Co je anténa？

Antény se hojně používají od přelomu minulého století. Od té doby tato oblast prošla rozsáhlým výzkumem, který vedl k široké škále experimentálních a teoretických znalostí spolu s mnoha návrhy a aplikacemi.

Nejstarší anténa byla představena na konci 19th století německým fyzikem Heinrichem Hertzem. Po Hertzově práci následovalo velké teoretické zkoumání tématu v časném až středním 20th století. Toto šetření pokračovalo vývojem nástrojů pro návrh pomocí počítače (CAD) během 1970ů-2000ů, umožněných vývojem výkonné, ale dostupné počítačové technologie.

Anténní aplikace jsou obrovské a rozmanité. Mezi ně patří: televizní a rozhlasové vysílání, RADAR, bezdrátová počítačová komunikace, zařízení Bluetooth, vojenská osobní komunikace, satelitní komunikace, mobilní telefony, RFID štítky a mnoho dalšího.

Tento dokument má v úmyslu pokrýt základní pojmy týkající se provozu a výkonu antén. Hlavním cílem práce je informovat čtenáře o fyzických mechanismech, které řídí činnost antény, ao různých parametrech, které obsahují specifikace antény. Správné zhodnocení těchto konceptů zajistí vhodný a informovaný výběr produktů pro všechny potenciální aplikace.

Příspěvek začíná krátkým fyzickým úvodem do předmětu a následným komplexnějším a podrobnějším přehledem různých parametrů antény.

Pečlivé zacházení s tímto tématem vyžaduje rozsáhlé matematické pozadí a je nad rámec tohoto článku. Při psaní tohoto článku se předcházelo matematické složitosti ve prospěch přímějšího přístupu. Obecně lze říci, že věci byly udržovány co nejjednodušší a zároveň nezaručovaly ztrátu platnosti.

Tento dokument se zabývá všemi profesionálním publikem souvisejícím s touto oblastí, včetně marketingových pracovníků, systémových inženýrů, manažerů, návrhářů a všech potenciálních uživatelů. Příspěvek byl sestaven tak, že nevyžaduje žádné speciální odborné vzdělání ani předchozí znalosti předmětu.

Je mým přáním i záměrem, aby tento dokument byl co nejkomplexnější a nejzávěrečnější. Přeji vám příjemné čtení, které vám, doufejme, poskytne určitý pohled na tento fascinující předmět.

FYZICKÝ ÚVOD

Anténa je elektrické zařízení určené k vyzařování nebo zachycování elektromagnetických (EM) vln. Abychom řádně ocenili tuto definici a fyzický provoz antén jako celku, musíme čtenáře seznámit s některými základními elektromagnetickými koncepty.
Fyzikální zákony, kterými se řídí všechny klasické elektromagnetické jevy, jsou Maxwellovy rovnice. Poprvé představil skotský vědec James Clark Maxwell ve svém slavném článku „Dynamická teorie elektromagnetického pole“ v 1864u. Tyto čtyři rovnice nám poskytují téměř úplný matematický popis způsobu, jakým jsou generována a změněna elektrická a magnetická pole. navzájem, stejně jako poplatky a proudy.

Elektrická a magnetická pole jsou reprezentována jako vektory, které mají jak velikost (sílu), tak orientaci (směr). Pole se liší velikostí a orientací v závislosti na místě a čase, ve kterém se měří.

Maxwellovy rovnice znamenají, že zdrojem všech EM polí jsou elektrické náboje a proudy. Jak lze očekávat, různé rozložení náboje nebo proudu vedou k různým EM polím.

Jedním konkrétním případem zájmu je akcelerující elektrický náboj. Zrychlení elektrického náboje vytváří EM pole, které se šíří vlnovým způsobem, označované jako EM Wave. EM vlny se šíří rychlostí světla a směrem ven s ohledem na jejich původ. Výše uvedený proces se označuje jako EM záření.

Je tedy jasné, že k produkci EM záření musíme zavést zařízení schopné udržet střídavý elektrický proud. Toto zařízení je známé jako anténa.

A. Režim přenosu a režim příjmu

Podle definice lze anténu použít v jednom ze dvou provozních režimů. Tito jsou známí jako režim přenosu a režim příjmu (režim Tx a režim Rx). Při provozu v režimu přenosu dochází na vstupních svorkách antény k oscilujícímu vysokofrekvenčnímu signálu. Tento signál je poté převeden na střídavý elektrický proud, který zase vyzařuje vlnu EM. Tuto EM vlnu pak mohou zachytit jiné antény. V přijímacím režimu EM vlna dopadající na anténu indukuje elektrický proud na svých vstupních svorkách, který pak může být převeden zpět na RF signál. Provoz zařízení v těchto dvou režimech je zcela rovnocenný. Tato vlastnost se nazývá reciprocita.

Anténní návrhy jsou rozsáhlé a různorodé, v závislosti na požadované aplikaci. Je tedy jasné, že musíme stanovit prostředky pro kvantitativní popis výkonu antén. To samozřejmě vyžaduje definici jasných matematických veličin (parametrů antény) určených pro tento účel. Ty budou představeny a diskutovány dále.


B. Polní regiony

Pole EM generovaná anténou vykazují různé charakteristiky v závislosti na vzdálenosti od antény, ve které jsou měřena. Je obvyklé rozdělit prostor obklopující anténu do tří zón, ve kterých mají pole EM odlišné rozlišitelné vlastnosti.

V bezprostřední blízkosti antény jsou pole čistě reaktivní. To znamená, že energie EM je zcela uložena. Tato oblast je označována jako Reaktivní blízké pole. Matematicky řečeno, elektrická a magnetická pole jsou mimo fázi, podobná napětí a proudu na reaktivních kusových prvcích v obvodu střídavého proudu (jako je kondenzátor nebo induktor).

Jak se vzdálenost od antény zvětšuje, EM pole se stávají méně reaktivní, tj. Část EM energie se přeměňuje na záření. Tato oblast je označována jako Vyzařující blízké pole.

Dostatečně daleko od antény se reaktivní pole stávají zanedbatelnými a dominují vyzařovací pole. Tato oblast je známá jako Dálné pole. Dále jsou elektrická a magnetická pole v této oblasti kolmá, fázová a poměr mezi jejich velikostmi se stává konstantní (lokálně rovinné vlny).

Vyzařovaná pole se liší velikostí v závislosti na směru pozorování a vzdálenosti od antény. Obecný vzor pole však zůstává ve vzdáleném poli stejný, bez ohledu na vzdálenost od antény.

To neznamená, že pole jsou nezávislá na vzdálenosti od antény, ale spíše to, že se rovnoměrně rozkládají ve všech směrech. Přesněji řečeno se velikost vyzařovaných polí úměrně zmenšuje na vzdálenost od antény ve vzdáleném poli.

Pro numerické stanovení hranice mezi různými oblastmi je nutná jak velikost antény, tak i vlnová délka. Tito jsou označeni dole, a ilustrovaný na obrázku 1.

Kde r je vzdálenost od antény, D je maximální rozměr antény a λ je vlnová délka.

A. Intenzita záření

Nejprve představíme jednu důležitou postavu zásluhy popisující vlastnosti záření antén, ze které jsou odvozeny další parametry antény - intenzita záření.

EM vlna vyzařovaná anténou přenáší EM energii. Vyzařovaný výkon se liší velikostí v závislosti na směru pozorování a vzdálenosti od antény. Jak již bylo zmíněno výše, obecný vzorec napájení EM je udržován ve vzdáleném poli, bez ohledu na vzdálenost od antény. Proto můžeme zavést normalizovanou hustotu výkonu EM, která bude nezávislá na vzdálenosti od antény ve vzdáleném poli. Toto je známé jako intenzita záření.

Intenzita záření je matematický popis rozdělení úhlového vyzařovaného výkonu ve vzdáleném poli (pro danou polarizaci). Nebo jednodušeji - kolik energie je vyzařováno anténou v určitém směru na vzdáleném poli (pomocí správné normalizace s ohledem na vzdálenost od antény).

Abychom mohli matematicky popsat intenzitu záření, musíme definovat způsob reprezentace směrů. Ke každému směru, který ho jednoznačně definuje, přidružíme dva úhly - úhel azimutu označený φ a úhel sklonu označený θ. Úhel elevace se používá k popisu náklonu antény vzhledem k obzoru, zatímco úhel azimutu se používá k popisu průchodu antény ve stavu nulového náklonu. Grafické znázornění těchto úhlů je znázorněno na obrázku 2.

