Передавальні антени: типи, пристрій і характеристики

Антена це пристрій, який служить інтерфейсом між електричним ланцюгом і простором, призначений для передачі і прийому електромагнітних хвиль в певному діапазоні частот у відповідності з власними розмірами і формою. Виконана вона з металу, в основному з міді або алюмінію, передавальні антени можуть перетворювати електричний струм в електромагнітне випромінювання і навпаки. Кожне пристрій бездротового зв'язку містить щонайменше одну антену.

Радіохвилі бездротової мережі

Коли виникає потреба в бездротового зв'язку, необхідна антена. Вона має можливість посилати або приймати електромагнітні хвилі для зв'язку, де неможливо встановити провідну систему.


Антена є ключовим елементом цієї бездротової технології. Радіохвилі легко створюються і широко використовуються як для внутрішньої, так і для зовнішній зв'язку із-за здатності проходити через будівлі і подорожувати на великі відстані. Ключові особливості передавальних антен: Оскільки радіопередача носить всеспрямований характер, необхідність фізичного узгодження передавача і приймача не потрібно. Частота радіохвиль визначає багато характеристик передачі. На низьких частотах хвилі можуть легко проходити через перешкоди. Проте їх потужність падає з зворотним квадратом щодо відстані. Більш високі частоти хвиль більш схильні до поглинання, і вони відображаються на перешкоди. З-за великої дальності передачі радіохвиль перешкоди між передачами є проблемою. У діапазонах VLF, LF і MF поширення хвиль, також званих наземними хвилями, слід за кривизною Землі. Максимальні діапазони пропускання цих хвиль становлять близько декількох сотень кілометрів. Передавальні антени використовуються для передач з низькою пропускною здатністю, таких як радіопередача з амплітудною модуляцією (АМ). Передачі HF та VHF-діапазону поглинаються атмосферою, розташованої поблизу поверхні Землі. Однак частина випромінювання, яка називається хвилею неба, поширюється назовні і вгору до іоносфері у верхній атмосфері. Іоносфера містить іонізовані частинки, утворені випромінюванням Сонця. Ці іонізовані частинки відображають хвилі неба назад на Землю.

Поширення хвиль

Поширення прямої видимості. Серед усіх способів поширення цей найбільш часто зустрічається. Хвиля переміщується на мінімальну відстань, яку можна бачити неозброєним оком. Далі потрібно використовувати передавач підсилювача, щоб збільшити сигнал і передати його знову. Таке поширення не буде плавним, якщо на його шляху передачі є яке-небудь перешкоду. Ця передача використовується для інфрачервоних або мікрохвильових передач. Поширення земної хвилі від передавальної антени. Поширення хвилі на грунт відбувається по контуру Землі. Така хвиля називається прямою хвилею. Хвиля іноді згинається через магнітного поля Землі і потрапляє в приймач. Таку хвилю можна назвати відбитою хвилею. Хвиля, що розповсюджується через земну атмосферу, відома як земна. Пряма і відбита хвиля хвиля разом дають сигнал на приймальній станції. Коли хвиля досягає приймача, затримка припиняється. Крім того, сигнал фільтрується щоб уникнути спотворення і посилення для чіткого висновку. Хвилі передаються з одного місця і де вони приймаються багатьма приймальнопередавальними антенами.

Система координат вимірювання антени

Розглядаючи плоскі моделі, користувач буде стикатися з показниками азимута площині і висоти площині патерну. Термін азимут зазвичай зустрічається у відношенні «горизонту» або «горизонталі», тоді як термін «висота» зазвичай відноситься до «вертикалі». На малюнку площину xy є азимутальної площиною.


Діаграма азимутальній площині вимірюється, коли вимір виконується, переміщаючи всю площину xy навколо випробовуваної прийомо-передавальної антени. Площина піднесення — це площина, ортогональная площині ху, наприклад, площину yz. План площині височини здійснює обхід всій площині yz навколо випробуваної антени. Зразки (азимути і діаграми висоти) часто відображаються як графіки в полярних координатах. Це дає користувачеві можливість легко візуалізувати, як антена випромінює в усіх напрямках, як якщо б вона була вже «націлена» або змонтована. Іноді корисно намалювати діаграми спрямованості в декартових координатах, особливо коли в шаблонах є кілька бічних пелюсток і де важливі рівні бічних пелюсток.

