Kas yra antena？

Antenos buvo plačiai naudojamos nuo praėjusio amžiaus posūkio. Nuo to laiko šioje srityje buvo atlikti išsamūs tyrimai, kurių metu gauta daugybė eksperimentinių ir teorinių žinių kartu su daugybe dizaino ir pritaikymo galimybių.

Ankstyviausią anteną 19 amžiaus pabaigoje pristatė vokiečių fizikas Heinrichas Hertzas. Po Hertzo darbo 20 a. Pradžioje – viduryje buvo atliktas puikus teorinis objekto tyrimas. Šis tyrimas vyko kuriant kompiuterinio projektavimo (CAD) įrankius 1970s-2000s metu, kuriuos sukūrė galinga, tačiau prieinama kompiuterinė technologija.

Antenų programos yra didžiulės ir įvairios. Tai apima: transliavimas per televiziją ir radiją, RADAR, belaidis kompiuterinis ryšys, „Bluetooth“ palaikantys įrenginiai, karinis asmeninis ryšys, palydovinis ryšys, mobilieji telefonai, RFID žymės ir daug daugiau.

Straipsnyje aptariamos pagrindinės antenų veikimo ir našumo sąvokos. Pagrindiniai darbo tikslai yra informuoti skaitytoją apie fizinius antenos veikimo mechanizmus ir įvairius parametrus, apimančius antenos specifikacijas. Tinkamas šių sąvokų vertinimas užtikrins tinkamą ir pagrįstą produktų pasirinkimą visoms galimoms reikmėms.

Straipsnyje pradedamas trumpas fizinis objekto įvadas, po kurio pateikiama išsamesnė ir išsamesnė įvairių antenos parametrų apžvalga.

Griežtam šios temos traktavimui reikalingas platus matematinis pagrindas ir jis nepatenka į šio darbo taikymo sritį. Rašant šį darbą buvo išvengta matematinio sudėtingumo, o ne tiesesnio požiūrio. Paprastai tariant, viskas buvo kiek įmanoma paprasčiau, neprarandant galiojimo.

Šis straipsnis skirtas visoms su šia sritimi susijusioms auditorijoms, įskaitant rinkodaros personalą, sistemų inžinierius, vadybininkus, dizainerius ir visus galimus vartotojus. Straipsnis buvo sudarytas taip, kad nereikia specialaus profesinio pasirengimo ar ankstesnių žinių apie šį dalyką.

Aš noriu ir ketinu, kad šis dokumentas būtų kiek įmanoma išsamesnis ir informatyvesnis. Linkiu jums malonaus skaitymo, kuris, tikiuosi, suteiks jums šiek tiek įžvalgos apie šią žavią temą.

FIZINIS ĮVADAS

Antena yra elektrinis įtaisas, skirtas spinduliuoti ar fiksuoti elektromagnetines (EM) bangas. Norėdami tinkamai įvertinti šį apibrėžimą ir visą antenų fizinį veikimą, turėsime supažindinti skaitytoją su keliomis pagrindinėmis elektromagnetinėmis sąvokomis.
Fiziniai dėsniai, reglamentuojantys visus klasikinius elektromagnetinius reiškinius, yra Maksvelo lygtys. Pirmą kartą 1864 pristatė škotų mokslininkas Jamesas Clarkas Maxwellas savo garsiajame straipsnyje: „Dinaminė elektromagnetinio lauko teorija“. Šios keturios lygtys suteikia mums beveik išsamų matematinį aprašą, kaip elektriniai ir magnetiniai laukai sukuriami ir keičiami. vienas kito, taip pat krūvių ir srovių.

Elektrinis ir magnetinis laukai vaizduojami kaip vektoriai, turintys ir dydį (stiprumą), ir orientaciją (kryptį). Laukų dydis ir orientacija skiriasi atsižvelgiant į vietą ir laiką, kada jie matuojami.

Maksvelo lygtys reiškia, kad visų EM laukų šaltiniai yra elektros krūviai ir srovės. Kaip ir galima tikėtis, skirtingas krūvis ar srovės pasiskirstymas sukelia skirtingus EM laukus.

