Antena to urządzenie, które służy jako interfejs między obwodem elektrycznym a przestrzenią, zaprojektowane do przesyłania i odbierania fal elektromagnetycznych w określonym zakresie częstotliwości zgodnie z własnym rozmiarem i kształtem. Wykonany jest z metalu, głównie miedzi lub aluminium, anteny nadawcze mogą przetwarzać prąd elektryczny na promieniowanie elektromagnetyczne i odwrotnie. Każde urządzenie bezprzewodowe zawiera co najmniej jedną antenę.
Fale radiowe sieci bezprzewodowej
Gdy pojawia się potrzeba komunikacji bezprzewodowej, potrzebna jest antena. Ma możliwość wysyłania lub odbierania fal elektromagnetycznych w celu komunikacji tam, gdzie nie można zainstalować systemu przewodowego.
Antena jest kluczowym elementem tej technologii bezprzewodowej. Fale radiowe są łatwo tworzone i szeroko stosowane w komunikacji wewnętrznej i zewnętrznej ze względu na ich zdolność do przechodzenia przez budynki i pokonywania dużych odległości.
Kluczowe cechy anten nadawczych:
- Ponieważ transmisja radiowa jest dookólna, potrzeba fizycznego dopasowaniawymagany jest nadajnik i odbiornik.
- Częstotliwość fal radiowych określa wiele cech transmisji.
- Przy niskich częstotliwościach fale mogą z łatwością przenikać przez przeszkody. Jednak ich moc spada wraz z odwrotnością kwadratu odległości.
- Fale o wyższej częstotliwości są bardziej podatne na pochłanianie i odbijanie się od przeszkód. Ze względu na duży zasięg transmisji fal radiowych problemem są zakłócenia między transmisjami.
- W pasmach VLF, LF i MF propagacja fali, zwana również falami przyziemnymi, podąża za krzywizną Ziemi.
- Maksymalne zasięgi transmisji tych fal są rzędu kilkuset kilometrów.
- Anteny nadawcze są używane do transmisji o niskiej przepustowości, takich jak transmisje z modulacją amplitudy (AM).
- Transmisje w pasmach HF i VHF są pochłaniane przez atmosferę w pobliżu powierzchni Ziemi. Jednak część promieniowania, zwana falą powietrzną, rozchodzi się na zewnątrz i w górę w kierunku jonosfery w górnych warstwach atmosfery. Jonosfera zawiera zjonizowane cząstki utworzone przez promieniowanie słoneczne. Te zjonizowane cząstki odbijają fale nieba z powrotem na Ziemię.
Propagacja fali
- Propagacja linii wzroku. Spośród wszystkich metod dystrybucji jest to najczęstsze. Fala pokonuje minimalną odległość, którą można zobaczyć gołym okiem. Następnie należy użyć nadajnika wzmacniacza, aby zwiększyć sygnał i przesłać go ponownie. Taka propagacja nie będzie płynna, jeśli na jej ścieżce transmisji znajdzie się jakakolwiek przeszkoda. Ta transmisja jest używana do transmisji w podczerwieni lub w mikrofalach.
- Propagacja fali przyziemnej z anteny nadawczej. Rozchodzenie się fali na ziemię następuje wzdłuż konturu Ziemi. Taka fala nazywana jest falą bezpośrednią. Fala czasami ugina się pod wpływem pola magnetycznego Ziemi i uderza w odbiornik. Taką falę można nazwać falą odbitą.
- Fala rozchodząca się przez atmosferę ziemską jest znana jako fala ziemska. Fala bezpośrednia i fala odbita razem dają sygnał w stacji odbiorczej. Kiedy fala dotrze do odbiornika, opóźnienie ustaje. Ponadto sygnał jest filtrowany, aby uniknąć zniekształceń i wzmocnienia w celu uzyskania czystego sygnału wyjściowego. Fale są nadawane z jednego miejsca i tam, gdzie są odbierane przez wiele anten nadawczo-odbiorczych.
Układ współrzędnych pomiaru anteny
Przyglądając się modelom płaskim, użytkownik zostanie skonfrontowany ze wskaźnikami azymutu płaszczyzny i wysokości płaszczyzny wzoru. Termin azymut zwykle występuje w odniesieniu do „horyzontu” lub „poziomu”, podczas gdy termin „wysokość” zwykle odnosi się do „pionu”. Na rysunku płaszczyzna xy jest płaszczyzną azymutu.
Wzorzec płaszczyzny azymutalnej jest mierzony, gdy pomiar jest wykonywany przez przesunięcie całej płaszczyzny xy wokół testowanej anteny nadawczo-odbiorczej. Płaszczyzna elewacji to płaszczyzna prostopadła do płaszczyzny xy, taka jak płaszczyzna yz. Plan elewacji obejmuje całą płaszczyznę YZ wokół testowanej anteny.
Próbki (azymuty i wzniesienia) są często wyświetlane jako wykresy w biegunachwspółrzędne. Daje to użytkownikowi możliwość łatwej wizualizacji, jak antena promieniuje we wszystkich kierunkach, tak jakby była już „skierowana” lub zamontowana. Czasami przydatne jest narysowanie wzorców promieniowania we współrzędnych kartezjańskich, zwłaszcza gdy we wzorcach jest wiele listków bocznych i gdy poziomy listków bocznych są ważne.
Podstawowe cechy komunikacji
Anteny są niezbędnymi elementami każdego obwodu elektrycznego, ponieważ zapewniają połączenie między nadajnikiem a wolną przestrzenią lub między wolną przestrzenią a odbiornikiem. Zanim zaczniesz mówić o rodzajach anten, musisz poznać ich właściwości.
Antenna Array - Systematyczne rozmieszczenie anten, które współpracują ze sobą. Poszczególne anteny w szyku są zwykle tego samego typu i znajdują się w bliskiej odległości, w stałej odległości od siebie. Matryca pozwala na zwiększenie kierunkowości, kontrolę głównych wiązek promieniowania i bocznych wiązek.
Wszystkie anteny mają pasywny zysk. Zysk pasywny jest mierzony w dBi, co jest związane z teoretyczną anteną izotropową. Uważa się, że przekazuje energię jednakowo we wszystkich kierunkach, ale nie istnieje w naturze. Zysk idealnej półfalowej anteny dipolowej wynosi 2,15 dBi.
EIRP lub równoważna izotropowa moc wypromieniowana anteny nadawczej jest miarą maksymalnej mocy, jaką teoretyczna antena izotropowa wypromieniowałaby w kierunkumaksymalny zysk. EIRP uwzględnia straty z linii energetycznych i złączy oraz uwzględnia rzeczywisty zysk. EIRP umożliwia obliczenie rzeczywistej mocy i natężenia pola, jeśli znane są rzeczywiste wzmocnienie nadajnika i moc wyjściowa.
Wzmocnienie anteny w kierunkach
Jest to zdefiniowane jako stosunek wzmocnienia mocy w danym kierunku do wzmocnienia mocy anteny odniesienia w tym samym kierunku. Standardową praktyką jest stosowanie promiennika izotropowego jako anteny odniesienia. W takim przypadku emiter izotropowy będzie bezstratny, promieniuje równo we wszystkich kierunkach. Oznacza to, że wzmocnienie promiennika izotropowego wynosi G=1 (lub 0 dB). Powszechnie stosuje się jednostkę dBi (decybele w stosunku do promiennika izotropowego) do wzmocnienia w stosunku do promiennika izotropowego.
Wzmocnienie wyrażone w dBi jest obliczane przy użyciu następującego wzoru: GdBi=10Log (GNnumeryczny / GISotropowy)=10Log (GNnumeryczny).
Czasami dipol teoretyczny jest używany jako odniesienie, więc jednostka dBd (decybele względem dipola) będzie używana do opisania wzmocnienia względem dipola. Blok ten jest zwykle używany do wzmacniania anten dookólnych o większym zysku. W tym przypadku ich zysk jest wyższy o 2,2 dBi. Więc jeśli antena ma zysk 3 dBu, całkowity zysk wyniesie 5,2 dBi.
