Les antennes de l'emplacement ont expliqué: l'impédance, la polarisation et les performances dans la communication sans fil

Une antenne à fente est un type d'antenne formé par une fente étroite ou un trou coupé en une surface conductrice.En fonctionnant généralement dans la plage de fréquences de 300 MHz à 30 GHz, les antennes de fente offrent une structure et une fonction unique.Les fentes sont généralement la moitié de la longueur d'onde de la fréquence qu'ils transmettent ou reçoivent, et leur conception permet un rayonnement efficace.Contrairement aux antennes dipolaires, les antennes à sous sont connues pour leur robustesse, leur manipulation de puissance plus élevée et leur capacité à être intégrées dans des surfaces métalliques, ce qui les rend adaptées aux applications dans la communication par satellite, le radar et l'aérospatiale.

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Figure 1. Présentation des antennes de l'emplacement

Qu'est-ce qu'une antenne à sous?

Une antenne à fente est essentiellement un trou ou une fente étroite coupée en une surface conductrice.La longueur de l'emplacement est d'environ la moitié de la longueur d'onde du signal qu'il transmettra ou recevra.En termes plus simples, pensez à la fente comme une «fenêtre» où les ondes électromagnétiques peuvent passer, avec la largeur de la fente affectant la bande passante de l'antenne.Les antennes de créneaux sont utilisées sur une large gamme de fréquences, généralement de 300 MHz à 30 GHz, ce qui les place dans les gammes de fréquences ultra-hautes à super-hautes.

À quoi ressemble une antenne à fente?

En regardant la structure de base, une antenne à fente se compose d'une feuille de métaux (où la fente est coupée), un plan de masse (qui agit comme une surface de référence pour l'antenne), et souvent quelques créneaux.Ces machines à sous sont généralement de forme rectangulaire, et la longueur des fentes est généralement réglée sur la moitié de la longueur d'onde de la fréquence utilisée.Si vous regardez attentivement un diagramme de base de l'antenne, vous verrez que la longueur combinée de tous les emplacements est égale à 2λ (deux fois la longueur d'onde), qui est la clé de son fonctionnement.

Par exemple, chaque emplacement est de la longueur de λ / 2, et avec quatre emplacements, la longueur totale s'ajoute à 2λ (4 × λ / 2).Cette conception aide à optimiser la capacité de l'antenne à rayonner efficacement les signaux.

Figure 2. Structure marquée de l'antenne à sous

Comment fonctionne une antenne à sous?

Les antennes de machines à sous fonctionnent basées sur le principe de Babinet, qui est un peu comme une règle «image miroir».Le principe stipule que deux structures complémentaires - comme l'antenne de l'emplacement et une antenne dipolaire à demi-onde - produiront le même schéma de diffraction, mais de manière opposée.L'antenne à fente et un dipôle de demi-onde partagent une conception similaire, mais la différence est de la façon dont ils sont construits.Si vous deviez «refléter» la fente dans un matériau conducteur, vous obtiendrez une antenne dipôle à demi-onde.Ainsi, d'une certaine manière, l'antenne de l'emplacement peut être considérée comme «l'opposé» de son antenne dipolaire complémentaire.

Comment une antenne à fente rayonne-t-elle des signaux?

Il est important de regarder le schéma de rayonnement d'une antenne à fente, la direction des champs électriques et magnétiques est importante pour comprendre comment elle fonctionne.Lorsque l'antenne de l'emplacement est placée horizontalement, le champ électrique s'aligne sur l'axe y et le champ magnétique s'aligne sur l'axe des x.Il en résulte un signal polarisé verticalement.Si l'antenne est placée verticalement, la polarisation du signal passera à horizontal.

Figure 3. Antenne de l'emplacement et son antenne dipolaire complémentaire

Ce comportement contraste avec une antenne dipolaire.Lorsqu'un dipôle est orienté horizontalement, il rayonnera une polarisation du signal horizontal, et s'il est placé verticalement, il produira une polarisation verticale.En termes simples, la polarisation d'une antenne à sous est inversement proportionnelle à son orientation.Donc, si vous transformez l'antenne de l'emplacement de l'horizontale à la verticale, il retourne sa polarisation du signal.Un dipôle, en revanche, maintient une relation directe entre son orientation et la polarisation du signal.

Différences clés entre les antennes de l'emplacement et du dipôle

Les antennes de l'emplacement et les antennes dipolaires diffèrent de plusieurs manières, ce qui a un impact sur leurs performances, leurs conceptions et leurs applications.Vous trouverez ci-dessous une ventilation de leurs principales différences:

Plage de communication: les antennes de l'emplacement prennent généralement en charge les distances de communication plus longues en raison de leur nature directionnelle et de leur efficacité élevée, ce qui les rend adaptés aux applications qui nécessitent une couverture prolongée.En revanche, les antennes dipolaires sont mieux adaptées à la communication courte à milieu de gamme.

Stabilité mécanique: Une antenne à fente est généralement intégrée dans une surface métallique, comme un fuselage d'avion ou un plan de masse, le rendant mécaniquement plus fort et plus durable.Les antennes dipolaires, en particulier les types de fil mince ou de fouet, sont plus fragiles et sujets à la flexion ou à la rupture sous stress physique.

