АНТЕНИ ДЛЯ КЛІТИНОВИХ ЗАСТОСУВАНЬ; Електроніка-сьогодні
Антена є найпоширенішою причиною збою в бездротовому проекті. Антена вимагає великої уваги, щоб інтервал, протягом якого система буде працювати, був оптимальним. Якщо антену правильно вибрати або спроектувати, вона сприяє високопродуктивному бездротовому продукту. Антена повинна відповідати: (1) рекомендаціям провайдера бездротових пристроїв, (2) специфічним технологіям (стільниковий - GSM/TDMA/CDMA, 4G LTE - GSM/EDGE, UMTS/HSPA, 802.11 Wi-Fi, 802.15.4 - ZigBee, Thread, WirelessHART, 6LoWPAN, LPWA, Bluetooth і BLE - Bluetooth з низьким енергоспоживанням), (3) налаштування за проектом для конкретного дизайну продукту. Найбільш використовувані типи антен мають різну форму: Монополія - вертикальний провід, Диполь - 2 горизонтальних або вертикальних дроти, Тривимірна петля, Мікропромежування на друкованій платі, Гвинтові - спіраль, Пластура - площина, виготовлена на друкованій платі, PIFA - патч-монопольний варіант на друкованій платі з площиною, паралельною GND, щілина - ізоляційна зона навколо провідного контуру, що становить антену, Yagi - кілька паралельних дипольних елементів.
Тривимірна модель випромінювання λ/2 дипольної антени.
Класичні антениДипольна антена
Він був розроблений Х. Р. Герцем близько 1886 р. І залишається найпростішою та найбільш широко використовуваною антеною. Він має два металеві дроти однакової довжини та симетричні, а джерело живлення підключений до центру диполя, на двох кінцях сусідніх проводів. Основний режим роботи антени - це коли вся антена становить половину довжини довжини хвилі (λ/2). Випромінене поле дипольної антени у своєму основному режимі є всеспрямованим і має лінійну поляризацію. З рисунка видно, що його діаграма випромінювання максимальна під прямим кутом до диполя і зменшується до нуля на осі диполя. Максимальна спрямованість дорівнює 2,15 дБі. Використовуються численні варіанти дипольних антен, встановлених горизонтально або вертикально. Диполь повинен бути дуже тонким.
На практиці диполі виготовляються з більш товстого матеріалу, який має тенденцію до збільшення смуги пропускання цього типу антен між 10% і 20% (залежно від радіуса дроту). У цьому випадку резонансна довжина дещо зменшується в залежності від товщини диполя, але часто буде близькою до 0,47.
Деталі дипольних антен: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
Тривимірна модель випромінювання монопольної антени λ/4.
Монопольна антена
Додавши площину маси, перпендикулярну до центру дипольної антени, її довжину можна розділити на дві частини, в результаті чого вийде монопольна антена. Теоретично ця заземлена площина вважається нескінченною площиною досконалого електричного провідника (ПЕК). У цьому випадку сила струму на відбитому зображенні має той самий напрямок і фазу, що і сила струму в дипольній антені. Таким чином, монопольна антена довжиною в чверть довжини хвилі (λ/4) та її зображення разом утворюють диполь (λ/2), який випромінює лише верхню половину простору. Як результат, він має коефіцієнт підсилення на 3 дБ вище, ніж дипольна антена.
Антена має два типи пов'язаного опору. Радіаційний опір, який перетворює електрику в радіацію. Омічний опір матеріалу - це втрата антени, яка перетворює електрику в тепло. Опір випромінюванню повинен бути набагато вищим, ніж омічний опір, хоча обидва вони важливі для ефективності антени. Загалом опір випромінюванню на клемах дипольної антени у вільному просторі (ізольованому від будь-якої провідної) становить 73 Ом. Монопольна антена матиме половину, або 36,5 Ом.
Бездротовий зв'язок
Системи зв'язку включають 4 основні компоненти:
• Елемент передачі
• Приймальний пристрій
• Середовище, через яке відбувається спілкування
• Антени або інші елементи фокусування
Передавач у бездротовому зв'язку його роль полягає в забезпеченні антени сигналом для передачі. Радіопередавач кодує дані у ВЧ-хвилях з певною силою сигналу (вихідною потужністю) для проектування сигналу на приймач.
приймач приймає та декодує дані, що надходять через приймальну антену. Приймач виконує завдання прийому та декодування РЧ-сигналів, отриманих з часом, та відхилення небажаних.
антени є пристроями, які концентрують енергію в певному напрямку. Антени можуть забезпечувати різні схеми випромінювання залежно від конструкції та застосування. Скільки енергії зосереджено в певному напрямку, називається коефіцієнтом посилення антени.
Простір між передавачем і приймачем - це системне середовище. Досягнення прямої видимості RF (Line of Sight - LOS) між передавальною та приймальною антенами є важливим для досягнення широкого спектру бездротового зв'язку. Існує два типи LOS, які зазвичай описують середовище:
Перешкоди на радіотехнічній трасі = не LOS (нелінійна видимість)
• Візуальний LOS - це здатність бачити з одного місця в інше. Потрібен лише прямий, прямий шлях, без перешкод між двома точками.
• RF LOS вимагає не тільки візуального LOS, але і траєкторії у формі еліпсоїда, як м'яч для регбі, Площа Френеля, без перешкод, так що радіохвилі можуть оптимально поширюватися з однієї точки в іншу. Область Френеля можна розглядати як тунель, який забезпечує шлях для радіочастотних сигналів між двома місцями.
Труднощі в бездротовому зв'язку
Хоча вказана відстань зв'язку для деяких бездротових модулів (наприклад, Digi XBee) становить до 40 км (25 миль), на це значення можуть впливати фактори, які можуть знизити якість сигналу:
• Деякі матеріали можуть відображати радіочастотні хвилі, спричинюючи перешкоди іншим хвилям та втрату потужності сигналу. Зокрема, металеві або провідні матеріали є великими відбивачами, хоча майже будь-яка поверхня може відбивати хвилі та перешкоджати іншим радіочастотним хвилям.
• Радіохвилі можуть поглинатися предметами на своєму шляху, спричиняючи втрати потужності та обмежуючи відстань передачі.
• Антени можна регулювати, щоб збільшити відстань, яку можуть проїхати дані в системі бездротового зв'язку, і забезпечити оптимальну роботу системи. Антени високої висоти можуть досягти більш широкого діапазону оптимальної роботи, навіть якщо вони мають низький коефіцієнт підсилення, хоча вони охоплюють меншу площу.
Головне правило
Для досягнення найбільшої відстані область еліпсоїдної форми, в якій рухаються радіохвилі (зона Френеля), повинна бути безперешкодною.
Будівлі, дерева або будь-які інші перешкоди на шляху зменшать поле спілкування.
Якщо антени встановлені безпосередньо над землею, більше половини площі Френеля перешкоджає кривизні землі, що призводить до значного зменшення відстані. Щоб уникнути цієї проблеми, встановлюйте антени досить далеко від землі, щоб земля не заважала центральному діаметру області Френеля.
Через складний характер радіохвиль перешкоди в першій зоні Френеля можуть спричинити значне послаблення, навіть якщо перешкоди не перешкоджають шляху сигнальної лінії зору. Важливо розрахувати розмір первинної площі Френеля для даної антенної системи, а установник антени вирішити, чи буде перешкода мати значний вплив на потужність сигналу. Правило: головна зона Френеля в ідеалі повинна бути на відстані понад 80% від перешкод, але не менше ніж на 60%.
Розділ через 5 зон Френеля Сині зони надають перевагу радіохвилям.
ВЧ-антена та електромагнітні хвилі поляризовані. Поляризація електромагнітної хвилі задається положенням площини коливань вектора напруженості електричного поля (Е) щодо напрямку поширення. Важливо, щоб антена мала поляризацію, а також прийнятий сигнал, щоб отримати максимальний корисний рівень. Зона Френеля може бути використана для визначення того, чи буде спрацьований сигнал прийматися у фазі чи поза фазою, але передана поляризація радіочастотного (РЧ) сигналу може сильно вплинути на прийом кінця передачі. Поляризація електромагнітних хвиль може бути лінійною, круговою або еліптичною.
• Лінійна поляризація - хвилі рухаються в площині
• Вертикальна поляризація - хвилі рухаються у вертикальній площині
• Горизонтальна поляризація - хвилі рухаються по горизонтальній площині
• Кругова поляризація - хвилі рухаються по щільній тривимірній спіралі, покидаючи передавальну антену
• RHCP (права кругова поляризація) - хвилі рухаються за годинниковою стрілкою, покидаючи передавач
• LHCP (ліва кругова поляризація) - хвилі рухаються проти годинникової стрілки.
Якщо сигнал вертикально поляризований і відхиляється горизонтальним об'єктом, таким як плоский дах, а потім наближається до приймальної антени, і якщо дах знаходиться в першій зоні зони Френеля, отриманий сигнал буде зворотним відносно сигналу оригінал. Це означає, що високі точки синусоїд зараз є слабкими і навпаки. Отже, навіть якщо очікується мінімальна зміна фази в першій області Френеля, відхилений сигнал буде виходити за межі фази, що послаблюватиме прийнятий сигнал. Отже, установник антенної системи повинен це врахувати і, або перемістити передавальну антену, приймальну антену, або те й інше, щоб мінімізувати або усунути сигнал зміни фази перешкод на даху.
Antip Cip vs. Чіп проти Батога
Випуски та рішення антени, запропоновані Digi (www.digi.com)
1. Це допоможе антена з високим коефіцієнтом посилення передача через або над перешкодами, якщо радіодоріжка не видно (не LOS)?
Спочатку потрібно перевірити радіочастотну видимість (LOS).
По-друге, Digi рекомендує використовувати антени із середнім коефіцієнтом посилення лише в умовах, що не відрізняються від LOS. Антени з високим коефіцієнтом посилення поводяться гірше в умовах, що не відрізняються від LOS, оскільки вони мають більш вузьку ширину променя. Ефекти багатопроменевого середовища, що не пов’язані з LOS, змушують радіочастотні сигнали досягати антени під непарними кутами після віддзеркалення об’єктів поблизу. Менша підсилювальна антена з більшою шириною променя буде кращою при рекомбінації перероблених сигналів.
Загалом, поліпшення бюджету зв'язку на 6 дБ подвоїть діапазон в середовищі LOS (антена посилення 8 дБі порівняно з дипольною антеною посилення 2,1 дБі). Щоб подвоїти діапазон відстані за відсутності прямого зору, потрібно щонайменше 12 дБ додаткової чутливості прийому або потужності передачі, але додатковий коефіцієнт посилення антени 12 дБ може не збільшити діапазон вдвічі через вузьку ширину, яка змушує антену ігнорувати сигнали, які вони виходять з кутів поза шириною балки.
2. Напівхвильові антени які постачаються з продуктами Digi PKG, не стійкі до атмосферних впливів і не повинні встановлюватися на відкритому повітрі. Digi пропонує менш чутливу до погоди антену, оскільки вона не має шарнірного з'єднання з відкритим кабелем. Серійний номер антени 900 МГц - A09-HSM-7. Ще кращим варіантом є антена A09-FxNF, яка має ВЧ-роз'єм типу N (жіночий). Радіочастотний кабель можна придбати довжиною 1 ”, 4”, 6 ”, 10” або 20 ”, щоб приєднати його від роз’єму RPSMA (стегновий) радіомодему до роз’єму типу N. Усі дипольні антени 2,4 ГГц мають шарнірне з'єднання, яке не робить їх стійкими до атмосферних впливів. Однак Digi пропонує кілька антен типу «патч» для зовнішнього монтажу зі стандартним U-гвинтом.
Збийте антени на модулях XBee
3. Антена з довжиною хвилі потребує заземлення. Всі 1/4 хвильові антени найкраще працюють, якщо вони встановлені в центрі металевої площини із радіусом не менше 1/4 довжини хвилі (діаметр:
3 дюйма для 2,4 ГГц); Чим більше, тим краще. Антена все ще може працювати на меншій площині заземлення, але ефективність буде знижена. Зверніть увагу, що 1/4-хвильова антена, доступна на радіочастотних модулях, не є абсолютно ефективною, оскільки вона використовує план основи друкованої плати (ПХД), яка простягається лише в одному напрямку. Однак будь-яке тестування повинно свідчити про те, що воно працює досить добре у багатьох додатках. Антена повинна бути перпендикулярна площині землі (спрямована прямо вгору). Згинання антени послаблює сигнал і може зменшити радіус дії більш ніж наполовину.
4. Антени Yagi та Patch з більшими коефіцієнтами підсилення вважаються спрямованими антенами. Чим вище коефіцієнт підсилення, тим вищий кут я відчуваю. Подивіться в заключній частині посібників, щоб побачити посилення антени та допустимі втрати.
5. Одиниці DBi та dBd використовуються для вимірювання потужності фокусування (посилення) антени. Digi визначає всі антени лише в дБі, це показник, який порівнює коефіцієнт підсилення антени по відношенню до ізотропного випромінювача (теоретична антена, яка рівномірно розподіляє вхідну енергію на поверхні уявної сфери). DBd порівнює коефіцієнт посилення антени з коефіцієнтом посилення опорної дипольної антени (визначається як коефіцієнт посилення 2,15 дБі). Щоб перетворити dBi в dBd:
• Коефіцієнт посилення в дБд = коефіцієнт посилення в дБі - 2,15 дБ
• Коефіцієнт посилення в dBi = коефіцієнт посилення в dBd + 2,15 дБ
Режим Arduino здійснює бездротову комунікацію в режимі XBee.
Також зауважте, що антени з вищим коефіцієнтом посилення фокусують енергію на меншій площі. Digi рекомендує уникати антен з високим коефіцієнтом посилення в більшості додатків, оскільки їх важче використовувати. Рекомендовані коефіцієнти посилення антени:
• Всеспрямований: від 3 дБі до 6 дБі
• Спрямований: від 8 дБі до 11 дБі
Режим Raspberry Pi взаємодіє бездротово, використовуючи режим XBee.
Антени з високим коефіцієнтом посилення мають обмежене використання для розширення діапазону в середовищі, що не є LOS, де перешкоди спричиняють більше системних втрат, ніж антени здатні подолати. Перешкоди також змушують сигнали стрибати і досягати антени з різних кутів, тому бажано мати антену з широкою шириною променя і меншим коефіцієнтом посилення.
6. Вища чутливість = ширший діапазон. Просторовий діапазон є важливою вимогою для більшості RF-додатків. Широкий діапазон, отриманий завдяки підвищеній чутливості приймача, приносить користь для замовника. Digi виконує широкий спектр власних методів модуляції та демодуляції, поряд з однією з найкращих специфікацій реагування приймача на ринку.
7. XBee/XBee-PRO S1 802.15.4 - Варіанти антени
Зазначені діапазони є типовими для вбудованих антен з батогом (1,5 дБі) та диполем (2,1 дБі). Антена з друкованою платою (PCB) пропонує переваги у формі; але, він пропонує менший діапазон відстані, ніж опції хлиста та дипольної антени при передачі на вулиці. Інформація: XBee Antenna та XBee-PRO OEM RF повідомлення про застосування.
Зона Френеля: D - відстань між передавачем і приймачем; r - радіус першої зони Френеля (n = 1) в точці P, на відстанях d1 від передавача і d2 від приймача.
Площа Френеля, названий на честь фізика Августина-Жана Френеля, це одна з серії еліпсоїдальних областей, зосереджених у просторі між передавальною антеною та приймальною антеною та навколо неї. Концепція допомагає зрозуміти і розрахувати потужність радіохвиль, що поширюються між передавачем і приймачем. Зона Френеля є просторовою конфігурацією електромагнітного поля і є функцією частоти. Контрактування Френеля вводить ослаблення та спотворення радіосигналу.
Розрахунок площі Френеля в метрах
Fn = радіус в зоні n Зона Френеля (м)
d1, d2 = відстані до Р від передавача та приймача (м)
λ = довжина хвилі сигналу (м)
λ = c/f, c = 3 × 108 мс-1, f = частота сигналу (Гц)
В середині d1 = d2, а d1 + d2 = D (м). Для частоти в ГГц та відстані в км отримуємо формулу:
для n = 1 першої зони Френеля, D = 1 км і f = 5,5 ГГц (5 ГГц 802,11n канал 100):
Отримуємо r = 3,69 м, а при чіткості 60% ставимо D = 0,6 км і результат r = 2,85 м.
Костянтин Саву
Генеральний директор
Ecas Electro