3 dB szerokość wiązki
Ta szerokość wiązki (lub szerokość wiązki o połowie mocy) anteny jest zwykle określana dla każdej z głównych płaszczyzn. Szerokość wiązki 3 dB w każdej płaszczyźnie jest zdefiniowana jako kąt między punktami głównego płata, który jest zmniejszony od maksymalnego wzmocnienia o 3 dB. Szerokość wiązki 3 dB - kąt między dwiema niebieskimi liniami w obszarze polarnym. W tym przykładzie szerokość wiązki 3 dB w tej płaszczyźnie wynosi około 37 stopni. Anteny o szerokiej szerokości wiązki mają zazwyczaj niski zysk, podczas gdy anteny o wąskiej szerokości wiązki mają większy zysk.
Tak więc antena, która kieruje większość swojej energii na wąską wiązkę, przynajmniej w jednej płaszczyźnie, będzie miała większy zysk. Stosunek przód-tył (F/B) jest używany jako miara jakości, która próbuje opisać poziom promieniowania z tyłu anteny kierunkowej. Zasadniczo stosunek przód-tył jest stosunkiem wzmocnienia szczytowego w kierunku do przodu do wzmocnienia 180 stopni za szczytem. Oczywiście w skali DB stosunek przód-tył jest po prostu różnicą między wzmocnieniem szczytowym w przód a wzmocnieniem 180 stopni za szczytem.
Klasyfikacja anten
Istnieje wiele rodzajów anten do różnych zastosowań, takich jak komunikacja, radar, pomiary, symulacja impulsów elektromagnetycznych (EMP), kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) itp. Niektóre z nich są przeznaczone do pracy w wąskich pasmach częstotliwości, podczas gdy inniprzeznaczony do emitowania/odbierania impulsów przejściowych. Dane techniczne anteny nadawczej:
- Fizyczna struktura anteny.
- Pasma częstotliwości.
- Tryb aplikacji.
Poniżej przedstawiono typy anten zgodnie z fizyczną strukturą:
- przewód;
- przysłona;
- refleksyjne;
- soczewka anteny;
- anteny mikropaskowe;
- masywne anteny.
Poniżej znajdują się typy anten nadawczych w zależności od częstotliwości pracy:
- Bardzo niska częstotliwość (VLF).
- Niska częstotliwość (LF).
- Średnia częstotliwość (MF).
- Wysoka częstotliwość (HF).
- Bardzo wysoka częstotliwość (VHF).
- Ultra wysoka częstotliwość (UHF).
- Super wysoka częstotliwość (SHF).
- Fala mikrofalowa.
- Fala radiowa.
Następujące anteny nadają i odbierają zgodnie z trybami aplikacji:
- Połączenie punkt-punkt.
- Aplikacje do nadawania.
- Komunikacja radarowa.
- Komunikacja satelitarna.
Cechy projektowe
Anteny nadawcze wytwarzają promieniowanie o częstotliwości radiowej, które rozchodzi się w przestrzeni. Anteny odbiorcze wykonują proces odwrotny: odbierają promieniowanie o częstotliwości radiowej i przekształcają je na pożądane sygnały, takie jak dźwięk, obraz w antenach nadawczych telewizji i telefonie komórkowym.
Najprostszy typ anteny składa się z dwóch metalowych prętów i jest znany jako dipol. Jednym z najczęstszych typów jestantena monopolowa składająca się z pręta umieszczonego pionowo na dużej metalowej płycie, która służy jako płaszczyzna uziemienia. Montaż na pojazdach jest zwykle jednobiegunowy, a metalowy dach pojazdu służy jako podłoże. Konstrukcja anteny nadawczej, jej kształt i rozmiar określają częstotliwość roboczą i inne charakterystyki promieniowania.
Jednym z ważnych atrybutów anteny jest jej kierunkowość. W komunikacji między dwoma stałymi celami, jak w komunikacji między dwiema stałymi stacjami transmisyjnymi, lub w zastosowaniach radarowych, wymagana jest antena do bezpośredniego przesyłania energii transmisji do odbiornika. Odwrotnie, gdy nadajnik lub odbiornik nie jest stacjonarny, jak w komunikacji komórkowej, wymagany jest system bezkierunkowy. W takich przypadkach wymagana jest antena dookólna, która odbiera wszystkie częstotliwości równomiernie we wszystkich kierunkach w płaszczyźnie poziomej, aw płaszczyźnie pionowej promieniowanie jest nierównomierne i bardzo małe, jak antena nadawcza HF.
Nadawanie i odbieranie źródeł
Nadajnik jest głównym źródłem promieniowania RF. Ten typ składa się z przewodnika, którego intensywność zmienia się w czasie i przekształca go w promieniowanie o częstotliwości radiowej, które rozchodzi się w przestrzeni. Antena odbiorcza - urządzenie do odbioru częstotliwości radiowych (RF). Wykonuje transmisję zwrotną realizowaną przez nadajnik, odbiera promieniowanie RF, przetwarza je na prądy elektryczne w obwodzie anteny.
Stacje telewizyjne i radiowe wykorzystują anteny nadawcze do przesyłania określonych rodzajów sygnałów, które rozchodzą się w powietrzu. Sygnały te są wykrywane przez anteny odbiorcze, które przekształcają je na sygnały i są odbierane przez odpowiednie urządzenie, takie jak telewizor, radio, telefon komórkowy.
Anteny odbiorcze radia i telewizji są zaprojektowane do odbioru wyłącznie promieniowania o częstotliwości radiowej i nie wytwarzają promieniowania o częstotliwości radiowej. Urządzenia komunikacji komórkowej, takie jak stacje bazowe, repeatery i telefony komórkowe, mają dedykowane anteny nadawcze i odbiorcze, które emitują energię o częstotliwości radiowej i obsługują sieci komórkowe zgodnie z technologiami sieci komunikacyjnych.
Różnica między anteną analogową a cyfrową:
- Antena analogowa ma zmienny zysk i działa w zasięgu 50 km dla DVB-T. Im dalej użytkownik znajduje się od źródła sygnału, tym gorszy sygnał.
- Aby odbierać telewizję cyfrową - użytkownik otrzymuje albo dobry obraz, albo w ogóle. Jeśli jest daleko od źródła sygnału, nie otrzymuje żadnego obrazu.
- Nadawcza antena cyfrowa ma wbudowane filtry, które redukują szumy i poprawiają jakość obrazu.
- Sygnał analogowy jest przesyłany bezpośrednio do telewizora, natomiast sygnał cyfrowy musi zostać najpierw zdekodowany. Pozwala na poprawianie błędów, a także danych, takich jak kompresja sygnału, dla większej liczby funkcji, takich jak dodatkowe kanały, EPG, płatna telewizja,gry interaktywne itp.
Nadajniki dipolowe
Anteny dipolowe są najczęstszym typem dookólnym i rozprowadzają energię częstotliwości radiowej (RF) 360 stopni w poziomie. Urządzenia te są zaprojektowane tak, aby wywoływały rezonans przy połowie lub jednej czwartej długości fali stosowanej częstotliwości. Może to być tak proste, jak dwa odcinki drutu lub może być w obudowie.
Dipole jest używany w wielu sieciach korporacyjnych, małych biurach i do użytku domowego (SOHO). Ma typową impedancję dopasowaną do nadajnika w celu maksymalnego przenoszenia mocy. Jeśli antena i nadajnik nie pasują do siebie, na linii transmisyjnej pojawią się odbicia, które degradują sygnał, a nawet uszkadzają nadajnik.
Ukierunkowane skupienie
Anteny kierunkowe skupiają wypromieniowaną moc na wąskie wiązki, zapewniając znaczny zysk w tym procesie. Jego właściwości są również wzajemne. Charakterystyki anteny nadawczej, takie jak impedancja i zysk, dotyczą również anteny odbiorczej. Dlatego ta sama antena może być używana zarówno do wysyłania, jak i odbierania sygnału. Wzmocnienie wysoce kierunkowej anteny parabolicznej służy do wzmocnienia słabego sygnału. Jest to jeden z powodów, dla których są one często używane do komunikacji na duże odległości.
