Jste zde

Úvod do antén

Redakce HW serveru, 24. Říjen 2002 - 0:00

Antény jsou často oblastí, které není věnována přílišná pozornost. Příliš často se návrh odbyde

triviálním "kusem drátu", v nejlepším případě délky lambda/4. Přitom kvalita antény může být kritickým parametrem

určujícím kvalitu celého zařízení.

Dobrá anténa samozřejmě není jen kus vodiče příslušného tvaru a velikosti - při návrhu musíme uvažovat i rozhraní mezi koncovým stupněm zesilovače a vlastní anténou. Tady přijde ke slovu filtrace, impedanční přizpůsobení, atd.

Základní konfigurace

I když by se zdálo, že množství různých konfigurací antén je téměř nekonečné, vetšina antén je složena z pouhých čtyř základních prvků: dipólu, monopólu, smyčky, a "patche". Složitější antény pak používají vícero prvků stejného typu, nebo navzájem různé základní prvky kombinují, a přidávají k nim další struktury pro tvarování vyzářeného pole.

Parametry:

Primárními parametry antény jsou vyzařovací charakteristiky, znázorněné zpravidla diagramy - v závislosti na azimutu (0-360°) a výškovém úhlu. Další důležité parametry jsou vyzařovací úhel, šířka přenášeného pásma, polarizace, atd.

Zisk antény se liší od zisku zesilovače, protože anténa neobsahuje žádné aktivní obvody, a nemůže tedy zvýšit sílu signálu. Zisk antény udává v decibelech, jak se tvar vyzářeného pole liší od izotropní ideální antény (jednotka dBi). Ideální izotropní anténa vysílá nebo přijímá signál rovnoměrně do/z všech směrů, a samozřejmě v reálném světě ji nelze sestrojit. Někdy se rovněž porovnává zisk antény s dipólem, který už se dá zkonstruovat a použít jako reference.

Konfigurace:

Nejstarší anténní strukturou je dipól. Obvykle se napájí vedením připojeným do středu. Teoreticky rezonuje při délce rovné l/2, kde l (lambda) je pracovní vlnová délka, a to s impedancí 72 W. V praxi je rezonanční délka o 3-5% menší než teoretická. Následující obrázek znázorňuje vyzařovací charakteristiky dipólu:

O trochu mladší než dipól je monopól, čili běžný "prut". Jedná se o vertikální dipól, jehož jedna "noha" je nahrazena virtuálním zrcadlovým obrazem podle ideální vodivé uzemněné roviny pod anténou. Takováto anténa rezonuje při l/4, impedance 36 W (polovina impedance dipólu). Bohužel, ideálně nekonečná uzemněná rovina pod anténou v praxi buď neexistuje vůbec, nebo se vyskytuje chaoticky. Skutečné vyzařovací charakteristiky pak značné závisí na konkrétní instalaci.

Třetím typem antény je smyčka (rámová anténa). Může být čtvercová nebo kulatá, rezonuje při délce obvodu rovném pracovní vlnové délce. Napájí se jednoduše rozpojením smyčky v určitém bodě a připojením přívodního vedení. Pro nízké frekvence jsou smyčky nepraktické, ale jsou už použitelné pro frekvence používané např. v mobilních telefonech a pagerech.

Anténa "patch" je tvořena vodivou plochou, která je dielektrikem oddělena od zemnící vodivé roviny. Jako dielektrikum se často používá materiál oboustranné desky plošných spojů. Rezonuje, má-li každý okraj délku l/2. Rovněž se používá kulatá vodivá plocha s poloměrem 0,3 l. Anténa se napájí malým otvorem v zemnící rovině.

Provoz a pokrytí nezávisí na tom, pracuje-li anténa jako vysílací nebo přijímací, její parametry (vyzařovací charakteristiky, zisk, impedance, atd.) se v obou režimech neliší. U výkonných vysílačů je ovšem nutno anténu konstruovat tak, aby snesla odpovídající proudy.

Velikost versus efektivita

Do mobilních zařízení se ale často ideálně velká anténa prostě nevejde. Navíc je anténa v těsné blízkosti ostatních obvodů, krytu, těla uživatele, atd. Naštěstí mohou dobře fungovat i antény menší než ideální. Např. v některých pagerech se používá smyčka o obvodu 0,1 l. Musíme ale počítat s tím, že přizpůsobovací obvody způsobí nějaké ztráty, a tudíž snížení dosahu, citlivosti, apod.

Impedance krátkých monopólů a dipólů zahrnuje kapacitní složku, a její reálná složka je tudíž menší než u antény ve volném prostoru o rezonující délce, která má čistě ohmickou impedanci. Přizpůsobovací obvody, které transformují komplexní impedanci antény ve zdánlivý ohmický odpor, musí zavést kompenzační induktanci. Tato induktivní zátěž se u monopólů často realizuje jako samostatná cívka ve spodní části antény, nebo jako šroubovice navinutá na ohebném jádře - běžný "pendrek" u ručních vysílaček.

Většina pagerů používá smyčkové antény. Na rozdíl od dipólu nebo monopólu má menší (než rezonující) anténa induktivní složku impedance, a potřebuje tudíž kompenzaci kapacitou. Přijímače musí obvykle kompenzovat malou efektivnost malé antény použitím citlivějšího zesilovače.

Efektivitu smyčkové antény lze několika jednoduchými úpravami značně zlepšit. Například, při použití plochých vodičů (např. cesty na plošném spoji) namísto kulatých stejného průřezu se zisk zvedne až o 2 dB. Důvodem je, že ploché vodiče vykazují menší skin-efekt než kulaté vodiče.

Další možností je použít více závitů. Dva závity ležící ve stejné rovině mají o cca 3 dB větší zisk než závit jediný; nesmí být ale příliš blízko u sebe (méně než cca 1/10 l) - pak není zvětšení zisku tak velké. Každý další závit ovšem zvyšuje induktanci celé antény, a komplikuje tak návrh přizpůsobovacích obvodů.

Z EDN přelozil Jozin Hlavac