Efektywność każdej anteny ma bezpośredni wpływ na zysk anteny. Wzmocnienie anteny w równym stopniu wpływa na nadawanie i odbiór - cecha znana jako wzajemność.

Dipol o najwyższym wzmocnieniu to dipol 10/8 fali. Kiedy zaczniesz skracać ten dipol, jego wzmocnienie spada. Kiedy dipol staje się bardzo krótki (<<1 / 10 $ \ lambda $ ) nazywa się to dipolem nieskończenie małym. Jego zysk znacznie spada.

Aby zobaczyć, dlaczego spada zysk dipola, musimy zrozumieć podstawowe czynniki, które składają się na wzmocnienie anteny (w postaci liniowej):

$$ \ text {Gain} = \ text {Directivity} \ times \ text {Efficiency} \ tag 1 $$

Kierunkowość dipola Antena niewiele się zmienia ze względu na swój rozmiar. Na przykład dipol 1/2 długości fali ma kierunkowość 1,64, a dipol nieskończenie mały ma kierunkowość 1,5.

Głównym czynnikiem wpływającym na wzmocnienie, w przypadku tego pytania o dipol, jest sprawność. Wydajność jest definiowana jako:

$$ \ text {Efficiency} = \ frac {R_r} {R_r + R_l} \ tag 2 $$

gdzie R _r to odporność na promieniowanie, a R _l to straty rezystancyjne w antenie.

W większości przypadków dominującym czynnikiem jest odporność na promieniowanie. Dipol 1/2 fali w wolnej przestrzeni ma odporność na promieniowanie 72 omy. Dipol o długości fali 0,05 ma oporność na promieniowanie tylko 0,49 oma. Aby zobaczyć, jaki to ma wpływ, załóżmy, że straty w antenie są po prostu związane z długością przewodu. Gdyby antena o długości fali 1/2 miała straty równe 1 om, to antena o długości fali 0,05 miałaby straty 0,1 oma, ponieważ jest to 1/10 długości dipola 1/2 fali. Zgodnie z równaniem 2, daje to sprawność dipola 1/2 fali 98,6%, a sprawność dipola 0,05 długości fali 83,1%. Chociaż nie jest to jeszcze pełna historia wydajności, jeśli zatrzymamy się tutaj i włączymy te liczby do równania 1, dotychczasowe zyski wynoszą 1,63 (2,12 dBi) i 1,25 (0,98 dBi).

Aby zakończyć obraz wydajności musimy spojrzeć nie tylko na antenę, ale raczej na system antenowy. Obejmuje to wszelkie pasujące sieci i linie przesyłowe. W przypadku tego ostatniego obliczenia są dość proste i zależą od długości i częstotliwości, więc nie będę się tym zajmował. Ale pasująca sieć wymaga pewnych badań.

Celem dopasowanej sieci jest przekształcenie impedancji punktu zasilania anteny w impedancję, która minimalizuje straty w linii transmisyjnej (patrząc z perspektywy nadawania). W przypadku dipola 1/2 długości fali, gdy jest on zbliżony do ziemi, jego impedancja punktu zasilania jest prawie zgodna z impedancją zwykłego kabla koncentrycznego (50 omów), więc nie jest potrzebna żadna dopasowana sieć. W ten sposób możemy w tym przypadku przypisać 100% wydajności dopasowanej sieci.

Nieskończenie mały dipol jest bardzo krótki w porównaniu z długością fali, więc jego impedancja punktu zasilania jest zdominowana przez reaktancję pojemnościową, podczas gdy rzeczywista część jego impedancji to ułamek oma (0,49 oma we wcześniejszym przykładzie). Dopasowana sieć będzie zatem zawierać wystarczającą reaktancję indukcyjną, aby zneutralizować reaktancję pojemnościową, i będzie zawierać inne składniki reaktywne lub transformujące, aby podnieść rzeczywistą część impedancji o współczynnik około 100. Analiza wydajności takiej sieci wymaga znacznego wysiłku, ale wydajności rzędu 20% lub mniej nie są rzadkością. Używając tego zgrubnego oszacowania, wprowadza to kolejne 7 dB strat dla nieskończenie małego dipola o długości fali 0,05, zwiększając jego wzmocnienie do 0,25 (-6,02 dBi).

