Novinky - Predstavenie 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 byť vo forme 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 Dráha prenosu elektromagnetickej energie (zdroj-prenosové vedenie-priestor bez antény)

Vysielanie anténneho systému v prenosovom režime na obrázku 1 je reprezentované 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]. Záťažový odpor RL predstavuje vodivé a dielektrické straty spojené s konštrukciou 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 mala byť všetka energia generovaná zdrojom signálu prenesená do radiačného odporu Rr, ktorý sa používa na vyjadrenie vyžarovacej schopnosti antény. V praktických aplikáciách však dochádza k dielektrickým stratám spôsobeným charakteristikami prenosového vedenia a antény, ako aj k stratám spôsobeným odrazom (nesúladom) medzi prenosovým vedením a anténou. Ak vezmeme do úvahy vnútornú impedanciu zdroja a ignorujeme prenosové vedenie a straty odrazom (nesúlad), maximálny výkon je poskytovaný anténe pri konjugovanom prispôsobení.

Obrázok 2

Z dôvodu nesúladu medzi prenosovou linkou a anténou sa odrazená vlna z rozhrania superponuje s vlnou dopadajúcou zo zdroja do antény, čím sa vytvorí stojatá vlna, ktorá predstavuje koncentráciu a ukladanie energie a je typickým rezonančným zariadením. Typický vzor stojatých vĺn je znázornený bodkovanou čiarou na obrázku 2. Ak anténny systém nie je správne navrhnutý, prenosové vedenie môže vo veľkej miere pôsobiť ako prvok na ukladanie energie, a nie ako vlnovod a zariadenie na prenos energie.
Straty spôsobené prenosovým vedením, anténou a stojatými vlnami sú nežiaduce. Straty vo vedení môžu byť minimalizované výberom nízkostratových prenosových vedení, zatiaľ čo straty antény môžu byť znížené znížením stratového odporu reprezentovaného RL na obrázku 2. Stojaté vlny možno znížiť a skladovanie energie vo vedení možno minimalizovať prispôsobením impedancie anténu (záťaž) s charakteristickou impedanciou vedenia.
V bezdrôtových systémoch sú okrem prijímania alebo vysielania energie zvyčajne potrebné antény na zvýšenie vyžarovanej energie v určitých smeroch a potlačenie vyžarovanej energie v iných smeroch. Preto okrem detekčných zariadení musia byť ako smerové zariadenia použité aj antény. Antény môžu byť v rôznych formách, aby vyhovovali špecifickým potrebám. Môže to byť drôt, clona, záplata, zostava prvkov (pole), reflektor, šošovka atď.

V bezdrôtových komunikačných systémoch sú antény jedným z najdôležitejších komponentov. Dobrý dizajn 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 oči pre ľudí.

2. Klasifikácia antén
1. Drôtová anténa
Drôtové antény sú jedným z najbežnejších typov antén, pretože sa nachádzajú takmer všade - autá, budovy, lode, lietadlá, kozmické lode, atď. Existujú rôzne tvary drôtených antén, ako sú priamkové (dipólové), slučkové, špirálové, atď. 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 zvyšujúcemu sa dopytu po zložitejších formách antén a využívaniu vyšších frekvencií. Niektoré formy apertúrnych antén (pyramídové, kužeľové a obdĺžnikové rohové 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, aby boli chránené pred drsným prostredím.

Obrázok 4

3. Mikropásiková anténa
Mikropásikové antény sa stali veľmi populárnymi v 70. rokoch minulého storočia, hlavne pre satelitné aplikácie. Anténa pozostáva z dielektrického substrátu a kovovej záplaty. Kovová náplasť môže mať mnoho rôznych tvarov a obdĺžniková náplasťová anténa znázornená na obrázku 5 je najbežnejšia. Mikropásikové antény majú nízky profil, sú vhodné pre rovinné a nerovinné povrchy, sú jednoduché a lacné na výrobu, majú vysokú robustnosť pri montáži na pevné povrchy a sú kompatibilné s dizajnom MMIC. Môžu byť namontované na povrchu lietadiel, kozmických lodí, satelitov, rakiet, automobilov a dokonca aj mobilných zariadení a môžu byť konformne navrhnuté.

Obrázok 5

4. Anténa poľa
Vyžarovacie charakteristiky požadované mnohými aplikáciami nemusia byť dosiahnuté jediným prvkom antény. Anténne polia môžu vytvárať žiarenie z prvkov syntetizovaných tak, aby produkovali maximálne žiarenie v jednom alebo viacerých špecifických smeroch, typický príklad je znázornený na obrázku 6.

Obrázok 6

5. Reflektorová anténa
Úspech vesmírneho prieskumu viedol aj k rýchlemu rozvoju teórie antén. Kvôli potrebe komunikácie na ultra dlhé vzdialenosti je potrebné použiť antény s extrémne vysokým ziskom na vysielanie a príjem signálov vzdialených milióny kilometrov. V tejto aplikácii je bežnou formou antény parabolická anténa znázornená na obrázku 7. Tento typ antény má priemer 305 metrov alebo viac a taká veľká veľkosť je potrebná na dosiahnutie vysokého zisku potrebného na vysielanie alebo prijímanie signálov miliónov míle ďaleko. Ďalšou formou reflektora je rohový reflektor, ako je znázornené na obrázku 7 (c).

Obrázok 7

6. Objektivové 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 byť použité 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 sú klasifikované podľa ich konštrukčných materiálov alebo geometrických tvarov, z ktorých niektoré sú znázornené na obrázku 8.