Характеристики антенн: Характеристики антенн, усиление различных конструкций, их типы и область применения

Максимально допустимая скорость ветра

180 км/ч

Рабочая температура

От -10° до 55°С

Рабочая влажность

95% при 55°С

Цвет

Белый

Материал

ABS, с UV защитой

Вес

190 г

Размеры

330 x 93 x 20,7 мм

Что такое антенна? Различные типы антенн и характеристики антенн

В этом руководстве мы узнаем об антеннах, каковы разные типы антенн, различные свойства антенн и многие другие важные аспекты антенн.

Если вас интересует Wireless Communication Engineering, настанет время, когда вы столкнетесь с проектированием антенн или работой с ними. Независимо от области интересов, я надеюсь, что это руководство по антеннам и различным типам антенн будет полезно даже для нетехнического специалиста.

Важное примечание:

• Теория антенн включает в себя множество сложных математических операций, начиная с электромагнитных волн, уравнений Максвелла, диаграмм мощности, излучения и т. Д.
• Обсуждение этого выходит за рамки данного руководства, так как это всего лишь вводная работа.

Антенны везде

Возможно, вы знакомы с антеннами в целом, независимо от того, понимаете ли вы, как работает антенна.Везде, где есть беспроводная связь, всегда есть антенна. Форма, размер и тип антенны могут отличаться, но, тем не менее, антенна задействована.

ПРИМЕЧАНИЕ. Беспроводная связь, такая как инфракрасная связь, является исключением.

Например, рассмотрим два самых важных устройства в нашей жизни: мобильный телефон и телевизор (или просто телевизор). Оба этих устройства полагаются на беспроводную связь, и, следовательно, оба этих устройства должны каким-то образом иметь связанную с ними антенну.

ПРИМЕЧАНИЕ: Cable T.V. здесь не обсуждается, даже если задействована антенна (обычно с оператором, который принимает сигнал с помощью антенны и передает его через коаксиальный кабель).

Фактически, как эти устройства, так и многие другие беспроводные устройства, такие как маршрутизаторы, беспроводные модемы, игровые контроллеры, устройства Bluetooth (например, наушники) и т. Д., Так или иначе имеют антенну.

Итак, что такое антенна?

Антенна — это структура, связанная с областью перехода между «направленной волной» и «свободным пространством».Ладно, это определенно не лучшее определение для новичка. Позвольте мне сказать это так: антенна (или иногда называемая антенной) — это электрическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в электромагнитные волны (или просто радиоволны) и наоборот.

Сигнал от линии передачи или направляющего устройства (отсюда и термин «направленная волна»), например, по коаксиальному кабелю, подается на антенну, которая затем преобразует сигнал в электромагнитную энергию для передачи через пространство (отсюда термин «свободное пространство»). ).

может использоваться как для передачи, так и для приема электромагнитного излучения, т.е. передающая антенна, которая собирает электрические сигналы с линии передачи и преобразует их в радиоволны, тогда как приемная антенна делает прямо противоположное, т.е. принимает радиоволны из космоса и преобразует их. к электрическим сигналам и передает их в линию передачи.

Зачем нужны антенны?

Есть несколько причин, почему нам нужны или почему мы используем антенны, но важная причина того, почему мы используем антенны, заключается в том, что они обеспечивают простой способ передачи сигналов (или данных) там, где другие методы невозможны.

Например, возьмем самолет. Пилоту необходимо часто общаться с персоналом УВД. Если бы не было никакого смысла, если бы мы привязали кабель (динамически изменяемой длины) к хвостовой части самолета и подключили его к УВД.

Беспроводная связь — единственно возможный вариант, и антенны служат для этого шлюзом. Есть много ситуаций или приложений, в которых кабели предпочтительнее беспроводной связи с антеннами (например, высокоскоростной Ethernet или соединение между игровой консолью и T.В., например).

Различные типы антенн

Теперь, когда мы немного узнали об антеннах в целом и почему мы используем антенны, давайте продолжим и рассмотрим антенны разных типов. Существует несколько типов антенн, и в каждой литературе есть собственная классификация антенн.

Некоторые из распространенных типов антенн упомянуты ниже:

• Проволочные антенны
  • Короткая дипольная антенна
  • Дипольная антенна
  • Рамочная антенна
  • Монопольная антенна
• Логопериодические антенны
  • Антенны с галстуком-бабочкой
  • Логопериодические антенны
  • Логопериодическая дипольная матрица
• Апертурные антенны
  • Слот антенны
  • Рупорная антенна
• Микрополосковые антенны
  • Прямоугольная микрополосковая патч-антенна
  • Патч-антенна четвертьволновая
• Рефлекторные антенны
  • Плоская отражательная антенна
  • Антенна с угловым отражателем
  • Параболическая рефлекторная антенна
• Объективные антенны
• Антенны бегущей волны
  • Антенна с длинным проводом
  • Антенна Яги – Уда
  • Антенна со спиральным проводом
  • Спиральная антенна
• Антенны решетки
  • Двухэлементная антенная решетка
  • Антенна линейной решетки
  • Антенны с фазированной решеткой

Давайте теперь кратко рассмотрим некоторые из этих различных типов антенн.

Проволочные антенны

Одной из наиболее часто используемых антенн являются проволочные антенны. Их можно найти в транспортных средствах (автомобилях), кораблях, самолетах, зданиях и т. Д. Проволочные антенны бывают разных форм и размеров, например, прямой провод (диполь), петля и спираль.

Короткая дипольная антенна

Пожалуй, самая простая из всех антенн — это антенна с коротким диполем. Это частный случай дипольной антенны.

В своей простейшей форме это, по сути, провод с разомкнутой цепью, в котором сигнал подается в центре.Термин «короткая» в короткой дипольной антенне относится не напрямую к ее размеру, а скорее к размеру провода относительно длины волны сигнала.

Для типичной антенны с коротким диполем длина провода меньше одной десятой длины волны рабочей частоты.

Дипольная антенна

Дипольная антенна состоит из двух проводников на одной оси, и длина провода должна быть небольшой по сравнению с длиной волны.

Рамочная антенна

Рамочная антенна состоит из одного или нескольких витков провода, образующего петлю. Излучение, создаваемое рамочной антенной, сравнимо с излучением короткой дипольной антенны.

Монопольная антенна

Особым случаем дипольной антенны является монопольная антенна, т. Е. Это половина дипольной антенны.

Апертурные антенны

Класс направленных антенн, апертурные антенны имеют отверстие на поверхности.Обычно апертурная антенна состоит из дипольной или петлевой антенны в направляющей конструкции с отверстием для излучения радиоволн.

Слот антенны

Тип апертурной антенны, которая содержит одну или несколько прорезей, вырезанных на поверхности волновода. Они обычно используются в микроволновых частотах и ​​имеют ненаправленную диаграмму направленности.

Рупорная антенна

Одной из самых популярных антенн является рупорная антенна, которая обеспечивает переход между линией передачи и волной, распространяющейся в свободном пространстве. Он действует как естественное продолжение волновода.

Основные параметры антенн (характеристики)

К настоящему времени у нас есть базовое представление об антенне и о том, как она является важным компонентом в системе беспроводной связи. Следующая важная вещь, которую необходимо понять, — это то, что характеристики типичной системы беспроводной связи зависят от характеристик антенны, используемой в системе.

Например, рабочие характеристики системы связи уходят корнями в характеристики направленности антенны.Независимо от приложения, в котором используется антенна, все антенны связаны с несколькими основными параметрами.

