Novinky - Úvod a klasifikácia niektorých bežných antén

1. Úvod do antén
Anténa je prechodová štruktúra medzi voľným priestorom a prenosovým vedením, ako je znázornené na obrázku 1. Prenosové vedenie môže mať tvar koaxiálneho vedenia alebo dutej trubice (vlnovodu), ktorá sa používa na prenos elektromagnetickej energie zo zdroja do antény alebo z antény do prijímača. Prvá je vysielacia anténa a druhá je prijímacia anténa.

Obrázok 1 Cesta prenosu elektromagnetickej energie (priestor bez zdroja, prenosového vedenia a antény)

Prenos anténneho systému v prenosovom režime na obrázku 1 je reprezentovaný Theveninovým ekvivalentom, ako je znázornené na obrázku 2, kde zdroj je reprezentovaný ideálnym generátorom signálu, prenosové vedenie je reprezentované vedením s charakteristickou impedanciou Zc a anténa je reprezentovaná záťažou ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Odpor záťaže RL predstavuje straty vedením a dielektrické straty spojené so štruktúrou antény, zatiaľ čo Rr predstavuje radiačný odpor antény a reaktancia XA sa používa na reprezentáciu imaginárnej časti impedancie spojenej so žiarením antény. Za ideálnych podmienok by sa všetka energia generovaná zdrojom signálu mala preniesť na radiačný odpor Rr, ktorý sa používa na reprezentáciu vyžarovacej schopnosti antény. V praktických aplikáciách však dochádza k stratám medzi vodičmi a dielektrickými stratami v dôsledku charakteristík prenosového vedenia a antény, ako aj k stratám spôsobeným odrazom (nesúladom) medzi prenosovým vedením a anténou. Ak vezmeme do úvahy vnútornú impedanciu zdroja a zanedbáme straty v prenosovom vedení a odrazom (nesúladom), anténa dosiahne maximálny výkon pri konjugovanom prispôsobení.

Obrázok 2

Kvôli nesúladu medzi prenosovým vedením a anténou sa odrazená vlna z rozhrania prekrýva s dopadajúcou vlnou zo zdroja do antény a vytvára stojacu vlnu, ktorá predstavuje koncentráciu a ukladanie energie a je typickým rezonančným zariadením. Typický obrazec stojatej vlny je znázornený bodkovanou čiarou na obrázku 2. Ak nie je anténny systém správne navrhnutý, prenosové vedenie môže do značnej miery pôsobiť skôr ako prvok na ukladanie energie, než ako vlnovod a zariadenie na prenos energie.
Straty spôsobené prenosovým vedením, anténou a stojatými vlnami sú nežiaduce. Straty vo vedení možno minimalizovať výberom nízkostratových prenosových vedení, zatiaľ čo straty v anténe možno znížiť znížením stratového odporu znázorneného ako RL na obrázku 2. Stojaté vlny možno znížiť a ukladanie energie vo vedení minimalizovať prispôsobením impedancie antény (záťaže) charakteristickej impedancii vedenia.
V bezdrôtových systémoch sú okrem príjmu alebo vysielania energie zvyčajne potrebné antény na zosilnenie vyžarovanej energie v určitých smeroch a potlačenie vyžarovanej energie v iných smeroch. Preto sa okrem detekčných zariadení musia antény používať aj ako smerové zariadenia. Antény môžu mať rôzne formy, aby spĺňali špecifické potreby. Môže to byť drôt, clona, záplata, zostava prvkov (poľa), reflektor, šošovka atď.

V bezdrôtových komunikačných systémoch sú antény jednou z najdôležitejších súčastí. Dobrý návrh antény môže znížiť systémové požiadavky a zlepšiť celkový výkon systému. Klasickým príkladom je televízia, kde je možné zlepšiť príjem vysielania použitím vysokovýkonných antén. Antény sú pre komunikačné systémy tým, čím sú pre ľudí oči.

2. Klasifikácia antén
1. Drôtová anténa
Drôtové antény sú jedným z najbežnejších typov antén, pretože sa nachádzajú takmer všade - v autách, budovách, lodiach, lietadlách, kozmických lodiach atď. Existujú rôzne tvary drôtových antén, ako napríklad priama (dipólová), slučková, špirálová, ako je znázornené na obrázku 3. Slučkové antény nemusia byť len kruhové. Môžu mať obdĺžnikový, štvorcový, oválny alebo akýkoľvek iný tvar. Kruhová anténa je najbežnejšia kvôli svojej jednoduchej štruktúre.

Obrázok 3

2. Apertúrne antény
Apertúrne antény zohrávajú väčšiu úlohu kvôli rastúcemu dopytu po zložitejších formách antén a využívaniu vyšších frekvencií. Niektoré formy apertúrnych antén (pyramídové, kužeľové a obdĺžnikové trychtýrové antény) sú znázornené na obrázku 4. Tento typ antény je veľmi užitočný pre aplikácie v lietadlách a kozmických lodiach, pretože sa dajú veľmi pohodlne namontovať na vonkajší plášť lietadla alebo kozmickej lode. Okrem toho môžu byť pokryté vrstvou dielektrického materiálu, ktorý ich chráni pred drsným prostredím.

Obrázok 4

3. Mikropásková anténa
Mikropáskové antény sa stali veľmi populárnymi v 70. rokoch 20. storočia, najmä pre satelitné aplikácie. Anténa sa skladá z dielektrického substrátu a kovovej záplaty. Kovová záplata môže mať mnoho rôznych tvarov a najbežnejšia je obdĺžniková záplatová anténa znázornená na obrázku 5. Mikropáskové antény majú nízky profil, sú vhodné pre rovinné aj nerovinné povrchy, sú jednoduché a lacné na výrobu, majú vysokú robustnosť pri montáži na pevné povrchy a sú kompatibilné s konštrukciami MMIC. Môžu byť namontované na povrch lietadiel, kozmických lodí, satelitov, rakiet, automobilov a dokonca aj mobilných zariadení a môžu byť navrhnuté konformne.

Obrázok 5

4. Anténna sústava
Charakteristiky žiarenia požadované mnohými aplikáciami nemusia byť dosiahnuté jediným anténnym prvkom. Anténne sústavy môžu dosiahnuť žiarenie zo syntetizovaných prvkov tak, aby produkovali maximálne žiarenie v jednom alebo viacerých špecifických smeroch, typický príklad je znázornený na obrázku 6.

Obrázok 6

5. Reflektorová anténa
Úspech prieskumu vesmíru viedol aj k rýchlemu rozvoju teórie antén. Vzhľadom na potrebu komunikácie na veľmi dlhé vzdialenosti sa musia na vysielanie a prijímanie signálov vzdialených milióny kilometrov používať antény s extrémne vysokým ziskom. V tejto aplikácii je bežným typom antény parabolická anténa znázornená na obrázku 7. Tento typ antény má priemer 305 metrov alebo viac a takáto veľká veľkosť je nevyhnutná na dosiahnutie vysokého zisku potrebného na vysielanie alebo prijímanie signálov vzdialených milióny kilometrov. Ďalším typom reflektora je rohový reflektor, ako je znázornené na obrázku 7 (c).

Obrázok 7

6. Šošovkové antény
Šošovky sa primárne používajú na kolimáciu dopadajúcej rozptýlenej energie, aby sa zabránilo jej šíreniu v nežiaducich smeroch žiarenia. Vhodnou zmenou geometrie šošovky a výberom správneho materiálu dokážu premeniť rôzne formy divergentnej energie na rovinné vlny. Môžu sa použiť vo väčšine aplikácií, ako sú parabolické reflektorové antény, najmä pri vyšších frekvenciách, a ich veľkosť a hmotnosť sa pri nižších frekvenciách veľmi zväčšujú. Šošovkové antény sa klasifikujú podľa konštrukčných materiálov alebo geometrických tvarov, z ktorých niektoré sú znázornené na obrázku 8.