Powszechnie używaną anteną kierunkową jest macierz Yagi-Uda o nazwie Yagi. Został wynaleziony przez Shintaro Udę i jego kolegę Hidetsugu Yagi w 1926 roku. Antena Yagi wykorzystuje kilka elementów dotworząc ukierunkowaną tablicę. Jeden napędzany element, zwykle dipol, propaguje energię RF, elementy bezpośrednio przed i za napędzanym elementem ponownie emitują energię RF w fazie i poza fazą, odpowiednio wzmacniając i spowalniając sygnał.
Te elementy nazywane są elementami pasożytniczymi. Element za niewolnikiem nazywany jest reflektorem, a elementy przed niewolnikiem nazywane są dyrektorami. Anteny Yagi mają szerokość wiązki od 30 do 80 stopni i mogą zapewnić ponad 10 dBi wzmocnienia pasywnego.
Antena paraboliczna jest najbardziej znanym typem anteny kierunkowej. Parabola to symetryczna krzywa, a paraboliczny reflektor to powierzchnia opisująca krzywą podczas obrotu o 360 stopni - czasza. Anteny paraboliczne są używane do połączeń na duże odległości między budynkami lub dużymi obszarami geograficznymi.
Grzejniki sekcyjne półkierunkowe
Antena krosowa to półkierunkowy promiennik wykorzystujący płaski metalowy pasek montowany nad ziemią. Promieniowanie z tyłu anteny jest skutecznie przycinane przez płaszczyznę uziemienia, zwiększając kierunkowość do przodu. Ten typ anteny jest również znany jako antena mikropaskowa. Zwykle jest prostokątny i zamknięty w plastikowej obudowie. Ten typ anteny może być wyprodukowany standardowymi metodami PCB.
Antena krosowa może mieć szerokość wiązki od 30 do 180 stopni itypowe wzmocnienie to 9 dB. Anteny segmentowe to kolejny rodzaj anten półkierunkowych. Anteny sektorowe zapewniają charakterystykę promieniowania sektorowego i są zwykle instalowane w szyku. Szerokość wiązki dla anteny sektorowej może wynosić od 60 do 180 stopni, przy czym typowo 120 stopni. W szyku podzielonym anteny są montowane blisko siebie, zapewniając pełne pokrycie w zakresie 360 stopni.
Tworzenie anteny Yagi-Uda
W ciągu ostatnich dziesięcioleci antena Yagi-Uda była widoczna w prawie każdym domu.
Widać, że jest wielu reżyserów, którzy zwiększają kierunkowość anteny. Podajnik jest dipolem złożonym. Odbłyśnik to długi element, który znajduje się na końcu konstrukcji. Do tej anteny należy zastosować następujące specyfikacje.
| Element | Specyfikacja |
| Kontrolowana długość elementu | 0.458λ do 0.5λ |
| Długość reflektora | 0, 55λ - 0,58λ |
| Czas trwania dyrektora 1 | 0.45λ |
| Długość dyrektora 2 | 0.40λ |
| Czas trwania dyrektora 3 | 0.35λ |
| Odstęp między reżyserami | 0.2λ |
| Odbłyśnik odległości między dipolami | 0.35λ |
| Odległość między dipolami a reżyserem | 0.125λ |
Poniżej przedstawiamy zalety anten Yagi-Uda:
- Wysokie wzmocnienie.
- Wysoka ostrość.
- Łatwa obsługa i konserwacja.
- Marnuje się mniej energii.
- Większy zasięg częstotliwości.
Następujące wady anten Yagi-Uda:
- Podatne na hałas.
- Podatne na wpływy atmosferyczne.
Jeżeli powyższe specyfikacje są przestrzegane, można zaprojektować antenę Yagi-Uda. Jak pokazano na rysunku, kierunkowa charakterystyka anteny jest bardzo wydajna. Małe listki są tłumione, a kierunkowość głównego beatu jest zwiększana przez dodanie do anteny kierunkowskazów.