Основні характеристики зв'язку

Антени є основними компонентами будь-якої електричної ланцюга, оскільки вони забезпечують взаємозв'язок між передавачем і вільним простором або між вільним простором і приймачем. Перш ніж говорити про типи антен, потрібно знати їх властивості. Антенний масив — систематичне розгортання антен, які працюють разом. Індивідуальні антени в масиві зазвичай мають один і той же тип і розташовані в безпосередній близькості, на фіксованій відстані один від одного. Масив дозволяє збільшити спрямованість, управління основними променями випромінювання і бічними пучками. Всі антени характеризуються пасивним коефіцієнтом посилення. Пасивне посилення вимірюється величиною dBi, яка пов'язана з теоретичної ізотропної антени. Вважається, що вона передає енергію однаково в усіх напрямках, але не існує в природі. Коефіцієнт посилення ідеальної півхвильовий дипольної антени становить 215 дбі.
EIRP, або еквівалентна изотропная випромінювана потужність передавальної антени є мірою максимальної потужності, яку теоретична изотропная антена випромінювала би в напрямку максимального посилення. EIRP враховує втрати від ліній електропередач і роз'ємів і включає в себе фактичне посилення. EIRP дозволяє розраховувати реальну потужність і значення напруженості поля, якщо відомі фактичне посилення і вихідна потужність передавача.

Посилення антени за напрямами

Воно визначається як відношення коефіцієнта посилення потужності в заданому напрямку до посилення потужності опорної антени в тому ж напрямку. Стандартною практикою є використання ізотропного випромінювача в якості еталонної антени. При цьому ізотропний випромінювач буде без втрат, випромінює свою енергію однаково в усіх напрямках. Це означає, що коефіцієнт підсилення ізотропного випромінювача дорівнює G = 1 (або 0 ДБ). Зазвичай прийнято використовувати блок dBi (децибели відносно ізотропного випромінювача) для підсилення по відношенню до изотропному випромінювача.

Посилення, виражене у dBi, обчислюється за такою формулою: GdBi = 10 * Log (GNumeric /GIsotropic) = 10 * Log (GNumeric). Іноді в якості еталону використовується теоретичний диполь, тому для опису коефіцієнта посилення по відношенню до диполю буде використовуватися одиниця dBd (децибели щодо диполя). Цей блок, як правило, використовується, коли мова йде про посилення всенаправлених антен з більш високим коефіцієнтом підсилення. У цьому випадку їх посилення вище на 22 дбі. Тому якщо антена має коефіцієнт підсилення 3 дБн, загальний коефіцієнт підсилення буде 52 дбі.

Ширина променя 3 ДБ

Така ширина променя (або ширина променя половинної потужності) антени зазвичай визначається для кожній з головних площин. Ширина променя 3 ДБ в кожній площині визначається як кут між точками основної пелюстки, які зменшено від максимального посилення на 3 ДБ. Ширина променя 3 ДБ — кут між двома синіми лініями на полярному ділянці. У цьому прикладі ширина променя 3 ДБ в цій площині становить близько 37 градусів. Антени з широкою шириною променя зазвичай мають низький коефіцієнт підсилення, а антени з вузькою шириною променя мають більш високий коефіцієнт підсилення.
Таким чином, антена, яка направляє більшу частину своєї енергії у вузький промінь, принаймні, в одній площині, будуть мати більш високий коефіцієнт підсилення. Відношення «вперед-назад» (F/B) використовується як показник переваги, який намагається описати рівень випромінювання зі спини спрямованої антени. В принципі, ставлення «вперед-назад» — це відношення пікового посилення в прямому напрямку до коефіцієнту підсилення на 180 градусів позаду піку. Зрозуміло, в масштабі ДБ співвідношення «вперед-назад» — це просто різниця між піковим посиленням в прямому напрямку і коефіцієнтом підсилення на 180 градусів позаду піку.

