтальной. Термины по ГОСТ 24375-80 и IEEE Std 145.
Полярная и прямоугольная форма
В полярной форме по окружности откладывают угол, по радиусу — уровень. Такая картинка наглядна: сразу видно, куда смотрит луч и есть ли задний лепесток. В прямоугольной (декартовой) форме угол идёт по горизонтальной оси, уровень — по вертикальной. Она точнее для чтения: ширину луча, уровень боковых лепестков и положение нулей снимают по сетке. В каталогах обычно дают полярную ДН в логарифмическом масштабе: внешнее кольцо — 0 дБ, внутренние — −10, −20, −30 дБ. Сравнивать ДН из разных источников можно только в одинаковом масштабе: в линейном масштабе боковые лепестки почти не видны, в логарифмическом они заметны.
Ширина диаграммы направленности
Ширина ДН по уровню −3 дБ (по половинной мощности) — угол между двумя направлениями, в которых излучение вдвое меньше, чем в максимуме. Именно её указывают в карточках как «ширина ДН». Ширину по нулям — между первыми минимумами — указывают реже, она примерно в 2,3 раза больше. Для секторных антенн часто дают и ширину по уровню −10 дБ: она показывает, как быстро сигнал спадает на границе сектора и насколько сектор перекрывается с соседним.
Для зеркальной антенны ширину луча оценивают по формуле θ ≈ 70·λ / D, где λ — длина волны, D — диаметр зеркала, результат в градусах. Для зеркала 1,2 м на 2,45 ГГц (λ = 0.122 м) получается 7.1°. В карточке KADAMM APB-2425 у исполнения APB-2400-2500-28 с зеркалом Ø1200 мм указано 6° × 6° — формула даёт верный порядок, точное значение зависит от облучателя.
КНД и коэффициент усиления
Коэффициент направленного действия (КНД, D) показывает, во сколько раз плотность потока мощности в максимуме больше, чем у изотропного излучателя той же мощности. Он зависит только от формы ДН. Для узкой диаграммы есть простая оценка: D ≈ 41 253 / (θГ·θВ), углы в градусах; число 41 253 — это площадь полной сферы в квадратных градусах. Коэффициент усиления G = η·D учитывает ещё и КПД антенны η: потери в металле, диэлектрике и согласовании. В карточках антенн дают именно усиление в дБи.
| Антенна | Диапазон | Ширина ДН Г × В | Оценка КНД, дБи | Усиление по карточке, дБи | Отношение |
|---|---|---|---|---|---|
| KADAMM APW240015 | 2400–2500 МГц | 15° × 60° | 16,6 | 15,0 | 69 % |
| KADAMM ADY-1850-1990-15 | 1850–1990 МГц | 30° × 30° | 16,6 | 15,0 | 69 % |
| KADAMM ADY-400-49-0E | 400–490 МГц | 20° × 32° | 18,1 | 14,7 | 46 % |
| KADAMM O-ATP16-1710/2700M | 1710–2690 МГц | 25° × 16° | 20,1 | 16,5 | 43 % |
| KADAMM APVT-380395-12105 | 380–395 МГц | 105° × 18° | 13,4 | 12,0 | 73 % |
| KADAMM ALP-2458V08KB | 2300–5900 МГц | 80° × 60° | 9,3 | 8,0 | 73 % |
Отношение в последнем столбце — не КПД в чистом виде: формула 41 253 / (θ·φ) не учитывает энергию в боковых и заднем лепестках, поэтому у реальной ДН КНД ниже оценки. Но порядок сохраняется: 60–90 % у панелей и директорных антенн — нормальная картина. Если по паспорту усиление выше оценки КНД, стоит перепроверить цифры.
Для параболы есть вторая формула: G = η·(π·D / λ)², η = 0,55–0,7. Для того же зеркала 1,2 м на 2,45 ГГц при η = 0,65 получается 27.9 дБи — в карточке 28 дБи.
Боковые лепестки и задний лепесток
Кроме главного лепестка, у любой антенны конечных размеров есть боковые. Уровень боковых лепестков (УБЛ) задают в дБ относительно главного. У апертуры с равномерным возбуждением первый боковой лепесток всего на 13,2 дБ ниже главного. Чтобы его опустить до −20…−30 дБ, амплитуду к краям апертуры уменьшают: луч при этом немного расширяется, а усиление падает. Это главный компромисс при проектировании решёток и облучателей зеркал.
Задний лепесток описывают коэффициентом защитного действия — отношением вперёд/назад. По карточкам KADAMM: у директорной KADAMM K81809011Y более 12 дБ, у KADAMM ADY-1850-1990-15 не менее 18 дБ, у панели KADAMM O-ATP16-1710/2700M не менее 25 дБ, у рупорной KADAMM APWD496513 не менее 32 дБ. У антенн базовых станций отдельно нормируют подавление первого верхнего бокового лепестка: он светит выше горизонта, тратит мощность и создаёт помехи дальним сотам.
