אנטנה היא מכשיר המשמש כממשק בין מעגל חשמלי לחלל, שנועד לשדר ולקלוט גלים אלקטרומגנטיים בטווח תדרים מסוים בהתאם לגודלו ולצורתו. הוא עשוי מתכת, בעיקר נחושת או אלומיניום, אנטנות שידור יכולות להמיר זרם חשמלי לקרינה אלקטרומגנטית ולהיפך. כל מכשיר אלחוטי מכיל לפחות אנטנה אחת.
גלי רדיו ברשת אלחוטית
כאשר מתעורר הצורך בתקשורת אלחוטית, יש צורך באנטנה. יש לו את היכולת לשלוח או לקבל גלים אלקטרומגנטיים כדי לתקשר במקום שבו לא ניתן להתקין מערכת קווית.
האנטנה היא מרכיב המפתח של טכנולוגיה אלחוטית זו. גלי רדיו נוצרים בקלות ונעשה בהם שימוש נרחב לתקשורת פנימית וחיצונית כאחד, בשל יכולתם לעבור דרך מבנים ולעבור מרחקים ארוכים.
תכונות עיקריות של אנטנות שידור:
- מכיוון ששידור הרדיו הוא כל-כיווני, הצורך בהתאמה פיזיתנדרשים משדר ומקלט.
- תדר גלי הרדיו קובע מאפייני שידור רבים.
- בתדרים נמוכים, גלים יכולים לעבור בקלות דרך מכשולים. עם זאת, הכוח שלהם יורד עם הריבוע ההפוך של המרחק.
- גלים בתדר גבוה יותר נוטים להיקלט והם משתקפים על מכשולים. בשל טווח השידור הארוך של גלי רדיו, הפרעה בין שידורים היא בעיה.
- ברצועות VLF, LF ו-MF, התפשטות הגלים, הנקראים גם גלי קרקע, עוקבת אחר העקמומיות של כדור הארץ.
- טווחי השידור המרביים של גלים אלה הם בסדר גודל של כמה מאות קילומטרים.
- אנטנות שידור משמשות לשידורים ברוחב פס נמוך כגון שידורי אפנון משרעת (AM).
- שידורי פס HF ו-VHF נספגים באטמוספירה הסמוכה לפני כדור הארץ. עם זאת, חלק מהקרינה, המכונה גל שמיים, מתפשט כלפי חוץ ומעלה לעבר היונוספירה באטמוספרה העליונה. היונוספירה מכילה חלקיקים מיוננים שנוצרו מקרינת השמש. חלקיקים מיוננים אלה משקפים גלי שמיים בחזרה לכדור הארץ.
הפצת גל
- התפשטות קו הראייה. בין כל שיטות ההפצה, זו הנפוצה ביותר. הגל עובר את המרחק המינימלי שניתן לראות בעין בלתי מזוינת. לאחר מכן, עליך להשתמש במשדר של המגבר כדי להגביר את האות ולשדר אותו שוב. התפשטות כזו לא תהיה חלקה אם יש מכשול כלשהו בנתיב ההולכה שלו.שידור זה משמש לשידורי אינפרא אדום או מיקרוגל.
- התפשטות גלי קרקע מאנטנת שידור. התפשטות הגל לקרקע מתרחשת לאורך קו המתאר של כדור הארץ. גל כזה נקרא גל ישיר. הגל לפעמים מתכופף בגלל השדה המגנטי של כדור הארץ ופוגע במקלט. אפשר לקרוא לגל כזה גל מוחזר.
- גל המתפשט באטמוספירה של כדור הארץ ידוע בשם גל כדור הארץ. הגל הישיר והגל המוחזר נותנים יחדיו אות בתחנת הקליטה. כאשר הגל מגיע למקלט, ההשהיה נעצרת. בנוסף, האות מסונן כדי למנוע עיוות והגברה ליציאה ברורה. גלים משודרים ממקום אחד ושם הם נקלטים על ידי אנטנות מקלט משדר רבות.
