ANTENNÁK A SEJTES ALKALMAZÁSOKHOZ; Elektronika-Ma
Az antenna a leggyakoribb hiba ok egy vezeték nélküli projektben. Az antenna nagy figyelmet igényel annak érdekében, hogy a rendszer optimális működési időtartamú legyen. Megfelelő kiválasztás vagy tervezés esetén az antenna hozzájárul egy nagy teljesítményű vezeték nélküli termékhez. Az antennának meg kell felelnie: (1) vezeték nélküli eszköz szolgáltatójának ajánlásainak, (2) meghatározott technológiáknak (Cellular - GSM/TDMA/CDMA, 4G LTE - GSM/EDGE, UMTS/HSPA, 802.11 Wi-Fi, 802.15.4 - ZigBee, Thread, WirelessHART, 6LoWPAN, LPWA, Bluetooth és BLE - Bluetooth Low Energy), (3) egyedi tervezésű testreszabás egy adott termék tervezéséhez. A leggyakrabban használt antennatípusok különböző formájúak: Monopólium - függőleges vezeték, Dipólus - 2 vízszintes vagy függőleges vezeték, Háromdimenziós hurok, Mikro-útvonal PCB-re, Helical - spirál, Plasture - NYÁK-ra készített sík, PIFA - a patch monopóliumváltozat a NYÁK-on, a GND-vel párhuzamos síkkal, Slit - egy szigetelő terület, amely körül egy vezető áramkör képezi az antennát, Yagi - több párhuzamos dipólus elem.
Λ/2 dipólantenna háromdimenziós sugárzási modellje.
Klasszikus antennákDipól antenna
H. R. Hertz fejlesztette ki 1886 körül, és továbbra is a legegyszerűbb és legszélesebb körben használt antenna. Két azonos hosszúságú és szimmetrikus fémhuzallal rendelkezik, és az áramellátás a dipólus közepéhez, a szomszédos huzalok két végéhez csatlakozik. Az antenna alapvető működési módja az, amikor a teljes antenna a hullámhossz (λ/2) hosszának a fele. A dipólantenna sugárzott mezője alapvető módjában sugárirányú és lineárisan polarizált. Az ábra azt mutatja, hogy a sugárzási mintázata a dipólra merőlegesen áll, és a dipól tengelyén nullára csökken. A maximális irányíthatóság egyenlő 2,15 dBi. A vízszintesen vagy függőlegesen rögzített dipólantennák számos változatát alkalmazzák. A dipólusnak nagyon vékonynak kell lennie.
A gyakorlatban a dipólusok vastagabb anyagból készülnek, ami általában növeli az ilyen típusú antenna sávszélességét, 10% és 20% között (a vezeték sugarától függően). Ebben az esetben a rezonáns hossza kissé lecsökken a dipól vastagságától függően, de gyakran megközelíti a 0,47-et.
A dipólantennák részletei: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
Λ/4 monopol antenna háromdimenziós sugárzási modellje.
Monopol antenna
A dipólantenna közepére merőleges tömegsík hozzáadásával annak hossza kettéválhat, ami monopol antennát eredményez. Elméletileg ez az alapsík a tökéletes elektromos vezető (PEC) végtelen síkjának számít. Ebben az esetben a visszavert kép áramának iránya és fázisa megegyezik a dipólantenna áramával. Így a hullámhossz negyedének (λ/4) hosszúságú monopólium antennája és képe együtt egy dipólust (λ/2) alkot, amely csak a tér felső felében sugárzik. Ennek eredményeként a nyeresége 3 dB-rel magasabb, mint a dipól antenna.
Az antennának kétféle ellenállása van. Sugárzási ellenállás, amely az elektromosságot sugárzattá alakítja. Az anyag ohmos ellenállása az antenna vesztesége, amely az elektromosságot hővé alakítja. A sugárzási ellenállásnak sokkal nagyobbnak kell lennie, mint az ohmos ellenállás, bár mindkettő fontos az antenna hatékonyságának szempontjából. Általánosságban elmondható, hogy a dipólantenna termináljain a sugárzási ellenállás a szabad térben (bármilyen vezetőtől elkülönítve) 73Ω. A monopólium antennának fele, azaz 36,5Ω lesz.
Vezeték nélküli kommunikáció
A kommunikációs rendszerek 4 alapvető komponenst tartalmaznak:
• Átviteli elem
• Fogadó eszköz
• A kommunikáció körüli környezet
• Antennák vagy más fókuszáló elemek
Az adó a vezeték nélküli kommunikációban az a feladata, hogy az antennának jelet adjon továbbításhoz. A rádióadó bizonyos jelerősséggel (kimenőteljesítménnyel) kódolja az RF hullámforma adatait, hogy a jelet egy vevőnek vetítse.
vevő fogadja és dekódolja a vevőantennán keresztül érkező adatokat. A vevő azt a feladatot látja el, hogy elfogadja és dekódolja az idő múlásával kapott RF jeleket, és elutasítja a nem kívánt jeleket.
antennák olyan eszközök, amelyek az energiát egy bizonyos irányba koncentrálják. Az antennák a kialakítástól és az alkalmazástól függően különböző sugárzási mintákat képesek biztosítani. Az, hogy mennyi energia koncentrálódik egy bizonyos irányba, antennaerősítésnek nevezzük.
Az adó és a vevő közötti tér a rendszer környezete. Az adó (vevő) antenna közötti RF (látásvonal - LOS) látóvonal elérése elengedhetetlen a vezeték nélküli kommunikáció széles körének eléréséhez. Kétféle LOS létezik, amelyek általában leírnak egy környezetet:
Akadályok a rádióútvonalon = nem LOS (nem látótávolság)
• A vizuális LOS az a képesség, hogy látni tudjon egyik helyről a másikra. Csak egyenes, egyenes útra van szükség, akadályok nélkül két pont között.
• Az RF LOS nemcsak vizuális LOS-t igényel, hanem egy ellipszoid alakú pályát is, például egy rögbi labdát, ún. Fresnel környéke, akadályok nélkül, így a rádióhullámok optimálisan terjedhetnek egyik pontról a másikra. A Fresnel terület olyan alagútnak tekinthető, amely két hely között utat biztosít az RF jelek számára.
A vezeték nélküli kommunikáció nehézségei
Bár egyes vezeték nélküli modulok (pl. Digi XBee) megadott kommunikációs távolsága legfeljebb 40 km (25 mérföld), ezt az értéket befolyásolhatják olyan tényezők, amelyek ronthatják a jel minőségét:
• Egyes anyagok tükrözhetik a rádiófrekvenciás hullámokat, interferenciát okozva más hullámokkal és a jel erősségének csökkenésével. Különösen a fémes vagy vezetőképes anyagok nagy reflektorok, bár szinte bármely felület képes visszaverni a hullámokat és zavarni más rádiófrekvenciás hullámokat.
• A rádióhullámokat az útjukban lévő tárgyak elnyelik, áramveszteséget okozva és korlátozva az átviteli távolságot.
• Az antennák úgy állíthatók be, hogy növeljék az adat távolságát egy vezeték nélküli kommunikációs rendszerben, és a rendszer optimálisan működjön. A nagy magasságú antennák az optimális működés szélesebb tartományát is elérhetik, még akkor is, ha alacsony az erősítésük, bár kisebb területet fednek le.
A fő szabály
A legnagyobb távolság elérése érdekében akadály nélkül kell lennie annak az ellipszoid régiónak, amelyben a rádióhullámok haladnak (Fresnel zóna).
Épületek, fák vagy bármilyen egyéb akadály akadályozzák a kommunikáció terét.
Ha az antennákat közvetlenül a föld fölé szerelik, akkor a Fresnel területének több mint felét akadályozza a föld görbülete, ami a távolság jelentős csökkenéséhez vezet. A probléma elkerülése érdekében szerelje az antennákat elég messzire a talajtól, hogy a talaj ne zavarja a Fresnel terület középső átmérőjét.
A rádióhullámok összetett jellege miatt az első Fresnel-területen lévő akadályok jelentős gyengülést okozhatnak, még akkor is, ha az akadályok nem akadályozzák a látójel útvonalának útját. Fontos kiszámolni az adott antennarendszer elsődleges Fresnel-területének méretét, és az antennatelepítőnek el kell döntenie, hogy egy akadály jelentős hatással lesz-e a jelerősségre. Szabály: a Fresnel fő területének ideális esetben több mint 80% -ban szabadnak kell lennie az akadályoktól, de legalább 60% -ban szabadnak kell lennie.
Szakasz 5 Fresnel zónán át A kék zónák kedveznek a rádióhullámoknak.
Az RF antenna és az elektromágneses hullámok polarizáltak. Az elektromágneses hullám polarizációját az elektromos térerősség-vektor (E) oszcillációs síkjának pozíciója adja a terjedési irányhoz viszonyítva. Fontos, hogy a maximális hasznos szint elérése érdekében az antenna polarizációval rendelkezik, valamint a vett jelet. A Fresnel-zóna felhasználásával meghatározható, hogy a kiváltott jel fázisban vagy fázison kívül érkezik-e, de a rádiófrekvenciás (RF) jel továbbított polarizációja nagyban befolyásolhatja az adási vég vételét. Az elektromágneses hullámok polarizációja lehet lineáris, kör alakú vagy elliptikus.
• Lineáris polarizáció - a hullámok síkban mozognak
• Függőleges polarizáció - a hullámok függőleges síkban mozognak
• Vízszintes polarizáció - a hullámok vízszintes síkon mozognak
• Körkörös polarizáció - a hullámok szűk háromdimenziós spirálban mozognak, amikor elhagyják az adó antennát
• RHCP (jobb körkörös polarizáció) - a hullámok az óramutató járásával megegyező irányban mozognak, amikor kilépnek az adóból
• LHCP (bal körkörös polarizáció) - a hullámok az óramutató járásával ellentétes irányba mozognak.
Ha egy jel függőlegesen polarizált, és egy vízszintes tárgy, például egy lapos tető tereli el, majd egy vevőantennához közelít, és ha a tető a Fresnel zóna első zónájában van, akkor a kapott jel a jelhez képest megfordul. eredeti. Ez azt jelenti, hogy a szinuszhullámok csúcspontjai most gyengék és fordítva. Ezért még akkor is, ha minimális fázisváltozás várható az első Fresnel-régióban, az eltérített jel a fázisból ki fog nyúlni, ami gyengíti a vett jelet. Ezért az antennarendszer-telepítőnek ezt figyelembe kell vennie, és vagy mozgatnia kell az adóantennát, a vevőantennát, vagy mindkettőt, hogy minimalizálja vagy kiküszöbölje a tető interferenciáját.
Antip Cip vs. Chip vs. Ostor
A Digi által javasolt antennakérdések és megoldások (www.digi.com)
1. Segíteni fog nagy nyereségű antenna továbbítás akadályokon keresztül vagy azokon, ha a rádióút nem látható (nem LOS)?
Először ellenőriznie kell az RF látóvonalat (LOS).
Másodszor, Digi csak közepes erősségű antennák használatát javasolja nem LOS körülmények között. A nagy nyereségű antennák rosszabbul viselkednek nem LOS körülmények között, mert szűkebb a sugárszélességük. A nem LOS környezet többutas hatásai miatt az RF jelek páratlan szögben érik el az antennát, miután visszaverik a közeli tárgyakat. A nagyobb nyalábszélességű, kisebb erősítésű antenna jobb lesz az átalakított jelek rekombinációjában.
Általánosságban elmondható, hogy az összekapcsolási költségvetés 6dB-os javulása megduplázza a tartományt egy LOS-környezetben (8dBi erősítésű antenna, szemben a 2.1dBi erősítésű dipól antennával). A távolság megduplázásához közvetlen látás hiányában legalább 12dB további vételi érzékenységre vagy átviteli teljesítményre van szükség, de a további 12dB antennaerősítés nem duplázhatja meg a tartományt annak a keskeny szélességnek köszönhetően, amely miatt az antenna figyelmen kívül hagyja azokat a jeleket, amelyek a gerenda szélességén kívül eső szögekből jönnek.
2. Félhullámú antennák a Digi PKG termékei nem ellenállnak az időjárásnak és nem szabad a szabadba telepíteni. A Digi kevésbé időjárás-érzékeny antennát kínál, mert nem rendelkezik a csuklós csatlakozással a szabadon álló kábellel. A 900 MHz-es antenna sorozatszáma A09-HSM-7. Még jobb lehetőség az A09-FxNF antenna, amelynek N típusú RF csatlakozója van (női). RF-kábel 1 ”, 4”, 6 ”, 10” vagy 20 ”hosszúságban vásárolható meg, hogy a rádió modem RPSMA (femorális) csatlakozójától az N típusú csatlakozóig illeszkedjen. Az összes 2,4 GHz-es dipólantenna csuklós ízület, amely nem teszi őket időjárásállóvá. A Digi azonban számos patch típusú antennát kínál szabadtéri rögzítésre, egy standard U-csavarral.
Ostorozza az antennákat az XBee modulokon
3. A ¼ hullámhosszú antennának alapsíkra van szüksége. Az összes 1/4-hullámú antenna akkor működik a legjobban, ha egy fém alapsík közepére van felszerelve, amelynek sugara legalább 1/4 hullámhosszú (átmérő:
3 hüvelyk 2,4 GHz-re); A nagyobb jobb. Az antenna továbbra is működhet egy kisebb alapsíkon, de a hatékonyság csökken. Ne feledje, hogy az RF modulokon elérhető 1/4-hullámú antenna nem tökéletesen hatékony, mivel a nyomtatott áramköri kártya (PCB) alaprajzát használja, amely csak egy irányban nyúlik el. Bármely tesztelésnek azt kell jeleznie, hogy sok alkalmazásban elég jól működik. Az antennának merőlegesnek kell lennie az alapsíkra (közvetlenül felfelé kell mutatnia). Az antenna meghajlítása gyengíti a jelet, és több mint a felére csökkentheti a rádiótartományt.
4. Yagi és Patch antennák nagyobb nyereséggel tekintjük irányított antennának. Minél nagyobb az erősítés, annál nagyobb szöget érzek. A kézikönyvek utolsó részében nézze meg az antenna erősödését és a megengedett veszteségeket.
5. DBi és dBd egységek az antenna fókuszáló erejének (erősítésének) mérésére szolgálnak. A Digi az összes antennát csak dBi-ben határozza meg, ez egy olyan mérték, amely összehasonlítja az antenna erősítését egy izotrop sugárzóval (egy elméleti antenna, amely egyenletesen oszlatja el a bemenő energiát egy képzeletbeli gömb felületén). A dBd összehasonlítja az antenna erősítését a referencia dipól antenna erősítésével (2,15 dBi erősítésként definiálva). A dBi konvertálása dBd-re:
• Nyereség dBd = nyereség dBi-ben - 2,15 dB
• Nyereség dBi-ben = nyereség dBd + 2,15 dB-ben
Az Arduino mód vezeték nélkül kommunikál az XBee mód használatával.
Vegye figyelembe azt is, hogy a nagyobb nyereségű antennák egy kisebb területre összpontosítják az energiát. A Digi azt javasolja, hogy a legtöbb alkalmazásban kerüljék az antennát nagy erősítéssel, mivel ezeket nehezebb használni. Ajánlott antennaerősítések:
• Körirányú: 3–6 dBi
• Irányított: 8 dBi - 11 dBi
A Raspberry Pi mód vezeték nélkül kommunikál az XBee mód használatával.
A nagy nyereségű antennák korlátozottan használják a hatótávolság bővítését egy nem LOS környezetben, ahol az akadályok több rendszerveszteséget okoznak, mint amennyit az antennák képesek legyőzni. Az akadályok emellett a jelek ugrását és különböző szögekből történő eljutását eredményezik az antennának, ezért kívánatos egy széles sugárszélességű és kisebb erősítésű antenna.
6. Nagyobb érzékenység = szélesebb tartomány. A térbeli távolság a legtöbb RF alkalmazás fontos követelménye. A vevő nagyobb érzékenységével elérhető széles tartomány előnyöket kínál az ügyfél számára. A Digi a saját fejlesztésű modulációs és demodulációs technikák széles skáláját hajtja végre, a piacon az egyik legjobb vevőkészülék-reagálási specifikáció mellett.
7. XBee/XBee-PRO S1 802.15.4 - Antenna opciók
A megadott tartományok jellemzőek az integrált ostor (1,5 dBi) és dipól (2,1 dBi) antennákra. A nyomtatott áramköri kártya (PCB) antennája alakbeli előnyöket kínál; de rövidebb távolságtartományt kínál, mint a korbács- és dipólantenna, ha kültéri adást végez. Információ: XBee Antenna és XBee-PRO OEM RF alkalmazás értesítés.
Fresnel zóna: D az adó és a vevő közötti távolság; r az első Fresnel-zóna sugara (n = 1) a P pontban, az adótól d1 és a vevőtől d2 távolságban.
Fresnel környéke, az Augustin-Jean Fresnel fizikusról elnevezett ellipszoidos régiók sorozatának egyike az adó antenna és a vevő antenna közötti és körüli térben koncentrálódik. A koncepció segít megérteni és kiszámítani az adó és a vevő között terjedő rádióhullámok erejét. A Fresnel zóna az elektromágneses tér térbeli konfigurációja, és a frekvencia függvénye. A Fresnel-terület összehúzódása a rádiójel csillapítását és torzulását idézi elő.
A Fresnel területének kiszámítása méterben
Fn = sugár az n zónában Fresnel zóna (m)
d1, d2 = az adó és a vevő közötti távolság P-ig (m)
λ = jel hullámhossza (m)
λ = c/f, c = 3 × 108ms-1, f = jelfrekvencia (Hz)
Középen d1 = d2, és d1 + d2 = D (m). A GHz-es frekvenciára és a Km-es távolságra a képletet kapjuk:
n = 1 első Fresnel-zóna esetén D = 1Km és f = 5,5 GHz (5 GHz-es 802,11n 100-as csatorna):
R = 3,69 m-t kapunk, és 60% -os tisztaság mellett D = 0,6 Km-t adunk, és az eredmény r = 2,85 m.
Constantin Savu
Vezérigazgató
Ecas Electro