Модель секторной антенны. В расчётах сетей ДН сектора описывают формулой из 3GPP TR 38.901: A(θ) = −min(12·(θ/θ₃)², Am), где θ₃ — ширина по −3 дБ, Am = 30 дБ — предел подавления. По ней на краю сектора 60° у антенны с шириной 65° уровень −10,2 дБ, а при θ₃ = 33° — уже −30 дБ.
Диаграммы направленности разных антенн
Форма ДН определяется конструкцией. Ниже — характерные диаграммы, которые чаще всего ищут по названию антенны.
| Антенна | Форма ДН | Пример KADAMM |
|---|---|---|
| Штыревая, диполь | тороид: круг в горизонтали, восьмёрка в вертикали, ширина в вертикали около 78° у полуволнового диполя | всенаправленные антенны |
| Коллинеарная | круг в горизонтали, луч в вертикали сжат до 7–30°, усиление 6–10 дБи | коллинеарные УКВ |
| Яги (волновой канал) | один главный лепесток, ширина 20–60°, задний лепесток 12–20 дБ | KADAMM ADY-400-49-0E: 20° × 32° |
| Логопериодическая | главный лепесток почти постоянной ширины во всём диапазоне | KADAMM ALP-0660V10KB: 90…35° |
| Панельная | сектор 30–120° в горизонтали, узкий луч в вертикали | KADAMM O-ATP16-1710/2700M: 25° × 16° |
| Рупорная | чистый главный лепесток, малые боковые и задний | KADAMM APWD496513: 42° × 42° |
| Параболическая (зеркальная) | игольчатый луч, ширина ≈ 70λ/D | KADAMM APB-2425: до 6° × 6° |
| Патч-антенна | полусфера, ширина 70–110°, максимум в зените | антенны ГНСС |
| Спиральная, квадрифилярная | круговая поляризация, широкий луч вверх | антенны ГНСС |
У всенаправленной антенны «круговая диаграмма направленности» относится только к горизонтальной плоскости. В вертикальной она всегда имеет провал в зените: под антенной и над ней сигнал слабее. Поэтому коллинеарную антенну с большим усилением на высокой мачте не слышно у самого основания мачты — луч проходит выше. Подробно — в статье о всенаправленных антеннах.
Ближняя и дальняя зона: где измеряют ДН
ДН определена в дальней зоне. Её граница для антенны размером D — R = 2·D² / λ. Для зеркала 1,2 м на 2,45 ГГц это 24 м, для панели длиной 0,6 м на 2,6 ГГц — около 6 м, для директорной антенны 2 м на 450 МГц — около 12 м. Ближе этой границы форма поля другая: вблизи большой антенны «луч» ещё не сформирован. Это важно и при монтаже: металл в ближней зоне (мачта, соседняя антенна, ограждение) искажает диаграмму.
Методы измерения описаны в IEEE Std 149. ДН снимают на открытом полигоне, в безэховой камере, где стены покрыты поглотителем, или сканером ближнего поля с пересчётом в дальнюю зону. Антенну вращают на поворотном столе, измерительная антенна неподвижна, уровень пишут через каждый градус или чаще. Для антенн базовых станций ДН снимают на нескольких частотах диапазона и при разных углах электрического наклона — их и публикуют в паспорте.
Поляризация и кросс-поляризация
ДН снимают для рабочей поляризации и отдельно для ортогональной. Разница между ними — кросс-поляризационная развязка. У двухпортовых антенн ±45° она определяет, насколько независимы два потока MIMO. Если в паспорте дана только основная ДН, о качестве второго порта ничего не известно — его ДН нужно запросить. У антенн с электрическим наклоном ДН приводят для минимального, среднего и максимального угла: с наклоном меняется и подавление верхнего лепестка. Как выставляют наклон, разобрано в статье «Юстировка антенны и наклон RET».
Как сравнивать антенны по диаграммам
- Один масштаб. Сравнивайте ДН в логарифмическом масштабе с одинаковой ценой деления.
- Одна частота. ДН широкополосной антенны на краях диапазона разная — у KADAMM ALP-0660V10KB ширина в горизонтали меняется от 90° на 617–960 МГц до 35° на 4800–6000 МГц.
- Обе плоскости. Узкий луч в горизонтали может сочетаться с широким в вертикали — у KADAMM APW240015 это 15° и 60°.
- Нормировка. Нормированная ДН не показывает усиления: сравнивайте ещё и дБи.
- Задний и боковые лепестки. Для сетей с повторным использованием частот они важнее лишнего децибела в главном лепестке.
Модели
