Новини - Въведение и класификация на някои често срещани антени

1. Въведение в антените
Антената е преходна структура между свободно пространство и предавателна линия, както е показано на Фигура 1. Предавателната линия може да бъде под формата на коаксиална линия или куха тръба (вълновод), която се използва за предаване на електромагнитна енергия от източник към антена или от антена към приемник. Първата е предавателна антена, а втората е приемаща антена.

Фигура 1 Път за предаване на електромагнитна енергия (пространство без източник-предавателна линия-антена)

Предаването на антенната система в режим на предаване от Фигура 1 е представено чрез еквивалента на Тевенин, както е показано на Фигура 2, където източникът е представен от идеален генератор на сигнали, предавателната линия е представена от линия с характеристичен импеданс Zc, а антената е представена от товар ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Съпротивлението на товара RL представлява проводимостта и диелектричните загуби, свързани със структурата на антената, докато Rr представлява радиационното съпротивление на антената, а реактивното съпротивление XA се използва за представяне на имагинерната част от импеданса, свързан с излъчването на антената. При идеални условия цялата енергия, генерирана от източника на сигнал, трябва да се прехвърли към радиационното съпротивление Rr, което се използва за представяне на радиационната способност на антената. В практически приложения обаче има загуби проводник-диелектричен елемент, дължащи се на характеристиките на предавателната линия и антената, както и загуби, причинени от отражение (несъответствие) между предавателната линия и антената. Като се има предвид вътрешният импеданс на източника и се игнорират загубите от предавателната линия и отражението (несъответствието), максималната мощност се осигурява на антената при спрегнато съгласуване.

Фигура 2

Поради несъответствието между предавателната линия и антената, отразената вълна от интерфейса се наслагва с падащата вълна от източника към антената, за да образува стояща вълна, която представлява концентрация и съхранение на енергия и е типично резонансно устройство. Типичен модел на стояща вълна е показан с пунктираната линия на Фигура 2. Ако антенната система не е проектирана правилно, предавателната линия може да действа до голяма степен като елемент за съхранение на енергия, а не като вълновод и устройство за предаване на енергия.
Загубите, причинени от предавателната линия, антената и стоящите вълни, са нежелани. Загубите по линията могат да бъдат сведени до минимум чрез избор на предавателни линии с ниски загуби, докато загубите по антената могат да бъдат намалени чрез намаляване на съпротивлението на загубите, представено от RL на Фигура 2. Стоящите вълни могат да бъдат намалени и съхранението на енергия в линията може да бъде сведено до минимум чрез съгласуване на импеданса на антената (товара) с характерния импеданс на линията.
В безжичните системи, освен приемането или предаването на енергия, обикновено се изискват антени, които да усилват излъчената енергия в определени посоки и да потискат излъчената енергия в други посоки. Следователно, освен като детектори, антените трябва да се използват и като насочващи устройства. Антените могат да бъдат в различни форми, за да отговарят на специфични нужди. Те могат да бъдат проводник, апертура, пластир, елементна сглобка (решетка), рефлектор, леща и др.

В безжичните комуникационни системи антените са едни от най-важните компоненти. Добрият дизайн на антената може да намали системните изисквания и да подобри цялостната производителност на системата. Класически пример е телевизията, където приемането на излъчване може да се подобри чрез използване на високопроизводителни антени. Антените са за комуникационните системи това, което са очите за хората.

2. Класификация на антените
1. Телена антена
Телените антени са едни от най-разпространените видове антени, защото се срещат почти навсякъде - автомобили, сгради, кораби, самолети, космически кораби и др. Съществуват различни форми на телени антени, като например праволинейни (диполни), кръгови, спирални, както е показано на Фигура 3. Круговите антени не е необходимо да бъдат само кръгли. Те могат да бъдат правоъгълни, квадратни, овални или с всяка друга форма. Кръглата антена е най-разпространената поради простата си структура.

Фигура 3

2. Апертурни антени
Апертурните антени играят все по-голяма роля поради нарастващото търсене на по-сложни форми на антени и използването на по-високи честоти. Някои форми на апертурни антени (пирамидални, конични и правоъгълни рупорни антени) са показани на Фигура 4. Този тип антена е много полезна за приложения в самолети и космически кораби, тъй като може удобно да се монтира върху външната обвивка на самолета или космическия кораб. Освен това, те могат да бъдат покрити със слой диелектричен материал, за да се предпазят от тежки условия.

Фигура 4

3. Микролентова антена
Микролентовите антени стават много популярни през 70-те години на миналия век, главно за сателитни приложения. Антената се състои от диелектричен субстрат и метална пластина. Металната пластина може да има много различни форми, а правоъгълната пластина, показана на Фигура 5, е най-разпространената. Микролентовите антени имат нисък профил, подходящи са за равнинни и неравнинни повърхности, прости и евтини са за производство, имат висока здравина при монтаж върху твърди повърхности и са съвместими с MMIC конструкции. Те могат да бъдат монтирани на повърхността на самолети, космически кораби, сателити, ракети, автомобили и дори мобилни устройства и могат да бъдат проектирани конформно.

Фигура 5

4. Антена решетка
Характеристиките на излъчване, изисквани от много приложения, може да не бъдат постигнати от един-единствен антенен елемент. Антенните решетки могат да накарат излъчването от синтезираните елементи да произведе максимално излъчване в една или повече специфични посоки, типичен пример е показан на Фигура 6.

Фигура 6

5. Рефлекторна антена
Успехът на космическите изследвания доведе и до бързото развитие на теорията на антените. Поради необходимостта от комуникация на ултра дълги разстояния, трябва да се използват антени с изключително висок коефициент на усилване, за да се предават и приемат сигнали на милиони мили разстояние. В това приложение, често срещана форма на антена е параболичната антена, показана на Фигура 7. Този тип антена има диаметър от 305 метра или повече и такъв голям размер е необходим за постигане на високия коефициент на усилване, необходим за предаване или приемане на сигнали на милиони мили разстояние. Друга форма на рефлектор е ъгловият рефлектор, както е показано на Фигура 7 (в).

Фигура 7

6. Антени тип „леща“
Лещите се използват предимно за колимиране на падащата разсеяна енергия, за да се предотврати разпространението ѝ в нежелани посоки на излъчване. Чрез подходяща промяна на геометрията на лещата и избор на правилния материал, те могат да преобразуват различни форми на разминаваща се енергия в равнинни вълни. Те могат да се използват в повечето приложения, като параболични рефлекторни антени, особено при по-високи честоти, а размерът и теглото им стават много големи при по-ниски честоти. Лещовите антени се класифицират според материалите, от които са изработени, или геометричните форми, някои от които са показани на Фигура 8.