מערכת קואורדינטות למדידת אנטנה
כאשר מסתכלים על דגמים שטוחים, המשתמש יתעמת עם אינדיקטורים של אזימוט המישור וגובה מישור הדפוס. המונח אזימוט מופיע בדרך כלל ביחס ל"אופק" או "אופקי", בעוד שהמונח "גובה" מתייחס בדרך כלל ל"אנכי". באיור, מישור ה-xy הוא מישור האזימוט.
דפוס המישור האזימוטלי נמדד כאשר מדידה נעשית על ידי הזזת מישור ה-xy כולו סביב אנטנת מקלט המשדר הנבדקת. מישור גובה הוא מישור אורתוגונלי למישור xy, כמו מישור yz. תוכנית הגובה מעבירה את כל מטוס ה-yz מסביב לאנטנה הנבדקת.
דגימות (אזימוטים וגבהים) מוצגות לעתים קרובות כחלקות בקוטבקואורדינטות. זה נותן למשתמש את היכולת לדמיין בקלות כיצד האנטנה מקרינה לכל הכיוונים, כאילו היא כבר "מחודדת" או מותקנת. לפעמים זה שימושי לצייר דפוסי קרינה בקואורדינטות קרטזיות, במיוחד כאשר ישנן מספר אונות צד בדפוסים ובמקומות שבהם רמות האונות הצידיות חשובות.
מאפייני תקשורת בסיסיים
אנטנות הן מרכיבים חיוניים בכל מעגל חשמלי שכן הן מספקות את החיבור בין משדר לחלל פנוי או בין שטח פנוי למקלט. לפני שמדברים על סוגי האנטנות, אתה צריך לדעת את המאפיינים שלהן.
Antenna Array - פריסה שיטתית של אנטנות שעובדות יחד. האנטנות הבודדות במערך הן בדרך כלל מאותו סוג וממוקמות בסמיכות, במרחק קבוע זו מזו. המערך מאפשר להגביר את הכיווניות, השליטה באלומות הקרינה הראשיות ואלומות הצד.
כל האנטנות הן רווח פסיבי. רווח פסיבי נמדד ב-dBi, הקשור לאנטנה איזוטרופית תיאורטית. מאמינים שהוא מעביר אנרגיה באופן שווה לכל הכיוונים, אך אינו קיים בטבע. הרווח של אנטנה אידיאלית של חצי גל דיפול הוא 2.15 dBi.
EIRP, או ההספק האיזוטרופי המקביל של אנטנת שידור, הוא מדד להספק המקסימלי שאנטנה איזוטרית תיאורטית תקרין בכיווןרווח מקסימלי. EIRP לוקח בחשבון את ההפסדים מקווי חשמל ומחברים וכולל את הרווח בפועל. EIRP מאפשר לחשב עוצמת שדה אמיתית אם הרווח והספק המוצא בפועל של המשדר ידועים.
עלייה באנטנה במסלול
זה מוגדר כיחס בין רווח ההספק בכיוון נתון להגברת ההספק של אנטנת הייחוס באותו כיוון. נוהג מקובל להשתמש ברדיאטור איזוטרופי כאנטנת הייחוס. במקרה זה, פולט איזוטרופי יהיה חסר אובדן, ישדר את האנרגיה שלו באותה מידה לכל הכיוונים. המשמעות היא שהרווח של רדיאטור איזוטרופי הוא G=1 (או 0 dB). מקובל להשתמש ביחידת dBi (דציבלים ביחס לרדיאטור איזוטרופי) להגבר ביחס לרדיאטור איזוטרופי.
הרווח, מבוטא ב-dBi, מחושב באמצעות הנוסחה הבאה: GdBi=10Log (GNumeric / GISotropic)=10Log (GNumeric).
לפעמים דיפול תיאורטי משמש כאסמכתא, לכן יחידת dBd (דציבלים ביחס לדיפול) תשמש לתיאור ההגברה ביחס לדיפול. בלוק זה משמש בדרך כלל כשמדובר בהגברת אנטנות כל-כיווניות עם רווח גבוה יותר. במקרה זה, הרווח שלהם גבוה יותר ב-2.2 dBi. אז אם לאנטנה יש רווח של 3 dBu, הרווח הכולל יהיה 5.2 dBi.
