Добро пожаловать в Антенны 101

>> Ресурсы веб-сайта
.. >> Библиотека: TechXchange
. . .. >> TechXchange: Antenna Design 101

Загрузить эту статью в формате .PDF

Антенны — это гораздо больше, чем простые устройства, подключенные к каждому радио. Это преобразователи, которые преобразуют напряжение передатчика в радиосигнал. И они собирают радиосигналы из воздуха и преобразуют их в напряжение для восстановления в приемнике.

Обычно антенны воспринимаются как должное и оставляются на последнюю минуту в конструкции, тем не менее, антенны имеют решающее значение для установки и поддержание надежной радиосвязи. Они могут показаться сложными и загадочными для большинства инженеров, особенно для EE, впервые работающих с беспроводными приложениями, не говоря уже о том, что они бывают бесконечного разнообразия размеров и форм. Однако краткий обзор основ может помочь развеять любые проблемы дизайна.

Что такое радиоволна?
Радиоволна — это комбинация магнитного поля, расположенного под прямым углом к ​​электрическому полю. Оба колеблются с определенной частотой и движутся вместе в направлении, перпендикулярном обоим полям ( Рис. 1 ). Эти электромагнитные поля движутся со скоростью света (около 300 миллионов метров в секунду или около 186 400 миль в секунду) через свободное пространство. Согласно хорошо известным уравнениям Максвелла, они поддерживают и восстанавливают друг друга по пути, но ослабевают с увеличением расстояния.

1. Антенна создает электрические и магнитные поля, перпендикулярные друг другу, а также направлению распространения.

Что такое какие характеристики радиоволны?
Одна из ключевых особенностей — ориентация полей относительно земли. Это называется поляризацией. Антенна имеет вертикальную поляризацию, если электрическое поле вертикально по отношению к поверхности земли. Антенна имеет горизонтальную поляризацию, если она горизонтальна по отношению к поверхности земли.

Есть ли другие важные особенности радиоволны?
Обычно радиоволны имеют ближнее и дальнее поле. Ближнее поле близко к антенне, обычно в пределах нескольких длин волн (?). Дальнее поле составляет около 10 длин волн или более от антенны. Дальнее поле отделяется от антенны и становится радиосигналом.

Такие приложения, как радиочастотная связь (RFID) и связь ближнего поля (NFC), используют ближнее поле, которое больше похоже на магнитное поле вокруг первичной обмотки трансформатора. Но в целом дальнее поле — наиболее полезная радиоволна.

Как работает антенна?
Антенна передатчика генерирует радиоволны. На антенну подается напряжение нужной частоты.. Напряжение на элементах антенны и ток через них создают соответственно электрические и магнитные волны. В приемнике электромагнитная волна, проходящая через антенну, вызывает небольшое напряжение. Таким образом, антенна становится источником сигнала для входа приемника.

Будет ли одна и та же антенна работать и для передачи, и для приема?
Да. Мы называем это антенной взаимностью. Любая антенна будет работать как на передачу, так и на прием. Во многих беспроводных приложениях антенна переключается между передатчиком и приемником.

Будет ли вертикальная антенна принимать сигнал с горизонтальной поляризацией или наоборот?
В большинстве случаев да. Реальные антенны редко бывают идеально горизонтальными или вертикальными, поэтому некоторый сигнал принимается. Более того, большинство сигналов претерпевают сдвиги поляризации на пути передачи из-за отражений и других условий многолучевого распространения. Тем не менее, это несоответствие ориентации антенны приводит к некоторому ослаблению.

Если более точно контролировать, поляризацию можно использовать для мультиплексирования двух сигналов на одной и той же частоте. В некоторых спутниках антенна с вертикальной поляризацией может передавать один сигнал, одновременно передавая или принимая на отдельной антенне с горизонтальной поляризацией на той же частоте. Если поляризация является проблемой в приложении, круговая поляризация может предложить решение.

Что такое круговая поляризация?
Как следует из названия, поляризация непрерывно вращается во время передачи, что позволяет использовать для приема либо горизонтальные, либо вертикальные антенны. Для максимального приема необходима приемная антенна с круговой поляризацией.

Вы также можете иметь антенну, которая создает правую или левую круговую поляризацию (RHCP или LHCP). Это снова позволяет повторно использовать частоту, используя разные поляризации для двух разных сигналов. Часто используется спиральная антенна из спирального проводника и рефлектора. Круговая поляризация чаще всего встречается у спутников.

Как радиосигнал распространяется от передатчика к приемнику?
Сигналы передаются от одной антенны к другой несколькими способами в зависимости от частоты радиоволн. На низких частотах (менее 3 МГц) распространяется земная волна, когда сигнал касается поверхности земли. Расстояние ограничено сотней миль или около того. Радиоволны AM являются хорошим примером распространения низких частот.

На частотах в диапазоне от 3 до 30 МГц (короткие волны) сигналы проходят от 30 до 250 миль в ионосферу, где они ‘ преломляется обратно на землю. Это почти как излучение сигнала так, что кажется, что он отражается от проводящей поверхности. Могут быть достигнуты очень большие расстояния, поскольку сигналы могут совершать несколько скачков от Земли до ионосферы и обратно несколько раз.

Однако для большинства современных беспроводных коммуникаций диапазон сигналов превышает 100 МГц. выше 10 ГГц. Эти сигналы, называемые небесными волнами, распространяются по прямой линии, как световые волны. Чтобы установить соединение, вам потребуется прямой путь прямой видимости (LOS) от одной антенны к другой. Очевидно, тогда дальность сигнала во многом зависит от высоты антенны.

Какая форма антенны наиболее распространена?
Диполь состоит из двух линейных проводников встык с длиной в одну половину длины волны (?/2) ( Рис. 2a ). Здесь одна длина волны (?) Составляет 300/f МГц в метрах. Одна половина длины волны в футах равна 468/f МГц или 5616/f МГц в дюймах. Термин f — это частота работы в мегагерцах.

Конструкция диполя состоит из двух элементов λ/4. встык с несколькими в центре линией передачи (а). В резонансе антенна представляет собой резистор на 73 Ом. Горизонтальная диаграмма направленности диполя выглядит как цифра 8 сверху (b). В 3D рисунок имеет форму бублика с максимальным излучением, перпендикулярным длине антенны.

Передатчик или приемник подключается к центру антенны, обычно с помощью линия передачи, такая как коаксиальный кабель. В этот момент антенна имеет эквивалентный резистивный импеданс 73 Ом. Однако это будет зависеть от высоты антенны и станет сложным импедансом выше или ниже рабочей частоты. Таким образом, антенна действует как резонансный контур.

Каковы некоторые другие характеристики диполя?
Обычно диполь ориентирован горизонтально по отношению к Земле, что дает ему горизонтально поляризованную волну. Кроме того, излучение от антенны неоднородно во всех направлениях. Идеальная антенна, называемая изотропным источником, излучает сферически или одинаково хорошо во всех направлениях.

В диполе диаграмма направленности имеет форму бублика. Посмотрев на антенну, вы увидите диаграмму направленности в виде цифры 8 ( рис. 2b ). Наибольшее излучение или лучший прием происходит под прямым углом к ​​антенне. На эту диаграмму направленности в значительной степени влияют близлежащие проводящие и непроводящие объекты.

Какие еще существуют физические формы антенн?
Популярным вариантом диполя является заземляющий элемент или антенна Маркони. Он состоит из одного элемента?/4, установленного вертикально, и работает с землей или металлическим основанием, называемым заземляющим слоем ( Рис. 3 ). Антенна плоскости заземления — это всего лишь половина диполя, а другой элемент диполя представлен плоскостью заземления. Поляризация вертикальная, диаграмма направленности круговая или всенаправленная.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a85553df29008b45f1» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «3. Антенна на плоскости заземления — это вертикальный элемент & lambda;/4, который работает против плоскости заземления, большой металлической поверхности, земли или, в некоторых случаях, массива проводников, называемых радиальными. Импеданс в базе составляет около 36 Ом, а 50 Ом. обычно используется коаксиальный кабель. «data-embed-src =» https://base.imgix.net/files/base/ebm/electronicdesign/image/2020/06/Antenna_101_Fig_3.5ee007a757bd2.png?auto=format&fit= max & w = 1440 «data-embed-caption =» 3. Антенна на плоскости заземления представляет собой вертикальный элемент λ/4, который работает против плоскости заземления, большой металлической поверхности, земли или, в некоторых случаях, массива радиальных проводов, называемых проводниками. Импеданс в базе составляет около 36 Ом, а 50 Ом. для управления им обычно используется коаксиальный кабель. «]}%

Существуют ли другие распространенные формы?
Да. Патч или микрополосковая антенна распространена на микроволновых частотах (более 1 ГГц). Это квадратный или круглый участок из проводящего материала шириной примерно в одну половину длины волны. Создать такую ​​антенну легко, потому что она обычно реализуется на печатная плата (PCB) ( Рис. 4 ). Рамочная антенна также популярна в некоторых некритичных приложениях. Это просто непрерывная петля из проводника, провода или дорожки печатной платы с окружностью от 0,1? до 1,0?.

4. Патч или микрополосковая антенна изготавливается на печатной плате. На сверхвысоких частотах легко создать массив патчей, чтобы сформировать фазированную решетку, которая будет иметь усиление, направленность и возможность включать формирование луча и управление.

Могут ли антенны показывать усиление?
Конечно. Антенна может усиливать сигнал так же эффективно, как если бы Сигнал e усиливался электронным усилителем. Он не усиливается как таковой, но усиление формируется в результате концентрации сигнала в более узком луче. Антенна становится более направленной.

Например, диполь концентрирует сигнал в двух лепестках. Следовательно, диполь имеет усиление мощности 1,64 дБ по сравнению с изотропной антенной. Это называется усилением в дБи по отношению к изотропному источнику. Но поскольку в реальной жизни не бывает изотропных источников, мы обычно относим любое усиление антенны к усилению диполя (дБд). Например, 0 дБд = 2,15 дБи.

Как выражается усиление антенны?
Это обычно выражается в мощности диполя в дБ. Другим выражением является эффективная излучаемая мощность (ERP) — фактическое количество энергии, которое диполь должен излучать, чтобы произвести тот же эффект, что и усиленная антенна. Вы вычисляете ERP, умножая выходную мощность передатчика на усиление антенны, где усиление — это отношение мощностей, эквивалентное коэффициенту усиления в дБ. Иногда эталон усиления относится к изотропному излучателю, а не к диполю. В этом случае подходящим термином является эффективная изотропная излучаемая мощность (EIRP)..

Какую антенну вы используете для усиления?
Есть много разных способов получить прибыль. Большинство конфигураций основано на использовании нескольких антенных элементов, таких как несколько диполей или диполь плюс один или несколько паразитных элементов, на которые сигнал не подается напрямую. Знакомый пример — популярный Яги ( Рис. 5 ).

5. Яги Уда, японский ученый, изобрел антенну Яги. Он состоит из центральной стрелы, прикрепленной к ведомому элементу, отражателя и одного или нескольких направляющих (а). Чем больше количество элементов, тем больше усиление и направленность. Диаграмма направленности наиболее сильна на конце стрелы рядом с директорами (b). Добавление большего количества директоров сужает луч и увеличивает усиление.

Управляемым элементом является диполь. Он используется с немного более длинным элементом, называемым отражателем, и тремя более короткими элементами, называемыми директорами. Паразитные элементы фокусируют луч вперед с направлением излучения от директора. Такая антенна может обеспечить эффективное усиление мощности около 10 дБ.

Добавив больше директоров, можно достичь еще большего усиления. С семью или более директорами возможно усиление до 20 дБ. Ширина луча излучения очень мала, что может помочь минимизировать помехи от других станций поблизости.

Как работает параболическая или «тарелочная» антенна?
Антенна с максимальным направленным усилением, тарелка, использует диполь или аналогичную антенну, но добавляет параболическую тарелку в качестве отражателя. Размещение антенны в фокусе параболы заставляет тарелку фокусировать входящий сигнал на антенне или сигнал, излучаемый диполем, фокусируется тарелкой в ​​очень узкий луч ( Рис. 6 ).

6. В параболической тарелке антенна находится в фокусе. Это может быть диполь и рупор или антенна любого другого типа. Параболическая антенна фокусирует сигнал в очень узкий луч, представляющий собой огромное усиление.

Обычно ширина луча меньше 1 °. Коэффициент усиления может составлять более 50 дБ в зависимости от диаметра тарелки. Этот вид антенны отлично подходит для очень слабых сигналов, например, от спутников.

Существуют ли другие распространенные направленные антенны?
Другой превосходной антенной с направленным усилением является фазированная антенная решетка, которая представляет собой группу диполей или эквивалентных антенн (патч, паз и т. д.), установленных в прямоугольную решетку. Типичные решетки могут быть размером четыре на четыре или 16 на 16. На антенны подаются линии передачи определенной длины для создания синфазных сигналов на антенных элементах. Добавление задержек или фазовых сдвигов создает сигналы на каждой антенне, которые могут помогать или подавлять друг друга. Это позволяет формировать, перемещать или иным образом управлять диаграммой направленности антенны..

Управляя фазами антенн, диаграммой направленности можно управлять в широком диапазоне ширины луча. С помощью специальных регулируемых фазовращателей луч антенны можно расширять, сужать или направлять в определенном направлении. Это называется формированием луча. Фазированные решетки широко используются в военных радарах, но эти методы также применяются в сотовой радиосвязи для управления направленностью антенн сотовой связи с целью улучшения качества сигнала.

Если антенна действует как настроенная цепь, как я могу быть уверен, что у нее есть необходимая полоса пропускания?
Антенны резонансные, поэтому у них есть добротность и соответствующая полоса пропускания (BW). Для большинства антенн эта полоса пропускания составляет примерно от 10% до 15% резонансной частоты. Важно, чтобы антенна имела достаточно широкий отклик, чтобы пропускать все необходимые боковые полосы, чтобы избежать искажений. Большинство антенн являются селективными, поэтому они могут избавиться от шума и некоторых гармоник, но вам не нужно обрезание боковой полосы. Если вы используете коммерческую антенну, посмотрите характеристики селективности или полосы пропускания, чтобы убедиться, что она подходит. В конструкции антенны физические размеры влияют на ширину полосы пропускания.

Если сделать элементы дипольной антенны очень тонкими с помощью проволоки, ширина полосы будет очень узкой. Но расширение их с помощью трубок или их разветвление, например, в конфигурации бабочки, значительно увеличивает пропускную способность.

Как антенна подключена к передатчику или приемнику ?
Линия передачи соединяет антенну с передатчиком или приемником. Для коротких расстояний это, вероятно, будет короткая микрополосковая линия или полосковая линия на печатной плате. Коаксиальный кабель обычно используется на больших расстояниях в несколько футов и более. Импеданс линии передачи должен соответствовать импедансу антенны и передатчика/приемника, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности.

Большинство схем рассчитаны на импеданс 50 Ом, что хорошо соответствует сопротивлению 50 Ом. коаксиальный кабель. С помощью микрополосковой линии вы можете придать линии любой желаемый характеристический импеданс. Сложная часть — это согласование линии с антенной, сопротивление которой может составлять от нескольких Ом до нескольких тысяч Ом, в зависимости от типа и других условий. В большинстве приложений для согласования антенны с линией или линии с цепью используется некоторая форма LC-цепи согласования импеданса.

Если импедансы не согласованы, будут отражения и высокий коэффициент стоячей волны (КСВ), который приведет к значительным потерям. Также старайтесь избегать использования коаксиального кабеля, потому что его затухание очень велико на микроволновых частотах. Доступен кабель с низкими потерями, но он по-прежнему сильно ослабляет сигнал. Сохраняйте максимально короткую длину и компенсируйте в передатчике или приемнике потери в кабеле за счет большего усиления.

Какова эффективность антенны?
Эффективность антенны похожа на эффективность в целом — отношение выходной мощности к входящей. Однако это обозначается несколькими разными способами.. В большинстве случаев КПД учитывает потери I2R, потери в любом диэлектрике и потери, основанные на связи с другими устройствами. Что может не быть включено, так это любые потери, связанные с потерями рассогласования антенны и линии передачи, что приводит к отраженной мощности и более высокому КСВ.

Однако некоторые меры коэффициента эффективности при любом изменении сопротивления излучения антенны вариация. Большинство маленьких антенн не так эффективны. Все, что выше 50–60%, обычно хорошо, но всегда старайтесь улучшить это, если можете.

Стоит ли мне пытаться создавать свои собственные антенны?
Если вы не инженер по радиотехнике, возможно, нет. Конструкция антенны очень специфична и более чем сложна. Это также одна из тех ниш, где кажется, что работает черная магия. Конструкция антенны является очень теоретической, но она в значительной степени основана на эмпирической работе и большом количестве экспериментов.

Если антенна простая, например дипольная, заземляющая или петлевая, это может сработать для вас. В остальном на рынке есть тонны коммерческих антенн, способных удовлетворить практически любые потребности. В приложениях с большим объемом, вы даже можете получить специальную антенну. Для достижения наилучших результатов лучше покупать, а не строить.

7. Керамические антенны Savvi от Ethertronics доступны для большинства беспроводных стандартов, таких как Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX и некоторых диапазонов сотовой связи. Длина варьируется от 4 до 14 мм.

ССЫЛКИ
American Radio Relay League, Книга об антеннах ARRL , 1991

Френзель, Луис, Э., Принципы электронных коммуникационных систем , 3-е издание, McGraw Hill, 2008

Волакис, Джон Л., Руководство по проектированию антенн , 4-е издание, McGraw Hill, 2007 г.

>> Ресурсы веб-сайта
.. >> Библиотека: TechXchange
.. >> TechXchange: конструкция антенны 101


Дата: 2 декабря 2020 г., среда
Время:
2 : 00 PM по восточному поясному времени
Спонсор:
Menlo Micro
Продолжительность: 1 час

Зарегистрируйтесь сегодня!

Сводка

Матрицы и мультиплексоры РЧ-переключателей обеспечивают автоматическую маршрутизацию сигналов и согласование между испытательным и измерительным оборудованием и тестируемыми устройствами в системах ATE или на испытательных стендах. Их можно использовать для эффективного подключения одного или нескольких входов к нескольким выходам для тестовых систем, а также для маршрутизации и мультиплексирования сигналов между DUT и тестовым оборудованием.

Системы связи, начиная от интерфейсных модулей сотовой связи 5G и заканчивая военными радиостанциями, все чаще требуются для поддержки растущего числа каналов и частотных диапазонов, и часто очень важно иметь возможность точно и эффективно тестировать несколько полосовые и многопортовые радиочастотные компоненты, которые составляют эти системы. Маршрутизация необходимых сигналов будет сложной задачей, поскольку количество портов, необходимых для поддержки этих многопортовых компонентов, увеличивается, а низкие радиочастотные потери и высокая скорость переключения являются критическими требованиями для тестовых систем. Другим очень важным требованием является более высокая пропускная способность тестируемого устройства, и это обычно достигается за счет увеличения количества M x N (M строк и N столбцов) коммутирующей матрицы или мультиплексора.

Плата мультиплексора PXI была разработана с использованием революционной технологии «идеального коммутатора» SP4T от Menlo Micro и сконфигурирована в общей сложности с одиннадцатью коммутаторами в конфигурации с двумя РЧ-портами SP8T. Конструкция работает на частотах до 8 ГГц, имеет внутреннюю защиту от электростатических разрядов на портах и ​​рассчитана на максимальную входную мощность в непрерывном режиме 8 Вт. Он обеспечивает коммутационные состояния менее 10 мкс, что в 1500 раз лучше, чем у конкурирующих реле на основе реле. Чрезвычайно высокий уровень надежности коммутатора приводит к более чем 3 миллиардам операций или циклов переключения.

Два важных фактора, которые отличает этот коммутатор-мультиплексор от других механических или твердых конструкций, — это низкое сопротивление идеального коммутатора. »И сверхнизкой« выходной емкости ». Низкое значение Ron приводит к достижению общих вносимых потерь

В этой статье описывается методология разработки мультиплексора и влияние идеального коммутатора на общую производительность и результаты тестирования.

Участники узнают:

  • Новые подходы и методологии для проектирования коммутационной матрицы и мультиплексора.
  • Как эту конструкцию SP8T можно масштабировать для большего количества мультиплексированных соединений и ходов переключателя при сохранении компактного форм-фактора.
  • В чем уникальность технологии Ideal Switch от Menlo, которая предлагает ключевые преимущества в отношении низких потерь, высокой управляемости РЧ мощности и длительного срока службы переключателя.

Спикер

Стюарт Янг, старший системный инженер по приложениям, Menlo Micro

Как часть группы разработки приложений Menlo, Стюарт сыграл важную роль в поддержке ведущих проектов клиентов и помощи им с их продуктом. развитие. Стюарт имеет обширный инженерный опыт, работая в полупроводниковой промышленности, поддерживая основные глобальные учетные записи, а также имеет опыт работы на уровне устройств, поддерживающих xDSL, 802.11, транзитное соединение с микроволновой печью и интерфейс спутниковой связи. Стюарт имеет степень бакалавра электротехники в университете Ханьян в Сеуле, Корея.

Зарегистрироваться

Оцените статью
motary.ru
Добавить комментарий