Wat is een passieve antenne? Complete gids

Passieve antennes, eenvoudig maar efficiënt in hun ontwerp, zijn in staat om signalen te ontvangen en uit te zenden wanneer ze op de juiste manier geconfigureerd zijn, volledig vertrouwend op hun structurele ontwerp zonder externe voeding. Dit artikel onderzoekt hun ontwerpoverwegingen, werkfrequentiebereiken en voordelen ten opzichte van actieve antennes. Door in te gaan op deze fundamentele concepten met betrekking tot passieve antennes, wil het artikel gebruikers helpen bij het nemen van weloverwogen beslissingen over het selecteren van passieve antennes voor zowel alledaags als gespecialiseerd gebruik.

Passieve antennes begrijpen

Passieve antennes werken zonder externe voedingsbron, omdat ze geen geïntegreerde signaalversterkers gebruiken. Deze antennes, die volledig afhankelijk zijn van hun structurele ontwerp, zijn eenvoudige maar efficiënte oplossingen voor signaaloverdracht in verschillende toepassingen, van televisieontvangst tot satellietcommunicatie.

In tegenstelling tot actieve antennes passieve antennes gebruiken antenne-elementen zoals lussen en dipolen voor een effectieve transmissie. Wanneer een elektromagnetisch signaal de elementen passeert, wekt het een wisselstroom op die vervolgens wordt doorgegeven aan een aangesloten ontvangtoestel voor verdere verwerking. Het geïnduceerde wisselstroomsignaal komt overeen met de informatie die het overbrengt en omdat de antenne ontworpen is om te resoneren op bepaalde frequentiebereiken kan het alleen de bedoelde frequenties verwerken en andere weigeren. Passieve antennes kunnen signalen uitzenden wanneer ze verbonden zijn met een zender, waarbij elektrische signalen worden omgezet in elektromagnetische golven voor voortplanting.

Hoewel passieve antennes gevoelig kunnen zijn voor interferentie in uitdagende omgevingen, minimaliseert hun ontwerp eenvoud problemen zoals intermodulatie.

Soorten passieve antennes

Er bestaat een breed scala aan passieve antennes, elk ontworpen voor unieke draadloze communicatie-eisen. Enkele van de common types worden hieronder weergegeven:

• Paneelantenne

Deze antennes worden gekenmerkt door hun platte, rechthoekige en paneelachtige vorm. Omdat deze antennes een gerichte radiofrequente signaalbundel produceren, kunnen ze toepassingen aan die een gerichte signaalverdeling vereisen. Paneelantennes worden meestal gebruikt om punt-tot-punt en multipunt verbindingen te vormen in cellulaire basisstations en Wi-Fi-netwerken te midden van een hoge gebruikersdichtheid voor optimale netwerkprestaties met minder interferentie.

• Yagi antenne

Een Yagi of Yagi - Uda antenne bestaat voornamelijk uit een aangedreven element, een reflector en een reeks richtpunten die allemaal loodrecht op elkaar staan om een lang element te vormen. Deze configuratie maakt het mogelijk voor Yagi antennes om een zeer gericht stralingspatroon te creëren. De directionaliteit biedt een uitstekende versterking in één richting waardoor ongewenste storingen tot een minimum beperkt blijven. Aangezien Yagi-antennes uitblinken in richtingsgevoeligheid en superieure versterkingsmogelijkheden, worden ze gebruikt bij televisie-uitzendingen in landelijke omgevingen en draadloze communicatieactiviteiten over lange afstanden.

• Sectorantenne

Sectorantennes bieden dekking over een hoeksector van 60 tot 180 graden. Hierdoor kunnen serviceproviders meerdere van dergelijke antennes combineren om een dekking van 360 graden te bereiken. Deze antennes blinken uit in het leveren van een verbeterde signaalverspreiding voor doelgebieden en worden daarom gebruikt in cellulaire netwerken, basisstations en Wi-Fi-netwerken. Ter vergelijking, sectorantennes bieden een bredere bundelbreedte dan Yagi-antennes en hebben meestal een winst die vergelijkbaar is met of iets lager dan paneelantennes, afhankelijk van hun ontwerp.

• Dipoolantenne

Deze antennes hebben een van de eenvoudigste ontwerpen die bestaat uit twee geleidende elementen die in het midden zijn geplaatst met de voedingslijn op een middenpunt op gelijke afstand. Met een toroïdaal stralingspatroon en een gemiddelde versterking worden deze antennes meestal gebruikt in FM/AM-radiotoepassingen, televisieantennes en in verschillende co1TP15communicatiesystemen. Bovendien wordt de dipoolantenne vaak gebruikt als uitgangspunt voor veel complexere ontwerpen zoals gevouwen dipolen en logperiodeontwerpen.

• Monopool antenne

Een monopoolantenne bestaat uit een staafvormige geleider gemonteerd op een geleidende massaplaat, die kritisch is voor het vormen van het gewenste stralingspatroon en het verzekeren van een efficiënte signaaloverdracht. Daarom kan dit antennetype ook worden beschouwd als een halve dipoolantenne gemonteerd op een geleidend oppervlak. Deze antennes hebben een eenvoudig en compact ontwerp en bieden een uniforme dekking in alle horizontale richtingen. Hierdoor zijn ze een uitstekende keuze voor mobiele commcommunicatie, communicatiesystemen voor voertuigen en laagfrequent toepassingen.

• PCB-antenne

Printed Circuit Board (PCB) antennes zijn rechtstreeks geïntegreerd in de printplaat. Daarom zijn deze antennes een ideale keuze voor toepassingen waar de ruimte beperkt is. Omdat er geen extra productiekosten zijn, zijn PCB-antennes een geweldige kosteneffectieve oplossing voor verschillende toepassingen, waaronder IoT-apparaten, smartphones, Bluetooth- en WiFi-routers.

Ontwerpoverwegingen bij passieve antennes

Het ontwerp van passieve antennes omvat, net als het ontwerp van actieve antennes, vele aspecten die de prestaties en efficiëntie van de antenne beïnvloeden. Hieronder volgen enkele belangrijke kenmerken waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van passieve antennes:

• Type toepassing: Stationair vs. Mobiel

De beoogde toepassing speelt een belangrijke rol bij het antenneontwerp. Stationaire antennes, zoals antennes voor basisstations, richten zich op stabiliteit, robuustheid en hoge versterking. Aan de andere kant moeten mobiele antennes, zoals die op auto's of mobiele telefoons, licht en klein zijn en een groter stralingspatroon hebben om een betere verbinding te behouden in verschillende richtingen en situaties.

• Gebruik binnenshuis vs. buitenshuis

Binnenantennes zijn ontworpen om esthetisch aantrekkelijk te zijn en tegelijkertijd het risico op interferentie tot een minimum te beperken. Omdat ze beschermd zijn tegen omgevingselementen, hebben ze geen robuuste materialen nodig. Buitenantennes daarentegen moeten bestand zijn tegen omgevingsfactoren zoals wind, regen en UV-blootstelling. Daarom worden ze geacht te zijn uitgerust met beschermende behuizingen met corrosiebestendige materialen.

• Aantal ondersteunde apparaten

Antennes die zijn ontworpen om meerdere apparaten aan te kunnen, moeten meer verkeer kunnen verwerken met behoud van de signaalintegriteit. Zo maken antennes in Wi-Fi-routers gebruik van technologieën zoals Multiple Input Multiple Output (MIMO) om meerdere apparaten tegelijk te bedienen. Daarentegen zijn antennes voor één apparaat, zoals die in afstandsbedieningen worden gebruikt, bescheidener ontworpen.

• Strategieën voor signaalverliesreductie

Het minimaliseren van signaalverlies is een essentiële eigenschap bij het ontwerpen van passieve antennes. Een optie hiervoor is het gebruik van directionele antennes die een sterkere versterking opleveren zonder dat er extra versterking nodig is. Een alternatieve strategie is om over te schakelen van conventionele coaxkabels naar glasvezelkabels. Omdat glasvezel lange afstanden kan overbruggen met minimaal signaalverlies, is glasvezel perfect voor toepassingen die uitgebreide bekabeling vereisen.

Belangrijke componenten in het ontwerp van passieve antennes

Het succesvol functioneren van passieve antennes hangt af van verschillende belangrijke componenten. Enkele van de belangrijkste componenten bij het ontwerpen van passieve antennes zijn de volgende:

• Stralend element

Het stralingselement vormt de kern van het ontwerp van passieve antennes. Het stralingselement is verantwoordelijk voor het genereren en absorberen van elektromagnetische golven. Het wordt gekalibreerd op de werkfrequentie van het systeem en geoptimaliseerd qua afmetingen en materialen voor een maximale efficiëntie. De vorm van het stralingselement, zoals een dipool, monopool of patchontwerp, bepaalt niet alleen het stralingspatroon van de antenne, maar ook de polarisatie en de versterking.

• Basisstation

Het basisstation dient als centraal knooppunt dat de antennes verbindt met grotere communicatieraamwerken. Hoewel het geen direct onderdeel is van het antenneontwerp, is het basisstation in staat om onmerkbare signaaluitwisselingen te garanderen die betrouwbare en consistente prestaties leveren voor zowel mobiele als stationaire toepassingen.

• Grondvlak

Grondvlakken zijn speciaal gemaakt voor het beoogde frequentiebereik en de toepassing van de antenne. Het is verantwoordelijk voor het verbeteren van de richtingsgevoeligheid en de efficiëntie van het stralingselement van de antenne door de elektromagnetische golven te reflecteren. Bij monopoolantennes vult de massaplaat bovendien het stroompad aan waardoor het stralingspatroon wordt verbeterd.

• Voedingslijn

Voedingslijnen vormen de verbinding tussen de antenne en de zender en ontvanger en vergemakkelijken de signaaloverdracht met minimaal signaalverlies. Hoewel coaxiale kabels alleen worden gebruikt als voedingslijnen, worden voor compacte ontwerpen zoals PCB-antennes in plaats daarvan microstriplijnen gebruikt. Door een goede impedantieaanpassing tussen de voedingslijn en de antenne kan de vermogensreflectie verder worden geminimaliseerd, waardoor een efficiënte energieoverdracht wordt gegarandeerd.

Toepassingen van passieve antennes

De eenvoud, kosteneffectiviteit en duurzaamheid die aan passieve antennes worden toegeschreven, vinden hun wijdverspreide toepassing in een verscheidenheid aan industrieën. Enkele populaire toepassingen zijn

• Telecommelecommunicatie en omroep

In mobiele netwerken worden passieve antenne-arrays gebruikt met celtorens voor dekking over uitgestrekte gebieden om een betrouwbare signaaloverdracht en -ontvangst te garanderen. Ook Wi-Fi-systemen maken gebruik van compacte passieve antennes, zoals dipolen, om draadloze internettoegang te bieden in huizen, kantoren en openbare ruimtes. In de omroep worden Yagi-antennes veel gebruikt om aardse televisiesignalen te ontvangen, omdat ze een uitstekende versterking en richtingsgevoeligheid bieden.

• Satelliet Communicatie

Parabolische schotelantennes worden alleen gebruikt in grondstations voor satellietcommunicatie om een hoge richtingsgevoeligheid en versterking te garanderen. Compacte passieve antennes worden ingebouwd in GPS-apparaten om de navigatie van gebruikers te ondersteunen met nauwkeurige locatiegegevens. Daarnaast gebruiken weersatellieten ook passieve antennes bij het verzenden van meteorologische informatie naar grondstations om nauwkeurige weersvoorspellingen en klimaatstudies te ondersteunen.

• IoT en slimme apparaten

De groei van het Internet of Things (IoT) heeft de vraag naar compacte en efficiënte passieve antennes aanzienlijk doen toenemen. Smartwatches, fitnesstrackers en smart home-systemen vertrouwen vaak op PCB- en monopoolantennes om connectiviteit mogelijk te maken via Bluetooth-, Wi-Fi- of Zigbee-protocollen. Voor industriële IoT-toepassingen worden passieve antennes gebruikt om gegevens te verzenden tussen machines en gecentraliseerde systemen om de betrouwbaarheid van de prestaties te verbeteren en processen te stroomlijnen.

• Automobieltoepassingen

Passieve antennes worden gebruikt in sleutelloze toegangssystemen om veilige commcommunicatie tussen het voertuig en de sleutelhanger mogelijk te maken. Daarnaast maken opkomende technologieën zoals V2X (Vehicle-to-Everything) communicatie gebruik van deze antennes om de interactie tussen voertuigen, infrastructuur en voetgangers te vergemakkelijken en zo de verkeersveiligheid en het verkeersmanagement te verbeteren.

LF tot UHF: Inzicht in de veelzijdigheid van passieve antennes

Een passieve antenne gedraagt zich anders en speelt een andere rol in verschillende frequentiebereiken. De lage, midden en hoge frequentie bestrijken een groot aantal banden en het ontwerp en de kwaliteit van deze passieve antenne zijn bandafhankelijk. Hieronder volgt een summaris van de eigenschappen van de passieve antenne, het werkfrequentiebereik voor de LF-, MF-, HF-, VHF-, UHF- en microgolfbanden en de toepassingen voor elke band:

• Lage frequentie (LF) en Midden frequentie (MF):

De LF- en MF-banden, die opereren in het bereik van 30 kHz tot 3 MHz, staan bekend om hun lange golflengte, waardoor het gebruik van grote antenneconstructies nodig is voor effectieve prestaties. Hoewel deze frequenties niet ideaal zijn voor compacte apparaten, blinken ze uit in communicatie over lange afstanden door hun capaciteit om grote afstanden af te leggen met minimaal verlies. MF-antennes worden voornamelijk gebruikt in maritieme en luchtvaartnavigatiesystemen, zoals NDB's (Non-Directional Beacons), die helpen bij langeafstandsnavigatie over water en moeilijke terreinen. Hun vermogen om zich met weinig verzwakking over het aardoppervlak voort te planten maakt ze essentieel voor veiligheidskritische toepassingen, waar betrouwbare communicatie over uitgestrekte gebieden van cruciaal belang is.

• Hoge frequentie (HF):

HF-banden, variërend van 3 MHz tot 30 MHz, staan bekend om hun vermogen om commcommunicatie over lange afstanden mogelijk te maken, voornamelijk door de weerkaatsing van signalen door de ionosfeer. Door deze eigenschap kunnen signalen zich ver buiten de gezichtslijn verplaatsen, waardoor wereldwijde communicatie mogelijk is. HF-banden vinden uitgebreide toepassing in internationale omroep, amateurradio en militaire communicatie, waar langeafstandsverbindingen essentieel zijn zonder de noodzaak van satellietsystemen. Hun unieke vermogen om tegen de ionosfeer te reflecteren maakt HF-antennes, zoals dipolen of Yagi-Uda arrays, geschikt voor sky-wave propagatie, wat bijzonder gunstig is voor communicatie op afstand en hoogfrequente transmissie.

• Zeer Hoge Frequentie (VHF) en Ultra Hoge Frequentie (UHF):

VHF- (30 MHz tot 300 MHz) en UHF-frequenties (300 MHz tot 3 GHz) maken line-of-sight comm-communicatie mogelijk omdat hun kortere golflengte compactere antenneontwerpen mogelijk maakt. In deze frequentiebereiken zijn antennes meestal kleiner en efficiënter voor mobiele toepassingen, waaronder handheld apparaten. VHF wordt vaak gebruikt in FM-radio-uitzendingen, televisietransmissie en luchtverkeerscontrolesystemen, waar communicatie met een gematigd bereik en weerstand tegen atmosferische ruis essentieel zijn. UHF-banden spelen een cruciale rol in moderne communicatiesystemen zoals televisie-uitzendingen, GPS, mobiele telefoons en Wi-Fi-netwerken. UHF antennes bieden een hogere bandbreedte, waardoor snellere gegevensoverdracht en betrouwbaardere verbindingen mogelijk zijn in digitale communicatie en mobiele netwerken.

• Microgolfbanden (3 GHz tot 300 GHz):

Microgolffrequenties vereisen het gebruik van zeer gerichte antennes, zoals parabolische schotels en hoornantennes, omdat deze signalen over lange afstanden kunnen verzenden met minimaal verlies. Deze frequenties spelen een vitale rol in radarsystemen, satellietcommunicatie en datatransmissie met hoge capaciteit via microgolfradiorelais. Microgolven zijn vooral nuttig in scenario's die point-to-point communicatie vereisen, zoals satellietsystemen, militaire radar en geavanceerde telecommunicatie. De hoge richtingsgevoeligheid en het vermogen om grote hoeveelheden gegevens te verzenden maken microgolfantennes essentieel voor zowel civiele als defensie communicatiesystemen.

Passieve antenne vs. actieve antenne

Terwijl passieve antennes ontvangen signalen eenvoudigweg doorgeven aan de ontvanger, zijn actieve antennes uitgerust met een ingebouwde ruisarme versterker (LNA) die de signaalsterkte verbetert. De beslissing om het ene type boven het andere te gebruiken hangt af van verschillende factoren, zoals signaalsterkte, kabellengte, beschikbaarheid van stroom en specifieke toepassingsbehoeften. Hieronder vindt u een vergelijkende tabel met de belangrijkste verschillen tussen passieve en actieve antennes.

Uw behoeften afstemmen op het juiste antennetype

Het kiezen van een geschikt antennetype, actief of passief, is een zeer belangrijke beslissing om de topprestaties van de toepassing te garanderen. Het herkennen van de verschillen tussen deze twee vormen zal helpen bij het maken van een weloverwogen beslissing.

Passieve antennes zijn eenvoudige apparaten die alleen bestaan uit een element dat ontworpen is om signalen te ontvangen zonder extra versterkingscircuits. Ze hebben geen externe voeding nodig omdat ze niet zijn uitgerust met geïntegreerde onderdelen zoals ruisarme versterkers (LNA's). Passieve antennes worden meestal gebruikt als de antenne dicht bij de ontvanger kan worden gebracht, waar de signaalverzwakking minimaal is. De eenvoud resulteert vaak in lagere kosten en een lager stroomverbruik, waardoor passieve antennes geschikt zijn voor toepassingen met korte kabeltrajecten en omgevingen waar de signaalsterkte voldoende is.

Actieve antennes bevatten daarentegen een geïntegreerde LNA die het ontvangen signaal versterkt voordat het naar de ontvanger wordt verzonden. Deze versterking compenseert signaaldegradatie die kan optreden bij lange kabeltrajecten of in omgevingen met aanzienlijke interferentie. Actieve antennes vereisen een voeding die de versterker aandrijft, complexiteit en mogelijke storingen, maar het kan een enorme verbetering van de signaalkwaliteit zijn onder moeilijke omstandigheden. Ze zijn vooral nuttig in situaties waar de antenne op grote afstand van de ontvanger kan worden geplaatst of in aanwezigheid van sterke signaalverzwakking.

Kabellengte, omgevingsruis, beschikbaarheid van vermogen en complexiteit van het systeem moeten in overweging worden genomen bij de keuze tussen passieve en actieve antennes. Voor installaties met lange kabels en/of veel interferentie kan een actieve antenne de vereiste signaalverbetering leveren en de prestaties op peil houden. Aan de andere kant kunnen voor netwerken met kleine kabellengtes en weinig interferentie de voordelen van eenvoud en robuustheid van de passieve antenne de doorslag geven.

In het algemeen is het bij het maken van een antennekeuze noodzakelijk om de afwegingen tussen de eenvoud en betaalbaarheid van passieve antennes en de prestaties en complexiteit van actieve antennes te overwegen, waarbij de twee benaderingen voor de selectie worden vergeleken om het meest geschikte antennetype voor een bepaalde toepassing te bepalen. Door de vereisten van uw toepassing zorgvuldig te evalueren, kunt u beslissen welk type antenne u het beste kunt gebruiken.

Conclusie

Passieve antennes bieden veelzijdige oplossingen voor een breed scala aan toepassingen, waardoor ze een belangrijke rol spelen in de moderne draadloze communicatie. Hoewel ze uitsluitend afhankelijk zijn van hun structuur voor signaaloverdracht, variëren hun toepassingen van het vergemakkelijken van wereldwijde uitzendingen tot het mogelijk maken van compacte IoT-apparaten. Door hun ontwerp af te stemmen op specifieke vereisten en omgevingen, blijven passieve antennes dienen als een vitale, aanpasbare oplossing voor het bevorderen van draadloze connectiviteit.