Anténa je zařízení, které slouží jako rozhraní mezi elektrickým obvodem a prostorem, určené k vysílání a přijímání elektromagnetických vln v určitém frekvenčním rozsahu v souladu s vlastní velikostí a tvarem. Vyrábí se z kovu, hlavně mědi nebo hliníku, vysílací antény dokážou přeměnit elektrický proud na elektromagnetické záření a naopak. Každé bezdrátové zařízení obsahuje alespoň jednu anténu.
rádiové vlny bezdrátové sítě
Když nastane potřeba bezdrátové komunikace, je potřeba anténa. Má schopnost odesílat nebo přijímat elektromagnetické vlny pro komunikaci tam, kde nelze nainstalovat kabelový systém.
Anténa je klíčovým prvkem této bezdrátové technologie. Rádiové vlny se snadno vytvářejí a široce se používají pro vnitřní i venkovní komunikaci díky jejich schopnosti procházet budovami a cestovat na velké vzdálenosti.
Klíčové vlastnosti vysílacích antén:
- Protože rádiový přenos je všesměrový, je potřeba fyzické spárováníje vyžadován vysílač a přijímač.
- Frekvence rádiových vln určuje mnoho přenosových charakteristik.
- Při nízkých frekvencích mohou vlny snadno procházet překážkami. Jejich síla však klesá s inverzní druhou mocninou vzdálenosti.
- Vlny s vyšší frekvencí budou s větší pravděpodobností absorbovány a odraženy od překážek. Kvůli dlouhému dosahu přenosu rádiových vln je rušení mezi přenosy problémem.
- Na pásmech VLF, LF a MF se šíření vln, nazývané také pozemní vlny, řídí zakřivením Země.
- Maximální dosah přenosu těchto vln je řádově několik set kilometrů.
- Vysílací antény se používají pro přenosy s nízkou šířkou pásma, jako je vysílání s amplitudovou modulací (AM).
- Vysílání v pásmu HF a VHF je absorbováno atmosférou blízko zemského povrchu. Část záření, nazývaná skywave, se však šíří směrem ven a nahoru směrem k ionosféře v horních vrstvách atmosféry. Ionosféra obsahuje ionizované částice tvořené slunečním zářením. Tyto ionizované částice odrážejí nebeské vlny zpět k Zemi.
Šíření vln
- Šíření linie viditelnosti. Ze všech distribučních metod je to nejběžnější. Vlna urazí minimální vzdálenost, kterou lze vidět pouhým okem. Dále je potřeba použít vysílač zesilovače pro zvýšení signálu a jeho opětovné vysílání. Takové šíření nebude plynulé, pokud je v jeho přenosové cestě nějaká překážka. Tento přenos se používá pro infračervené nebo mikrovlnné přenosy.
- Šíření pozemních vln z vysílací antény. K šíření vlny k zemi dochází podél obrysu Země. Taková vlna se nazývá přímá vlna. Vlna se někdy vlivem magnetického pole Země ohne a narazí na přijímač. Takovou vlnu lze nazvat odraženou vlnou.
- Vlna šířící se zemskou atmosférou je známá jako zemská vlna. Přímá vlna a odražená vlna společně dávají signál na přijímací stanici. Když vlna dosáhne přijímače, zpoždění se zastaví. Signál je navíc filtrován, aby nedocházelo ke zkreslení a zesílení pro čistý výstup. Vlny jsou vysílány z jednoho místa, kde jsou přijímány mnoha anténami transceiveru.
Souřadnicový systém měření antény
Při pohledu na ploché modely bude uživatel konfrontován s indikátory azimutu roviny a výšky roviny vzoru. Termín azimut se obvykle vyskytuje ve vztahu k „horizontálnímu“nebo „horizontálnímu“, zatímco termín „nadmořská výška“obvykle odkazuje na „vertikální“. Na obrázku je rovina xy rovinou azimutu.
Vzor azimutální roviny se měří, když se měření provádí pohybem celé roviny xy kolem testované antény transceiveru. Výšková rovina je rovina kolmá k rovině xy, jako je rovina yz. Výškový plán prochází celou rovinou yz kolem testované antény.
Vzorky (azimuty a výšky) se často zobrazují jako grafy v polárníchsouřadnice. To dává uživateli možnost snadno si představit, jak anténa vyzařuje do všech směrů, jako by již byla „namířená“nebo namontovaná. Někdy je užitečné kreslit vyzařovací diagramy v kartézských souřadnicích, zvláště když je ve vzorcích více postranních laloků a kde jsou důležité úrovně postranních laloků.
Základní komunikační charakteristiky
Antény jsou základní součástí každého elektrického obvodu, protože zajišťují propojení mezi vysílačem a volným prostorem nebo mezi volným prostorem a přijímačem. Než budete mluvit o typech antén, musíte znát jejich vlastnosti.
Antenna Array – Systematické rozmístění antén, které spolupracují. Jednotlivé antény v poli jsou obvykle stejného typu a jsou umístěny v těsné blízkosti, v pevné vzdálenosti od sebe. Pole umožňuje zvýšit směrovost, ovládání hlavních paprsků záření a bočních paprsků.
Všechny antény mají pasivní zisk. Pasivní zisk se měří v dBi, což souvisí s teoretickou izotropní anténou. Předpokládá se, že přenáší energii rovnoměrně ve všech směrech, ale v přírodě neexistuje. Zisk ideální půlvlnné dipólové antény je 2,15 dBi.
EIRP, neboli ekvivalentní izotropní vyzařovaný výkon vysílací antény, je mírou maximálního výkonu, který by teoretická izotropní anténa vyzařovala ve směrumaximální zisk. EIRP bere v úvahu ztráty z napájecích vedení a konektorů a zahrnuje skutečný zisk. EIRP umožňuje vypočítat skutečný výkon a intenzitu pole, pokud je znám skutečný zisk vysílače a výstupní výkon.
Zisk antény ve směrech
Je definován jako poměr zesílení výkonu v daném směru k zesílení výkonu referenční antény ve stejném směru. Je standardní praxí používat jako referenční anténu izotropní zářič. V tomto případě bude izotropní zářič bezeztrátový, vyzařuje svou energii rovnoměrně do všech směrů. To znamená, že zisk izotropního zářiče je G=1 (neboli 0 dB). Je běžné používat jednotku dBi (decibely vzhledem k izotropnímu zářiči) pro zisk vzhledem k izotropnímu zářiči.
Zisk vyjádřený v dBi se vypočítá pomocí následujícího vzorce: GdBi=10Log (GNumerický / GISotropní)=10Log (GNumerický).
Někdy se jako reference používá teoretický dipól, takže k popisu zisku vzhledem k dipólu bude použita jednotka dBd (decibely vzhledem k dipólu). Tento blok se obvykle používá, pokud jde o zesílení všesměrových antén s vyšším ziskem. V tomto případě je jejich zisk vyšší o 2,2 dBi. Pokud má tedy anténa zisk 3 dBu, celkový zisk bude 5,2 dBi.
3 dB šířka paprsku
Tato šířka paprsku (nebo poloviční výkon paprsku) antény je obvykle specifikována pro každou z hlavních rovin. Šířka paprsku 3 dB v každé rovině je definována jako úhel mezi body hlavního laloku, který je snížen z maximálního zisku o 3 dB. Šířka paprsku 3 dB - úhel mezi dvěma modrými čarami v polární oblasti. V tomto příkladu je šířka paprsku 3 dB v této rovině asi 37 stupňů. Širokoúhlé antény mají obvykle nízký zisk, zatímco úzké antény mají vyšší zisk.
Anténa, která směruje většinu své energie do úzkého paprsku alespoň v jedné rovině, bude mít tedy vyšší zisk. Přední a zadní poměr (F/B) se používá jako měřítko zásluh, které se pokouší popsat úroveň záření ze zadní části směrové antény. V zásadě je poměr přední a zadní strany poměrem špičkového zisku v dopředném směru k zisku 180 stupňů za vrcholem. Samozřejmě, na stupnici DB je poměr mezi přední a zadní částí jednoduše rozdílem mezi předním vrcholovým ziskem a ziskem 180 stupňů za vrcholem.
Klasifikace antén
Existuje mnoho typů antén pro různé aplikace, jako je komunikace, radar, měření, simulace elektromagnetických pulsů (EMP), elektromagnetická kompatibilita (EMC) atd. Některé z nich jsou navrženy pro provoz v úzkých frekvenčních pásmech, zatímco ostatnínavržený tak, aby vysílal/přijímal přechodné impulsy. Specifikace vysílací antény:
- Fyzická struktura antény.
- Frekvenční pásma.
- Režim aplikace.
Následují typy antén podle fyzické struktury:
- wire;
- aperture;
- reflexní;
- anténní čočka;
- mikropáskové antény;
- masivní antény.
