Proč říkáme, že anténa má zisk?
Proč říkáme, že anténa má zisk?Datum zveřejnění: 19-01-2024 Datum aktualizace: 10-04-2026 🕒 8 min čtení
Konstrukce a provoz antén patří k nejsložitějším otázkám v oblasti elektroniky. Přitom poměrně často máme potřebu pořídit si anténu – nejen při realizaci vlastních elektronických projektů, ale také pro příjem televizního signálu nebo pro rozšíření dosahu domácí Wi-Fi sítě. Při této příležitosti jsme se pravděpodobně všichni setkali s pojmem „energetický zisk antény“. Ale co to vlastně znamená?
Na jedné straně má konstrukce antén pokročilý teoretický základ; na druhé straně je radiokomunikační praxe založena na experimentech, testech a neustále se vyvíjí. Začínající elektrotechnici, kteří hledají informace o anténách, se mohou záhy cítit zahlceni složitými matematickými vzorci plnými odkazů na trigonometrii a stereometrii. Ty jsou samozřejmě nezbytné pro důkladné pochopení problematiky, ale amatérský elektrotechnik (zejména začátečník) by se měl nejprve zaměřit na znalosti základů vysílání a příjmu rádiových vln. Vyhnete se tak nedorozuměním a usnadníte si výběr optimálního příslušenství.
V tomto článku odpovídáme na otázky:
- Co je to rádiový přenos?
- Jak funguje anténa?
- Co znamená „směrovost antény“?
- Proč se parametry antén udávají v decibelech?
- Jak chápat energetický zisk antény?
Zkusme si tedy vysvětlit pojmy jako „energetický zisk“, „směrovost“ nebo „dBi“, ale nenechme se rozhodit trigonometrií. Pokusme se jednoduše pochopit jevy, k nimž se tyto pojmy vztahují – a zamysleme se nad tím, proč se k jejich popisu používají právě tyto jednotky.
Základní pojmy
Na úvod se seznámíme s terminologií používanou v radiotechnice. Ta naštěstí obsahuje mnoho pojmů, které již známe z elektronické teorie a praxe. K tomu, abychom si představili rádiové vlny a pochopili, jak je používáme k přenosu dat, stačí trocha představivosti.
Elektromagnetická pole, vlny a záření
Elektromagnetické pole je stavem prostoru. Jak je již z názvu patrné, skládá se ze dvou polí: magnetického a elektrického, která na sebe vzájemně působí. Příklady tohoto působení jsou nám dobře známy z praxe, neboť tyto jevy jsou využívány v:
- motorech (proud protékající cívkou budí magnetické pole a způsobuje, že cívka odpuzuje nebo přitahuje magnet);
- generátorech, alternátorech apod. pohybující se magnet budí v kabelu elektrický proud).
Elektromagnetická vlna je porucha v elektromagnetickém poli. Šíří se prostorem rychlostí přibližně 300 milionů m/s (tato hodnota se ne nadarmo nazývá rychlostí světla). Jinými slovy, stav elektromagnetického pole se v prostoru pohybuje právě takovou rychlostí. Z toho vyplývá jednoduchý závěr, že pokud má porucha frekvenci 1 Hz (tedy její průběh se opakuje jednou za sekundu), je vlnová délka přibližně 300000000 m. V praxi jsou vlnová délka a vlnová frekvence mírami stejné vlastnosti. Čím je frekvence vyšší, tím je kratší vlnová délka. Ve vzorcích a parametrizaci je frekvence označena písmenem f (z angl. frequency), zatímco délka řeckým písmenem λ (lambda).
Vlny šířící se prostorem jsou zářením. Nejčastěji se „setkáváme“ se zářením, které se běžně označuje jako světlo. De facto to znamená, že zdroj změn elektromagnetického pole provádí tyto změny na frekvenci od 400 THz do 790 THz (terahertzů), a tedy vytváří vlnové délky 380 nm až 700 nm (nanometrů). Toto záření vnímáme našima očima. Existují samozřejmě i vlny jiných frekvencí, ale ty jsou pro lidské oko neviditelné.
Rádiové vlny, vysílání a příjem, antény
Pokud délka elektromagnetické vlny přesáhne 1 m (frekvence nižší než 300 MHz), jedná se o „rádiové vlny”. Stejně jako v případě slova „světlo“ tento pojem neodkazuje na samostatný jev, ale pouze naznačuje, o jakých frekvencích elektromagnetického záření hovoříme. V současné době se k bezdrátovému přenosu používají nejen rádiové vlny, ale také mikrovlny o frekvenci až 5 GHz.
Vyvstává otázka: Jak vysílat a přijímat rádiové vlny?
Fig. 1. Animace znázorňující buzení proudu elektromagnetickými vlnami. [zdroj: Wikipedia Commons]
Jak jsme již zmínili, elektromagnetické záření je vytvářeno elektrickým proudem protékajícím kabelem. Pokud kabelem protéká střídavý proud, jehož frekvence je (například) 100 Mhz, kabel začne „vysílat“ rádiový signál s touto frekvencí. Analogicky: v kabelu, na který působí rádiové vlny o frekvenci 100 MHz, se vybudí střídavý elektrický proud s touto periodou. Takovému „kabelu“, nebo spíše vodiči, který je uzpůsoben k plnění funkce vysílání, se říká zářič a obecněji (a když mluvíme také o příjmu) – anténa.
Mějte na paměti, že konstrukce antén mohou být složité a zahrnují komponenty, jako jsou reflektory nebo direktory, které nejsou přímo připojeny k vysílači.
Referenční dipólová anténa
Nejjednodušším typem antén je dipól (obr. 1 a 2). Je široce používán ve všech komunikačních technologiích – od rádiových signálů až po digitální přenos dat. Skládá se ze dvou vodičů stejné délky, umístěných v přímce, připojených k vedení vysílače/přijímače v blízkosti středového bodu.
Vzhledem k jednoduché konstrukci, opakovatelnosti a snadnému teoretickému modelování se referenční dipól používá jako vztažný bod pro výpočet energetického zisku antén, ale tomuto tématu se budeme věnovat dále.
Obr. 2. Spotřebitelský model dipólové antény s nastavitelnou délkou ramen.
Izotropní zdroj
Druhým typem antény, ke kterému se často vztahují vzorce a parametry radiokomunikačních produktů, je izotropní zdroj. Na rozdíl od dipólu se jedná o čistě teoretický objekt. Nemá žádnou velikost, protože je to bod v prostoru. V praxi jsou izotropnímu zdroji nejblíže hvězdy pozorované z velké vzdálenosti – vytvářejí elektromagnetické vlny, které vyzařují sféricky. Izotropní anténa je objekt, který přijímá elektromagnetické vlny (také bodově a ze všech směrů). V obou případech se předpokládá, že energie přijímaná (vysílaná) takovým objektem je beze ztrát (které jsou v praxi způsobeny mimo jiné odporem a impedancí).
Směrovost antény
Protože izotropní prvek je teoretický bod, přijímá a vyzařuje se stejným výkonem do všech směrů. V praxi potřebujeme takto fungující antény jen zřídka.
Fig. 3. Většina prvků antény typu YAGI jsou reflektory a direktory, jejichž úkolem je dosáhnout vysoké směrovosti.
Vezměme si příklad pozemního televizního příjmu a vysílání. Pokud chceme přijímat DVB-T signál, nejprve si zjistíme, kde se nachází nejbližší vysílač. Příjem signálů ze všech směrů je zbytečný, protože zdroj, který nás zajímá, je konkrétní místo. Proto se pro příjem televize často používají směrové antény, kterými instalující osoba „míří“ na vysílací stanici. Příkladem takové antény je typ YAGI, ve kterém je k přijímači připojen pouze malý dipól umístěný v blízkosti reflektoru (obr. 3) – všechny ostatní prvky zařízení mají za úkol zesilovat signál přicházející z daného směru (a dané frekvence) a zeslabovat signály přicházející z jiných zdrojů, aby se minimalizovalo rušení.
Totéž platí pro vysílání televizního signálu. Pokud má přenos probíhat v celém městě, chceme zářením pokrýt co největší oblast – a proto by se měly vlny šířit víceméně rovnoběžně s povrchem země. Energie, kterou by stanice spotřebovala na vysílání signálu směrem k obloze, by byla promrhána. Stejně tak není potřeba signálem silně pokrývat signálem budovy v blízkosti stanice, protože tam bude mít i slabší signál poměrně vysoký výkon.
Fig. 4. K nasměrování záření požadovaným směrem se používají lucernová svítidla.
Jednoduchou obdobou pro vizualizaci směrovosti antény je obyčejná lampa nebo lucerna. Žárovka vyzařuje světlo víceméně sféricky (a tedy podobně jako izotropní zdroj), přičemž kryt žárovky má na vnitřní straně bílý nebo stříbrný povrch, aby dobře odrážel světlo. Účelem této úpravy je nasměrovat záření vyzařované žárovkou tak, aby světlo dopadalo na chodník nebo vozovku, místo aby částečně unikalo do stratosféry (obr. 4).
Decibely (dB) a logaritmická stupnice
Směrovost antény je uvedena v její dokumentaci. Obvykle v podobě dvou grafů (horizontální a vertikální charakteristika) nebo trojrozměrného diagramu. Tímto způsobem se znázorňuje:
- jaké bude prostorové rozložení výkonu vyzařovaného anténou (v případě vysílací antény);
- jaký je vztah mezi směrem, ze kterého elektromagnetické vlny vycházejí, a elektrickým výkonem buzeným v anténě (v případě přijímací antény).
Jako příklad uveďme anténu 6024B300LL100SMA značky 2J z nabídky TME (obr. 5.). Jedná se o výrobek určený pro komunikaci v sítích LTE, mimo jiné v pásmu 2600 MHz (směrovost a zisk jsou uvedeny pro konkrétní frekvence, pro něž byla anténa přizpůsobena). Protože je tento výrobek určen k umístění na střechu automobilu nebo k připevnění ke kovovému krytu, je výkon vyzařovaný anténou směrem dolů (záporné hodnoty na ose Z) mnohem menší než výkon, který je vyzařován nahoru (tedy směrem k mobilním vysílačům). Stejně tomu bude i v případě příjmu.
Fig. 5. Směrovost antény LTE je znázorněna v podobě diagramu a grafů.
Všimněte si, že výkon není udáván ve wattech, ale v decibelech. Jedná se o běžnou praxi, která má dvě odůvodnění:
- Uvedené hodnoty jsou relativní (závisí na výkonu vysílače, který není znám), a proto je nelze uvádět ve wattech.
- Decibely (dB) jsou jednotky logaritmické stupnice, která usnadňuje zobrazení dat vyznačujících se velkou rozdílností hodnot.
Pokud v diagramu vidíte hodnoty udávané v dB (na rozdíl od dBW, dBi a dBd), znamená to, že výrobce uvádí poměr mezi výkonem dodávaným do antény a vyzářeným výkonem. Jak je patrné z grafů (obr. 5.), elektromagnetické vlny budou vysílány směrem nahoru s výkonem přibližně 5 dB vzhledem k výkonu vysílače. To představuje poměr zhruba 1 ku 3,16. Takový zisk samozřejmě nepřichází z ničeho nic – této hodnoty je dosaženo na úkor omezeného záření směrem dolů, kde výstupní výkon klesá na přibližně -23dB (1 až 0,005).
Zjednodušená logaritmická stupnice, která se používá k určení poměru výkonu, je následující:
| Hodnota v dB | Přibližný součin | Příslušná logaritmická hodnota |
|---|---|---|
| 30 | 1000 | 1000 |
| 20 | 100 | 100 |
| 13 | 20 | 19.9526 |
| 10 | 10 | 10 |
| 6 | 4 | 3,98107… |
| 3 | 2 | 1,99526… |
| 0 | 1 | 1 |
| -3 | 1/2 | 0,501187… |
| -6 | 1/4 | 0,251189… |
| -10 | 1/10 | 0,1 |
| -13 | 1/20 | 0,0501187… |
| -20 | 1/100 | 0,01 |
| -30 | 1/1000 | 0,001 |
Energetický zisk antény
Nyní, když již máme obecnou představu o vlastnostech antén, můžeme se věnovat jejich nejpraktičtějšímu parametru: energetickému zisku.
Energetický zisk zohledňuje nejen směrovost antény, ale také její účinnost, která je ovlivněna elektrickými vlastnostmi (např. odporem zářiče). Tento parametr dává uživateli přibližnou představu o tom, jak se bude anténa chovat v praxi. Zisk antény se obvykle udává na základě měření jejího vyzařování (nebo kvality příjmu) v místě největší směrovosti. Ve výše uvedeném příkladu antény 2J (obr. 5) by to byl vrchol tělesa na ose Z.
Zisk je uváděn v jednotkách dBi nebo dBd. Jedná se o zisk vyjádřený v decibelech vzhledem k izotropní anténě (dBi nebo referenčnímu dipólu (dBd).
Jinými slovy: zisk antény je poměr energie přijaté (vyzářené) danou anténou k energii, kterou by přijala (vyzářila) teoretická anténa připojená ke stejnému přijímači (vysílači). Zde předpokládáme, že výkon je měřen v optimálním směru.
Ve většině případů se setkáme s energetickým ziskem vyjádřeným v dBi – jedná se však o odkaz na teoretickou anténu, kterou nelze zkonstruovat a která vyzařuje 100 % dodané energie. Proto se při měřeních v laboratořích používá referenční dipólová anténa, a na základě získaných její pomoci hodnot se vypočítává izotropní hodnota. K tomuto účelu lze použít aproximaci GdBi ≈ GdBd + 2,15 dB. Kde G je zisk z angl. gain.
Jednotka dBW
V textech, které odkazují na výkon vysílače, se tato hodnota někdy uvádí v decibel-wattech (dBW) . Tyto jednotky nesouvisí s anténami a jejich ziskem – jedná se o způsob, jak upravit výkon jako jeho poměr k 1 W. A tedy: 0 dBW = 1 W, 10 dBW = 10 W, 20 dBW = 100 W atd. (dle výše uvedené tabulky).
Transfer Multisort Elektronik (TME) je jedním z největších globálních distributorů elektronických komponent, elektrotechniky, vybavení dílen a průmyslové automatizace. Katalog obsahuje více než 1 500 000 produktů od 1 300 předních výrobců. Moderní logistická centra TME v Lodži a Rzgóvu (Polsko), s celkovou plochou přes 40 000 m², každý den odesílají téměř 6 000 balíků zákazníkům ve více než 150 zemích.
TME rovněž investuje do rozvoje znalostí a dovedností mladých inženýrů a nadšenců do elektroniky prostřednictvím projektu TME Education a podporuje technologickou komunitu organizováním série TechMasterEvent, která prosazuje inovace a výměnu zkušeností.
