Vad är en antenn？

Antenner har använts i stor utsträckning sedan förra sekelskiftet. Ända sedan dess har detta område genomgått omfattande forskning, vilket resulterat i en stor mängd experimentell och teoretisk kunskap tillsammans med många konstruktioner och tillämpningar.

Den tidigaste antennen infördes i slutet av 19th århundradet av den tyska fysikern Heinrich Hertz. Hertzs ​​arbete följdes av en stor teoretisk undersökning av ämnet under det tidiga till mitten av 20th århundradet. Undersökningen fortsatte med utvecklingen av CAD-verktyg (Computer Aided Design) under 1970s-2000, möjliggjort genom utvecklingen av kraftfull men ändå överkomlig datorteknologi.

Antennstillämpningar är stora och mångsidiga. Dessa inkluderar: TV- och radiosändningar, RADAR, trådlös datakommunikation, Bluetooth-aktiverade enheter, militär personlig kommunikation, satellitkommunikation, mobiltelefoner, RFID-taggar och mycket mer.

Detta papper avser att täcka de grundläggande koncepten bakom antennens drift och prestanda. Uppsatsens huvudsakliga mål är att informera läsaren om båda, de fysiska mekanismerna för antennens drift och de olika parametrarna som innehåller antennspecifikationer. Korrekt uppskattning av dessa koncept kommer att säkerställa ett lämpligt och informerat val av produkter för alla potentiella applikationer.

Uppsatsen börjar med en kort fysisk introduktion till ämnet följt av en mer omfattande och detaljerad genomgång av de olika antennparametrarna.

Den stränga behandlingen av detta ämne kräver en omfattande matematisk bakgrund och ligger utanför detta uppsats. När man skrev detta papper undviks matematisk komplexitet till förmån för en mer rak framväg. Generellt sett hölls saker så enkla som möjligt medan de inte garanterade någon förlust av giltighet.

Detta dokument riktar sig till alla professionella målgrupper relaterade till detta område, inklusive marknadsföringspersonal, systemingenjörer, chefer, designers och alla potentiella användare. Uppsatsen var sammansatt så att ingen speciell professionell utbildning eller tidigare kunskaper om ämnet krävs.

Det är både min önskan och avsikt att detta dokument kommer att vara så omfattande och informativt som möjligt. Jag önskar er en trevlig läsning som förhoppningsvis ger dig lite inblick i detta fascinerande ämne.

FYSISK INLEDNING

En antenn är en elektrisk enhet avsedd att stråla eller fånga elektromagnetiska vågor. För att kunna uppskatta denna definition och den fysiska driften av antenner som helhet måste vi lära känna några grundläggande elektromagnetiska begrepp.
De fysiska lagarna som reglerar alla klassiska elektromagnetiska fenomen är Maxwells ekvationer. Först introducerades av den skotska forskaren James Clark Maxwell i sin berömda artikel: "En dynamisk teori för det elektromagnetiska fältet", i 1864. Dessa fyra ekvationer ger oss en nästan fullständig matematisk beskrivning av hur elektriska och magnetiska fält genereras och förändras av varandra, liksom av laddningar och strömmar.

De elektriska och magnetiska fälten representeras som vektorer, som har både storlek (styrka) och orientering (riktning). Fälten varierar i storlek och orientering beroende på både plats och tid, vid vilken de mäts.

Maxwells ekvationer innebär att källorna för alla EM-fält är elektriska laddningar och strömmar. Som man kan förvänta sig ger olika laddnings- eller strömfördelningar olika EM-fält.

Ett särskilt intressant fall är en accelererande elektrisk laddning. Accelerationen av en elektrisk laddning producerar ett EM-fält som fortplantas på ett vågliknande sätt, kallat en EM-våg. EM-vågor sprider sig med ljusets hastighet och utåt med avseende på deras ursprung. Processen som nämns ovan kallas EM-strålning.

Det är därför tydligt att för att producera EM-strålning måste vi införa en anordning som kan hålla en växelström. Den här enheten är känd som en antenn.

A. Sändningsläge och mottagningsläge

Per definition kan en antenn användas i ett av två driftslägen. Dessa är kända som överföringsläge och mottagningsläge (Tx-läge och Rx-läge). När man arbetar i överföringsläget inträffar en oscillerande RF-signal på antenningångarna. Denna signal omvandlas sedan till en växelström, som i sin tur strålar ut en EM-våg. Denna EM-våg kan sedan fångas upp av andra antenner. I mottagningsläget inducerar en EM-våg som inträffar på antennen en elektrisk ström på sina ingångsterminaler som sedan kan omvandlas tillbaka till en RF-signal. Enhetsdrift i dessa två lägen är helt likvärdigt. Den här egenskapen kallas ömsesidighet.

Antennedesignerna är stora och olika, beroende på önskad applikation. Det är därför tydligt att vi måste skapa medel för den kvantitativa beskrivningen av antennernas prestanda. Detta kräver naturligtvis definitionen av tydliga matematiska storheter (antennparametrar) som är avsedda för detta ändamål. Dessa kommer att introduceras och diskuteras nästa.


B. Fältregioner

EM-fälten som genereras av en antenn visar olika egenskaper beroende på avståndet från antennen där de mäts. Det är vanligt att dela utrymmet som omger antennen i tre zoner, där EM-fälten har olika urskiljbara egenskaper.

I närheten av antennen är fälten rent reaktiva. Detta indikerar att EM-energin är helt lagrad. Denna region kallas det reaktiva närområdet. Matematiskt sett är de elektriska och magnetiska fälten ur fas, liknande spänningen och strömmen på reaktiva klumpade element i en växelströmkrets (t.ex. en kondensator eller en induktor).

När avståndet från antennen ökar blir EM-fälten mindre reaktiva, dvs en del av EM-energin omvandlas till strålning. Denna region kallas strålningsnära fält.

Tillräckligt långt från antennen blir de reaktiva fälten försumbara och de utstrålande fälten dominerar. Denna region är känd som Far-Field. Vidare är de elektriska och magnetiska fälten i detta område vinkelrätt, i fas, och förhållandet mellan deras magnitud blir konstant (lokalt plan vågor).

De utstrålade fälten varierar i storlek beroende på både observationsriktningen och avståndet från antennen. Ändå förblir fältenas allmänna mönster detsamma i fjärrfältet, oavsett avståndet från antennen.

Detta innebär inte att fälten är oberoende av avståndet från antennen, utan att de förfaller jämnt i alla riktningar. På ett mer exakt sätt sönderfaller storleken på de utstrålade fälten proportionellt med en över avståndet från antennen, i fjärrfältet.

Både antennstorleken och våglängden krävs för att numeriskt bestämma gränsen mellan de olika regionerna. Dessa anges nedan och illustreras i figur 1.

Där r är avståndet från antennen är D den maximala antenndimensionen och λ är våglängden.

A. Strålningsintensitet

Först kommer vi att introducera en viktig förtjänst som beskriver antennens strålningsegenskaper och från vilka andra antennparametrar härleds - strålningsintensiteten.

EM-vågen som utstrålas av antennen bär EM-effekt. Den utstrålade effekten varierar i storlek, beroende på både observationsriktningen och avståndet från antennen. Som nämnts tidigare bibehålls EM-krafts allmänna mönster i fjärran, oavsett avståndet från antennen. Därför kan vi införa en normaliserad EM-effektdensitet som kommer att vara oberoende av avståndet från antennen i fjärrfältet. Detta kallas strålningsintensiteten.

Strålningsintensiteten är en matematisk beskrivning av den vinkelstrålade effektfördelningen i fjärrfältet (för en viss polarisering). Eller i enklare termer - hur mycket ström som utstrålas av antennen i en viss riktning i fjärrfältet (med korrekt normalisering med avseende på avståndet från antennen).

För att matematiskt beskriva strålningsintensiteten måste vi definiera ett sätt att representera riktningar. Vi kommer att associera två vinklar med varje riktning som unikt definierar den - en azimutvinkel betecknad med φ, och en höjdvinkel betecknad med θ. Höjningsvinkeln används för att beskriva antennens lutning relativt horisonten medan azimutvinkeln används för att beskriva antennens korsning i ett lutningstillstånd noll. En grafisk illustration av dessa vinklar visas i figur 2.

B. Strålningsmönster

Som nämnts är strålningsintensiteten en funktion av två variabler: azimut- och höjdvinklar.Det är i många praktiska fall tillräckligt för att överväga endast två 2D-nedskärningar i denna 3D-graf för att korrekt beskriva antennstrålningsegenskaperna. De två skärningarna är gjorda längs två vinkelräta plan, kallade de huvudsakliga planen, såsom visas i figur 4.Skärproceduren lämnar oss med två 2D-diagram över antennstrålningsmönstret. dessa grafer betecknas med:

I ett av de huvudsakliga planen är azimuthangeln fixad och höjdvinkeln varierar. Detta kallas höjdplanet. I det andra planet är höjdstången fixerad och azimutvinklingen varierar. Detta kallas azimutplanet.Skärproceduren resulterar i en avsevärd minskning av antennmätningstiden eftersom endast två 2D-skärning behövs för att mätas istället för många.En typisk riktningsantenn RP presenteras i figur 5. Som man kan se består strålningsmönstret av lobar. Dessa lober klassificeras enligt följande:Loben som innehåller riktningen för maximal strålning kallas majorloben eller huvudstrålen. Alla andra lober kallas Minor Lobes.Huvudstrålen representerar ofta vinkelsektorn där huvuddelen av den utstrålade kraften är avsedd att lägga. De mindre loberna representerar därför strålning i oönskade riktningar och bör hållas så låga som möjligt.De mindre loberna klassificeras också. Den högsta mindre loben kallas Sidloben. Sidloben ligger ofta intill huvudloben, såsom illustreras i figur 5. Den lilla loben som innehåller motsatt riktning från huvudstrålens referens kallas Back Lobe.RP ritas vanligtvis i logaritmisk skala (decibel). Detta görs för att skärpa grafens mer subtila egenskaper.

C. Strålebredd

En annan viktig parameter som används för att beskriva helljusstrålens vinkelbredd är antennstrålbredden. Omfånget av denna vinklade sektor avgör antenns täckningsregion. Strålbredden kan definieras på flera sätt: Half Power Beam Width (HPBW) definieras som vinkelskillnaden mellan punkterna där strålningsintensiteten når hälften av dess maximala värde (3 dB skillnad i decibel). Första nollbalkbredden (FNBW) definieras som vinkelskillnaden mellan de två nollorna som omsluter huvudstrålen.

D. Sidlobbnivå

Sidolobbenivån (SLL) är en parameter som används för att beskriva nivån för undertryck av sidloben. Som tidigare nämnts önskas ofta inte hög sidolobb, eftersom de representerar strålning utanför huvudstrålssektorn. Sidolobbenivån definieras som skillnaden i decibel mellan huvudstrålens toppvärde och sidobackens toppvärde.


 E. Front-to-Back Ratio

Front / Back Ratio (F / B Ratio) är en parameter avsedd att beskriva omfattningen av bakåtstrålning. Det vill säga strålningen i motsatt riktning från strålens strålning. F / B-förhållandet definieras som skillnaden i decibel mellan värdet på strålningsmönstret i riktning för maximal strålning (främre riktning) och värdet på strålningsmönstret i motsatt riktning (bakre riktning).


F. Strålningsmönster

Strålningsmönster kan klassificeras i tre huvudkategorier:
 1.Riktningsstrålningsmönster: Ett mönster som innehåller en klar huvudstråle i både azimut- och höjdplan.
2.Isotropiskt strålningsmönster: Konstant mönster i både azimut- och höjdplan.
3.Omni Directional Strålningsmönster: Ett mönster som innehåller en klar huvudstråle på endast ett plan och ett konstant mönster i det andra.
 Den fysiska betydelsen av en isotropisk antenn är att antennen strålar lika i alla riktningar. Denna typ av antenn kan inte realiseras fysiskt utan är en bekväm matematisk referensantenn.

G. Direktivitet

En antenns direktivitet definieras som förhållandet mellan strålningsintensiteten och den totala strålningseffekten av antennen, dividerat med 4 pi.

På ett mer fysiskt insiktsfullt sätt kan det alternativt definieras som: Förhållandet mellan antennens strålningsintensitet och strålningsintensiteten, förutsatt att vi sprider all strålningseffekten isotropiskt. I riktningar där direktiviteten är lågvärderad representerar den utstrålade kraften en liten del av den totala utstrålade effekten. På liknande sätt representerar den utstrålade kraften i riktningar där direktiviteten är hög värderad en betydande del av den totala utstrålade effekten.

Den allmänna tanken bakom denna specifika definition är att jämföra antennen med en hypotetisk källa som strålar lika i alla riktningar (isotropisk källa). Därefter följer att en isotropisk direktivitet är lika med enhet.

Som nämnts ovan är direktiviteten proportionell mot strålningsintensiteten, och eftersom den senare är en funktion av både azimut- och höjdvinklarna. Om riktningen inte anges ska det förstås att riktningen för maximal strålning antyds.

Direktiviteten mäts ofta i logaritmisk skala (dBi isotropa decibel). En riktningsantenns direktivitetsgraf ges i figur 6. Grafen motsvarar ett av antennens huvudplan. En ekvivalent isotropisk källas direktivitet planeras också för jämförelse.

H. Effektivitet

I verkligheten konverteras inte all EM-ström som levereras till antennen till strålning, dvs.

 
Det finns flera inneboende förlustmekanismer som är ansvariga för spridning av händelsekraften. Dessa inkluderar: dielektriska förluster, ledningsförluster och reflektionsförluster.
Ledarförluster och dielektriska förluster orsakas på grund av den begränsade konduktiviteten hos antennens ledare och dielektrik. Detta betyder att viss kraft alltid sprids som värme på dessa material. Reflektionsförluster orsakas på grund av en impedansmatchning mellan antennen och dess drivande transmissionsledning. Detta kommer att diskuteras mer i detalj.Antennens effektivitet definieras som förhållandet, i procent, mellan den utstrålade effekten och den infallande effekten:

 

Det är uppenbart att den utstrålade kraften måste vara mindre än den infallande kraften, eftersom en del av det senare alltid sprids eller reflekteras. Därför kommer effektiviteten att vara mindre än 100%. En effektiv antenn kommer att utstråla huvuddelen av den infallande effekten på den, så dess effektivitet kommer att närma sig 100% (mindre spridningar och reflektioner). Antenneffektiviteten kan vidare representeras som en multiplikation av tre undereffektiviteter, var och en står för olika förlustmekanismer. Detta anges nedan och illustreras i figur 7.

Jag tjänar

Antennens direktivitet ger oss ingen information om antennens effektivitet, utan bara om dess strålningsmönsterens direktivegenskaper. Detta är det främsta skälet till att introducera ett nytt koncept som heter antennförstärkning. Antennförstärkning definieras som:

Som man kan se är definitionen lik den direktivitet, men snarare med tanke på den utstrålade effekten beaktas ingångseffekten. Antennförstärkningen tar hänsyn till antennens effektivitet eftersom det är ett mått på hur mycket energi antennen strålar i en viss riktning, relativt till hur mycket effekt som inträffade på antennen.Antennas direktivitet och förstärkning hänför sig via ：

För att fullt ut kunna uppskatta innebörden av detta koncept kan det vara bra att tänka på antennen som ett in / utgångssystem (I / O). I det diskuterade systemet representeras ingången av antennens ingångseffekt och utgången representeras av den utstrålade kraften i en viss riktning (som är tillgänglig för mottagning av andra antenner). Systemets utgång är inget annat än dess ingång multiplicerat med något konstant antal. Detta konstanta antal är proportionell mot antennförstärkningen. I den meningen passar termen förstärkning med terminologin som används för förstärkare eller dämpare.


J. Input Impedance och VSWR

En annan framstående parameter som beskriver antenner är deras ingångsimpedans, dvs förhållandet mellan spänningen och strömmen vid deras terminaler. EM-kraft levereras till en antenn via en överföringslinje eller en vågledare - enheter som används för att styra EM-vågor från sändaren till antennen. I denna process kan EM-vågor dämpas eller reflekteras. För att undvika reflektioner av EM-vågor tillbaka till sändaren bör antennens ingångsimpedans matcha den för den drivande transmissionslinjen (vanligtvis 50 ohm).

Ändå varierar antennens ingångsimpedans med frekvensen och kunde inte vara lika med transmissionslinjen vid alla frekvenspunkter. Detta indikerar att vissa reflektioner är oundvikliga. Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) är ett mått på hur mycket effekt som reflekteras. En lågvärdes VSWR indikerar att huvuddelen av den infallande kraften levereras till antennen och reflektioner nästan undviks.


K. Polarisering

Polariseringen av en antenn definieras som polariseringen av EM-vågen som den strålar i fjärran. EM-vågen som utstrålas av antennen är en blandning av elektriska och magnetiska fält. Om vi ​​skulle spåra den kurva som spåras av spetsen på det elektriska fältvektorn, på någon fast plats i rymden, skulle vi, när tiden varierar, få en kurva kallad polarisationsellipsen. Observera att för varje fast plats generellt sett skulle vi få olika kurvor, det vill säga: antennpolarisationen är beroende av observationsriktningen. Kurvan kallas polarisationsellipsen, eftersom den bildar en ellips för en godtyckligt polariserad antenn.

Polarisering kan klassificeras som linjär, cirkulär eller elliptisk beroende på polarisationsellipsens egenskaper. Om ellipsen har lika mindre och större axel förvandlas den till en cirkel. I så fall säger vi att antennen är cirkulärt polariserad. Om ellipsen inte har någon mindre axel förvandlas den till en rak linje. I så fall säger vi att antennen är linjärt polariserad. De olika polariseringstyperna visas grafiskt i figur 8.

Varje polarisation har en känsla. För en linjärt polariserad antenn definieras den av lutningsvinkeln för polarisationsellipsen, betecknad med τ. Linjära polarisationer klassificeras enligt den meningen (90 ° vertikalt, 0 ° horisontellt, ± 45 ° snedställt). För en cirkulärt polariserad antenn avkänns känslan av den elektriska fältvektorspetsens rörelse: medurs eller moturs (RHCP för medurs, LHCP för moturs). En illustration ges i figur 10.

L. Korspolarisation och sampolarisering

Som nämnts ovan bildar de olika polarisationerna många ortogonala par.Sampolarisering definieras som polarisationen som antennen var tänkt att stråla, medan korspolarisering definieras som dess ortogonala par. En rent polariserad antenn kommer att ha låg korspolariserad strålning. Ett mått på hur rent polariserad en antenn är korspolarisationsnivån. Det definieras som skillnaden i decibel mellan den maximala strålningsintensiteten för co respektive tvärpolarisationer.Antenner måste arbeta i liknande polarisationer för att säkerställa optimal prestanda.Antenner som arbetar i ortogonala polarisationer kommer inte att fungera alls på grund av betydande polarisationsförluster.

M. Axial Ratio

Denna parameter används huvudsakligen för att beskriva polarisationsegenskaperna hos cirkulärt polariserade antenner. Axial Ratio (AR) definieras som förhållandet mellan polariseringsellipsens mindre och större axel. Kom ihåg att om ellipsen har en lika liten och större axel förvandlas den till en cirkel, och vi säger att antennen är cirkulärt polariserad. I så fall är det axiella förhållandet lika med enheten (eller 0 dB). Axialförhållandet för en linjärt polariserad antenn är oändligt stort eftersom en av ellipsaxeln är lika med noll. För en cirkulär polariserad antenn, ju närmare axialförhållandet är 0 dB, desto bättre.

N. Polarisationsmångfald och isolering

Vissa antenner kan erbjuda mångfald av polarisering, det vill säga att de är avsedda att arbeta i olika polarisationer. Dessa antenner har flera portar, var och en medger överföring av olika vågpolarisering. De olika portarna är ofta avsedda att fungera oberoende. Därför är det uppenbart att vi kräver en åtgärd som beskriver hur mycket dessa hamnar är isolerade. Isoleringen mellan de två portarna definieras som förhållandet mellan kraften som inträffar på en port och kraften som levereras till en annan port, när den avslutas av en matchad belastning. God isolering lovar okorrelerad överföring av elektriska signaler på båda portarna.


O. Strömhantering

Detta definieras som den maximala ingångseffekten som antennen kan hantera medan den fungerar korrekt.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC