Dobra zasnova antene je potrebna za doseganje dobrega dometa. Za dobro anteno je treba izbrati pravo vrsto za uporabo. Prav tako mora biti antena prilagojena in uglašena na oddajnik ter sprejemnik.
Shenzhen Hope Microelectronics Co., Ltd.
Da bi dosegli najboljše rezultate, mora načrtovalec vedeti, kako antena deluje in kateri so pomembni vidiki načrtovanja. Ta članek naj bi pomagal pri doseganju učinkovitega načrtovanja anten.
Anteno lahko opredelimo kot katero koli žico ali vodnik, po katerem teče izmenični tok. Takšen tok ustvarja elektromagnetno polje okoli žice, ki se spreminja in pulzira v skladu z električnim tokom. Če v bližino postavimo drugo žico, bodo silnice elektromagnetnega polja, ki prečkajo to žico, povzročile električni tok, ki je kopija prvotnega toka, le da je šibkejši. Če je žica relativno dolga glede na valovno dolžino, bo večino tega polja oddajala na velike razdalje.
Četrtvalna antena
Najpreprostejša antena je “paličica”(angl. whip). To je žica dolga četrt valovne dolžine, ki stoji nad ozemljitveno ploščo. Najpogostejši primeri so na avtomobilih, uporabljajo pa se za radiodifuzijo, CB in amaterski radio ter celo za mobilne telefone. Ta zasnova izvira iz devetdesetih let 19. stoletja, ko je Marconi želel dokazati, da lahko radijski signali potujejo na dolge razdalje. Da bi mu to uspelo, je moral nad tlemi napeljati dolgo žico. Zaradi nizkih frekvenc, in s tem velike valovne dolžine, je morala biti žica dolga. Ugotovil je tudi, da žica deluje bolje, če je visoko nad tlemi.
Vse antene imajo, tako kot vse elektronske komponente, vsaj dve priključni točki. V primeru paličice mora obstajati povezava z ozemljitvijo, tudi če je ozemljitveno območje le vezje in baterija. Paličica in ozemljitvena plošča skupaj tvorita popolno vezje. Elektromagnetno polje se vzpostavi med paličico in ozemljitveno ploskvijo, skozi polje teče tok, s čimer se zaključi vezje. V idealnem primeru bi se morala ozemljitvena ploskev razprostirati vsaj četrtino valovne dolžine ali več okoli osnove paličice. Ozemljitveno ploskev je mogoče zmanjšati, vendar to vpliva na delovanje paličaste antene. Pri načrtovanju antene je treba upoštevati površino ozemljitvene plošče.
Četrtvalna paličasta antena ni kompaktna antena. Pri frekvenci 1 MHz v AM oddajnem pasu četrt valovne dolžine znaša približno 82 metrov. Pri frekvenci 100 MHz v radiodifuznem FM pasu je to skoraj 82.5 cm. Pri višjih frekvencah se ta dimenzija še naprej zmanjšuje in pri 1000 MHz znaša skoraj 8,25 cm. Enostavna formula za izračun četrt valovne dolžine (v cm) je: 7500 deljeno s frekvenco (v MHz).
Ta formula je le izhodišče, saj je lahko dolžina dejansko krajša, če je paličasta antena predebela ali široka, ima kakršno koli prevleko ali ni napajana blizu tal. Če je ozemljitvena ploskev premajhna, bo morda morala biti daljša.
Dolžino antene je treba meriti od točke, kjer je antena v neposredni bližini tal, ali od izhoda oddajnika. Če je antenska paličica pritrjena na škatlo in je povezana z oddajnikom z navadno žico, ta žica postane del antene! Da bi se izognili napačni nastavitvi antene, je treba za povezavo z zunanjo anteno uporabiti koaksialni kabel. Na tiskanem vezju je ekvivalent koaksialnega kabla sled, ki poteka čez ozemljitveno ploščo (ozemljitvena plošča na hrbtni strani).
Zgoraj navedeni so primeri prenosnih linij, katerih namen je učinkovit prenos energije z enega mesta na drugo z najmanjšimi izgubami. Ne poskušajte voditi antenske linije preblizu ozemljitve, saj postane bolj prenosni vod kot antena.
