Каждому беспроводному устройству нужна антенна. Это проводящее механическое устройство представляет собой преобразователь, который преобразует передаваемый радиочастотный (RF) сигнал в электрические и магнитные поля, составляющие радиоволну. Он также преобразует полученную радиоволну обратно в электрический сигнал. Для антенн возможно почти бесконечное множество конфигураций. Однако большинство из них основано на двух основных типах: дипольных и штыревых антеннах.
Понятие «антенны»
Радиоволна содержит электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю. Оба перпендикулярны направлению распространения (рисунок ниже). Это электромагнитное поле и создает антенну. Сигнал, излучаемый устройством, вырабатывается в передатчике и затем отправляется на антенну с помощью линии передачи, обычно коаксиального кабеля.
Линии представляют собой магнитные и электрические силовые линии, которые движутся вместе и поддерживают друг друга, когда они «движутся наружу» от антенны.
Напряжение создает электрическое поле вокруг антенных элементов. Ток в антенне создает магнитное поле. Электрические и магнитные поля объединяются и регенерируют друг друга в соответствии с известными уравнениями Максвелла, и «комбинированная» волна отправляется с антенны в пространство. При приеме сигнала электромагнитная волна индуцирует напряжение в антенне, которое преобразует электромагнитную волну обратно в электрический сигнал, который может быть дополнительно обработан.
Первичным рассмотрением в ориентации любой антенны является поляризация, которая относится к ориентации электрического поля (E) с землей. Это также ориентация передающих элементов относительно земли. Вертикально установленная антенна, перпендикулярная к земле, излучает вертикально поляризованную волну. Таким образом, горизонтально расположенная антенна излучает горизонтально поляризованную волну.
Поляризация также может быть и круговой. Специальные конфигурации, такие как винтовые или спиральные антенны, могут излучать вращающуюся волну, создавая вращающуюся поляризованную волну. Антенна может создавать направление вращения либо вправо, либо влево.
В идеальном случае антенны как на передающем, так и на приемном устройстве должны иметь одинаковую поляризацию. На частотах ниже примерно 30 МГц волна обычно отражается, преломляется, вращается или иным образом модифицируется атмосферой, землей или другими объектами. Следовательно, согласование поляризации на двух сторонах не является критическим. На частотах ОВЧ, УВЧ и СВЧ поляризация должна быть одинаковой для обеспечения максимально качественной передачи сигнала. И, обратите внимание, что антенны демонстрируют взаимность, то есть они одинаково хорошо работают как на передачу, так и на прием.
Диполь или симметричная вибраторная антенна
Диполь представляет собой полуволновую структуру из проволоки, трубки, печатной платы (PCB) или другого проводящего материала. Он разделен на две равные четверти длины волны и подпитывается линией передачи.
Линии показывают распределение электрических и магнитных полей. Одна длина волны (λ) равна:
λ = 984/fMHz
половина волны:
λ/2 = 492/fMHz
Фактическая длина обычно сокращается в зависимости от размера антенных проводов. Лучшее приближение к электрической длине:
λ/2 = 492 K/fMHz
где K — коэффициент, связывающий диаметр проводника с его длиной. Это 0,95 для проводных антенн с частотой 30 МГц или менее. Или:
λ/2 = 468/fMHz
Длина в дюймах:
λ/2 = 5904 K/fMHz
Значение K меньше для элементов большего диаметра. Для трубки диаметром в полдюйма K составляет 0,945. Дипольный канал для 165 МГц должен иметь длину:
λ/2 = 5904(0.945)/165 = 33.81 дюйма
или два 16,9-дюймовых сегмента.
Длина важна, потому что антенна является резонансным устройством. Для максимальной эффективности излучения он должен быть настроен на рабочую частоту. Однако антенна работает достаточно хорошо на узком диапазоне частот, как резонансный фильтр.
Полоса пропускания диполя является функцией его структуры. Обычно он определяется как диапазон, в котором отношение коэффициента стоячей волны антенны (КСВ) меньше 2:1. КСВ определяется величиной отраженного сигнала от устройства назад по линии передачи, подающей на него. Это функция импеданса антенны с отношением к импедансу линии передачи.
Фактическое сопротивление антенны в ее центральной точке зависит от ее частоты и высоты антенны. При резонансе и полуволне над землей импеданс антенны составляет приблизительно 73 Ом. Паразитный резонанс, импеданс антенны будет включать либо индуктивный, либо емкостный компонент реактивного сопротивления.
Идеальной линией передачи является сбалансированная проводящая пара с сопротивлением 75 Ом. Также можно использовать коаксиальный кабель с характеристическим импедансом 75 Ом (Zo). Коаксиальный кабель с характеристическим импедансом 50 Ом также может использоваться, так как он хорошо соответствует антенне, если он меньше половины длины волны над землей.
Коаксиальный кабель является несбалансированной линией, так как радиочастотный ток будет протекать снаружи коаксиального экрана, создавая некоторые нежелательные индуцированные помехи в соседних устройствах, хотя антенна будет работать достаточно хорошо. Лучший метод подачи — использовать симметрирующий трансформатор в точке подачи с коаксиальным кабелем. Симметрирующий трансформатор — это трансформаторное устройство, которое преобразует сбалансированные сигналы в несбалансированные сигналы или наоборот.
Диполь может быть установлен горизонтально или вертикально в зависимости от желаемой поляризации. Линия подачи идеально должна проходить перпендикулярно к излучающим элементам, чтобы избежать искажения излучения, поэтому диполь наиболее часто ориентирован горизонтально.
Диаграмма излучения сигнала антенны зависит от ее структуры и монтажа. Физическое излучение является трехмерным, но обычно оно представлено как горизонтальными, так и вертикальными диаграммами направленности.
Горизонтальная диаграмма направленности диполя представляет собой цифру восемь (рисунок 3). Максимальный сигнал появляется на антенне. На рисунке 4 показана вертикальная диаграмма направленности. Это идеальные образцы, которые легко искажаются землей и любыми соседними объектами.
Усиление антенны связано с направленностью. Коэффициент усиления обычно выражается в децибелах (дБ) с учетом некоторого «эталона», такого как изотропная антенна, которая является точечным источником радиочастотной энергии, излучающая сигнал во всех направлениях. Подумайте о точечном источнике света, освещающем внутреннюю часть расширяющейся сферы. Изотропная антенна имеет коэффициент усиления 1 или 0 дБ.
Если передатчик формирует или фокусирует диаграмму излучения и делает ее более направленной, он имеет усиление по изотропной антенне. Диполь имеет коэффициент усиления 2,16 дБи по изотропному источнику. В некоторых случаях коэффициент усиления выражается в зависимости от дипольного задания в дБд.
Вертикальная антенна с дополнительными горизонтальными отражающими элементами
Данное устройство представляет собой, по существу, половину диполя, установленного вертикально. Термин монополь также используется для описания этой установки. Земля ниже под антенной, проводящая поверхность с наименьшим λ / 4 по радиусу или образец λ / 4-проводников, называемых радиальными, составляют вторую половину антенны (рис.5).
Если антенна подключена к хорошему заземлению, она называется антенной Маркони. Основной структурой служит другая λ / 4 половина передатчика. Если плоскость заземления имеет достаточный размер и проводимость, то производительность заземления эквивалентна вертикально установленному диполю.
Длина четвертьволновой вертикали:
λ/4 = 246 K/fMHz
Коэффициент K меньше 0,95 для вертикалей, которые обычно изготавливаются с более широкой трубкой.
Импеданс точки питания представляет собой половину диполя или примерно 36 Ом. Фактическая цифра зависит от высоты над землей. Подобно диполю, плоскость заземления является резонансной и обычно имеет реактивный компонент в своем основном импедансе. Наиболее распространенной линией передачи является 50-Ω коаксиальный кабель, поскольку он относительно хорошо соответствует импедансу антенны с КСВ ниже 2: 1.
Вертикальная антенна с дополнительным отражающим элементом является ненаправленной. Горизонтальная диаграмма направленности — это круг, в котором устройство излучает сигнал одинаково хорошо во всех направлениях. На рисунке 6 показана вертикальная диаграмма направленности. По сравнению с вертикальной диаграммой направленности диполя плоскость заземления имеет более низкий угол излучения, что дает преимущество более широкого распространения при частотах ниже примерно 50 МГц.
Выводы
Практически все другие антенны, которые часто используются, являются вариациями антенн дипольного или вертикального плана. Например, антенна Яги-Уда добавляет паразитные элементы, такие как ретранслятор и / или отражатель, к диполю, чтобы увеличить его усиление и направленность. Несколько диполей можно укладывать вертикально или располагать в разных массивах, что значительно увеличивает коэффициент усиления. Телевизионные антенны УКВ-«бабочки» и антенны с печатными платами, используемые в некоторых беспроводных устройствах, являются дипольными вариациями. Патч (микрополосковая линия) и щелевые антенны, используемые на микроволновых частотах, также являются дипольными производными.
Кроме того, могут быть выполнены две или более вертикальные антенны с дополнительным отражающим элементом для создания более направленного сигнала с усилением. Например, направленная радиостанция AM использует две или более башни для направления сильного сигнала в одном направлении, подавляя его в другом.
Коэффициент стоячей волны
Стоячие волны представляют собой схемы распределения напряжения и тока вдоль линии передачи. Если характеристический импеданс (Zo) линии соответствует выходному импедансу генератора (передатчика) и нагрузке антенны, напряжение и ток вдоль линии постоянны. При согласованном импедансе происходит максимальная передача мощности.
Если нагрузка антенны не соответствует линейному импедансу, не вся передаваемая мощность поглощается нагрузкой. Любая мощность, не поглощенная антенной, отражается назад по линии, мешая прямому сигналу и создавая изменения тока и напряжения вдоль линии. Эти вариации представляют собой стоячие волны.
Мерой этого несоответствия является коэффициент стоячей волны (КСВ). КСВ обычно выражается как отношение максимального и минимального значений прямого и обратного тока или значений напряжения вдоль линии:
КСВ = Imax/Imin = Vmax/Vmin
Другим более простым способом выразить КСВ является отношение характеризующего импеданса линии передачи (Zo) к импедансу антенны (R):
КСВ = Zo/R или R/Zo
в зависимости от того, какой импеданс больше.
Идеальный КСВ составляет 1: 1. КСВ от 2 до 1 указывает на отраженную мощность 10%, а это означает, что 90% передаваемой мощности поступает на антенну. КСВ 2: 1 обычно считается максимально допустимым для наиболее эффективной работы системы.
