1. Введение в антенны
Антенна — это переходная структура между свободным пространством и линией передачи, как показано на рисунке 1. Линия передачи может быть в виде коаксиальной линии или полой трубки (волновода), которая используется для передачи электромагнитной энергии от источника к антенне или от антенны к приемнику. Первая является передающей антенной, а вторая — приемной антенной.
Рисунок 1. Путь передачи электромагнитной энергии (источник-линия передачи-антенна-свободное пространство)
Передача антенной системы в режиме передачи на рисунке 1 представлена эквивалентом Тевенина, как показано на рисунке 2, где источник представлен идеальным генератором сигналов, линия передачи представлена линией с характеристическим сопротивлением Zc, а антенна представлена нагрузкой ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Сопротивление нагрузки RL представляет собой потери проводимости и диэлектрические потери, связанные со структурой антенны, в то время как Rr представляет собой сопротивление излучения антенны, а реактивное сопротивление XA используется для представления мнимой части импеданса, связанного с излучением антенны. В идеальных условиях вся энергия, генерируемая источником сигнала, должна передаваться на сопротивление излучения Rr, которое используется для представления способности излучения антенны. Однако в практических приложениях существуют потери проводник-диэлектрик из-за характеристик линии передачи и антенны, а также потери, вызванные отражением (несоответствием) между линией передачи и антенной. Учитывая внутреннее сопротивление источника и игнорируя потери в линии передачи и отражения (рассогласования), максимальная мощность подается на антенну при сопряженном согласовании.
Рисунок 2
Из-за несоответствия между линией передачи и антенной отраженная волна от интерфейса накладывается на падающую волну от источника к антенне, образуя стоячую волну, которая представляет собой концентрацию и хранение энергии и является типичным резонансным устройством. Типичная картина стоячей волны показана пунктирной линией на рисунке 2. Если антенная система не спроектирована должным образом, линия передачи может в значительной степени действовать как элемент хранения энергии, а не как волновод и устройство передачи энергии.
Потери, вызванные линией передачи, антенной и стоячими волнами, нежелательны. Потери в линии можно минимизировать, выбрав линии передачи с низкими потерями, в то время как потери в антенне можно уменьшить, уменьшив сопротивление потерь, представленное RL на рисунке 2. Стоячие волны можно уменьшить, а накопление энергии в линии можно минимизировать, согласовав импеданс антенны (нагрузки) с характеристическим импедансом линии.
В беспроводных системах, помимо приема или передачи энергии, антенны обычно требуются для усиления излучаемой энергии в определенных направлениях и подавления излучаемой энергии в других направлениях. Поэтому, помимо устройств обнаружения, антенны также должны использоваться в качестве направленных устройств. Антенны могут быть в различных формах для удовлетворения конкретных потребностей. Это может быть провод, отверстие, накладка, сборка элементов (решетка), отражатель, линза и т. д.
В беспроводных системах связи антенны являются одним из важнейших компонентов. Хорошая конструкция антенны может снизить системные требования и улучшить общую производительность системы. Классический пример — телевидение, где прием трансляции можно улучшить с помощью высокопроизводительных антенн. Антенны для систем связи — то же, что глаза для человека.
2. Классификация антенн
1. Проводная антенна
Проволочные антенны являются одним из самых распространенных типов антенн, поскольку они встречаются практически везде - в автомобилях, зданиях, кораблях, самолетах, космических аппаратах и т. д. Существуют различные формы проволочных антенн, такие как прямая линия (диполь), петля, спираль, как показано на рисунке 3. Петлевые антенны не обязательно должны быть только круглыми. Они могут быть прямоугольными, квадратными, овальными или любой другой формы. Круглая антенна является наиболее распространенной из-за своей простой конструкции.
Рисунок 3
2. Апертурные антенны
Апертурные антенны играют все большую роль из-за растущего спроса на более сложные формы антенн и использования более высоких частот. Некоторые формы апертурных антенн (пирамидальные, конические и прямоугольные рупорные антенны) показаны на рисунке 4. Этот тип антенн очень полезен для применения в самолетах и космических кораблях, поскольку их можно очень удобно монтировать на внешней оболочке самолета или космического корабля. Кроме того, их можно покрыть слоем диэлектрического материала для защиты от суровых условий.
Рисунок 4
3. Микрополосковая антенна
Микрополосковые антенны стали очень популярны в 1970-х годах, в основном для спутниковых приложений. Антенна состоит из диэлектрической подложки и металлической накладки. Металлическая накладка может иметь множество различных форм, и прямоугольная патч-антенна, показанная на рисунке 5, является наиболее распространенной. Микрополосковые антенны имеют низкий профиль, подходят для плоских и неплоских поверхностей, просты и недороги в производстве, обладают высокой прочностью при монтаже на жестких поверхностях и совместимы с конструкциями MMIC. Их можно монтировать на поверхности самолетов, космических кораблей, спутников, ракет, автомобилей и даже мобильных устройств и можно конформно проектировать.
Рисунок 5
4. Антенная решетка
Характеристики излучения, требуемые многими приложениями, не могут быть достигнуты одним элементом антенны. Антенные решетки могут синтезировать излучение элементов для получения максимального излучения в одном или нескольких конкретных направлениях, типичный пример показан на рисунке 6.
Рисунок 6
5. Рефлекторная антенна
Успехи освоения космоса также привели к быстрому развитию теории антенн. Из-за необходимости сверхдальней связи для передачи и приема сигналов на расстоянии в миллионы миль должны использоваться антенны с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления. В этом приложении распространенной формой антенны является параболическая антенна, показанная на рисунке 7. Этот тип антенны имеет диаметр 305 метров или более, и такой большой размер необходим для достижения высокого коэффициента усиления, необходимого для передачи или приема сигналов на расстоянии в миллионы миль. Другой формой отражателя является уголковый отражатель, как показано на рисунке 7 (c).
Рисунок 7
6. Линзовые антенны
Линзы в основном используются для коллимации падающей рассеянной энергии, чтобы предотвратить ее распространение в нежелательных направлениях излучения. Соответствующим образом изменяя геометрию линзы и выбирая правильный материал, они могут преобразовывать различные формы расходящейся энергии в плоские волны. Их можно использовать в большинстве приложений, таких как параболические рефлекторные антенны, особенно на более высоких частотах, а их размер и вес становятся очень большими на более низких частотах. Линзовые антенны классифицируются в соответствии с их конструкционными материалами или геометрическими формами, некоторые из которых показаны на рисунке 8.
Рисунок 8
Чтобы узнать больше об антеннах, посетите сайт:
Время публикации: 19 июля 2024 г.
