Agregar favorito Set Homepage
posición:casa >> noticia

produtos Categoría

produtos Etiquetas

sitios Fmuser

Que é unha antena?

Date:2019/12/12 9:16:37 Hits:

As antenas foron moi utilizadas desde principios do século pasado. Desde entón, este campo foi sometido a unha extensa investigación, resultando nun amplo conxunto de coñecementos teóricos e experimentais xunto con numerosos deseños e aplicacións.

A antena máis antiga foi introducida a finais do século XIX polo físico alemán Heinrich Hertz. O traballo de Hertz foi seguido dunha gran investigación teórica sobre o tema a principios e mediados do século XX. Esta investigación proseguiu co desenvolvemento de ferramentas de deseño asistido por computadora (CAD) durante os anos 19-20, posibilitado polo desenvolvemento dunha tecnoloxía informática potente pero accesible.

As aplicacións da antena son vastas e diversas. Estes inclúen: transmisión de radio e televisión, RADAR, comunicación sen fíos por ordenador, dispositivos compatibles con Bluetooth, comunicación persoal militar, comunicación vía satélite, teléfonos móbiles, etiquetas RFID e moito máis.

Este artigo pretende cubrir os conceptos básicos detrás do funcionamento e rendemento das antenas. Os obxectivos principais do traballo son informar ao lector sobre ambos, os mecanismos físicos que rexen o funcionamento da antena e os distintos parámetros que inclúen as especificacións da antena. A adecuada valoración destes conceptos asegurará unha elección adecuada e informada dos produtos para todas as posibles aplicacións.

O artigo comeza cunha pequena introdución física ao tema seguida dunha revisión máis completa e detallada dos distintos parámetros da antena.

O tratamento rigoroso deste tema require unha ampla formación matemática e está fóra do alcance deste traballo. Ao escribir este traballo, evitouse a complexidade matemática a favor dun enfoque máis directo. En xeral, as cousas mantivéronse o máis sinxelas posibles ao tempo que non se aseguraba ningunha perda de validez.

Este artigo aborda todo o público profesional relacionado con este campo, incluído persoal de mercadotecnia, enxeñeiros de sistemas, xestores, deseñadores e todos os usuarios potenciais. O traballo compúxose de tal xeito que non se require formación profesional especial nin coñecementos pasados ​​da materia.

Tanto o meu desexo como a miña intención son que este documento sexa o máis amplo e informativo posible. Desexo unha boa lectura que espero que lle proporcione algunha visión deste fascinante tema.


INTRODUCIÓN FÍSICA


Unha antena é un dispositivo eléctrico designado para irradiar ou capturar ondas electromagnéticas (EM). Para apreciar adecuadamente esta definición e o funcionamento físico das antenas no seu conxunto, teremos que familiarizar ao lector con algúns conceptos electromagnéticos básicos.
As leis físicas que rexen todos os fenómenos electromagnéticos clásicos son as ecuacións de Maxwell. Introducido por primeira vez polo científico escocés James Clark Maxwell, no seu famoso artigo: "Unha teoría dinámica do campo electromagnético", en 1864. Estas catro ecuacións ofrécennos unha descrición matemática case completa da forma en que se xeran e alteran os campos eléctricos e magnéticos. uns polos outros, así como por cargas e correntes.

Os campos eléctrico e magnético represéntanse como vectores, tendo magnitude (forza) e orientación (dirección). Os campos varían en magnitude e orientación dependendo tanto da localización como do tempo no que se miden.

As ecuacións de Maxwell implican que as fontes de todos os campos EM son cargas e correntes eléctricas. Como se pode esperar, diferentes distribucións de carga ou actuais dan lugar a diferentes campos EM.

Un caso particular de interese é o dunha carga eléctrica en aceleración. A aceleración dunha carga eléctrica produce un campo EM que se propaga de forma ondulada, denominada Onda EM. As ondas EM propaganse á velocidade da luz e en dirección exterior con respecto á súa orixe. O proceso mencionado anteriormente denomínase radiación EM.

Polo tanto, está claro que, para producir radiación EM, debemos introducir un dispositivo capaz de manter unha corrente eléctrica alterna. Este dispositivo coñécese como antena.


A. O modo de transmisión e o modo de recepción

Por definición, unha antena pode usarse nun dos dous modos de operación. Coñécense como o modo de transmisión e o modo de recepción (modo Tx e modo Rx). Cando se opera no modo de transmisión, un sinal de RF oscilante incide nos terminais de entrada da antena. Este sinal convértese nunha corrente eléctrica alterna, que á súa vez irradia en onda EM. Esta onda EM pode ser capturada por outras antenas. No modo de recepción, unha onda EM incidente na antena induce unha corrente eléctrica nos seus terminais de entrada que logo pode converterse de novo nun sinal de RF. O funcionamento do dispositivo nestes dous modos é completamente equivalente. Esta propiedade coñécese como reciprocidade.

Os deseños de antenas son amplos e diversos, dependendo da aplicación desexada. Polo tanto, está claro que debemos establecer medios para a descrición cuantitativa do rendemento das antenas. Isto, por suposto, require a definición de cantidades matemáticas claras (parámetros de antena) dedicadas a ese propósito. Estes serán introducidos e discutidos a continuación.


B. Rexións de campo

Os campos EM xerados por unha antena amosan diferentes características dependendo da distancia desde a antena á que se miden. É habitual dividir o espazo que rodea a antena en tres zonas, nas que os campos EM posúen diferentes propiedades distinguibles.

Nas inmediacións da antena, os campos son puramente reactivos. Isto indica que a enerxía EM está completamente almacenada. Esta rexión denomínase campo reactivo reactivo. Matematicamente falando, os campos eléctrico e magnético están desfasados, semellante á tensión e a corrente nos elementos reactivos nun circuíto de corrente alterna (como un condensador ou un indutor).

A medida que aumenta a distancia da antena, os campos EM vólvense menos reactivos, é dicir, unha parte da enerxía EM convértese en radiación. Esta rexión denomínase campo próximo radiante.

Suficientemente lonxe da antena, os campos reactivos fanse insignificantes e os campos radiantes dominan. Esta rexión coñécese como o campo afastado. Ademais, os campos eléctricos e magnéticos desta rexión son perpendiculares, en fase e a relación entre as súas magnitudes faise constante (ondas planas localmente).

Os campos irradiados varían en magnitude, dependendo tanto da dirección de observación como da distancia da antena. Non obstante, o patrón xeral dos campos segue sendo o mesmo no campo afastado, independentemente da distancia da antena.

Isto non implica que os campos sexan independentes da distancia da antena, senón que decaen uniformemente en todas as direccións. Dun xeito máis preciso, a magnitude dos campos irradiados decae proporcionalmente a un sobre a distancia da antena, no campo afastado.

Tanto o tamaño da antena como a lonxitude de onda son necesarios para determinar numéricamente o límite entre as distintas rexións. Estes son indicados a continuación e ilustrados na figura 1.

Onde r é a distancia da antena, D é a dimensión máxima da antena e λ é a lonxitude de onda.




A. Intensidade de radiación

En primeiro lugar, presentaremos unha importante figura de mérito que describe as propiedades de radiación das antenas e da que se derivan outros parámetros da antena: a intensidade de radiación.

A onda EM irradiada pola antena leva enerxía EM. A potencia irradiada varía en magnitude, dependendo tanto da dirección de observación como da distancia da antena. Como se mencionou anteriormente, o patrón xeral da potencia EM mantense no campo afastado, independentemente da distancia da antena. Polo tanto, podemos introducir unha densidade de potencia EM normalizada que será independente da distancia da antena no campo afastado. Isto coñécese como intensidade de radiación.

A intensidade de radiación é unha descrición matemática da distribución angular de potencia irradiada no campo afastado (para unha polarización dada). Ou en termos máis sinxelos: cantidade de enerxía radia a antena nunha determinada dirección no campo afastado (usando unha normalización axeitada con respecto á distancia da antena).

Para describir matemáticamente a intensidade da radiación, temos que definir un xeito de representar direccións. Asociaremos dous ángulos con cada dirección que o definen de xeito único: un ángulo de azimut denominado por φ e un ángulo de elevación por θ. O ángulo de elevación úsase para describir a inclinación da antena en relación ao horizonte mentres que o ángulo de acimut úsase para describir a travesía da antena nun estado de inclinación cero. Na ilustración 2 móstrase unha ilustración gráfica destes ángulos.


B. Patróns de radiación

Como se mencionou, a intensidade da radiación é unha función de dúas variables: o acimut e os ángulos de elevación. É suficiente en moitos casos prácticos considerar só dous cortes 2D deste gráfico 3D para describir correctamente as propiedades da radiación da antena. Os dous cortes realízanse ao longo de dous planos perpendiculares, chamados avións principais, como se demostra na figura 4.O procedemento de corte déixanos dous gráficos 2D do patrón de radiación da antena. estas gráficas denotanse por:



Nun dos planos principais, o azimutángulo é fixo e o ángulo elevado varía. Isto denomínase plano elevador. No outro plano, o ángulo elevado é fixo e o azimutángulo varía. Isto chámase azimutplano.O procedemento de corte resulta nunha redución significativa do tempo de medición da antena, xa que só se precisan medir dous cortes 2D en lugar de moitos.Na figura 5. preséntase unha antena direccional típica RP. Como se pode observar, o patrón de radiación está composto por lóbulos. Estes lóbulos clasifícanse do seguinte xeito:O lóbulo que contén a dirección da máxima radiación chámase lóbulo maior ou feixe principal. O resto de lóbulos denomínanse lóbulos menores.O feixe principal representa a miúdo o sector angular onde está destinada a maioría da potencia irradiada. Polo tanto, os lóbulos menores representan radiación en direccións non desexadas e deben manterse o máis baixo posible.Tamén se clasifican os lóbulos menores. O lóbulo menor máis alto denomínase lóbulo lateral. O lóbulo lateral adoita ser adxacente ao lóbulo principal, como se ilustra na figura 5. O lóbulo menor que contén a dirección oposta á do feixe principal denomínase lóbulo traseiro.O RP adóitase representar en escala logarítmica (decibelios). Isto faise para afinar as características máis sutís do gráfico.




C. Ancho do feixe

Outro parámetro importante usado para describir o ancho angular do feixe principal é a antena Beam Width. A extensión deste sector angular determina a rexión de cobertura da antena. O ancho do feixe pódese definir de varias formas: Half Power Beam Width (HPBW) defínese como a diferenza angular entre os puntos onde a intensidade da radiación alcanza a metade do seu valor máximo (diferenza de 3 dB en decibelios). Primeiro ancho do feixe nulo (FNBW) defínese como a diferenza angular entre os dous nulos que rodean o feixe principal.

D. Nivel do lóbulo lateral

O nivel do lóbulo lateral (SLL) é un parámetro usado para describir o nivel de supresión do lóbulo lateral. Como se mencionou anteriormente, a miúdo non se desexan lóbulos laterais altos, xa que representan radiación fóra do sector do feixe principal. O nivel do lóbulo lateral defínese como a diferenza en decibelios entre o valor máximo do feixe principal e o valor máximo do lóbulo lateral.


 E. Relación fronte a atrás

A relación fronte a atrás (F / B Ratio) é un parámetro designado para describir a extensión da radiación cara atrás. É dicir, a radiación na dirección oposta á do feixe principal. A relación F / B defínese como a diferenza en decibelios entre o valor do patrón de radiación na dirección da radiación máxima (dirección frontal) e o valor do patrón de radiación na dirección oposta (dirección traseira).


F. Tipos de patróns de radiación

Os patróns de radiación pódense clasificar en tres categorías principais:
 1. Patrón de radiación direccional: un patrón que contén un feixe principal claro en planos de acimut e elevación.
2. Patrón de radiación isotrópica: patrón constante en planos de acimut e elevación.
3. Patrón de radiación direccional de Omni: un patrón que contén un feixe principal claro nun só plano e un patrón constante no outro.
 O significado físico dunha antena isotrópica é que a antena irradia igualmente en todas as direccións. Este tipo de antena non se pode realizar físicamente, pero é unha antena de referencia matemática conveniente.

G. Directividade


A directividade dunha antena defínese como a relación entre a intensidade de radiación e a potencia total irradiada pola antena, dividida por 4 pi.

Dun xeito máis perspicaz físico, pódese definir alternativamente como: A relación entre a intensidade de radiación da antena e a intensidade de radiación, supoñendo que estendemos isotropicamente toda a potencia irradiada. Nas direccións nas que a directividade ten un valor baixo, a potencia irradiada representa unha pequena porción da potencia total irradiada. Do mesmo xeito, nas direccións nas que a directividade é moi valorada, a potencia irradiada representa unha porción significativa da potencia total irradiada.

A idea xeral detrás desta definición particular é comparar a antena cunha fonte hipotética que irradia enerxía por igual en todas as direccións (fonte isotrópica). Despois segue que a directividade dun isótropo é igual a unidade.

Como se indicou anteriormente, a directividade é proporcional á intensidade da radiación e, como a última, é unha función tanto do acimut como dos ángulos de elevación. Se non se indica a dirección, debe entenderse que está implicada a dirección da máxima radiación.

A directividade adoita medirse en escala logarítmica (decibelios isotrópicos dBi). Na gráfica figura un gráfico de directividade dunha antena direccional. O gráfico corresponde a un dos planos principais da antena. A directividade dunha fonte isotrópica equivalente tamén se traza para comparación.




H. Eficiencia

En realidade, non toda a potencia EM entregada á antena convértese en radiación, é dicir


 
Hai varios mecanismos de perda inherentes responsables da disipación do poder incidente. Inclúen: perdas dieléctricas, perdas por condución e perdas por reflexión.
As perdas de condutores e as dieléctricas prodúcense debido á condutividade finita dos condutores e dieléctricos da antena. Isto significa que un pouco de enerxía sempre se disipa como calor neses materiais. As perdas de reflexión son causadas por un desaxuste de impedancia entre a antena e a súa liña de transmisión de condución. Isto discutirase máis adiante con máis detalle.A eficiencia da antena defínese como a relación, en porcentaxe, entre a potencia irradiada e a potencia incidente:


 

Está claro que a potencia radiada debe ser menor que a potencia incidente, xa que parte da posterior sempre se disipa ou reflicte. Polo tanto, a eficiencia será inferior ao 100%. Unha antena eficiente irradiará a maior parte da potencia incidente sobre ela, polo que a súa eficiencia achegarase ao 100% (pequenas disipacións e reflexións). A eficiencia da antena pódese representar ademais como unha multiplicación de tres subeficiencias, cada unha delas con diferentes mecanismos de perda. Isto indícase a continuación e móstrase na figura 7.


I. Ganancia

A directividade da antena non nos proporciona ningunha información sobre a eficiencia da antena, senón só sobre as propiedades directivas do seu patrón de radiación. Esta é a razón principal para introducir un novo concepto chamado Gain Gain. A ganancia da antena defínese como:

Como se pode observar, a definición é semellante á de directividade, pero considerando a potencia irradiada considérase a potencia de entrada. A ganancia da antena ten en conta a eficiencia da antena, xa que é unha medida da cantidade de potencia que irradia a antena nunha determinada dirección, en relación á cantidade de enerxía que se incidiu na antena.A directividade e a ganancia da antena relaciónanse a través de :

Para apreciar plenamente o significado deste concepto, pode ser útil pensar na antena como un sistema de entrada / saída (E / S). No sistema comentado, a entrada está representada pola potencia de entrada da antena e a saída está representada pola potencia irradiada nunha determinada dirección (que está dispoñible para a recepción doutras antenas). A saída do sistema non é outra cousa que a súa entrada multiplicada por algún número constante. Este número constante é proporcional á ganancia da antena. Nese sentido, o termo ganancia encaixa coa terminoloxía empregada para amplificadores ou atenuantes.


J. Impedancia de entrada e VSWR

Outro parámetro eminente que describe as antenas é a súa impedancia de entrada, é dicir, a relación entre a tensión e a corrente nos seus terminais. A enerxía EM entrégase a unha antena a través dunha liña de transmisión ou unha guía de ondas: dispositivos utilizados para guiar as ondas EM desde o transmisor ata a antena. Neste proceso as ondas EM pódense atenuar ou reflectir. Para evitar reflexos das ondas EM de volta ao transmisor, a impedancia de entrada da antena debería coincidir coa da liña de transmisión de condución (normalmente 50 ohmios).

Non obstante, a impedancia de entrada da antena varía coa frecuencia e non podería ser igual á da liña de transmisión en todos os puntos de frecuencia. Isto indica que algunhas reflexións son inevitables. A relación de onda estacionaria de tensión (VSWR) é unha medida da cantidade de potencia reflectida. Un VSWR de baixo valor indica que a maior parte da enerxía incidente se entrega á antena e case se evitan os reflexos.


K. Polarización

A polarización dunha antena defínese como a polarización da onda EM que irradia no campo afastado. A onda EM irradiada pola antena é unha mestura de campos eléctricos e magnéticos. Se tivésemos que rastrexar a curva trazada pola punta do vector do campo eléctrico, nalgunha situación fixa do espazo, obteríamos, a medida que o tempo varía, unha curva denominada elipse de polarización. Teña en conta que para cada situación fixa obteriamos curvas diferentes, é dicir: a polarización da antena depende da dirección de observación. A curva chámase elipse de polarización, xa que forma unha elipse para unha antena polarizada arbitrariamente.

A polarización pode clasificarse como lineal, circular ou elíptica dependendo das propiedades da elipse de polarización. Se a elipse ten o mesmo eixe menor e maior transfórmase nun círculo. Nese caso dicimos que a antena está polarizada circularmente. Se a elipse non ten un eixe menor transfórmase en recta, nese caso dicimos que a antena está polarizada linealmente. Os distintos tipos de polarización demóstranse gráficamente na figura 8.

Cada polarización ten un sentido. Para unha antena linealmente polarizada defínese polo ángulo de inclinación da elipse de polarización, denotado por τ. As polarizacións lineais clasifícanse por ese sentido (90º vertical, 0º horizontal, ± 45º inclinado). Para as antenas circularmente polarizadas, o sentido vén dado pola natureza do movemento da punta do vector do campo eléctrico: no sentido horario ou antihorario (RHCP para o sentido horario, LHCP para o sentido contrario). Na figura 10 figura unha ilustración.




L. Polarización cruzada e copolarización

Como se mencionou anteriormente, as diferentes polarizacións forman moitos pares ortogonais.A copolarización defínese como a polarización que debía irradiar a antena, mentres que a polarización cruzada defínese como o seu par ortogonal. Unha antena puramente polarizada terá baixa radiación polarizada. Unha medida do puramente polarizada que é unha antena é o nivel de polarización cruzada. Defínese como a diferenza en decibelios entre a intensidade máxima de radiación das polarizacións co e cruzadas respectivamente.As antenas deben funcionar en polarizacións similares para garantir un rendemento óptimo.As antenas que operan en polarizacións ortogonais non funcionarán en absoluto debido a importantes perdas de polarización.

M. Relación axial

Este parámetro úsase principalmente para describir a natureza de polarización das antenas circularmente polarizadas. A proporción axial (AR) defínese como a relación entre o eixe menor e maior da elipse de polarización. Lembre que se a elipse ten un eixe menor e maior igual, transfórmase nun círculo e dicimos que a antena está polarizada circularmente. Nese caso a relación axial é igual a unidade (ou 0 dB). A proporción axial dunha antena linealmente polarizada é infinitamente grande xa que un dos eixes da elipse é igual a cero. Para unha antena circularmente polarizada, canto máis preto está a relación axial de 0 dB, mellor.

N. Polarización Diversidade e illamento


Algunhas antenas poden ofrecer diversidade de polarización, é dicir, están designadas para operar en diferentes polarizacións. Estas antenas posúen varios portos, cada un permite a transmisión de polarización de onda diferente. Os distintos portos adoitan estar destinados a funcionar de forma independente. Polo tanto, está claro que precisamos unha medida que describa canto están illados estes portos. O illamento entre os dous portos defínese como a relación entre a potencia incidida nun porto e a potencia entregada a outro porto, cando é terminada por unha carga igualada. Un bo illamento prometerá a transmisión sen correlación de sinais eléctricos en ambos os portos.


O. Manexo de enerxía

Isto defínese como a potencia máxima de entrada que pode soportar a antena mentres funciona correctamente.

Deixar unha mensaxe 

nome *
email *
teléfono
dirección
código Ver o código de verificación? Prema refrescar!
mensaxe
 

Lista de mensaxes

Comentarios Loading ...
casa| Sobre nós| produtos| noticia| descargar| apoio| Suxestións| Contacto| servizo

Contacto: Zoey Zhang Web: www.fmuser.net

Whatsapp / Wechat: + 86 183 1924 4009

Skype: tomleequan Correo electrónico: [protexido por correo electrónico] 

Facebook: FMUSERBROADCAST Youtube: FMUSER ZOEY

Enderezo en inglés: Room305, HuiLanGe, No.273 HuangPu Road West, TianHe District., GuangZhou, China, 510620 Enderezo en chinés: 广州市天河区黄埔大道西273号惠兿305号惠兰(E)3