Класифікація антен

Існує безліч видів антен для різних застосувань, таких як зв'язок, радіолокація, вимірювання, імітація електромагнітних імпульсів (ЕМІ), електромагнітна сумісність (EMC) і т. д. Деякі з них призначені для роботи на вузьких смугах частот, у той час як інші призначені для випромінювання/приймати імпульси перехідного процесу. Показники характеристик передавальних антен: Фізична структура антени. Діапазони частот роботи. Режим додатків. Нижче наведено типи антен у відповідності з фізичною структурою: дротові; апертурні; відображають; антени об'єктива; мікрополоскові антени; масивні антени. Нижче наведено типи передавальних антен в залежності від частоти роботи: Дуже низька частота (VLF). Низька частота (LF). Середня частота (MF). Висока частота (HF). Дуже висока частота (ОВЧ). Надвисока частота (УВЧ). Супер висока частота (SHF). Мікрохвильова хвиля. Радіохвиля. Нижче наведено передавальні та приймаючі антени у відповідності з режимами застосування: Зв'язок точка-точка. Програми для мовлення. Радіолокаційна зв'язок. Супутниковий зв'язок.

Конструктивні особливості

Передавальні антени створюють радіочастотне випромінювання, що розповсюджується в просторі. Приймальні антени виконують зворотний процес: вони отримують радіочастотне випромінювання і перетворюють їх в необхідні сигнали ,наприклад, звук, зображення в телевізійних передавальних антенах і мобільному телефоні. Найпростіший тип антени складається з двох металевих стрижнів і відомий як диполь. Одним з найбільш поширених типів є монопольна антена, що складається із стрижня, розташованого вертикально до великої металевої дошки, яка служить в якості заземленою площині. Встановлення на транспортних засобах зазвичай є монополем, а металева дах транспортного засобу служить в якості заземлення. Пристрій передавальної антени, її форма і розмір визначають робочу частоту та інші характеристики випромінювання. Одним з важливих атрибутів антени є її спрямованість. У зв'язку між двома фіксованими цілями, як і у зв'язку між двома фіксованими станціями передачі, або в радіолокаційних застосуваннях потрібна антена, щоб безпосередньо передавати енергію передачі в приймач. І навпаки, коли передавач або приймач не є стаціонарним, як стільникового зв'язку, потрібно ненаправлена система. У таких випадках потрібно всенаправлена антена, яка рівномірно приймає всі частоти у всіх напрямках горизонтальній площині, а у вертикальній площині випромінювання нерівномірно і дуже мало, як у Кв передавальної антени.

Передавальні і приймальні джерела

Передавальний пристрій — основне джерело радіочастотного випромінювання. Цей тип складається з провідника, інтенсивність якого коливається з часом і перетворює його в радіочастотне випромінювання, що розповсюджується в просторі. Приймальна антена — пристрій для прийому радіочастот (RF). Вона виконує зворотну передачу, виконувану передає, отримує радіочастотне випромінювання, перетворює його в електричні струми в електричної ланцюга антени. Телевізійні та радіомовні станції використовують передавальні антени для передачі певних типів сигналів, які поширюються по повітрю. Ці сигнали виявляються приймальними антенами, які перетворять їх у сигнали і приймаються відповідним пристроєм, наприклад, телевізором, радіо, телефоном. Радіоприймальні і прийомні телевізійні антени призначені виключно для прийому радіочастотного випромінювання, і вони не виробляють радіочастотне випромінювання. Пристрої стільникового зв'язку, наприклад, базові станції, повторювачі і мобільні телефони оснащені призначеними передають і приймальними антенами, які випромінюють радіочастотне випромінювання і обслуговують мережі стільникового зв'язку у відповідності з технологіями мереж зв'язку. Різниця між аналогової і цифрової антенної: Аналогова антена має змінний коефіцієнт посилення і працює в діапазоні 50 км для DVB-T. Чим далі перебувати користувач від джерела сигналу, тим гірше сигнал. Для прийому цифрового ТБ - користувач отримує небудь гарне зображення або зображення взагалі. Якщо він знаходиться далеко від джерела сигналу, то не отримує ніякого зображення. Передавальна цифрова антена має вбудовані фільтри для зниження шуму і поліпшення якості зображення. Аналоговий сигнал передається безпосередньо на телевізор, в той час як цифровий необхідно спочатку декодувати. Це дозволяє виправити помилки, а також дані як стиснення сигналу для отримання додаткових функцій в якості додаткових каналів, EPG, Pay TV, інтерактивних ігор і т. д.

Дипольні передавачі

Дипольні антени є найбільш поширеним всеспрямованим типом і поширюють радіочастотну (RF) енергію на 360 градусів в горизонтальній площині. Ці пристрої сконструйовані так, щоб бути резонансними з половиною або чвертю довжини хвилі застосовуваної частоти. Вона може бути такий же простий, як два шматка дроту, потрібної довжини, або може бути инкапсулирована. Диполь використовується в багатьох корпоративних мережах, невеликих офісах і для домашніх потреб (SOHO). Вона має типовий імпеданс, що дозволяє узгодити її з передавачем для максимальної передачі потужності. Якщо антена і передавач не збігаються, на лінії передачі будуть виникати відображення, які погіршують сигнал або навіть можуть пошкодити передавач.

Спрямований фокус

Спрямовані антени фокусують випромінену потужність на вузькі промені, забезпечуючи значний виграш у цьому процесі. Властивості її також є взаємними. Характеристики передавальної антени, такі як імпеданс і посилення, також застосовні до приймальної антени. Ось чому одна і та ж антена може використовуватися як для відправки, так і для прийому сигналу. Посилення сильно спрямованої параболічної антени служить для посилення слабкого сигналу. Це одна з причин, чому вони часто використовується для зв'язку на великі відстані. Зазвичай використовуваної спрямованої антеною є масив Яги-Уда, званий Яги. Вона була винайдена Шинтаро Уда і його колегою Хидецугу Яги в 1926 році. Яги-антена використовує кілька елементів для формування спрямованого масиву. Один керований елемент, зазвичай диполь, поширює радіочастотну енергію, елементи, розташовані безпосередньо перед і за керованим елементом, повторно випромінює радіочастотну енергію по фазі і поза фази, посилюючи і сповільнюючи сигнал відповідно. Ці елементи називаються паразитними елементами. Елемент за веденим називається рефлектором, а елементи перед веденим пристроєм називаються директорами. Антени Yagi мають ширину променя в діапазоні від 30 до 80 градусів і можуть забезпечити більш ніж 10 дбі пасивного посилення. Параболічна антена є найбільш знайомим типом спрямованої антени. Парабола — крива симетрична, а параболічний відбивач – це поверхня, яка описує криву при 360-градусного обертанні тарілці. Параболічні антени використовуються для міжміських ліній зв'язку між будівлями або великими географічними районами.

Полунаправленные секційні випромінювачі

Патч-антена являє собою полунаправленный випромінювач з використанням плоскої металевої смуги, встановленої над землею. Випромінювання від задньої частини антени ефективно обрізається наземної площиною, підвищуючи спрямованість вперед. Цей тип антени також відомий як микрополосковая антена. Він зазвичай прямокутний і поміщений у пластиковий корпус. Цей тип антени може бути виготовлений стандартними методами друкованої плати. Патч-антена може мати ширину променя від 30 до 180 градусів і типовий коефіцієнт посилення 9 ДБ. Секційні антени - це інший тип полунаправленной антени. Секторні антени забезпечують діаграму спрямованості сектора випромінювання і зазвичай встановлюються в масиві. Ширина променя для секторної антени може становити від 60 до 180 градусів, причому типовим є 120 градусів. У секционированном масиві антени монтуються впритул один до одного, забезпечуючи повне охоплення на 360 градусів.

Виготовлення антени Яги-Уди

Протягом останніх десятиліть антена Yagi-Uda була видна майже на всіх будинках. Видно, що для підвищення спрямованості антени існує безліч директорів. Пристрій подачі являє собою згорнутий диполь. Відбивач — це довгий елемент, який знаходиться в кінці структури. Для цієї антени повинні бути застосовані наступні технічні характеристики.

Елемент



Специфікація



Довжина керованого елемента



0458 ? до 05 ?



Довжина рефлектора



055 ? - 058 ?



Тривалість роботи директора 1



045 ?



Довжина директора 2



040 ?



Тривалість роботи директора 3



035 ?



Інтервал між директорами



0.2 ?



Відбивач для відстані між диполями



035 ?



Відстань між диполями і директором



0125 ?

Нижче наведено переваги антен Yagi-Uda: Високий коефіцієнт підсилення. Висока спрямованість. Простота і обслуговування. Менша кількість енергії втрачається. Більш широкий діапазон частот. Нижче наведені недоліки антен Yagi-Uda: Схильність до шуму. Схильні до атмосферних ефектів. Якщо слідувати наведеним вище вимогам, можна спроектувати антену Yagi-Uda. Спрямована картина антени є дуже ефективною, як показано на рисунку. Малі пелюстки придушуються, а спрямованість основної частки збільшується за рахунок додавання директорів до антени.