Эти параметры иногда также называют свойствами антенны или характеристиками антенны. Некоторые основные характеристики антенны перечислены ниже:

• Диаграмма направленности антенны
• Интенсивность излучения
• Направленность и усиление
• Эффективность излучения и увеличение мощности
• Входное сопротивление
• Эффективная длина
• Пропускная способность
• Эффективная апертура
• Поляризация антенны

Давайте разберемся с этими свойствами антенн по очереди.

Диаграмма направленности

Практическая антенна не может излучать энергию во всех направлениях с одинаковой силой. Излучение от антенны обычно бывает максимальным в одном направлении, тогда как оно минимально или почти равно нулю в других направлениях.

Напряженность поля — это величина, которая используется для представления диаграммы направленности антенны. Обычно его измеряют в точке, находящейся на определенном расстоянии от антенны.

Вы можете измерить напряженность поля, вычислив напряжение в двух разных точках электрической линии и разделив результат на расстояние между двумя точками.Следовательно, единицы измерения напряженности поля — вольт на метр.

С графической точки зрения напряженность поля изображается в виде трехмерного графика, поскольку это мера напряженности электромагнитного поля в точках, равноудаленных от антенны.

Если диаграмма излучения антенны является просто функцией направления, то она просто называется диаграммой направленности. Но если это выражается в единицах напряженности электрического поля в В / м, то это называется диаграммой напряженности поля (или излучением).

На следующем изображении показана диаграмма направленности излучения дипольных антенн с половинной длиной волны и одной длиной волны.

Иногда излучение антенны также является функцией мощности на единицу телесного угла. Этот график называется диаграммой мощности излучения.

Интенсивность излучения

Интенсивность излучения антенны — это мощность на единицу телесного угла. Он обозначается буквой U и не зависит от расстояния от антенны. Единицы измерения интенсивности излучения — ватты на стерадиан (Вт / Sr).

Направленность и усиление

В идеале, антенна, которая излучает энергию одинаково во всех направлениях, т.е. всенаправленная антенна, называется изотропной антенной. Это всего лишь гипотетическая ситуация, а изотропных антенн на практике не существует.

Но если рассматривать изотропную антенну, то ее плотность мощности будет одинаковой во всех точках сферы излучения. Следовательно, средняя мощность антенны как функция излучаемой мощности составляет

P _ср. = P _рад / 4πr ² Вт / м ²

Отношение плотности мощности к средней излучаемой мощности известно как директивное усиление.

Направленность антенны — это мера концентрации излучения в направлении максимального излучения или отношение максимальной плотности мощности к средней излучаемой мощности.

Эффективность излучения и выигрыш в мощности

Все практические антенны будут иметь омические потери, поскольку они сделаны из проводящих материалов с конечной проводимостью. Радиационная эффективность — это отношение излучаемой мощности к входной мощности.

η _r = P _рад / P _дюйм

Коэффициент усиления антенны — это отношение мощности, излучаемой в одном направлении, к общей входной мощности.

Входное сопротивление

Мы должны позаботиться о том, чтобы входное сопротивление антенны соответствовало входному сопротивлению входной линии передачи. Если входное сопротивление не совпадает, система со временем деградирует из-за отраженной мощности.

Эффективная длина

Длина воображаемой линейной антенны с равномерно распределенным током определяется как эффективная длина антенны, так что обе эти антенны имеют одинаковое дальнее поле в плоскости π / 2.

Пропускная способность

Полоса пропускания антенны определяется как диапазон частот, в котором характеристики антенны поддерживаются на заданном уровне.Это связано с тем, что требования к характеристикам антенны, таким как усиление, импеданс, коэффициент стоячей волны и т. Д., Могут изменяться во время работы.

Эффективная апертура

Обычно термин «эффективная апертура» или «эффективная площадь» относится к приемной антенне. Эффективная апертура или площадь антенны — это мера способности антенны извлекать энергию из электромагнитной волны.

Эффективная апертура антенны — это отношение мощности, полученной от нагрузки, к средней плотности мощности, создаваемой антенной.

Поляризация антенны

Поляризация антенны относится к физической ориентации электромагнитной волны, излучаемой в заданном направлении. Поляризация электромагнитной волны — это меняющееся во времени направление и относительная величина вектора электрического поля.

Если направление не указано, то учитывается поляризация в направлении максимального усиления.

Есть и другие характеристики, такие как температура антенны, ширина луча, эффективность луча и т. Д., Которые также имеют решающее значение.

4.4: Характеристики антенны — Разработка LibreTexts

Четыре основных фактора, которые различают антенны, — это частотная характеристика, импеданс, направленность и электромагнитная поляризация. При выборе антенны для конкретного применения следует учитывать эти факторы. В этом разделе обсуждаются эти и другие факторы, влияющие на выбор антенны.

Частота и полоса пропускания

Для связи используются электромагнитные волны широкого диапазона частот.Электромагнитным сигналам в разных частотных диапазонах даны разные названия. В таблице \ (\ PageIndex {1} \) перечислены имена, используемые для обозначения различных диапазонов частот, для которых используются антенны.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Названия диапазонов электромагнитных частот [15] [54].

Частота	Аббревиатура	Имя
30-3000 Гц	ELF	Чрезвычайно низкая частота
3-30 кГц	VLF	Очень низкая частота
30-300 кГц	LF	Низкая частота
300 кГц -3 МГц	MF	Средняя частота
3-30 МГц	HF	Высокая частота
30-300 МГц	УКВ	Очень высокая частота
300 МГц — 3 ГГц	УВЧ	Сверхвысокая частота
3-30 ГГц	СВФ	Сверхвысокая частота
30-300 ГГц	EHF	Чрезвычайно высокая частота

Электромагнитные волны редко используются для связи на самой низкой полосе частот, указанной в таблице \ (\ PageIndex {1} \). Однако одним из примеров был Project ELF (сокращение от Extremely Low Frequency). Это была военная радиосистема США, которая использовалась для связи с подводными лодками и работала в \ (76 \ text {Hz} \) [52]. В антенную решетку входило 84 мили антенн, разнесенных рядом с передающими объектами в северном Висконсине и на верхнем полуострове Мичиган [52], и она работала с 1988 по 2004 год [53].Он имел входную мощность 2,3 МВт, но передавалось только 2,3 Вт электромагнитного излучения из-за того, что длина используемых антенных элементов составляла небольшую часть длины волны. Переданные несколько ватт смогли достичь подводных лодок под океаном по всему миру [52]. На отправку или получение трехбуквенных сообщений уходило 15-20 минут [52].

Антенны обычно используются для передачи и приема электромагнитного излучения в диапазоне частот от \ (3 \ text {kHz} \ lesssim f \ lesssim 3 \ text {THz} \).Однако антенна, предназначенная для работы на частоте \ (3 \ text {kHz} \), сильно отличается от антенны, предназначенной для работы на частоте \ (3 \ text {THz} \). Проволочные антенны используются для сигналов примерно в частотном диапазоне \ (3 \ text {kHz} \ lesssim f \ lesssim 3 \ text {GHz} \). Сплошные конические, пластинчатые или апертурные антенны используются для передачи и приема сигналов в частотном диапазоне \ (3 \ text {GHz} \ lesssim f \ lesssim 3 \ text {THz} \) [15, гл. 15]. Чтобы понять потребность в различных методах, рассмотрите задействованные длины волн.4 м \). Длина антенны часто бывает того же порядка, что и длина волны. Хотя мы можем создавать проволочные антенны такой длины, они непереносимы. Другой пример: сигнал Wi-Fi, работающий на частоте \ (2,5 \ text {ГГц} \), имеет длину волны \ (\ lambda = 12,5 см \). Проволочные антенны такой длины легко собрать и транспортировать. Однако проволочные антенны, предназначенные для сигналов на более высоких частотах, может быть трудно точно сконструировать из-за их небольшого размера. По этой причине проволочные антенны обычно используются на более низких частотах, а конические или пластинчатые антенны — на более высоких частотах.{14} \ text {Hz} \). Антенна, предназначенная для передачи и обнаружения этого света, должна иметь длину примерно \ (\ frac {\ lambda} {2} \ приблизительно 250 нм \). Атом имеет длину около \ (0,1 нм \), поэтому антенна, предназначенная для зеленого света, будет иметь длину всего около 2500 атомов. Антенны такого размера были бы непрактичными по многим причинам. Другая причина, по которой для передачи и приема оптических сигналов необходимы различные методы, заключается в том, что электрические цепи не могут работать со скоростью оптических частот.Методы передачи и обнаружения оптических сигналов обсуждаются в главах 6 и 7.

