Aktualności - Wprowadzenie i klasyfikacja niektórych popularnych anten

1. Wprowadzenie do anten
Antena to struktura przejściowa między przestrzenią swobodną a linią transmisyjną, jak pokazano na rysunku 1. Linia transmisyjna może mieć formę linii koncentrycznej lub pustej rury (falowodu), która służy do przesyłania energii elektromagnetycznej ze źródła do anteny lub z anteny do odbiornika. Pierwsza jest anteną nadawczą, a druga anteną odbiorczą.

Rysunek 1. Droga przesyłu energii elektromagnetycznej (źródło-linia przesyłowa-antena-przestrzeń wolna)

Transmisja systemu antenowego w trybie transmisji z Rysunku 1 jest reprezentowana przez ekwiwalent Thevenina, jak pokazano na Rysunku 2, gdzie źródło jest reprezentowane przez idealny generator sygnału, linia transmisyjna jest reprezentowana przez linię o impedancji charakterystycznej Zc, a antena jest reprezentowana przez obciążenie ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Rezystancja obciążenia RL reprezentuje straty przewodzenia i dielektryczne związane ze strukturą anteny, podczas gdy Rr reprezentuje rezystancję promieniowania anteny, a reaktancja XA jest używana do reprezentowania urojonej części impedancji związanej z promieniowaniem anteny. W idealnych warunkach cała energia generowana przez źródło sygnału powinna zostać przeniesiona na rezystancję promieniowania Rr, która jest używana do reprezentowania zdolności radiacyjnej anteny. Jednak w praktycznych zastosowaniach występują straty przewodnikowo-dielektryczne ze względu na charakterystykę linii transmisyjnej i anteny, a także straty spowodowane odbiciem (niedopasowaniem) między linią transmisyjną a anteną. Biorąc pod uwagę impedancję wewnętrzną źródła i ignorując straty linii transmisyjnej oraz straty odbicia (niedopasowania), maksymalna moc jest dostarczana do anteny przy dopasowaniu sprzężonym.

Rysunek 2

Z powodu niedopasowania między linią transmisyjną a anteną, fala odbita z interfejsu jest nakładana na falę padającą ze źródła do anteny, tworząc falę stojącą, która reprezentuje koncentrację i magazynowanie energii i jest typowym urządzeniem rezonansowym. Typowy wzór fali stojącej pokazano linią przerywaną na rysunku 2. Jeśli system antenowy nie jest prawidłowo zaprojektowany, linia transmisyjna może w dużym stopniu działać jako element magazynujący energię, a nie jako falowód i urządzenie do przesyłu energii.
Straty spowodowane przez linię transmisyjną, antenę i fale stojące są niepożądane. Straty linii można zminimalizować, wybierając linie transmisyjne o niskich stratach, podczas gdy straty anteny można zmniejszyć, zmniejszając rezystancję strat reprezentowaną przez RL na rysunku 2. Fale stojące można zmniejszyć, a magazynowanie energii w linii można zminimalizować, dopasowując impedancję anteny (obciążenia) do charakterystycznej impedancji linii.
W systemach bezprzewodowych oprócz odbioru lub transmisji energii, anteny są zazwyczaj wymagane do wzmocnienia energii promieniowanej w określonych kierunkach i tłumienia energii promieniowanej w innych kierunkach. Dlatego oprócz urządzeń wykrywających anteny muszą być również używane jako urządzenia kierunkowe. Anteny mogą mieć różne formy, aby spełnić określone potrzeby. Może to być przewód, apertura, łatka, zespół elementów (macierz), reflektor, soczewka itp.

W systemach komunikacji bezprzewodowej anteny są jednym z najważniejszych komponentów. Dobra konstrukcja anteny może zmniejszyć wymagania systemowe i poprawić ogólną wydajność systemu. Klasycznym przykładem jest telewizja, gdzie odbiór transmisji można poprawić, stosując anteny o wysokiej wydajności. Anteny są dla systemów komunikacji tym, czym oczy dla ludzi.

2. Klasyfikacja anten
1. Antena przewodowa
Anteny przewodowe są jednym z najpopularniejszych typów anten, ponieważ można je znaleźć niemal wszędzie - w samochodach, budynkach, statkach, samolotach, statkach kosmicznych itp. Istnieją różne kształty anten przewodowych, takie jak linia prosta (dipol), pętla, spirala, jak pokazano na rysunku 3. Anteny pętlowe nie muszą być tylko okrągłe. Mogą być prostokątne, kwadratowe, owalne lub o dowolnym innym kształcie. Antena okrągła jest najpopularniejsza ze względu na swoją prostą strukturę.

Rysunek 3

2. Anteny aperturowe
Anteny aperturowe odgrywają coraz większą rolę ze względu na rosnące zapotrzebowanie na bardziej złożone formy anten i wykorzystanie wyższych częstotliwości. Niektóre formy anten aperturowych (anteny piramidalne, stożkowe i prostokątne) pokazano na rysunku 4. Ten typ anteny jest bardzo przydatny w zastosowaniach w samolotach i statkach kosmicznych, ponieważ można je bardzo wygodnie zamontować na zewnętrznej powłoce samolotu lub statku kosmicznego. Ponadto można je pokryć warstwą materiału dielektrycznego, aby chronić je przed trudnymi warunkami środowiskowymi.

Rysunek 4

3. Antena mikropaskowa
Anteny mikropaskowe stały się bardzo popularne w latach 70., głównie w zastosowaniach satelitarnych. Antena składa się z dielektrycznego podłoża i metalowej łatki. Metalowa łatka może mieć wiele różnych kształtów, a prostokątna antena łatkowa pokazana na rysunku 5 jest najpopularniejsza. Anteny mikropaskowe mają niski profil, nadają się do powierzchni płaskich i niepłaskich, są proste i niedrogie w produkcji, mają wysoką wytrzymałość po zamontowaniu na sztywnych powierzchniach i są kompatybilne z projektami MMIC. Mogą być montowane na powierzchni samolotów, statków kosmicznych, satelitów, pocisków, samochodów, a nawet urządzeń mobilnych i mogą być zaprojektowane zgodnie z wymaganiami.

Rysunek 5

4. Antena tablicowa
Charakterystyki promieniowania wymagane przez wiele zastosowań mogą nie zostać osiągnięte przez pojedynczy element anteny. Tablice antenowe mogą wytwarzać promieniowanie z elementów syntetyzowanych w celu wytworzenia maksymalnego promieniowania w jednym lub kilku określonych kierunkach, typowy przykład pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6

5. Antena reflektorowa
Sukces eksploracji kosmosu doprowadził również do szybkiego rozwoju teorii anten. Ze względu na potrzebę komunikacji na bardzo duże odległości, do przesyłania i odbierania sygnałów z odległości milionów mil należy używać anten o ekstremalnie wysokim wzmocnieniu. W tym zastosowaniu powszechną formą anteny jest antena paraboliczna pokazana na rysunku 7. Ten typ anteny ma średnicę 305 metrów lub więcej, a tak duży rozmiar jest konieczny do uzyskania wysokiego wzmocnienia wymaganego do przesyłania lub odbierania sygnałów z odległości milionów mil. Inną formą reflektora jest reflektor narożny, jak pokazano na rysunku 7 (c).

Rysunek 7

6. Anteny soczewkowe
Soczewki służą przede wszystkim do kolimacji rozproszonej energii padającej, aby zapobiec jej rozprzestrzenianiu się w niepożądanych kierunkach promieniowania. Poprzez odpowiednią zmianę geometrii soczewki i wybór odpowiedniego materiału mogą one przekształcać różne formy energii rozbieżnej w fale płaskie. Mogą być stosowane w większości zastosowań, takich jak anteny reflektorowe paraboliczne, szczególnie przy wyższych częstotliwościach, a ich rozmiar i waga stają się bardzo duże przy niższych częstotliwościach. Anteny soczewkowe są klasyfikowane według materiałów konstrukcyjnych lub kształtów geometrycznych, z których niektóre pokazano na rysunku 8.