Bande passante: Les antennes de l'emplacement offrent souvent une bande passante plus large, ce qui leur permet de prendre en charge plusieurs fréquences et diverses applications.Les antennes dipolaires, en revanche, ont une bande passante plus étroite, limitant leur flexibilité dans la sélection des fréquences.

Considérations de taille: les antennes de l'emplacement ont tendance à être plus grandes en raison de leur dépendance à une surface conductrice pour le fonctionnement.Cela peut être un facteur limitant pour les conceptions compactes.Les antennes dipolaires, en comparaison, sont généralement plus petites et plus légères, ce qui les rend plus faciles à intégrer dans des systèmes liés à l'espace.

Plage de fréquences: les antennes de l'emplacement fonctionnent efficacement entre 300 MHz et 30 GHz, couvrant un large spectre utilisé dans des applications à haute fréquence telles que la communication radar et satellite.Les antennes dipolaires, en revanche, fonctionnent mieux dans la gamme de 20 MHz à 2,2 GHz, ce qui les rend plus courantes dans les applications à faible fréquence comme la radiodiffusion FM et la communication à ondes courtes.

Applications des antennes de l'emplacement

Les antennes de l'emplacement sont largement utilisées dans diverses industries en raison de leur efficacité, de leur rayonnement directionnel et de leur adaptabilité.Vous trouverez ci-dessous quelques applications du monde réel:

Imagerie médicale:

Les antennes de machines à sous jouent un rôle clé dans les dispositifs de radiographie et de tomodensitométrie.Ils aident à capturer des signaux micro-ondes générés par le système, en garantissant des résultats d'imagerie précis.

Ils travaillent en conjonction avec des cristaux piézoélectriques, qui convertissent les signaux électriques en vibrations mécaniques à des fins d'imagerie.

Leur capacité à gérer un large éventail de fréquences assure des sorties de balayage précises et détaillées.

Communication par satellite:

Utilisé dans les plats par satellite pour la transmission du signal et la réception entre les satellites et les stations au sol.

La nature à haut gain des antennes de l'emplacement garantit une communication à longue distance efficace, cruciale pour le réseautage par satellite stable.

Ils aident à minimiser la perte de signal et à maximiser l'efficacité de la diffusion de télévision directe à domicile (DTH) et la transmission des données.

Systèmes radar:

Courant couramment dans la surveillance militaire, le contrôle du trafic aérien et la surveillance météorologique.

Leur modèle de rayonnement directionnel permet une détection et un suivi précis des objets.

Les techniques de polarisation avancées améliorent leur capacité à différencier les cibles et le bruit de fond.

Réseaux de capteurs sans fil (WSNS):

Intégré dans les appareils IoT et les réseaux sans fil industriels pour la collecte et la transmission de données transparentes.

Leur capacité à fonctionner efficacement sur de longues distances les rend idéaux pour des applications telles que la surveillance environnementale, le suivi des actifs et la communication de la grille intelligente.

Aérospatial et défense:

Installé dans des avions militaires, des satellites et des drones pour une communication sécurisée et résistante aux interférences.

Utilisé dans les systèmes de guerre électronique pour détecter, brouiller ou contrecarrer les signaux ennemis.

Monté sur des drones pour des missions de reconnaissance et de surveillance à faible risque.

Avantages des antennes de l'emplacement

Les antennes de créneaux offrent de multiples avantages qui en font un excellent choix pour de nombreux systèmes de communication sans fil:

Manipulation élevée de puissance: Contrairement aux antennes traditionnelles, les antennes de fente peuvent résister à des niveaux de puissance élevés sans surchauffe ni dégradation.Cette fonctionnalité est cruciale pour les applications nécessitant un fonctionnement continu sous transmission haute puissance.

Interférence minimale avec les antennes voisines: En raison de leur faible couplage mutuel, les antennes de fente peuvent être placées près des autres antennes sans provoquer une interférence significative.Ceci est particulièrement utile dans les systèmes multi-antennes, tels que les réseaux de radar et les réseaux satellites.

L'intégration dans les PCB et les cartes électroniques: les antennes de l'emplacement peuvent être directement intégrées dans les cartes de circuits imprimées (PCB), réduisant le besoin de composants d'antenne externe.Cela les rend idéaux pour les appareils électroniques compacts comme les modules de communication sans fil et les équipements médicaux portables.

Flexibilité et fiabilité: leur construction robuste et leur capacité à être intégrées dans des surfaces métalliques les rendent très durables dans des environnements extrêmes.Les antennes de l'emplacement sont largement utilisées dans les applications industrielles et militaires où la fiabilité est une exigence clé.

Conception rentable: la conception structurelle simple des antennes de machines à sous les rend plus abordables à la fabrication par rapport aux types d'antennes plus complexes.Leurs faibles exigences de maintenance réduisent encore les coûts opérationnels à long terme.

Inconvénients des antennes de l'emplacement

Malgré leurs avantages, les antennes de machines à sous ont également certaines limites qui devraient être prises en compte:

Poids plus lourd: Étant donné que les antennes à sous sont généralement intégrées dans des surfaces métalliques ou des guides d'ondes, ils peuvent être plus lourds par rapport aux antennes métalliques traditionnelles.Cela peut poser des défis dans les applications sensibles au poids, comme dans les petits drones ou les dispositifs de communication portables.

Efficacité du rayonnement plus faible: les antennes de l'emplacement ont tendance à avoir des pertes plus élevées en raison de leur conception, en particulier lorsqu'elles sont mises en œuvre dans des guides d'ondes à chargement diélectriques.Cela peut avoir un impact sur l'efficacité globale du système, nécessitant une puissance supplémentaire pour atteindre la force du signal souhaitée.

Problèmes de polarisation croisée: les antennes de l'emplacement peuvent présenter un degré élevé de polarisation croisée, ce qui peut entraîner une clarté du signal réduite dans certaines applications.Des considérations de conception minutieuses sont nécessaires pour minimiser les effets de polarisation indésirables, en particulier dans les systèmes de radar et de communication sensibles.

Impédance d'une antenne à fente

L'impédance d'une antenne à sous joue un rôle essentiel dans la définition de la distribution de tension et du comportement du champ électrique au sein de l'antenne.Cette impédance détermine à quel point les courants circulant efficacement autour de la fente contribuent au rayonnement.

Relation entre l'antenne de l'emplacement et l'impédance de l'antenne dipolaire

Figure 4. Impédance réelle et imaginaire des antennes de créneaux

L'impédance d'une antenne à sous est mathématiquement liée à l'impédance de son antenne dipolaire complémentaire.La relation est exprimée par la formule:

Où:

= Impédance de l'antenne de l'emplacement

= Impédance de l'antenne dipolaire complémentaire

= Impédance intrinsèque de l'espace libre (généralement ou environ 376,7Ω)

Exemple de calcul

Donné:

Impédance d'antenne dipolaire

Impédance intrinsèque de l'espace libre

Utilisation de la formule:

Remplacer les valeurs:

Ainsi, l'impédance de l'antenne de l'emplacement est d'environ 487Ω.

Comment l'impédance affecte l'atténuation

L'atténuation fait référence à la réduction de la force du signal lorsqu'elle se propage à travers un milieu.L'impédance d'une antenne influence l'atténuation en affectant l'efficacité de la transmission du signal.

Facteurs affectant l'atténuation

L'atténuation est influencée par:

Caractéristiques du milieu de transmission - Des matériaux comme l'air, les substances diélectriques ou les conducteurs affectent la perte de signal.

Fréquence du signal - Des fréquences plus élevées ont tendance à subir une plus grande atténuation.

Distance de propagation - Plus un signal se déplace loin, plus il perd d'énergie.

Obstacles dans le chemin - Les barrières physiques telles que les bâtiments, les arbres et les murs provoquent la réflexion, la diffraction et l'absorption.

Impact de l'impédance élevée

Une antenne à fente avec une impédance plus élevée améliore l'efficacité du signal en réduisant l'atténuation.Cela se produit parce que:

Il minimise la perte de puissance par les réflexions.

Il améliore l'appariement de l'impédance, conduisant à un meilleur transfert d'énergie.

Il réduit les interférences des obstacles en maintenant un signal plus fort.

Composants de champ d'une antenne à sous

Le principe de Babinet indique que les composantes de champ d'une antenne à fente et son antenne dipolaire complémentaire sont étroitement liées mais échangées.Cela signifie:

Le champ électrique (champ électronique) du dipôle correspond au champ magnétique (champ H) de l'antenne de la fente.

Le champ magnétique (champ H) du dipôle correspond au champ électrique (champ E) de l'antenne de la fente.

Pour les différencier, la notation est utilisée:

Les composants de champ d'antenne de l'emplacement sont représentés avec un indice "S".

Les composants de champ d'antenne dipolaire sont représentés avec un indice "C".

Équations des composants de champ

La relation entre les champs est donnée par:

Cela signifie que si vous connaissez la force du champ d'une antenne, vous pouvez calculer la force du champ de son antenne complémentaire.

Considérations clés

La polarisation est inversée entre les deux antennes.

Une bonne correspondance d'impédance est nécessaire pour maintenir l'efficacité.

Les caractéristiques directionnelles diffèrent, ce qui affecte leur utilisation dans des applications pratiques.

Exemples résolus

Exemple 1: composant de champ magnétique d'une antenne à sous

Donné:

Composant de champ électrique de l'antenne dipolaire:

Impédance intrinsèque de l'espace libre:

Utilisation de l'équation:

Remplacer les valeurs:

Ainsi, la composante de champ magnétique de l'antenne de l'emplacement est de -14,1 a / m.

Exemple 2: composant de champ électrique d'une antenne dipolaire

Donné:

Composant de champ magnétique de l'antenne à fente:

Impédance intrinsèque de l'espace libre:

Réorganiser l'équation pour résoudre pour :

Remplacer les valeurs:

Ainsi, le composant champ électrique de l'antenne dipolaire est de -5,7 × 10½ v / m.Le signe négatif indique la polarisation opposée entre les deux antennes.