1. Inleiding tot antennes
Een antenne is een overgangsstructuur tussen de vrije ruimte en een transmissielijn, zoals weergegeven in figuur 1. De transmissielijn kan de vorm hebben van een coaxiale lijn of een holle buis (golfgeleider), die wordt gebruikt om elektromagnetische energie van een bron naar een antenne te transporteren, of van een antenne naar een ontvanger. De eerste is een zendantenne en de laatste een ontvangstantenne.
Figuur 1. Pad voor de overdracht van elektromagnetische energie (bron-zendlijn-antenne-vrije ruimte).
De transmissie van het antennesysteem in de transmissiemodus van Figuur 1 wordt weergegeven door het Thevenin-equivalent zoals getoond in Figuur 2, waarbij de bron wordt voorgesteld door een ideale signaalgenerator, de transmissielijn door een lijn met karakteristieke impedantie Zc, en de antenne door een belasting ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. De belastingsweerstand RL vertegenwoordigt de geleidings- en diëlektrische verliezen die samenhangen met de antennestructuur, terwijl Rr de stralingsweerstand van de antenne vertegenwoordigt en de reactantie XA wordt gebruikt om het imaginaire deel van de impedantie weer te geven dat samenhangt met de antennestraling. Onder ideale omstandigheden zou alle energie die door de signaalbron wordt gegenereerd, moeten worden overgedragen aan de stralingsweerstand Rr, die wordt gebruikt om het stralingsvermogen van de antenne weer te geven. In de praktijk treden echter geleidings- en diëlektrische verliezen op als gevolg van de eigenschappen van de transmissielijn en de antenne, evenals verliezen veroorzaakt door reflectie (mismatch) tussen de transmissielijn en de antenne. Rekening houdend met de interne impedantie van de bron en de transmissielijn- en reflectieverliezen (mismatch) negerend, wordt het maximale vermogen aan de antenne geleverd bij geconjugeerde aanpassing.
Figuur 2
Door de mismatch tussen de transmissielijn en de antenne wordt de gereflecteerde golf van het grensvlak gesuperponeerd met de invallende golf van de bron naar de antenne, waardoor een staande golf ontstaat. Deze staande golf vertegenwoordigt energieconcentratie en -opslag en is een typisch resonantie-element. Een typisch staand golfpatroon wordt weergegeven door de stippellijn in figuur 2. Als het antennesysteem niet correct is ontworpen, kan de transmissielijn in grote mate fungeren als een energieopslagelement in plaats van als een golfgeleider en energieoverdrachtselement.
De verliezen veroorzaakt door de transmissielijn, de antenne en staande golven zijn ongewenst. Lijnverliezen kunnen worden geminimaliseerd door transmissielijnen met lage verliezen te selecteren, terwijl antenneverliezen kunnen worden verminderd door de verliesweerstand, weergegeven door RL in figuur 2, te verlagen. Staande golven kunnen worden verminderd en energieopslag in de lijn kan worden geminimaliseerd door de impedantie van de antenne (belasting) aan te passen aan de karakteristieke impedantie van de lijn.
In draadloze systemen zijn antennes, naast het ontvangen en verzenden van energie, meestal nodig om de uitgestraalde energie in bepaalde richtingen te versterken en in andere richtingen te onderdrukken. Antennes moeten daarom, naast detectie, ook als richtingsgevoelige apparaten worden gebruikt. Antennes kunnen verschillende vormen aannemen om aan specifieke behoeften te voldoen. Het kan een draad, een opening, een patch, een elementenassemblage (array), een reflector, een lens, enzovoort zijn.
In draadloze communicatiesystemen zijn antennes een van de meest cruciale componenten. Een goed antenneontwerp kan de systeemvereisten verlagen en de algehele systeemprestaties verbeteren. Een klassiek voorbeeld is televisie, waar de ontvangst van uitzendingen kan worden verbeterd door het gebruik van hoogwaardige antennes. Antennes zijn voor communicatiesystemen wat ogen zijn voor mensen.