Podsumowując tę ​​analizę, weź pod uwagę, że różnica wzmocnienia między w tym przykładzie dwie anteny to 8,17 dB. Jeśli 100 watów w antenie 1/2 długości fali ledwo pozwoliłoby usłyszeć cię innej stacji, musiałbyś użyć więcej niż 656 watów na dipol o długości fali 0,05, aby osiągnąć ten sam wynik. Aby odebrać drugą stację, ze względu na wzajemność, musieliby zwiększyć swoją moc prawie 7 razy lub musiałbyś znaleźć odbiornik o 2,6 razy większej czułości (ponieważ czułość jest wyrażana w jednostkach terenowych, takich jak $ \ mu $ V, a zatem pierwiastek kwadratowy mocy).

I wreszcie, opór promieniowania innych długości nieskończenie małych dipoli jest związany w przybliżeniu z kwadratem ich ułamkowa długość fali. Tak więc dipol o długości fali 0,005 ma 1/100 odporności na promieniowanie naszego dipola o długości fali 0,05. Zauważając, że straty rezystancyjne spadły tylko o 1/10, jeśli wszystkie inne rzeczy są równe, i bez uwzględnienia dopasowanej wydajności sieci, wydajność anteny spadła do 33%.

Wraz ze zmianą geometrii anteny (łącznie z długością) zmienia się wzór wzmocnienia promieniowania w przestrzeni 3D. Zgodnie z wzajemnością wzór wydajności odbioru ma równoważną zmianę. Zatem efektywność odbioru zależy również od kierunku źródła RF.

Wzajemność oznacza, że ​​tak jak można zwiększyć moc nadawania w celu skompensowania mniej wydajnej anteny nadawczej, można zwiększyć wzmocnienie odbiornika, aby skompensować mniej wydajna antena odbiorcza. Jednak nawet jeśli zarówno odebrany sygnał, jak i odebrany szum są z grubsza skalowane razem, a zatem mogą być kompensowane w odbiorniku przez wzmocnienie, w pewnym momencie niższy poziom sygnału z mniej wydajnej anteny spadnie poniżej szumu termicznego (i innych wewnętrznych i pobliskie źródła szumów RF) z przodu odbiornika lub LNA, a wzmocnienie nie pomoże (S / N).

Czy dipol o danej długości będzie tak samo nieefektywny jak odbiornik jak nadajnik?

Tak, anteny są odwrotne.

W szynce jest wspólny motyw radio, że „dopasowanie anteny do TX jest ważniejsze niż dla RX”, co jest oparte na fakcie, że 1/2 mocy emitowanej przez twój wzmacniacz nadawczy może być bardzo duża i uszkodzić twój wzmacniacz, jeśli zostanie odbity z powrotem, ale:

Z punktu widzenia samego łącza nie ma znaczenia, czy stracisz x dB na nadajniku czy na odbiorniku.

Chociaż można rozsądnie udzielić Ci odpowiedzi na pytanie „co to jest sprawność $ \ frac \ lambda {10} $ dipola ", zadawanie pytania $ \ frac1 {1000} $ długości fali nie ma sensu, ponieważ wszystko jest (potencjalnie skrajnie nieefektywną) anteną dla dowolnej długości fali; jeśli chcesz, aby Twoja antena miała rozmiar $ \ frac1 {1000} $ długości fali, po prostu nie używasz dipola.

Ponadto, gdy przekraczasz trzy rzędy wielkości, zazwyczaj efekty fizyczne które nie odgrywają żadnej roli na jednej długości fali, stają się dominujące. Tak więc na pytania związane z pytaniami dotyczącymi dużych długości fal do rozmiaru anteny można odpowiedzieć rozsądnie tylko wtedy, gdy powiesz, do których pasm faktycznie dążysz. Metody i elementy, z których można zbudować antenę 200m po prostu nie są takie same jak dla 10 GHz ...

Chociaż wzajemność i dopasowanie sprzężone są faktami fizycznymi, z pewnością istnieją przykłady, w których słabo dopasowany system antenowy wystarczy do użytku tylko do odbioru, tj. w paśmie HF z wysokim poziomem szumów, gdzie odbiornik nie znajduje się w pobliżu swoich granic czułości i własne poziomy hałasu odbiorników są zagłuszane przez odbierany hałas. Osobiście często używam prawie 20dB tłumienia w torze odbiorczym, na VHF / UHF martwię się małymi przypadkowymi stratami w podajniku itp. Impedancja bardzo krótkich dipoli ma zwykle bardzo niską zawartość rezystancyjną i dużą zawartość reaktywną, trudną do dopasować się do dowolnej wydajności.