СВЧ антенны

СВЧ антенны – важный элемент любой сети СВЧ, рассмотрим некоторые основные типы антенн СВЧ. Доступны различные типы микроволновых антенн, со своими электрическими и механическими требованиям. Наиболее часто используемая антенна для наземных микроволновых сетей — параболическая. Другие типы антенн, которые реже используются для микроволновых сетей, включают секторные, плоскопанельные, яги, рупорные и диэлектрические линзовые антенны. Каждый тип имеет характеристики, которые делают его наиболее подходящим для конкретных систем и ситуаций.

Параболические антенны

Есть два основных типа параболических антенн: стандартные и высокопроизводительные. Стандартные микроволновые параболические антенны, или «тарелки», состоят из отражателя параболической формы, обычно скрученного из листа алюминия (толщиной 1/8 — 3/16 дюйма) в зависимости от размера антенны. На антеннах большего размера ободок часто скатывается для дополнительной прочности конструкции. Эта параболическая форма фокусирует энергию в точке питания (которая называется фокусной точкой антенны) и обеспечивает постоянный фазовый фронт на апертуре. Сигнал фокусируется относительно узким лучом. Из-за относительно узкой ширины луча они имеют относительно высокий коэффициент усиления по сравнению со многими другими типами антенн. Коэффициент усиления параболической антенны зависит от ее размера или апертуры, а также от рабочей частоты. Это предполагает гладкую отражающую поверхность, так как любые неровности поверхности могут сильно повлиять на усиление.

Параболические микроволновые антенны обычно доступны в размерах от 1 фута до 12 футов в диаметре. Изготовитель обычно включает комплект для монтажа на трубу, который позволяет устанавливать его на вертикальную трубу не менее 4 дюймов (внешний диаметр 4,5 дюйма). Они могут быть хорошим вариантом там, где не требуется высокая степень отношения F / B и подавления боковых лепестков. Из-за возможности возникновения помех в перегруженном микроволновом диапазоне большинство правительственных постановлений требуют большего подавления, обеспечиваемого высокопроизводительными антеннами для лицензированных микроволновых диапазонов.

Высокопроизводительные антенны (HP)

В высокоэффективных параболических антеннах, часто называемых просто HP, используется кожух для улучшения характеристик боковых лепестков и отношения передней части антенны к задней. Кожух иногда называют «барабаном» или «щитом» из-за его физических свойств. Кожух часто облицован изнутри абсорбирующим материалом, который представляет собой тщательно разработанный пенопласт с низкой плотностью, в котором используется углерод или другой материал с «потерями» для поглощения определенных радиочастотных сигналов и минимизации отражений. Благодаря высокопроизводительной конструкции уменьшаются боковые лепестки, что позволяет антеннам удовлетворять более строгие требования к диаграмме направленности для уменьшения помех. Антенны с высокими рабочими характеристиками не имеют более высокого коэффициента усиления, чем антенны со стандартными характеристиками, что, по-видимому, является довольно распространенным недоразумением. Во всяком случае, они, вероятно, имеют на несколько десятых дБ меньше усиления из-за кожуха и поглотителя. Эту небольшую разницу в усилении сложно точно измерить, и иногда ее игнорируют в спецификациях.

Антенны с высокими характеристиками стоят больше, чем антенны со стандартными характеристиками, из-за дополнительных материалов и трудозатрат, связанных с их производством. Однако их лучшая характеристика диаграммы направленности часто требуется для работы в лицензированных микроволновых диапазонах и полезна в нелицензированных диапазонах, таких как 5 ГГц, которые переполнены потенциальными источниками помех.

Сверхвысокопроизводительные

Помимо высокопроизводительной микроволновой антенны, существуют и другие специализированные конструкции, такие как сверхвысокопроизводительная антенна, также называемая сверхвысокой производительностью. Благодаря сверхвысоким характеристикам антенны модифицируются антенна и система подачи, чтобы обеспечить несколько лучшую характеристику диаграммы направленности. Часто это связано с использованием большего количества материала поглотителя, что улучшает характеристики боковых лепестков по сравнению с высокопроизводительной антенной. Эти антенны могут потребоваться в перегруженных зонах с высокой плотностью каналов для успешной координации канала. Если вы лицензируете достаточное количество каналов, в конечном итоге компания, которая выполняет вашу частотную координацию, может потребовать использования одной из этих антенн вместо высокопроизводительной антенны, чтобы должным образом координировать и лицензировать предлагаемую связь.

Существуют также специализированные антенны, соответствующие требованиям ETSI Class 4. Эти антенны имеют более низкие боковые лепестки, чем антенны класса 3, что может помочь снизить вероятность помех и обеспечить лучшее повторное использование частот.

Существуют также специально спроектированные версии высокопроизводительных параболических антенн, которые сконструированы таким образом, что радиоблок ODU (наружный блок) может быть установлен непосредственно на задней части антенны. Это устраняет необходимость в волноводе и значительно снижает стоимость системы. Эти антенны обычно называют интегрированными или скользящими антеннами. Антенны скользящей конструкции мы обсудим далее в следующей главе.

Хаб / Секторные антенны

Секторные антенны, иногда называемые концентраторами, предназначены для обеспечения сегментированной схемы покрытия в выбранной области. Они являются наиболее распространенным типом антенн, используемых для систем сотовой связи и фиксированных сетей беспроводного доступа, таких как системы ISM, WLL и WAN. Секторные антенны обеспечивают более широкую ширину луча, чем параболические двухточечные антенны, с соответствующим меньшим усилением из-за большей ширины луча. Чаще всего используются горизонтальные секторы с шириной луча 60, 90 и 120 градусов. Секторные антенны, а также панельные антенны могут сильно различаться по своей способности соответствовать заявленным спецификациям усиления на микроволновых частотах. Этот момент будет рассмотрен далее в следующей главе, посвященной выбору микроволновых антенн.

Еще одна секторная антенна специального применения — это миллиметровые микроволновые секторные антенны для узловых антенн системы точка-множество точек в таких диапазонах частот, как 28 ГГц, 31 ГГц и 39 ГГц. В Соединенных Штатах эти полосы известны как LMDS — Local Multipoint Distribution Service. LMDS использует инфраструктуру сотового типа с несколькими базовыми станциями и небольшими клиентскими приемопередатчиками, способными обеспечивать обратную связь. Расстояние между объектами обычно составляет менее пяти миль, и небольшие параболические тарелки обычно используются на стороне доступа клиента микроволновой связи. Эти миллиметровые диапазоны волн также рассматриваются для широкого использования в рамках будущих стандартов сотовой связи 5G. Это связано с ожидаемыми требованиями к пропускной способности и скорости систем 5G и относительно большой доступной полосой пропускания в этих более высоких частотных диапазонах. Facebook демонстрировал каналы, работающие на скорости 36 Гбит / с на наземном канале связи, точка-точка миллиметрового диапазона.

Плоскопанельные антенны

Плоскопанельные антенны представляют собой антенны квадратной формы, которые можно разместить в относительно низкопрофильном обтекателе. Благодаря своей визуальной привлекательности и простоте маскировки они используются, когда эстетика имеет решающее значение. Как правило, они доступны для большинства популярных широкополосных беспроводных диапазонов, таких как диапазоны 2,4, 3,5 и 5 ГГц. Они почти всегда разрабатываются с использованием какого-либо относительно «недорогого» материала для печатных плат. Чем выше полоса частот, тем больше потерь присутствует в этих материалах и тем меньше вероятность того, что они смогут достичь ожидаемого усиления для своего размера апертуры. По мере того, как эффективность антенны уменьшается, больше энергии поглощается, перемещаясь по поверхности материала печатной платы, и меньше энергии излучается антенной. Это приводит к уменьшению усиления для антенны данного размера по мере увеличения частоты.

Плоские панели могут быть очень полезным инструментом на частотах УВЧ, но их применение может быть ограничено, поскольку рабочая частота перемещается в диапазоны микроволновых частот. На микроволновых частотах хорошо спроектированная параболическая антенна всегда будет иметь более высокое усиление, чем плоская панельная антенна аналогичного размера. Диаграммы направленности антенны также с большей вероятностью будут согласованы от блока к блоку с параболической тарелкой. Автору однажды представилась возможность наблюдать измерение усиления плоской панельной антенны 38 ГГц, которая коммерчески предлагалась для наземных микроволновых систем. Как и ожидалось, усиление было на несколько дБ меньше, чем достижимо с параболической тарелкой того же размера. Коэффициент усиления также был на несколько дБ меньше, чем было заявлено компанией, продающей антенну. В конечном итоге могут появиться активные массивы по коммерчески доступным ценам, которые решат эту проблему усиления плоских антенн на микроволновых частотах. До этого времени их полезность ограничена частотой ниже 5 ГГц. Плоские панели доступны из множества источников, и их можно легко «замаскировать» под здание, на котором они установлены, с использованием соответствующей краски для маскировки антенны.

Хотя плоские антенны не оптимальны для двухточечных микроволновых сетей, они могут быть полезны для некоторых приложений в микроволновом диапазоне частот. Существуют микрополосковые патч-антенны, которые имеют идеальный профиль для некоторых из этих приложений. Микрополосковая патч-антенна состоит из излучающего патча, который прикреплен к диэлектрической подложке с одной стороны и имеет заземляющий слой с другой. Накладка обычно состоит из металлов с высокой проводимостью, таких как медь. Они имеют низкий профиль и очень легкие. Однако, как и в случае с другими антеннами панельного типа, усиление ограничено из-за потерь в линии передачи по мере объединения большего количества элементов. Патч-антенны с микрополосками могут быть полезны для антенн в сотовых телефонах, устройствах GPS и в оборонных приложениях, таких как бортовые системы и спутниковая связь. Успешная конструкция этих антенн требует понимания взаимной связи между излучающими элементами и разработки методов для достижения желаемых характеристик.

Антенна Яги (Yagi)

Антенна Yagi — это универсальная антенна, в которой используется ведомый элемент, с отражателем за ведомым элементом и директором или рядом директоров перед ведомым элементом. Яги, которую действительно следует называть антенной Яги-Уда в честь изобретателей, представляет собой полезную направленную антенну в диапазонах HF, VHF и UHF. Антенна Яги была изобретена в университете Тохоку в 1926 году. Яги использует относительно простые методы построения для обеспечения усиления примерно до 2 ГГц. Простота конструкции и легкий вес делают их полезными для низкочастотных двухточечных систем.

В случае Yagi отражающий элемент немного длиннее ведомого элемента, а ведомый элемент имеет длину около половины длины волны. Директор или директора, если перед ведомым элементом находится более одного, немного ниже. В то время как усиление антенны Яги увеличивается с увеличением числа директоров, наблюдается «убывающая отдача» для усиления антенны по мере добавления большего числа директоров. Также можно «сложить» несколько Яги для большего усиления. Конструкцию антенны Yagi стало значительно проще оптимизировать по таким характеристикам, как усиление, соотношение между передним и задним и шириной полосы, с помощью доступного современного программного обеспечения для проектирования антенн. В некоторых конструкциях для повышения производительности используется угловой отражатель за ведомым элементом.

Рупорная антенна

Рупорная антенна, которую иногда называют СВЧ рогом, в основном расширяющимся волноводом корм, который имеет форму, которая напоминает рог. Такая форма рупора обеспечивает переход от подачи волновода к выходу в свободное пространство в отверстии рупора. Сигнал запускается в волноводной части рупора с помощью короткого зонда. Рупорные антенны используются более 100 лет и используются в ряде специальных приложений на микроволновых частотах.

Рупорные антенны обеспечивают очень эффективный способ передачи энергии из отверстия волновода в свободное пространство на расширяющемся конце рупора. Волноводный канал служит для установки минимальной частоты, так как волновод не поддерживает РЧ ниже определенного диапазона частот. Гладкостенные рупорные антенны имеют очень широкий частотный диапазон, нередко ширина полосы 10: 1. Гофрированные рожки имеют гофры, которые представляют собой прорези или канавки (небольшие по сравнению с длиной волны) вдоль внутренней поверхности. Они предлагают улучшенные характеристики боковых лепестков во всем диапазоне, в котором они работают. Это связано с тем, что гофры изменяют структуру поля, чтобы обеспечить желаемые свойства осевой симметрии луча, низких боковых лепестков и низкой перекрестной поляризации. Растет число приложений, использующих миллиметровые волны, в которых гофрированные рупоры используются либо в качестве дискретных антенн, либо в качестве источника питания для рефлекторных антенн. Они были успешно разработаны и развернуты на частотах выше 100 ГГц. При использовании гофрированных рупоров легко достичь полосы пропускания 10% или больше, и существуют методы разработки антенн с гораздо большей полосой пропускания.

Рупорные антенны обычно имеют усиление от 10 до 20 дБи, в зависимости от размера и используемой частоты. Чем больше рупор или чем выше частота, тем больше поддерживается усиление и тем уже ширина луча. Это связано с тем, что чем выше частота срабатывания, тем больше электрически появляется звуковой сигнал. Также есть секторальные рожки. Эти рупорные антенны расширяются только с одной пары сторон. Эта конфигурация дает веерообразный луч, который является узким в плоскости расширенных сторон, но широким в плоскости для узких сторон.

Рупорные антенны полезны для определенных приложений микроволнового и миллиметрового диапазона из-за их широкой полосы пропускания, низких боковых лепестков, простоты конструкции и относительной простоты сопряжения с волноводом. Они широко используются на микроволновых частотах, когда требуется умеренное усиление мощности. Обычно используются рупоры со стандартным коэффициентом усиления для использования на диапазонах антенн, фидеры для параболических антенн, антенны для радаров и секторные антенны, требующие очень хороших характеристик боковых лепестков. Они успешно используются в качестве секторных антенн в многоточечных сетях миллиметрового диапазона, в таких сервисах, как LMDS (Local Multipoint Distribution Service).

Диэлектрические линзовые антенны

Диэлектрические линзовые антенны малоизвестны и не используются в настоящее время в наземных микроволновых системах, они обладают свойствами, которые могут сделать их полезными для будущих сетей с диапазоном частот миллиметрового диапазона 5G. Поскольку эти антенны представляют собой потенциально полезный инструмент для будущих сетей малого радиуса действия с высокой пропускной способностью, они будут кратко представлены и обсуждены. И линза, и параболические отражатели выполняют одну и ту же основную функцию — изменение фазы. Форма линзы предназначена для создания постоянного фазового фронта на выходной апертуре.

Диэлектрические линзы могут быть изготовлены из относительно мягких термопластов, таких как люцит, полистирол, оргстекло или тефлон, и могут быть легко обработаны с использованием обычных методов механического цеха или отформованы. Изготовление линз включает в себя поиск диэлектрических материалов с соответствующими электрическими свойствами (диэлектрической постоянной и тангенс угла потерь), а также соответствующими механическими характеристиками, совместимыми с процессом фрезерования. Антенны с диэлектрическими линзами также могут быть изготовлены из материала с очень высоким показателем преломления, чтобы уменьшить их размер, например из диоксида титана. Диэлектрические линзы могут создавать лучи высокой формы в большой рабочей полосе пропускания. Конструкции легко достигают 10% пропускной способности. В приложениях миллиметрового диапазона, где требуемые значения усиления невысоки, линзы могут быть привлекательным вариантом по сравнению с отражателями из-за их небольшого размера, относительной простоты обработки и того, что подача находится за линзой, в отличие от параболических антенн, где подача потенциально может нарушить диаграммы направленности. Другая возможность — разработать рупор с линзовой коррекцией, который создаст компактный высокопроизводительный канал для некоторых рефлекторных антенн