B. Vzorce záření

Jak již bylo zmíněno, intenzita záření je funkcí dvou proměnných: azimutových a elevačních úhlů. V mnoha praktických případech postačuje vzít v úvahu pouze dva 2D řezy tohoto 3D grafu, aby bylo možné správně popsat vlastnosti anténního záření. Dva řezy jsou provedeny podél dvou kolmých rovin, nazývaných hlavní roviny, jak je znázorněno na obrázku 4.Postup řezání nám dává dva 2D grafy anténního záření. tyto grafy jsou označeny:

V jedné z hlavních rovin je azimuthangle fixní a elevationangle se mění. Tomu se říká výšková rovina. V druhé rovině je výškový úhelník pevný a azimutový úhel se mění. Tomu se říká azimutadlo.Postup řezání vede k významnému zkrácení doby měření antény, protože namísto mnoha je třeba měřit pouze dva řezy 2D.Typický směrový anténní RP je uveden na obrázku 5. Jak lze pozorovat, je radiační obrazec tvořen laloky. Tyto laloky jsou klasifikovány takto:Lano obsahující směr maximálního záření je označováno jako hlavní paprsek nebo hlavní paprsek. Všechny ostatní laloky jsou označovány jako drobné laloky.Hlavní paprsek často představuje úhlový sektor, ve kterém je zamýšlena ležet většina vyzařované energie. Menší laloky proto představují záření v nežádoucích směrech a měly by být udržovány na co nejnižší úrovni.Rovněž jsou klasifikovány drobné laloky. Nejvyšší menší lalok je označován jako Side Lobe. Boční lalok často sousedí s hlavním lalokem, jak je znázorněno na obrázku 5. Menší lalok, který obsahuje směr opačný ke směru hlavního paprsku, se označuje jako zadní lalok.RP je obvykle vykreslen v logaritmickém měřítku (decibely). To se provádí za účelem zaostření jemnějších charakteristik grafu.

C. Šířka paprsku

Dalším důležitým parametrem používaným k popisu úhlové šířky hlavního paprsku je šířka paprsku antény. Rozsah tohoto úhlového sektoru určuje oblast pokrytí antény. Šířku paprsku lze definovat několika způsoby: Šířka polovičního paprsku výkonu (HPBW) je definována jako úhlový rozdíl mezi body, kde intenzita záření dosahuje poloviny své maximální hodnoty (rozdíl 3 dB v decibelech). První šířka nulového paprsku (FNBW) je definována jako úhlový rozdíl mezi dvěma nulovými body obklopujícími hlavní paprsek.

D. Úroveň postranního laloku

Úroveň postranního laloku (SLL) je parametr používaný k popisu úrovně potlačení postranního laloku. Jak již bylo zmíněno, vysoké boční laloky nejsou často žádoucí, protože představují záření mimo hlavní svazek paprsků. Úroveň postranního laloku je definována jako rozdíl v decibelech mezi hlavní hodnotou paprsku paprsku a vrcholovou hodnotou postranního laloku.


 E. Poměr zepředu dozadu

Poměr dopředu a dozadu (poměr F / B) je parametr určený k popisu rozsahu zpětného záření. To znamená, že záření v opačném směru, než je směr hlavního paprsku. Poměr F / B je definován jako rozdíl v decibelech mezi hodnotou vzoru záření ve směru maximálního záření (přední směr) a hodnotou vzoru záření v opačném směru (zadní směr).


F. Typy vyzařovacích vzorů

Radiační vzorce lze rozdělit do tří hlavních kategorií:
 1.Directional Radiation Pattern: Vzor obsahující jeden jasný hlavní paprsek v azimutové i výškové rovině.
2.Isotropic Radiation Pattern: Konstantní vzor v azimutové i výškové rovině.
3.Omni Vzorec směrového záření: Vzor obsahující jeden jasný hlavní paprsek pouze v jedné rovině a konstantní vzorek v druhé.
 Fyzický význam izotropní antény je, že anténa vyzařuje rovnoměrně ve všech směrech. Tento typ antény není fyzicky realizovatelný, ale je to výhodná matematická referenční anténa.

G. Směrovost

Směrnost antény je definována jako poměr mezi intenzitou záření a celkovým vyzařovaným výkonem antény děleno 4 pi.