2. Antenneclassificatie
1. Draadantenne
Draadantennes behoren tot de meest voorkomende antennetypes, omdat ze bijna overal te vinden zijn: in auto's, gebouwen, schepen, vliegtuigen, ruimtevaartuigen, enzovoort. Er bestaan verschillende vormen draadantennes, zoals rechte lijnen (dipolen), lussen en spiralen, zoals weergegeven in figuur 3. Lusantennes hoeven niet per se rond te zijn. Ze kunnen rechthoekig, vierkant, ovaal of elke andere vorm hebben. De ronde antenne is het meest voorkomend vanwege de eenvoudige structuur.
Figuur 3
2. Apertuurantennes
Door de toenemende vraag naar complexere antennevormen en het gebruik van hogere frequenties spelen apertuurantennes een steeds grotere rol. Enkele voorbeelden van apertuurantennes (piramidale, conische en rechthoekige hoornantennes) zijn weergegeven in figuur 4. Dit type antenne is zeer geschikt voor toepassingen in vliegtuigen en ruimtevaartuigen, omdat ze gemakkelijk aan de buitenkant van het vliegtuig of ruimtevaartuig kunnen worden gemonteerd. Bovendien kunnen ze worden bedekt met een laag diëlektrisch materiaal om ze te beschermen tegen extreme omstandigheden.
Figuur 4
3. Microstripantenne
Microstripantennes werden in de jaren 70 erg populair, vooral voor satelliettoepassingen. De antenne bestaat uit een diëlektrisch substraat en een metalen patch. De metalen patch kan vele verschillende vormen hebben, en de rechthoekige patchantenne in figuur 5 is de meest voorkomende. Microstripantennes hebben een laag profiel, zijn geschikt voor vlakke en niet-vlakke oppervlakken, zijn eenvoudig en goedkoop te produceren, zijn zeer robuust wanneer ze op stijve oppervlakken worden gemonteerd en zijn compatibel met MMIC-ontwerpen. Ze kunnen worden gemonteerd op het oppervlak van vliegtuigen, ruimtevaartuigen, satellieten, raketten, auto's en zelfs mobiele apparaten en kunnen conform worden ontworpen.
Figuur 5
4. Array-antenne
De stralingskarakteristieken die voor veel toepassingen vereist zijn, kunnen mogelijk niet met één enkel antenne-element worden bereikt. Antenne-arrays kunnen de straling van de elementen zo bundelen dat maximale straling in één of meerdere specifieke richtingen wordt geproduceerd; een typisch voorbeeld hiervan is weergegeven in figuur 6.
Figuur 6
5. Reflectorantenne
Het succes van de ruimtevaart heeft ook geleid tot een snelle ontwikkeling van de antennetheorie. Vanwege de behoefte aan communicatie over ultralange afstanden moeten antennes met een extreem hoge versterking worden gebruikt om signalen over miljoenen kilometers te verzenden en te ontvangen. Een veelgebruikte antennevorm hiervoor is de parabolische antenne, zoals weergegeven in figuur 7. Dit type antenne heeft een diameter van 305 meter of meer, en een dergelijke grote afmeting is nodig om de hoge versterking te bereiken die vereist is voor het verzenden en ontvangen van signalen over miljoenen kilometers. Een andere vorm van reflector is een hoekreflector, zoals weergegeven in figuur 7 (c).
Figuur 7
6. Lensantennes
Lenzen worden voornamelijk gebruikt om invallende verstrooide energie te bundelen en zo te voorkomen dat deze zich in ongewenste stralingsrichtingen verspreidt. Door de geometrie van de lens op de juiste manier aan te passen en het juiste materiaal te kiezen, kunnen ze verschillende vormen van divergente energie omzetten in vlakke golven. Ze kunnen in de meeste toepassingen worden gebruikt, zoals parabolische reflectorantennes, vooral bij hogere frequenties, maar hun afmetingen en gewicht worden aanzienlijk groter bij lagere frequenties. Lensantennes worden geclassificeerd op basis van hun constructiematerialen of geometrische vormen, waarvan er enkele in figuur 8 worden getoond.
Figuur 8
Ga voor meer informatie over antennes naar:
Geplaatst op: 19 juli 2024
