АНТЕНИ ЗА КЛЕТНИ ПРИЛОЖЕНИЯ; Електроника-днес
Антената е най-честата причина за повреда в безжичен проект. Антената изисква много внимание, за да бъде оптимален интервалът, през който системата ще работи. Когато е избрана или проектирана правилно, антената допринася за високоефективен безжичен продукт. Антената трябва да отговаря на: (1) препоръките на доставчика на безжични устройства, (2) специфични технологии (Cellular - GSM/TDMA/CDMA, 4G LTE - GSM/EDGE, UMTS/HSPA, 802.11 Wi-Fi, 802.15.4 - ZigBee, Thread, WirelessHART, 6LoWPAN, LPWA, Bluetooth и BLE - Bluetooth Low Energy), (3) персонализиране по дизайн за определен дизайн на продукта. Най-често използваните видове антени имат различни форми: Монопол - вертикален проводник, Дипол - 2 хоризонтални или вертикални проводника, Триизмерен контур, Микропътека, направена на печатни платки, Спирална - спирала, Пластура - равнина, направена върху ПХБ, PIFA - a вариант на монополен пластир върху печатни платки с равнина, успоредна на GND, цепка - изолационна зона около проводима верига, която съставлява антената, Yagi - множество паралелни диполни елементи.
Триизмерен модел на излъчване на λ/2 диполна антена.
Класически антениДиполна антена
Тя е разработена от Х. Р. Херц около 1886 г. и остава най-простата и широко използвана антена. Той има два метални проводника с еднаква дължина и симетрични, а захранването е свързано към центъра на дипола, в двата края на съседните проводници. Основният режим на работа на антената е, когато цялата антена е половината от дължината на дължината на вълната (λ/2). Излъченото поле на диполната антена в нейния основен режим е всепосочно и има линейна поляризация. Фигурата показва, че неговата диаграма на излъчване е максимална под прав ъгъл спрямо дипола и намалява до нула по оста на дипола. Максималната насоченост е равна на 2,15 dBi. Използват се множество варианти на диполни антени, монтирани хоризонтално или вертикално. Диполът трябва да е много тънък.
На практика диполите са направени от по-дебел материал, който има тенденция да увеличава честотната лента на този тип антена между 10% и 20% (в зависимост от радиуса на проводника). В този случай резонансната дължина е леко намалена в зависимост от дебелината на дипола, но често ще бъде близо до 0,47.
Подробности за диполните антени: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
Триизмерен модел на излъчване на λ/4 монополна антена.
Монополна антена
Чрез добавяне на равнина на масата, перпендикулярна на центъра на диполната антена, нейната дължина може да бъде разделена на две, което води до монополна антена. Теоретично тази земна равнина се счита за безкрайна равнина на перфектен електрически проводник (PEC). В този случай токът в отразеното изображение има същата посока и фаза като тока в диполната антена. По този начин монополната антена с дължина четвърт от дължината на вълната (λ/4) и нейното изображение заедно образуват дипол (λ/2), който излъчва само в горната половина на пространството. В резултат на това има усилване с 3 dB по-високо от диполната антена.
Антената има два вида свързани съпротивления. Радиационно съпротивление, което преобразува електричеството в лъчение. Омичното съпротивление на материала е загуба на антената, която преобразува електричеството в топлина. Устойчивостта на лъчение трябва да бъде много по-висока от омичното съпротивление, въпреки че и двете са важни за ефективността на антената. По принцип радиационното съпротивление на клемите на диполна антена в свободно пространство (изолирано от всякакви проводими) е 73Ω. Монополната антена ще има половината или 36.5Ω.
Безжична комуникация
Комуникационните системи включват 4 основни компонента:
• Предавателен елемент
• Приемно устройство
• Средата, чрез която се осъществява комуникацията
• Антени или други фокусиращи елементи
Предавателят в безжичните комуникации неговата роля е да доставя антена със сигнал за предаване. Радиопредавателят кодира данни с радиочестотна вълна с определена сила на сигнала (изходна мощност), за да проектира сигнала към приемник.
