Байланыс жүйелеріндегі антенна сипаттамалары
Антенналар сымсыз байланыс жүйелерінің негізгі құрамдас бөлігі болып табылады. Олардың рөлі - таратқыштағы электр сигналдарын кеңістікте таралатын электромагниттік толқындарға түрлендіру, содан кейін қабылдағышта кері процесті орындау: электромагниттік толқындарды ұстап алу және оларды қайтадан электр сигналдарына айналдыру. Байланыс байланысының сапасына - қашықтық пен сенімділіктен бастап сыйымдылыққа дейін - қолданылатын антеннаның сипаттамалары үлкен әсер етеді. Сондықтан, антенна параметрлерін түсіну желі дизайнерлері, далалық техниктер және телекоммуникация студенттері үшін өте маңызды.
1. Радиациялық үлгі
Сәулелену үлгісі электромагниттік энергияның антенна арқылы кеңістікте әртүрлі бағытта қалай сәулеленетінін сипаттайды. Бұл үлгі әдетте өріс кернеулігін немесе сәулелену қуатын бұрыштың функциясы ретінде көрсететін 2D немесе 3D график түрінде көрсетіледі. Екі жалпы санат бар:
– Белгілі бір жазықтықта (мысалы, көлденең жазықтықта) салыстырмалы түрде біркелкі қуат шығаратын көп бағытты антенналар. Мысалдар: Wi-Fi маршрутизаторларына немесе радиобайланысқа арналған монопольді/дипольді антенналар.
– Бағытталған антенналар энергияны белгілі бір бағытқа бағыттайды, сол бағытта күшейтуді арттырады. Мысал ретінде микротолқынды және спутниктік жүйелердегі Яги, параболалық немесе мүйізді антенналарды айтуға болады.
Сәулелену үлгілерінде негізгі бөлік (максималды сәулелену бағытын көрсетеді), бүйір бөлік (негізгі бөліктен тыс қосымша сәулеленуді білдіреді) және артқы бөлік (артқы бөлікті білдіреді) терминдері қолданылады. Жоғары бүйір бөліктер басқа жүйелерге кедергі келтіруі немесе қажетсіз бағыттардан кедергі алуы мүмкін.
2. Антеннаны күшейту
Күшейту - антеннаның сәулелену энергиясын анықтамалық антеннаға қатысты бағытта шоғырландыру қабілетінің өлшемі. Күшейту сәулелену қуатынан ерекшеленеді; ол қуатты «жасамайды», керісінше энергияның таралуын бағыттырақ етіп реттейді. Күшейту әдетте келесідей өрнектеледі:
– dBi: изотропты антеннамен салыстырғанда (барлық бағытта біркелкі сәулеленетін теориялық антенна).
– dBd: жартылай толқынды дипольді антеннамен салыстырғанда.
Жоғары күшейткішті антенналар ұзақ қашықтықтағы байланыс немесе нүктеден нүктеге дейінгі байланыс үшін жарамды. Дегенмен, олардың сәуле бұрышы тарырақ, бұл дәлірек орнатуды және туралауды қажет етеді.
3. Сәуле ені (сәуле ені)
Сәуле ені - негізгі бөліктің бұрыштық енінің өлшемі, әдетте шыңнан -3 дБ-де өлшенеді (жартылай қуатты сәуле ені/HPBW). Тар сәуле ені антеннаның жоғары бағытта екенін (жоғары күшейту) білдіреді, ал кең сәуле ені кеңірек қамту аймағын, бірақ төмен күшейтуді білдіреді.
Практикалық қолданыстарда:
– Ұялы байланыс базалық станциялары сәуле ені мен секторлық қамту арасында компромисске баруы керек.
– Ғимаратаралық микротолқынды байланыстар әдетте кедергілерді азайту және SNR жақсарту үшін тар сәуле енін пайдаланады.
4. Поляризация
Поляризация антенна шығаратын толқынның электр өрісінің (E-өрісі) бағытын сипаттайды. Түрлеріне мыналар жатады:
– Сызықтық поляризация: көлденең немесе тік.
– Шеңберлік поляризация: оң жақ шеңберлік поляризация (RHCP) немесе сол жақ шеңберлік поляризация (LHCP).
– Эллиптикалық поляризация: көлденең және тік компоненттер теңгерімсіз болған кездегі кең таралған түрі.
Таратқыш пен қабылдағыш арасындағы поляризацияны теңестіру өте маңызды. Егер поляризациялар сәйкес келмесе, поляризация сәйкессіздігі жоғалады, бұл қабылданатын қуатты айтарлықтай төмендетуі мүмкін. Айналмалы поляризация көбінесе спутниктік байланыста және белгілі бір көп жолды жағдайларда қолданылады, себебі ол бағдар өзгерістеріне төзімдірек.
5. Импеданс және сәйкестендіру
Антенналардың кіріс кедергісі тарату желісінің кедергісіне өте сәйкес келеді (әдетте 50 Ом немесе 75 Ом). Импеданс сәйкес келмеуі сигналдың таратқышқа кері шағылысуын тудырады, бұл келесі әсерлерге әкеледі:
– Берілген қуатты тиімді азайту.
– Таратқыш құрылғының бұрмалануы және қызуы.
Сәйкестікті бағалаудың жалпы параметрлері:
– VSWR (кернеу тұрақты толқын қатынасы): 1:1-ге неғұрлым жақын болса, соғұрлым жақсы.
– Қайтару шығыны (дБ): мән неғұрлым жоғары болса (мысалы, 15 дБ, 20 дБ), соғұрлым жақсы.
Импедансты сәйкестендіруге антеннаны жобалау, сәйкес желілерді пайдалану немесе тиісті кабельдер мен қосқыштарды таңдау арқылы қол жеткізуге болады.
6. Антеннаның өткізу қабілеті
Өткізу қабілеттілігі дегеніміз - белгілі бір өнімділік критерийлеріне сәйкес келетін антеннаның жұмыс жиілік диапазонын білдіреді (мысалы, VSWR < 2 немесе қайтару шығыны > 10 дБ). Тек тар жиілік диапазонында ғана оңтайлы болатын тар жолақты антенналар, сондай-ақ кең жолақты немесе тіпті ультра кең жолақты антенналар бар.
LTE, 5G және Wi-Fi 6/6E сияқты заманауи жүйелерде антеннаның өткізу қабілеті өте маңызды, себебі құрылғылар кең немесе көп жолақты арналарда жұмыс істеуі керек. Көп жолақты антенналар смартфондарда бір уақытта бірнеше қызметтерді қолдау үшін жиі қолданылады, дегенмен олардың дизайны кеңістіктің шектеулілігіне байланысты күрделірек.
7. Антеннаның тиімділігі
Тиімділік антеннаға түсетін электр қуатының қаншалықты бөлігі электромагниттік сәулеленуге айналатынын сипаттайды. Шығындар келесі себептерден туындауы мүмкін:
– Өткізгіш кедергісі (омдық шығын),
– Негіздегі диэлектрлік шығын (микрожолақты антенналар үшін),
– Сәйкес келетін желідегі шығын,
– Айналадағы компоненттермен (мысалы, корпус, батарея, кішкентай жерге тұйықтау жазықтығы) байланыс.
Төмен тиімділік жылуға көп қуаттың «жоғалатынын» білдіреді, бұл қашықтықты азайтады. IoT түйіндері немесе ұялы телефондар сияқты шағын құрылғыларда тиімділік үлкен қиындық тудырады, себебі антенна өлшемі идеалды толқын ұзындығынан әлдеқайда аз.
8. Бағыттау және оның пайдаға байланысы
Бағыттау - бұл антеннаның қаншалықты «бағытты» екенін көрсететін өлшем, ол тек оның сәулелену үлгісіне негізделген және ішкі шығындарды есепке алмағанда. Күшейту - бағыттаушылықтың тиімділікке көбейтілген көрсеткіші. Тұжырымдамалық тұрғыдан:
Пайда = Бағыт × Тиімділік
Сондықтан, антеннаның бағыттылығы жоғары болуы мүмкін, бірақ шығындар жоғары болса, күтілгендей жоғары күшейту болмауы мүмкін. Жүйені жобалауда екеуі де маңызды: фокусты қамтуға бағыттау және қуаттың босқа кетпеуін қамтамасыз ету тиімділігі.
9. Алдыңғы және артқы жақтарының арақатынасы (F/B)
Алдыңғыдан артқыға қатынасы алдыңғы (негізгі бөліктегі) берілетін қуаттың артқыға қатынасын көрсетеді. Бағытталған антеннаның артқы қабылдауды/қабылдауды азайту үшін жоғары F/B мәні қажет. Бұл параметр мыналар үшін маңызды:
– теледидар немесе радио үшін Яги антеннасы,
– Артқы жағынан кедергілерді азайту үшін нүктеден нүктеге байланыс,
– Бір жерде бірнеше таратқыштары бар жүйелер (сайтты ортақ пайдалану).
10. Қоршаған орта және орнату факторлары
Антеннаның сипаттамалары тек дизайнмен ғана емес, сонымен қатар орнату ортасымен де анықталады. Антеннаның биіктігі, металлға жақындығы, бағыты, кабель ұзындығы, қосқыш сапасы және физикалық кедергілер (ғимараттар, ағаштар) сәулелену үлгісін өзгертіп, өнімділікті төмендетуі мүмкін. Көп жолды (шағылысу) құбылыстары белгілі бір нүктеде сигналды күшейтуі немесе әлсіретуі мүмкін. Сондықтан, антеннаның күтілгендей жұмыс істейтініне көз жеткізу үшін RSSI және SNR өлшеулері және жетек сынақтары сияқты далалық сынақтар жиі жүргізіледі.
Қорытынды
Антенналар жай ғана «сигнал таратқыштар» емес, керісінше әртүрлі техникалық сипаттамалары бар электромагниттік құрылғылар: сәулелену үлгісі, күшейту, сәуле ені, поляризация, кедергі және сәйкестік, өткізу қабілеттілігі, тиімділігі, бағыттылығы және алдыңғы-артқы қатынасы. Бұл параметрлер байланыс жүйесінің диапазонын, сигнал сапасын, кедергілерге төзімділігін және сенімділігін анықтайды. Іс жүзінде антеннаны таңдау жобаланған өнімділікке қол жеткізу үшін дұрыс орнатуды қамтамасыз ете отырып, қолдану талаптарын (қашықтық, жиілік, қозғалғыштық және қоршаған орта) ескеруі керек.
