Anténa je zariadenie, ktoré slúži ako rozhranie medzi elektrickým obvodom a priestorom, určené na vysielanie a príjem elektromagnetických vĺn v určitom frekvenčnom rozsahu v súlade s jeho vlastnou veľkosťou a tvarom. Je vyrobený z kovu, hlavne medi alebo hliníka, vysielacie antény dokážu premieňať elektrický prúd na elektromagnetické žiarenie a naopak. Každé bezdrôtové zariadenie obsahuje aspoň jednu anténu.
rádiové vlny bezdrôtovej siete
Keď vznikne potreba bezdrôtovej komunikácie, je potrebná anténa. Má schopnosť odosielať alebo prijímať elektromagnetické vlny na komunikáciu tam, kde nie je možné nainštalovať káblový systém.
Anténa je kľúčovým prvkom tejto bezdrôtovej technológie. Rádiové vlny sa ľahko vytvárajú a široko sa používajú na komunikáciu v interiéri aj exteriéri vďaka ich schopnosti prechádzať budovami a cestovať na veľké vzdialenosti.
Kľúčové vlastnosti vysielacích antén:
- Pretože rádiový prenos je všesmerový, je potrebné fyzické prispôsobenieje potrebný vysielač a prijímač.
- Frekvencia rádiových vĺn určuje mnohé prenosové charakteristiky.
- Pri nízkych frekvenciách môžu vlny ľahko prechádzať cez prekážky. Ich sila však klesá s inverznou druhou mocninou vzdialenosti.
- Vyššie frekvenčné vlny sú s väčšou pravdepodobnosťou absorbované a odrážajú sa na prekážkach. Kvôli veľkému dosahu rádiových vĺn je problémom rušenie medzi prenosmi.
- V pásmach VLF, LF a MF sa šírenie vĺn, nazývané aj prízemné vlny, riadi zakrivením Zeme.
- Maximálny dosah prenosu týchto vĺn je rádovo niekoľko stoviek kilometrov.
- Vysielacie antény sa používajú na prenosy s nízkou šírkou pásma, ako je vysielanie s amplitúdovou moduláciou (AM).
- Vysielanie v pásme HF a VHF je absorbované atmosférou blízko zemského povrchu. Časť žiarenia, nazývaná skywave, sa však šíri smerom von a nahor smerom k ionosfére v hornej atmosfére. Ionosféra obsahuje ionizované častice vytvorené žiarením Slnka. Tieto ionizované častice odrážajú nebeské vlny späť na Zem.
Šírenie vlny
- Šírenie viditeľnosti. Spomedzi všetkých distribučných metód je to najbežnejší. Vlna prejde minimálnu vzdialenosť, ktorú je možné vidieť voľným okom. Ďalej je potrebné použiť vysielač zosilňovača na zvýšenie signálu a jeho opätovné vysielanie. Takéto šírenie nebude plynulé, ak sa v jeho prenosovej ceste vyskytne nejaká prekážka. Tento prenos sa používa na infračervené alebo mikrovlnné prenosy.
- Šírenie prízemných vĺn z vysielacej antény. K šíreniu vlny k zemi dochádza pozdĺž obrysu Zeme. Takáto vlna sa nazýva priama vlna. Vlna sa niekedy ohne vplyvom magnetického poľa Zeme a zasiahne prijímač. Takúto vlnu možno nazvať odrazenou vlnou.
- Vlna šíriaca sa zemskou atmosférou je známa ako zemská vlna. Priama vlna a odrazená vlna spolu dávajú signál na prijímacej stanici. Keď vlna dosiahne prijímač, oneskorenie sa zastaví. Okrem toho je signál filtrovaný, aby sa zabránilo skresleniu a zosilneniu pre čistý výstup. Vlny sú vysielané z jedného miesta, kde sú prijímané mnohými anténami transceiveru.
Súradnicový systém merania antény
Pri pohľade na ploché modely bude používateľ konfrontovaný s indikátormi azimutu roviny a výšky roviny vzoru. Termín azimut sa zvyčajne vyskytuje vo vzťahu k „horizontálnemu“alebo „horizontálnemu“, zatiaľ čo výraz „nadmorská výška“sa zvyčajne vzťahuje na „vertikálny“. Na obrázku je rovina xy rovinou azimutu.
Vzor azimutálnej roviny sa meria, keď sa meranie vykonáva pohybom celej roviny xy okolo testovanej antény transceivera. Elevačná rovina je rovina kolmá na rovinu xy, ako je rovina yz. Výškový plán prechádza celou rovinou yz okolo testovanej antény.
Vzorky (azimuty a elevácie) sa často zobrazujú ako grafy v polárnychsúradnice. To dáva používateľovi možnosť jednoducho si predstaviť, ako anténa vyžaruje do všetkých smerov, ako keby už bola „namierená“alebo namontovaná. Niekedy je užitočné nakresliť vzory žiarenia v karteziánskych súradniciach, najmä ak sú vo vzoroch viaceré postranné laloky a kde sú dôležité úrovne postranných lalokov.
Základné komunikačné charakteristiky
Antény sú základnými komponentmi každého elektrického obvodu, pretože zabezpečujú prepojenie medzi vysielačom a voľným priestorom alebo medzi voľným priestorom a prijímačom. Predtým, ako budete hovoriť o typoch antén, musíte poznať ich vlastnosti.
Antenna Array – Systematické nasadenie antén, ktoré spolupracujú. Jednotlivé antény v poli sú zvyčajne rovnakého typu a sú umiestnené v tesnej blízkosti, v pevnej vzdialenosti od seba. Pole vám umožňuje zvýšiť smerovosť, ovládanie hlavných lúčov žiarenia a bočných lúčov.
Všetky antény majú pasívny zisk. Pasívny zisk sa meria v dBi, čo súvisí s teoretickou izotropnou anténou. Predpokladá sa, že prenáša energiu rovnako vo všetkých smeroch, ale v prírode neexistuje. Zisk ideálnej polvlnovej dipólovej antény je 2,15 dBi.
EIRP alebo ekvivalentný izotropný vyžarovaný výkon vysielacej antény je mierou maximálneho výkonu, ktorý by teoretická izotropná anténa vyžarovala v smeremaximálny zisk. EIRP zohľadňuje straty z elektrických vedení a konektorov a zahŕňa skutočný zisk. EIRP umožňuje vypočítať skutočný výkon a intenzitu poľa, ak je známy skutočný zisk vysielača a výstupný výkon.
Zisk antény v smeroch
Je definovaný ako pomer zosilnenia výkonu v danom smere k zosilneniu výkonu referenčnej antény v rovnakom smere. Štandardnou praxou je použitie izotropného žiariča ako referenčnej antény. V tomto prípade bude izotropný žiarič bezstratový, vyžaruje svoju energiu rovnako vo všetkých smeroch. To znamená, že zisk izotropného žiariča je G=1 (alebo 0 dB). Bežne sa používa jednotka dBi (decibely vo vzťahu k izotropnému žiariču) na zisk vo vzťahu k izotropnému žiariču.
Zisk vyjadrený v dBi sa vypočíta pomocou nasledujúceho vzorca: GdBi=10Log (GNumerický / GISotropný)=10Log (GNumerický).
Niekedy sa ako referencia používa teoretický dipól, takže na opis zisku vo vzťahu k dipólu sa použije jednotka dBd (decibely vzhľadom na dipól). Tento blok sa zvyčajne používa, keď ide o zosilnenie všesmerových antén s vyšším ziskom. V tomto prípade je ich zisk vyšší o 2,2 dBi. Takže ak má anténa zisk 3 dBu, celkový zisk bude 5,2 dBi.
3 dB šírka lúča
Táto šírka lúča (alebo polovičná šírka lúča) antény je zvyčajne špecifikovaná pre každú z hlavných rovín. Šírka lúča 3 dB v každej rovine je definovaná ako uhol medzi bodmi hlavného laloku, ktorý je znížený z maximálneho zisku o 3 dB. Šírka lúča 3 dB - uhol medzi dvoma modrými čiarami v polárnej oblasti. V tomto príklade je šírka lúča 3 dB v tejto rovine približne 37 stupňov. Antény so širokou šírkou lúča majú zvyčajne nízky zisk, zatiaľ čo antény s úzkym lúčom majú vyšší zisk.
Anténa, ktorá smeruje väčšinu svojej energie do úzkeho lúča, aspoň v jednej rovine, bude mať teda vyšší zisk. Pomer medzi prednou a zadnou stranou (F/B) sa používa ako miera zásluh, ktorá sa pokúša opísať úroveň žiarenia zo zadnej strany smerovej antény. V zásade je pomer medzi prednou a zadnou stranou pomerom maximálneho zisku v smere dopredu k zisku 180 stupňov za vrcholom. Samozrejme, na stupnici DB je pomer medzi prednou a zadnou časťou jednoducho rozdielom medzi predným vrcholovým ziskom a ziskom 180 stupňov za vrcholom.
Klasifikácia antén
Existuje mnoho typov antén pre rôzne aplikácie, ako je komunikácia, radar, meranie, simulácia elektromagnetických impulzov (EMP), elektromagnetická kompatibilita (EMC) atď. Niektoré z nich sú navrhnuté tak, aby fungovali v úzkych frekvenčných pásmach, pričom inínavrhnuté tak, aby vysielali/prijímali prechodné impulzy. Špecifikácie vysielacej antény:
- Fyzická štruktúra antény.
- Frekvenčné pásma.
- Režim aplikácie.
Nasledujú typy antén podľa fyzickej štruktúry:
- wire;
- aperture;
- reflective;
- anténny objektív;
- mikropáskové antény;
- masívne antény.
Nasledujú typy vysielacích antén v závislosti od frekvencie prevádzky:
- Veľmi nízka frekvencia (VLF).
- Nízka frekvencia (LF).
- Stredná frekvencia (MF).
- Vysokofrekvenčné (HF).
- Veľmi vysoká frekvencia (VHF).
- Ultra High Frequency (UHF).
- Super High Frequency (SHF).
- Mikrovlnná vlna.
- Rozhlasová vlna.
Nasledujúce sú vysielacie a prijímacie antény podľa aplikačných režimov:
- Pripojenie z bodu do bodu.
- Vysielacie aplikácie.
- Radarová komunikácia.
- Satelitná komunikácia.
Dizajnové funkcie
Vysielacie antény vytvárajú rádiofrekvenčné žiarenie, ktoré sa šíri vesmírom. Prijímacie antény vykonávajú opačný proces: prijímajú rádiofrekvenčné žiarenie a premieňajú ho na požadované signály, ako je zvuk, obraz v televíznych vysielacích anténach a v mobilnom telefóne.
Najjednoduchší typ antény pozostáva z dvoch kovových tyčí a je známy ako dipól. Jedným z najbežnejších typov jemonopólová anténa pozostávajúca z tyče umiestnenej vertikálne k veľkej kovovej doske, ktorá slúži ako základná rovina. Montáž na vozidlá je zvyčajne jednopólová a plechová strecha vozidla slúži ako uzemnenie. Konštrukcia vysielacej antény, jej tvar a veľkosť určujú prevádzkovú frekvenciu a ďalšie vyžarovacie charakteristiky.
Jedným z dôležitých atribútov antény je jej smerovosť. Pri komunikácii medzi dvoma pevnými cieľmi, ako pri komunikácii medzi dvoma pevnými vysielacími stanicami, alebo pri radarových aplikáciách je potrebná anténa na priamy prenos vysielacej energie do prijímača. Naopak, keď vysielač alebo prijímač nie je stacionárny, ako pri celulárnej komunikácii, je potrebný nesmerový systém. V takýchto prípadoch je potrebná všesmerová anténa, ktorá prijíma všetky frekvencie rovnomerne vo všetkých smeroch horizontálnej roviny a vo vertikálnej rovine je žiarenie nerovnomerné a veľmi malé, ako HF vysielacia anténa.
Odosielanie a prijímanie zdrojov
Vysielač je hlavným zdrojom RF žiarenia. Tento typ pozostáva z vodiča, ktorého intenzita v čase kolíše a premieňa ho na rádiofrekvenčné žiarenie, ktoré sa šíri priestorom. Prijímacia anténa - zariadenie na príjem rádiových frekvencií (RF). Vykonáva spätný prenos vykonávaný vysielačom, prijíma RF žiarenie, premieňa ho na elektrické prúdy v obvode antény.
Televízne a rozhlasové stanice používajú vysielacie antény na prenos určitých typov signálov, ktoré sa šíria vzduchom. Tieto signály sú detekované prijímacími anténami, ktoré ich premieňajú na signály a sú prijímané príslušným zariadením, ako je TV, rádio, mobilný telefón.
Prijímacie antény rádia a televízie sú navrhnuté len na príjem rádiofrekvenčného žiarenia a neprodukujú rádiofrekvenčné žiarenie. Mobilné komunikačné zariadenia, ako sú základňové stanice, opakovače a mobilné telefóny, majú vyhradené vysielacie a prijímacie antény, ktoré vyžarujú vysokofrekvenčnú energiu a slúžia celulárnym sieťam v súlade s technológiami komunikačných sietí.
Rozdiel medzi analógovou a digitálnou anténou:
- Alógová anténa má variabilný zisk a funguje v rozsahu 50 km pre DVB-T. Čím ďalej je používateľ od zdroja signálu, tým je signál horší.
- Prijímanie digitálnej televízie – používateľ prijíma buď dobrý obraz, alebo obraz vôbec. Ak je ďaleko od zdroja signálu, neprijíma žiadny obraz.
- Vysielacia digitálna anténa má vstavané filtre na zníženie šumu a zlepšenie kvality obrazu.
- Alógový signál sa odosiela priamo do televízora, zatiaľ čo digitálny signál je potrebné najskôr dekódovať. Umožňuje vám opraviť chyby, ako aj údaje, ako je kompresia signálu pre ďalšie funkcie, ako sú extra kanály, EPG, platená televízia,interaktívne hry atď.
Dipólové vysielače
Dipólové antény sú najbežnejším všesmerovým typom a šíria rádiofrekvenčnú (RF) energiu horizontálne o 360 stupňov. Tieto zariadenia sú navrhnuté tak, aby rezonovali na polovičnej alebo štvrtinovej vlnovej dĺžke aplikovanej frekvencie. Môže byť jednoduchý ako dve dĺžky drôtu alebo môže byť zapuzdrený.
Dipól sa používa v mnohých podnikových sieťach, malých kanceláriách a na domáce použitie (SOHO). Má typickú impedanciu, ktorá sa zhoduje s vysielačom pre maximálny prenos energie. Ak sa anténa a vysielač nezhodujú, na prenosovom vedení sa objavia odrazy, ktoré zhoršia signál alebo dokonca poškodia vysielač.
Primerané zameranie
Smerové antény sústreďujú vyžarovaný výkon do úzkych lúčov, čím poskytujú v tomto procese významný zisk. Jeho vlastnosti sú tiež vzájomné. Charakteristiky vysielacej antény, ako je impedancia a zisk, platia aj pre prijímaciu anténu. To je dôvod, prečo je možné použiť rovnakú anténu na odosielanie aj prijímanie signálu. Zisk vysoko smerovej parabolickej antény slúži na zosilnenie slabého signálu. To je jeden z dôvodov, prečo sa často používajú na komunikáciu na veľké vzdialenosti.
Bežne používanou smerovou anténou je pole Yagi-Uda nazývané Yagi. Vynašiel ho Shintaro Uda a jeho kolega Hidetsugu Yagi v roku 1926. Yagi anténa využíva niekoľko prvkov navytvorenie smerovaného poľa. Jeden riadený prvok, zvyčajne dipól, šíri RF energiu, prvky bezprostredne pred a za riadeným prvkom opätovne vyžarujú RF energiu vo fáze a mimo nej, čím zosilňujú a spomaľujú signál.
Tieto prvky sa nazývajú parazitické prvky. Prvok za slave sa nazýva reflektor a prvky pred slave sa nazývajú direktora. Antény Yagi majú šírky lúča od 30 do 80 stupňov a môžu poskytnúť viac ako 10 dBi pasívneho zisku.
Parabolická anténa je najznámejším typom smerovej antény. Parabola je symetrická krivka a parabolický reflektor je plocha, ktorá opisuje krivku počas otáčania o 360 stupňov - parabolu. Parabolické antény sa používajú na spojenia na veľké vzdialenosti medzi budovami alebo veľkými geografickými oblasťami.
Polosmerové článkové radiátory
Náplasťová anténa je polosmerový žiarič využívajúci plochý kovový pás namontovaný nad zemou. Žiarenie zo zadnej časti antény je efektívne orezané základnou rovinou, čím sa zvyšuje smerovosť dopredu. Tento typ antény je známy aj ako mikropásiková anténa. Zvyčajne je obdĺžnikový a uzavretý v plastovom obale. Tento typ antény je možné vyrobiť štandardnými metódami PCB.
Náplasťová anténa môže mať šírku lúča od 30 do 180 stupňov atypický zisk je 9 dB. Sekcionálne antény sú ďalším typom polosmerovej antény. Sektorové antény poskytujú sektorový vyžarovací diagram a zvyčajne sú inštalované v poli. Šírka lúča pre sektorovú anténu sa môže pohybovať od 60 do 180 stupňov, pričom typický je 120 stupňov. V rozdelenom poli sú antény namontované blízko seba, čím poskytujú plné 360-stupňové pokrytie.
Výroba antény Yagi-Uda
Počas posledných desaťročí bola anténa Yagi-Uda viditeľná takmer v každej domácnosti.
Je vidieť, že existuje veľa riaditeľov na zvýšenie smerovosti antény. Podávač je skladaný dipól. Reflektor je dlhý prvok, ktorý sedí na konci konštrukcie. Na túto anténu musia byť aplikované nasledujúce špecifikácie.
| Prvok | Špecifikácia |
| Dĺžka riadeného prvku | 0,458λ až 0,5λ |
| Dĺžka reflektora | 0, 55λ – 0,58λ |
| Trvanie riaditeľa 1 | 0,45λ |
| Dĺžka režiséra 2 | 0,40λ |
| Trvanie riaditeľa 3 | 0,35λ |
| Interval medzi riaditeľmi | 0,2λ |
| Reflektor pre vzdialenosť medzi dipólmi | 0,35λ |
| Vzdialenosť medzi dipólmi a riaditeľom | 0,125λ |
Nižšie sú uvedené výhody antén Yagi-Uda:
- Vysoký zisk.
- Vysoké zameranie.
- Jednoduchá manipulácia a údržba.
- Plytne sa menej energie.
- Širšie frekvenčné pokrytie.
Nasledujú nevýhody antén Yagi-Uda:
- Sklon k hluku.
- Sklon k atmosférickým vplyvom.
Pri dodržaní vyššie uvedených špecifikácií je možné navrhnúť anténu Yagi-Uda. Smerový vzor antény je veľmi účinný, ako je znázornené na obrázku. Malé laloky sú potlačené a smerovosť hlavného rytmu sa zvýši pridaním režisérov do antény.