Vienas konkretus susidomėjimo atvejis yra greitėjantis elektrinis krūvis. Elektrinio krūvio pagreitis sukuria EM lauką, kuris sklinda bangos būdu, vadinamas EM banga. EM bangos sklinda šviesos greičiu ir į išorę, atsižvelgiant į jų kilmę. Aukščiau paminėtas procesas vadinamas EM spinduliuote.

Todėl akivaizdu, kad norėdami sukurti EM spinduliuotę, turime įdiegti įtaisą, galintį išlaikyti kintamąją elektros srovę. Šis prietaisas yra žinomas kaip antena.

A. Perdavimo ir priėmimo režimai

Iš esmės antena gali būti naudojama vienu iš dviejų veikimo režimų. Jie yra žinomi kaip perdavimo režimas ir priėmimo režimas (Tx režimas ir Rx režimas). Kai dirbate perdavimo režimu, antenos įvesties gnybtuose atsiranda svyruojantis RF signalas. Tada šis signalas paverčiamas kintama elektros srove, kuri savo ruožtu spinduliuoja EM bangą. Tada šią EM bangą gali užfiksuoti kitos antenos. Priėmimo režime anteną sukelianti EM banga indukcijos gnybtuose indukuoja elektros srovę, kurią vėliau galima paversti RF signalu. Įrenginio veikimas šiais dviem režimais yra visiškai lygiavertis. Ši savybė yra žinoma kaip abipusiškumas.

Antenos dizainas yra platus ir įvairus, atsižvelgiant į norimą pritaikymą. Todėl akivaizdu, kad turime nustatyti kiekybinį antenų veikimo aprašymo būdą. Tam, žinoma, reikia apibrėžti aiškius tam tikslui skirtus matematinius dydžius (antenos parametrus). Jie bus pristatyti ir aptarti toliau.


B. Lauko regionai

Antenos sukuriami EM laukai turi skirtingas charakteristikas, priklausomai nuo atstumo nuo antenos, kuria jie matuojami. Įprasta padalyti anteną supančią erdvę į tris zonas, kuriose EM laukai turi skirtingas savybes.

Netoli antenos laukai yra visiškai reaktyvūs. Tai rodo, kad EM energija yra visiškai kaupiama. Šis regionas yra vadinamas reaktyviu artimu lauku. Matematiškai kalbant, elektriniai ir magnetiniai laukai yra be fazės, panašūs į įtampą ir srovę reaktyviosiose sudurtiniuose elementuose kintamosios srovės grandinėje (tokiuose kaip kondensatorius ar induktorius).

Didėjant atstumui nuo antenos, EM laukai tampa mažiau reaktyvūs, ty dalis EM energijos virsta radiacija. Šis regionas yra vadinamas spinduliuojančiu artimu lauku.

Pakankamai toli nuo antenos reaktyvieji laukai tampa nereikšmingi, o vyrauja spinduliuojantys laukai. Šis regionas žinomas kaip tolimasis laukas. Be to, elektriniai ir magnetiniai laukai šioje srityje yra statmeni, faziniai, o santykis tarp jų didumų tampa pastovus (lokaliai plokštumos bangos).

Spinduliuotų laukų dydis skiriasi priklausomai nuo stebėjimo krypties ir atstumo nuo antenos. Nepaisant to, bendras laukų vaizdas tolimajame lauke išlieka tas pats, neatsižvelgiant į atstumą nuo antenos.

Tai nereiškia, kad laukai nepriklauso nuo atstumo nuo antenos, bet greičiau kad jie tolygiai mažėja visomis kryptimis. Tiksliau tariant, spinduliuojamų laukų dydis proporcingai mažėja per atstumą nuo antenos, tolimame lauke.

Norint skaitmeniškai nustatyti ribą tarp skirtingų regionų, reikia ir antenos dydžio, ir bangos ilgio. Jie žymimi žemiau ir iliustruojami 1 paveiksle.

Kur r yra atstumas nuo antenos, D yra didžiausias antenos matmuo, o λ - bangos ilgis.

A. Spinduliuotės intensyvumas

Pirmiausia pateiksime vieną svarbų nuopelnų apibūdinimą, apibūdinantį antenų spinduliuotės savybes, ir iš kurių gaunami kiti antenos parametrai, - radiacijos intensyvumą.

Antenos spinduliuojama EM banga turi EM galią. Spinduliuotos galios dydis kinta priklausomai nuo stebėjimo krypties ir atstumo nuo antenos. Kaip minėta anksčiau, bendrasis EM galios modelis išlaikomas tolimajame lauke, neatsižvelgiant į atstumą nuo antenos. Todėl galime įvesti normalizuotą EM galios tankį, kuris nepriklausys nuo atstumo nuo antenos tolimajame lauke. Tai vadinama radiacijos intensyvumu.

Spinduliuotės intensyvumas yra matematinis kampinio spinduliuotės galios pasiskirstymo tolimajame lauke aprašymas (esant tam tikrai poliarizacijai). Arba paprasčiau - kiek galios antenos spinduliuoja tam tikra kryptimi tolimame lauke (naudojant tinkamą normalizaciją atsižvelgiant į atstumą nuo antenos).

Norėdami matematiškai apibūdinti radiacijos intensyvumą, turime apibrėžti krypčių vaizdavimo būdą. Mes susiesime du kampus su kiekviena kryptimi, kuri ją vienareikšmiškai apibūdina - azimuto kampą, žymimą φ, ir aukščio kampą, žymimą θ. Pakilimo kampas naudojamas apibūdinti antenos posvyrį horizonto atžvilgiu, o azimuto kampas naudojamas apibūdinti antenos posvyrį esant nulinei pasvirimo būsenai. Grafinė šių kampų iliustracija parodyta 2 paveiksle.

B. Spinduliuotės modeliai

Kaip minėta, radiacijos intensyvumas yra dviejų kintamųjų funkcija: azimuto ir aukščio kampai. Daugeliu praktinių atvejų pakanka apsvarstyti tik du šio 2D grafiko 3D pjūvius, kad būtų galima tinkamai apibūdinti antenos spinduliuotės savybes. Du pjūviai daromi išilgai dviejų statmenų plokštumų, vadinamų pagrindinėmis plokštumomis, kaip parodyta 4 paveiksle.Pjovimo metu mums pateikiami du antenos spinduliuotės 2D grafikai. šie grafikai žymimi:

Vienoje iš pagrindinių plokštumų azimutangle yra pritvirtinta, o aukščio kampas skiriasi. Tai vadinama aukščio plokštuma. Kitoje plokštumoje aukščio kampas yra fiksuotas ir azimutangle kinta. Tai vadinama azimuthplane.Pjovimo procedūra žymiai sumažina antenos matavimo laiką, nes reikia išmatuoti tik du 2D pjūvius, o ne daugelį.Tipiška kryptinė antena RP pateikiama 5 paveiksle. Kaip galima pastebėti, radiacijos modelį sudaro skiltelės. Šios skiltys yra klasifikuojamos taip:Juosta, kurioje yra didžiausio spinduliuotės kryptis, yra vadinama pagrindine skiltimi arba pagrindine spinduliu. Visos kitos skiltys yra nurodomos kaip mažosios skiltys.Pagrindinė sija dažnai žymi kampinį sektorių, kuriame numatyta skirti didžiąją dalį spinduliuotės. Todėl mažosios skiltys rodo radiaciją nepageidaujamomis kryptimis ir turėtų būti kuo mažesnės.Mažosios skiltys taip pat klasifikuojamos. Aukščiausia nepilna skilties dalis vadinama šonine skiltimi. Kaip parodyta 5 paveiksle, šoninė skiltis dažnai būna greta pagrindinės skilties. Mažosios skilties, turinčios kryptį, priešingą pagrindinio pluošto krypčiai, vadinama galine skiltimi.RP paprastai brėžiama logaritminiu mastu (decibelais). Tai daroma siekiant paryškinti subtilesnes grafiko savybes.

C. Sijos plotis

Kitas svarbus parametras, naudojamas apibūdinti pagrindinio spindulio kampinį plotį, yra antenos pluošto plotis. Šio kampinio sektoriaus apimtis lemia antenos aprėpties sritį. Sijos plotį galima apibrėžti keliais būdais: Pusinės galios pluošto plotis (HPBW) yra apibrėžiamas kaip kampų skirtumas tarp taškų, kur radiacijos intensyvumas siekia pusę jo maksimalios vertės (3 dB skirtumas decibelais). Pirmojo nulinio pluošto plotis (FNBW) yra apibrėžiamas kaip kampo skirtumas tarp dviejų nulinių taškų, uždengiančių pagrindinę siją.

D. šoninės skilties lygis

Šoninės skilties lygis (SLL) yra parametras, naudojamas apibūdinti šoninės skilties slopinimo lygį. Kaip minėta anksčiau, dažnai nepageidaujami aukšti šoniniai skilčiai, nes jie atspindi spinduliuotę už pagrindinio pluošto sektoriaus. Šoninės skilties lygis yra apibrėžiamas kaip decibelų skirtumas tarp pagrindinės spindulio smailės vertės ir šoninės skilties smailės vertės.


 E. Priekinės ir galinės dalies santykis

Priekinis ir galinis santykis (F / B santykis) yra parametras, skirtas apibūdinti atgalinės radiacijos laipsnį. T. y., Radiacija priešinga pagrindinio pluošto krypčiai. F / B santykis yra apibrėžiamas kaip decibelų skirtumas tarp radiacijos modelio vertės didžiausios radiacijos kryptimi (priekinė kryptis) ir radiacijos modelio vertės priešinga kryptimi (atgaline kryptimi).


F. Spinduliuotės tipų tipai

Radiacinę struktūrą galima suskirstyti į tris pagrindines kategorijas:
 1.Kryptinis spinduliuotės modelis: schema, kurioje yra vienas aiškus pagrindinis spindulys tiek azimuto, tiek aukščio plokštumose.
2.Isotropinis radiacijos modelis: Pastovusis vaizdas tiek azimuto, tiek aukščio plokštumose.
„3.Omni“ - kryptinis spinduliuotės šablonas: šablonas, turintis vieną aiškų pagrindinį pluoštą tik vienoje plokštumoje, o pastovų - kitoje.
 Fizinė izotropinės antenos prasmė yra ta, kad antena spinduliuoja vienodai visomis kryptimis. Šio tipo antena nėra fiziškai įgyvendinama, tačiau yra patogi matematinė etaloninė antena.

G. Direktyvumas

Antenos kryptingumas yra apibrėžiamas kaip santykis tarp radiacijos intensyvumo ir visos antenos spinduliuojamos galios, padalytas iš 4 pi.

Labiau fiziškai įžvalgiai jį galima apibūdinti taip: Antenos ir radiacijos intensyvumo santykis, darant prielaidą, kad visos spinduliuotės galia pasiskirsto izotropiškai. Tomis kryptimis, kai mažas kryptingumas, spinduliuotės galia sudaro nedidelę visos spinduliuotės galios dalį. Panašiai tomis kryptimis, kur didelis vertinamas kryptingumas, spinduliuotės galia sudaro didelę visos spinduliuotės galios dalį.

Bendra šio apibrėžimo idėja yra palyginti anteną su hipotetiniu šaltiniu, kuris spinduliuoja galią vienodai visomis kryptimis (izotropiniu šaltiniu). Iš to išplaukia, kad izotropo kryptingumas yra lygus vienybei.

Kaip minėta aukščiau, kryptingumas yra proporcingas radiacijos intensyvumui ir, kaip vėlesnis, yra ir azimuto, ir aukščio kampų funkcija. Jei kryptis nenurodyta, reikia suprasti, kad numanoma maksimalios spinduliuotės kryptis.

Kryptingumas dažnai matuojamas logaritminėje skalėje (dBi izotropiniai decibelai). Kryptinės antenos kryptingumo grafikas pateiktas paveikslėlyje 6. Grafikas atitinka vieną iš pagrindinių antenos plokštumų. Lyginimui taip pat nubraižytas lygiavertis izotropinio šaltinio kryptingumas.