При выборе антенны следует учитывать диапазон частот, которые будут передаваться или приниматься, а также их полосу пропускания. Некоторые антенны предназначены для работы в узком диапазоне частот, в то время как другие антенны предназначены для работы в более широком диапазоне частот. Антенна с узкой полосой пропускания будет полезна в случае, когда антенна используется для приема сигналов только в определенной полосе частот, тогда как антенна с широкой полосой пропускания будет полезна, когда антенна должна принимать сигналы в более широком частотном диапазоне.Например, антенна, предназначенная для приема телевизионных сигналов в эфире в США, должна быть рассчитана на широкий диапазон от \ (30 \ text {MHz} — 3 \ text {G Hz} \), потому что телевизионные сигналы попадают в VHF и УВЧ диапазоны.

Как и все датчики, антенны обнаруживают как сигнал, так и шум. Шум в радиоприемнике может быть внутренним по отношению к приемной схеме или вызван внешними источниками, такими как другие близлежащие передатчики [49, с. 4]. Антенна с широкой полосой пропускания будет получать больше шума из-за внешних источников, чем антенна с узкой полосой пропускания.Шумовые характеристики антенны влияют на способность принимать слабые сигналы, поэтому их следует учитывать при выборе антенны для приложения [50].

Импеданс

Обе антенны и линии передачи имеют характеристический импеданс. Термин «линия передачи» определен в гл. 4.3 как длинная пара проводников. Если длина проводников велика по сравнению с длиной волны передаваемого сигнала, напряжение и ток могут изменяться по длине линии, и в линии может накапливаться энергия.По этой причине линии передачи описываются характеристическим импедансом в омах. Характеристический импеданс дает отношение напряжения к току вдоль линии и предоставляет информацию о способности линии передачи накапливать энергию в электрическом и магнитном поле. Типичные значения импеданса линий передачи, используемых для связи, составляют 50 или 75 \ (\ Omega \). Точно так же каждая антенна имеет собственное характеристическое сопротивление, измеряемое в омах, которое представляет собой отношение напряжения к току в антенне.

Почему важен импеданс? Передающие антенны часто физически удалены от источника сигнала и соединены линией передачи. Точно так же приемные антенны часто находятся в другом месте, чем приемные схемы, и соединяются линией передачи. Чтобы эффективно передавать сигнал между передающей или приемной схемой и антенной, необходимо согласовать импеданс между антенной и линией передачи. В этом случае, когда характеристическое сопротивление линии и антенны равны, энергия течет по линии передачи между схемой и антенной.Линии передачи сделаны из хороших, но не идеальных проводов. Небольшое количество энергии может быть преобразовано в тепло из-за сопротивления в линиях, но это количество энергии часто тривиально. Однако, если есть несоответствие импеданса между антенной и линией передачи, на интерфейсе антенны линии передачи будут возникать отражения. Меньше энергии будет передаваться к антенне или от нее, потому что энергия будет накапливаться в линии, и количество задействованной энергии может быть значительным.В правильно спроектированной системе, где импедансы антенны и линии передачи согласованы, отражения не происходит, поэтому на антенну или от нее передается как можно больше энергии.

Импеданс антенны зависит от частоты. Антенны передают и принимают сигналы связи, которые почти никогда не являются синусоидами одной частоты. Однако часто сигналы содержат только компоненты с частотами в узком диапазоне. Например, радиостанция может иметь несущую частоту \ (100 \ text {MHz} \), и она может передавать сигналы с частотными составляющими \ (99.99 \ text {МГц}

Направленность

могут быть спроектированы так, чтобы излучать энергию одинаково во всех направлениях. В качестве альтернативы антенны могут быть спроектированы так, чтобы излучать энергию в основном в одном направлении. Направленность \ (D \) — безразмерная мера однородности графика диаграммы направленности. Он определяется как отношение максимальной плотности мощности к средней плотности мощности.

\ [D = \ frac {\ text {Максимальная плотность мощности, излучаемая антенной}} {\ text {Средняя плотность мощности, излучаемая антенной}} \]

Антенна, излучающая одинаково во всех направлениях, называется изотропной. Антенна, которая излучает одинаково в двух, но не в третьем, направлениях, называется всенаправленной [15]. Например, всенаправленная антенна может излучать одинаково во всех горизонтальных направлениях, но не в вертикальном. Изотропные антенны имеют \ (D = 1 \), а все остальные антенны имеют \ (D> 1 \).Для некоторых приложений требуется изотропная антенна. Например, радиостанция в центре города может использовать изотропную или всенаправленную антенну для передачи на весь город. В других случаях предпочтительнее направленная антенна. Стационарная метеостанция, которая передает данные на фиксированную базовую станцию, будет тратить энергию на использование изотропной антенны, потому что она может использовать меньшую передаваемую мощность при той же принимаемой мощности, используя направленную антенну.

Принимаемая мощность может быть больше, чем указано в уравнении 4.2}. \]

Уравнение \ ref {4.4.3} известно как уравнение Фрииса [55]. Принимаемая мощность будет меньше, чем указано в уравнении 4.2.2 или \ ref {4.4.3} из-за потерь в воздухе или другом материале, через который проходит сигнал, и из-за разницы в электромагнитной поляризации между передатчиком и приемником [49, п. 4].

Направленность — это грубая мера антенны. Более точным показателем является диаграмма диаграммы направленности. График диаграммы направленности представляет собой графическое представление интенсивности излучения по отношению к положению в пространстве.График диаграммы направленности может быть трехмерным или парой двухмерных графиков. В случае, когда используются два 2D-графика, один из них является азимутальным, а другой — высотным. График азимута показывает горизонтальный срез трехмерной диаграммы направленности, параллельный плоскости xy. График высот показывает вертикальный срез, перпендикулярный плоскости xy. Большинство диаграмм диаграмм направленности, включая все показанные в этом тексте, помечены амплитудой электрического поля [15] [56]. Однако иногда вместо этого они обозначаются амплитудой мощности.Диаграмма направленности антенны сильно отличается в ближнем поле, на расстоянии меньше примерно длины волны, и в дальнем поле, на расстояниях, намного превышающих длину волны. Графики диаграммы направленности показывают только поведение в дальней зоне.

На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показана диаграмма направленности для полуволновой дипольной антенны в свободном пространстве, построенная с использованием программного обеспечения EZNEC [56]. Аббревиатура NEC расшифровывается как Numerical Electromagnetics Code. Цифра в верхнем левом углу — это азимутальный график, фигура в верхнем правом углу — это график высоты, рисунок в нижнем левом углу — это трехмерная диаграмма направленности, а рисунок в правом нижнем углу — схема расположения антенны.

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показаны диаграммы направленности для 15-метровой четырехугольной антенны. Видны отчетливые лепестки и нули.

Отношение передней части к задней (\ (\ text {F / B ratio} \)) — это мера, связанная с направленностью, которую можно найти на графике азимутальной диаграммы направленности. По определению, это отношение силы мощности, излучаемой спереди и сзади. Часто переднее направление выбирается как направление наибольшей величины на диаграмме диаграммы направленности, а заднее направление — противоположное направление.\ (\ text {F / B ratio} \) можно указать либо в логарифмической шкале в единицах \ (\ text {дБ} \), либо в линейной шкале без единиц измерения. Его также можно определить либо как отношение напряженности электрического поля, либо как отношение сил мощностей, но чаще всего используется мощность.

\ [\ text {F / B ratio} = \ left [\ frac {P_ {front}} {P_ {back}} \ right] _ {dB} = 10 \ log_ {10} \ left [\ frac {P_ {front}} {P_ {back}} \ right] _ {lin} = 20 \ log_ {10} \ left [\ frac {| \ overrightarrow {E} _ {front} |} {| \ overrightarrow {E} _ {back} |} \ right] _ {lin} \]

\ [\ text {F / B ratio} = \ left [\ frac {P_ {front}} {P_ {back}} \ right] _ {dB} = 2 \ left [\ frac {| \ overrightarrow {E} _ {front} |} {| \ overrightarrow {E} _ {back} |} \ right] _ {dB} \]

\ (\ text {F / B ratio} \) для примера на Рис. \ (\ PageIndex {2} \) можно рассчитать по азимутальному графику. Сила поля в переднем направлении на \ (9 \ text {дБ} \) сильнее, чем сила поля в заднем направлении.

\ [\ left [\ frac {| \ overrightarrow {E} _ {front} |} {| \ overrightarrow {E} _ {back} |} \ right] _ {dB} = 9 \ text {dB} \]

Исходя из этой информации, мы можем рассчитать напряженность поля в переднем направлении до напряженности поля в линейном масштабе. {\ frac {9} {10}} = 7,94 \]

Если эта антенна используется в качестве передатчика, сигнал в переднем направлении в 7,9 раз сильнее сигнала в обратном направлении. Соотношение передней и задней части определяет соотношение мощности, и для этой антенны это \ (18 \ text {дБ} \).

\ [\ text {F / B ratio} = \ left [\ frac {P_ {front}} {P_ {back}} \ right] _ {dB} = 2 \ left [\ frac {| \ overrightarrow {E} _ {front} |} {| \ overrightarrow {E} _ {back} |} \ right] _ {dB} = 18 \ text {dB} \]

При выборе антенны необходимо принять множество решений, связанных с направленностью антенны.Для конкретного приложения может потребоваться изотропная или направленная антенна. Если необходима направленная антенна, необходимо определить величину направленности. Кроме того, необходимо определить ориентацию антенны так, чтобы узлы и нули находились в соответствующих направлениях. Следует учитывать как азимутальный угол, так и угол места узлов и нулей [50, с. 22-1].

Электромагнитная поляризация

Электромагнитная волна, исходящая от передающей антенны, описывается электрическим полем \ (\ overrightarrow {E} \) и магнитным полем \ (\ overrightarrow {H} \).Волна обязательно имеет как электрическое поле, так и магнитное поле, потому что, согласно уравнениям Максвелла, изменяющиеся во времени электрические поля индуцируют изменяющиеся во времени магнитные поля, а изменяющиеся во времени магнитные поля индуцируют электрические поля. В любой точке пространства и в любое время направление электрического поля, направление магнитного поля и направление распространения волны взаимно перпендикулярны. Более конкретно,

\ [\ left (\ text {Направление} \ overrightarrow {E} \ right) \ times \ left (\ text {Направление} \ overrightarrow {H} \ right) = (\ text {Направление распространения}).{\ circ} \) от оси \ (\ hat {a} _y \), и снова он распространяется в направлении \ (\ hat {a} _z \). Оба этих электрических поля описывают плоские синусоидальные волны, потому что электрическое поле изменяется в зависимости от положения, как и во времени, синусоидально в обоих случаях.

Мы можем классифицировать плоские волны по их электромагнитной поляризации. Плоские волны можно разделить на линейно поляризованные, с левой круговой поляризацией, с правой круговой поляризацией, с левой эллиптической поляризацией или с правой эллиптической поляризацией.В предыдущей главе мы столкнулись с совершенно иной идеей поляризации материала. В Приложении C обсуждается перегруженная терминология, включая термин поляризация.

Обе электромагнитные волны, описываемые уравнением 4.4.13 и 4.4.14, имеют линейную поляризацию. В обоих случаях направление электрического поля остается постоянным по мере распространения волны как по положению, так и по времени. Если направление электрического поля равномерно вращается вокруг оси, образованной направлением распространения, волна называется циркулярно поляризованной.Если направление электрического поля вращается неравномерно, волна называется эллиптически поляризованной. Для волн с круговой поляризацией проекция волны на плоскость, перпендикулярную оси, образованной направлением распространения, является круговой. Для эллиптических волн проекция эллиптическая. Чтобы определить, является ли поляризация левой или правой, направьте большой палец правой руки в направлении распространения и сравните вращение электрического поля с вращением ваших пальцев. Если вращение происходит в направлении пальцев правой руки, волна имеет правильную поляризацию.6t — 300z) \ frac {\ hat {a} _y} {\ sqrt {2}} \]

имеет левую круговую поляризацию. Эти определения проиллюстрированы на Рис. \ (\ PageIndex {3} \).

Какое отношение имеет электромагнитная поляризация к антеннам? Антенны могут быть предназначены для передачи сигналов с линейной, круговой или эллиптической поляризацией. Антенны, предназначенные для передачи или приема сигналов с круговой поляризацией, часто содержат провода, которые наматываются в соответствующем направлении вокруг оси. Если сигнал передается с помощью антенны, предназначенной для передачи линейно поляризованных волн, лучшей антенной для использования в качестве приемника будет та, которая также предназначена для линейно поляризованных волн. Сигнал может быть обнаружен антенной, предназначенной для сигнала другой электромагнитной поляризации, но принимаемый сигнал будет более шумным или слабым. Точно так же, если сигнал передается с помощью антенны, предназначенной для правильной круговой поляризации, лучшей приемной антенной для использования будет та, которая также предназначена для правильной круговой поляризации.

Другие особенности антенн

Антенны сделаны из хороших проводников.В главах 2 и 3 мы увидели, что материалы, из которых состоят многие устройства преобразования энергии, сильно влияют на их поведение. Хотя проводимость проводников различается, в целом материал, из которого сделана антенна, не оказывает значительного влияния на ее поведение. Помимо ширины полосы пропускания, импеданса, направленности и электромагнитной поляризации, одна антенна отличается от другой другими факторами, такими как размер, форма и конфигурация. Следует также учитывать механические факторы. Идеальная антенна может быть такой, которую легко построить или установить в желаемом месте, она портативна или требует минимального обслуживания [50].Если антенна должна быть установлена ​​снаружи, она должна выдерживать снег, ветер, лед и другие экстремальные погодные условия [50]. Хотя уравнения Максвелла полезны для прогнозирования диаграммы направленности антенны, они не предоставляют информации об этих других факторах.

Идеальной антенны не бывает. В одном случае лучшей антенной может быть Yagi, которая очень направлена ​​и предназначена для работы в узком частотном диапазоне. В другом случае лучшая антенна может быть механически прочной и смонтированной таким образом, чтобы выдерживать сильный ветер [50, с.17-29]. В другом случае лучшая антенна может быть портативной и простой в установке одним человеком независимо от ее диаграммы направленности [50, с. 21-26]. В другом случае лучшей антенной может быть провод произвольной длины, свисающий с дерева, потому что его было проще и быстрее построить. Как и в любой другой области техники, конструкция антенны требует компромиссов. Например, лучшая антенна для обнаружения линейно поляризованного сигнала \ (800 \ text {MHz} \) — это антенна, которая предназначена для обнаружения сигналов \ (800 \ text {MHz} \), предназначена для обнаружения сигналов с линейной поляризацией, ориентирован в правильном направлении и имеет импеданс, соответствующий импедансу используемой линии передачи.Сигнал по-прежнему может быть обнаружен с помощью антенны, рассчитанной на другую частоту, рассчитанной на другую электромагнитную поляризацию, неправильно направленной или с несоответствующим импедансом. Однако во всех этих случаях будет получен менее интенсивный сигнал.

: диаграммы направленности, диэлектрическая проницаемость, направленность и усиление

Во второй части серии «Основы антенн» вы узнаете больше о физике антенн, которые мы используем каждый день, включая информацию о диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, усилении, направленности и многом другом.

Антенны передают информацию между местоположениями, изменяя электромагнитные поля в одном месте и обнаруживая изменения электромагнитных полей в другом месте. Чтобы понять, как антенны могут передавать информацию во все более удаленные места, вы должны сначала понять физику, которая определяет их работу.

Обзор

Введение в основы работы с антеннами дает первую часть основных физических принципов, необходимых для понимания того, как антенны передают и принимают информацию.Эта статья расширит концепции предыдущей статьи, включив диаграммы направленности излучения в ближнем и дальнем поле, диэлектрическую проницаемость, направленность и коэффициент усиления.

Что происходит внутри антенного провода?

Представьте себе генератор синусоидальной волны, прикрепленный к проводу, который создает изменяющуюся во времени разность потенциалов по длине провода. Внутри провода носители заряда перемещаются в результате приложенной разности потенциалов. Изменяющаяся амплитуда и полярность разности потенциалов, создаваемой генератором синусоидальных волн, вынуждают электроны постоянно ускоряться, замедляться и изменять направление движения по проводу

Выше представлена ​​демонстрация имитации излучающего заряда, полученная в Университете Колорадо. Вы можете поиграть с ним здесь.

Сначала генератор синусоидальной волны перемещает заряды в одном направлении, создавая электрические и магнитные поля, которые растут по мере увеличения напряжения. В течение этого времени поля постоянно меняются, и изменения в поле распространяются наружу со скоростью света — быстро, но конечно.

По мере продолжения цикла генератора напряжение уменьшается, а также уменьшается величина магнитного и электрического полей.Когда генератор синусоидальной волны меняет полярность напряжения, а затем увеличивает величину напряжения, носители заряда замедляются, меняют направление и затем ускоряются. Это меняет полярность электрического и магнитного полей.

Недавно испускаемые поля из предыдущего полупериода и поля из текущего полупериода создают чередующиеся экстремумы интенсивности поля, которые распространяются наружу от антенны.

Наличие носителей заряда в проводе создает электрическое поле, которое исходит от провода, движение носителей заряда создает магнитное поле, окружающее провод, а ускорение заряда создает электромагнитные волны, которые распространяются от провода наружу.

Я настоятельно рекомендую вам посмотреть превосходную подборку видеороликов доктора Джона Белчера из Массачусетского технологического института, которые лучше иллюстрируют изменения линий поля. И, если вы помните многомерное исчисление, «Электричество и магнетизм» Перселла представляет эту тему гораздо более подробно, чем я представил в предыдущем обсуждении.

Область, близкая к антенне, $$ d \ ll \ lambda $$, называется ближним полем, и в ней преобладают магнитные поля. Переходная зона существует для одной-двух длин волн, а затем есть область дальней зоны антенны, $$ d> 2 \ lambda $$, где электрическое поле становится более регулярным и доминирует.

Большинство антенн работают в дальней зоне и передают информацию на большие расстояния через изменяющиеся электрические поля. Антенны ближнего поля, которые используют сильные магнитные поля в области около антенны, становятся все более популярными, даже несмотря на то, что диапазон связи ближнего поля ограничен несколькими длинами волн.

Несмотря на то, что радиопередатчики, такие как устройства nRF24 и Bluetooth, имеют ограниченный диапазон, они по-прежнему используют связь в дальней зоне — электрическое поле передает информацию. RFID-метки и NFC-метки имеют очень малую дальность действия и используют связь в ближнем поле (т. Е. С преобладанием магнитного поля).

Диаграммы излучения

На анимации выше показаны контуры постоянной плотности мощности излучения, распространяющиеся во времени наружу, начерченные в плоскости, проходящей через вертикально ориентированную дипольную антенну.Это двухмерный срез трехмерной диаграммы направленности.

Из-за сложности обычно только один контур (изолиния или изоповерхность) обводится вокруг антенны, чтобы показать диаграммы направленности в дальней зоне. Контурные поверхности центрируются вокруг антенны, а контурные линии центрируются в ортогональных плоскостях, которые пересекают антенну, часто вокруг линии симметрии. Вышеупомянутый диполь Герца передает очень мало энергии в вертикальном направлении или не передает ее вовсе.

Трехмерные диаграммы направленности, спроецированные (как двумерные диаграммы) на декартовы оси. На основе модели Mathematica, найденной здесь.

Разные конструкции антенн дают разные диаграммы направленности. Сложность диаграммы направленности зависит от конструкции и конструкции антенны.

иногда имеют трехмерные проекции. Чаще всего мы видим двухмерный сюжет и должны представить себе трехмерный узор.

Диэлектрическая проницаемость и проницаемость

Диэлектрическая проницаемость

Майкл Фарадей заметил, что, когда диэлектрики (изоляторы) помещаются в зазор между пластинами конденсатора с параллельными пластинами, емкость увеличивается. Это явление связано с поляризацией заряда внутри диэлектрической среды.

Диэлектрическая проницаемость — это мера того, насколько легко эти заряды могут выравниваться (поляризация) в присутствии электрического поля.Более высокая диэлектрическая проницаемость указывает на большее сопротивление формированию электрического поля, а также на более медленное распространение возмущения в среде.

Материал с высокой диэлектрической проницаемостью, окружающий материал с низкой диэлектрической проницаемостью, не влияет на частоту колебаний, но материал с высокой диэлектрической проницаемостью снижает скорость распространения волны. Если мы вспомним, что скорость волны равна произведению частоты и длины волны, мы увидим, что если частота остается прежней, уменьшение скорости должно сопровождаться соответствующим уменьшением длины волны.Когда волна выходит из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, скорость и длина волны увеличиваются.

Когда антенна заделана в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, размер антенны может быть уменьшен в соответствии с уменьшенной длиной волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны.

Некоторые ранние антенны GPS (f = 1,56 ГГц) имели размеры 60 мм на 60 мм и толщину в несколько мм, а схемы еще больше увеличивали размер устройства. Путем сочетания методов миниатюризации схемы с микрополосковыми патч-антеннами последнего поколения, встроенными в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, блоки GPS, которые включают антенну и схемы, могут быть изготовлены в миниатюрных размерах 4 мм на 4 мм на 2.Форм-фактор толщиной 1 мм.

Подобные методы используются, чтобы позволить сотовым телефонам иметь резонансные антенны, которые значительно меньше длины волны, связанной с распространением в воздухе.

Когда волны переходят между материалами с разной диэлектрической проницаемостью, энергия отражается. Если волна движется от материала с низкой диэлектрической проницаемостью (т. Е. С высокой скоростью распространения) к материалу с высокой диэлектрической проницаемостью (т. Е. К материалу с низкой скоростью распространения), волна претерпевает инверсию (т. Е. Фазу на 180 градусов). сдвиг).Отраженные волны могут объединяться с новыми волнами, создавая различные интерференционные картины, описанные в разделе «Введение в основы антенн».

См. Эту статью (PDF) для получения дополнительной информации о технических аспектах миниатюризации антенны и о компромиссах, связанных с полосой пропускания и усилением при работе с материалами с высокой диэлектрической проницаемостью.

Проницаемость

Магнитная проницаемость — это способность материала накапливать энергию в магнитных полях. Напомним, что сигналы, излучаемые антеннами, имеют форму электромагнитного излучения, в котором участвуют как электрические, так и магнитные поля. Таким образом, неудивительно, что проницаемость, как и диэлектрическая проницаемость, влияет на распространение электромагнитных волн. Действительно, как диэлектрическая проницаемость, так и магнитная проницаемость приводят к снижению скорости волны и уменьшению длины волны.

Чтобы укрепить идею о том, что диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость влияют на скорость (и длину волны) электромагнитного излучения, мы можем рассмотреть «скорость света», которая на самом деле является скоростью не только света, но и электромагнитного излучения в целом. Скорость света в вакууме — самая быстрая скорость во Вселенной, обозначаемая буквой c — вычисляется с использованием диэлектрической проницаемости и проницаемости свободного пространства:

$$ c = \ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} $$

Направленность, эффективность и усиление

Изотропные антенны — это теоретические точечные источники, которые равномерно распространяют электромагнитную энергию во всех направлениях.2 $$).

Интеграл представляет собой теоретическую полную излучаемую мощность. По мере удаления от источника площадь поверхности интегрирующей сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса сферы. Энергия от изотропных излучателей равномерно распространяется, чтобы покрыть эту все более большую площадь, и, таким образом, плотность потока электромагнитной мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника.

Поскольку плотность мощности изотропного излучателя быстро уменьшается с расстоянием, антенные инженеры манипулируют направлением энергии, излучаемой настоящими антеннами, чтобы увеличить плотность мощности в желаемых направлениях и уменьшить ее в других направлениях.

Пиковая направленность (или просто направленность) — это отношение плотности мощности физической антенны в ее наиболее концентрированном направлении к плотности мощности теоретического изотропного излучателя того же уровня полной мощности.

$$ D = 10 \ times Log_ {10} (\ frac {\ text {настоящая антенна}} {\ text {изотропная антенна}}) $$

Направленность выражается как обычное число, представляющее отношение или в дБ, с большими числами, представляющими более сфокусированные лучи.Антенна, которая излучает одинаково хорошо во всех направлениях, будет иметь направленность 1 (0 дБ). Диполь Герца, представленный ранее, имеет направленность 1,5 (1,76 дБ) из-за отсутствия энергии, передаваемой в направлении z.

Антенны могут использоваться в различных приложениях в зависимости от их направленности:

• Антенны с низкой направленностью передают и принимают информацию со всех сторон более или менее одинаково. Они полезны в мобильных приложениях, где направление между передатчиком и приемником может меняться.
• Антенны с высокой направленностью могут передавать и принимать информацию на большие расстояния, но должны быть нацелены на другую антенну. Они используются в стационарных установках, таких как спутниковое телевидение.

Параболические антенны (например, используемые в приемниках спутникового телевидения) имеют типичное «направленное усиление» (или просто «усиление») 37,5 дБ. Усиление антенны включает в себя направленность, а также эффективность антенны.

$$ \ text {Прирост} = \ text {Эффективность} \ times \ text {Направленность} $$

Эффективность учитывает фактические потери конкретной конструкции антенны из-за производственных дефектов, потерь покрытия поверхности, дефектов, несоответствия импеданса или любого другого фактора.Хотя направленность всегда больше или равна 1 (0 дБ), усиление антенны может быть меньше 1 (0 дБ).

Отражатели

Диаграмма направленности антенны дает нам информацию о ее приемных и передающих свойствах в различных направлениях. Диаграмма направленности может быть сформирована путем добавления направляющих элементов (направляющих) впереди и отражающих элементов (отражателей) сзади.

Отражатели перенаправляют энергию, излучаемую за антенной, так, чтобы она распространялась в прямом направлении.

Пример отражателя антенны можно увидеть на следующем изображении одного из космических кораблей «Вояджер».

При приеме он захватывает энергию с большой площади и отражает ее в сторону принимающего элемента.При передаче он концентрирует электромагнитное излучение вдоль центральной оси. Усиление, обеспечиваемое такими антеннами, как эта, очень помогает в успешной передаче информации на очень большие расстояния.

UHF, с другой стороны, имеют отражающие элементы на дальней стороне приемного элемента из гнутого диполя; они собирают и отражают (к принимающему элементу) радиоволны, которые в противном случае прошли бы мимо.

Директора

Как и отражающие элементы, направляющие элементы добавляются к антеннам для формирования диаграммы направленности. Их длина и расстояние спроектированы таким образом, что они поглощают энергию и повторно излучают ее синхронно с волнами, идущими непосредственно к принимающему элементу или непосредственно от передающего элемента. Это создает конструктивные помехи, которые применяются только в прямом направлении антенны; волны, приходящие сбоку, поглощаются и повторно излучаются в противофазе, что приводит к деструктивной интерференции.

Заключение

Вы могли бы сделать карьеру на проектировании и тестировании антенн, но вам, скорее всего, придется разбираться в технических характеристиках антенны и понимать, как включить антенну в вашу конструкцию.

Я надеюсь, что эта статья и предыдущая статья этой серии помогут вам лучше понять поведение и характеристики антенны. Пожалуйста, не стесняйтесь комментировать здесь или оставлять сообщения на форуме, если у вас есть дополнительные вопросы.

, плотность мощности, лепесток, направленность и т. Д.

Мы часто определяем антенны и терминологию антенн в терминах передающей антенны, но все определения применимы также и к приемным антеннам. Фактически, свойства антенны одинаковы в любом рабочем режиме. Итак, заявлено это или нет, все определения и описания описывают антенны, которые являются частью передатчика или приемника.

Антенна — это преобразователь между направленной волной и излучаемой волной, или наоборот.Структура, которая «направляет» энергию к антенне, наиболее очевидна как коаксиальный кабель, прикрепленный к антенне. Излучаемая энергия характеризуется диаграммой направленности антенны.

3.7 Характеристики антенны

Порядковая антенна используется для передачи радиоволн в определенном направлении или для приема радиоволн в определенном направлении. Поэтому можно сказать, что антенна представляет собой пространственный фильтр для радиоволн.

Относительная мощность, заданная как функция угла луча, называется диаграммой направленности или диаграммой направленности.Обычно диаграмма направленности задается в ортогональной системе координат или полярной системе координат, как показано на рисунке 3.7.1.

Характеристики диаграммы направленности могут быть определены путем преобразования Фурье распределения апертуры. Если размер апертуры антенны бесконечен, диаграмма направленности должна быть импульсной диаграммой направленности. Но поскольку размеры реальной антенны ограничены, диаграмма направленности имеет несколько лепестков по отношению к углам луча, как показано на рисунке 3.7.2.

Точка с нулевой степенью называется нулевой, а паттерн между двумя нулями называется лепестком.Самый большой центральный лепесток называется главным лепестком, а остальные одеяния — боковыми лепестками.

Ширина луча антенны определяется как ширина луча на уровне мощности 3 дБ вниз от пика главного лепестка (эквивалент ширины луча половинной мощности). Разница между пиками главного лепестка и самого большого бокового лепестка называется уровнем бокового лепестка. Усиление антенны определяется как отношение плотности мощности антенны к эталонной антенне с заданной постоянной мощностью под определенным углом.Усиление антенны, которое получается с помощью изотропной антенны в качестве стандартной антенны, называется стандартным усилением. Отношение плотности мощности под определенным углом к ​​средней плотности мощности, определенной из всей мощности излучения, называется направленностью и определяется следующим образом.

где E (,): напряженность поля в направлении и (горизонтальный и вертикальный углы)

Обычно характеристики передающей антенны и приемной антенны идентичны друг другу.

Авторские права и копия 1996 Японская ассоциация дистанционного зондирования Все права защищены

Усиление антенны — обзор

СВОЙСТВА И РЕЙТИНГИ АНТЕНН | антенны и аксессуары

Антенна придает беспроводной системе три основных свойства: усиление, направление и поляризацию.Прирост — это мера увеличения мощности. Направление — это форма диаграммы направленности. Хорошая аналогия антенны — отражатель в фонарике. Отражатель концентрирует и усиливает световой луч в определенном направлении, аналогично тому, как параболическая тарелочная антенна поступает с источником РЧ в радиосистеме.

Коэффициент усиления антенны измеряется в децибелах, что представляет собой отношение между двумя значениями. Коэффициент усиления конкретной антенны сравнивается с коэффициентом усиления изотропной антенны. Изотропная антенна — это теоретическая антенна с однородной трехмерной диаграммой направленности (похожая на лампочку без отражателя).дБи используется для сравнения уровня мощности данной антенны с теоретической изотропной антенной. Считается, что изотропная антенна имеет номинальную мощность 0 дБ, что означает, что она имеет нулевое усиление / потери по сравнению с самой собой.

В отличие от изотропных антенн, дипольные антенны являются настоящими антеннами. Дипольные антенны имеют другую диаграмму направленности по сравнению с изотропными антеннами. Диаграмма направленности диполя составляет 360 градусов в горизонтальной плоскости и 75 градусов в вертикальной плоскости (при условии, что дипольная антенна стоит вертикально) и по форме напоминает бублик.Поскольку луч «слегка» сконцентрирован, дипольные антенны имеют усиление по сравнению с изотропными антеннами 2,14 дБ в горизонтальной плоскости. Утверждается, что дипольные антенны имеют усиление 2,14 дБи (по сравнению с изотропной антенной).

Некоторые антенны сравниваются с дипольными антеннами. Обозначается суффиксом dBd. Следовательно, дипольные антенны имеют усиление 0 дБд (= 2,14 дБи).

Обратите внимание, что в большей части документации дипольные антенны имеют усиление 2,2 дБи. Фактическая цифра — 2.14 дБи, но часто округляется в большую сторону.

Типы антенн

Interline предлагает несколько различных стилей антенн для использования с точками доступа и мостами в продуктах с диапазоном частот 0,8–6,5 ГГц. Каждая предлагаемая к продаже антенна одобрена ETSI. Каждый тип антенны предлагает разные возможности покрытия. По мере увеличения усиления антенны возникает некоторый компромисс с ее зоной покрытия. Обычно антенны с высоким коэффициентом усиления обеспечивают большее расстояние покрытия, но только в определенном направлении.Приведенные ниже диаграммы направленности помогут показать зоны покрытия различных стилей антенн, которые предлагает Interline: всенаправленные, секторные и патч-антенны.

Всенаправленные антенны

Всенаправленная антенна обеспечивает диаграмму направленности на 360 градусов. Этот тип антенны используется, когда требуется покрытие во всех направлениях от антенны.

Рисунок 1. Всенаправленная антенна

Направленные антенны

Направленные антенны бывают разных стилей и форм. Антенна не предлагает никакой дополнительной мощности к сигналу; он просто перенаправляет энергию, которую получает от передатчика. Перенаправляя эту энергию, он дает больше энергии в одном направлении и меньше энергии во всех других направлениях. По мере увеличения усиления направленной антенны угол излучения обычно уменьшается, обеспечивая большее расстояние покрытия, но с уменьшенным углом покрытия. Направленные антенны включают патч-антенны (рис. 2) и параболические антенны. Параболические антенны имеют очень узкий путь радиочастотной энергии, и установщик должен точно нацелить эти типы антенн друг на друга.

Рисунок 2. Направленная патч-антенна

Антенные системы MIMO

MIMO используются для преодоления явления, известного как многолучевое искажение или многолучевые помехи. Антенная система MIMO использует две или несколько идентичных антенн, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить покрытие одной и той же физической зоны.

Многолучевые искажения

Многолучевые помехи возникают, когда РЧ-сигнал имеет более одного пути между приемником и передатчиком.Это происходит на объектах с большим количеством металлических или других отражающих РЧ поверхностей.

RF Так же, как свет и звук отражаются от объектов. Это означает, что может быть несколько путей, по которым РЧ идет от передающей (TX) и приемной (RX) антенны. Эти множественные сигналы объединяются в приемной антенне и приемнике, вызывая искажение сигнала.

Многолучевые помехи могут привести к очень высокой РЧ энергии антенны, но данные невозможно будет восстановить.Изменение типа антенны и местоположения антенны или использование точки доступа MIMO может устранить искажения из-за многолучевого распространения (Рисунок 3).

Рисунок 3. Multipath

MIMO могут принести ряд потенциальных преимуществ системам мобильной радиосвязи, включая более надежную работу в условиях плохого сигнала, большую спектральную эффективность (и, следовательно, общую пропускную способность системы) и повышенную скорость передачи данных для отдельных пользователей. Однако MIMO — это сложная технология, основанная на нескольких вариациях.

• Пространственное разнесение использует независимое затухание различных путей прохождения сигнала между различными передающими и приемными антеннами для повышения надежности линии связи. Один и тот же поток сигналов передается от каждой антенны, но с различным кодированием, что позволяет приемнику извлекать выгоду из разнообразия принимаемых сигналов. Этот метод особенно полезен для каналов управления системой и для надежной работы в условиях плохого сигнала, например, вблизи границ ячеек.
• Пространственное мультиплексирование использует преимущество многолучевого распространения для создания нескольких независимых каналов передачи между передатчиком и приемником, что позволяет передавать два или более разных потока сигналов одновременно. Применяя подходящее кодирование и обработку сигналов, они могут быть извлечены независимо в приемнике. Этот метод можно использовать для увеличения пропускной способности, доступной отдельному пользователю, или для мультиплексирования данных от разных пользователей (обычно называемый многопользовательским MIMO).Максимальное количество поддерживаемых мультиплексных каналов соответствует меньшему из числа антенн на передатчике и приемнике. Например, показанная выше схема MIMO могла бы обеспечить два независимых канала передачи, если бы условия радиосвязи были подходящими. Это можно использовать для удвоения скорости передачи данных, доступной пользователю, или для переноса двух независимых потоков данных.
• Обратная связь и предварительное кодирование с обратной связью позволяет передатчику использовать информацию о канале передачи, предоставляемую приемником.Если имеется обратная связь, передатчик может изменить свое кодирование передаваемых сигналов, чтобы учесть преобладающие характеристики канала, упростить обработку сигнала, требуемую в приемнике, и обеспечить потенциально более высокий прирост производительности.

