Prečo hovoríme, že anténa má zisk?

Na jednej strane má konštrukcia antén pokročilé teoretické základy; na druhej strane sú však základom rádiokomunikačnej praxe hlavne experimenty, testy a táto oblasť sa neustále dynamicky rozvíja. Začínajúci elektronickí inžinieri, ktorí hľadajú informácie o anténach, sa môžu rýchlo cítiť zavalení zložitými matematickými vzorcami plnými odkazov na trigonometriu a stereometriu. Sú, samozrejme, nevyhnutné pre dôkladné pochopenie problematiky, nadšenec elektroniky (najmä začiatočník) by sa však mal predovšetkým zamerať na pochopenie základných pojmov v oblasti vysielania a prijímania rádiových vĺn. Vďaka tomu sa vyhne nedorozumeniam a výrazne si uľahčí výber optimálneho príslušenstva.

V tomto článku odpovedáme na otázky:

• Čo je základom rádiového prenosu?
• Ako funguje anténa?
• Čo znamená pojem „smerovosť antény”?
• Prečo sa parametre antény uvádzajú v decibeloch?
• Čo je to chápať energetický zisk antény?

Skúsme si teda vysvetliť pojmy ako „energetický zisk“, „smerovosť“ či „dBi“, no nenechajme sa odradiť trigonometriou. Skúsme len pochopiť javy, na ktoré sa tieto pojmy vzťahujú – a pouvažujme, prečo sa na ich opis používajú určité jednotky a nie iné.

Základné pojmy

Najprv sa osvojme s terminológiou používanou v rádiotechnike. Našťastie sa v nej používa veľa pojmov, ktoré už poznáme z elektronickej teórie a praxe. Na predstavenie si rádiových vĺn a pochopenie toho, akým spôsobom ich využívame pri prenose údajov, stačí len štipka predstavivosti.

Elektromagnetické pole, vlny a žiarenie

Elektromagnetické pole je určitým stavom priestoru. Ako už názov napovedá, pozostáva z dvoch zložiek: z magnetickej a elektrickej, ktoré sa navzájom ovplyvňujú. Príklady tejto vzájomnej interakcie veľmi dobre poznáme z praxe, nakoľko sa tento jav využíva v:

1. elektromotoroch (prúd tečúci v cievke generuje magnetické pole a vyvoláva priťahovanie alebo odpudzovanie cievky magnetom);
2. generátoroch, alternátoroch atď. (pohybujúci sa magnet indukuje vo vodiči elektrický prúd).

Elektromagnetická vlna je určitým narušením elektromagnetického poľa. V priestore sa šíri rýchlosťou približne 300 miliónov m/s (táto hodnota sa nie bez príčiny nazýva rýchlosťou svetla). Inými slovami, stav elektromagnetického poľa sa v priestore presúva touto rýchlosťou. Jednoduchým záverom teda je, že ak majú tieto narušenia frekvenciu 1 Hz (t. j. ich priebeh sa opakuje raz za sekundu), vlnová dĺžka je približne 300 000 000 m. V praxi sú vlnová dĺžka a frekvencia vlny mierou tej istej vlastnosti. Čím je frekvencia vyššia, tým kratšia je vlnová dĺžka. Vo vzorcoch a parametrizácii sa frekvencia označuje písmenom f (od ang. frequency), zatiaľ čo vlnová dĺžka gréckym symbolom λ (lambda).

Vlny šíriace sa v priestore tvoria žiarenie. Najčastejšie sa „stretávame“ so žiarením, ktoré bežne nazývame svetlom. De facto to znamená, že zdroj elektromagnetického poľa generuje jeho zmeny s frekvenciou od 400 THz do 790 THz (terahertzov), a teda generuje vlny s vlnovou dĺžkou od 380 nm do 700 nm (nanometrov). Takéto žiarenie registrujeme zrakom. Vlny s inými frekvenciami, samozrejme, tiež existujú, sú však pre ľudské oko neviditeľné.

Rádiové vlny, vysielanie a prijímanie, antény

Ak dĺžka elektromagnetickej vlny presiahne 1 m (frekvencie pod 300 MHz), máme do činenia s „rádiovými vlnami”. Rovnako ako v prípade „svetla“, ani tento pojem sa nevzťahuje na samostatný jav, len naznačuje, o akých frekvenciách elektromagnetického žiarenia hovoríme. V súčasnosti sa pri bezdrôtovom prenose využívajú nielen rádiové vlny, ale aj mikrovlny s frekvenciou do 5 GHz.

Vzniká tu otázka: akým spôsobom je možné vysielať a prijímať rádiové vlny? 

Ako sme už spomenuli, elektromagnetické žiarenie vytvára elektrický prúd pretekajúci vodičom. Ak vodičom preteká striedavý prúd, ktorého frekvencia je (napríklad) 100 MHz, vodič začne „vysielať“ rádiový signál s touto frekvenciou. Analogicky, vo vodiči, na ktorý pôsobia rádiové vlny s frekvenciou 100 MHz, sa bude indukovať striedavý elektrický prúd s rovnakou frekvenciou. Takýto „drôt”, respektíve vodič, prispôsobený na vykonávanie funkcie vysielania, nazývame žiaričom, a všeobecnejšie (keď hovoríme aj o prijímaní signálu) – anténou.

Treba mať na pamäti, že konštrukcia antény môže byť pomerne zložitá a môže obsahovať také prvky ako reflektory alebo direktory, ktoré nie sú priamo pripojené k vysielaču.

Štandardná dipólová anténa

Najjednoduchším typom antény je dipól (Obr. 12). Je široko používaný vo všetkých komunikačných technológiách – od rádiových signálov až po digitálny prenos dát. Pozostáva z dvoch vodičov rovnakej dĺžky, umiestnených v priamke, pripojených k vedeniu vysielača/prijímača blízko centrálneho bodu.

Vzhľadom na svoju jednoduchú konštrukciu, opakovateľnosť a jednoduchosť teoretického modelovania, sa štandardný dipól používa ako referenčný bod pri výpočtoch energetického zisku antén. Túto problematiku však rozoberieme o niečo neskôr.

Izotropný zdroj

Druhým typom antény, na ktorý sa často vzťahujú vzorce a parametre rádiokomunikačných produktov, je tzv. izotropný zdroj. Na rozdiel od dipólu ide o čisto teoretický objekt. Nemá žiadne rozmery, nakoľko je to len bod v priestore. V praxi sa za izotropné zdroje považujú napr. hviezdy pozorované z veľkej vzdialenosti – vytvárajú sféricky vyžarované elektromagnetické vlny. Izotropná anténa je teda bodový objekt prijímajúci elektromagnetické vlny zo všetkých smerov. V oboch prípadoch sa predpokladá, že energia prijatá (vyžiarená) takýmto objektom nepodlieha žiadnym stratám (ktoré sú v praxi spôsobené okrem iného odporom a impedanciou).

Smerovosť antény

Keďže sa izotropný zdroj považuje za teoretický bod, vo všetkých smeroch prijíma a vyžaruje energiu s rovnakou silou. V praxi však len zriedka potrebujeme antény, ktoré fungujú týmto spôsobom.

Zamyslime sa, napríklad, nad prijímaním a vysielaním pozemnej televízie. Ak chceme prijímať signál DVB-T, v prvom rade musíme zistiť, kde sa nachádza najbližší vysielač. Prijímanie signálov zo všetkých smerov je zbytočné, pretože zdroj, ktorý nás zaujíma, sa nachádza v jednej konkrétnej lokalizácii. Na príjem televízneho signálu sa preto často používajú smerové antény, ktorými inštalatér „mieri“ na vysielaciu stanicu. Príkladom takejto antény je anténa typu YAGI, v ktorej je k prijímaču pripojený len malý dipól umiestnený v blízkosti reflektora (obr. 3) – všetky ostatné prvky zariadenia slúžia na zosilnenie signálu prichádzajúceho z daného smeru (a s danou frekvenciou) a utlmenie signálov prichádzajúcich z iných zdrojov, tak aby sa minimalizovalo rušenie.

To isté platí aj v prípade vysielania televízneho signálu. Ak je prenos určený pre celé mesto, chceme žiarením pokryť čo najširšie územie – vlny by sa preto mali šíriť viac-menej rovnobežne s povrchom zeme. Energia, ktorú by stanica využila na vysielanie signálu smerom do neba, by tak bola premárnená. Podobne nie je potrebné silne pokrývať signálom budovy v blízkosti stanice, pretože aj slabší signál tam bude mať relatívne vysoký výkon.

Jednoduchou analógiou znázorňujúcou smerovosť antény je obyčajná lampa alebo maják. Žiarovka vyžaruje svetlo viac-menej sféricky (a teda podobne ako izotropný zdroj), zatiaľ čo puzdro žiarovky má z vnútornej strany bielu alebo striebornú povrchovú úpravu, ktorá dobre odráža svetlo. Účelom takejto povrchovej úpravy je nasmerovať žiarenie vyžarované žiarovkou tak, aby neunikalo do stratosféry, ale aby namiesto toho dopadalo na chodník alebo cestu (obr. 4).

Decibely (dB) a logaritmická stupnica

Smerovosť antény je vždy uvedená v jej dokumentácii. Zvyčajne je to vo forme dvoch grafov (horizontálnej charakteristiky a vertikálnej charakteristiky), respektíve v podobe trojrozmerného grafu. Týmto spôsobom sa ilustruje:

• aké bude priestorové rozloženie anténou vyžarovaného výkonu (v prípade vysielacej antény);
• aký je vzťah medzi smerom, z ktorého prichádzajú elektromagnetické vlny, a v anténe vybudeným elektrickým výkonom (v prípade prijímacej antény).

Vezmime si ako príklad anténu 6024B300LL100SMA značky 2J z ponuky TME (obr. 5). Ide o produkt určený na komunikáciu v sieťach LTE, okrem iného v pásme 2600 MHz (smerovosť a zisk sa uvádzajú vždy pre tie frekvencie, pre ktoré je anténa prispôsobená). Keďže je tento výrobok určený na umiestnenie na strechu auta alebo na montáž na kovovom kryte, výkon vyžarovaný anténou smerom nadol (záporné hodnoty Z) je oveľa menší ako výkon, ktorý bude vyžarovaný smerom nahor (t. j. smerom k vysielačom mobilných sietí). To isté bude platiť aj pri prijímaní signálu.

Všimnime si, že výkon nie je uvedený vo wattoch, ale v decibeloch. Je to bežná prax a má dve opodstatnenia:

1. Uvedené hodnoty sú relatívne (závisia vždy od výkonu vysielača, ktorý nie je známy), preto ich nie je možné uviesť vo wattoch.
2. Decibely (dB) sú jednotkami na logaritmickej stupnici, ktorá uľahčuje prezentáciu údajov s veľmi veľkým rozsahom.

Ak sú v tabuľke uvedené hodnoty v dB (na rozdiel od dBW, dBi a dBd), znamená to, že výrobca uvádza pomer vyžiareného výkonu k výkonu privádzanému do antény. Ako vyplýva z grafov (obr. 5), elektromagnetické vlny budú vysielané smerom nahor s výkonom približne 5 dB vzhľadom k výkonu vysielača. Ide približne o pomer 1:3,16. Takéto zosilnenie nie je, samozrejme, zadarmo - je to na úkor obmedzeného vyžarovania smerom nadol, kde výstupný výkon klesá na približne -23 dB (pomer 1:0,005).

Zjednodušená logaritmická stupnica, používaná na určovanie pomeru výkonov je nasledovná:

Energetický zisk antény

Teraz, keď už vo všeobecnosti chápeme základné vlastností antén, môžeme sa prizrieť ich najpraktickejšiemu parametru, ktorým je ich energetický zisk.

Energetický zisk zohľadňuje nielen smerovosť antény, ale aj jej účinnosť, ktorá je ovplyvnená elektrickými vlastnosťami (napr. odporom žiariča). Tento parameter dáva používateľovi približnú predstavu o tom, ako sa bude anténa správať v praxi. Typicky sa zisk antény zisťuje meraním jej vyžarovania (alebo kvality príjmu) v bode najväčšej smerovosti. Vo vyššie uvedenom príklade antény 2J (obr. 5) by to bola horná časť telesa na osi Z.

Zisk sa vyjadruje v jednotkách dBi alebo dBd, ktoré vyjadrujú zisk v decibeloch vzhľadom k izotropnej anténe (dBi), respektíve vzhľadom k referenčnému dipólu (dBd).

Inými slovami: zisk antény je pomer energie prijatej (vyžiarenej) danou anténou k energii, ktorú by prijala (vyžiarila) teoretická anténa pripojená k rovnakému prijímaču (vysielaču). Pričom tu predpokladáme meranie výkonu v optimálnom smere.

Vo väčšine prípadov sa stretneme s energetickým ziskom vyjadreným v dBi – ide teda o zisk vyjadrený vzhľadom k teoretickej anténe vyžarujúcej 100 % dodanej energie, ktorú však nie je možné skonštruovať. Preto sa pri meraniach v laboratóriách používa štandardná dipólová anténa a na základe takto získaných hodnôt sa následne dopočíta izotropná hodnota. Na tento účel je možné použiť aproximáciu GdBi ≈ GdBd + 2,15 dB. Kde G označuje zisk, od ang. LDR - light dependent resistor.

Jednotka dBW

V textoch, v ktorých sa spomína výkon vysielača, sa táto hodnota niekedy uvádza v decibel-wattoch (dBW). Tieto jednotky nemajú žiadny súvis s anténami a ich ziskom – sú len spôsobom na konverziu výkonu ako jeho pomeru k 1 W. Takže: 0 dBW = 1 W, 10 dBW = 10 W, 20 dBW = 100 W atď. (podľa vyššie uvedenej tabuľky).

Text spracovala spoločnosť Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.