Czym jest antena pasywna? Kompletny przewodnik

Anteny pasywne, proste, ale wydajne w swojej konstrukcji, są w stanie odbierać i przesyłać sygnały, gdy są odpowiednio skonfigurowane, opierając się całkowicie na ich konstrukcji strukturalnej bez zewnętrznego źródła zasilania. W tym artykule omówiono ich uwarunkowania projektowe, zakresy częstotliwości roboczych i zalety w porównaniu z antenami aktywnymi. Rozwijając te podstawowe pojęcia związane z antenami pasywnymi, artykuł ma na celu pomóc użytkownikom w podejmowaniu świadomych decyzji dotyczących wyboru anten pasywnych zarówno do codziennych, jak i specjalistycznych zastosowań.

Zrozumienie anten pasywnych

Anteny pasywne działają bez potrzeby zewnętrznego źródła zasilania, ponieważ nie wykorzystują zintegrowanych wzmacniaczy sygnału. Anteny te, w pełni zależne od ich konstrukcji, są prostymi, ale wydajnymi rozwiązaniami do transmisji sygnału w różnych zastosowaniach, od odbioru telewizji po komunikację satelitarną co1TP15.

W przeciwieństwie do anteny aktywne które wykorzystują aktywne komponenty, takie jak diody krystaliczne, tranzystory i diody wiązki, anteny pasywne wykorzystują swoje elementy antenowe, takie jak pętle i dipole do skutecznej transmisji. Kiedy sygnał elektromagnetyczny przechodzi przez jej elementy, indukuje prąd zmienny, który jest następnie przekazywany do podłączonego urządzenia odbiorczego w celu dalszego przetwarzania. Indukowany sygnał AC odpowiada przenoszonym informacjom, a ponieważ antena jest zaprojektowana do rezonowania w określonych zakresach częstotliwości, jest w stanie obsługiwać tylko zamierzone częstotliwości, odrzucając inne. Anteny pasywne mogą przesyłać sygnały po podłączeniu do nadajnika, przekształcając sygnały elektryczne w fale elektromagnetyczne do propagacji.

Chociaż anteny pasywne mogą być podatne na zakłócenia w trudnych warunkach, ich prostota konstrukcji minimalizuje takie kwestie jak intermodulacja.

Rodzaje anten pasywnych

Istnieje szeroka gama anten pasywnych, z których każda została zaprojektowana w celu spełnienia unikalnych wymagań komunikacji bezprzewodowej. Niektóre z typów common są podane poniżej:

• Antena panelowa

Anteny te charakteryzują się płaskim, prostokątnym i panelowym kształtem. Ponieważ anteny te wytwarzają kierunkową wiązkę sygnału o częstotliwości radiowej, umożliwiają one obsługę aplikacji wymagających ukierunkowanej dystrybucji sygnału. Anteny panelowe są zwykle używane do tworzenia połączeń punkt-punkt i wielopunktowych w komórkowych stacjach bazowych i sieciach Wi-Fi wśród dużej gęstości użytkowników w celu uzyskania optymalnej wydajności sieci przy zmniejszonych zakłóceniach.

• Antena Yagi

Antena Yagi lub Yagi - Uda składa się głównie z elementu napędzanego, odbłyśnika i szeregu direktorów ułożonych prostopadle w celu utworzenia długiego elementu. Taka konfiguracja umożliwia antenom Yagi tworzenie wysoce kierunkowego wzoru promieniowania. Kierunkowość zapewnia doskonały zysk w jednym kierunku, utrzymując niepożądane zakłócenia na minimalnym poziomie. Ponieważ anteny Yagi wyróżniają się kierunkowością i doskonałymi możliwościami wzmocnienia, są one wykorzystywane w transmisjach telewizyjnych na obszarach wiejskich i bezprzewodowych działaniach komunikacyjnych na duże odległości.

• Antena sektorowa

Anteny sektorowe zapewniają zasięg w sektorze kątowym, który zazwyczaj wynosi od 60 do 180 stopni. Umożliwia to dostawcom usług łączenie kilku takich anten w celu uzyskania zasięgu 360 stopni. Anteny te wyróżniają się lepszą dystrybucją sygnału w docelowych regionach i dlatego są stosowane w sieciach komórkowych, stacjach bazowych i sieciach Wi-Fi. Dla porównania, anteny sektorowe zapewniają szerszą szerokość wiązki niż anteny Yagi i zazwyczaj mają zysk porównywalny lub nieco niższy niż anteny panelowe, w zależności od ich konstrukcji.

• Antena dipolowa

Anteny te mają jedną z najprostszych konstrukcji, która składa się z dwóch elementów przewodzących umieszczonych w środku z linią zasilającą umieszczoną w punkcie środkowym o równej odległości. Dzięki toroidalnemu wzorcowi promieniowania i umiarkowanemu zyskowi, anteny te są zwykle używane w aplikacjach radiowych FM / AM, antenach telewizyjnych i różnych systemach telekomunikacyjnych co1TP15. Co więcej, antena dipolowa jest często wykorzystywana jako punkt wyjścia dla bardziej złożonych konstrukcji, takich jak dipol składany i konstrukcja z okresem logarytmicznym.

• Antena monopolowa

Antena monopolowa składa się z przewodnika w kształcie pręta zamontowanego na przewodzącej płaszczyźnie uziemienia, co ma kluczowe znaczenie dla kształtowania pożądanego wzoru promieniowania i zapewnienia wydajnej transmisji sygnału. Dlatego ten typ anteny można również uznać za antenę pół-dipolową zamontowaną na przewodzącej powierzchni. Prosta i kompaktowa konstrukcja tych anten zapewnia równomierne pokrycie we wszystkich kierunkach poziomych. To sprawia, że są one doskonałym wyborem dla mobilnej komunikacji co1TP15, samochodowych systemów komunikacji co1TP15 i aplikacji o niskiej częstotliwości.

• Antena PCB

Anteny na płytce drukowanej (PCB) są bezpośrednio zintegrowane z płytką PCB. Dlatego anteny te są idealnym wyborem do zastosowań, w których przestrzeń jest ograniczona. Brak dodatkowych kosztów produkcji sprawia, że anteny PCB są bardzo opłacalnym rozwiązaniem dla wielu zastosowań, w tym urządzeń IoT, smartfonów, routerów Bluetooth i WiFi.

Uwagi projektowe dotyczące anten pasywnych

Konstrukcja anteny pasywnej, podobnie jak konstrukcja anteny aktywnej, obejmuje wiele aspektów, które wpływają na wydajność i efektywność anteny. Poniżej przedstawiono kilka ważnych cech, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu anten pasywnych:

• Typ aplikacji: Stacjonarne vs. Mobilne

Zamierzone zastosowanie odgrywa znaczącą rolę w projektowaniu anten. Anteny stacjonarne, takie jak anteny stacji bazowych, koncentrują się na stabilności, solidności i wysokim zysku. Z drugiej strony, anteny mobilne, takie jak te umieszczone w samochodach lub telefonach komórkowych, muszą być lekkie i małe oraz mieć większy wzór promieniowania, aby utrzymać lepszą łączność w różnych kierunkach i sytuacjach.

• Zastosowanie wewnątrz i na zewnątrz

Anteny wewnętrzne są zaprojektowane tak, aby były estetyczne, przy jednoczesnym utrzymaniu ryzyka zakłóceń na minimalnym poziomie. Ponieważ są one chronione przed czynnikami środowiskowymi, nie wymagają wytrzymałych materiałów. Z drugiej strony, anteny zewnętrzne muszą być odporne na czynniki środowiskowe, takie jak wiatr, deszcz i promieniowanie UV. Dlatego też oczekuje się, że będą one wyposażone w obudowy ochronne z materiałów odpornych na korozję

• Liczba obsługiwanych urządzeń

Anteny zaprojektowane do obsługi wielu urządzeń muszą obsługiwać większy ruch przy zachowaniu integralności sygnału. Na przykład anteny w routerach Wi-Fi wykorzystują technologie takie jak Multiple Input Multiple Output (MIMO), aby zapewnić jednoczesną obsługę wielu urządzeń. Natomiast anteny dla pojedynczego urządzenia, takie jak te używane w pilotach zdalnego sterowania, są skromniej zaprojektowane.

• Strategie redukcji strat sygnału

Minimalizacja strat sygnału jest istotną cechą w projektowaniu anten pasywnych. Opcją jest zastosowanie anten kierunkowych, które zapewniają większy zysk bez konieczności dodatkowego wzmocnienia. Alternatywną strategią jest przejście z konwencjonalnych kabli koncentrycznych na kable światłowodowe. Ponieważ światłowody są w stanie pokonywać duże odległości przy minimalnej utracie sygnału, są one idealne do zastosowań wymagających rozległego okablowania.

Kluczowe komponenty w projektowaniu anten pasywnych

Skuteczne działanie anten pasywnych zależy od kilku kluczowych elementów. Niektóre z kluczowych komponentów w projektowaniu anten pasywnych są następujące:

• Element promieniujący

Element promieniujący jest podstawą konstrukcji anteny pasywnej. Element promieniujący jest odpowiedzialny za generowanie i pochłanianie fal elektromagnetycznych. Jest on skalibrowany do częstotliwości roboczej systemu i zoptymalizowany pod względem wymiarów i materiałów w celu uzyskania maksymalnej wydajności. Kształt i forma elementu promieniującego, takiego jak dipol, monopol lub konstrukcja patch, nie tylko dyktuje wzór promieniowania anteny, ale także jej polaryzację i zysk.

• Stacja bazowa

Stacja bazowa służy jako centralny węzeł, który łączy anteny z większymi ramami komunikacyjnymi co1TP15. Chociaż nie jest ona bezpośrednim elementem konstrukcji anteny, stacja bazowa jest w stanie zagwarantować niezauważalną wymianę sygnałów, zapewniając niezawodną i spójną wydajność zarówno dla aplikacji mobilnych, jak i stacjonarnych.

• Płaszczyzna uziemienia

Płaszczyzny uziemienia są specjalnie wykonane do obsługi zamierzonego zakresu częstotliwości i zastosowania anteny. Jest ona odpowiedzialna za zwiększenie kierunkowości i wydajności elementu promieniującego anteny poprzez odbijanie fal elektromagnetycznych. Dodatkowo, w antenach monopolarnych, płaszczyzna uziemienia uzupełnia ścieżkę prądową, poprawiając jej wzór promieniowania.

• Linia zasilająca

Linie zasilające działają jako połączenie między anteną a nadajnikiem i odbiornikiem i ułatwiają transmisję sygnału, zapewniając jednocześnie minimalne straty sygnału. Chociaż kable koncentryczne są używane wyłącznie jako linie zasilające, w przypadku kompaktowych konstrukcji, takich jak anteny PCB, zamiast nich stosuje się linie mikropaskowe. Dzięki odpowiedniemu dopasowaniu impedancji między linią zasilającą a anteną, odbicie mocy może być jeszcze bardziej zminimalizowane, zapewniając efektywny transfer energii.

Zastosowania anten pasywnych

Prostota, opłacalność i trwałość przypisywane antenom pasywnym znajdują szerokie zastosowanie w różnych branżach. Niektóre z ich popularnych zastosowań są następujące:

• Telecommelekomunikacja i nadawanie

W sieciach komórkowych pasywne matryce antenowe są używane z wieżami komórkowymi do pokrycia rozległych obszarów w celu zapewnienia niezawodnej transmisji i odbioru sygnału. Podobnie, systemy Wi-Fi wykorzystują kompaktowe anteny pasywne, takie jak dipole, aby zapewnić bezprzewodowy dostęp do Internetu w domach, biurach i miejscach publicznych. W nadawaniu, anteny Yagi są szeroko stosowane do odbioru sygnałów telewizji naziemnej, oferując doskonały zysk i kierunkowość.

• Satellite Communication

Anteny paraboliczne są stosowane wyłącznie w stacjach naziemnych do komunikacji satelitarnej, aby zapewnić wysoką kierunkowość i zysk. Kompaktowe anteny pasywne są wbudowane w urządzenia GPS, aby wspomagać nawigację użytkownika za pomocą precyzyjnych danych o lokalizacji. Dodatkowo, satelity monitorujące pogodę również wykorzystują anteny pasywne podczas przesyłania informacji meteorologicznych do stacji naziemnych w celu wsparcia dokładnych prognoz pogody i badań klimatycznych.

• IoT i inteligentne urządzenia

Rozwój Internetu rzeczy (IoT) znacznie zwiększył zapotrzebowanie na kompaktowe i wydajne anteny pasywne. Smartwatche, monitory fitness i systemy inteligentnego domu często opierają się na antenach PCB i monopolarnych, aby umożliwić łączność za pośrednictwem protokołów Bluetooth, Wi-Fi lub Zigbee. W przemysłowych aplikacjach IoT anteny pasywne są wykorzystywane do przesyłania danych między maszynami a scentralizowanymi systemami, poprawiając niezawodność działania i usprawniając procesy.

• Zastosowania motoryzacyjne

Anteny pasywne są stosowane w systemach bezkluczykowych, umożliwiając bezpieczną komunikację między pojazdem a pilotem. Dodatkowo, nowe technologie, takie jak Vehicle-to-Everything (V2X) communication, wykorzystują te anteny do ułatwienia interakcji między pojazdami, infrastrukturą i pieszymi, zwiększając bezpieczeństwo na drogach i zarządzanie ruchem.

Od LF do UHF: zrozumienie wszechstronności anten pasywnych

Antena pasywna zachowuje się inaczej i ma różne role do odegrania w różnych zakresach częstotliwości. Niskie, średnie i wysokie częstotliwości obejmują szeroki zakres pasm, a konstrukcja i jakość anteny pasywnej zależą od pasma. Poniżej przedstawiono charakterystykę anteny pasywnej, zakresy częstotliwości roboczych dla pasm LF, MF, HF, VHF, UHF i mikrofalowych oraz zastosowania w każdym paśmie:

• Niskie częstotliwości (LF) i średnie częstotliwości (MF):

Działając w zakresie od 30 kHz do 3 MHz, pasma LF i MF są znane ze swoich długich fal, które wymagają użycia dużych struktur antenowych w celu uzyskania efektywnej wydajności. Chociaż częstotliwości te nie są idealne dla kompaktowych urządzeń, wyróżniają się w komunikacji dalekiego zasięgu ze względu na ich zdolność do pokonywania dużych odległości przy minimalnych stratach. Anteny MF są wykorzystywane głównie w systemach nawigacji morskiej i lotniczej, takich jak bezkierunkowe radiolatarnie (NDB), które pomagają w nawigacji na duże odległości nad wodą i trudnymi terenami. Ich zdolność do rozprzestrzeniania się po powierzchni Ziemi przy niewielkim tłumieniu sprawia, że są one niezbędne w zastosowaniach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, gdzie niezawodna komunikacja co1TP15 ma kluczowe znaczenie na rozległych obszarach.

• Wysoka częstotliwość (HF):

Pasma HF, od 3 MHz do 30 MHz, są znane ze swojej zdolności do ułatwiania komunikacji na duże odległości, głównie poprzez odbijanie sygnałów od jonosfery. Ta cecha pozwala sygnałom podróżować daleko poza linią wzroku, umożliwiając globalną komunikację. Pasma HF znajdują szerokie zastosowanie w międzynarodowym nadawaniu, radiu amatorskim i komunikacji wojskowej, gdzie łączność na duże odległości jest niezbędna bez potrzeby stosowania systemów satelitarnych. Ich wyjątkowa zdolność do odbijania się od jonosfery sprawia, że anteny HF, takie jak dipole lub tablice Yagi-Uda, nadają się do propagacji fal podniebnych, co jest szczególnie korzystne dla zdalnej komunikacji i transmisji wysokiej częstotliwości.

• Bardzo wysoka częstotliwość (VHF) i ultra wysoka częstotliwość (UHF):

Częstotliwości VHF (30 MHz do 300 MHz) i UHF (300 MHz do 3 GHz) umożliwiają komunikację w linii wzroku, ponieważ ich krótsze długości fal ułatwiają bardziej kompaktowe konstrukcje anten. W tych zakresach częstotliwości anteny są zwykle mniejsze i bardziej wydajne w zastosowaniach mobilnych, w tym w urządzeniach przenośnych. VHF jest często wykorzystywany w nadawaniu radiowym FM, transmisji telewizyjnej i systemach kontroli ruchu lotniczego, gdzie niezbędna jest komunikacja w umiarkowanym zakresie i odporność na szumy atmosferyczne. Pasma UHF odgrywają kluczową rolę we współczesnych systemach telekomunikacyjnych, takich jak transmisje telewizyjne, GPS, telefony komórkowe i sieci Wi-Fi. Anteny UHF zapewniają większą przepustowość, umożliwiając szybszy transfer danych i bardziej niezawodne połączenia w cyfrowych sieciach telekomunikacyjnych i mobilnych.

• Pasma mikrofalowe (od 3 GHz do 300 GHz):

Częstotliwości mikrofalowe wymagają stosowania anten o wysokiej kierunkowości, takich jak anteny paraboliczne i anteny tubowe, ponieważ mogą one przesyłać sygnały na duże odległości przy minimalnych stratach. Częstotliwości te odgrywają istotną rolę w systemach radarowych, komunikacji satelitarnej i transmisji danych o dużej przepustowości za pośrednictwem mikrofalowych przekaźników radiowych. Mikrofale są szczególnie przydatne w scenariuszach wymagających komunikacji punkt-punkt, takich jak systemy satelitarne, radary wojskowe i zaawansowana telekomunikacja. Wysoka kierunkowość i zdolność do przesyłania dużych ilości danych sprawiają, że anteny mikrofalowe są niezbędne zarówno w cywilnych, jak i obronnych systemach telekomunikacyjnych.

Antena pasywna a antena aktywna

Podczas gdy anteny pasywne po prostu przekazują odebrane sygnały do odbiornika, anteny aktywne są wyposażone we wbudowany wzmacniacz o niskim poziomie szumów (LNA), który zwiększa siłę sygnału. Decyzja o użyciu jednego typu anteny zależy od różnych czynników, w tym siły sygnału, długości kabla, dostępności zasilania i konkretnych potrzeb aplikacji. Poniżej znajduje się tabela porównawcza, która przedstawia kluczowe różnice między antenami pasywnymi i aktywnymi.

Dopasowanie typu anteny do potrzeb użytkownika

Wybór odpowiedniego typu anteny, aktywnej lub pasywnej, jest bardzo ważną decyzją w celu zagwarantowania najwyższej wydajności aplikacji. Rozpoznanie różnic między tymi dwiema formami pomoże w podjęciu świadomej decyzji.

Anteny pasywne to proste urządzenia, które składają się wyłącznie z elementu zaprojektowanego do odbierania sygnałów bez żadnych dodatkowych obwodów wzmacniających. Nie wymagają zewnętrznego zasilania, ponieważ nie są wyposażone w takie zintegrowane części, jak wzmacniacze o niskim poziomie szumów (LNA). Anteny pasywne są zwykle stosowane, gdy antenę można zbliżyć do odbiornika, gdzie tłumienie sygnału jest zminimalizowane. Prostota często skutkuje niższymi kosztami i mniejszym zużyciem energii, dzięki czemu anteny pasywne nadają się do zastosowań z krótkimi przewodami i środowiskami, w których siła sygnału jest odpowiednia.

Z kolei anteny aktywne zawierają zintegrowany LNA, który wzmacnia odbierany sygnał przed przesłaniem go do odbiornika. Wzmocnienie to kompensuje degradację sygnału, która może wystąpić na długich trasach kablowych lub w środowiskach o znacznych zakłóceniach. Anteny aktywne wymagają zasilacza napędzającego wzmacniacz, złożoności i możliwych trybów awarii, ale mogą być ogromną poprawą jakości sygnału w trudnych warunkach. Są one szczególnie przydatne w sytuacjach, w których antena może być umieszczona w dużej odległości od odbiornika lub w obecności silnego tłumienia sygnału.

Przy wyborze między anteną pasywną a aktywną należy wziąć pod uwagę długość kabla, zakłócenia środowiskowe, dostępność zasilania i złożoność systemu. W przypadku instalacji z długimi przewodami i/lub wysokimi zakłóceniami, aktywna antena może zapewnić wymagane wzmocnienie sygnału i utrzymać wydajność zgodnie ze standardami. Z drugiej strony, w przypadku sieci o małych długościach kabli i niskich zakłóceniach, przewagę może mieć prostota i solidność anteny pasywnej.

Ogólnie rzecz biorąc, przy wyborze anteny należy wziąć pod uwagę kompromisy między prostotą i przystępną ceną anten pasywnych a wydajnością i złożonością anten aktywnych, porównując oba podejścia do wyboru w celu określenia najbardziej odpowiedniego typu anteny dla danego zastosowania. Dzięki starannej ocenie wymagań aplikacji, będziesz w stanie zdecydować o właściwym typie anteny, która ma być używana.

Wnioski

Anteny pasywne zapewniają wszechstronne rozwiązania dla szerokiego zakresu zastosowań, co czyni je kluczowym graczem we współczesnej komunikacji bezprzewodowej co1TP15. Pomimo tego, że transmisja sygnału zależy wyłącznie od ich struktury, ich zastosowania obejmują zarówno ułatwianie globalnego nadawania, jak i obsługę kompaktowych urządzeń IoT. Dostosowując swoją konstrukcję do konkretnych wymagań i środowisk, anteny pasywne nadal służą jako istotne, elastyczne rozwiązanie w rozwoju łączności bezprzewodowej.