Nyheder - Antenneteori – Grundlæggende parametre

Dette kapitel introducerer de grundlæggende parametre for trådløs kommunikation med det formål at give en bedre forståelse af antenners rolle i kommunikationssystemer. Trådløs kommunikation udføres i form af elektromagnetiske bølger, hvilket gør det vigtigt at forstå bølgernes udbredelsesegenskaber.

I dette kapitel vil vi diskutere følgende parametre:

•Frekvens
•Bølgelængde
• Impedansmatchning
• VSWR og reflekteret effekt
•Båndbredde
•Procentuel båndbredde
• Strålingsintensitet

Lad os nu se nærmere på dem.

Frekvens:

Ifølge standarddefinitionen er frekvens antallet af gentagelser af en bølge pr. tidsenhed. Enkelt sagt beskriver frekvens, hvor ofte en begivenhed forekommer. En periodisk bølge gentages hvert T sekund (én periode), og dens frekvens er den reciprokke værdi af tidsperioden T.

Matematisk set ser det ud som følger:

$$f = \frac{1}{T}$$

•F repræsenterer frekvensen af en periodisk bølge, mens

•T er den tid, der kræves for at fuldføre en fuld cyklus.

Frekvens måles i hertz, forkortet Hz.

Figuren ovenfor illustrerer en sinusbølge, der plotter spænding (i mV) som funktion af tid (i ms). Denne bølgeform gentages hvert 2t millisekund; derfor er dens periode T = 2t ms, og dens frekvens f = 1/(2t) kHz.

Bølgelængde:

Ifølge standarddefinitionen kaldes afstanden mellem to på hinanden følgende toppe eller to på hinanden følgende dale bølgelængden.

Kort sagt er bølgelængden afstanden mellem to tilstødende positive toppe eller to tilstødende negative toppe. Figuren nedenfor viser en periodisk bølgeform, hvor bølgelængden (λ) og amplituden er markeret. Jo højere frekvensen er, desto kortere er bølgelængden, og omvendt.

Formlen for bølgelængde er:

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

•λ repræsenterer bølgelængden

•C er lysets hastighed ($3 × 10^8$ meter pr. sekund)

•F er frekvensen

Bølgelængden λ udtrykkes i længdeenheder, såsom meter, fod eller tommer. Den almindeligt anvendte enhed er meter.

Impedansmatchning:

Ifølge standarddefinitionen forekommer impedanstilpasning, når senderens impedans er omtrent lig med modtagerens impedans.

Impedanstilpasning er påkrævet mellem antennen og kredsløbet. Impedanserne for antennen, transmissionslinjen og kredsløbet bør matches for at opnå maksimal effektoverførsel mellem antennen og modtageren eller senderen.

Nødvendigheden af matchning
Resonante enheder er i stand til at levere optimal output inden for bestemte smalbåndsfrekvenser. Som en resonant enhed kan en antenne opnå bedre outputydelse, når dens impedans er korrekt tilpasset.

• Når antennens impedans matcher impedansen i det frie rum, vil den effekt, der udstråles af antennen, blive transmitteret effektivt.

• For en modtageantenne skal dens udgangsimpedans matche indgangsimpedansen på modtageforstærkerkredsløbet.

• For en sendeantenne skal dens indgangsimpedans matche sendeforstærkerens udgangsimpedans samt transmissionslinjens karakteristiske impedans.

Impedans måles i ohm, betegnet med symbolet Z.

VSWR og reflekteret effekt:

Ifølge standarddefinitionen kaldes forholdet mellem den maksimale spænding og den minimale spænding i en stående bølge spændingsforholdet for den stående bølge (VSWR).

Når impedanserne i antennen, transmissionslinjen og kredsløbet ikke stemmer overens, kan strømmen ikke udstråles effektivt; i stedet reflekteres en del af strømmen tilbage.

De vigtigste karakteristika er —

• Parameteren, der angiver graden af impedansmismatch, kaldes spændingsstandbølgeforholdet (VSWR)

• VSWR står for Voltage Standing Wave Ratio og kaldes også almindeligvis SWR

• Jo større impedansmismatch er, desto højere er VSWR-værdien

• For at opnå effektiv stråling er den ideelle VSWR-værdi 1:1

• Reflekteret effekt refererer til den del af den fremadrettede effekt, der går til spilde. Reflekteret effekt og VSWR beskriver i bund og grund det samme fysiske fænomen fra forskellige perspektiver.

Båndbredde:

Ifølge standarddefinitionen kaldes frekvensbåndet inden for et bestemt bølgelængdeområde, der er allokeret til en bestemt kommunikation, båndbredde.

Når et signal sendes eller modtages, opererer det inden for et bestemt frekvensområde. Dette specifikke frekvensområde tildeles et bestemt signal for at forhindre interferens fra andre signaler under transmissionen.

• Båndbredde refererer til frekvensområdet mellem højfrekvens- og lavfrekvensgrænserne for en signaltransmission

• Når båndbredden er allokeret, kan den ikke bruges af andre

• Hele spektret er opdelt i båndbreddesegmenter, der hver især er tildelt forskellige sendere

Den båndbredde, vi lige har diskuteret, kan også kaldes absolut båndbredde.

Procentuel båndbredde:

Ifølge standarddefinitionen kaldes forholdet mellem den absolutte båndbredde og dens centerfrekvens den procentvise båndbredde.

Frekvensen inden for et bånd, hvor signalstyrken når sit maksimum, kaldes resonansfrekvensen, også kendt som båndets centerfrekvens, betegnet som fC.

• De højere og lavere frekvenser i båndet betegnes henholdsvis som fH og fL

•Den absolutte båndbredde er givet ved fH − fL

• For at evaluere bredden af et frekvensbånd er det nødvendigt at beregne dets brøkbåndbredde eller procentvise båndbredde

Den procentvise båndbredde beregnes for at forstå det interval af frekvensvariationer, som en komponent eller et system kan håndtere.

•fH betegner den højere frekvens

•fL betegner den lavere frekvens

•fc betegner centerfrekvensen

Jo større procentvis båndbredde, desto bredere er kanalbåndbredden.

Strålingsintensitet:

Strålingsintensitet er defineret som den udstrålede effekt pr. rumvinkelenhed.

En antenne udstråler mere intenst i bestemte retninger, hvilket svarer til dens maksimale strålingsintensitet. Det maksimalt mulige strålingsområde er karakteriseret af strålingsintensiteten.

Matematisk udtryk
Strålingsintensiteten opnås ved at gange den udstrålede effekttæthed med kvadratet af den radiale afstand: