Notícies - Introducció i classificació d'algunes antenes comunes

1. Introducció a les antenes
Una antena és una estructura de transició entre l'espai lliure i una línia de transmissió, com es mostra a la Figura 1. La línia de transmissió pot tenir la forma d'una línia coaxial o d'un tub buit (guia d'ones), que s'utilitza per transmetre energia electromagnètica des d'una font a una antena, o des d'una antena a un receptor. La primera és una antena transmissora i la segona és una antena receptora.

Figura 1 Camí de transmissió d'energia electromagnètica (font-línia de transmissió-antena-espai lliure)

La transmissió del sistema d'antena en el mode de transmissió de la Figura 1 es representa mitjançant l'equivalent de Thevenin, tal com es mostra a la Figura 2, on la font es representa mitjançant un generador de senyal ideal, la línia de transmissió es representa mitjançant una línia amb una impedància característica Zc i l'antena es representa mitjançant una càrrega ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La resistència de càrrega RL representa les pèrdues de conducció i dielèctriques associades a l'estructura de l'antena, mentre que Rr representa la resistència a la radiació de l'antena i la reactància XA s'utilitza per representar la part imaginària de la impedància associada a la radiació de l'antena. En condicions ideals, tota l'energia generada per la font de senyal s'hauria de transferir a la resistència a la radiació Rr, que s'utilitza per representar la capacitat de radiació de l'antena. Tanmateix, en aplicacions pràctiques, hi ha pèrdues conductor-dielèctriques a causa de les característiques de la línia de transmissió i l'antena, així com pèrdues causades per la reflexió (desajust) entre la línia de transmissió i l'antena. Considerant la impedància interna de la font i ignorant les pèrdues de la línia de transmissió i la reflexió (desajust), la màxima potència es proporciona a l'antena sota l'adaptació conjugada.

Figura 2

A causa de la discrepància entre la línia de transmissió i l'antena, l'ona reflectida des de la interfície se superposa a l'ona incident des de la font fins a l'antena per formar una ona estacionària, que representa la concentració i l'emmagatzematge d'energia i és un dispositiu ressonant típic. Un patró d'ona estacionària típic es mostra amb la línia de punts a la Figura 2. Si el sistema d'antena no està dissenyat correctament, la línia de transmissió pot actuar com a element d'emmagatzematge d'energia en gran mesura, en lloc de com a guia d'ones i dispositiu de transmissió d'energia.
Les pèrdues causades per la línia de transmissió, l'antena i les ones estacionàries no són desitjables. Les pèrdues de línia es poden minimitzar seleccionant línies de transmissió de baixes pèrdues, mentre que les pèrdues d'antena es poden reduir reduint la resistència a les pèrdues representada per RL a la Figura 2. Les ones estacionàries es poden reduir i l'emmagatzematge d'energia a la línia es pot minimitzar fent coincidir la impedància de l'antena (càrrega) amb la impedància característica de la línia.
En els sistemes sense fil, a més de rebre o transmetre energia, les antenes solen ser necessàries per millorar l'energia radiada en determinades direccions i suprimir-la en altres direccions. Per tant, a més dels dispositius de detecció, les antenes també s'han d'utilitzar com a dispositius direccionals. Les antenes poden tenir diverses formes per satisfer necessitats específiques. Poden ser un cable, una obertura, un pegat, un conjunt d'elements (matriu), un reflector, una lent, etc.

En els sistemes de comunicació sense fil, les antenes són un dels components més crítics. Un bon disseny d'antenes pot reduir els requisits del sistema i millorar el rendiment general del sistema. Un exemple clàssic és la televisió, on la recepció de les emissions es pot millorar mitjançant l'ús d'antenes d'alt rendiment. Les antenes són als sistemes de comunicació el que els ulls són als humans.

2. Classificació d'antenes
1. Antena de filferro
Les antenes de filferro són un dels tipus d'antenes més comuns perquè es troben gairebé a tot arreu: cotxes, edificis, vaixells, avions, naus espacials, etc. Hi ha diverses formes d'antenes de filferro, com ara línies rectes (dipol), bucle, espiral, com es mostra a la Figura 3. Les antenes de bucle no només han de ser circulars. Poden ser rectangulars, quadrades, ovalades o de qualsevol altra forma. L'antena circular és la més comuna per la seva estructura senzilla.

Figura 3

2. Antenes d'obertura
Les antenes d'obertura tenen un paper més important a causa de la creixent demanda d'antenes més complexes i la utilització de freqüències més altes. Algunes formes d'antenes d'obertura (antenes piramidals, còniques i rectangulars de trompa) es mostren a la Figura 4. Aquest tipus d'antena és molt útil per a aplicacions en aeronaus i naus espacials, ja que es poden muntar molt convenientment a la carcassa exterior de l'aeronau o nau espacial. A més, es poden cobrir amb una capa de material dielèctric per protegir-les d'entorns durs.

Figura 4

3. Antena de microstrip
Les antenes de microstrip es van fer molt populars a la dècada del 1970, principalment per a aplicacions de satèl·lit. L'antena consisteix en un substrat dielèctric i un pegat metàl·lic. El pegat metàl·lic pot tenir moltes formes diferents, i l'antena de pegat rectangular que es mostra a la Figura 5 és la més comuna. Les antenes de microstrip tenen un perfil baix, són adequades per a superfícies planes i no planes, són senzilles i econòmiques de fabricar, tenen una gran robustesa quan es munten sobre superfícies rígides i són compatibles amb els dissenys MMIC. Es poden muntar a la superfície d'avions, naus espacials, satèl·lits, míssils, cotxes i fins i tot dispositius mòbils, i es poden dissenyar de manera conforme.

Figura 5

4. Antena de matriu
Les característiques de radiació requerides per moltes aplicacions poden no ser aconseguides per un sol element d'antena. Els conjunts d'antenes poden fer que la radiació dels elements sintetitzats produeixi la màxima radiació en una o més direccions específiques; un exemple típic es mostra a la Figura 6.

Figura 6

5. Antena reflectora
L'èxit de l'exploració espacial també ha conduït al ràpid desenvolupament de la teoria d'antenes. A causa de la necessitat de comunicació a distància ultrallarga, s'han d'utilitzar antenes d'alt guany per transmetre i rebre senyals a milions de quilòmetres de distància. En aquesta aplicació, una forma d'antena comuna és l'antena parabòlica que es mostra a la Figura 7. Aquest tipus d'antena té un diàmetre de 305 metres o més, i una mida tan gran és necessària per aconseguir l'alt guany necessari per transmetre o rebre senyals a milions de quilòmetres de distància. Una altra forma de reflector és un reflector de cantonada, com es mostra a la Figura 7 (c).

Figura 7

6. Antenes de lent
Les lents s'utilitzen principalment per colimar l'energia dispersa incident per evitar que es propagui en direccions de radiació no desitjades. Canviant adequadament la geometria de la lent i escollint el material adequat, poden convertir diverses formes d'energia divergent en ones planes. Es poden utilitzar en la majoria d'aplicacions com ara antenes reflectores parabòliques, especialment a freqüències més altes, i la seva mida i pes es tornen molt grans a freqüències més baixes. Les antenes de lent es classifiquen segons els seus materials de construcció o formes geomètriques, algunes de les quals es mostren a la Figura 8.