Novinky - Teorie antén – Základní parametry

Tato kapitola představuje základní parametry bezdrátové komunikace s cílem lépe porozumět roli antén v komunikačních systémech. Bezdrátová komunikace probíhá ve formě elektromagnetických vln, proto je nezbytné porozumět charakteristikám šíření vln.

V této kapitole se budeme zabývat následujícími parametry:

•Frekvence
•Vlnová délka
• Impedanční přizpůsobení
• PSV a odražený výkon
• Šířka pásma
• Procentuální šířka pásma
• Intenzita záření

Nyní se na ně podívejme podrobněji.

Frekvence:

Podle standardní definice je frekvence počet opakování vlny za jednotku času. Jednoduše řečeno, frekvence popisuje, jak často se událost vyskytuje. Periodická vlna se opakuje každých T sekund (jednu periodu) a její frekvence je převrácenou hodnotou časové periody T.

Matematicky to vypadá takto:

$$f = \frac{1}{T}$$

• F představuje frekvenci periodické vlny, zatímco

•T je čas potřebný k dokončení jednoho celého cyklu.

Frekvence se měří v hertzích, zkráceně Hz.

Obrázek výše znázorňuje sinusový průběh, znázorňující napětí (v mV) jako funkci času (v ms). Tento průběh se opakuje každých 2t milisekund; jeho perioda T = 2t ms a frekvence f = 1/(2t) kHz.

Vlnová délka:

Podle standardní definice se vzdálenost mezi dvěma po sobě jdoucími vrcholy nebo dvěma po sobě jdoucími prohlubněmi nazývá vlnová délka.

Jednoduše řečeno, vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma sousedními kladnými nebo dvěma sousedními zápornými vrcholy. Obrázek níže znázorňuje periodický průběh vlny s vyznačenou vlnovou délkou (λ) a amplitudou. Čím vyšší frekvence, tím kratší vlnová délka a naopak.

Vzorec pro výpočet vlnové délky je:

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

•λ představuje vlnovou délku

•C je rychlost světla ($3 \krát 10^8$ metrů za sekundu)

•F je frekvence

Vlnová délka λ se vyjadřuje v jednotkách délky, jako jsou metry, stopy nebo palce. Běžně používanou jednotkou je metr.

Přizpůsobení impedance:

Podle standardní definice dochází k impedančnímu přizpůsobení, když je impedance vysílače přibližně rovna impedanci přijímače.

Mezi anténou a obvodem je nutné sladit impedanci. Impedance antény, přenosového vedení a obvodu by měly být sladěny, aby se dosáhlo maximálního přenosu výkonu mezi anténou a přijímačem nebo vysílačem.

Nutnost shody
Rezonanční zařízení jsou schopna poskytovat optimální výstup v určitých úzkopásmových frekvencích. Anténa jako rezonanční zařízení může dosáhnout lepšího výstupního výkonu, pokud je její impedance správně sladěna.

• Pokud impedance antény odpovídá impedanci volného prostoru, bude výkon vyzařovaný anténou efektivně přenášen

• Výstupní impedance přijímací antény by měla odpovídat vstupní impedanci obvodu přijímacího zesilovače.

• Vstupní impedance vysílací antény by měla odpovídat výstupní impedanci vysílacího zesilovače a také charakteristické impedanci přenosového vedení.

Impedance se měří v ohmech a označuje se symbolem Z.

PSV a odražený výkon:

Podle standardní definice se poměr maximálního napětí k minimálnímu napětí ve stojaté vlně nazývá poměr stojatých vln napěťového rozsahu (VSWR).

Pokud jsou impedance antény, přenosového vedení a obvodu nesourodé, nemůže být výkon efektivně vyzářený; místo toho se část výkonu odráží zpět.

Hlavní charakteristiky jsou —

• Parametr, který udává stupeň impedančního nesouladu, se nazývá poměr stojatých vln napěťového napětí (VSWR)

• VSWR je zkratka pro poměr stojatých vln napěťového napětí a běžně se také označuje jako SWR

• Čím větší je impedanční nesoulad, tím vyšší je hodnota VSWR

• Pro dosažení efektivního vyzařování je ideální hodnota PSV 1:1

• Odražený výkon označuje část dopředného výkonu, která je ztracena. Odražený výkon a PSV v podstatě popisují stejný fyzikální jev z různých úhlů pohledu.

Šířka pásma:

Podle standardní definice se frekvenční pásmo v rámci specifikovaného rozsahu vlnových délek přidělené pro konkrétní komunikaci nazývá šířka pásma.

Když je signál vysílán nebo přijímán, pracuje v určitém frekvenčním rozsahu. Tento specifický frekvenční rozsah je přiřazen konkrétnímu signálu, aby se zabránilo rušení jinými signály během přenosu.

• Šířka pásma se vztahuje k frekvenčnímu rozsahu mezi vysokofrekvenčním a nízkofrekvenčním limitem přenosu signálu

• Jakmile je šířka pásma přidělena, nemohou ji ostatní používat

• Celé spektrum je rozděleno do segmentů šířky pásma, z nichž každý je přiřazen různým vysílačům

Šířku pásma, o které jsme právě diskutovali, lze také označit jako absolutní šířku pásma.

Procentuální šířka pásma:

Podle standardní definice se poměr absolutní šířky pásma k její střední frekvenci nazývá procentuální šířka pásma.

Frekvence v pásmu, při které síla signálu dosahuje svého maxima, se nazývá rezonanční frekvence, známá také jako střední frekvence pásma, označovaná jako fC.

• Vyšší a nižší frekvence pásma se označují jako fH a fL

• Absolutní šířka pásma je dána vztahem fH − fL

• Pro vyhodnocení šířky frekvenčního pásma je nutné vypočítat jeho zlomkovou šířku pásma nebo procentuální šířku pásma

Procentuální šířka pásma se vypočítává za účelem pochopení rozsahu frekvenčních variací, které komponenta nebo systém zvládne.

•fH označuje vyšší frekvenci

•fL označuje nižší frekvenci

•fc označuje střední frekvenci

Čím větší je procentuální šířka pásma, tím širší je šířka pásma kanálu.

Intenzita záření:

Intenzita záření je definována jako vyzářený výkon na jednotku prostorového úhlu.

Anténa vyzařuje intenzivněji v určitých směrech, které odpovídají její maximální intenzitě vyzařování. Maximální možný dosah vyzařování je charakterizován intenzitou vyzařování.

Matematický výraz
Intenzita záření se získá vynásobením hustoty vyzářeného výkonu druhou mocninou radiální vzdálenosti: