Känner du till antenneffektiviteten?

En antenn är en elektrisk komponent som behövs för att sända och ta emot elektromagnetisk energi från utrymmet som omger det för att upprätta en trådlös anslutning mellan två eller fler enheter. Olika enheter som använder trådlös kommunikation är till exempel enorma mobiltelefoner, basstationer och trådlösa nätverksanslutningar (WLAN). Därför att det stora utbudet av antennanvändande enheter, flera typer av antenner behövs och är tillgängliga. Antennens prestanda, i allmänhet, kännetecknas av vissa grundläggande termer, till exempel antenn effektivitet och vinst. I den här artikeln är dessa grundläggande antennegenskaper och deras definitioner införs.

Antenner har många olika attribut och vilken typ av antenn som behövs beror på många egenskaper. Ett av huvudattributen är driftsfrekvensen eller frekvenserna. Några maskin-till-maskin (M2M) -antenner fungerar kanske bara på ett ISM-band medan modern mobil telefoner eller bärbara donglar kan ha nästan tio operativa band som alla behöver implementeras i en enhet. Val av driftsfrekvens för vissa antenner bestämmer delvis material som kan användas för att producera antennen. Materialen inkluderar flex, keramik, stålplatta,FR-4, eller något trådmaterial.

Typen av antennelement är ett annat viktigt attribut. För att implementera flera frekvenser band i ett antennelement, plana inverterade F-antenner (PIFA) används vanligtvis, men monopol med parasitiska element är också välkända. Dessa grundläggande antennstrukturer tillsammans med traditionella inverterade F-antenner (IFA), kan också användas i keramiska antenner. Med nyare trådlös teknik, utvidgas valet av driftsfrekvenser och tilldelas frekvens band blir lägre vilket skapar efterfrågan på mer antennområde och volym på enheten vid en tid då konsumenterna vill ha saker mindre, särskilt med handhållna och bärbara enheter. Det är antennen som tar början av storleken för storleksbegränsning. Därför har fysisk storlek tagit på ökad betydelse för antenndesign.

Andra attribut involverar antennprestanda, som utvärderas i termer av resonans bandbredd. Antennen måste naturligtvis täcka alla avsedda frekvensområden med tillräckligt lågt antennmatningsportimpedansmatchning och tillräckligt hög strålningsprestanda. Fastän resonansbandbredd kan initialt verifieras med en nätverksanalysator (impedansmatchning), a mer meningsfull utvärdering görs i en anekoisk kammare med hjälp av en passiv eller aktiv enhet få en noggrann mätning av antenneffektiviteten.

Passiva antennemätningar utförs för passiva enheter under FoU-processen för att ge några riktlinjer för utvecklingen av antennen. Det är mycket användbar information under antennens FoU-process eftersom den leder designarna mot en slutlig antennlösning.En passiv enhet kan vara någon form av en mock-up-modell och krävs inte att den är i drift eftersom tanken i detta är att jämföra olika antennlösningar med varandra. Den sista enheten Prestationsutvärdering måste dock göras med en fullt fungerande aktiv enhet. Detta avslöjar om det finns vissa störningar som orsakats av själva enheten på antennens drift. Några problem måste naturligtvis elimineras. I aktiva mätningar mäter man det totala utstrålade effekt (TRP) och enhetens totala isotropiska känslighet (TIS). Dessa siffror kombinerar antennprestanda med enhetens radiofunktion. TRP-värde indikerar effektnivån som enhetens radio kan leverera via antennen till det omgivande utrymmet. TIS indikerar radioens förmåga att avkänna inkommande signaler med låg effektnivå. Dessa två viktiga parametrar specificeras av mobiloperatörer och deras krav måste uppfyllas tidigare till den designade enheten som släpps ut på marknaden. Genom att se till att antennen fungerar med tillräckligt stor effektivitet genom hela driftsbandet eller band med en aktiv enhet, ser till att antennen och enhetens hela radio är av god kvalitet.  

Vissa ytterligare värden för antennbedömning, såsom SWR-värde (standing wave ratio), isolering mellan antennelement och antennimpedansmatchning till matningslinjen är egenskaper som verifieras med en nätverksanalysator. I vissa fall förstärkning (direktivitet) och antennpolarisering är viktiga attribut. Mätvärden för dessa kan bestämmas i en anekoisk kammare.För multiradioenheter spelar isoleringen mellan antennelement en mycket viktig roll, som isolering mellan antenner bör hållas så högt som möjligt. I moderna 4G-applikationer som kan inkludera flera antenner som arbetar på samma frekvensområden (MIMO), den korrelation mellan antennelement bör minimeras. Antennkorrelation kan vara beräknas med hjälp av data som samlats in från antenneffektivitetsmätningar. Med mobila enheter som har en mänsklig operatör bestäms en specifik absorptionshastighet (SAR) för att mäta hastigheten vid vilken energi tas upp av användarens kropp när den utsätts för ett elektromagnetiskt fält. SAR
mätningar utförs av godkända testlaboratorier utrustade med specialanordningar och kunskap för dessa mycket kontrollerade mätningar. 


Utstrålad effektivitet

Utstrålad effektivitet är ett mått på kraften som strålas ut genom antennen som elektromagnetisk vinka till kraften som matas till antennanslutningarna. Om en antenn skulle kunna göras en helt idealisk elektrisk komponent, den skulle förvandla all ström som matas till dess terminaler till en strålande elektromagnetisk energi som sprids i det omgivande utrymmet. Detta är endast möjligt i teori, och därmed i verkliga livet alltid någon av kraften som matas till antennterminalerna förloras. För exempel, orsakar misslyckandet mellan antennelementet och matningsnätet ström förluster. Även det faktiska antennmaterialet tappar energi bara av sin natur och skapar oavsiktligt värme. Sammantaget leder dessa förluster till situationer där antennen utstrålar effektiviteten i själva verket operationen är alltid under 100% (motsvarar 0 dB). Antennens effektivitet mäts i en anekoisk kammare genom att mata lite energi till antennmatningsdynorna och mäta styrkan av det utstrålade elektromagnetiska fältet i det omgivande rymden. En bra antenn i allmänhet, utstrålar 50 - 60% av den energi som matas till den (-3 till -2.2dB).

Antenneffektivitet är ett användbart och informativt mått på antennens "ekonomiska effektivitet". Med en snabb blick kan antennens kapacitet att använda den ström som matas till anslutningsdynorna utvärderas och mängden effekt som krävs från radiomodulen kan bestämmas i för att uppnå en viss prestationsnivå. Antennens effektivitet beaktar inte strålning riktning och är således en användbar prestandametrik för att mäta mobilens effektivitet enheter, som har ett omni-riktad strålningsmönster. På mobila enheter, ingen specifik strålningsriktning betonas. Å andra sidan, om antennen ska stråla i en specifik riktning (dvs. antennen är utformad för att ha vissa direktivegenskaper i sin strålningsmönster) då antennförstärkning är ett bättre prestandametrisk.

Det är möjligt att en antenn har god effektivitet, men i någon specifik riktning eller riktning strålningsmönster har en noll och därför registreras ingen strålning i den specifika riktningen. 

Få

Gain är ett antennmått som kombinerar antennens effektivitet och dess direktivitet till ett figur. Direktivitet innebär att antennen strålar med större effektivitet till en viss riktning i dess omgivning än till de andra. Antenns absoluta förstärkning definieras som kvoten av strålningsintensiteten i en given riktning till den strålningsintensitet som skulle erhållas om kraften som accepterats av antennen strålades jämnt ut till alla omgivningar (dvs. isotropiskt). Om ingen specifik riktning anges används riktningen för maximal strålning för att bestämma vinst. Direktiviteten ensam är ganska nära detta, men faktiskt beskriver den bara antennens riktningsegenskaper och styrs därför endast av mönstret. Termen ”Antennförstärkning” är faktiskt lite vilseledande, eftersom en antenn är en passiv komponent som gör det
inte har några förstärkande egenskaper.

Antennens strålningsmönster styrs ibland avsiktligt i någon specifik riktning. Dessa så kallade riktningsantenner används vanligtvis i basstationer, men också i vissa andra applikationer som GPS där vissa riktningsegenskaper är önskvärda. Sedan GPS satelliter är på himlen, antennen bör ha den största strålningseffektiviteten mot övre halvklotet. Förstärkning mäts i en anekoisk kammare genom att mata lite kraft till antenn och sedan mäta styrkan hos det utstrålade elektromagnetiska fältet i olika vinklar av det omgivande rymden. Från dessa data bestäms riktningen för maximal strålning. 

Att använda förstärkning som ett mått på prestanda, även för riktningsantenner, har vissa nackdelar. För de flesta mobilterminaler är deras orientering med avseende på den närmaste basstationen tillfällig. Signalen sprider och reflekterar flera gånger från i princip alla objekt på väg från basstationen till mobilterminalen. Från antennsynpunkt betyder detta att signal som anländer till mottagaren kan ganska mycket komma från valfri riktning i det omgivande utrymmet och ingen optimal riktning för mottagning av signalen kan bestämmas i förväg. Således i mobil antenner, antennstrålningsmönstret bör utformas så mycket riktning som möjligt, vilket gör det lika effektivt i alla riktningar. Faktum är att en antenn med ett stort vinstvärde i någon specifik riktning kanske inte får de signaler som kommer från andra riktningar särskilt bra. 

Sammanfattning

Förstärkning är det vanligaste sättet att mäta effektiviteten hos en antenn och därför prestanda för en antenn. Förstärkning mäter dock inte antennens totala effektivitet. Det bestämmer bara effektiviteten för utstrålad utgång i en riktning åt gången. Det berättar ingenting om den effektivitetsnivå som antennen uppnår i alla andra riktningar kring antenn. Det är bra om det är en applikation där hela eller merparten av utgången från antennen behöver för att riktas till en specifik plats och platsen för den sändande antennen är fixerad med med avseende på de mottagande antennerna. Om å andra sidan, som i många andra trådlösa applikationer inklusive användning av mobiltelefoner, måste signalen som släpps ut från antennen vara lika stark i mer än en riktning, då är vinst ett dåligt mått på prestanda. Fastän prestanda kan vara bra när signalen är riktad mot maximal prestanda, det kan vara svagt, obefintligt och / eller försämrat på andra områden. Även om signalen är lika
stark i alla riktningar, ger vinst inte ett mått för att bestämma det.

Eftersom allt fler finns det fler applikationer som kräver en icke-riktad signal, företag använder utstrålad effektivitet som den föredragna testmetoden. Med utstrålad effektivitet kan man bestämma vilken effektivitet och prestanda som är för alla områden som omger antennen. Detta kunskap gör det möjligt för ingenjören att bedöma om antennen uppfyller prestandaparametrarna eller om det är nödvändigt att designa en antenn som ger maximal antennprestanda enhetligt eller till flera riktningar, snarare än bara i en riktning. Antennen borde ha ett så riktigt strålningsmönster som möjligt eftersom sannolikheten för signalens ankomstvinkel är jämnt fördelat över hela utrymmet. 

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC