Передающие антенны: типы, устройство и характеристики

Антенна — это устройство, которое служит интерфейсом между электрической цепью и пространством, предназначено для передачи и приема электромагнитных волн в определенном диапазоне частот в соответствии с собственными размерами и формой. Выполнена она из металла, в основном из меди или алюминия, передающие антенны могут преобразовывать электрический ток в электромагнитное излучение и наоборот. Каждое устройство беспроводной связи содержит по меньшей мере одну антенну.

Радиоволны беспроводной сети

Когда возникает потребность в беспроводной связи, необходима антенна. Она имеет возможность посылать или принимать электромагнитные волны для связи, где невозможно установить проводную систему.

Антенна является ключевым элементом этой беспроводной технологии. Радиоволны легко создаются и широко используются как для внутренней, так и для наружной связи из-за способности проходить через здания и путешествовать на большие расстояния.

Ключевые особенности передающих антенн:

1. Поскольку радиопередача носит всенаправленный характер, необходимость физического согласования передатчика и приемника не требуется.
2. Частота радиоволн определяет многие характеристики передачи.
3. На низких частотах волны могут легко проходить через препятствия. Однако их мощность падает с обратным квадратом относительно расстояния.
4. Более высокие частоты волн более склонны к поглощению, и они отражаются на препятствиях. Из-за большой дальности передачи радиоволн помехи между передачами являются проблемой.
5. В диапазонах VLF, LF и MF распространение волн, также называемых наземными волнами, следует за кривизной Земли.
6. Максимальные диапазоны пропускания этих волн составляют порядка нескольких сотен километров.
7. Передающие антенны используются для передач с низкой пропускной способностью, таких как радиопередача с амплитудной модуляцией (AM).
8. Передачи HF и VHF-диапазона поглощаются атмосферой, расположенной вблизи поверхности Земли. Однако часть излучения, называемая волной неба, распространяется наружу и вверх к ионосфере в верхней атмосфере. Ионосфера содержит ионизированные частицы, образованные излучением Солнца. Эти ионизированные частицы отражают волны неба обратно на Землю.

Распространение волн

• Распространение прямой видимости. Среди всех способов распространения этот наиболее часто встречающийся. Волна перемещается на минимальное расстояние, которое можно видеть невооруженным глазом. Далее нужно использовать передатчик усилителя, чтобы увеличить сигнал и передать его снова. Такое распространение не будет плавным, если на его пути передачи есть какое-либо препятствие. Эта передача используется для инфракрасных или микроволновых передач.
• Распространение земной волны от передающей антенны. Распространение волны на грунт происходит по контуру Земли. Такая волна называется прямой волной. Волна иногда изгибается из-за магнитного поля Земли и попадает в приемник. Такую волну можно назвать отраженной волной.
• Волна, распространяющаяся через земную атмосферу, известна как земная. Прямая волна и отраженная волна вместе дают сигнал на приемной станции. Когда волна достигает приемника, задержка прекращается. Кроме того, сигнал фильтруется во избежание искажения и усиления для четкого вывода. Волны передаются из одного места и где они принимаются многими приемопередающими антеннами.

Система координат измерения антенны

Рассматривая плоские модели, пользователь будет сталкиваться с показателями азимута плоскости и высоты плоскости паттерна. Термин азимут обычно встречается в отношении «горизонта» или «горизонтали», тогда как термин «высота» обычно относится к «вертикали». На рисунке плоскость xy является азимутальной плоскостью.

Диаграмма азимутальной плоскости измеряется, когда измерение выполняется, перемещая всю плоскость xy вокруг испытываемой приемопередающей антенны. Плоскость возвышения — это плоскость, ортогональная плоскости ху, например, плоскость yz. План плоскости возвышенности совершает обход всей плоскости yz вокруг испытываемой антенны.

Образцы (азимуты и диаграммы высоты) часто отображаются как графики в полярных координатах. Это дает пользователю возможность легко визуализировать, как антенна излучает во всех направлениях, как если бы она была уже «нацелена» или смонтирована. Иногда полезно нарисовать диаграммы направленности в декартовых координатах, особенно когда в шаблонах имеется несколько боковых лепестков и где важны уровни боковых лепестков.

Основные характеристики связи

Антенны являются основными компонентами любой электрической цепи, поскольку они обеспечивают взаимосвязь между передатчиком и свободным пространством или между свободным пространством и приемником. Прежде чем говорить о типах антенн, нужно знать их свойства.

Антенный массив — систематическое развертывание антенн, которые работают вместе. Индивидуальные антенны в массиве обычно имеют один и тот же тип и расположены в непосредственной близости, на фиксированном расстоянии друг от друга. Массив позволяет увеличить направленность, управление основными лучами излучения и боковыми пучками.

Все антенны характеризуются пассивным коэффициентом усиления. Пассивное усиление измеряется величиной dBi, которая связана с теоретической изотропной антенной. Считается, что она передает энергию одинаково во всех направлениях, но не существует в природе. Коэффициент усиления идеальной полуволновой дипольной антенны составляет 2,15 дБи.

EIRP, или эквивалентная изотропная излучаемая мощность передающей антенны является мерой максимальной мощности, которую теоретическая изотропная антенна излучала бы в направлении максимального усиления. EIRP учитывает потери от линий электропередач и разъемов и включает в себя фактическое усиление. EIRP позволяет рассчитывать реальную мощность и значения напряженности поля, если известны фактическое усиление и выходная мощность передатчика.

Усиление антенны по направлениям

Оно определяется как отношение коэффициента усиления мощности в заданном направлении к усилению мощности опорной антенны в том же направлении. Стандартной практикой является использование изотропного излучателя в качестве эталонной антенны. При этом изотропный излучатель будет без потерь, излучает свою энергию одинаково во всех направлениях. Это означает, что коэффициент усиления изотропного излучателя равен G = 1 (или 0 ДБ). Обычно принято использовать блок dBi (децибелы относительно изотропного излучателя) для усиления по отношению к изотропному излучателю.

Усиление, выраженное в dBi, вычисляется по следующей формуле: GdBi = 10 * Log (GNumeric / GIsotropic) = 10 * Log (GNumeric).

Иногда в качестве эталона используется теоретический диполь, поэтому для описания коэффициента усиления по отношению к диполю будет использоваться единица dBd (децибелы относительно диполя). Этот блок, как правило, используется, когда речь идет об усилении всенаправленных антенн с более высоким коэффициентом усиления. В этом случае их усиление выше на 2,2 дБи. Поэтому если антенна имеет коэффициент усиления 3 дБн, общий коэффициент усиления будет 5,2 дБи.

Ширина луча 3 ДБ

Такая ширина луча (или ширина луча половинной мощности) антенны обычно определяется для каждой из главных плоскостей. Ширина луча 3 ДБ в каждой плоскости определяется как угол между точками основного лепестка, которые уменьшены от максимального усиления на 3 ДБ. Ширина луча 3 ДБ — угол между двумя синими линиями на полярном участке. В этом примере ширина луча 3 ДБ в этой плоскости составляет около 37 градусов. Антенны с широкой шириной луча обычно имеют низкий коэффициент усиления, а антенны с узкой шириной луча имеют более высокий коэффициент усиления.

Таким образом, антенна, которая направляет большую часть своей энергии в узкий луч, по крайней мере, в одной плоскости, будут иметь более высокий коэффициент усиления. Отношение «вперед-назад» (F/B) используется как показатель достоинства, который пытается описать уровень излучения со спины направленной антенны. В принципе, отношение «вперед-назад» — это отношение пикового усиления в прямом направлении к коэффициенту усиления на 180 градусов позади пика. Разумеется, в масштабе ДБ соотношение «вперед-назад» — это просто разница между пиковым усилением в прямом направлении и коэффициентом усиления на 180 градусов позади пика.

Классификация антенн

Существует множество видов антенн для различных применений, таких как связь, радиолокация, измерения, имитация электромагнитных импульсов (EMP), электромагнитная совместимость (EMC) и т. д. Некоторые из них предназначены для работы на узких полосах частот, в то время как другие предназначены для излучения/принимать импульсы переходного процесса. Показатели характеристик передающих антенн:

1. Физическая структура антенны.
2. Диапазоны частот работы.
3. Режим приложений.

Ниже приведены типы антенн в соответствии с физической структурой:

• проволочные;
• апертурные;
• отражающие;
• антенны объектива;
• микрополосковые антенны;
• массивные антенны.

Ниже приведены типы передающих антенн в зависимости от частоты работы:

1. Очень низкая частота (VLF).
2. Низкая частота (LF).
3. Средняя частота (MF).
4. Высокая частота (HF).
5. Очень высокая частота (ОВЧ).
6. Сверхвысокая частота (УВЧ).
7. Супер высокая частота (SHF).
8. Микроволновая волна.
9. Радиоволна.

Ниже приведены передающие и принимающие антенны в соответствии с режимами применения:

1. Связь точка-точка.
2. Приложения для вещания.
3. Радиолокационная связь.
4. Спутниковая связь.

Конструктивные особенности

Передающие антенны создают радиочастотное излучение, распространяющееся в пространстве. Приемные антенны выполняют обратный процесс: они получают радиочастотное излучение и преобразуют их в требуемые сигналы ,например, звук, изображение в телевизионных передающих антеннах и мобильном телефоне.

Самый простой тип антенны состоит из двух металлических стержней и известен как диполь. Одним из наиболее распространенных типов является монопольная антенна, состоящая из стержня, расположенного вертикально к большой металлической доске, которая служит в качестве заземленной плоскости. Установка на транспортных средствах обычно является монополем, а металлическая крыша транспортного средства служит в качестве заземления. Устройство передающей антенны, ее форма и размер определяют рабочую частоту и другие характеристики излучения.

Одним из важных атрибутов антенны является ее направленность. В связи между двумя фиксированными целями, как и в связи между двумя фиксированными станциями передачи, или в радиолокационных применениях требуется антенна, чтобы напрямую передавать энергию передачи в приемник. И наоборот, когда передатчик или приемник не является стационарным, как в сотовой связи, требуется ненаправленная система. В таких случаях требуется всенаправленная антенна, которая равномерно принимает все частоты во всех направлениях горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости излучение неравномерно и очень мало, как у Кв передающей антенны.

Передающие и приемные источники

Передающее устройство — основной источник радиочастотного излучения. Этот тип состоит из проводника, интенсивность которого колеблется со временем и преобразует его в радиочастотное излучение, распространяющееся в пространстве. Приемная антенна — устройство для приема радиочастот (RF). Она выполняет обратную передачу, выполняемую передающей, получает радиочастотное излучение, преобразует его в электрические токи в электрической цепи антенны.

Телевизионные и радиовещательные станции используют передающие антенны для передачи определенных типов сигналов, которые распространяются по воздуху. Эти сигналы обнаруживаются приемными антеннами, которые преобразуют их в сигналы и принимаются соответствующим устройством, например, телевизором, радио, мобильным телефоном.

Радиоприемные и телевизионные приемные антенны предназначены исключительно для приема радиочастотного излучения, и они не производят радиочастотное излучение. Устройства сотовой связи, например, базовые станции, повторители и мобильные телефоны оснащены назначенными передающими и приемными антеннами, которые излучают радиочастотное излучение и обслуживают сети сотовой связи в соответствии с технологиями сетей связи.

Разница между аналоговой и цифровой антенной:

1. Аналоговая антенна имеет переменный коэффициент усиления и работает в диапазоне 50 км для DVB-T. Чем дальше пользователь находиться от источника сигнала, тем хуже сигнал.
2. Для приема цифрового ТВ - пользователь получает либо хорошее изображение, либо изображение вообще. Если он находится далеко от источника сигнала, то не получает никакого изображения.
3. Передающая цифровая антенна имеет встроенные фильтры для снижения шума и улучшения качества изображения.
4. Аналоговый сигнал передается непосредственно на телевизор, в то время как цифровой необходимо сначала декодировать. Это позволяет исправить ошибки, а также данные как сжатие сигнала для получения дополнительных функций в качестве дополнительных каналов, EPG, Pay TV, интерактивных игр и т. д.

Дипольные передатчики

Дипольные антенны являются наиболее распространенным всенаправленным типом и распространяют радиочастотную (RF) энергию на 360 градусов в горизонтальной плоскости. Эти устройства сконструированы так, чтобы быть резонансными с половиной или четвертью длины волны применяемой частоты. Она может быть такой же простой, как два куска провода, нужной длины, или может быть инкапсулирована.

Диполь используется во многих корпоративных сетях, небольших офисах и для домашних нужд (SOHO). Она имеет типичный импеданс, позволяющий согласовать ее с передатчиком для максимальной передачи мощности. Если антенна и передатчик не совпадают, на линии передачи будут возникать отражения, которые ухудшают сигнал или даже могут повредить передатчик.

Направленный фокус

Направленные антенны фокусируют излучаемую мощность на узкие лучи, обеспечивая значительный выигрыш в этом процессе. Свойства ее также являются взаимными. Характеристики передающей антенны, такие как импеданс и усиление, также применимы к приемной антенне. Вот почему одна и та же антенна может использоваться как для отправки, так и для приема сигнала. Усиление сильно направленной параболической антенны служит для усиления слабого сигнала. Это одна из причин, почему они часто используется для связи на большие расстояния.

Обычно используемой направленной антенной является массив Яги-Уда, называемый Яги. Она была изобретена Шинтаро Уда и его коллегой Хидецугу Яги в 1926 году. Яги-антенна использует несколько элементов для формирования направленного массива. Один управляемый элемент, обычно диполь, распространяет радиочастотную энергию, элементы, расположенные непосредственно перед и за ведомым элементом, повторно излучают радиочастотную энергию по фазе и вне фазы, усиливая и замедляя сигнал соответственно.

Эти элементы называются паразитными элементами. Элемент за ведомым называется отражателем, а элементы перед ведомым устройством называются директорами. Антенны Yagi имеют ширину луча в диапазоне от 30 до 80 градусов и могут обеспечить более чем 10 дБи пассивного усиления.

Параболическая антенна является наиболее знакомым типом направленной антенны. Парабола — симметричная кривая, а параболический отражатель – это поверхность, которая описывает кривую при 360-градусном вращении — тарелке. Параболические антенны используются для междугородных линий связи между зданиями или большими географическими районами.

Полунаправленные секционные излучатели

Патч-антенна представляет собой полунаправленный излучатель с использованием плоской металлической полосы, установленной над землей. Излучение от задней части антенны эффективно обрезается наземной плоскостью, повышая направленность вперед. Этот тип антенны также известен как микрополосковая антенна. Он обычно прямоугольный и заключен в пластиковый корпус. Этот тип антенны может быть изготовлен стандартными методами печатной платы.

Патч-антенна может иметь ширину луча от 30 до 180 градусов и типичный коэффициент усиления 9 ДБ. Секционные антенны - это другой тип полунаправленной антенны. Секторные антенны обеспечивают диаграмму направленности сектора излучения и обычно устанавливаются в массиве. Ширина луча для секторной антенны может составлять от 60 до 180 градусов, причем типичным является 120 градусов. В секционированном массиве антенны монтируются вплотную друг к другу, обеспечивая полный охват на 360 градусов.

Изготовление антенны Яги-Уды

В течение последних десятилетий антенна Yagi-Uda была видна почти на всех домах.

Видно, что для повышения направленности антенны существует множество директоров. Устройство подачи представляет собой свернутый диполь. Отражатель — это длинный элемент, который находится в конце структуры. Для этой антенны должны быть применены следующие технические характеристики.

Ниже приведены преимущества антенн Yagi-Uda:

1. Высокий коэффициент усиления.
2. Высокая направленность.
3. Простота обращения и обслуживания.
4. Меньшее количество энергии теряется.
5. Более широкий охват частот.

Ниже приведены недостатки антенн Yagi-Uda:

1. Склонность к шуму.
2. Предрасположены к атмосферным эффектам.

Если следовать приведенным выше спецификациям, можно спроектировать антенну Yagi-Uda. Направленная картина антенны является очень эффективной, как показано на рисунке. Малые лепестки подавляются, а направленность основной доли увеличивается за счет добавления директоров к антенне.