FCC průmyslové systémy
+420 472 774 173
info@fccps.cz
Praha
Ústí nad Labem
Ostrava
Bratislava
PO - PÁ
8:00 - 16:00
E-shop
Banner rubrika 1
Jakou technologii SSD zvolit
Stabilní výkon SSD v nestabilních situacích napájení
Antimikrobiální ošetření Active Key inovace
Definice rozšířené teploty pro průmyslové paměti.
Synchronizace času - profesionální audio/video broadcasting
Kontrola barevného odstínu světlovodičů automobilového reflektoru
ATOP - průmyslové ethernetové switche, routery
CAN - stručný úvod
CAN FD - stručný úvod
Strojové učení strojového vidění
Pásma LTE/UMTS/EDGE/GSM používaná v České republice
PC Nexcom zlepšuje svážení odpadků
Průvodce výběrem vhodné gateway
Měřicí stanice pro záznam dat z průtokoměrů a měřičů hladin na modelu vodního díla
Teaming - redundantní Ethernet pod Windows
Kontrola sestavy čerpadla pro automobilový motor
Ochrana proti přepětí v kontextu průmyslové elektroniky - svodiče a galvanická izolace
Mobilní data v proudu času
Elektrická (smart) dálnice
Zajímavý výzkum na katedře měření ČVUT FEL
Stroj pro kontrolu kulových čepů
Příklady 3G a 4G modemů
Kontrolní zařízení pro kovové třmeny
Vizualizace výrobních dat, On-line reporting stavu výroby
Vizualizace výrobních dat, On-line zásobování Machinery a Assembly
Řídicí terminály pro biologické laboratoře
Londýnské metro je na špici ve získávání energie pro využití ve stanicích
Kontrola správného postupu ruční montáže chladiče klimatizační jednotky
Strojové vidění hlídá kvalitu v lakovně plechu
Kontrola plastového výlisku
PCI Express - mýty a fakta
Identifikace a kontrola přítomnosti krytu automobilového reflektoru ve stříkací lince
Stanice pro kontrolu sestavy konektoru
Kontrola 50 000 dílů za směnu
Antény pro WiFi - 1. část
Antény pro WiFi - 2. část
Základní přehled o technologii WiFi
Dodávané a podporované operační systémy pro PC

Antény pro WiFi - 1. část


Obsah

Obecné poznámky

Trocha teorie nikoho nezabije. Kdyžtak tuhle nudu přeskočte.

 

Úvodem - vlnění

Antény slouží k vysílání a příjmu elektromagnetického vlnění = k obousměrnému převodu mezi vlnami šířícími se volně prostorem (nesou energii) a elektrickým proudem+napětím v kovových strukturách a vysokofrekvenčních vedeních.

Záření v pásmu WiFi se chová podobně, jako světlo - ale má mnohem delší vlnovou délku, takže můžeme v našich lidských měřítkách stavět jednotlivé laděné prvky, pozorovat efekty fázování, skládání vln apod.

 

Základní zářiče, antény a soustavy

Základním anténním zářičem je λ/4 ("čtvrtvlnný") prut napájený asymetricky na konci, případně půlvlnný dipól napájený symetricky uprostřed.

 


Základní typy anténních zářičů

 

Pro optimální vazbu/přenos vysokofrekvenční energie (vlnění) mezi elektrickým proudem ve vodičích a elektromagnetickým polem v okolním prostoru je vhodné, aby zářič byl tzv. "laděný" - tzn. aby při známé "rychlosti světla" vznikala na žádané frekvenci na zářiči rezonující stojatá vlna. Rezonance zajistí, že se energie bude v zářiči akumulovat. Při vysílání bude dodávaná elektrická energie odpovídat výkonu vyzářenému do prostoru, ve směru příjmu to funguje obdobně.
V celém tomto povídání převážně pomineme, že pro optimální navázání "napájecího vedení" je třeba se snažit ještě také o dokonalé přizpůsobení VF impedance mezi napájecím vedením a anténní strukturou. Pokud Vás toto zajímá, pokračujte četbou pokročilejší literatury, případně si zkuste hrát se simulačním softwarem 4nec2 apod.

 

 
Elektrické a magnetické pole v těsném okolí λ/2 dipólu v rezonanci (napájen uprostřed)
(Klikněte na obrázek, pokud Vás zajímá celý screenshot 4nec2)

 

Vedle napájeného zářiče se používají další "pasivní" prvky.
Především reflektory různých druhů, od přesně tvarovaného parabolického talíře, přes síta a mříže, po tyč nebo drát o vhodné délce, vzdálenosti a shodné polarizaci s aktivním zářičem.
U antén typu Yagi (a dalších) se používají také pomocné pasivní zářiče, tzv. direktory - jsou laděné na užitečnou frekvenci a pomáhají směrovat vlnění / zvětšovat efektivní plochu antény / zvyšovat selektivitu a zisk. Vhodnou kombinací direktorů o mírně rozprostřených parametrech lze dosáhnout účinnosti antény v širším pásmu (na úkor špičkového zisku, oproti přesně laděné kanálové anténě).
V mikrovlnných pásmech se používají vlnovody = vlnění se vede volným prostorem v trubce, protože je to v těchto pásmech méně ztrátové, než vedení vodičem v koaxiálním kabelu. Případně je krátký vlnovod součástí jednotky zářiče v parabolické anténě...
Důležitou součástkou pro přizpůsobení impedance, odlaďování, kompenzaci charakteristiky apod. jsou rezonanční úseky kabelového vedení o přesné délce (obvykle λ/4 nebo λ/2) nebo i diskrétní kapacity a indukčnosti (v mikrovlnných pásmech málokdy). V plošných anténách pro mikrovlnné pásmo (leptaných na plošném spoji) se naopak často používají mikropáskové struktury, opět ve smyslu laděných úseků VF vedení. Kromě toho štěrbina v plechu se chová jako drát ve volném prostoru, kruhová výseč plechu má lepší jakost než prostý λ/4 pahýl apod.

Ohavná terminologická vysvětlivka: řekněme, že pojem anténa znamená aktivní zářič doplněný o další prvky (reflektor, direktory, kompenzační prvky). Antény se často řadí do anténních soustav - uvažujme zde pro jednoduchost paralelní kombinace shodných základních antén. Cílem paralelního řazení shodných antén je dosažení vyššího zisku, směrovosti, efektivní plochy (= různá vyjádření téhož), případně vhodnou volbou rozestupu antén v soustavě potlačení rušivého příjmu z konkrétního nežádoucího směru.
V mikrovlnných pásmech se často používají antény, které jsou ve skutečnosti konstruovány jako soustava několika sfázovaných aktivních zářičů ve společném pouzdru - toto se týká všech plochých a "dlouhých" antén, kde jeden či více mechanických rozměrů nápadně přesahuje vlnovou délku jmenovitého frekvenčního pásma. Konec terminologické vysvětlivky - zmatení čtenáře bylo učiněno zadost :-)

 

 


Anténní soustavy - uspořádání vs. směrovost; polarizace

 

Směrovost anténní soustavy vyplývá ze skládání vln od jednotlivých zářičů.

 


rozteč = λ/2

rozteč = 1 λ

rozteč = 2 λ

 

Dílčí příspěvky od jednotlivých zářičů se "slijí" do jediné rovinné vlny až poměrně daleko od zářičů, kolmo k ose rovinné anténní soustavy. Ve směrech mimo kolmici není soufázové "slití" dokonalé, vlny se všelijak navzájem odečítají.
Výsledkem je prostorový vyzařovací diagram s jedním ostře směrovým a ziskovým hlavním lalokem a mnoha maličkými postranními laloky (a ostrými minimy mezi nimi). Příklady najdete níže, u jednotlivých antén.
Směrovost diagramu a "ježatost" postranních laloků záleží na počtu zářičů a na šířkových rozestupech mezi zářiči v sestavě, v poměru k délce vlny užitečného signálu.

