Antena

Kako radi antena? Koji je princip?

Antene se široko koriste u telekomunikacijama i znamo da imaju mnoge primjene. Antene primaju elektromagnetske valove i pretvaraju ih u električne signale ili primaju električne signale i zrače ih kao elektromagnetske valove. U ovom ćemo članku pogledati znanost iza antena.

â € <
Razlika između fluktuirajućih elektromagnetskih polja i zračenih elektromagnetskih polja
Imamo električne signale, pa kako ih pretvoriti u elektromagnetske valove? Vjerojatno se možete sjetiti jednostavnog odgovora. To jest, korištenjem zatvorenog vodiča i uz pomoć principa elektromagnetske indukcije, moći ćete generirati fluktuirajuće magnetsko polje i električno polje oko njega, kao što je prikazano na slici 1A. Međutim, ovo fluktuirajuće polje oko izvora nema koristi u prijenosu signala. Ovdje se elektromagnetsko polje ne širi; umjesto toga, samo fluktuira oko izvora. U anteni, elektromagnetski valovi moraju biti odvojeni od izvora, te se trebaju širiti (Slika: 1B). Prije nego što pogledamo kako je napravljena antena, shvatimo fiziku koja stoji iza razdvajanja valova.


Fizika iza oscilirajućih dipola i zračenja
Razmotrimo pozitivan i negativan naboj postavljene odvojeno. Takvi rasporedi poznati su kao dipoli i oni očito proizvode električno polje kao što je prikazano na slici 2A. Sada, pretpostavimo da ti naboji osciliraju, kao što je prikazano na slici 2B. Na sredini njegove staze brzina će biti najveća, a na kraju puta brzina će biti nula. Zbog ove promjene brzine, nabijene čestice prolaze kontinuirano ubrzavanje i usporavanje.


1. Linije električnog polja pri t = 0
Sada je izazov otkriti kako se električno polje mijenja zbog tog gibanja. Usredotočimo se samo na jednu silnicu električnog polja (slika 3).


Slika: 3 Električno polje je prikazano pri t = 0

2. Silnice električnog polja pri t = T/8
Valna fronta formirana u nultom vremenskom razdoblju proširila se i deformirala kao što je prikazano nakon jedne osmine vremenskog perioda (Sl. 4A). Ovo je iznenađujuće; možda ste očekivali jednostavno električno polje, kao što je prikazano na ovom mjestu. Zašto se električno polje isteže i stvara takvo polje? Kao što je prikazano na slici 4B, to je zato što će ubrzavanje ili usporavanje naboja generirati električno polje s određenim učinkom pamćenja. Stara električna polja nije lako prilagoditi novim uvjetima. Treba nam neko vrijeme da shvatimo ulogu električnih polja, pregiba koji ubrzavaju ili usporavaju naboje.


3. Silnice električnog polja pri t = T/4
Nastavimo li analizu na isti način, vidimo da se u četvrtini vremenskog razdoblja krajnje točke valnih fronti susreću u jednoj točki (Slika 5).


Slika: 5 Pri t = T/4, krajevi električnih polja susreću se u jednoj točki, dolazi do razdvajanja i širenja
Nakon toga dolazi do odvajanja i širenja valnih fronti. Ako nacrtate jakost električnog polja u odnosu na udaljenost, vidjet ćete da je širenje vala sinusne prirode (slika 6). Zanimljivo je da je rezultirajuća valna duljina širenja točno dvostruko veća od duljine dipola. Na ovo ćemo se vratiti kasnije. Imajte na umu da će ovo promjenjivo električno polje automatski generirati promjenjivo magnetsko polje okomito na njega. To je upravo ono što nam treba za našu antenu. Ukratko, ako možete organizirati osciliranje pozitivnih i negativnih naboja, možete napraviti antenu.


Slika: Elektromagnetsko zračenje u 6 dipola

Kako nastaje zračenje u anteni?
Zapravo, stvaranje ovog oscilirajućeg naboja je vrlo jednostavno. Uzmite vodljivu šipku savijenu u sredini i primijenite naponski signal (7A) u sredini. Recimo da je ovo vaš primijenjeni signal, vremenski promjenjiv naponski signal. Razmotrimo slučaj vremena nula. Zbog djelovanja napona elektroni će se kretati s desne strane dipola i nakupljati na lijevoj strani. To znači da je drugi kraj koji gubi elektrone automatski pozitivno nabijen (7B). Ovaj raspored stvara isti učinak kao i prethodni slučaj dipolnih naboja, pozitivnih i negativnih naboja na krajevima žice. Kako se napon mijenja tijekom vremena, pozitivni i negativni naboji pomicat će se naprijed-natrag.


Jednostavna dipolna antena također proizvodi isti fenomen kao u prethodnom odjeljku, te dolazi do širenja valova. Sada smo vidjeli kako antena djeluje kao odašiljač. Frekvencija odaslanog signala bit će ista kao i frekvencija primijenjenog naponskog signala. Budući da se širenje odvija brzinom svjetlosti, možemo lako izračunati valnu duljinu širenja (slika 8). Za savršen prijenos, duljina antene trebala bi biti pola valne duljine.

ƒ Antena = ƒ Ulaz

C = ƒ antena X ƛ antena


Slika: 8 antena zrači elektromagnetske valove brzinom svjetlosti

Kako antena prima signal?
Rad antene je reverzibilan i može djelovati kao prijemnik ako elektromagnetsko polje koje se širi pogodi antenu. Pogledajmo detaljnije ovaj fenomen.

Ponovno upotrijebite istu antenu i primijenite električno polje. U ovom trenutku, elektroni će se akumulirati na jednom kraju štapa. Ovo je isto što i električni dipol. Kako se primijenjeno električno polje mijenja, pozitivni i negativni naboji se nakupljaju na drugom kraju. Različito nakupljanje naboja podrazumijeva promjenjivi naponski signal u središtu antene. Kao što je prikazano na slici 9, kada se antena koristi kao prijemnik, ovaj naponski signal je izlaz. Frekvencija izlaznog naponskog signala jednaka je frekvenciji primljenog elektromagnetskog vala. Iz konfiguracije električnog polja vidljivo je da za savršen prijem antena treba biti upola manja od valne duljine. U svim ovim raspravama vidjeli smo da je antena otvoreni krug.


Slika 9: Antena može djelovati kao prijemnik ako je udari elektromagnetsko polje koje se širi
Vrsta antene

Sada, pogledajmo neke praktične antene i kako one rade.

1. Yagi-Uda antena
U prošlosti su se za televizijski prijem koristile dipolne antene. Obojene trake djeluju kao dipoli i primaju signal kao što je prikazano. Dipol je njegov glavni pokretački element. Ova antena također zahtijeva reflektor i usmjerivač za fokusiranje signala na dipol. Reflektorski element je uvijek dulji od pogonskog elementa, a usmjerivački element je uvijek kraći od pogonskog elementa. Ova kompletna struktura naziva se Yagi-Uda antena (slika 10A). Yagi antenu su izumila dva japanska znanstvenika, Yagi Hidehisa i Uda Shintaro. To je usmjerena antena, koja se koristi za komunikaciju od točke do točke. Pogonski element ili dipolna antena pretvara primljeni signal u električni signal koji se koaksijalnim kabelom prenosi do TV jedinice (slika 10B).


2. Detaljna antenska antena
Danas smo prešli na satelitske TV antene. Sastoje se od dva glavna dijela, paraboličnog reflektora i niskošumnog pretvarača. Parabolična antena prima elektromagnetski signal sa satelita i fokusira ga na LNBF, kao što je prikazano na slici 11. Oblik parabole dizajniran je s posebnom preciznošću.


Slika: 11 U antenskoj anteni, upadni signal je fokusiran na LNBF pomoću paraboličnog reflektora
LNBF se sastoji od sirena za napajanje, valovoda, PCB-a i sonde (12A). Dolazni signal se fokusira na sondu kroz dovodnu sirenu i valovod. Kao što smo vidjeli u slučaju jednostavnog dipola, napon se inducira na sondi. Tako generirani naponski signal dovodi se do PCB-a za obradu signala kao što je filtriranje, pretvorba visoke frekvencije u nisku frekvenciju i pojačanje. Nakon obrade signala, ti se električni signali prenose do TV jedinice putem koaksijalnog kabela (Slika 12B).


Ako otvorite LNB, najvjerojatnije ćete pronaći 2 sonde umjesto jedne, pri čemu je druga sonda okomita na prvu. Raspored s 2 sonde znači da se raspoloživi spektar može koristiti dvaput slanjem vodoravno ili okomito polariziranih valova. Kao što je prikazano na slici 13, jedna sonda detektira horizontalno polarizirane signale, a druga sonda detektira vertikalno polarizirane signale.


Slika 13: Horizontalna i okomita sonda otkrivaju vodoravno i okomito polarizirane signale.

3. Mikrotrakasta antena ili patch antena
Telefon u vašoj ruci koristi potpuno drugačiji tip antene koja se naziva patch antena (Slika 14A). Ove vrste antena su jeftine i jednostavne za proizvodnju na tiskanim pločama. Patch antena se sastoji od metalne trake ili trake postavljene na uzemljenu plohu s komadom dielektričnog materijala između. Ovdje se metalne zakrpe koriste kao elementi koji zrače. Duljina metalnog flastera trebala bi biti pola valne duljine za pravilan prijenos i prijam (Slika 14B). Imajte na umu da je opis patch antene koji ovdje prikazujemo vrlo jednostavan.