H. Efektyvumas

Realybėje ne visa antenai tiekiama EM energija yra paverčiama radiacija, ty

 
Yra keli būdingi nuostolių mechanizmai, atsakingi už incidento galios išsklaidymą. Tai apima: dielektrinius nuostolius, laidumo nuostolius ir atspindžio nuostolius.
Laidininko nuostoliai ir dielektriniai nuostoliai atsiranda dėl antenos laidininkų ir dielektrikų baigtinio laidumo. Tai reiškia, kad kai kurios jėgos toms medžiagoms visada išsiskiria kaip šiluma. Atspindimo nuostoliai atsiranda dėl antenos ir varomosios perdavimo linijos varžos neatitikimo. Tai bus aptarta vėliau išsamiau.Antenos efektyvumas apibūdinamas kaip spinduliuotosios galios ir kritinės galios santykis procentais:

 

Akivaizdu, kad spinduliuotės galia turi būti mažesnė už krintančiąją galią, nes dalis vėlesnės galios visada išsisklaido arba atsispindi. Todėl efektyvumas bus mažesnis nei 100%. Efektyvi antena spinduliuos didžiąją dalį jai būdingos galios, todėl jos efektyvumas artės prie 100% (nedideli išsisklaidymai ir atspindžiai). Antenos efektyvumas gali būti apibūdinamas kaip trijų veiksmingumo koeficientų padauginimas iš kiekvienos, atsižvelgiant į skirtingą nuostolių mechanizmą. Tai pažymėta žemiau ir iliustruota paveiksle 7.

I. Pelnas

Antenos kryptingumas nepateikia jokios informacijos apie antenos efektyvumą, o tik apie jos spinduliuotės savybes. Tai yra pagrindinė priežastis, dėl kurios atsirado nauja koncepcija, pavadinta „antenos padidėjimas“. Antenos stiprinimas yra apibrėžiamas kaip:

Kaip galima pastebėti, apibrėžimas yra panašus į nukreipiamumo apibrėžimą, tačiau atsižvelgus į spinduliuotės galią, atsižvelgiama į įėjimo galią. Antenos stiprinimas atsižvelgia į antenos efektyvumą, nes tai matuoja, kiek antenos spinduliuoja tam tikra kryptimi, palyginti su tuo, kiek antenos buvo išleista.Antenos kryptingumas ir pelnas priklauso nuo ：

Norint visiškai įvertinti šios sąvokos prasmę, gali būti naudinga galvoti apie anteną kaip įvesties / išvesties (įvesties / išvesties) sistemą. Aptartoje sistemoje įėjimą žymi antenos įėjimo galia, o išėjimą - spinduliuota galia tam tikra kryptimi (kurią galima priimti kitomis antenomis). Sistemos išvestis yra ne kas kita, o jos įvestis padauginta iš kažkokio pastovaus skaičiaus. Šis pastovus skaičius yra proporcingas antenos padidėjimui. Ta prasme terminas padidėjimas sutampa su stiprintuvų ar slopintuvų terminija.


J. įėjimo varža ir VSWR

Kitas puikus antenas apibūdinantis parametras yra jų įėjimo varža, ty įtampos ir srovės santykis jų gnybtuose. EM energija į anteną tiekiama per perdavimo liniją arba bangolaidį - prietaisus, naudojamus EM bangoms nukreipti nuo siųstuvo iki antenos. Šiame procese EM bangos gali būti slopinamos arba atspindimos. Norint išvengti EM bangų atspindžio atgal į siųstuvą, antenos įėjimo varža turėtų atitikti važiuojančiosios perdavimo linijos (paprastai 50 omo) varžą.

Nepaisant to, antenos įėjimo varža varijuoja priklausomai nuo dažnio ir visais dažnio taškais negalėjo būti lygi perdavimo linijos galiai. Tai rodo, kad kai kurie apmąstymai yra neišvengiami. Įtampos nuolatinės bangos santykis (VSWR) yra matas, kiek galios atsispindi. Žemos vertės VSWR rodo, kad didžioji dalis kritinės galios tiekiama antenai ir atspindžių beveik išvengiama.


K. poliarizacija

Antenos poliarizacija yra apibrėžiama kaip tolimojo lauko spinduliuojamos EM bangos poliarizacija. Antenos spinduliuojama EM banga yra elektrinio ir magnetinio lauko mišinys. Jei stebėtume elektrinio lauko vektoriaus galo nukreiptą kreivę tam tikroje fiksuotoje erdvės vietoje, laikui bėgant gautume kreivę, vadinamą poliarizacijos elipsė. Atkreipkite dėmesį, kad kiekvienoje fiksuotoje vietoje paprastai gautume skirtingas kreives, tai yra: antenos poliarizacija priklauso nuo stebėjimo krypties. Kreivė yra vadinama poliarizacijos elipsė, nes ji sudaro savavališkai poliarizuotos antenos elipsę.

Poliarizacija gali būti klasifikuojama kaip tiesinė, apskrito ar elipsės forma, atsižvelgiant į poliarizacijos elipsės savybes. Jei elipsė turi vienodą mažąją ir didžiąją ašis, ji virsta apskritimu. Tokiu atveju sakome, kad antena yra apskritimo poliarizuota. Jei elipsė neturi mažosios ašies, ji virsta tiesia linija. Tokiu atveju sakome, kad antena yra tiesiškai poliarizuota. Įvairūs poliarizacijos tipai grafiškai pavaizduoti 8 paveiksle.

Kiekviena poliarizacija turi prasmę. Tiesiškai poliarizuotai antenai tai apibrėžia poliarizacijos elipsės pasvirimo kampas, žymimas τ. Linijinės poliarizacijos klasifikuojamos ta prasme (90 ° vertikalios, 0 ° horizontalios, ± 45 ° nuožulnios). Apskrito poliarizuotoms antenoms prasmę suteikia elektrinio lauko vektoriaus antgalio judėjimo pobūdis: pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę (RHCP - pagal laikrodžio rodyklę, LHCP - prieš laikrodžio rodyklę). Iliustracija pateikta 10 paveiksle.

L. Kryžminė ir poliarizacija

Kaip minėta aukščiau, skirtingos poliarizacijos sudaro daugybę stačiakampių porų.Bendra poliarizacija apibrėžiama kaip poliarizacija, kuria turėjo spinduliuoti antena, o kryžminė poliarizacija - kaip jos ortogonalioji pora. Visiškai poliarizuota antena turės mažą kryžminę poliarizuotą spinduliuotę. Antenos grynos poliarizacijos matas yra kryžminės poliarizacijos lygis. Jis apibūdinamas kaip decibelų skirtumas tarp maksimalaus bendro radiacijos intensyvumo ir kryžminių poliarizacijų.Antenos turi veikti panašios poliarizacijos būdu, kad būtų užtikrintas optimalus veikimas.Antenos, veikiančios stačiakampėse poliarizacijose, visiškai neveiks dėl didelių poliarizacijos nuostolių.

M. ašinis santykis

Šis parametras dažniausiai naudojamas apibūdinti apskrito poliarizacijos antenų poliarizacijos pobūdį. Ašinis santykis (AR) yra apibrėžiamas kaip santykis tarp mažosios ir pagrindinės ašių, esančių poliarizacijos elipsėje. Prisiminkite, kad jei elipsės mažiausia ir pagrindinė ašis yra lygi, ji virsta apskritimu, ir mes sakome, kad antena yra apskritimo poliarizuota. Tokiu atveju ašinis santykis yra lygus vienetui (arba 0 dB). Linijiškai poliarizuotos antenos ašinis santykis yra be galo didelis, nes viena iš elipsės ašių yra lygi nuliui. Kuo žiedinės poliarizacijos antena, tuo arčiau ašinio santykio yra 0 dB, tuo geriau.

N. Poliarizacijos įvairovė ir izoliacija

Kai kurios antenos gali turėti poliarizacijos įvairovę, tai yra, kad jos yra skirtos veikti skirtingomis poliarizacijomis. Šios antenos turi keletą jungčių, kiekviena leidžia perduoti skirtingą bangų poliarizaciją. Skirtingi uostai dažnai skirti veikti nepriklausomai. Todėl akivaizdu, kad mums reikalinga priemonė, apibūdinanti, kiek šie uostai yra izoliuoti. Izoliacija tarp dviejų uostų yra apibrėžiama kaip galios, tenkančios vienam uostui, ir galios, perduodamos į kitą uostą, santykis, kai ji nutraukiama suderinta apkrova. Gera izoliacija pažadės nekoreliuotą elektros signalų perdavimą abiejuose uostuose.


O. Galios tvarkymas

Tai apibrėžiama kaip maksimali įėjimo galia, kurią antena gali valdyti tinkamai dirbdama.

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas