Novinky - Úvod a klasifikace některých běžných antén

1. Úvod do antén
Anténa je přechodová struktura mezi volným prostorem a přenosovým vedením, jak je znázorněno na obrázku 1. Přenosové vedení může mít tvar koaxiálního vedení nebo duté trubice (vlnovodu), která se používá k přenosu elektromagnetické energie ze zdroje do antény nebo z antény do přijímače. První z nich je vysílací anténa a druhá je přijímací anténa.

Obrázek 1 Cesta přenosu elektromagnetické energie (prostor bez zdroje-přenosového vedení-antény)

Přenos anténního systému v přenosovém režimu na obrázku 1 je reprezentován Theveninovým ekvivalentem, jak je znázorněno na obrázku 2, kde zdroj je reprezentován ideálním generátorem signálu, přenosové vedení je reprezentováno vedením s charakteristickou impedancí Zc a anténa je reprezentována zátěží ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Odpor zátěže RL představuje ztráty vedením a dielektrické ztráty spojené se strukturou antény, zatímco Rr představuje radiační odpor antény a reaktance XA se používá k reprezentaci imaginární části impedance spojené s vyzařováním antény. Za ideálních podmínek by veškerá energie generovaná zdrojem signálu měla být převedena na radiační odpor Rr, který se používá k reprezentaci vyzařovací schopnosti antény. V praktických aplikacích však dochází ke ztrátám mezi vodiči a dielektrickými ztrátami v důsledku charakteristik přenosového vedení a antény, stejně jako ke ztrátám způsobeným odrazem (nesouladem) mezi přenosovým vedením a anténou. Při zohlednění vnitřní impedance zdroje a zanedbání ztrát přenosovým vedením a odrazem (nesouladem) je anténě při konjugovaném přizpůsobení dodáván maximální výkon.

Obrázek 2

Kvůli nesouladu mezi přenosovým vedením a anténou se odražená vlna z rozhraní superponuje s dopadající vlnou ze zdroje do antény a vytváří stojatou vlnu, která představuje koncentraci a ukládání energie a je typickým rezonančním zařízením. Typický obrazec stojaté vlny je znázorněn tečkovanou čarou na obrázku 2. Pokud není anténní systém správně navržen, může přenosové vedení do značné míry fungovat spíše jako prvek pro ukládání energie než jako vlnovod a zařízení pro přenos energie.
Ztráty způsobené přenosovým vedením, anténou a stojatým vlněním jsou nežádoucí. Ztráty ve vedení lze minimalizovat výběrem vedení s nízkými ztrátami, zatímco ztráty v anténě lze snížit snížením ztrátového odporu znázorněného RL na obrázku 2. Stojaté vlnění lze snížit a ukládání energie ve vedení minimalizovat přizpůsobením impedance antény (zátěže) charakteristické impedanci vedení.
V bezdrátových systémech jsou kromě příjmu nebo vysílání energie obvykle vyžadovány antény, které v určitých směrech zesilují vyzařovanou energii a v jiných směrech ji potlačují. Proto se antény kromě detekčních zařízení musí používat i jako směrová zařízení. Antény mohou mít různé podoby, aby splňovaly specifické potřeby. Může se jednat o drát, clonu, záplatu, sestavu prvků (pole), reflektor, čočku atd.

V bezdrátových komunikačních systémech jsou antény jednou z nejdůležitějších součástí. Dobrý návrh antény může snížit systémové požadavky a zlepšit celkový výkon systému. Klasickým příkladem je televize, kde lze příjem vysílání zlepšit použitím vysoce výkonných antén. Antény jsou pro komunikační systémy tím, čím jsou pro člověka oči.

2. Klasifikace antén
1. Drátová anténa
Drátové antény patří k nejběžnějším typům antén, protože se nacházejí téměř všude – v autech, budovách, lodích, letadlech, kosmických lodích atd. Existují různé tvary drátových antén, například přímé (dipólové), smyčkové, spirálové, jak je znázorněno na obrázku 3. Smyčkové antény nemusí být pouze kruhové. Mohou mít obdélníkový, čtvercový, oválný nebo jakýkoli jiný tvar. Kruhová anténa je nejběžnější díky své jednoduché struktuře.

Obrázek 3

2. Aperturní antény
Aperturní antény hrají stále větší roli kvůli rostoucí poptávce po složitějších formách antén a využití vyšších frekvencí. Některé formy aperturních antén (pyramidální, kuželové a obdélníkové trychtýřové antény) jsou znázorněny na obrázku 4. Tento typ antény je velmi užitečný pro aplikace v letadlech a kosmických lodích, protože jej lze velmi pohodlně namontovat na vnější plášť letadla nebo kosmické lodi. Kromě toho jej lze pokrýt vrstvou dielektrického materiálu, který jej chrání před drsným prostředím.

Obrázek 4

3. Mikropásková anténa
Mikropáskové antény se staly velmi populárními v 70. letech 20. století, zejména pro satelitní aplikace. Anténa se skládá z dielektrického substrátu a kovové destičky. Kovová destička může mít mnoho různých tvarů a nejběžnější je obdélníková anténa znázorněná na obrázku 5. Mikropáskové antény mají nízký profil, jsou vhodné pro rovinné i nerovné povrchy, jejich výroba je jednoduchá a levná, mají vysokou robustnost při montáži na pevné povrchy a jsou kompatibilní s konstrukcemi MMIC. Mohou být namontovány na povrch letadel, kosmických lodí, satelitů, raket, automobilů a dokonce i mobilních zařízení a mohou být konformně navrženy.

Obrázek 5

4. Anténní soustava
Vyzařovací charakteristiky požadované mnoha aplikacemi nemusí být dosaženy jediným anténním prvkem. Anténní pole mohou záření ze syntetizovaných prvků vytvořit tak, aby produkovalo maximální záření v jednom nebo více specifických směrech, typický příklad je znázorněn na obrázku 6.

Obrázek 6

5. Reflektorová anténa
Úspěch průzkumu vesmíru vedl také k rychlému rozvoji teorie antén. Vzhledem k potřebě komunikace na velmi dlouhé vzdálenosti je nutné k přenosu a příjmu signálů na vzdálenost milionů mil používat antény s extrémně vysokým ziskem. V této aplikaci je běžným typem antény parabolická anténa znázorněná na obrázku 7. Tento typ antény má průměr 305 metrů nebo více a tak velká velikost je nezbytná k dosažení vysokého zisku potřebného k přenosu nebo příjmu signálů na vzdálenost milionů mil. Dalším typem reflektoru je rohový reflektor, jak je znázorněno na obrázku 7 (c).

Obrázek 7

6. Čočkové antény
Čočky se primárně používají ke kolimaci dopadající rozptýlené energie, aby se zabránilo jejímu šíření v nežádoucích směrech záření. Vhodnou změnou geometrie čočky a výběrem správného materiálu mohou převádět různé formy divergentní energie na rovinné vlny. Mohou být použity ve většině aplikací, jako jsou parabolické reflektorové antény, zejména při vyšších frekvencích, a jejich velikost a hmotnost se při nižších frekvencích značně zvětšují. Čočkové antény se klasifikují podle konstrukčních materiálů nebo geometrických tvarů, z nichž některé jsou znázorněny na obrázku 8.