приемник получава и декодира данните, идващи през приемната антена. Приемникът изпълнява задачата да приема и декодира RF сигнали, получени във времето и да отхвърля нежеланите.
антени са устройства, които концентрират енергия в определена посока. Антените могат да осигурят различни модели на излъчване в зависимост от дизайна и приложението. Колко енергия е концентрирана в определена посока се нарича усилване на антената.
Пространството между предавателя и приемника е системната среда. Постигането на RF (Line of Sight - LOS) зрителна линия между предавателната и приемащата антени е от съществено значение за постигане на широк спектър от безжични комуникации. Има два типа LOS, които обикновено описват среда:
Препятствия в радиопътеката = не-LOS (не-линия на видимост)
• Visual LOS е способността да виждате от едно място на друго. Необходима е само права, права пътека, без препятствия между две точки.
• RF LOS изисква не само визуален LOS, но и траектория с форма на елипсоид, като топка за ръгби, наречена Област на Френел, без препятствия, така че радиовълните да могат да се разпространяват оптимално от една точка до друга. Областта на Френел може да се разглежда като тунел, който осигурява път за RF сигнали между две места.
Трудности в безжичната комуникация
Въпреки че определеното комуникационно разстояние за някои безжични модули (напр. Digi XBee) е до 40 км (25 мили), тази стойност може да бъде повлияна от фактори, които могат да намалят качеството на сигнала:
• Някои материали могат да отразяват радиочестотни вълни, причинявайки смущения с други вълни и загуба на силата на сигнала. По-специално металните или проводими материали са големи отражатели, въпреки че почти всяка повърхност може да отразява вълни и да пречи на други радиочестотни вълни.
• Радиовълните могат да бъдат погълнати от обекти по пътя им, причинявайки загуби на мощност и ограничавайки разстоянието на предаване.
• Антените могат да се регулират, за да се увеличи разстоянието, което данните могат да изминат в безжична комуникационна система и да накара системата да работи оптимално. Антените с висока височина могат да постигнат по-широк диапазон на оптимална работа, дори ако имат ниско усилване, въпреки че покриват по-малка площ.
Основното правило
За да се достигне най-голямото разстояние, зоната с форма на елипсоид, в която пътуват радиовълните (зона на Френел), трябва да бъде безпрепятствена.
Сгради, дървета или други препятствия по пътя ще намалят полето на комуникация.
Ако антените са монтирани точно над земята, повече от половината от площта на Френел се затруднява от изкривяването на земята, което води до значително намаляване на разстоянието. За да избегнете този проблем, монтирайте антените достатъчно далеч от земята, така че земята да не пречи на централния диаметър на зоната на Френел.
Поради сложния характер на радиовълните, препятствията в първата зона на Френел могат да причинят значително отслабване, дори ако препятствията не блокират пътя на сигналната линия на зрение. Важно е да се изчисли размерът на основната площ на Френел за дадена антенна система и инсталаторът на антената да реши дали препятствието ще има значително въздействие върху силата на сигнала. Правило: основната зона на Френел в идеалния случай трябва да бъде над 80% чиста от препятствия, но да бъде поне 60% чиста.
Раздел през 5 зони на Френел Сините зони благоприятстват радиовълните.
RF антената и електромагнитните вълни са поляризирани. Поляризацията на електромагнитната вълна се дава от положението на равнината на трептене на вектора на интензивността на електрическото поле (E) спрямо посоката на разпространение. Важно е антената да има поляризация, както и получения сигнал, за да се получи максимално полезното ниво. Зоната на Френел може да се използва за определяне дали задействаният сигнал ще бъде получен във фаза или извън фаза, но предадената поляризация на радиочестотен (RF) сигнал може значително да повлияе на приемането на края на предаването. Поляризацията на електромагнитните вълни може да бъде линейна, кръгова или елиптична.
• Линейна поляризация - вълните се движат в равнина
• Вертикална поляризация - вълните се движат във вертикална равнина
• Хоризонтална поляризация - вълните се движат в хоризонтална равнина
• Кръгова поляризация - вълните се движат в стегната триизмерна спирала, когато напускат предаващата антена
• RHCP (дясна кръгова поляризация) - вълните се движат по посока на часовниковата стрелка, когато напускат предавателя
• LHCP (лява кръгова поляризация) - вълните се движат обратно на часовниковата стрелка.
Ако сигнал е вертикално поляризиран и се отклонява от хоризонтален обект като плосък покрив и след това се приближава до приемна антена, и ако покривът е в първата зона на зоната на Френел, полученият сигнал ще бъде обърнат спрямо сигнала оригинален. Това означава, че високите точки на синусоидалните вълни вече са слаби точки и обратно. Следователно, дори ако се очаква минимална фазова промяна в първата област на Френел, отклоненият сигнал ще достигне извън фазата, което ще отслаби получения сигнал. Следователно инсталаторът на антенната система трябва да вземе това предвид под внимание или да премести предавателната антена, приемната антена или и двете, за да минимизира или елиминира сигнала за фазова промяна на смущения в покрива.
Antip Cip vs. Чип срещу камшик
Проблеми с антената и решения, предложени от Digi (www.digi.com)
1. Ще помогне антена с високо усилване предаване през или над препятствия, ако радиопътеката не се вижда (не е LOS)?
Първо трябва да проверите RF зрителното зрение (LOS).
Второ, Digi препоръчва използването на антени със среден коефициент на усилване само в условия, които не са LOS. Антените с висок коефициент на усилване се държат по-зле в условия, различни от LOS, тъй като имат по-тясна ширина на лъча. Ефектите от много пътища на среда, която не е LOS, карат RF сигналите да достигат до антената под странни ъгли след отразяване на близки обекти. По-малка усилваща антена с по-голяма широчина на лъча ще бъде по-добра при рекомбиниране на преработени сигнали.
Като цяло, подобрение от 6 dB в бюджета за свързване ще удвои обхвата в LOS среда (8dBi усилваща антена в сравнение с 2.1dBi усилваща диполна антена). За да се удвои обхватът на разстоянието при отсъствие на директно зрение, са необходими поне 12dB допълнителна чувствителност на приемане или мощност на предаване, но допълнителното усилване на антената 12dB може да не удвои обхвата поради тесната ширина, която кара антената да игнорира сигнали, които те идват от ъгли извън широчината на гредата.
2. Антени с половин вълна които се доставят с продуктите Digi PKG не са устойчиви на атмосферни влияния и не трябва да се инсталират на открито. Digi предлага по-малко чувствителна към атмосферните условия антена, тъй като няма шарнирната връзка с открития кабел. Серийният номер на 900MHz антената е A09-HSM-7. Още по-добър вариант е антената A09-FxNF, която има N тип (женски) RF конектор. RF кабел може да бъде закупен с дължина 1 ”, 4”, 6 ”, 10” или 20 ”, за да се побере от RPSMA (феморалния) конектор на радиомодема към конектора от тип N. Всички 2.4GHz диполни антени имат шарнирно съединение, което не ги прави устойчиви на атмосферни влияния. Digi обаче предлага няколко антени тип пластир за външен монтаж със стандартен U-винт.
Разбийте антени на модули XBee
3. Антената с дължина на вълната се нуждае от земна равнина. Всички 1/4 вълнови антени работят най-добре, ако са инсталирани в центъра на метална земна равнина с радиус най-малко 1/4 дължина на вълната (диаметър:
3 инча за 2,4 Ghz); По-голямото е по-добро. Антената все още може да работи на по-малка земна равнина, но ефективността ще бъде намалена. Имайте предвид, че 1/4 вълновата антена, налична на RF модулите, не е напълно ефективна, тъй като използва плана на печатната платка (PCB), който се простира само в една посока. Всяко тестване обаче трябва да покаже, че работи доста добре в много приложения. Антената трябва да е перпендикулярна на земната равнина (насочена директно нагоре). Огъването на антената ще отслаби сигнала и би могло да намали радиообхвата с повече от половината.
4. Антени Yagi и Patch с по-високи печалби се считат за насочени антени. Колкото по-голямо е усилването, толкова по-голям е ъгълът, който мога да усетя. Погледнете в последната част на ръководствата, за да видите печалбите от антената и какви загуби са позволени.
5. DBi и dBd единици се използват за измерване на фокусиращата мощност (усилване) на антената. Digi определя всички антени само в dBi, което е мярка, която сравнява усилването на антената с изотропния радиатор (теоретична антена, която разпръсква входната енергия равномерно по повърхността на въображаема сфера). DBd сравнява усилването на антената с усилването на референтна диполна антена (дефинирано като усилване от 2,15 dBi). За да конвертирате dBi в dBd:
• Коефициент на усилване в dBd = усилване в dBi - 2,15 dB
• Усилване в dBi = усилване в dBd + 2.15 dB
Режимът Arduino комуникира безжично, използвайки режим XBee.
Също така имайте предвид, че антените с по-голямо усилване фокусират енергията върху по-малка площ. Digi препоръчва да се избягва антената с висок коефициент на усилване в повечето приложения, тъй като те са по-трудни за използване. Препоръчителни усилвания на антената:
• Всепосочно: 3 dBi до 6 dBi
• Посока: 8 dBi до 11 dBi
Режимът Raspberry Pi комуникира безжично, използвайки режим XBee.
Антените с висок коефициент на усилване имат ограничена употреба при разширяване на обхвата в среда, която не е LOS, където препятствията допринасят за повече системни загуби, отколкото антените са в състояние да преодолеят. Препятствията също карат сигналите да скачат и да достигат до антената от различни ъгли, така че е желателно да има антена с широка ширина на лъча и по-малък коефициент на усилване.
6. По-висока чувствителност = по-широк диапазон. Пространственият обхват е важно изискване за повечето RF приложения. Широкият диапазон, получен от по-високата чувствителност на приемника, предлага полза за клиента. Digi извършва широка гама от собствени техники за модулация и демодулация, заедно с една от най-добрите спецификации за реакция на приемника на пазара.
7. XBee/XBee-PRO S1 802.15.4 - Опции за антена
Определените диапазони са типични за вградени антени с камшик (1,5 dBi) и дипол (2,1 dBi). Антената с печатни платки (PCB) предлага предимства във формата; но той предлага по-малък обхват от разстоянието от опциите за бича и диполна антена при предаване на открито. Информация: XBee Antenna и XBee-PRO OEM RF уведомление за приложение.
Зона на Френел: D е разстоянието между предавателя и приемника; r е радиусът на първата зона на Френел (n = 1) в точка P, на разстояния d1 от предавателя и d2 от приемника.
Област на Френел, кръстен на физика Августин-Жан Френел, той е един от поредицата елипсоидни области, концентрирани в пространството между и около предавателна антена и приемна антена. Концепцията помага да се разбере и изчисли мощността на радиовълните, които се разпространяват между предавател и приемник. Зоната на Френел е пространствената конфигурация на електромагнитното поле и е функция на честотата. Договарянето с Френел въвежда затихване и изкривяване на радиосигнала.
Изчисляване на площта на Френел в метри
Fn = радиус в зона n Френелова зона (m)
d1, d2 = разстояния до P от предавателя и приемника (m)
λ = дължина на вълната на сигнала (m)
λ = c/f, c = 3 × 108ms-1, f = честота на сигнала (Hz)
В средата d1 = d2 и d1 + d2 = D (m). За честотата в GHz и разстоянието в Km се получава формулата:
за n = 1 първа зона на Френел, D = 1Km и f = 5.5GHz (5GHz 802.11n Channel 100):
Получаваме r = 3,69 m и при 60% яснота поставяме D = 0,6 Km и резултатът е r = 2,85 m.
Константин Саву
изпълнителен директор
Ecas Electro