Antena na tiskanem vezju
Paličasta antena je lahko narejena kot sled na plošči tiskanega vezja (TIV). To je zelo praktično pri frekvencah nad 800 MHz. Pri nižjih frekvencah je lahko paličasta antena polne velikosti predolga, tudi če jo ovijete okoli nekaj vogalov. Dolžina paličaste antene mora biti za 10 do 20 % krajša od izračuna, odvisno od dielektrika in debeline plošče. V večini primerov je 15 % krajša dovolj. Če se bo naprava držala v roki, je lahko antena nekoliko krajša, da se izravna učinek roke.
Pri frekvenci 916 MHz bo 57 mm dolga sled zagotovila razumno impedanco, če so vključeni učinki rok. Sled antene naj bo oddaljena od drugih vezij in ozemljitve za 6 mm ali več. Sledi vezja, ki niso ozemljena, lahko antena vidi kot del ozemljitvenega sistema, na bližnji sledi pa se lahko inducirajo VF napetosti.
Naš primer antene na TIV je prikazan na sliki 3. Celotne dimenzije vezja in ozemljitve nista kritični. Sevalni diagram antene je krožen z dobitkom -8 do -12 dBd, ko je ploščica položena horizontalno. Polarizacija je horizontalna.
Če paličasta antena ne bi bila paralelno z ozemljitvijo, bi dobitek bil višji, vendar bi bili prisotni dve ostri ničli. Če bi ploščico imeli v vertikalnem položaju z anteno nad ozemljitvijo, bi bila polarizacija vertikalna. Antena bi imela krožni sevalni diagram z dobitkom – 8 dBd.
Kompaktne antene
Enostavna alternativa paličasti anteni je, da jo naredimo krajšo od četrt valovne dolžine in dodamo tuljavo v bližini osnove paličaste antene, da kompenziramo nastalo kapacitivno reaktanco. Tuljavo lahko naredimo tako, da navijemo del samega vodnika. Takšna antena ima lahko skoraj enako zmogljivost kot paličasta antena polne dolžine.
Kratka paličasta antena s slike 5 je predvidena za majhne ozemljitvene površine. Pri meritvah se je izkazalo, da je dobitek 3 do 4 dB nižji od paličaste antene v celotni dolžini.
Velika prednost kratke paličaste antene je to, da je lahko sled na tiskanem vezju s SMD tuljavo, ki se uporablja za prilagoditev kapacitivne reaktance antene. Če je sled vzporedna z zemljo, bo realni del impedance antene približno 10 Ohmov. Pri ročni enoti se impedanca znatno poveča zaradi učinkov rok. Za desetino valovne dolžine traku na ploščici z vključenimi učinki rok ima antena kapacitivno reaktanco približno 150 Ohmov. Pri frekvenci 433,9 MHz bi za izničenje kapacitivne reaktance 70 mm dolge linije potrebovali 56 nH tuljavo.
Sevalni diagram bo precej krožen, s plitvo ničlo vzdolž ene osi. Polarizacija je približno vzporedna z robom plošče. Uglaševanje ni zelo kritično, majhne razlike v vrednosti tuljave ali dolžini antene ne bodo imele velikega vpliva na delovanje. Naši vzorčni modeli pri frekvencah 433,9 in 916 MHz so dali največji dobitek med -12,5 in -14 dBd ob strani plošče.
Spiralna antena
Drugi način za skrajšanje paličaste antene je, da jo zvijete v sploščen kolobar žice. To je lahko sled, natisnjena na tiskano vezje. Na ploščici je dolžina sledi nekoliko krajša od četrtine valovne dolžine. Antena ne sme imeti ozemljitvene plošče neposredno pod seboj in mora zavzemati prost konec plošče. Začnite na primer s 15,24 cm dolgo tanko sledjo, ovito v 19 mm kvadratno površino, nato pa nekoliko skrajšajte dolžino, dokler ne resonira pri 433,9 MHz.
Dobitek in impedanca antene se razlikujeta glede na velikost ozemljitvene plošče. Naša različica za 433,9 MHz je imela precej majhno ozemljitveno ploščo s površino 17 cm², različica za 916 MHz pa je imela četrt vala dolgo ozemljitev. Antena 433,9 MHz je imela največji dobitek -10,5 dBd z majhno ničlo -24 dBd. Antena za 916 MHz je imela največji dobitek -5 dBd. Primerljiv dobitek je viden tudi pri pogledu na ploščo z licem navzgor.
Helikoidna antena
To je podobna, kot spiralna antena, le da ni sploščena. Začnite s kosom žice, ki je 2- do 3-krat daljša od paličaste antene, in jo zvijte v spiralo. Število zavojev na tuljavi je odvisno od velikosti žice, premera tuljave in razmika med zavoji.
Za resonanco je treba tuljavo odrezati, nastavite pa jo lahko s širjenjem ali stiskanjem dolžine tuljave. Če je tuljava navita dovolj tesno, je lahko krajša od ene desetine valovne dolžine. Ta antena se ostro uglasi, zato je treba biti pri uglaševanju previden. Realni del impedance antene je manj kot 20 Ohmov in je odvisen od velikosti tuljave in njene usmerjenosti proti zemlji.
Za frekvenco 433,9 MHz smo okoli 6 mm telesa navili 14 zavojev žice premera 0,64 mm. Ko je bila uglašena, je bila njena dolžina nekaj manj kot 2,5 cm. Bližina te tuljave do tal pomeni veliko razliko pri delovanju. Ko je tuljava blizu in vzporedno z zemljo, je največji dobitek le -18 dBd. Ko je bil ohlapni konec tuljave odmaknjen od tal, kot je prikazano na sliki 10b, se je dobitek povečal na -5,5 dBd, ničla pa je postala globlja.
Čip antena
Najnovejša novost na področju anten je majhna “čip” antena. To so komponente za površinsko montažo, ki so običajno velike 8 x 5 x 2,5 mm, kar pomeni, da so najmanjše razpoložljive. Najdemo jih za frekvence, nižje od 300 MHz in do 2.500 MHz. Te antene so po obnašanju podobne paličastim antenam, le da so veliko manjše. Če je mogoče zmanjšati velikost antene in pri tem ohraniti učinkovitost, se pasovna širina zmanjša. Zato imajo te komponente zelo ozko pasovno širino in morajo biti izdelane za točno določeno frekvenco.
Te komponente so zelo odvisne od ozemljitvene plošče. Zato jih je mogoče zlahka razglasiti zaradi učinkov roke, napačne velikosti ozemljitvene plošče ali celo napačne debeline in dielektrika plošče. Čip antena se mora uporabljati v skladu s priporočili proizvajalca.
Za frekvenco 433,9 MHz smo čip namestili na 12,7 cm dolgo ploščo in dosegli največji dobitek -10 dBd. To ni slabo, če upoštevamo, da ima spirala enak dobitek, vendar porabi petkrat več površine na plošči. Različica 916 MHz se je bolje odrezala s 6,6 cm dolgo ozemljitveno ploščo za največji dobitek -3,2 dBd. Polarizacija je vzporedna z dolgo osjo čipa, zato je največje sevanje pravokotno na dolgo os. Na obeh koncih čipa je globoka ničla (skoraj 40 dB!). To bi bil velik problem, če bi se zahteval krožni sevalni diagram vezja. Ko je plošča navpična, je sevalni diagram krožen.
Antena v obliki zanke
Zanka se od paličaste antene razlikuje po tem, da sta oba konca antene zaključena. V tem primeru je ozemljen tisti konec, ki je nasproti oddajnika (ali sprejemnika). Za uglasitev antene na pravo impedanco se namesto tuljave uporablja kondenzator.
Prednost zanke je v tem, da je ni mogoče zlahka razglasiti zaradi vpliva roke, čeprav se impedanca še vedno lahko spreminja. Zanka je lahko majhna, ne potrebuje ozemljitvene plošče in ne zavzema več prostora kot kratka paličasta antena. Zaradi teh razlogov so zanke zelo pogoste v ročnih napravah.
Obstajajo tudi nekatere slabosti. Majhne zančne antene slovijo po slabem izkoristku. Majhna zanka ima zelo ozko pasovno širino. Zaradi tega je uglaševanje zelo pomembno. Uglaševanje se pogosto izvaja s spremenljivim kondenzatorjem, kar poveča stroške, tako za komponente, kot za stroške dela.
Če je zanka dovolj velika, je morda smiselno uporabiti fiksen kondenzator. To zahteva skrbno prilagajanje v inženirskih fazah, da se zagotovi pravilna uglasitev s kondenzatorjem standardne vrednosti.
Naš primer zančne antene pokriva površino 12 x 35 mm na koncu plošče. S spremenljivim kondenzatorjem je uglašena na 433,9 MHz. Ta antena ima zelo krožen smerni diagram, vendar je njen dobitek le -18 dBd. Večja zanka bi morala izboljšati izkoristek.
Pol zančna antena
Gre za nenavadno zasnovo, ki je videti kot zanka, vendar ne potrebuje neposredne ozemljitve. Po zmogljivosti je primerljiva anteni z zanko in jo je mogoče prilagoditi tako, da predstavlja nereaktivno breme. Ta antena uporablja vez, ki poteka po celotnem robu majhnega tiskanega vezja.
Daljši (odprti) konec je prek plošče kapacitivno povezan z oddajnim koncem antene. Antena resonira s spreminjanjem dolžine kratke prekrivajoče se linije. Uglaševanje ni zelo pomembno. Učinki rok bodo izboljšali impedanco, na uglaševanje pa ne bodo imeli večjega vpliva. Polarizacija je vzporedna s tiskanim vezjem, smerni diagram antene je krožni. Naša zasnova je imela pri 433,9 MHz dobitek -15 dBd. Ta zasnova se zelo dobro obnese pri ročnih napravah.
Tako kot pri drugih modelih tudi ta antena ne sme biti preblizu tal. Pri tej zasnovi morajo biti oddajnik in druga vezja, vključno z baterijo, razporejeni okoli sredine plošče, antena pa mora biti na prostem. Obod plošče mora biti precej manjši od četrt valovne dolžine. Dobre rezultate smo dosegli z obsegom približno 0,15 valovne dolžine in širino linije 1 do 1,5 mm, ko smo jo uporabljali na območju 400 MHz. Če se zasnova uporablja na tanjši ploščici, bo treba 5 mm prekrivanje skrajšati.
Ohišja
Antena ne sme biti nameščena v prevodnem ali kovinskem ohišju. Paziti je treba, da je antena oddaljena od kovinskih površin. Če je prevodna površina velika glede na valovno dolžino (pol vala ali več), lahko deluje kot reflektor in povzroči, da antena v nekaterih smereh ne seva. Če se za ohišje uporablja kovinska škatla, je potrebna zunanja antena.
Testiranje in uglaševanje
Antene se morda zdijo mistična umetnost. Za razliko od številnih elektronskih naprav lahko vsaka sprememba bližnjih materialov ali dimenzij vpliva na delovanje antene. Poskus izdelave objavljene zasnove ne zagotavlja rezultatov. Potrebno je testiranje zasnove antene, običajno je potrebno uglaševanje, na poti pa se pojavljajo tudi pasti.
Za testiranje impedance ali VSWR antene se običajno uporablja VNA (angl. Vector Network Analyzer). Nekatere antene, katerih impedanca je blizu 50 ohmov, lahko nastavite tako, da pogledate izgube odbitega vala ali prikaz VSWR. Pri antenah z nizko impedanco bo za dobre rezultate morda treba uporabiti Smithov diagram. V tem primeru je treba anteno nastaviti na točko blizu linije realne upornosti.
Obstajajo tudi druge možnosti, kot je spektralni analizator s sledilnim generatorjem, ki se lahko uporablja s smernim sklopnikom. Sklopnik bo dovajal energijo v anteno, odbito moč od antene pa bo dovajal nazaj v analizator. Izolacija med generatorjem in vhodno RF-priključkom mora biti 20 dB ali več.
Vse vrste meritev anten so zahtevne, saj na anteno vplivajo bližnji predmeti, vključno z velikostjo in obliko tiskanega vezja ter celo kabelske povezave z omrežnim analizatorjem. Če se z roko približate anteni, se mora dip nekoliko premakniti. Če se to ne zgodi, antena morda ni pravilno priključena. Antene, ki so občutljive na ozemljitveno ploskev, lahko vse dodatne žice vidijo kot podaljšek te ozemljitve. Poskusite z roko oviti kabel, ki vodi do analizatorja. Če se meritev močno spremeni, boste morda morali poskusiti z drugo taktiko. Ena od možnosti za zmanjšanje RF tokov na kablu je, da na kabel namestite nekaj dobrih visokofrekvenčnih feritnih toroidov.
Pogoste težave z antenami so običajno povezane s premajhno količino prostega prostora okoli antene. Antena ne more potekati blizu zemlje ali katere koli druge sledi, ne da bi to vplivalo na delovanje antene.
Visoke statične napetosti lahko poškodujejo občutljive polprevodnike. Priporočamo, da med anteno in ozemljitvijo namestite tuljavo, ki bo predstavljala kratek stik za statične napetosti. Za območje 400 MHz je dobra izbira vrednost blizu 200 nH. Pri frekvenci 916 MHz je primernejša vrednost 100 nH.
Povzeto po
https://tinyurl.com/5n92hfrv
