1. Wprowadzenie do anten
Antena to struktura przejściowa między przestrzenią swobodną a linią transmisyjną, jak pokazano na rysunku 1. Linia transmisyjna może mieć postać przewodu koncentrycznego lub pustej rury (falowodu), która służy do przesyłania energii elektromagnetycznej ze źródła do anteny lub z anteny do odbiornika. Pierwsza z nich to antena nadawcza, a druga – antena odbiorcza.
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 warunkach idealnych cała energia generowana przez źródło sygnału powinna zostać przeniesiona na rezystancję promieniowania Rr, która jest używana do reprezentowania zdolności radiacyjnej anteny. Jednak w zastosowaniach praktycznych występują straty przewodnikowo-dielektryczne wynikające z charakterystyki 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 nakłada się na falę padającą ze źródła do anteny, tworząc falę stojącą, która reprezentuje koncentrację i magazynowanie energii i jest typowym elementem rezonansowym. Typowy przebieg fali stojącej pokazano linią przerywaną na rysunku 2. Jeśli system antenowy nie jest prawidłowo zaprojektowany, linia transmisyjna może w dużej mierze pełnić funkcję elementu magazynującego energię, a nie falowodu i urządzenia do jej przesyłu.
Straty generowane przez linię transmisyjną, antenę i fale stojące są niepożądane. Straty liniowe można zminimalizować, wybierając linie transmisyjne o niskich stratach, natomiast straty antenowe można zmniejszyć, zmniejszając rezystancję strat, reprezentowaną przez współczynnik strat RL na rysunku 2. Fale stojące można zredukować, a magazynowanie energii w linii można zminimalizować, dopasowując impedancję anteny (obciążenia) do impedancji charakterystycznej linii.
W systemach bezprzewodowych, oprócz odbioru lub transmisji energii, anteny zazwyczaj służą do wzmacniania energii promieniowanej w określonych kierunkach i tłumienia energii promieniowanej w innych kierunkach. Dlatego, oprócz urządzeń detekcyjnych, anteny muszą również pełnić funkcję kierunkową. Anteny mogą występować w różnych formach, w zależności od potrzeb. Mogą to być przewody, apertury, łatki, układy elementów (macierze), reflektory, soczewki itp.
W systemach komunikacji bezprzewodowej anteny są jednym z najważniejszych elementów. Dobra konstrukcja anteny może zmniejszyć wymagania systemowe i poprawić ogólną wydajność systemu. Klasycznym przykładem jest telewizja, gdzie odbiór sygnału można poprawić, stosując anteny o wysokiej wydajności. Anteny są dla systemów komunikacyjnych tym, czym oczy dla ludzi.
2. Klasyfikacja anten
1. Antena przewodowa
Anteny drutowe to jeden z najpopularniejszych typów anten, ponieważ można je znaleźć niemal wszędzie – w samochodach, budynkach, statkach, samolotach, statkach kosmicznych itp. Anteny drutowe występują w różnych kształtach, takich jak linia prosta (dipol), pętla czy spirala, jak pokazano na rysunku 3. Anteny pętlowe nie muszą być wyłącznie okrągłe. Mogą mieć kształt prostokątny, kwadratowy, owalny lub dowolny inny. Antena okrągła jest najpopularniejsza ze względu na swoją prostą konstrukcję.
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 rodzaje anten aperturowych (piramidowe, stożkowe i prostokątne anteny tubowe) przedstawiono na rysunku 4. Ten typ anteny jest bardzo przydatny w zastosowaniach w samolotach i statkach kosmicznych, ponieważ można je wygodnie zamontować na zewnętrznej powłoce samolotu lub statku kosmicznego. Dodatkowo, można je pokryć warstwą materiału dielektrycznego, aby chronić je przed trudnymi warunkami środowiskowymi.
Rysunek 4
3. Antena mikropaskowa
Anteny mikropaskowe zyskały dużą popularność w latach 70. XX wieku, głównie w zastosowaniach satelitarnych. Antena składa się z podłoża dielektrycznego i metalowej płytki. Metalowa płytka może mieć wiele różnych kształtów, a prostokątna antena pokazana na rysunku 5 jest najpopularniejszym kształtem. Anteny mikropaskowe charakteryzują się niskim profilem, nadają się do powierzchni płaskich i niepłaskich, są proste i niedrogie w produkcji, charakteryzują się wysoką wytrzymałością po zamontowaniu na sztywnych powierzchniach i są kompatybilne z konstrukcjami MMIC. Można je montować na powierzchniach samolotów, statków kosmicznych, satelitów, pocisków rakietowych, samochodów, a nawet urządzeń mobilnych, i mogą być projektowane konformalnie.
Rysunek 5
4. Antena tablicowa
Charakterystyki promieniowania wymagane w wielu zastosowaniach mogą nie zostać osiągnięte przez pojedynczy element anteny. Macierze antenowe mogą generować promieniowanie z syntetyzowanych elementów w celu uzyskania maksymalnego promieniowania w jednym lub kilku określonych kierunkach. Typowy przykład przedstawiono na rysunku 6.
Rysunek 6
5. Antena reflektorowa
Sukces eksploracji kosmosu doprowadził również do szybkiego rozwoju teorii anten. Ze względu na konieczność komunikacji na bardzo duże odległości, do nadawania i odbierania sygnałów z odległości milionów mil konieczne jest stosowanie anten o ekstremalnie wysokim zysku. W tym zastosowaniu powszechną formą anteny jest antena paraboliczna pokazana na rysunku 7. Ten typ anteny ma średnicę 305 metrów lub większą, a tak duży rozmiar jest niezbędny do osiągnięcia wysokiego zysku wymaganego do nadawania i odbierania sygnałów z odległości milionów mil. Innym rodzajem reflektora jest reflektor narożny, pokazany na rysunku 7 (c).
Rysunek 7
6. Anteny soczewkowe
Soczewki służą przede wszystkim do kolimacji padającej energii rozproszonej, aby zapobiec jej rozprzestrzenianiu się w niepożądanych kierunkach promieniowania. Poprzez odpowiednią zmianę geometrii soczewki i dobór odpowiedniego materiału, mogą one przekształcać różne formy energii rozbieżnej w fale płaskie. Mogą być stosowane w większości zastosowań, takich jak paraboliczne anteny reflektorowe, szczególnie w wyższych częstotliwościach, a ich rozmiar i masa stają się bardzo duże w niższych częstotliwościach. Anteny soczewkowe są klasyfikowane według materiałów konstrukcyjnych lub kształtów geometrycznych, z których niektóre przedstawiono na rysunku 8.
Rysunek 8
Aby dowiedzieć się więcej o antenach, odwiedź stronę:
Czas publikacji: 19 lipca 2024 r.