Эффективность MIMO в реальной сети зависит от ряда факторов, включая разнесение антенн на передающие и приемные устройства, уровень рассеяния и многолучевого распространения на радиотракте, отношение сигнал / шум принимаемых сигналов, и скорость мобильного терминала.MIMO наиболее эффективен при значительном многолучевом распространении, например в городской среде, где сигналы рассеиваются зданиями и другими объектами. В открытой сельской местности, где есть прямой путь передачи между передатчиком и приемником, MIMO менее полезен.

Различные режимы работы MIMO подходят для разных условий. Например, работа с обратной связью хорошо работает с терминалом, который является относительно статичным и имеет высокий уровень сигнала.Однако его производительность будет плохой с мобильным терминалом, который быстро перемещается и испытывает низкий уровень сигнала из-за задержек и неточностей в обеспечении обратной связи по каналу для передатчика. В таких случаях предпочтительно использовать более простую форму MIMO.

Дизайн беспроводной локальной сети

Перед исследованием физической среды крайне важно определить мобильность приложения, средства покрытия и избыточность системы. Такое приложение, как точка-точка, которое соединяет двух или более стационарных пользователей, может лучше всего обслуживаться направленной антенной, в то время как мобильным пользователям обычно требуется несколько всенаправленных микросотов.Эти отдельные микроячейки могут быть связаны друг с другом через инфраструктуру проводной ЛВС или с помощью функции беспроводного ретранслятора, встроенной в любую точку доступа, которая поддерживает эту функцию.

Физическая среда

После решения проблем с мобильностью необходимо изучить физическую среду. Хотя зона покрытия является наиболее важным фактором при выборе антенны, это не единственный критерий выбора. Также необходимо учитывать конструкцию здания, высоту потолка, внутренние препятствия, доступные места для установки и эстетические пожелания заказчика.

Цементные и стальные конструкции имеют разные характеристики распространения радиоволн. Факторами являются внутренние препятствия, такие как товарные запасы и стеллажи на складе. На открытом воздухе многие объекты могут влиять на диаграмму направленности антенн, включая деревья, автомобили и здания, и это лишь некоторые из них.

Строительство зданий

Плотность материалов, используемых в строительстве здания, определяет количество стен, через которые может пройти РЧ-сигнал, при этом сохраняя достаточное покрытие.Ниже приведены несколько примеров. Фактическое влияние на РЧ должно быть проверено на месте, поэтому рекомендуется его обследование.

Бумажные и виниловые стены практически не влияют на проникновение сигнала. Массивные стены и полы, а также стены из сборного железобетона могут ограничить проникновение сигнала в одну или две стены без ухудшения покрытия. Это может сильно варьироваться в зависимости от стальной арматуры в бетоне. Стены из бетона и бетонных блоков могут ограничивать проникновение сигнала тремя или четырьмя стенами. Дерево или гипсокартон обычно обеспечивают достаточное проникновение через пять или шесть стен.Толстая металлическая стенка отражает сигналы, что ухудшает их проникновение. Полы из железобетона ограничивают перекрытие между этажами, возможно, одним или двумя этажами.

Рекомендации для некоторых распространенных сред установки приведены ниже:

● Складирование / производство: в большинстве случаев для таких установок требуется большая зона покрытия. Опыт показал, что всенаправленная антенна, установленная на расстоянии от 6 до 7 метров, обычно обеспечивает наилучшее общее покрытие. Конечно, это также зависит от высоты стойки, материала на стойке и возможности разместить антенну на этой высоте.Установка антенны выше иногда фактически снижает зону покрытия, поскольку угол излучения антенны больше направлен наружу, чем вниз. Антенна должна быть размещена в центре желаемой ячейки покрытия и на открытой местности для достижения наилучших характеристик. В случаях, когда радиоблок будет расположен у стены, для лучшего проникновения в зону можно использовать направленную антенну, такую ​​как патч или Yagi. Угол покрытия антенны влияет на зону покрытия.

● Небольшой офис / небольшой розничный магазин: стандартный диполь может обеспечить адекватное покрытие в этих областях в зависимости от местоположения радиоустройства.Однако в дальнем углу офиса патч-антенна может обеспечить лучшее покрытие. Его можно закрепить на стене над большинством препятствий для оптимальной работы. Зона действия антенны этого типа зависит от окружающей среды.

● Предприятие / крупный розничный магазин: в большинстве случаев для таких установок требуется большая зона покрытия. Опыт показал, что всенаправленные антенны, установленные чуть ниже потолочных балок или чуть ниже подвесного потолка, обычно обеспечивают наилучшее покрытие (это зависит от наличия, типа материала и конструкции здания).Антенна должна быть размещена в центре желаемой ячейки покрытия и на открытом пространстве для достижения наилучших характеристик. В тех случаях, когда радиоблок будет расположен в углу или на одном конце здания, для лучшего проникновения в зону можно использовать направленную антенну, такую ​​как патч или ягикан.

Кроме того, для длинных и узких участков, таких как длинные ряды стеллажей, направленная антенна на одном конце может обеспечить лучшее покрытие. Угол излучения антенн также влияет на зону покрытия.

● Точка-точка: при соединении двух точек (например, беспроводного моста) необходимо учитывать расстояние, препятствия и расположение антенны. Если антенны можно установить в помещении и расстояние очень короткое (несколько сотен футов), можно использовать всенаправленную антенну Logis mini или Horizon 7dBi. Альтернативой является использование двух патч-антенн. Для очень больших расстояний (800 м и более) необходимо использовать направленные антенны с высоким коэффициентом усиления. Эти антенны следует устанавливать как можно выше и над препятствиями, такими как деревья, здания и т. Д .; и если используются направленные антенны, они должны быть выровнены так, чтобы их основные излучаемые лепестки мощности были направлены друг на друга.При конфигурации «линия-зона» можно достичь расстояний до 40 на 2,4 ГГц и до 20 км на 5 ГГц с помощью параболических тарелочных антенн, если сохраняется четкая линия-зона. При использовании направленных антенн существует меньше возможностей возникновения помех и меньше вероятность создания помех кому-либо еще.

● Мост точка-множество точек: в этом случае (в котором одна точка взаимодействует с несколькими удаленными точками) необходимо рассмотреть возможность использования всенаправленной антенны в основной точке связи.Удаленные узлы могут использовать направленную антенну, которая направлена ​​на антенну главной точки.

Кабельная проводка

Как указано выше, кабельная разводка приводит к потерям в системе, сводя на нет некоторое усиление антенны и уменьшая диапазон радиочастотного покрытия.

Межблочный кабель

Кабель с низкими / сверхнизкими потерями

Interline предлагает два стиля кабелей для использования с линейками продуктов 2,4 ГГц и 5 ГГц. Эти кабели обеспечивают гораздо меньший коэффициент потерь, чем стандартный соединительный кабель, и их можно использовать, когда антенну необходимо разместить на любом расстоянии от радиоустройства.Хотя это кабели с низкими потерями, их длина все же должна быть минимальной.

Interline поставляет два типа кабеля для крепления антенны вдали от радиоблока. Кабели длиной 10 и 15 метров относятся к типу RF10, а кабели длиной 1 и 10 метров относятся к типу RF-240. Все четыре длины поставляются с одним подключенным разъемом Nmale, Nfemale, RP-SMA, RP-TNC. Это позволяет подключаться к радиоблоку и к соединительному кабелю, прилагаемому к антеннам.

Для обеспечения совместимости используйте антенны и кабели Interline.

Монтажное оборудование

Каждая антенна требует определенного типа крепления

Антенны для установки на мачте предназначены для установки на мачты различного диаметра, и каждая из них поставляется с монтажным оборудованием для крепления.