1. Introduktion till antenner
En antenn är en övergångsstruktur mellan fritt utrymme och en transmissionsledning, som visas i figur 1. Transmissionsledningen kan ha formen av en koaxialledning eller ett ihåligt rör (vågledare), som används för att överföra elektromagnetisk energi från en källa till en antenn, eller från en antenn till en mottagare. Den förra är en sändarantenn, och den senare är en mottagarantenn.
Figur 1 Elektromagnetisk energiöverföringsväg (källa-överföringsledning-antennfritt utrymme)
Antennsystemets överföring i överföringsläget i figur 1 representeras av Thevenin-ekvivalenten som visas i figur 2, där källan representeras av en ideal signalgenerator, överföringsledningen representeras av en linje med karakteristisk impedans Zc, och antennen representeras av en last ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Lastmotståndet RL representerar lednings- och dielektriska förluster associerade med antennstrukturen, medan Rr representerar antennens strålningsmotstånd, och reaktansen XA används för att representera den imaginära delen av impedansen associerad med antennens strålning. Under ideala förhållanden bör all energi som genereras av signalkällan överföras till strålningsmotståndet Rr, vilket används för att representera antennens strålningsförmåga. I praktiska tillämpningar finns det dock ledar-dielektriska förluster på grund av överföringsledningens och antennens egenskaper, såväl som förluster orsakade av reflektion (missmatchning) mellan överföringsledningen och antennen. Med hänsyn till källans interna impedans och bortsett från överföringsledningens och reflektions- (missmatchnings-) förluster, tillförs antennen maximal effekt under konjugatmatchning.
Figur 2
På grund av skillnaden mellan transmissionsledningen och antennen överlagras den reflekterade vågen från gränssnittet med den infallande vågen från källan till antennen för att bilda en stående våg, som representerar energikoncentration och -lagring och är en typisk resonansanordning. Ett typiskt stående vågmönster visas med den streckade linjen i figur 2. Om antennsystemet inte är korrekt utformat kan transmissionsledningen i stor utsträckning fungera som ett energilagringselement snarare än som en vågledare och energiöverföringsanordning.
Förlusterna orsakade av transmissionsledningen, antennen och stående vågor är oönskade. Linjeförluster kan minimeras genom att välja transmissionsledningar med låga förluster, medan antennförluster kan minskas genom att minska förlustmotståndet som representeras av RL i figur 2. Stående vågor kan minskas och energilagring i ledningen kan minimeras genom att matcha antennens impedans (belastning) med ledningens karakteristiska impedans.
I trådlösa system krävs antenner vanligtvis, förutom att ta emot eller sända energi, för att förstärka utstrålad energi i vissa riktningar och undertrycka utstrålad energi i andra riktningar. Därför måste antenner, förutom detekteringsenheter, även användas som riktningsenheter. Antenner kan ha olika former för att möta specifika behov. Det kan vara en tråd, en öppning, en patch, en elementenhet (array), en reflektor, en lins, etc.
I trådlösa kommunikationssystem är antenner en av de viktigaste komponenterna. Bra antenndesign kan minska systemkraven och förbättra systemets totala prestanda. Ett klassiskt exempel är tv, där sändningsmottagning kan förbättras genom att använda högpresterande antenner. Antenner är för kommunikationssystem vad ögon är för människor.
2. Antennklassificering
1. Trådantenn
Trådantenner är en av de vanligaste typerna av antenner eftersom de finns nästan överallt - bilar, byggnader, fartyg, flygplan, rymdfarkoster etc. Det finns olika former av trådantenner, såsom raklinjeantenner (dipolantenner), loopantenner och spiralantenner, som visas i figur 3. Loopantenner behöver inte bara vara cirkulära. De kan vara rektangulära, fyrkantiga, ovala eller ha någon annan form. Den cirkulära antennen är den vanligaste på grund av sin enkla struktur.
Figur 3
2. Aperturantenner
Aperturantenner spelar en allt större roll på grund av den ökande efterfrågan på mer komplexa antenner och användningen av högre frekvenser. Vissa former av aperturantenner (pyramidformade, koniska och rektangulära hornantenner) visas i figur 4. Denna typ av antenn är mycket användbar för flygplan och rymdfarkoster eftersom de mycket bekvämt kan monteras på flygplanets eller rymdfarkostens yttre skal. Dessutom kan de täckas med ett lager av dielektriskt material för att skydda dem från tuffa miljöer.
Figur 4
3. Mikrostripantenn
Mikrostripantenner blev mycket populära på 1970-talet, främst för satellittillämpningar. Antennen består av ett dielektriskt substrat och en metallpatch. Metallpatchen kan ha många olika former, och den rektangulära patchantennen som visas i figur 5 är den vanligaste. Mikrostripantenner har låg profil, är lämpliga för plana och icke-plana ytor, är enkla och billiga att tillverka, har hög robusthet vid montering på styva ytor och är kompatibla med MMIC-konstruktioner. De kan monteras på ytan av flygplan, rymdfarkoster, satelliter, missiler, bilar och till och med mobila enheter och kan utformas konformt.
Figur 5
4. Arrayantenn
De strålningsegenskaper som krävs av många tillämpningar kanske inte uppnås av ett enda antennelement. Antennmatriser kan syntetisera strålningen från elementen för att producera maximal strålning i en eller flera specifika riktningar, ett typiskt exempel visas i figur 6.
Figur 6
5. Reflektorantenn
Rymdutforskningens framgångar har också lett till den snabba utvecklingen av antennteorin. På grund av behovet av ultralångdistanskommunikation måste antenner med extremt hög förstärkning användas för att sända och ta emot signaler miljontals kilometer bort. I denna tillämpning är en vanlig antennform den paraboliska antennen som visas i figur 7. Denna typ av antenn har en diameter på 305 meter eller mer, och en sådan stor storlek är nödvändig för att uppnå den höga förstärkning som krävs för att sända eller ta emot signaler miljontals kilometer bort. En annan form av reflektor är en hörnreflektor, som visas i figur 7 (c).
Figur 7
6. Linsantenner
Linser används främst för att kollimera infallande spridd energi för att förhindra att den sprids i oönskade strålningsriktningar. Genom att ändra linsens geometri på lämpligt sätt och välja rätt material kan de omvandla olika former av divergerande energi till plana vågor. De kan användas i de flesta tillämpningar, som paraboliska reflektorantenner, särskilt vid högre frekvenser, och deras storlek och vikt blir mycket stor vid lägre frekvenser. Linsantenner klassificeras efter deras konstruktionsmaterial eller geometriska former, av vilka några visas i figur 8.
Figur 8
För att lära dig mer om antenner, besök:
Publiceringstid: 19 juli 2024

