Anteny do komunikacji bezprzewodowej

Podstawowym zadaniem anteny jest konwersja sygnału przewodzonego w linii transmisyjnej do postaci fali elektromagnetycznej (w przypadku anteny nadawczej) oraz w kierunku odwrotnym (w przypadku anteny odbiorczej). Skuteczność tego procesu zależy od wielu czynników, związanych zarówno z parametrami sygnału, jak i samej anteny. Stopień skomplikowania procesu konwersji energii dokonującego się w antenach dobrze oddaje fakt, że współczesna wiedza techniczna z dziedziny konstrukcji anten wciąż w dużej części oparta jest na podstawach empirycznych.

Na rysunku 1 przedstawiono kilka najpopularniejszych typów anten do komunikacji bezprzewodowej. Dla przeciętnego użytkownika prawdopodobnie najbardziej znajome z nich wydać się mogą anteny monopolowe oraz talerzowe, gdyż wykorzystywane są do odbioru sygnału telewizyjnego. We współczesnych układach elektronicznych najczęściej spotkać można anteny mikropaskowe, charakteryzujące się małymi rozmiarami oraz łatwością integracji w obwodzie drukowanym.

 

Rys. 1. Różne rodzaje anten do transmisji bezprzewodowej

Jak już wspomniano, antena dokonuje konwersji sygnału elektrycznego do postaci fali elektromagnetycznej. W zasadzie każdy fragment przewodnika częściowo realizuje taką funkcję – przepływ prądu elektrycznego przez przewodnik powoduje powstanie promieniowania elektromagnetycznego – część energii przepływającego sygnału propagowana jest do otoczenia przewodnika. W przypadku anten konwersji do postaci fali elektromagnetycznej ulega większa część sygnału elektrycznego i jest to zjawisko zamierzone, nie zaś efekt pasożytniczy.

Uproszczony schemat działania anteny przedstawiono na rysunku 2. W pewnym sensie zadanie anteny polega na zapewnieniu dopasowania impedancyjnego pomiędzy linią transmisyjną (typ. 50 Ω) a wolną przestrzenią (o impedancji falowej w próżni 377 Ω).

Antenę, tak jak każdy inny element obwodu elektronicznego, opisać można za pomocą zestawu parametrów. Odpowiedni dobór tych parametrów jest niezbędny do efektywnej realizacji bezprzewodowej transmisji danych w systemie.

 

Rys. 2. Uproszczony schemat działania anteny nadawczej

Charakterystyka promieniowania

Niewątpliwie jedną z najważniejszych cech każdej anteny jest jej charakterystyka promieniowania. Jest ona przedstawiana na wykresie, który obrazuje, w jaki sposób antena promieniuje energię w zależności od kierunku. Przedstawia ona unormowany rozkład pola elektrycznego lub też względny rozkład powierzchniowej gęstości mocy. Charakterystyki są wyznaczane w dwóch płaszczyznach, poziomej i pionowej. Mogą być także przedstawiane w postaci trójwymiarowej. Na podstawie charakterystyk można określić kierunek oraz poziom wiązki głównej i, zazwyczaj niepożądanych, wiązek bocznych i wstecznych. Wyznacza się także kąt połowy mocy, odnajdując na charakterystyce punkty, w których natężenie pola spada o 3 dB.

Rzeczywista antena nie jest zazwyczaj w stanie promieniować energii elektrycznej tam samo efektywnie we wszystkich kierunkach. Niektóre z nich są jednak projektowane w taki sposób, aby celowo ograniczyć szerokość wiązki promieniowania, co pozwala na uzyskanie większej gęstości mocy w określonym wycinku przestrzeni. W ogólności anteny podzielić można zatem na dookólne (charakterystyka promieniowania zbliżona do okręgu) oraz kierunkowe (z jedną lub kilkoma wiązkami promieniowania).

Kierunkowość oraz zysk

W teorii anten często operuje się pojęciem anteny izotropowej – jest to model obiektu idealnego, nieistniejącego w rzeczywistości, który charakteryzuje się następującymi cechami:

• emituje sygnał równomiernie we wszystkich kierunkach,
• ma zerowe straty energetyczne – cały sygnał dostarczany do anteny wypromieniowywany jest w postaci energii elektromagnetycznej,
• ma zerowe wymiary fizyczne – jest punktem.

W przeciwieństwie do anteny izotropowej, rzeczywiste anteny charakteryzują się zwykle niejednorodną charakterystyką promieniowania, co oznacza, że emitują sygnał o różnej mocy w różnych kierunkach w przestrzeni. Jednym z najistotniejszych parametrów charakteryzujących antenę kierunkową jest jej zysk kierunkowy, czyli zdolność do kierunkowego promieniowania energii elektromagnetycznej w stosunku do anteny przyjętej za wzorzec.

Parametr ten wyznacza się zazwyczaj w odniesieniu do anteny izotropowej, zaś jego wartość wyraża się wtedy w dBi. Jeśli za antenę wzorcową przyjmuje się dipol półfalowy, to jednostką miary zysku kierunkowego jest dBd. Wartości te powiązane są następującą zależnością:

G_dBi=G_dBd+2,15

gdzie G_dBi to zysk kierunkowy w odniesieniu do anteny izotropowej, zaś G_dBd w odniesieniu do dipola półfalowego.

Zysk kierunkowy uwzględnia jedynie charakterystykę promieniowania anteny, nie bierze zaś pod uwagę jej sprawności. Straty mocy związane z przetwarzaniem sygnału w antenie uwzględniane są za to przy wyznaczaniu zysku energetycznego, który jest iloczynem zysku kierunkowego oraz sprawności anteny.

Kolejnym z parametrów związanych z kierunkowością i sprawnością przetwarzania energii w antenie jest EIRP, czyli moc średnia izotropowa (Equivalent\ Eff ective Isotropical Radiated Power). Jest to moc, jaką musiałaby wypromieniować teoretyczna antena izotropowa, aby w odbiorniku otrzymać taki sam poziom sygnału, jak w przypadku anteny kierunkowej na kierunku maksymalnego promieniowania. EIRP jest iloczynem mocy dostarczanej do anteny oraz jej zysku energetycznego.

Impedancja wejściowa, pasmo i polaryzacja

Impedancja wejściowa opisuje obciążenie, jakie przedstawia antena dla za silającego ją generatora. Bardzo istotnym zagadnieniem jest zapewnienie dopasowania impedancji wejściowej do podłączonej do anteny linii transmisyjnej. Brak takiego dopasowania prowadzić będzie do odbijania części sygnału i wzrostu mocy strat w obwodzie.

Pasmo pracy anteny określa się jako przedział częstotliwości, dla których parametry anteny utrzymują swoje wartości z określoną tolerancją. Należy pamiętać, że wszystkie parametry anteny zmieniają się wraz z częstotliwością emitowanego przez nią sygnału.

Polaryzacja anteny odnosi się do fizycznej orientacji emitowanej przez nią fali elektromagnetycznej. Wektor polaryzacji określa kierunek zmian pola elektromagnetycznego w czasie. W przypadku zestawiania połączenia bezprzewodowego bardzo ważne jest zapewnienie zgodności polaryzacji anteny nadawczej oraz odbiorczej. W przeciwnym przypadku spodziewać się należy istotnego pogorszenia jakości odbieranego sygnału.

Anteny dipolowe

Anteny dipolowe to najstarszy rodzaj anteny, składającej się z dwóch symetrycznych ramion. Cechują się one dookólną charakterystyką promieniowania. Składają się z podłużnego kawałka przewodnika (np. drutu). Konstruowane są w taki sposób, aby rezonować dla sygnałów o długodługości fali równej ćwiartce lub połowie długości anteny. Są bardzo proste w wykonaniu, zaś do innych ich zalet zaliczyć można niski koszt produkcji oraz możliwość tworzenia złożonych układów antenowych. Najistotniejsze wady to wąskie pasmo pracy oraz mały zysk kierunkowy.

Anteny mikropaskowe

Anteny mikropaskowe powstają przez naniesienie warstwy przewodnika na powierzchnię izolatora oddzielającego płaszczyznę masy. Promieniowanie wsteczne jest skutecznie tłumione przez płaszczyznę masy, co znacząco poprawia kierunkowość anteny. Produkcję tego rodzaju anten bardzo łatwo zintegrować można w standardowym procesie wytwarzania obwodów drukowanych. Obecnie anteny tego typu stosuje się powszechnie do nadawania i odbioru sygnałów o długości fali poniżej jednego decymetra (w zakresie mikrofal). Do ich innych istotnych zalet zaliczyć można łatwość oraz niski koszt produkcji, małe wymiary oraz wagę, a także możliwość umieszczania na różnego typu powierzchniach, zarówno płaskich, jak i zakrzywionych.

Anteny sektorowe

Anteny sektorowe to szczególny rodzaj anten kierunkowych. Charakteryzują się dużą szerokością (od 45° do 180°) wiązki głównej w głównej płaszczyźnie promieniowania oraz wąską wiązką (od 4 do 10°) w płaszczyźnie prostopadłej. Anteny takie wykonywane są jako anteny mikropaskowe lub w postaci układów dipoli. Znajdują zastosowanie m.in. w stacjach bazowych sieci telefonii komórkowej, pozwalając obniżyć poziom wzajemnych zakłóceń, dzięki czemu możliwe jest lepsze wykorzystanie dostępnego pasma pracy.

Anteny Yagi

Jednym z najpopularniejszych typów anten kierunkowych jest antena Yagi, skonstruowana w Japonii w latach 20. ubiegłego wieku. Składa się z wielu elementów, przy czym głównym jest dipol o długości równej połowie długości fali, podłączony do przewodu antenowego. Anteny te mają dobrą kierunkowość, dzięki czemu są powszechnie wykorzystywane do transmisji oraz odbioru sygnałów na falach krótkrótkich oraz ultrakrótkich. Znajdują zastosowanie m.in. w telekomunikacji, odbiorze sygnału telewizyjnego oraz zestawianiu radiowych sieci lokalnych.

Anteny paraboliczne

Anteny paraboliczne cechują się najlepszymi właściwościami kierunkowymi ze wszystkich typów anten. Składają się z refl ektora oraz elementu odbiorczego. Nazwa anteny pochodzi od kształtu reflektora, powstającego poprzez obrót paraboli wokół jej osi symetrii. Reflektor anteny pozwala uzyskać wysoką kierunkowość – wiązka główna tego typu anteny jest bardzo wąska, co pozwala na uzyskanie dużych wartości zysku kierunkowego. Anteny tego typu wykorzystywane są do bezprzewodowej komunikacji typu punkt-punkt na bardzo dużych odległościach, powszechnie stosuje się je np. do komunikacji z satelitami. Ogromnych rozmiarów anteny tego typu wykorzystywane są też m.in. w radioastronomii, gdzie zapewniają zysk rzędu 70 dBi, czyli ok. 10-milionowe wzmocnienie sygnału w porównaniu do anteny izotropowej.

Antena paraboliczna typu grid

Jednym z problemów anteny parabolicznej są duże wymiary powierzchni reflektora, podatnej na oddziaływanie mechaniczne związane z podmuchami wiatru. W przypadku niesprzyjających warunków atmosferycznych może to powodować deformację oraz trwałe uszkodzenie całej struktury. Aby uniknąć tego problemu, w niektórych konstrukcjach refl ektor realizowany jest w postaci metalowej siatki. Rozmiar oczek tej siatki zależy od częstotliwości przesyłanego sygnału w sposób odwrotnie proporcjonalny. Pozostałe parametry pozostają niemal bez zmian w stosunku do klasycznej anteny parabolicznej.

Podsumowanie

Antena to niezbędny element każdego systemu korzystającego z komunikacji bezprzewodowej. W sprzedaży znaleźć można różne ich rodzaje, różniące się sposobem konstrukcji oraz parametrami pracy. Znajomość podstawowych parametrów charakteryzujących anteny z pewnością ułatwi analizę not katalogowych pod kątem przydatności różnych modeli dla potrzeb konkretnego projektu.

Damian Tomaszewski