3 dB beamwidth
רוחב האלומה הזה (או חצי רוחב אלומת הספק) של האנטנה מצוין בדרך כלל עבור כל אחד מהמישורים הראשיים. רוחב האלומה של 3 dB בכל מישור מוגדר כזווית בין נקודות האונה הראשיות המופחתות מההגברה המקסימלית ב-3 dB. רוחב אלומה 3 dB - הזווית בין שני הקווים הכחולים באזור הקוטב. בדוגמה זו, רוחב האלומה של 3 dB במישור זה הוא כ-37 מעלות. לאנטנות ברוחב אלומה רחבה יש בדרך כלל הגבר נמוך, בעוד שלאנטנות ברוחב אלומה צר יש הגבר גבוה יותר.
לפיכך, אנטנה שמפנה את רוב האנרגיה שלה לתוך אלומה צרה, במישור אחד לפחות, תהיה בעלת רווח גבוה יותר. היחס מלפנים לאחור (F/B) משמש כמדד לזכות המנסה לתאר את רמת הקרינה מהחלק האחורי של אנטנה כיוונית. בעיקרון, היחס מלפנים לאחור הוא היחס בין רווח השיא בכיוון קדימה לרווח 180 מעלות מאחורי השיא. כמובן, בסולם DB, היחס מלפנים לאחור הוא פשוט ההבדל בין הרווח שיא קדימה לבין הרווח 180 מעלות מאחורי השיא.
סיווג אנטנה
ישנם סוגים רבים של אנטנות ליישומים שונים כגון תקשורת, מכ ם, מדידה, הדמיית פולסים אלקטרומגנטיים (EMP), תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ועוד. חלקן מיועדות לפעול בפסי תדר צרים, בעוד אחריםנועד לפלוט/לקבל פולסים חולפים. מפרטי אנטנת שידור:
- מבנה הפיזי של האנטנה.
- רצועות תדרים.
- מצב אפליקציה.
להלן סוגי האנטנות בהתאם למבנה הפיזי:
- wire;
- צמצם;
- reflective;
- עדשת אנטנה;
- microstrip אנטנות;
- אנטנות מאסיביות.
להלן סוגי אנטנות השידור בהתאם לתדירות הפעולה:
- תדר נמוך מאוד (VLF).
- תדר נמוך (LF).
- תדר אמצע (MF).
- תדר גבוה (HF).
- תדר גבוה מאוד (VHF).
- Ultra High Frequency (UHF).
- תדר סופר גבוה (SHF).
- גל מיקרוגל.
- גלי רדיו.
להלן אנטנות משדרות וקליטות בהתאם למצבי יישום:
- חיבור מנקודה לנקודה.
- יישומי שידור.
- תקשורת מכ"ם.
- תקשורת לווין.
תכונות עיצוב
אנטנות שידור יוצרות קרינת תדר רדיו שמתפשטת בחלל. אנטנות קליטה מבצעות את התהליך ההפוך: הן קולטות קרינת תדר רדיו וממירות אותה לאותות הרצויים, כגון צליל, תמונה באנטנות משדרות טלוויזיה וטלפון נייד.
הסוג הפשוט ביותר של אנטנה מורכב משני מוטות מתכת ומכונה דיפול. אחד הסוגים הנפוצים ביותר הואאנטנה מונופול המורכבת ממוט המוצב אנכית ללוח מתכת גדול המשמש כמישור הארקה. הרכבה על רכבים היא בדרך כלל מונופול וגג המתכת של הרכב משמש כקרקע. עיצוב אנטנת השידור, צורתה וגודלה קובעים את תדר הפעולה ומאפייני קרינה אחרים.
אחת התכונות החשובות של אנטנה היא הכיוון שלה. בתקשורת בין שתי מטרות קבועות, כמו בתקשורת בין שתי תחנות שידור קבועות, או ביישומי מכ ם, נדרשת אנטנה להעברת אנרגיית השידור ישירות למקלט. לעומת זאת, כאשר המשדר או המקלט אינם נייחים, כמו בתקשורת סלולרית, נדרשת מערכת לא כיוונית. במקרים כאלה נדרשת אנטנה כל-כיוונית שמקבלת את כל התדרים באופן אחיד לכל כיווני המישור האופקי, ובמישור האנכי הקרינה לא אחידה וקטנה מאוד, כמו אנטנת משדר HF.
שידור וקבלה של מקורות
המשדר הוא המקור העיקרי לקרינת RF. סוג זה מורכב ממוליך שעוצמתו משתנה לאורך זמן וממיר אותו לקרינת תדר רדיו המתפשטת בחלל. אנטנת קליטה - מכשיר לקליטת תדרי רדיו (RF). הוא מבצע את השידור ההפוכה שמבצע המשדר, קולט קרינת RF, ממיר אותה לזרמים חשמליים במעגל האנטנה.
תחנות שידור טלוויזיה ורדיו משתמשות באנטנות שידור כדי לשדר סוגים מסוימים של אותות שעוברים באוויר. אותות אלו מזוהים על ידי אנטנות קליטה, הממירות אותם לאותות ונקלטים על ידי מכשיר מתאים כגון טלוויזיה, רדיו, טלפון נייד.
אנטנות קליטה של רדיו וטלוויזיה מיועדות לקליטת קרינת תדר רדיו בלבד ואינן מייצרות קרינת תדר רדיו. למכשירי תקשורת סלולריים, כגון תחנות בסיס, משחזרים וטלפונים ניידים, יש אנטנות שידור וקליטות ייעודיות הפולטות אנרגיית תדר רדיו ומשרתות רשתות סלולריות בהתאם לטכנולוגיות של רשתות תקשורת.
הבדל בין אנטנה אנלוגית ודיגיטלית:
- לאנטנה האנלוגית יש רווח משתנה ופועלת בטווח של 50 ק"מ עבור DVB-T. ככל שהמשתמש רחוק יותר ממקור האות, כך האות גרוע יותר.
- כדי לקבל טלוויזיה דיגיטלית - המשתמש מקבל תמונה טובה או תמונה בכלל. אם הוא רחוק ממקור האות, הוא לא מקבל שום תמונה.
- האנטנה הדיגיטלית המשדרת כוללת מסננים מובנים להפחתת הרעש ולשיפור איכות התמונה.
- האות האנלוגי נשלח ישירות לטלוויזיה, בעוד שהאות הדיגיטלי צריך להיות מפענח תחילה. זה מאפשר לך לתקן שגיאות כמו גם נתונים כמו דחיסת אות עבור תכונות נוספות כמו ערוצים נוספים, EPG, טלוויזיה בתשלום,משחקים אינטראקטיביים וכו'
משדרי דיפול
אנטנות דיפול הן הסוג הכיווני הנפוץ ביותר ומפיצות אנרגיית תדר רדיו (RF) 360 מעלות אופקית. התקנים אלה מתוכננים להיות בעלי תהודה בחצי או רבע אורך גל מהתדר המופעל. זה יכול להיות פשוט כמו שני אורכי חוט, או שהוא יכול להיות מובלע.
Dipole נמצא בשימוש ברשתות ארגוניות רבות, במשרדים קטנים ובשימוש ביתי (SOHO). יש לו עכבה אופיינית להתאים אותו למשדר להעברת כוח מקסימלית. אם האנטנה והמשדר לא תואמים, יתרחשו השתקפויות על קו השידור, מה שידרדר את האות או אפילו יפגע במשדר.
פוקוס מכוון
אנטנות כיווניות ממקדות את הכוח המוקרן לתוך אלומות צרות, ומספקות רווח משמעותי בתהליך זה. גם תכונותיו הדדיות. המאפיינים של אנטנת שידור, כגון עכבה ורווח, חלים גם על אנטנת קליטה. זו הסיבה שניתן להשתמש באותה אנטנה גם כדי לשלוח וגם לקבל אות. הרווח של אנטנה פרבולית כיוונית גבוהה משמש להגברת אות חלש. זו אחת הסיבות לכך שהם משמשים לעתים קרובות לתקשורת למרחקים ארוכים.
אנטנה כיוונית נפוצה היא מערך יאגי-אודה הנקרא יאגי. זה הומצא על ידי Shintaro Uda ועמיתו Hidetsugu Yagi בשנת 1926. אנטנת יאגי משתמשת במספר אלמנטים כדייצירת מערך מכוון. אלמנט מונע אחד, בדרך כלל דיפול, מפיץ את אנרגיית ה-RF, האלמנטים מיד לפני ומאחורי האלמנט המונע מקרינים מחדש את אנרגיית ה-RF פנימה ומחוץ לפאזה, מגבירים ומאטים את האות בהתאמה.
יסודות אלה נקראים יסודות טפיליים. האלמנט מאחורי העבד נקרא רפלקטור והאלמנטים שלפני העבד נקראים במאים. לאנטנות יאגי יש רוחב אלומה הנעים בין 30 ל-80 מעלות ויכולות לספק יותר מ-10 dBi של רווח פסיבי.
האנטנה הפרבולית היא הסוג המוכר ביותר של אנטנה כיוונית. פרבולה היא עקומה סימטרית, ורפלקטור פרבולי הוא משטח המתאר עקומה במהלך סיבוב של 360 מעלות - צלחת. אנטנות פרבוליות משמשות לקישורים למרחקים ארוכים בין מבנים או אזורים גיאוגרפיים גדולים.
רדיאטורים חתכים למחצה
אנטנת התיקון היא רדיאטור חצי כיווני המשתמש בפס מתכת שטוח המותקן מעל הקרקע. קרינה מחלקה האחורי של האנטנה נחתכת ביעילות על ידי מישור ההארקה, ומגבירה את הכיוון קדימה. סוג זה של אנטנה ידוע גם כאנטנת מיקרו-סטריפ. לרוב הוא מלבני ומעטוף במארז פלסטיק. ניתן לייצר אנטנה מסוג זה בשיטות PCB סטנדרטיות.
לאנטנת התיקון יכולה להיות רוחב אלומה בין 30 ל-180 מעלות ורווח טיפוסי הוא 9 dB. אנטנות חתך הן סוג נוסף של אנטנה חצי כיוונית. אנטנות מגזריות מספקות תבנית קרינה מגזרית ומותקנות בדרך כלל במערך. רוחב האלומה של אנטנת מגזר יכול לנוע בין 60 ל-180 מעלות, כאשר 120 מעלות הם אופייניים. במערך מחולק, האנטנות מותקנות קרוב זו לזו, ומספקות כיסוי מלא של 360 מעלות.
הכנת אנטנת יאגי-אודה
בעשורים האחרונים, אנטנת יאגי-אודה נראתה כמעט בכל בית.
ניתן לראות שיש במאים רבים להגברת הכיוון של האנטנה. המזין הוא דיפול מקופל. רפלקטור הוא אלמנט ארוך שיושב בקצה מבנה. יש להחיל את המפרטים הבאים על אנטנה זו.
| Element | מפרט |
| אורך רכיב נשלט | 0.458λ עד 0.5λ |
| אורך רפלקטור | 0, 55λ - 0.58λ |
| משך הבמאי 1 | 0.45λ |
| אורך במאי 2 | 0.40λ |
| משך הבמאי 3 | 0.35λ |
| מרווח בין דירקטורים | 0.2λ |
| רפלקטור למרחק בין דיפולים | 0.35λ |
| מרחק בין דיפולים למנהל | 0.125λ |
להלן היתרונות של אנטנות Yagi-Uda:
- רווח גבוה.
- מיקוד גבוה.
- טיפול ותחזוקה קלים.
- פחות אנרגיה מבוזבזת.
- כיסוי תדר רחב יותר.
להלן החסרונות של אנטנות יאגי-אודה:
- נוטה לרעש.
- נוטה להשפעות אטמוספריות.
אם מקיימים את המפרטים לעיל, ניתן לעצב את אנטנת Yagi-Uda. תבנית הכיוון של האנטנה יעילה מאוד, כפי שמוצג באיור. האונות הקטנות מדוכאות והכיווניות של הקצב הראשי מוגברת על ידי הוספת במאיות לאנטנה.
