PARAMETRY ANTEN RADIOKOMUNIKACYJNYCH

Właściwości elektryczne anten określa się za pomocą charakterystyk i parametrów. Charakterystykami nazywamy zależności funkcyjne, a parametrami wielkości liczbowe.

Do parametrów anten zalicza się [1,3,6,7,9,]:
- charakterystyka promieniowania (charakterystyka kierunkowa),
- kierunkowość (zysk kierunkowy),
- zysk energetyczny,
- moc średnia izotropowa EIRP,
- długość albo powierzchnia skuteczna,
- impedancja wejściowa,
- rezystancja wejściowa,
- sprawność,
- polaryzacja,
- częstotliwościowe pasmo pracy,
- temperatura szumowa anteny,
- współczynnik przydatności.

Charakterystyka promieniowania (charakterystyka kierunkowa) jest to zależność zespolonego wektora natężenia pola elektrycznego w funkcji, np. kątowych współrzędnych sferycznych , określona na powierzchni kuli o dostatecznie dużym promieniu R, której środek pokrywa się ze środkiem anteny [9]. Wyznacza się je ze wzoru 1.1:



Odległość R, teoretycznie powinna dążyć do nieskończoności, zaś w praktyce przyjmuje się, że powinna ona odpowiadać umownemu obszarowi strefy dalekiej - wzór (1.2) [9]:



Można wyróżnić trzy strefy pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez antenę:
- pole indukcji (ang. Reactive near-field),
- strefa bliska promieniująca,
- strefa daleka.

Charakterystyka kierunkowa anteny odbiorczej to zależność siły elektromotorycznej lub prądów jakie indukują się w antenie w funkcji współrzędnych sferycznych ( i ), określających kierunek padania elektromagnetycznej fali płaskiej na antenę.

Charakterystykę kierunkową mocową (wzór 1.3) otrzymuje się dokonując pomiaru mocy promieniowanej.



W myśl zasady wzajemności, charakterystyka kierunkowa anteny nadawczej i odbiorczej są takie same.
Zazwyczaj amplitudowe charakterystyki promieniowania normalizuje się w względem ich maksymalnej wartości, odpowiednio 

Często zamiast trójwymiarowych wykresów charakterystyk promieniowania używane są przekroje kierunkowe zarówno we współrzędnych biegunowych jak i prostokątnych przedstawiane w skali logarytmicznej jako:

Stosowane są przekroje w płaszczyźnie E i H. Przekrój E wykonywany jest w płaszczyźnie wektora natężenia pola elektrycznego, natomiast przekrój H w płaszczyźnie wektora natężenia pola magnetycznego. W przypadku gdy znana jest orientacja przestrzenna anteny mówi się o pionowym lub poziomym przekroju charakterystyki promieniowania.[9]
Przykładowe charakterystyki promieniowania zostały przedstawione na rysunku 1.

Rys.1. Przykładowe charakterystyki kierunkowe [9]

Na rysunku 1b przedstawiono przekrój charakterystyki w pewnej płaszczyźnie w układzie współrzędnych biegunowych. Można na nim wyróżnić kierunek, gdzie promieniowanie pochodzące od anteny jest największe. Jest to tzw. kierunek listka głównego. Obszary promieniowania są podzielone zerami na charakterystyce. W praktyce nie osiąga się dokładnie zer i mówimy wtedy o minimach charakterystyki promieniowania. Każdy obszar promieniowania nazywamy wiązką lub listkiem (dla przekroju na płaszczyźnie). Wiązka zawierająca kierunek maksymalnego promieniowania jest nazwana wiązka główną. Pozostałe to wiązki boczne i wsteczne.
Do opisu charakterystyk promieniowania anten wykorzystuje się dodatkowe parametry:

- stosunek promieniowania głównego do wstecznego - jest parametrem określającym zdolność anteny do dyskryminacji zakłóceń. Wyrażany jest liczbowo jako stosunek maksymalnego natężenia wiązki głównej do maksymalnego natężenia największego listka bocznego, położonego w obszarze określonym przez wartość kąta azymutu i kąta elewacji w granicach od 90 do 270° względem kierunku maksymalnego promieniowania.
- szerokość wiązki głównej - określa kąt (w stopniach) zawarty między kierunkami promieniowania w wiązce głównej, dla których natężenie promieniowania spada do 0,7 swojej wartości, tj. do poziomu -3 dB. Antenę charakteryzują dwie wartości szerokości wiązki głównej; w płaszczyźnie pionowej i płaszczyźnie poziomej.

Zysk kierunkowy

Zysk kierunkowy określa zdolność do kierunkowego promieniowania energii elektromagnetycznej przez jedną antenę w porównaniu do anteny przyjętej za wzorzec. Parametr ten jest liczbą wskazującą ile razy należy zwiększyć moc wypromieniowaną przy przejściu od anteny kierunkowej do wzorcowej, aby otrzymać to samo natężenie pola (wzór 1.7) Zysk kierunkowy wyznacza się z reguły w odniesieniu do źródła izotropowego (anteny bezkierunkowej).



Zysk energetyczny

Zysk energetyczny określa się podobnie jak zysk kierunkowy, z tym że uwzględnia się straty anteny, przy założeniu bezstratności anteny wzorcowej. Zysk energetyczny G z zyskiem kierunkowym D powiązany jest przez sprawność anteny η - wzór (1.8).



Moc średnia izotropowa EIRP

Moc średnia izotropowa EIRP (ang. Effective Isotropic Radiated Power) jest to moc, którą należałoby dostarczyć do hipotetycznej anteny izotropowej, aby uzyskać taka samą gęstość mocy, jak gęstość mocy rozważanej anteny w kierunku maksymalnego promieniowania - wzór (1.9).



Długość i powierzchnia skuteczna anten

Długość skuteczną anteny określa się jako długość równoważnego dipola Hertza o rozkładzie prądu równym prądowi na zaciskach wejściowych anteny rzeczywistej, jeżeli obie anteny w kierunkach maksymalnego promieniowania i na tej samej odległości wytwarzają jednakowe natężenie poła elektrycznego. Parametr ten obowiązuje jedynie anteny prostoliniowe. Powierzchnia skuteczna odnosi się do anten aperturowych.

Impedancji wejściowej

Impedancja wejściowa to obciążenie jakie przedstawia antena dla bezpośrednio zasilającego ją generatora. Impedancja ta jest sumą rezystancji i reaktancji wejściowych.

Rezystancja wejściowa

Rezystancja wejściowa anteny składa się z dwóch części: rezystancji promieniowania i rezystancji strat. Rezystancja promieniowania charakteryzuje moc promieniowania, natomiast rezystancja strat charakteryzuje straty np. w postaci ciepła. Reaktancja wejściowa charakteryzuje moc bierną związaną z anteną. Reaktancja może być wielkością dodatnią lub ujemną, zależnie od jej znaku antena ma charakter pojemnościowy lub indukcyjny.

Sprawność anteny

Sprawność anteny oblicza się na podstawie rezystancji promieniowania i rezystancji strat.

gdzie: R - rezystancja promieniowania, r - rezystancja strat.
Rezystancja strat reprezentuje moc traconą w postaci ciepła w materiale, z którego wykonana jest antena, moc tracona w izolatorach, moc tracona na indukowanie prądów w częściach metalowych (np. w odciągach), moc tracona w ziemi.

Polaryzacja anteny

Polaryzacja anteny jest to parametr, który dotyczy polaryzacji fali wypromieniowanej przez antenę nadawczą oraz zdolność anteny odbiorczej do odbioru fal elektromagnetycznych o danym rodzaju polaryzacji [9].

Częstotliwościowe pasmo pracy

Własności szerokopasmowe charakteryzuje częstotliwościowe pasmo pracy lub inaczej szerokość pasma roboczego. Wymaga się, aby współczynnik fali stojącej oraz zysk energetyczny mierzone w zakresie pasma roboczego nie przekraczały dopuszczalnych wielkości. Definicja określa szerokość pasma roboczego jako różnicę pomiędzy dwiema częstotliwościami (f1- f2), których wartość natężenia pola elektromagnetycznego obniży się do poziomu 0,7 (tzn. -3 dB) swej wartości maksymalnej.

Temperatura szumowa anteny

Temperatura szumowa anteny jest parametrem odnoszącym się do anten odbiorczych. Szumy wywołane ruchami cieplnymi elektronów w materiale, z którego wykonana jest antena, noszą nazwę szumów własnych i charakteryzują się tzw. własną temperaturą szumową. Inaczej mówiąc jest to temperatura, do której należałoby nagrzać rezystancję promieniowania anteny, aby moc jej szumów cieplnych była równa mocy szumów anteny.

Współczynnik przydatności układu antenowego [1]

Spośród wyżej wymienionych parametrów najczęściej wykonywane są pomiary:
- impedancji wejściowej i współczynnika dopasowania anteny do linii zasilającej (najczęściej WFS – współczynnik fali stojącej)
- charakterystyki promieniowania i jej zysku energetycznego.

Tekst opracowany przez Pawła Karczewskiego na podstawie:

1. K. Aniserowicz, Materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu Anteny i transmisja fal, Białystok.
3. C.A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, J. Wiley & Sons, New York 1997.
6. D.J. Bem, Anteny i rozchodzenie się fal radiowych, WNT, Warszawa 1973.
7. Z. Bieńkowski, Poradnik ultrakrótkofalowca, WKŁ, Warszawa 1988.
9. J. Modelski, E. Jaszczyszyn, H. Chaciński, P. Majchrzak, Pomiary parametrów anten, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2004.