Novinky - Představení 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 být ve formě koaxiálního vedení nebo duté trubice (vlnovodu), která slouží k přenosu elektromagnetické energie ze zdroje. k anténě nebo z antény k přijímači. První je vysílací anténa a druhá je přijímací anténa.

Obrázek 1 Cesta přenosu elektromagnetické energie (zdroj-přenosové vedení-prostor bez antény)

Přenos anténního systému v přenosovém režimu z obrázku 1 je reprezentován Theveninovým ekvivalentem, jak je znázorněno na obrázku 2, kde zdroj je reprezentován generátorem ideálního signálu, přenosové vedení je reprezentováno vedením s charakteristickou impedancí Zc a anténa je reprezentována zátěží ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Zátěžový odpor RL představuje vodivostní a dielektrické ztráty spojené se strukturou antény, zatímco Rr představuje radiační odpor antény a reaktance XA se používá k reprezentaci imaginární části impedance související s vyzařováním antény. Za ideálních podmínek by měla být veškerá energie generovaná zdrojem signálu přenesena na radiační odpor Rr, který se používá k vyjádření vyzařovací schopnosti antény. V praktických aplikacích však dochází k dielektrickým ztrátám způsobeným charakteristikami přenosového vedení a antény a také ke ztrátám způsobeným odrazem (nesouladem) mezi přenosovým vedením a anténou. Vezmeme-li v úvahu vnitřní impedanci zdroje a ignorujeme přenosové vedení a ztráty odrazem (nesouladem), maximální výkon je poskytován anténě při konjugovaném přizpůsobení.

Obrázek 2

Kvůli nesouladu mezi přenosovým vedením a anténou je odražená vlna od rozhraní superponována s dopadající vlnou ze zdroje do antény za vzniku stojaté vlny, která představuje koncentraci a ukládání energie a je typickým rezonančním zařízením. Typický vzor stojatých vln je znázorněn tečkovanou čarou na obrázku 2. Pokud není anténní systém správně navržen, může přenosové vedení do značné míry fungovat jako prvek pro uchovávání energie, spíše než jako vlnovod a zařízení pro přenos energie.
Ztráty způsobené přenosovým vedením, anténou a stojatým vlněním jsou nežádoucí. Ztráty ve vedení lze minimalizovat výběrem nízkoztrátových přenosových vedení, zatímco ztráty antény lze snížit snížením ztrátového odporu reprezentovaného RL na obrázku 2. Stojaté vlny lze snížit a ukládání energie ve vedení lze minimalizovat přizpůsobením impedance anténu (zátěž) s charakteristickou impedancí vedení.
V bezdrátových systémech jsou kromě příjmu nebo vysílání energie obvykle vyžadovány antény pro zesílení vyzařované energie v určitých směrech a potlačení vyzařované energie v jiných směrech. Kromě detekčního zařízení je proto nutné jako směrová zařízení používat také antény. Antény mohou být v různých formách, aby vyhovovaly specifickým potřebám. Může to být drát, clona, záplata, sestava prvků (pole), reflektor, čočka 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 zlepšit příjem vysílání použitím výkonných antén. Antény jsou pro komunikační systémy tím, čím jsou oči pro lidi.

2. Klasifikace antén
1. Drátová anténa
Drátové antény jsou jedním z nejrozšířenějších typů antén, protože je najdeme téměř všude – auta, budovy, lodě, letadla, kosmické lodě atd. Existují různé tvary drátových antén, např. přímkové (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 kvůli své jednoduché konstrukci.

Obrázek 3

2. Aperturní antény
Aperturní antény hrají větší roli kvůli rostoucí poptávce po složitějších formách antén a využití vyšších frekvencí. Některé formy aperturních antén (pyramidové, kónické a obdélníkové rohové antény) jsou znázorněny na obrázku 4. Tento typ antény je velmi užitečný pro aplikace v letadlech a kosmických lodích, protože je lze velmi pohodlně namontovat na vnější plášť letadla nebo kosmické lodi. Navíc mohou být pokryty vrstvou dielektrického materiálu, aby byly chráněny před drsným prostředím.

Obrázek 4

3. Mikropásková anténa
Mikropáskové antény se staly velmi populární v 70. letech minulého století, hlavně pro satelitní aplikace. Anténa se skládá z dielektrického substrátu a kovové záplaty. Kovová záplata může mít mnoho různých tvarů a obdélníková záplatová anténa znázorněná na obrázku 5 je nejběžnější. Mikropáskové antény mají nízký profil, jsou vhodné pro rovinné i nerovinné povrchy, jsou jednoduché a nenákladné na výrobu, mají vysokou robustnost při montáži na tuhé povrchy a jsou kompatibilní s konstrukcemi MMIC. Mohou být namontovány na povrchu letadel, kosmických lodí, satelitů, raket, automobilů a dokonce i mobilních zařízení a mohou být konformně navrženy.

Obrázek 5

4. Anténa pole
Vyzařovacích charakteristik požadovaných mnoha aplikacemi nemusí být dosaženo jediným prvkem antény. Anténní pole mohou vytvářet záření z prvků syntetizovaných tak, aby produkovaly maximum záření v jednom nebo více specifických směrech, typický příklad je znázorněn na obrázku 6.

Obrázek 6

5. Reflektorová anténa
Úspěch vesmírného průzkumu také vedl k rychlému rozvoji teorie antén. Kvůli potřebě komunikace na ultra dlouhé vzdálenosti je nutné použít antény s extrémně vysokým ziskem pro vysílání a příjem signálů na miliony kilometrů daleko. V této aplikaci je běžnou formou antény parabolická anténa znázorněná na obrázku 7. Tento typ antény má průměr 305 metrů nebo více a tak velká velikost je nezbytná pro dosažení vysokého zisku potřebného pro vysílání nebo příjem signálů milionů míle daleko. Další formou reflektoru je rohový reflektor, jak je znázorněno na obrázku 7 (c).

Obrázek 7

6. Objektivové 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 dokážou přeměnit 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 velmi zvětšují. Čočkové antény jsou klasifikovány podle jejich konstrukčních materiálů nebo geometrických tvarů, z nichž některé jsou znázorněny na obrázku 8.