Následují typy vysílacích antén v závislosti na frekvenci provozu:
- Velmi nízká frekvence (VLF).
- Nízká frekvence (LF).
- Střední frekvence (MF).
- Vysokofrekvenční (HF).
- Velmi vysoká frekvence (VHF).
- Ultra High Frequency (UHF).
- Super High Frequency (SHF).
- Mikrovlnná vlna.
- Rozhlasová vlna.
Následující jsou vysílací a přijímací antény podle aplikačních režimů:
- Připojení point-to-point.
- Vysílání aplikací.
- Radarová komunikace.
- Satelitní komunikace.
Designové funkce
Vysílací antény vytvářejí vysokofrekvenční záření, které se šíří vesmírem. Přijímací antény provádějí opačný proces: přijímají vysokofrekvenční záření a převádějí je na požadované signály, jako je zvuk, obraz v televizních vysílacích anténách a mobilním telefonu.
Nejjednodušší typ antény se skládá ze dvou kovových tyčí a je známý jako dipól. Jedním z nejběžnějších typů jemonopólová anténa sestávající z tyče umístěné vertikálně k velké kovové desce, která slouží jako zemnící plocha. Montáž na vozidla je obvykle jednopólová a plechová střecha vozidla slouží jako uzemnění. Konstrukce vysílací antény, její tvar a velikost určují pracovní frekvenci a další vyzařovací charakteristiky.
Jedním z důležitých atributů antény je její směrovost. Při komunikaci mezi dvěma pevnými cíli, jako při komunikaci mezi dvěma pevnými vysílacími stanicemi nebo v radarových aplikacích je vyžadována anténa pro přímý přenos vysílací energie do přijímače. Naopak, když vysílač nebo přijímač nestojí, jako v celulární komunikaci, je vyžadován nesměrový systém. V takových případech je vyžadována všesměrová anténa, která přijímá všechny frekvence rovnoměrně ve všech směrech horizontální roviny a ve vertikální rovině je vyzařování nerovnoměrné a velmi malé, jako HF vysílací anténa.
Vysílání a přijímání zdrojů
Vysílač je hlavním zdrojem RF záření. Tento typ se skládá z vodiče, jehož intenzita v čase kolísá a přeměňuje jej na radiofrekvenční záření, které se šíří prostorem. Přijímací anténa - zařízení pro příjem rádiových frekvencí (RF). Provádí zpětný přenos prováděný vysílačem, přijímá RF záření, převádí ho na elektrické proudy v obvodu antény.
Televizní a rozhlasové vysílací stanice používají vysílací antény k přenosu určitých typů signálů, které se šíří vzduchem. Tyto signály jsou detekovány přijímacími anténami, které je převádějí na signály a jsou přijímány vhodným zařízením, jako je televize, rádio, mobilní telefon.
Přijímací antény rádia a televize jsou navrženy pouze pro příjem radiofrekvenčního záření a neprodukují vysokofrekvenční záření. Mobilní komunikační zařízení, jako jsou základnové stanice, opakovače a mobilní telefony, mají vyhrazené vysílací a přijímací antény, které vyzařují vysokofrekvenční energii a slouží celulárním sítím v souladu s technologiemi komunikačních sítí.
Rozdíl mezi analogovou a digitální anténou:
- Alogová anténa má proměnný zisk a funguje v dosahu 50 km pro DVB-T. Čím dále je uživatel od zdroje signálu, tím horší je signál.
- Příjem digitální televize – uživatel přijímá buď dobrý obraz, nebo obraz vůbec. Pokud je daleko od zdroje signálu, nepřijímá žádný obraz.
- Vysílací digitální anténa má vestavěné filtry pro snížení šumu a zlepšení kvality obrazu.
- Alogový signál je odeslán přímo do televizoru, zatímco digitální signál je třeba nejprve dekódovat. Umožňuje vám opravit chyby a také data, jako je komprese signálu pro další funkce, jako jsou Extra kanály, EPG, placená televize,interaktivní hry atd.
Dipólové vysílače
Dipólové antény jsou nejběžnějším všesměrovým typem a šíří vysokofrekvenční (RF) energii horizontálně o 360 stupňů. Tato zařízení jsou navržena tak, aby byla rezonanční na polovině nebo čtvrtině vlnové délky použité frekvence. Může to být tak jednoduché, jako dvě délky drátu, nebo může být zapouzdřeno.
Dipól se používá v mnoha podnikových sítích, malých kancelářích a domácím použití (SOHO). Má typickou impedanci, aby odpovídala vysílači pro maximální přenos výkonu. Pokud se anténa a vysílač neshodují, budou na přenosové lince docházet k odrazům, které zhorší signál nebo dokonce poškodí vysílač.
Přímé zaměření
Směrové antény soustředí vyzařovaný výkon do úzkých paprsků, což v tomto procesu poskytuje významný zisk. Jeho vlastnosti jsou také vzájemné. Charakteristiky vysílací antény, jako je impedance a zisk, platí také pro přijímací anténu. To je důvod, proč lze stejnou anténu použít k odesílání i příjmu signálu. Zisk vysoce směrové parabolické antény slouží k zesílení slabého signálu. To je jeden z důvodů, proč se často používají pro komunikaci na dlouhé vzdálenosti.
Běžně používaná směrová anténa je pole Yagi-Uda zvané Yagi. Vynalezli jej Shintaro Uda a jeho kolega Hidetsugu Yagi v roce 1926. Yagi anténa používá několik prvkůvytvoření směrovaného pole. Jeden řízený prvek, obvykle dipól, šíří vysokofrekvenční energii, prvky bezprostředně před a za řízeným prvkem znovu vyzařují vysokofrekvenční energii ve fázi a mimo ni, čímž zesilují a zpomalují signál.
Tyto prvky se nazývají parazitické prvky. Prvek za slave se nazývá reflektor a prvky před slave se nazývají direktory. Antény Yagi mají šířky paprsku od 30 do 80 stupňů a mohou poskytnout více než 10 dBi pasivního zisku.
Parabolická anténa je nejznámějším typem směrové antény. Parabola je symetrická křivka a parabolický reflektor je plocha, která při rotaci o 360 stupňů popisuje křivku – parabolu. Parabolické antény se používají pro spojení na dlouhé vzdálenosti mezi budovami nebo velkými geografickými oblastmi.
Polosměrové sekční radiátory
Plátková anténa je polosměrový zářič využívající plochý kovový pásek namontovaný nad zemí. Záření ze zadní části antény je účinně omezeno zemní plochou, čímž se zvyšuje dopředná směrovost. Tento typ antény je také známý jako mikropásková anténa. Obvykle je obdélníkový a uzavřený v plastovém pouzdře. Tento typ antény lze vyrobit standardními metodami PCB.
Plátková anténa může mít šířku paprsku od 30 do 180 stupňů atypický zisk je 9 dB. Sekční antény jsou dalším typem polosměrových antén. Sektorové antény poskytují sektorový vyzařovací diagram a jsou obvykle instalovány v poli. Šířka paprsku pro sektorovou anténu se může pohybovat od 60 do 180 stupňů, přičemž typický je 120 stupňů. V děleném poli jsou antény namontovány blízko sebe a poskytují plné 360stupňové pokrytí.
Vytvoření antény Yagi-Uda
Během posledních desetiletí byla anténa Yagi-Uda vidět téměř v každé domácnosti.
Je vidět, že existuje mnoho direktorů pro zvýšení směrovosti antény. Podavač je skládaný dipól. Reflektor je dlouhý prvek, který sedí na konci konstrukce. Na tuto anténu musí být aplikovány následující specifikace.
| Prvek | Specifikace |
| Kontrolovaná délka prvku | 0,458λ až 0,5λ |
| Délka reflektoru | 0, 55λ – 0,58λ |
| Trvání režiséra 1 | 0,45λ |
| Délka režiséra 2 | 0,40λ |
| Trvání režiséra 3 | 0,35λ |
| Interval mezi řediteli | 0,2λ |
| Reflektor pro vzdálenost mezi dipóly | 0,35λ |
| Vzdálenost mezi dipóly a ředitelem | 0,125λ |
Níže jsou uvedeny výhody antén Yagi-Uda:
- Vysoký zisk.
- Vysoké zaměření.
- Snadná manipulace a údržba.
- Méně se plýtvá energií.
- Širší frekvenční pokrytí.
Nevýhody antén Yagi-Uda jsou následující:
- Sklon k hluku.
- Sklon k atmosférickým vlivům.
Pokud budou dodrženy výše uvedené specifikace, může být navržena anténa Yagi-Uda. Směrový obrazec antény je velmi účinný, jak je znázorněno na obrázku. Malé laloky jsou potlačeny a směrovost hlavního rytmu je zvýšena přidáním direktorů do antény.
