Aktualności - Teoria anten – podstawowe parametry

W tym rozdziale przedstawiono podstawowe parametry komunikacji bezprzewodowej, aby lepiej zrozumieć rolę anten w systemach komunikacyjnych. Komunikacja bezprzewodowa odbywa się w postaci fal elektromagnetycznych, co sprawia, że zrozumienie charakterystyki propagacji fal jest kluczowe.

W tym rozdziale omówimy następujące parametry:

•Częstotliwość
•Długość fali
•Dopasowanie impedancji
•Współczynnik SWR i moc odbita
•Przepustowość łącza
• Przepustowość procentowa
•Intensywność promieniowania

Przyjrzyjmy się im teraz szczegółowo.

Częstotliwość:

Zgodnie ze standardową definicją, częstotliwość to liczba powtórzeń fali w jednostce czasu. Mówiąc najprościej, częstotliwość opisuje, jak często występuje dane zdarzenie. Fala okresowa powtarza się co T sekund (jeden okres), a jej częstotliwość jest odwrotnością okresu T.

Matematycznie wygląda to następująco:

$$f = \frac{1}{T}$$

•F oznacza częstotliwość fali okresowej, podczas gdy

•T to czas potrzebny do wykonania jednego pełnego cyklu.

Częstotliwość mierzy się w hercach, w skrócie Hz.

Powyższy rysunek ilustruje falę sinusoidalną, przedstawiając napięcie (w mV) jako funkcję czasu (w ms). Ta fala powtarza się co 2t milisekund; zatem jej okres T = 2t ms, a częstotliwość f = 1/(2t) kHz.

Długość fali:

Zgodnie ze standardową definicją, długość fali to odległość między dwoma kolejnymi szczytami lub dwoma kolejnymi dołkami.

Mówiąc prościej, długość fali to odległość między dwoma sąsiednimi pikami dodatnimi lub dwoma sąsiednimi pikami ujemnymi. Poniższy rysunek przedstawia przebieg okresowy z zaznaczoną długością fali (λ) i amplitudą. Im wyższa częstotliwość, tym krótsza długość fali i odwrotnie.

Wzór na długość fali jest następujący:

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

•λ reprezentuje długość fali

•C to prędkość światła (3 razy 108 metrów na sekundę)

•F to częstotliwość

Długość fali λ wyraża się w jednostkach długości, takich jak metry, stopy lub cale. Powszechnie stosowaną jednostką jest metr.

Dopasowanie impedancji:

Zgodnie ze standardową definicją dopasowanie impedancji występuje wtedy, gdy impedancja nadajnika jest w przybliżeniu równa impedancji odbiornika.

Wymagane jest dopasowanie impedancji między anteną a obwodem. Impedancje anteny, linii transmisyjnej i obwodu powinny być dopasowane, aby uzyskać maksymalny transfer mocy między anteną a odbiornikiem lub nadajnikiem.

Konieczność dopasowania
Urządzenia rezonansowe są w stanie zapewnić optymalną moc wyjściową w określonych częstotliwościach wąskopasmowych. Jako urządzenie rezonansowe, antena może osiągnąć lepszą wydajność wyjściową, gdy jej impedancja jest odpowiednio dopasowana.

•Jeśli impedancja anteny jest zgodna z impedancją wolnej przestrzeni, moc emitowana przez antenę będzie skutecznie przesyłana

•W przypadku anteny odbiorczej jej impedancja wyjściowa powinna odpowiadać impedancji wejściowej układu wzmacniacza odbiorczego

•W przypadku anteny nadawczej jej impedancja wejściowa powinna odpowiadać impedancji wyjściowej wzmacniacza nadawczego, a także impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej

Impedancję mierzy się w omach, oznaczanych symbolem Z.

Współczynnik SWR i moc odbita:

Zgodnie ze standardową definicją stosunek maksymalnego napięcia do minimalnego napięcia w fali stojącej nazywa się współczynnikiem fali stojącej napięciowej (VSWR).

Gdy impedancje anteny, linii transmisyjnej i obwodu nie są dopasowane, moc nie może być skutecznie wypromieniowywana; zamiast tego część mocy jest odbijana.

Główne cechy to:

•Parametr określający stopień niedopasowania impedancji nazywany jest współczynnikiem fali stojącej napięcia (VSWR).

•VSWR to skrót od współczynnika fali stojącej napięcia i jest powszechnie nazywany również SWR

•Im większa rozbieżność impedancji, tym wyższa wartość współczynnika SWR

•Aby uzyskać efektywne promieniowanie, idealna wartość SWR wynosi 1:1

• Moc odbita odnosi się do części mocy przesyłanej, która jest marnowana. Moc odbita i współczynnik SWR zasadniczo opisują to samo zjawisko fizyczne z różnych perspektyw.

Przepustowość łącza:

Zgodnie ze standardową definicją pasmo częstotliwości w określonym zakresie długości fal przydzielonym dla konkretnej komunikacji nazywa się szerokością pasma.

Podczas transmisji lub odbioru sygnał działa w określonym zakresie częstotliwości. Ten konkretny zakres częstotliwości jest przypisany do konkretnego sygnału, aby zapobiec zakłóceniom ze strony innych sygnałów podczas transmisji.

• Szerokość pasma odnosi się do zakresu częstotliwości pomiędzy granicami wysokiej i niskiej częstotliwości transmisji sygnału

•Po przydzieleniu pasma nie może być ono wykorzystywane przez innych użytkowników

•Całe spektrum jest podzielone na segmenty szerokości pasma, z których każdy jest przypisany do innego nadajnika

Szerokość pasma, którą właśnie omówiliśmy, można również nazwać szerokością pasma absolutnego.

Przepustowość procentowa:

Zgodnie ze standardową definicją stosunek szerokości pasma bezwzględnego do jego częstotliwości środkowej nazywa się szerokością pasma procentową.

Częstotliwość w paśmie, w której siła sygnału osiąga maksimum, nazywana jest częstotliwością rezonansową, znaną również jako częstotliwość środkowa pasma i oznaczana jako fC.

•Wyższe i niższe częstotliwości pasma oznaczane są odpowiednio jako fH i fL

•Bezwzględna szerokość pasma jest podana wzorem fH − fL

•Aby ocenić szerokość pasma częstotliwości, konieczne jest obliczenie jego ułamkowej szerokości pasma lub procentowej szerokości pasma

Procent szerokości pasma oblicza się w celu zrozumienia zakresu zmian częstotliwości, jakie może obsłużyć dany komponent lub system.

•fH oznacza wyższą częstotliwość

•fL oznacza niższą częstotliwość

•fc oznacza częstotliwość środkową

Im większy procent szerokości pasma, tym szersza szerokość pasma kanału.

Intensywność promieniowania:

Natężenie promieniowania definiuje się jako moc promieniowania przypadającą na jednostkę kąta bryłowego.

Antena promieniuje intensywniej w określonych kierunkach, które odpowiadają jej maksymalnemu natężeniu promieniowania. Maksymalny możliwy zasięg promieniowania jest charakteryzowany przez natężenie promieniowania.

Wyrażenie matematyczne
Natężenie promieniowania uzyskuje się poprzez pomnożenie gęstości mocy promieniowania przez kwadrat odległości radialnej: