Wat is een actieve antenne? De volledige gids

De antennetechnologie heeft zich sterk ontwikkeld met actieve antennes, die actieve elektronische componenten zoals versterkers, filters en signaalverwerkingseenheden integreren om betere prestaties te leveren. Actieve antennes zijn succesvoller in situaties waar signaalsterkte een probleem is omdat ze hun geïntegreerde elektronica gebruiken om signalen te versterken, in tegenstelling tot passieve antennes, die alleen hun fysieke ontwerp gebruiken om signalen op te vangen.

Actieve antennes ondersteunen effectieve signaalontvangst over een breder frequentiebereik dankzij geïntegreerde versterkers; de extra versterking kan er echter voor zorgen dat het signaalniveau met een hoger uitgangsvermogen wordt verzonden dan is toegestaan. Daarom worden actieve antennes meestal gebruikt om signalen te ontvangen, niet om ze uit te zenden. Omdat sommige richtantennes al een ingebouwde versterking hebben, kan de extra versterking op een actieve antenne bovendien onnodig zijn en zelfs schadelijk voor sommige systemen. Dit artikel onderzoekt de soorten, functies, voordelen, toepassingen en moeilijkheden van actieve antennes. Het vergelijkt ze ook met passieve antennes en bevat relevante casestudies.

Wat is een actieve antenne en hoe werkt deze?

Een actieve antenne is een apparaat dat signalen versterkt of wijzigt door conventionele antennearchitectuur te combineren met actieve elektronische componenten. De antenne kan meer dan alleen signalen ontvangen en verzenden dankzij de integratie van actieve componenten zoals signaalprocessoren of ruisarme versterkers (LNA's).

Een versterker is een onderdeel van een actieve antenne. Dankzij deze versterker, die de RF-signalen die de antenne ontvangt versterkt, zijn langere kabeltrajecten mogelijk zonder dat dit ten koste gaat van de signaalkwaliteit. Bovendien verbetert de versterker de signaal-ruisverhouding door de gewenste signalen effectiever te versterken, vaak in combinatie met filtering om interferentie te minimaliseren. Hierdoor zijn actieve antennes perfect voor gebruik op plaatsen zoals steden of fabrieken waar veel elektromagnetische interferentie is.

Actieve antennes kunnen ook gebruikt worden om signaalverlies van splitters of andere distributieapparatuur te compenseren of om signaalverlies in lange kabelloop te compenseren. Daarom zijn ze nuttig in toepassingen zoals draadloze microfoonsystemen en kabeltelevisiedistributie. Alles bij elkaar genomen, bieden actieve antennes een manier om de signaalkwaliteit en -ontvangst in verschillende toepassingen te verbeteren, waardoor ze van onschatbare waarde zijn voor verschillende sectoren.

Werkingsprincipe

Meestal wordt een versterkerschakeling gekoppeld aan een klein antenne-element, zoals een lus of een dipool, om een actieve antenne te maken. Het antenne-element ontvangt zwakke inkomende signalen, die versterkt worden door het versterkercircuit. De ontvanger of de rest van het radiosysteem ontvangt daarna dit versterkte signaal.

Een batterij of een voeding die aan de antenne is bevestigd kan de versterker in een actieve antenne van stroom voorzien. De energie die de versterker nodig heeft om te functioneren en de signalen te versterken, wordt geleverd door deze voedingsbron.

De kernfunctie van een actieve antenne bestaat uit:

1. Signaalontvangst: De antenne ontvangt elektromagnetische golven.
2. Versterking: De ingebouwde actieve componenten versterken zwakke signalen om de helderheid en sterkte te verbeteren.
3. Signaalverwerking: Geavanceerde actieve antennes kunnen het signaal verwerken om ruis of ongewenste frequenties weg te filteren.
4. Signaaloverdracht: In de transmissiemodus zorgen actieve componenten voor een efficiënte voortplanting door het signaalvermogen te versterken.

Door deze actieve componenten te integreren, kunnen actieve antennes effectiever werken in uitdagende omgevingen, zoals omgevingen met veel interferentie of zwakke signalen.

Soorten actieve antennes

Actieve antennes kunnen worden ingedeeld op basis van ontwerp en toepassing. Hieronder staan de belangrijkste typen en hun definities.

1. Actieve ontvangstantennes: Deze types zijn ontworpen om inkomende signalen te versterken en worden alleen gebruikt in communicatiesystemen waar signaalsterkte een kritieke factor is.
2. Actieve zendantennes: Deze bevatten ingebouwde versterkers om het vermogen van de uitgezonden signalen te verhogen, wat zorgt voor een groter bereik en betrouwbaarheid. Actieve antennes worden echter vooral gebruikt om signalen te ontvangen.
3. Slimme antennes: Uitgerust met signaalverwerkingsalgoritmes kunnen deze antennes de bundels dynamisch sturen om zich op de gewenste richtingen te richten.
4. Phased Array-antennes: Deze antennes bestaan uit meerdere elementen met fasegestuurde signalen en maken straalvorming en -sturing mogelijk zonder mechanische beweging.
5. Breedbandige actieve antennes: Deze antennes werken over een breed frequentiebereik, waardoor ze geschikt zijn voor multifrequentie communicatiesystemen.

Voordelen van actieve antennes

Actieve antennes bieden verschillende voordelen in vergelijking met traditionele passieve antennes. Wanneer de antenne gebruikt moet worden met veel apparaten of op locaties met slechte ontvangst, bieden actieve antennes een betrouwbare en praktische manier om signalen van hoge kwaliteit te ontvangen.

Enkele van de belangrijkste voordelen van actieve antennes zijn de volgende.

• Verbeterde signaalkwaliteit - Meestal hebben actieve antennes ingebouwde versterkers die het signaal versterken, waardoor de ontvangst en signaalkwaliteit verbeteren. Dit is vooral handig op plaatsen waar signalen zwak of ver weg zijn. De integratie van LNA's zorgt voor een versterkte signaalontvangst, waardoor ze effectief zijn in omgevingen met zwakke signalen.

• Groter bereik - Vergeleken met passieve antennes kunnen actieve antennes signalen van een grotere afstand ontvangen dankzij de versterking die ze geven. Actieve componenten versterken het vermogen van het uitgezonden signaal, waardoor het dekkingsgebied wordt vergroot. Op landelijke of geïsoleerde locaties waar de zendmasten ver weg staan, kan dit zeer nuttig zijn.
• Ontvangst in meerdere richtingen - Afhankelijk van hun ontwerp kunnen actieve antennes omnidirectioneel zijn, waardoor ze signalen uit meerdere richtingen kunnen ontvangen. Door de beschikbaarheid van omnidirectionele of multidirectionele ontvangst is het niet langer nodig om voortdurend antennes aan te passen om het optimale signaal te vinden.
• Energie-efficiëntie - Ondanks hun verbeterde mogelijkheden zijn moderne actieve antennes ontworpen om minimaal stroom te verbruiken, waardoor ze geschikt zijn voor draagbare toepassingen.

• Compact formaat - Vergeleken met conventionele antennes zijn actieve antennes meestal compacter en kleiner. Hierdoor is het nu mogelijk om ze op muren, ramen of zelfs binnenshuis te plaatsen en wordt de installatie eenvoudiger. Door actieve elementen rechtstreeks in de antenne te integreren, kan de totale systeemgrootte worden verkleind.

• Dynamische functionaliteit - Smart en phased array antennes bieden mogelijkheden zoals beamforming, waardoor de communicatie efficiëntie verbetert.

• Minder interferentie - Omdat actieve antennes ingebouwde versterkers en signaalverwerkingsmogelijkheden hebben, zijn ze minder gevoelig voor interferentie van aangrenzende elektrische apparatuur of structuren. Ze kunnen een nauwkeuriger signaal produceren door onnodige ruis te verwijderen.

• Compatibiliteit met verschillende apparaten - Veel actieve antennes zijn gemaakt om te functioneren met een reeks apparaten, zoals streamingapparaten, tv's en radio's. Ze zijn praktisch voor verschillende omgevingen en toepassingen omdat ze kunnen worden aangepast. Door hun aanpassingsvermogen zijn ze een praktische optie voor verschillende omgevingen en toepassingen.

• Eenvoudige installatie - Het installeren en configureren van actieve antennes is meestal eenvoudig. Om de beste locatie te bepalen, worden vaak bevestigingsmaterialen, gedetailleerde instructies en soms zelfs geïntegreerde signaalsterkte-indicatoren meegeleverd.

• Toekomstig gebruik - Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, is het steeds waarschijnlijker dat nieuwe uitzendstandaarden en frequenties door actieve antennes worden ondersteund. Dit betekent dat als je nu een actieve antenne aanschaft, je er zeker van kunt zijn dat deze compatibel is met alle toekomstige ontwikkelingen of wijzigingen in de uitzendtechnologie.

Toepassingen van actieve antennes

Actieve antennes zijn essentieel voor het verbeteren van de betrouwbaarheid, de kwaliteit en het bereik van het signaal in verschillende draadloze communicatietoepassingen. Hieronder staan de toepassingen waarbij actieve antennes voor verschillende doeleinden worden gebruikt.

1. Verbetering van tv-ontvangst: Wordt gebruikt bij radio- en televisie-uitzendingen om de signaalkwaliteit en het bereik te verbeteren. Op plaatsen met interferentie of slechte signaalsterkte kunnen actieve antennes worden gebruikt om de kwaliteit van de tv-ontvangst te verbeteren.
2. Draadloze communicatie: Wi-Fi-routers en andere draadloze communicatieapparaten gebruiken actieve antennes om signalen te verzenden en te ontvangen.
3. Telecommunicatie-infrastructuur: Basisstations en andere telecomapparatuur gebruiken actieve antennes om signalen te verzenden en te ontvangen voor mobiele communicatie.
4. Cellulaire netwerken: Cellulaire netwerken maken gebruik van actieve antennes om de dekking en signaalsterkte te vergroten. Ook gebruikt in 5G-infrastructuur voor verbeterde connectiviteit.
5. GPS-navigatie: Om signalen van satellieten te ontvangen en nauwkeurige positiegegevens te leveren, hebben GPS-systemen actieve antennes nodig.
6. Radarsystemen: Radarsystemen gebruiken actieve antennes om radiogolven uit te zenden en te ontvangen om dingen op te sporen en te detecteren.
7. Satelliet communicatie: Satelliet communicatiesystemen gebruiken actieve antennes om berichten van en naar satellieten te zenden en te ontvangen. Ook gebruikt in vliegtuigen voor navigatie en communicatie.
8. Militaire toepassingen: Voor een betrouwbare en veilige verbinding gebruiken militaire commcommunicatiesystemen actieve antennes. Toegepast in radarsystemen, bewaking en beveiligde communicatienetwerken.
9. Internet van dingen (IoT): IoT-apparaten gebruiken actieve antennes voor draadloze communicatie en connectiviteit.

Vergelijking met passieve antennes

Het meest basale antennesysteem is een passief systeem. Hiermee reizen draadloze signalen door het systeem zonder enige extra interferentie nadat ze van het netwerk naar de controller zijn gegaan. De sterkte van het binnenkomende signaal is alles wat passieve antennes kunnen gebruiken; ze zijn niet in staat om het signaal te versterken. Ze zijn beter geschikt voor situaties waarin de kosten een belangrijke overweging zijn, omdat ze eenvoudiger en goedkoper te maken zijn.

In een actief antennesysteem wordt het signaal daarentegen op de een of andere manier versterkt voordat het wordt verspreid. Meestal wordt hiervoor een versterker gebruikt die gekoppeld is aan de controller, maar er kunnen ook alternatieve signaalversterkende technieken worden gebruikt. Glasvezelverbindingen worden bijvoorbeeld soms gebruikt om de functionaliteit te verhogen. Actieve antennes worden meestal gebruikt op plaatsen met een hoge gebruikersdichtheid en in dichtbevolkte stedelijke gebieden waar obstructies zoals bomen en gebouwen het signaal verzwakken. Om het signaalverlies door deze obstakels te compenseren, kunnen ze het signaal versterken, waardoor een solide en betrouwbare verbinding wordt gegarandeerd.

Passieve antennes worden vaak gebruikt in dunbevolkte gebieden met een hoge signaalsterkte en weinig obstructies. Ze zijn geschikt om betrouwbare connectiviteit te leveren zonder dat signaalversterking nodig is.
De conclusie is dat passieve antennes beter geschikt zijn voor minder stedelijke locaties met een robuuste signaalsterkte, terwijl actieve antennes, met name phased array-systemen, een cruciale rol spelen bij het aanpakken van de uitdagingen van het hoogfrequente spectrum van 5G in stedelijke gebieden.

Uitdagingen en beperkingen

Ondanks hun voordelen worden actieve antennes met bepaalde uitdagingen geconfronteerd:

In grote gebouwen zijn vele soorten antennesystemen voordelig. Draadloze communicatie zal in dit soort gebouwen immers eerder worden verstoord. De grootte van een gebouw kan echter uiteindelijk tegen een antennesysteem werken. Verzwakking is het proces waarbij het signaal verzwakt wanneer kabels gegevens over steeds grotere afstanden vervoeren. Om dit proces om te keren zijn actieve antennes nodig. Deze versterken het signaal en maken transmissie over grotere afstanden mogelijk. Daarom zijn actieve antennes zeer nuttig in grote gebouwen. In deze situaties kunnen ze imm direct de problemen aanpakken die inherent zijn aan de schaal van het gebouw.

1. Machtsafhankelijkheid: Actieve antennes hebben een stroombron nodig, wat een beperking kan zijn in afgelegen of stroomarme omgevingen.
2. Complexiteit: De integratie van actieve componenten verhoogt de complexiteit van het ontwerp en de productie.
3. Kosten: Hogere productiekosten kunnen actieve antennes minder toegankelijk maken voor projecten met een beperkt budget.
4. Betrouwbaarheidsproblemen: Actieve componenten zijn gevoeliger voor defecten dan passieve elementen, waardoor een strenge kwaliteitscontrole nodig is.
5. Storingsbeheer: Het beheren van interferentie in dicht opeengepakte actieve antennesystemen kan een uitdaging zijn.

Casestudies

• Uitrol 5G-netwerk

Bij de uitrol van 5G-netwerken zijn actieve antennes essentieel. In stedelijke omgevingen hebben phased array antennes met beamforming mogelijkheden het bijvoorbeeld mogelijk gemaakt om gegevens met hoge snelheden en lagere latentie te verzenden.

• Militaire radarsystemen

Strategische voordelen bij defensietoepassingen worden gewaarborgd door de betere prestaties van geavanceerde radarsystemen die gebruik maken van actieve antennes bij het identificeren van laag-waarneembare doelen.

• Satelliet Communicatie

Satellieten met actieve antennes bieden betrouwbare communicatieverbindingen, zelfs in ongunstige atmosferische omstandigheden, wat hun belang voor connectiviteit en ruimteonderzoek onderstreept.

• GPS-antenne

Actieve antennes worden gebruikt in GPS-antennes in smartphones en satelliet communicatiesystemen, waar het essentieel is om de signaalsterkte over lange afstanden te behouden.

• Draadloze router

De Wi-Fi-antenne in draadloze routers is een ander voorbeeld van een actieve antenne. Het bereik van het draadloze netwerk wordt vergroot en het Wi-Fi-signaal wordt versterkt met behulp van de actieve antenne.

Conclusie

Door filtering en versterking in een klein pakket te combineren, hebben actieve antennes de signaalverwerking en communicatie volledig veranderd. Ze zijn essentieel in moderne toepassingen variërend van militaire tot telecommunicatie vanwege hun vermogen om de signaalsterkte te verhogen, ruis te verminderen en zich dynamisch aan te passen aan veranderende omstandigheden. Het belang van actieve antennes in toekomstige communicatiesystemen zal toenemen als gevolg van voortdurende technologische verbeteringen die de huidige beperkingen, zoals kosten en vermogensafhankelijkheid, zullen aanpakken.

Bij de keuze tussen actieve en passieve antennes moet je rekening houden met een aantal criteria, waaronder de prijs, de toepassing en het aantal apparaten dat wordt ondersteund. Sommige passieve antennes kunnen goedkoper zijn dan hun actieve tegenhangers omdat er geen versterker nodig is, hoewel actieve antennes meestal compacter zijn en ruis en interferentie kunnen verminderen. Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van actieve antennes.