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 over te brengen van een bron naar een antenne, of van een antenne naar een ontvanger. De eerste is een zendantenne en de tweede een ontvangstantenne.
Figuur 1 Transmissiepad van elektromagnetische energie (bron-transmissielijn-antenne-vrije ruimte)
De transmissie van het antennesysteem in de transmissiemodus van figuur 1 wordt weergegeven door het Thévenin-equivalent zoals weergegeven in figuur 2. De bron wordt weergegeven 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 verband houden met de antennestructuur, terwijl Rr de stralingsweerstand van de antenne vertegenwoordigt en de reactantie XA wordt gebruikt om het imaginaire deel van de impedantie die verband houdt met de antennestraling weer te geven. Onder ideale omstandigheden zou alle door de signaalbron gegenereerde energie moeten worden overgedragen aan de stralingsweerstand Rr, die wordt gebruikt om het stralingsvermogen van de antenne weer te geven. In praktische toepassingen treden echter geleider-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. Wanneer rekening wordt gehouden met de interne impedantie van de bron en de verliezen door de transmissielijn en reflectie (mismatch) buiten beschouwing worden gelaten, wordt bij conjugate matching het maximale vermogen aan de antenne geleverd.
Figuur 2
Door de mismatch tussen de transmissielijn en de antenne wordt de gereflecteerde golf van de interface gesuperponeerd met de invallende golf van de bron naar de antenne. Hierdoor ontstaat een staande golf, die staat voor energieconcentratie en -opslag en een typisch resonantie-element is. Een typisch staand golfpatroon wordt weergegeven door de stippellijn in figuur 2. Als het antennesysteem niet goed is ontworpen, kan de transmissielijn grotendeels fungeren als een energieopslagelement, in plaats van als een golfgeleider en energietransmissie-apparaat.
De verliezen veroorzaakt door de transmissielijn, antenne en staande golven zijn ongewenst. Lijnverliezen kunnen worden geminimaliseerd door transmissielijnen met een laag verlies te selecteren, terwijl antenneverliezen kunnen worden verminderd door de verliesweerstand (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) af te stemmen op de karakteristieke impedantie van de lijn.
In draadloze systemen zijn antennes, naast het ontvangen of verzenden van energie, meestal nodig om de uitgestraalde energie in bepaalde richtingen te versterken en de uitgestraalde energie in andere richtingen te onderdrukken. Daarom moeten antennes, naast detectieapparatuur, ook als richtingsapparatuur worden gebruikt. Antennes kunnen verschillende vormen hebben om aan specifieke behoeften te voldoen. Het kan gaan om een draad, een opening, een patch, een elementsamenstelling (array), een reflector, een lens, enzovoort.
Antennes zijn een van de meest cruciale componenten in draadloze communicatiesystemen. 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 zijn een van de meest voorkomende soorten antennes, omdat ze bijna overal te vinden zijn: in auto's, gebouwen, schepen, vliegtuigen, ruimtevaartuigen, enz. Draadantennes bestaan in verschillende vormen, zoals een rechte lijn (dipool), een lus of een spiraal, zoals weergegeven in figuur 3. Lusantennes hoeven niet alleen rond te zijn. Ze kunnen rechthoekig, vierkant, ovaal of een andere vorm hebben. De ronde antenne is het meest voorkomend vanwege de eenvoudige structuur.
Figuur 3
2. Openingantennes
Apertuurantennes spelen een steeds grotere rol vanwege de toenemende vraag naar complexere antennevormen en het gebruik van hogere frequenties. Enkele vormen van apertuurantennes (piramidale, conische en rechthoekige hoornantennes) worden getoond in figuur 4. Dit type antenne is zeer nuttig voor toepassingen in vliegtuigen en ruimtevaartuigen, omdat ze zeer gemakkelijk op 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 zware omstandigheden.
Figuur 4
3. Microstripantenne
Microstripantennes werden in de jaren 70 zeer populair, voornamelijk voor satelliettoepassingen. De antenne bestaat uit een diëlektrisch substraat en een metalen plaatje. Het metalen plaatje kan vele verschillende vormen hebben, en de rechthoekige patchantenne in figuur 5 is de meest voorkomende. Microstripantennes hebben een laag profiel, zijn geschikt voor zowel vlakke als niet-vlakke oppervlakken, zijn eenvoudig en goedkoop te produceren, zijn zeer robuust bij montage op stijve oppervlakken 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 stralingseigenschappen die voor veel toepassingen vereist zijn, kunnen mogelijk niet met één enkel antenne-element worden bereikt. Antenne-arrays kunnen de straling van de gesynthetiseerde elementen omzetten in maximale straling in een of meer specifieke richtingen; een typisch voorbeeld is weergegeven in figuur 6.
Figuur 6
5. Reflectorantenne
Het succes van de ruimtevaart heeft ook geleid tot de snelle ontwikkeling van antennetheorie. Vanwege de behoefte aan communicatie over zeer lange afstanden, moeten antennes met extreem hoge versterking worden gebruikt om signalen over miljoenen kilometers afstand te verzenden en te ontvangen. Een veelgebruikte antenne in deze toepassing is de parabolische antenne, weergegeven in figuur 7. Dit type antenne heeft een diameter van 305 meter of meer, en zo'n groot formaat is nodig om de hoge versterking te bereiken die nodig is om signalen over miljoenen kilometers afstand te verzenden of te ontvangen. Een andere reflectorvorm is een hoekreflector, zoals weergegeven in figuur 7 (c).
Figuur 7
6. Lensantennes
Lenzen worden voornamelijk gebruikt om invallende verstrooide energie te collimeren om 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. Hun afmetingen en gewicht worden echter zeer groot bij lagere frequenties. Lensantennes worden geclassificeerd op basis van hun constructiematerialen of geometrische vormen, waarvan sommige zijn weergegeven in Figuur 8.
Figuur 8
Voor meer informatie over antennes kunt u terecht op:
Plaatsingstijd: 19-07-2024
