ANTÉNY PRE BUNKOVÉ APLIKÁCIE; Elektronika - dnes
Anténa je najbežnejšou príčinou zlyhania bezdrôtového projektu. Anténa vyžaduje veľkú pozornosť, aby bol interval, v ktorom bude systém pracovať, optimálny. Ak je anténa vybraná alebo navrhnutá správne, prispieva k vysokovýkonnému bezdrôtovému produktu. Anténa musí vyhovovať: (1) odporúčaniam poskytovateľa bezdrôtových zariadení, (2) špecifickým technológiám (Cellular - GSM/TDMA/CDMA, 4G LTE - GSM/EDGE, UMTS/HSPA, 802.11 Wi-Fi, 802.15.4 - ZigBee, Thread), WirelessHART, 6LoWPAN, LPWA, Bluetooth and BLE - Bluetooth Low Energy), (3) prispôsobenie dizajnom pre konkrétny dizajn produktu. Najpoužívanejšie typy antén majú rôzne tvary: Monopol - zvislý drôt, Dipól - 2 vodorovné alebo zvislé vodiče, Trojrozmerná slučka, Mikroprocesor vyrobený na DPS, Špirála - špirála, Plastúra - rovina vyrobená na DPS, PIFA - a Varianta monopolného spoja s plošnými spojmi s rovinou rovnobežnou s GND, štrbina - izolačná oblasť, ktorá má okolo seba vodivý obvod, ktorý tvorí anténu, Yagi - viac paralelných dipólových prvkov.
Trojrozmerný radiačný model dipólovej antény λ/2.
Klasické antényDipólová anténa
Bol vyvinutý H. R. Hertzom okolo roku 1886 a zostáva najjednoduchšou a najbežnejšie používanou anténou. Má dva kovové drôty rovnakej dĺžky a súmerné a napájací zdroj je pripojený k stredu dipólu, na dvoch koncoch susedných vodičov. Základný režim činnosti antény je, keď je celá anténa polovičná oproti vlnovej dĺžke (λ/2). Vyžarované pole dipólovej antény je v jej základnom režime všesmerové a má lineárnu polarizáciu. Obrázok ukazuje, že jeho vyžarovací profil je maximálny v pravom uhle k dipólu a klesá na nulu na osi dipólu. Maximálna smernosť sa rovná 2,15 dBi. Používa sa množstvo variácií dipólových antén namontovaných horizontálne alebo vertikálne. Dipól by mal byť veľmi tenký.
V praxi sú dipóly vyrobené z hrubšieho materiálu, ktorý má tendenciu zvyšovať šírku pásma tohto typu antény medzi 10% a 20% (v závislosti od polomeru drôtu). V tomto prípade je rezonančná dĺžka mierne zmenšená v závislosti od hrúbky dipólu, ale často sa bude blížiť k 0,47.
Podrobnosti o dipólových anténach: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
Trojrozmerný radiačný model monopolnej antény λ/4.
Monopolná anténa
Pridaním roviny hmotnosti kolmej na stred dipólovej antény možno jej dĺžku rozdeliť na dve časti, čo vedie k monopolnej anténe. Teoreticky sa táto základná rovina považuje za nekonečnú rovinu dokonalého elektrického vodiča (PEC). V takom prípade má prúd v odrazenom obraze rovnaký smer a fázu ako prúd v dipólovej anténe. Monopolná anténa s dĺžkou štvrtiny vlnovej dĺžky (λ/4) a jej obraz teda tvoria spolu dipól (λ/2), ktorý vyžaruje iba v hornej polovici priestoru. Vďaka tomu má zisk o 3 dB vyšší ako dipólová anténa.
Anténa má priradené dva typy odporu. Radiačný odpor, ktorý premieňa elektrinu na žiarenie. Ohmický odpor materiálu predstavuje stratu antény, ktorá premieňa elektrinu na teplo. Radiačný odpor by mal byť oveľa vyšší ako ohmický odpor, aj keď oba sú dôležité pre účinnosť antény. Všeobecne je radiačný odpor na svorkách dipólovej antény vo voľnom priestore (izolovaný od vodivého) 73Ω. Monopolná anténa bude mať polovicu alebo 36,5 Ω.
Bezdrôtová komunikácia
Komunikačné systémy zahŕňajú 4 základné komponenty:
• Prenosový prvok
• Prijímacie zariadenie
• Prostredie, v ktorom prebieha komunikácia
• Antény alebo iné zaostrovacie prvky
vysielač v bezdrôtovej komunikácii je jeho úlohou dodávať anténe signál na prenos. Rádiový vysielač kóduje údaje vysokofrekvenčných vĺn s určitou silou signálu (výstupný výkon) na premietanie signálu do prijímača.
prijímač prijíma a dekóduje údaje prichádzajúce cez prijímaciu anténu. Prijímač vykonáva úlohu prijímania a dekódovania RF signálov prijatých v priebehu času a odmietanie nežiaducich.
antény sú zariadenia, ktoré koncentrujú energiu určitým smerom. Antény môžu poskytovať rôzne vzory žiarenia v závislosti od konštrukcie a použitia. To, koľko energie sa koncentruje v určitom smere, sa nazýva zisk antény.
Priestor medzi vysielačom a prijímačom je prostredie systému. Dosiahnutie zorného poľa RF (Line of Sight - LOS) medzi vysielajúcou a prijímajúcou anténou je nevyhnutné pre dosiahnutie širokého rozsahu bezdrôtovej komunikácie. Existujú dva typy LOS, ktoré všeobecne popisujú prostredie:
Prekážky v rádiovej ceste = non-LOS (non-Line of Sight)
• Visual LOS je schopnosť vidieť z jedného miesta na druhé. Potrebná je len rovná, rovná cesta bez prekážok medzi dvoma bodmi.
• RF LOS vyžaduje nielen vizuálnu LOS, ale aj trajektóriu v tvare elipsoidu, ako napríklad rugbyová lopta, tzv. Fresnelova oblasť, bez prekážok, aby sa rádiové vlny mohli optimálne šíriť z jedného bodu do druhého. Fresnelovú oblasť možno považovať za tunel, ktorý poskytuje cestu pre RF signály medzi dvoma miestami.
Ťažkosti v bezdrôtovej komunikácii
Aj keď je zadaná komunikačná vzdialenosť pre niektoré bezdrôtové moduly (napr. Digi XBee) až 40 km (25 míľ), môže byť táto hodnota ovplyvnená faktormi, ktoré môžu znížiť kvalitu signálu:
• Niektoré materiály môžu odrážať vysokofrekvenčné vlny, čo spôsobuje rušenie inými vlnami a stratu sily signálu. Najmä kovové alebo vodivé materiály sú veľké reflektory, aj keď takmer akýkoľvek povrch môže odrážať vlny a interferovať s inými vysokofrekvenčnými vlnami.
• Rádiové vlny môžu byť absorbované objektmi v ich dráhe, čo spôsobuje straty energie a obmedzuje prenosovú vzdialenosť.
• Antény je možné upraviť tak, aby sa zvýšila vzdialenosť, ktorú môžu dáta prekonať v bezdrôtovom komunikačnom systéme, a zabezpečiť tak optimálnu funkčnosť systému. Antény vysokej výšky môžu dosiahnuť širší rozsah optimálnej prevádzky, aj keď majú nízky zisk, hoci pokrývajú menšiu plochu.
Hlavné pravidlo
Aby sa dosiahla najväčšia vzdialenosť, musí byť oblasť v tvare elipsoidu, v ktorej sa pohybujú rádiové vlny (Fresnelova zóna), neobmedzená.
Budovy, stromy alebo iné prekážky, ktoré vám bránia v ceste, znížia pole komunikácie.
Ak sú antény namontované tesne nad zemou, viac ako polovici Fresnelovej oblasti prekáža zakrivenie Zeme, čo vedie k výraznému zníženiu vzdialenosti. Aby ste sa vyhli týmto problémom, namontujte antény dostatočne ďaleko od zeme, aby zem nezasahovala do stredného priemeru Fresnelovej oblasti.
Kvôli zložitej povahe rádiových vĺn môžu prekážky v oblasti prvého Fresnela spôsobiť výrazné oslabenie, aj keď prekážky nebránia v ceste signálnej čiary pohľadu. Je dôležité vypočítať veľkosť primárnej Fresnelovej oblasti pre daný anténny systém a inštalatéra antény rozhodnúť, či bude mať prekážka významný vplyv na silu signálu. Pravidlo: v ideálnom prípade by mala byť hlavná oblasť Fresnela bez prekážok viac ako 80%, ale čistá minimálne 60%.
Úsek cez 5 Fresnelových zón Modré zóny uprednostňujú rádiové vlny.
RF anténa a elektromagnetické vlny sú polarizované. Polarizácia elektromagnetickej vlny je daná polohou oscilačnej roviny vektora intenzity elektrického poľa (E) vo vzťahu k smeru šírenia. Je dôležité, aby anténa mala polarizáciu aj prijatý signál na získanie maximálnej užitočnej úrovne. Fresnelova zóna sa môže použiť na určenie, či sa spúšťaný signál bude prijímať vo fáze alebo mimo fázy, ale vysielaná polarizácia vysokofrekvenčného (RF) signálu môže výrazne ovplyvniť príjem vysielacieho konca. Polarizácia elektromagnetických vĺn môže byť lineárna, kruhová alebo eliptická.
• Lineárna polarizácia - vlny sa pohybujú v rovine
• Vertikálna polarizácia - vlny sa pohybujú vo vertikálnej rovine
• Horizontálna polarizácia - vlny sa pohybujú v horizontálnej rovine
• Kruhová polarizácia - vlny sa pohybujú v tesnej trojrozmernej špirále, keď opúšťajú vysielaciu anténu
• RHCP (pravá kruhová polarizácia) - vlny sa pohybujú v smere hodinových ručičiek, keď opúšťajú vysielač
• LHCP (ľavá kruhová polarizácia) - vlny sa pohybujú proti smeru hodinových ručičiek.
Ak je signál vertikálne polarizovaný a je vychýlený vodorovným predmetom, ako je plochá strecha, a potom sa priblíži k prijímacej anténe, a ak je strecha v prvej oblasti Fresnelovej zóny, výsledný signál bude obrátený vzhľadom na signál originál. To znamená, že vysoké body sínusových vĺn sú teraz slabými bodmi a naopak. Preto aj keď sa v prvej Fresnelovej oblasti očakáva minimálna fázová zmena, odchýlený signál sa dostane z fázy, čo oslabí prijatý signál. Inštalátor anténneho systému musí preto zohľadniť túto skutočnosť a buď presunúť vysielaciu anténu, prijímaciu anténu alebo oboje, aby sa minimalizoval alebo eliminoval signál fázovej zmeny rušenia strechy.
Antip Cip vs. Čip vs. bič
Problémy s anténou a riešenia navrhnuté spoločnosťou Digi (www.digi.com)
1. Pomôže to anténa s vysokým ziskom prenos cez alebo cez prekážky, ak nie je viditeľná rádiová cesta (nie LOS)?
Najskôr je potrebné skontrolovať RF viditeľnosť (LOS).
Po druhé, Digi odporúča používať antény so stredným ziskom iba v podmienkach bez LOS. Antény s vysokým ziskom sa správajú horšie v podmienkach bez LOS, pretože majú užšiu šírku lúča. Viaccestné efekty prostredia, ktoré nie je LOS, spôsobujú, že sa RF signály dostávajú k anténe v nepárnych uhloch po odraze blízkych objektov. Anténa s menším ziskom a väčšou šírkou lúča bude lepšia pri rekombinácii prerobených signálov.
Všeobecne zlepšenie rozpočtu na prepojenie o 6 dB zvýši zdvojnásobenie rozsahu v prostredí LOS (anténa so ziskom 8 dBi, v porovnaní s anténou so ziskom 2,1 dBi). Na zdvojnásobenie rozsahu vzdialenosti pri absencii priameho videnia je potrebných minimálne 12 dB dodatočnej citlivosti príjmu alebo vysielacieho výkonu, ale dodatočný zisk 12 dB antény nemusí zdvojnásobiť dosah kvôli úzkej šírke, ktorá spôsobuje, že anténa ignoruje signály, ktoré pochádzajú z uhlov mimo šírku lúča.
2. Polvlnové antény dodávané s produktmi Digi PKG nie sú odolné voči poveternostným vplyvom a nemali by sa inštalovať vonku. Digi ponúka anténu menej citlivú na počasie, pretože nemá kĺbový spoj s exponovaným káblom. Sériové číslo antény 900 MHz je A09-HSM-7. Ešte lepšou možnosťou je anténa A09-FxNF, ktorá má RF konektor typu N (ženský). Kábel RF je možné zakúpiť v dĺžkach 1 ”, 4”, 6 ”, 10” alebo 20 ”, aby sa zmestil z konektora RPSMA (femorálneho) rádiového modemu na konektor typu N. Všetky dipólové antény 2,4 GHz majú kĺbový kĺb, vďaka ktorému nie sú odolné voči poveternostným vplyvom. Spoločnosť Digi však poskytuje niekoľko antén typu patch pre vonkajšiu montáž so štandardnou U-skrutkou.
Šľahajte antény na moduloch XBee
3. Vlnová dĺžka antény vyžaduje základnú rovinu. Všetky 1/4 vlnové antény fungujú najlepšie, ak sú inštalované v strede kovovej pozemnej roviny s polomerom najmenej 1/4 vlnovej dĺžky (priemer:
3 palce pre 2,4 GHz); Väčší je lepší. Anténa môže stále fungovať na menšej pozemnej rovine, ale účinnosť sa zníži. Všimnite si, že 1/4 vlnová anténa dostupná na RF moduloch nie je úplne efektívna, pretože využíva pôdorys dosky plošných spojov (PCB), ktorá sa rozprestiera iba v jednom smere. Akékoľvek testovanie by však malo naznačovať, že v mnohých aplikáciách funguje celkom dobre. Anténa musí byť kolmá na základnú rovinu (smerovať priamo nahor). Ohyb antény zoslabí signál a mohlo by sa znížiť rádiový dosah o viac ako polovicu.
4. Antény Yagi a Patch s vyššími ziskami sa považujú za smerové antény. Čím vyšší zisk, tým väčší uhol cítim. V záverečnej časti príručiek nájdete informácie o ziskoch antény a povolených stratách.
5. Jednotky DBi a dBd sa používajú na meranie zaostrovacieho výkonu (zosilnenia) antény. Digi špecifikuje všetky antény iba v dBi, čo je opatrenie, ktoré porovnáva zisk antény vo vzťahu k izotropickému žiariču (teoretická anténa, ktorá rovnomerne rozptýli vstupnú energiu na povrchu imaginárnej gule). DBd porovnáva zisk antény so ziskom referenčnej dipólovej antény (definovaný ako zisk 2,15 dBi). Prevod dBi na dBd:
• Zisk v dBd = zisk v dBi - 2,15 dB
• Zisk v dBi = zisk v dBd + 2,15 dB
Režim Arduino komunikuje bezdrôtovo pomocou režimu XBee.
Upozorňujeme tiež, že antény s vyšším ziskom zameriavajú energiu na menšiu oblasť. Spoločnosť Digi odporúča vyhnúť sa anténe s vysokým ziskom vo väčšine aplikácií, pretože ich použitie je zložitejšie. Odporúčané zisky antény:
• Všesmerové: 3 dBi až 6 dBi
• Smerová: 8 dBi až 11 dBi
Režim Raspberry Pi komunikuje bezdrôtovo pomocou režimu XBee.
Antény s vysokým ziskom majú obmedzené použitie pri rozširovaní dosahu v prostredí bez LOS, kde prekážky prispievajú k väčším stratám systému, ako sú antény schopné prekonať. Prekážky tiež spôsobujú, že signály skočia a dostanú sa k anténe z rôznych uhlov, preto je žiaduce mať anténu so širokou šírkou lúča a menším zosilnením.
6. Vyššia citlivosť = širší rozsah. Priestorový rozsah je dôležitou požiadavkou pre väčšinu aplikácií RF. Široký rozsah získaný vyššou citlivosťou prijímača ponúka výhodu pre zákazníka. Spoločnosť Digi vykonáva širokú škálu proprietárnych modulačných a demodulačných techník spolu s jednou z najlepších špecifikácií odozvy prijímača na trhu.
7. XBee/XBee-PRO S1 802.15.4 - Možnosti antény
Uvedené rozsahy sú typické pre integrované antény s bičom (1,5 dBi) a dipólom (2,1 dBi). Anténa s plošnými spojmi (PCB) ponúka výhody tvaru; ale pri prenose vonku ponúka kratší rozsah vzdialenosti ako možnosti s bičom a dipólovou anténou. Informácie: Oznámenie o aplikácii RF Anténa XBee a XBee-PRO OEM.
Fresnelova zóna: D je vzdialenosť medzi vysielačom a prijímačom; r je polomer prvej Fresnelovej zóny (n = 1) v bode P, vo vzdialenostiach d1 od vysielača a d2 od prijímača.
Fresnelova oblasť, pomenovaná po fyzikovi Augustinovi-Jean Fresnelovi, je to jedna z radu elipsoidných oblastí sústredených v priestore medzi a okolo vysielacej antény a prijímacej antény. Tento koncept pomáha pochopiť a vypočítať výkon rádiových vĺn, ktoré sa šíria medzi vysielačom a prijímačom. Fresnelova zóna je priestorová konfigurácia elektromagnetického poľa a je funkciou frekvencie. Fresnelove kontrakty zavádzajú útlm a skreslenie rádiového signálu.
Výpočet Fresnelovej oblasti v metroch
Fn = polomer v zóne n Fresnelova zóna (m)
d1, d2 = vzdialenosti k P od vysielača a prijímača (m)
λ = vlnová dĺžka signálu (m)
λ = c/f, c = 3 × 108ms-1, f = frekvencia signálu (Hz)
V strede d1 = d2 a d1 + d2 = D (m). Pre frekvenciu v GHz a vzdialenosť v Km sa získa vzorec:
pre n = 1 prvá Fresnelova zóna, D = 1 km af = 5,5 GHz (5 GHz 802.11n kanál 100):
Získame r = 3,69 m a pri 60% čistote dáme D = 0,6 Km a výsledok je r = 2,85m.
Constantin Savu
Generálny riaditeľ
Ecas Electro