Fyzičtějším pochopitelným způsobem může být alternativně definován jako: Poměr mezi intenzitou záření antény a intenzitou záření, za předpokladu, že jsme veškerý vyzařovaný výkon šířili izotropicky. Ve směrech, kde je směrovost nízká, představuje vyzařovaný výkon malou část celkového vyzařovaného výkonu. Podobně ve směrech, kde je směrovost vysoce ceněna, vyzařovaný výkon představuje významnou část celkového vyzařovaného výkonu.

Obecnou myšlenkou této konkrétní definice je porovnání antény s hypotetickým zdrojem, který rovnoměrně vyzařuje energii ve všech směrech (izotropní zdroj). Z toho vyplývá, že směrovost izotropie se rovná jednotě.

Jak je uvedeno výše, směrovost je úměrná intenzitě záření a jako pozdější je funkce úhlu azimutu a elevace. Není-li směr uveden, mělo by být zřejmé, že je naznačen směr maximálního záření.

Směrnost se často měří v logaritmické stupnici (dBi isotropní decibely). Graf směrovosti antény je uveden na obrázku 6. Graf odpovídá jedné z hlavních rovin antény. Rovnováha izotropního zdroje je rovněž vynesena pro srovnání.

H. Účinnost

Ve skutečnosti není veškerá energie EM dodávaná do antény přeměněna na záření, tj

 
Existuje několik inherentních ztrátových mechanismů odpovědných za rozptyl dopadající síly. Patří sem: dielektrické ztráty, ztráty vedení a ztráty odrazem.
Ztráty vodičů a dielektrické ztráty jsou způsobeny konečnou vodivostí vodičů a dielektrik antény. To znamená, že určitá energie je vždy rozptylována jako teplo na těchto materiálech. Ztráty odrazu jsou způsobeny nesouladem impedance mezi anténou a jejím přenosovým vedením. To bude podrobněji rozebráno později.Účinnost antény je definována jako poměr v procentech mezi vyzařovaným výkonem a dopadajícím výkonem:

 

Je jasné, že vyzařovaný výkon musí být menší než dopadající výkon, protože část pozdějšího je vždy rozptylována nebo odrážena. Proto bude účinnost nižší než 100%. Účinná anténa bude vyzařovat většinu dopadající energie na ni, takže její účinnost se přiblíží 100% (menší rozptyly a odrazy). Účinnost antény může být dále představována jako násobek tří dílčích účinností, z nichž každá odpovídá za jiný mechanismus ztráty. Toto je označeno níže a ilustrováno na obrázku 7.

I. Zisk

Směrnost antény nám neposkytuje žádné informace o účinnosti antény, ale pouze o vlastnostech jejího vzoru záření. To je hlavní důvod pro zavedení nového konceptu nazvaného Zisk antény. Zisk antény je definován jako:

Jak lze pozorovat, definice je podobná definici směrovosti, ale spíše než uvažováním vyzařovaného výkonu se uvažuje vstupní výkon. Zisk antény bere v úvahu účinnost antény, protože se jedná o míru toho, jak moc energie anténa vyzařuje v určitém směru, vzhledem k tomu, kolik energie na anténě dopadlo.Směrovost a zisk antény souvisí prostřednictvím via

Aby bylo možné plně ocenit význam tohoto konceptu, může být užitečné považovat anténu za systém vstup / výstup (I / O). V diskutovaném systému je vstup představován vstupním výkonem antény a výstup je představován vyzařovaným výkonem v určitém směru (který je k dispozici pro příjem jinými anténami). Výstupem systému není nic jiného než jeho vstup vynásobený nějakým konstantním číslem. Toto konstantní číslo je úměrné zisku antény. V tomto smyslu termín zisk odpovídá terminologii používané pro zesilovače nebo atenuátory.


J. Vstupní impedance a VSWR

Dalším významným parametrem popisujícím antény je jejich vstupní impedance, tj. Poměr mezi napětím a proudem na jejich terminálech. EM energie je dodávána do antény přes přenosové vedení nebo vlnovod - zařízení používaná k vedení EM vln z vysílače do antény. V tomto procesu mohou být EM vlny zeslabeny nebo odrazeny. Aby se zabránilo odrazům EM vln zpět do vysílače, měla by se vstupní impedance antény shodovat s impedancí hnacího přenosového vedení (obvykle 50 ohm).

