Что такое пассивная антенна? Полное руководство

Пассивные антенны, простые и эффективные по своей конструкции, способны принимать и передавать сигналы при соответствующей настройке, полностью полагаясь на свою конструкцию без внешнего источника питания. В этой статье рассматриваются особенности их конструкции, диапазоны рабочих частот и преимущества перед активными антеннами. Подробно рассматривая эти фундаментальные понятия, связанные с пассивными антеннами, статья призвана помочь пользователям в принятии обоснованных решений по выбору пассивных антенн как для повседневного, так и для специализированного использования.

Понимание пассивных антенн

Пассивные антенны работают без внешнего источника питания, поскольку в них не используются встроенные усилители сигнала. Полностью зависящие от своей конструкции, эти антенны являются простыми, но эффективными решениями для передачи сигнала в различных областях применения - от приема телевидения до спутниковой со1TP15Туникации.

В отличие от активные антенны В пассивных антеннах используются активные компоненты, такие как кристаллические диоды, транзисторы и лучевые диоды, для эффективной передачи сигнала используются антенные элементы, такие как петли и диполи. Когда электромагнитный сигнал проходит через ее элементы, в них индуцируется переменный ток, который затем передается на подключенное приемное устройство для дальнейшей обработки. Индуцированный переменный сигнал соответствует информации, которую она несет, а поскольку антенна спроектирована таким образом, что резонирует в заданном диапазоне частот, она может работать только с теми частотами, которые ей нужны, отвергая другие. Пассивные антенны могут передавать сигналы при подключении к передатчику, преобразуя электрические сигналы в электромагнитные волны для распространения.

Несмотря на то, что пассивные антенны могут быть подвержены помехам в сложных условиях, простота их конструкции сводит к минимуму такие проблемы, как интермодуляция.

Типы пассивных антенн

Существует широкий спектр пассивных антенн, каждая из которых предназначена для удовлетворения уникальных требований к беспроводной со1TP15Туникации. Некоторые из них приведены ниже:

• Панельная антенна

Эти антенны характеризуются плоской, прямоугольной и панельной формой. Поскольку эти антенны создают направленный луч радиочастотного сигнала, это позволяет им работать с приложениями, требующими целенаправленного распределения сигнала. Панельные антенны обычно используются для формирования соединений "точка-точка" и "многоточка" в базовых станциях сотовой связи и сетях Wi-Fi в условиях высокой плотности пользователей для обеспечения оптимальной производительности сети с уменьшением помех.

• Антенна Yagi

Антенна Yagi или Yagi - Uda в основном состоит из управляемого элемента, рефлектора и ряда директоров, расположенных перпендикулярно и образующих длинный элемент. Такая конфигурация позволяет антеннам Yagi создавать диаграмму направленности излучения. Направленность обеспечивает превосходное усиление в одном направлении, сохраняя нежелательные помехи на минимальном уровне. Поскольку антенны Yagi отличаются высокой направленностью и превосходными возможностями усиления, они используются в телевизионном вещании в сельской местности и в беспроводной связи дальнего радиуса действия.

• Секторная антенна

Секторные антенны обеспечивают покрытие в угловом секторе, который обычно составляет от 60 до 180 градусов. Это позволяет операторам связи объединять несколько таких антенн вместе для достижения 360-градусного покрытия. Эти антенны обеспечивают улучшенное распределение сигнала в целевых регионах и поэтому используются в сотовых сетях, базовых станциях и сетях Wi-Fi. Для сравнения, секторные антенны обеспечивают более широкую ширину луча, чем антенны Yagi, и обычно имеют коэффициент усиления, сравнимый или немного меньший, чем панельные антенны, в зависимости от их конструкции.

• Дипольная антенна

Эти антенны имеют одну из самых простых конструкций, состоящую из двух проводящих элементов, расположенных в центре, а фидлайн размещен в равноудаленной центральной точке. Имея тороидальную диаграмму направленности излучения и умеренный коэффициент усиления, эти антенны обычно используются в FM/AM радиоприемниках, телевизионных антеннах и в различных системах со1TP15Туникации. Кроме того, дипольная антенна часто используется в качестве отправной точки для более сложных конструкций, таких как сложенный диполь и конструкция с логарифмическим периодом.

• Монопольная антенна

Монопольная антенна состоит из стержнеобразного проводника, установленного на проводящей плоскости земли, которая имеет решающее значение для формирования желаемой диаграммы направленности излучения и обеспечения эффективной передачи сигнала. Поэтому данный тип антенны также можно рассматривать как полудипольную антенну, установленную на проводящей поверхности. Простые и компактные по своей конструкции, эти антенны обеспечивают равномерное покрытие во всех горизонтальных направлениях. Это делает их отличным выбором для мобильных communications, автомобильных communication систем и низкочастотных приложений.

• Антенна на печатной плате

Антенны для печатных плат (PCB) интегрируются непосредственно в плату PCB. Поэтому такие антенны являются идеальным выбором для приложений, где пространство ограничено. Отсутствие дополнительных затрат на производство делает антенны на печатной плате отличным экономичным решением для ряда приложений, включая IoT-устройства, смартфоны, Bluetooth и Wi -Fi роутеры.

Проектирование пассивных антенн

Проектирование пассивных антенн, как и проектирование активных антенн, включает в себя множество аспектов, которые влияют на производительность и эффективность антенны. Ниже перечислены некоторые важные особенности, которые необходимо учитывать при проектировании пассивных антенн:

• Тип применения: Стационарные и мобильные

Предполагаемое применение играет важную роль при проектировании антенн. Стационарные антенны, такие как антенны базовых станций, ориентированы на стабильность, надежность и высокий коэффициент усиления. С другой стороны, мобильные антенны, например, устанавливаемые на автомобилях или мобильных телефонах, должны быть легкими и небольшими и иметь большую диаграмму направленности излучения, чтобы поддерживать лучшую связь в различных направлениях и ситуациях.

• Использование в помещении и на улице

Антенны для помещений разработаны таким образом, чтобы быть эстетически привлекательными, при этом риск возникновения помех сведен к минимуму. Поскольку они защищены от воздействия внешних факторов, им не требуются прочные материалы. Наружные антенны, с другой стороны, должны выдерживать такие воздействия окружающей среды, как ветер, дождь и ультрафиолетовое излучение. Поэтому они должны быть оснащены защитными корпусами из коррозионностойких материалов.

• Количество поддерживаемых устройств

Антенны, предназначенные для работы с несколькими устройствами, должны выдерживать больший объем трафика, сохраняя при этом целостность сигнала. Например, антенны в Wi-Fi роутерах используют такие технологии, как множественный вход и множественный выход (MIMO), чтобы обеспечить одновременную передачу сигнала на несколько устройств. В отличие от них, антенны для одного устройства, например, используемые в пультах дистанционного управления, имеют более скромную конструкцию.

• Стратегии снижения потерь сигнала

Минимизация потерь сигнала является важной характеристикой при разработке пассивных антенн. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование направленных антенн, которые дают больший коэффициент усиления, не требуя дополнительного усиления. Альтернативной стратегией является переход от обычных коаксиальных кабелей к оптоволоконным. Поскольку оптоволокно способно покрывать большие расстояния с минимальными потерями сигнала, оно идеально подходит для приложений, требующих прокладки обширных кабелей.

Ключевые компоненты при проектировании пассивных антенн

Успешное функционирование пассивных антенн зависит от нескольких ключевых компонентов. Некоторые из ключевых компонентов в конструкции пассивных антенн следующие:

• Излучающий элемент

Излучающий элемент лежит в основе конструкции пассивной антенны. Излучающий элемент отвечает за генерацию и поглощение электромагнитных волн. Он калибруется в соответствии с рабочей частотой системы и оптимизируется по размерам и материалам для достижения максимальной эффективности. Форма и вид излучающего элемента, например, диполь, монополь или патч, определяют не только диаграмму направленности излучения антенны, но и ее поляризацию, а также коэффициент усиления.

• Базовая станция

Базовая станция служит центральным узлом, соединяющим антенны с более крупными системами communication. Хотя базовая станция и не является непосредственным компонентом конструкции антенны, она способна гарантировать незаметные сигнальные переходы, обеспечивая надежную и стабильную работу как мобильных, так и стационарных приложений.

• Плоскость земли

Заземляющие плоскости специально изготавливаются для работы в предполагаемом диапазоне частот и применения антенны. Она отвечает за повышение направленности и эффективности излучающего элемента антенны за счет отражения электромагнитных волн. Кроме того, в монопольных антеннах плоскость земли завершает путь тока, улучшая диаграмму направленности излучения.

• Линия подачи

Фидерные линии служат связующим звеном между антенной, передатчиком и приемником и облегчают передачу сигнала, обеспечивая при этом минимальные потери сигнала. Несмотря на то, что коаксиальные кабели используются только в качестве фидерных линий, для компактных конструкций, таких как антенны на печатных платах, вместо них используются микрополосковые линии. При правильном согласовании импеданса между питающей линией и антенной отражение мощности может быть сведено к минимуму, что обеспечивает эффективную передачу энергии.

Применение пассивных антенн

Простота, экономичность и долговечность, присущие пассивным антеннам, находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые из популярных областей их применения:

• Teleco1TP15Туникации и телерадиовещание

В мобильных сетях пассивные антенные решетки используются вместе с вышками сотовой связи для покрытия обширных территорий, чтобы обеспечить надежную передачу и прием сигнала. Аналогичным образом, в системах Wi-Fi используются компактные пассивные антенны, такие как диполи, для обеспечения беспроводного доступа в Интернет в домах, офисах и общественных местах. В телерадиовещании антенны Yagi широко используются для приема сигналов наземного телевидения, обеспечивая превосходное усиление и направленность.

• Спутник Co1TP15Туникация

Параболические антенны используются только в наземных станциях спутниковой связи для обеспечения высокой направленности и коэффициента усиления. Компактные пассивные антенны встраиваются в устройства GPS, чтобы помочь пользователю в навигации с помощью точных данных о местоположении. Кроме того, спутники для мониторинга погоды также используют пассивные антенны при передаче метеорологической информации на наземные станции для точного прогнозирования погоды и изучения климата.

• IoT и умные устройства

Рост Интернета вещей (IoT) значительно увеличил спрос на компактные и эффективные пассивные антенны. Смарт-часы, фитнес-трекеры и системы "умного дома" часто полагаются на PCB и монопольные антенны для обеспечения связи по протоколам Bluetooth, Wi-Fi или Zigbee. В промышленных IoT-приложениях пассивные антенны используются для передачи данных между оборудованием и централизованными системами, повышая надежность работы и оптимизируя процессы.

• Автомобильные приложения

Пассивные антенны используются в системах бесключевого доступа, обеспечивая безопасную связь между автомобилем и брелоком. Кроме того, в новых технологиях, таких как Vehicle-to-Everything (V2X) communication, эти антенны используются для облегчения взаимодействия между транспортными средствами, инфраструктурой и пешеходами, повышая безопасность дорожного движения и управляя им.

От НЧ до УВЧ: понимание универсальности пассивных антенн

Пассивная антенна ведет себя по-разному и играет разные роли в разных диапазонах частот. Низкие, средние и высокие частоты охватывают широкий спектр диапазонов, и конструкция и качество пассивной антенны зависят от диапазона. Ниже приведен обзор характеристик пассивной антенны, диапазонов рабочих частот для НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ, УВЧ и СВЧ-диапазонов, а также областей применения для каждого диапазона:

• Низкочастотные (НЧ) и среднечастотные (СЧ):

Работающие в диапазоне от 30 kHz до 3 MHz, НЧ и СЧ диапазоны известны своими большими длинами волн, которые требуют использования больших антенных конструкций для эффективной работы. Хотя эти частоты не идеальны для компактных устройств, они отлично подходят для дальней со1TP15Туникации благодаря способности преодолевать большие расстояния с минимальными потерями. Антенны MF в основном используются в морских и авиационных навигационных системах, таких как ненаправленные маяки (NDB), которые помогают в навигации на большие расстояния по воде и сложным рельефам. Способность распространяться по поверхности Земли с незначительным затуханием делает их незаменимыми для критически важных приложений, где надежная связь на обширных территориях имеет решающее значение.

• Высокая частота (ВЧ):

ВЧ-диапазоны, от 3 MHz до 30 MHz, известны своей способностью облегчать дальнюю связь, в основном за счет отражения сигналов от ионосферы. Эта особенность позволяет сигналам распространяться далеко за пределы прямой видимости, обеспечивая глобальную связь. ВЧ-диапазоны находят широкое применение в международном радиовещании, любительской радиосвязи и военной связи, где необходима связь на больших расстояниях без использования спутниковых систем. Уникальная способность отражаться от ионосферы делает ВЧ-антенны, такие как диполи или решетки Yagi-Uda, пригодными для распространения небесных волн, что особенно полезно для удаленной связи и высокочастотной передачи.

• Очень высокие частоты (VHF) и сверхвысокие частоты (UHF):

Частоты VHF (от 30 MHz до 300 MHz) и UHF (от 300 MHz до 3 GHz) позволяют осуществлять связь в прямой видимости, поскольку их меньшая длина волны способствует созданию более компактных антенн. В этих частотных диапазонах антенны, как правило, меньше и эффективнее для мобильных приложений, включая портативные устройства. ОВЧ часто используется в FM-радиовещании, телевидении и системах управления воздушным движением, где важна умеренная связь и устойчивость к атмосферным шумам. UHF-диапазон играет важную роль в современных системах связи, таких как телевизионное вещание, GPS, мобильные телефоны и сети Wi-Fi. Антенны UHF обеспечивают более высокую пропускную способность, что позволяет повысить скорость передачи данных и надежность соединения в цифровых и мобильных сетях.

• Микроволновые диапазоны (от 3 GHz до 300 GHz):

Микроволновые частоты требуют использования высоконаправленных антенн, таких как параболические тарелки и рупорные антенны, поскольку они могут передавать сигналы на большие расстояния с минимальными потерями. Эти частоты играют важную роль в радарных системах, спутниковой со1TP15Туникации и высокопроизводительной передаче данных через микроволновые радиореле. Микроволны особенно полезны в сценариях, требующих связи "точка-точка", таких как спутниковые системы, военные радары и современные телекоммуникации. Высокая направленность и способность передавать большие объемы данных делают микроволновые антенны необходимыми как для гражданских, так и для оборонных систем связи.

Пассивная антенна и активная антенна

В то время как пассивные антенны просто передают полученные сигналы на приемник, активные антенны оснащены встроенным малошумящим усилителем (МШУ), который повышает уровень сигнала. Решение об использовании одного типа антенн зависит от различных факторов, включая уровень сигнала, длину кабеля, наличие питания и конкретные потребности приложения. Ниже приведена сравнительная таблица, в которой указаны основные различия между пассивными и активными антеннами.

Соответствие ваших потребностей правильному типу антенны

Выбор подходящего типа антенны, активной или пассивной, - очень важное решение, гарантирующее высочайшую производительность приложения. Осознание различий между этими двумя видами поможет принять обоснованное решение.

Пассивные антенны - это простые устройства, состоящие только из элемента, предназначенного для приема сигнала, без дополнительных схем усиления. Им не нужен внешний источник питания, поскольку они не оснащены такими встроенными компонентами, как малошумящие усилители (МШУ). Пассивные антенны обычно используются в тех случаях, когда антенну можно поднести близко к приемнику, где ослабление сигнала минимально. Простота часто приводит к снижению стоимости и энергопотребления, что делает пассивные антенны подходящими для приложений с короткими кабелями и в условиях, когда уровень сигнала достаточен.

Активные антенны, напротив, содержат встроенный МШУ, который усиливает принимаемый сигнал перед передачей его на приемник. Это усиление компенсирует деградацию сигнала, которая может происходить при длинных кабельных линиях или в условиях сильных помех. Активные антенны требуют источника питания для усилителя, отличаются сложностью и возможными отказами, но они могут значительно улучшить качество сигнала в сложных условиях. Они особенно полезны в ситуациях, когда антенна может быть размещена на большом расстоянии от приемника или в условиях сильного затухания сигнала.

При выборе пассивной или активной антенны следует учитывать длину кабеля, уровень шума окружающей среды, наличие питания и сложность системы. В сетях с длинными кабелями и/или сильными помехами активная антенна может обеспечить необходимое усиление сигнала и сохранить производительность в соответствии со стандартами. С другой стороны, для сетей с малой длиной кабеля и низким уровнем помех преимущества простоты и надежности пассивной антенны могут быть превалирующими.

В целом, при выборе антенны необходимо учитывать компромиссы между простотой и доступностью пассивных антенн и производительностью и сложностью активных антенн, сравнивая два подхода к выбору, чтобы определить наиболее подходящий тип антенны для конкретного приложения. Тщательная оценка требований вашего приложения позволит вам принять решение о выборе правильного типа антенны.

Заключение

Пассивные антенны обеспечивают универсальные решения для широкого спектра приложений, что делает их ключевым игроком в современной беспроводной со1TP15Туникации. Несмотря на то, что передача сигнала зависит исключительно от ее структуры, ее применение варьируется от облегчения глобального вещания до создания компактных IoT-устройств. Благодаря адаптации своей конструкции к конкретным требованиям и условиям окружающей среды пассивные антенны продолжают служить жизненно важным, адаптируемым решением в развитии беспроводной связи.