Новини - Вступ та класифікація деяких поширених антен

1. Вступ до антен
Антена — це перехідна структура між вільним простором та лінією передачі, як показано на рисунку 1. Лінія передачі може мати форму коаксіальної лінії або порожнистої трубки (хвилеводу), яка використовується для передачі електромагнітної енергії від джерела до антени або від антени до приймача. Перша є передавальною антеною, а друга — приймальною антеною.

Рисунок 1. Шлях передачі електромагнітної енергії (простір без джерела, лінії передачі та антени)

Передача антенної системи в режимі передачі, показаному на рисунку 1, представлена еквівалентом Тевеніна, як показано на рисунку 2, де джерело представлено ідеальним генератором сигналів, лінія передачі представлена лінією з характеристичним опором Zc, а антена представлена навантаженням ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Опір навантаження RL представляє втрати на провідність та діелектричні втрати, пов'язані зі структурою антени, тоді як Rr представляє опір випромінювання антени, а реактивний опір XA використовується для представлення уявної частини імпедансу, пов'язаного з випромінюванням антени. За ідеальних умов вся енергія, що генерується джерелом сигналу, повинна передаватися до опору випромінювання Rr, який використовується для представлення випромінювальної здатності антени. Однак на практиці існують втрати провідника-діелектрика через характеристики лінії передачі та антени, а також втрати, спричинені відбиттям (невідповідністю) між лінією передачі та антеною. Враховуючи внутрішній імпеданс джерела та ігноруючи втрати на лінію передачі та відбиття (невідповідність), максимальна потужність забезпечується антеною при спряженому узгодженні.

Рисунок 2

Через невідповідність між лінією передачі та антеною, відбита хвиля від інтерфейсу накладається на падаючу хвилю від джерела до антени, утворюючи стоячу хвилю, яка відображає концентрацію та накопичення енергії та є типовим резонансним пристроєм. Типова картина стоячої хвилі показана пунктирною лінією на рисунку 2. Якщо антенна система не спроектована належним чином, лінія передачі може значною мірою діяти як елемент накопичення енергії, а не як хвилевід та пристрій передачі енергії.
Втрати, спричинені лінією передачі, антеною та стоячими хвилями, є небажаними. Втрати в лінії можна мінімізувати, вибравши лінії передачі з низькими втратами, тоді як втрати в антені можна зменшити, зменшивши опір втрат, представлений як RL на рисунку 2. Стоячі хвилі можна зменшити, а накопичення енергії в лінії можна мінімізувати, узгодивши імпеданс антени (навантаження) з характеристичним імпедансом лінії.
У бездротових системах, окрім прийому або передачі енергії, зазвичай потрібні антени для посилення випромінюваної енергії в певних напрямках та придушення випромінюваної енергії в інших напрямках. Тому, окрім пристроїв виявлення, антени також повинні використовуватися як спрямовані пристрої. Антени можуть бути різних форм для задоволення конкретних потреб. Це може бути дріт, апертура, патч, елементна збірка (решітка), відбивач, лінза тощо.

У системах бездротового зв'язку антени є одними з найважливіших компонентів. Гарна конструкція антени може знизити системні вимоги та покращити загальну продуктивність системи. Класичним прикладом є телебачення, де прийом мовлення можна покращити за допомогою високопродуктивних антен. Антени для систем зв'язку є тим, чим є очі для людини.

2. Класифікація антен
1. Дротова антена
Дротові антени є одними з найпоширеніших типів антен, оскільки вони зустрічаються майже скрізь – в автомобілях, будівлях, кораблях, літаках, космічних кораблях тощо. Існують різні форми дротяних антен, такі як пряма (дипольна), петльова, спіральна, як показано на рисунку 3. Петльові антени можуть бути не лише круглими. Вони можуть бути прямокутними, квадратними, овальними або будь-якої іншої форми. Кругла антена є найпоширенішою завдяки своїй простій структурі.

Рисунок 3

2. Апертурні антени
Апертурні антени відіграють дедалі більшу роль через зростаючий попит на складніші форми антен та використання вищих частот. Деякі форми апертурних антен (пірамідальні, конічні та прямокутні рупорні антени) показані на рисунку 4. Цей тип антени дуже корисний для застосування в літаках та космічних апаратах, оскільки їх можна дуже зручно встановити на зовнішній оболонці літака або космічного корабля. Крім того, їх можна покрити шаром діелектричного матеріалу для захисту від агресивного середовища.

Рисунок 4

3. Мікросмужкова антена
Мікросмужкові антени стали дуже популярними в 1970-х роках, головним чином для супутникового застосування. Антена складається з діелектричної підкладки та металевої пластини. Металева пластина може мати багато різних форм, і прямокутна пластинчаста антена, показана на рисунку 5, є найпоширенішою. Мікросмужкові антени мають низький профіль, підходять для плоских та неплоских поверхонь, прості та недорогі у виготовленні, мають високу міцність при монтажі на твердих поверхнях та сумісні з конструкціями MMIC. Їх можна монтувати на поверхні літаків, космічних апаратів, супутників, ракет, автомобілів і навіть мобільних пристроїв, а також вони можуть бути конформно спроектовані.

Рисунок 5

4. Антена решітка
Характеристики випромінювання, необхідні для багатьох застосувань, можуть бути досягнуті не одним елементом антени. Антенні решітки можуть створювати випромінювання від синтезованих елементів для отримання максимального випромінювання в одному або кількох певних напрямках, типовий приклад показано на рисунку 6.

Рисунок 6

5. Рефлекторна антена
Успіх освоєння космосу також призвів до швидкого розвитку теорії антен. Через потребу в зв'язку на надвеликі відстані, для передачі та прийому сигналів на відстані мільйонів миль необхідно використовувати антени з надзвичайно високим коефіцієнтом посилення. У цьому застосуванні поширеною формою антени є параболічна антена, показана на рисунку 7. Цей тип антени має діаметр 305 метрів або більше, і такий великий розмір необхідний для досягнення високого коефіцієнта посилення, необхідного для передачі або прийому сигналів на відстані мільйонів миль. Іншою формою відбивача є кутовий відбивач, як показано на рисунку 7 (c).

Рисунок 7

6. Лінзові антени
Лінзи в основному використовуються для колімації падаючої розсіяної енергії, щоб запобігти її поширенню в небажаних напрямках випромінювання. Завдяки відповідній зміні геометрії лінзи та вибору правильного матеріалу, вони можуть перетворювати різні форми розбіжної енергії на плоскі хвилі. Їх можна використовувати в більшості застосувань, таких як параболічні рефлекторні антени, особливо на вищих частотах, а їхній розмір і вага стають дуже великими на нижчих частотах. Лінзові антени класифікуються за матеріалами, з яких вони виготовлені, або геометричними формами, деякі з яких показані на рисунку 8.