Vstupní impedance antény se nicméně mění s frekvencí a nemohla být stejná jako impedance přenosové linky ve všech frekvenčních bodech. To naznačuje, že některým odrazům je nevyhnutelné. Poměr napětí ve stojaté vlně (VSWR) je měřítkem toho, kolik energie se odráží. Nízká hodnota VSWR naznačuje, že většina dopadající energie je dodávána do antény a odrazy jsou téměř vyloučeny.


K. Polarizace

Polarizace antény je definována jako polarizace EM vlny, která vyzařuje ve vzdáleném poli. EM vlna vyzařovaná anténou je směsí elektrického a magnetického pole. Kdybychom sledovali křivku sledovanou špičkou vektoru elektrického pole, na nějakém pevném místě ve vesmíru bychom dostali, jak se čas mění, křivka označovaná jako polarizační elipsa. Všimněte si, že pro každé pevné místo bychom obecně dostali různé křivky, to znamená: polarizace antény je závislá na směru pozorování. Křivka je označována jako polarizační elipsa, protože tvoří elipsu pro libovolně polarizovanou anténu.

Polarizace může být klasifikována jako lineární, kruhová nebo eliptická v závislosti na vlastnostech polarizační elipsy. Pokud má elipsa stejnou menší a hlavní osu, promění se v kruh. V tom případě říkáme, že anténa je kruhově polarizovaná. Pokud elipsa nemá vedlejší osu, transformuje se na přímku. V tom případě říkáme, že anténa je lineárně polarizovaná. Různé typy polarizace jsou graficky znázorněny na obrázku 8.

Každá polarizace má smysl. Pro lineárně polarizovanou anténu je definována úhlem náklonu polarizační elipsy, označeným τ. Lineární polarizace jsou klasifikovány podle tohoto smyslu (90 ° svisle, 0 ° vodorovně, ± 45 ° šikmo). U kruhově polarizovaných antén je smysl dán povahou pohybu špičky vektoru elektrického pole: ve směru nebo proti směru hodinových ručiček (RHCP pro pravé, LHCP pro proti směru hodinových ručiček). Ilustrace je uvedena na obrázku 10.

L. Křížová polarizace a kolarizace

Jak bylo uvedeno výše, různé polarizace vytvářejí mnoho ortogonálních párů.Společná polarizace je definována jako polarizace, kterou měla anténa vyzařovat, zatímco křížová polarizace je definována jako ortogonální dvojice. Čistě polarizovaná anténa bude mít nízké křížové polarizované záření. Míra toho, jak čistě polarizovaná je anténa, je úroveň křížové polarizace. Je definován jako rozdíl v decibelech mezi maximální intenzitou záření co a křížovou polarizací.Antény musí pracovat s podobnou polarizací, aby byl zajištěn optimální výkon.Antény pracující v ortogonálních polarizacích nebudou vůbec fungovat kvůli významným polarizačním ztrátám.

M. Axiální poměr

Tento parametr se používá hlavně k popisu polarizační povahy kruhově polarizovaných antén. Axiální poměr (AR) je definován jako poměr mezi vedlejší a hlavní osou polarizační elipsy. Připomeňme, že pokud má elipse en rovnou menší a hlavní osu, transformuje se na kruh a říkáme, že anténa je kruhově polarizovaná. V takovém případě je axiální poměr roven jednotě (nebo 0 dB). Axiální poměr lineárně polarizované antény je nekonečně velký, protože jedna z os elipsy se rovná nule. Pro kruhově polarizovanou anténu platí, že čím blíže je axiální poměr k 0 dB, tím lepší.

N. Polarizační diverzita a izolace

Některé antény mohou nabízet polarizační diverzitu, to znamená, že jsou určeny k provozu při různých polarizacích. Tyto antény mají několik portů, z nichž každý umožňuje přenos polarizace různých vln. Účelem různých portů je pracovat nezávisle. Je tedy zřejmé, že požadujeme opatření popisující, jak jsou tyto porty izolované. Izolace mezi dvěma porty je definována jako poměr mezi dopadem výkonu na jeden port a výkonem dodaným na jiný port, když je ukončen odpovídající zátěží. Dobrá izolace slibuje nekorelovaný přenos elektrických signálů na obou portech.


O. Manipulace s výkonem

Toto je definováno jako maximální příkon, který anténa zvládne při správné práci.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv