02 ноября 2011
Беспроводная технология WI-FI в системах видеонаблюдения
Часть 2
Основные понятия об антенных устройствах
Что такое антенна?
Антенно-фидерные устройства (АФУ) предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.
Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру (кабелю) от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах, от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения), до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны.
Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемного роутера или IP видеокамеры. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть, в конечном счете, в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма.
Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и, вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует, что они одинаковы по конструкции.
Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии (фидеров).
Существует в мире два типа антенн с круговой диаграммой направленности (3600) и направленной. Антенна с круговой диаграммой направленности позволяет выполнить ее регулировку в вертикальной и горизонтальной плоскости. Использование антенны с направленной диаграммой направленности позволяет увеличь расстояние приемо - передачи данных между видеокамерой и точкой доступа. Выбор антенных устройств производится по нескольким характеристикам:
- Рабочий диапазон частот
- Разъем подключения к точке доступа
- Коэффициент усиления
Внимание! Если на пути прохождения сигнала располагается глухая стена, здание или перекрытие (из армированного железобетона), то замена антенны на более мощную, не даст положительного результата. Такие преграды практически полностью поглощают и отражают сигнал передатчика. Выходом из положения является установка дополнительного ретранслятора (точка доступа в режиме моста), который имеет прямую видимость с первой точкой приема и передачи.
Для правильного выбора антенн, при применении в конкретных условиях организации связи, важно разбираться в их свойствах, таких, как диаграмма направленности, поляризация, направленность, коэффициент усиления, входной импеданс, полоса частот и т.д. Остановимся на наиболее главных характеристиках и параметрах.
Коэффициент усиления антенны
Коэффициент усиления - один из важнейших характеристик антенн.
Коэффициент усиления (КУ) антенны — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности.
КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).
КУ антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.
Обычно оперируют значением КУ G0 в направлении максимума излучения антенны. При этом КУ становится мерой эффективности антенны как способности антенны концентрировать энергию электромагнитного излучения в узком луче с учетом потерь энергии в элементах конструкции антенны и объектах, расположенных в ближней зоне антенны. Таким образом, КУ однозначно связан с коэффициентом направленного действия (КНД) D и КПД η антенны: G = D · η. При определении КПД потери на отражение из-за рассогласования входного импеданса антенны с импедансом источника возбуждения не учитываются.
Значение КУ в направлении максимума излучения может составлять от нуля до миллионов. КУ меньше единицы характерен для антенн с низким КПД: электрически малых антенн (укороченные, малогабаритные антенны) и антенн с искусственно введенными поглощающими элементами (антенны для работы в широкой и сверхширокой полосе радиочастот; антенны, располагающиеся на предельно малой высоте от грунта и др.).
Малое значение КУ не обязательно означает, что антенна обладает низким значением КНД (то есть обладает слабо выраженными направленными свойствами). И, наоборот, антенна с высоким КНД может "плохо излучать" радиоволны. Характерный пример — приемная антенна Бевереджа, обладающая типичными значениями КУ -30 дБи и КНД +15 дБи.
Принципы расчёта
где 
- КПД антенны; R ∑ и R∏ - сопротивление излучения и потерь соответственно.
Обычно интересуются максимальными значениями КНД и КУ:
Отличие КУ и КНД
Для реальных антенн простой конструкции, таких как симметричный вибратор, значение КУ практически совпадает со значением КНД, поскольку КПД таких антенн близок к 100%. Однако в ряде случаев (антенна расположена вблизи земли, содержит в конструкции поглощающие материалы, антенна сложной конструкции, антенна с управляемым положением максимума ДН) КПД может опускаться до значений 30-50% и даже ниже. Поэтому КНД и КУ таких антенн могут значительно отличаться друг от друга.
Изотропный излучатель
Изотропный излучатель — воображаемая антенна, излучающая во все направления электромагнитную энергию одинаковой интенсивности. Диаграмма направленности изотропного излучателя — круговая во всех сечениях (по векторам E и H в частности). Изотропный излучатель имеет коэффициент усиления, равный единице; его КПД = 100 %.
Применение
Изотропный излучатель считается эталоном при проектировании антенн и расчете их направленных свойств. Принятая логарифмическая оценка усиления (ослабления) реальной антенны по сравнению с изотропным излучателем — dBi (Децибел-Изотроп). В настоящее время на ИСЗ устанавливаются антенны, максимально приближенные по диаграмме направленности к изотропному излучателю.
Диаграмма направленности антенны
Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности 
электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемого антенной в дальней зоне, от угловых координат θ и φ точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость E(θ,φ).
ДН обозначается символом f(θ,φ). ДН нормируют — все значения E(θ,φ) делят на максимальное значение Em и обозначают нормированную ДН символом F(θ,φ). Очевидно,
Также можно определить ДН как комплексную величину. В этом случае, аналогично указанному выше, ДН есть:
,
где 
— комплексная амплитуда вектора в точке дальней зоны.
ДН характеризуется шириной θA её главного луча на уровне 0,5 от её максимального значения по мощности и коэффициентом направленного действия G, которые связаны соотношениями:
,
,
,
где SA, dA — эффективная площадь и протяженность апертуры антенны.
ДН обычно описываются не только в плоскости, но и в трехмерном отображении. Для упрощения их рассмотрения, принимают две проекции ДН:
горизонтальную (азимутальная)
вертикальную (по углу места)
При совместном рассмотрении проекций проясняется более полная картина самой ДН и, как подтверждает практика, по этим данным можно судить об эффективности антенны применительно к решению конкретной задачи.
Существуют амплитудные A(θ,φ), фазовые Δω(θ,φ) и поляризационные 
↑ ↓(θ,φ) ДН.
По форме диаграммы направленности антенны обычно подразделяются на узконаправленные и широконаправленные. Узконаправленные антенны имеют один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком и побочные максимумы, обычно имеющие отрицательное влияние, высоту которых стремятся уменьшить. Узконаправленные антенны применяют для концентрации мощности радиоизлучения в одном направлении для увеличения дальности действия радиоаппаратуры, а также для повышения точности угловых измерений в радиолокации. Широконаправленные антенны имеют, хотя бы в одной плоскости, диаграмму направленности, которую стремятся приблизить к кругу. Они находят применение, например, в радиовещании. Часто лепестки диаграммы направленности называют лучами антенны.
Диаграмма направленности антенны определяется амплитудно-фазовым распределением компонент электромагнитного поля в апертуре антенны, некоторой условной расчетной плоскости, связанной с ее конструкцией. Разработка антенны с требуемой диаграммой направленности сводится, таким образом, к задаче обеспечения нужной картины электромагнитного поля в плоскости апертуры. Существуют фундаментальные ограничения, связывающие обратной зависимостью ширину луча и относительный размер антенны, то есть размер, деленный на длину волны. Поэтому узкие лучи требуют антенн больших размеров или коротких волн. С другой стороны, максимальное сужение луча при данном размере антенны ведет к возрастанию уровня боковых лепестков. Поэтому в данном моменте приходится идти на приемлемый компромисс.
ДН обычно измеряют в горизонтальной или вертикальной плоскостях, для облучателей - в плоскостях Е или Н.
Диаграмма направленности антенн обычно обладает свойством взаимности, то есть аналогично работает на передачу и прием.
Поляризация
Поляризация электромагнитных волн — характеристика волн, определяющая пространственную направленность векторных волновых полей. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения.
Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. В трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.
Причиной возникновения поляризации волн может быть:
- несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
- анизотропность среды распространения волн;
- преломление и отражение на границе двух сред.
Основными являются два вида поляризации:
- линейная — колебания возмущения происходит в какой-то одной плоскости. В таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне»;
- круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой.
На основе этих двух или только круговой можно сформировать и другие, более сложные виды поляризации. Например,
эллиптическая.
|
|
|
Линейная
поляризация |
Круговая
поляризация |
Эллиптическая
поляризация |
Большинство антенн, используемых для беспроводной связи, являются антеннами с линейной поляризацией, горизонтальной или вертикальной. Первое означает что вектор электрического поля лежит в вертикальной плоскости, второе - в горизонтальной. Чаще применяется вертикальная поляризация, хотя в некоторых ситуациях антенны с горизонтальной поляризацией эффективнее.
Диаграмму направленности также принято характеризовать шириной, под которой понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ.
Чем больше усиление, тем уже диаграмма, и наоборот.
Продолжение следует
