Zanim wyposażymy dowolne urządzenie w antenę, musimy zastanowić się nad kilkoma kwestiami. W pierwszym artykule z dwuczęściowej serii przedstawimy niektóre z kluczowych kryteriów, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniej anteny. Zagłębimy się w terminologię związaną z antenami oraz omówimy specyfikacje, z którymi można się spotkać, przeglądając karty produktów. Poruszymy tematy związane z zakresem częstotliwości, w którym pracuje urządzenie, zyskiem anteny oraz wzorem jej promieniowania. Nie bez znaczenia są również parametry mechaniczne takie jak ochrona przed czynnikami zewnętrznymi, sposób montażu oraz miejsce umieszczenia urządzenia.
Odpowiednia antena zapewni niezawodne i odporne na zakłócenia połączenie bezprzewodowe
Każdemu z nas zdarzyło się trzymać wysoko telefon komórkowy w poszukiwaniu lepszego sygnału. Jakość sygnału jest znacznie lepsza, gdy na drodze między nadajnikiem i odbiornikiem nie ma żadnych przeszkód. Drzewa, ściany, pogoda i ukształtowanie terenu mogą pochłaniać sygnał radiowy, zmniejszając odległość, na jaką urządzenia mogą nawiązać dobre połączenie, zarówno głosowe, jak i transmisji danych. Urządzenie bezprzewodowe wyposażone w odpowiednią antenę pozwala zredukować wpływ czynników ograniczających siłę sygnału i nawiązać lepsze połączenie. Właściwa antena zapewni emisję maksymalnej mocy częstotliwości radiowej generowanej w końcowej części nadajnika; a w trakcie odbioru sygnału, jak najwięcej sygnału docierającego do anteny może zostać przetworzone. Jak dowiemy się w części drugiej, kabel łączący, zwany linią transmisyjną, oraz złącza mają wpływ na prawidłowe działanie anteny.
Parametry anteny
Najprościej rzecz ujmując, odcinek drutu jest anteną, a jego optymalna długość zależy od danej częstotliwości. Długość fali odnosi się do odległości pomiędzy sąsiednimi szczytami sygnału. Jest ona wykorzystywana do długości i innych parametrów anteny oraz wskazuje punkt rezonansu. Na przykład, długość fali sygnału Wi-Fi działającego na częstotliwości 2,4 GHz wynosi 12,5 cm, korzystając ze wzoru na długość fali w metrach: m=prędkość światła/częstotliwość(Hz). Prędkość światła jest stałą równą 299 792 458 m/s, często przybliżaną do 3 × 108 m/s. Długość anteny jest opisywana w odniesieniu do długości jej fali roboczej, na przykład ćwierćfalowej, półfalowej lub pełnofalowej.
Większość popularnych metod bezprzewodowej komunikacji danych i głosu stosowanych obecnie, takich jak Wi-Fi, Bluetooth, komunikacja komórkowa (4G i 5G) oraz aplikacje ISM (przemysłowe, naukowe i medyczne), wykorzystuje częstotliwości od 400 MHz do 3,4 GHz. Przy tych zakresach częstotliwości anteny są coraz krótsze, co pozwala na różne rozwiązania konstrukcyjne, w tym produkcję na płytce drukowanej.
Wiele anten, zwłaszcza tych stosowanych w motoryzacji, transporcie i telemetrii, jest wyposażonych w wiele anten wewnętrznych, które obsługują Wi-Fi, GPS/GNSS, komunikację pojazd-pojazd/pojazd-infrastruktura/pojazd-wszystko (V2V/V2I/V2X) oraz komunikację komórkową LTE. Przykładem może być antena Taoglas Optimus MA220. Zobacz rysunek 1: Antena do montażu na zewnątrz posiada klasę wodoszczelności IP67.
Zysk anteny: Konstrukcja niektórych anten sprawia, że są one bardziej wydajne w promieniowaniu i odbiorze niż anteny standardowe. W karcie produktu współczynnik ten jest wyrażony jako zysk i jest mierzony w dBi. Na przykład, rysunek 2 przedstawia wydajność anteny Taoglas MA220 w komunikacji komórkowej LTE.
Wzór promieniowania: Niektóre anteny mają zdolność kierunkową, dzięki czemu są bardziej efektywne w promieniowaniu i odbiorze w pewnych kierunkach lub na określonych płaszczyznach. Antena izotropowa emituje taką samą ilość energii we wszystkich kierunkach. Natomiast antena dookolna emituje taką samą ilość energii w określonej płaszczyźnie, poziomo lub pionowo.
Impedancja anteny: Impedancja anteny zmienia się wraz z częstotliwością. Należy pamiętać o odpowiednim dopasowaniu anteny do impedancji nadajnika oraz odbiornika. W drugiej części artykułu dowiemy się, jak odpowiednio dopasować impedancje kabla i złączy. Popularnym standardem jest impedancja 50 Ω.
Szerokość pasma pracy anteny: Zakres częstotliwości, w którym antena jest skuteczna, nazywamy szerokością pasma. Szerokość pasma jest zwykle podawana w oparciu o częstotliwość środkową. Przykładem anteny opartej na płytce drukowanej jest antena Molex Wi-Fi PCB.
Urządzenie pracuje w paśmie 100 MHz na częstotliwości środkowej 2,45 GHz, jego impedancja równa się 50 Ω, a zysk wynosi 3,2 dBi.
Tłumienność odbicia i współczynnik fali stojącej VSWR: Tłumienność odbicia mierzy, jak dobrze antena jest dopasowana do nadajnika i jego linii transmisyjnej (kabla koncentrycznego). Tłumienność odbiciowa wyrażona jest w dB i określa, ile mocy jest odbijane z powrotem do nadajnika zamiast emitowane. Im wyższa wartość, tym lepsze parametry anteny. Współczynnik fali stojącej (VSWR) jest kolejnym sposobem pomiaru tłumienności odbicia. Antena powinna mieć stratę odbicia lepszą niż -10 dB (VSWR 2). Na rysunku 4 przedstawiono wykres tłumienia odbicia anteny komórkowej Taoglas GA110.
Pomiar parametrów anteny
Wektorowy analizator sieci (VNA) jest używany do pomiaru impedancji i tłumienia odbicia anteny i jej linii transmisyjnej. Przenośne i tanie urządzenia zapewniają odpowiednią rozdzielczość pomiarową, a ich ceny zaczynają się już od €150. Bardziej zaawansowane urządzenia, montowane na stanowisku pomiarowym, nadają się do pracy w laboratorium – koszt takiego urządzenia to wydatek rzędu €5000. Wysokiej klasy analizatory widma RF często zawierają funkcję VNA. VNA pomaga również w prawidłowym projektowaniu sieci opartych na kondensatorach i indukcyjności pomiędzy nadajnikiem a linią transmisyjną.
Parametry w arkuszu danych nie są już zagadką
W tym krótkim artykule wyjaśniliśmy niektóre z kluczowych parametrów, z którymi można spotkać się w arkuszach danych anten. Dzięki tym informacjom wybór właściwej anteny nie powinien już sprawiać problemu. W części drugiej omówimy rolę kabli i popularnych złączy antenowych.