 

Co je to "zisk" antény (číslo v dB)

Číslo zvané zisk znamená vlastně poměr výkonu dané antény (v konkrétním směru, např. v maximu vyzařovacího diagramu) oproti výkonu, který vykazuje základní dipól, nebo oproti výkonu tzv. izotropního zářiče (= ideálně všesměrového).

Zisk se udává v logaritmické jednotce zvané deciBel (dB). Dvojnásobnému výkonu odpovídá zisk cca +3 dB, 10x výkon = +10 dB, 100x výkon = +20 dB. Převodní vzorec si odvoďte nebo zjistěte :-b

Ideální izotropní zářič v přírodě reálně neexistuje. Nejvíce se mu blíží vyzařovací diagram prostého dipólu, který ve svém maximu dosahuje zisku cca +2 dB (protože má také dvě ostrá minima). Důležitým parametrem jakékoli antény je jmenovitý zisk (= maximum v užitečném směru). Udává se buď v dBd (oproti dipólu), nebo v dBi (oproti izotropnímu zářiči). Při nákupu antén se v katalozích obvykle setkáte s údajem v dBi, protože je oproti dBd o 2 dB vyšší, tedy do katalogu vhodnější než dBd :-)

 

Bajka o zisku a směrovosti

 


Vztah mezi směrovostí a ziskem antény

 

Mějme dvě antény - jednu všesměrovou, druhou do jisté míry směrovou.
Za jinak stejných okolností, tzn. předpokládejme shodný přivedený elektrický výkon a dokonalé impedanční přizpůsobení napáječi (SWR=1).
Rozdíl mezi oběma anténami je v tom, do jakého prostorového úhlu vysílají přivedenou energii. Všesměrová anténa šíří energii rovnoměrně okolo sebe všemi směry. Směrová anténa vrhá výkon do určité omezené výseče okolního prostoru. Proto u směrové antény naměříme podobný dopadající výkon (na plochu) ve větší vzdálenosti od antény. Háček je v tom, že tento vysoký výkon dopadá jenom v určitém "rozsahu azimutů a elevací". Mimo tento hlavní směr je v ideálním případě tma.

Jinak řečeno, čím ziskovější anténa, tím ostřeji bude směrová. Pokud zvýšíte pro potřeby příjmu efektivní plochu paralelní kombinací několika antén, zvedne se Vám "zisk", ale zároveň se také zostří směrovost.

Udávaný "zisk" antény (a směrovost) funguje oběma směry: pro příjem i pro vysílání.

Z výše uvedeného plyne, že nemá smysl hnát se za jediným číslem, kterým je udávaný zisk.
V reálném nasazení obvykle potřebujeme pokrýt signálem určitou plochu nebo prostor (prostorový úhel). Samozřejmě se budeme snažit, aby anténa byla i v dalších ohledech kvalitní či vyhovující.
Při výběru antény tedy postupujeme takto:

  1. Především podle potřebného pokrytí plochy či prostoru (plus také vnitřní vs. venkovní použití) zvolíme provedení antény - panel, sektor, omni, směrová parabola apod.
  2. Pak přicházejí na řadu další kritéria - cena, energetická účinnost a šetrnost vůči rádiu (poměr stojatých vln), průběh parametrů napříč uvažovaným pásmem frekvencí/kanálů (kolísání SWR a prostorové "šilhání"), odolnost použitých materiálů a dílenské zpracování
  3. Pokud v prvním kole výběru zjistíte, že pro pokrytí uvažovaného prostoru nebude stačit jeden vysílač, tzn. že budete potřebovat síť vysílačů, rozdělte si prostor na menší úseky (nasvítitelné jednou anténou konkrétního typu) a pokračujte znovu v bodě 1) :-)

 

Odbočka ohledně vysílacího výkonu:
Patrně víte, že povolený vysílací výkon je 100 mW.
(Navíc všesměrovou anténou, ale do toho se radši zamotávat nebudeme.)
A asi taky víte, že některá WiFi rádia zvládají vyšší vysílací výkon, běžně 1W.
Tady je třeba říci: neslibujte si od zvýšeného výkonu zázraky. Jednak rádia na obou koncích budou mít podobné parametry (citlivost a šumový práh v RX směru), takže jednostranným zvýšením výkonu na AP získáte přinejlepším jednostranné zvýšení dosahu. Pozor, dopadající výkon klesá s druhou mocninou vzdálenosti (vlna má tvar rozpínající se kulové plochy), takže desetinásobný výkon znamená pouze cca trojnásobnou vzdálenost. V případě použití asymetrického vysílacího výkonu (AP/klient) budou klienti na okrajích ozářeného prostoru sice slyšet AP, ale AP nebude slyšet klienty. (Na rozdíl třeba od GSM/3G nemají základnová rádia WiFi o nic kvalitnější RX směr než rádia na klientech.) Komunikující stanice AP+klient se do jisté míry zvládne přizpůsobit slabšímu signálu snížením rychlosti, potažmo při asymetrickém výkonu bude rychleji klesat rychlost uplinku. Pokud je pásmo AP/klient vytíženo zhruba 50/50%, bude pomalejší uplink alokovat nepřiměřeně větší část "disponibilního vysílacího času" na sdíleném half-duplexním kanálu WiFi.

Sumárum kapitoly: neupínejte se na zvýšený vysílací výkon a nepátrejte po nadprůměrně ziskových anténách. Základní fyzika platí pro každého. Pokud potřebujete pokrýt velkou plochu nebo složitý/členitý prostor, zauvažujte o kombinaci několika AP. Případně lze jedno AP zařízení osadit několika rádii a více anténami, pokud dává smysl svítit z jednoho bodu několika anténami (například různými směry na různých kanálech).

 

Běžné typy antén pro wifi

V této kapitole najdete přibližný přehled trhu.

 

Kolik mm je λ na 2.4 a 5 GHz

Pokud budete zkoumat různé konstrukce WiFi antén, neškodí vědět, jaké vlastně vlnové délky odpovídají frekvencím v pásmech 2.4 a 5.4 GHz.
Tak tedy:

2.44 GHz : λ = 122 mm, λ/2 = 61 mm, λ/4 = 30 mm
5.5 GHz : λ = 55 mm, λ/2 = 27 mm, λ/4 = 13 mm

Výše uvedené vlnové délky platí ve vákuu a ve vzduchu.
Činitel zkrácení v kabeláži je 0.6 - 0.8.
V případě antén je počítání s vlnovými délkami trochu netriviální: jednak někde platí vlnová délka ve volném prostoru, jinde se uplatní činitel zkrácení, druhak se zářič s ostatními prvky (a zářiče v soustavě) navzájem ovlivňují apod. Kromě toho se v případě antény bavíme většinou o celém pásmu 2412-2484 MHz a 5180-5700 MHz, nikoli o jedné ostré frekvenci.

Potřebná šířka pásma u složitějších soustav více zářičů působí návrhový problém při kaskádním zapojení více článků laděných na Lambda/4 nebo Lambda/2 (transformátory impedance a fázovací vedení) - i malá odchylka od přesně naladěné frekvence znamená výrazné zhoršení vlastností antény (směrovost, zisk, PSV). Požadavek na širokopásmovost tedy anténnímu návrháři výrazně komplikuje zadání (svazuje mu ruce). Nejvyšším uměním je pak věda, co kde šikovně rozladit, aby měla anténa v celém pásmu alespoň trochu stálé parametry, třeba i za cenu mírně horšího špičkového zisku uprostřed pásma.

 

Prostý λ/4 prut (nebo λ/2 dipól) - malé příbalové bičíky

Základní čtvrtvlnný prut a půlvlnný dipól jsme nakousli výše.
Tyto dvě antény (vlastně holé zářiče) mají obě velmi podobnou vyzařovací charakteristiku ve tvaru toroidu či jablka:

 


Vyzařovací diagram dipólu (svislá polarizace) - trojrozměrné zobrazení

 

 


Svislá rovina

Vodorovná rovina (kolmá na osu prutu či dipólu)

 

Tvrdí se, že blízká zemní plocha vychýlí vyzařovací diagram prutu směrem šikmo vzhůru.

Obyčejný prut se vyskytuje snad jedině v podobě příbalových antének k levným indoorovým APčkům, kterým se v anglické literatuře běžně přezdívá "rubber duck". U AP v koncové ceně 300-500 Kč vč.DPH za celou soupravu včetně spínaného napájecího adaptéru bude čínský výrobce těžko kdovíjak řešit jakost antény. Dá si záležet pouze na vzhledově čistém provedení plastového krytu. Co je skryto uvnitř, skryto zrakům, to nikoho moc netrápí, a vlastně na tom není moc co vylepšovat. Zajímavé ovšem je, že délka mechanického pouzdra antény bývá násobně delší než λ/4, takže se jedná buď o matení zákazníka, nebo je uvnitř něco na způsobkolineární patrové soustavy, nebo je uvnitř pouzdra antény kus koaxu (prostého vedení), aby byl samotný zářič bezpečně "nad pouzdrem" ležícího APčka (u antének s kloubem).
Každopádně ve WiFi anténkách nehledejte zkracovací tlumivku na patě prutu (známou z nižších frekvencí), ta zde jaksi postrádá smysl - vzhledem k tomu, že pocitově bychom anténu oproti λ/4 naopak rádi prodloužili :-)

Jedna zajímavá konstrukce WiFi anténky je na obrázku níže: jedná se vlastně o vertikální půlvlnný dipól napájený uprostřed, kde jedno rameno dipólu je tvořeno kolineárním "rukávem", který uvnitř ukrývá napájecí koax (a snad i trochu transformuje impedanci + symetrii).

 


Miniaturní rukávová anténa pro WiFi (zdroj a další fotky)

 

Výhodou prutových antén o základní délce (λ/4) je jednak širokopásmovost (přesná délka není kritická), jednak všesměrovost i ve vertikálním směru.
Druhou stranou mince je nízký zisk.

V rámci vzhledové kategorie "rubber duck", vedle prašivých bičíků neurčité kvality pro neurčité pásmo, stojí za zvláštní pozornost jistá podmnožina antén, které se snaží fungovat dvoupásmově - těm věnuji samostatnou kapitolu na závěr.

V naší průmyslové branži se často setkáváme s požadavky na WiFi pro vozidlové použití. Pokud se týče antén, plastové výlisky z kategorie "rubber duck" (mechanicky nesené zastříknutým RSMA konektorem) velice trpí vibracemi a náhodným nechtěným ohýbáním. Plast s oblibou praská okolo mosazného RSMA zálisku.
Pro tyto situace jsme schopni nabídnout improvizovanou prutovou anténku vlastní výroby, v délce λ/4 nebo 3/4 λ, vyrobenou ze SMA konektoru a vnitřního vodiče kvalitního koaxu (teflonové dielektrikum). Je mechanicky odolná běžným vibracím, s trochou pečlivosti je odolná i lehčímu vandalismu (nejde vytrhnout holou rukou). "Hraje" srovnatelně jako příbalové plastové proutky. Možná by chtěla trochu optimalizovat na PSV-metru.

 


2.4 GHz λ/4 | 5 GHz λ/4 | 5 GHz 3/4 λ
Improvizované antény pro použití na skladových vozících

 

Dva kousky z modré licny (PVC izolace) jsou první prototypy.
PVC není zrovna dobré dielektrikum z hlediska VF vlastností, má zbytečně velký útlum.
Anténka vpravo je vyrobena z "duše" tenkého teflonového koaxu a měla by mít díky tomu trochu lepší vlastnosti (zisk).
Úplně nejlíp hraje holý drát (lépe zlacený) ve vzduchu (lépe ve vakuu), protože "nenosí tenké poloprůhledné brýle" z dielektrika o výrazně vyšší permitivitě. Vlna v blízkém okolí drátu v plastové izolaci "neví, jakou rychlostí se má vlastně šířit", čehož následkem je částečné rozladění antény (= nižší "jakost") a ztráta výkonu.
Bohužel holý drát není vůbec pružný = anténa by nebyla mechanicky odolná, což je nepraktické.
Popravdě řečeno, použité tavné lepidlo asi jako dielektrikum taky není nic moc, ale nic lepšího tady asi nevymyslíme.
Když si vezmu, jak tlustý plastový obal (z neurčitého materiálu) mají komerční levné bičíky, nechávají mne tyto úvahy vcelku chladným - správně dlouhý kus drátu i s izolací bude hrát podobně, možná líp.

Anténa o délce 3/4 λ má dva vyzařovací laloky vyosené o 45o od vodorovné roviny, vodorovně má ostré minimum. 

Pravda je, že to platí nejspíš jenom bez pořádné "protiváhy" (zemní plochy) = při montáži na kovovou skříň bude diagram i impedance vypadat trochu jinak. Pokud ale ten diagram aspoň trochu odpovídá, mohlo by se jednat o optimální zářič do továrních hal apod., kde APčka visí u stropu a klienti jezdí kdesi hluboko pod nimi po podlaze.
Simulace tohoto konkrétního provedení s RSMA konektorem na 5 GHz také naznačují, že by mohla mít dobré přizpůsobení k 50ohmovému napáječi - ale realita změřená PSV-metrem může být méně příznivá. Impedanci totiž ovlivňují přesné rozměry konektoru a zářiče (kromě délky také průměry, vzdálenosti a dielektrika) a např. na 2.4 GHz mi "třičtvrtěvlna" v simulcích vycházela kupodivu o dost horší...
Je tedy zároveň otázkou, nakolik byl můj model ve 4nec2 přesný - model ve starožitném NECu se skládá z drátů, nejsou k dispozici kovové plochy (rovinné / válcové / kulové atd.), nelze modelovat špalky a vrstvy dielektrika. Hodil by se simulátor EM pole naroubovaný na 3D "solid geometry" modeler. Takhle nakreslit to ve Sketchupu a pak v externím toolu jenom dodefinovat napájení apod. a spočítat pole - to by bylo žůžo.

 

Quad

Pokud trochu chápete čtvrtvlnný prut a půlvlnný dipól, při prvním pohledu na Quad budete patrně vraštit čelo. Základní Quad je vlastně celovlnná anténa, vzniklá sériovým zapojením čtyř λ/4 úseků. Ve WiFi pásmech jsou ale k vidění spíš plošné kombinace dvou nebo čtyř quadů, zvané biquad a quadro-quad. Oproti základnímu Quadu mají větší efektivní plochu, tedy vyšší zisk a směrovost - přitom se poměrně snadno napájejí v jediném středovém bodě.

 


Quad a jeho násobci

 

 


Vyzařovací diagram biquadu s minimalistickým tyčovým reflektorem
(vodorovná polarizace) - trojrozměrné zobrazení

 

 


Svislá rovina

Vodorovná rovina

 

Zářiče z rodiny Quad jsou základem některých panelových a sektorových antén pro WiFi pásma.

Možná někde potkáte zmínky o hybridu mezi Quadem a Yagi, který se jmenuje Quagi... na WiFi pásmech jsem ho nepotkal.

 

Patch

Slovo "patch" znamená v angličtině záplatu na kalhotách, nebo třeba záhonek či přirozený trs nějakých kytiček, nebo prostě něco čtvercového.

A "patch antenna" je vlastně přesně totéž - kus čtvercového plechu o hraně λ/2, který ladí na určité frekvenci.
Ten kus plechu bývá předsazený ve vhodné vzdálenosti (λ/6 ?) před kovovou plochou, která slouží jako reflektor nebo "protiváha".
Napáječ je připojen v místě, které je vhodné z hlediska impedančního přizpůsobení - obvykle kousek od středu čtvercového zářiče. Napáječ je obvykle prostrčený zezadu dírou v základní reflektorové desce.
Druhou možností je napájení na hraně čtverce.

 


Patch anténa - náčrtek řezu (zdroj)

 

 


Patch anténa - napájení "kousek mimo střed" (zdroj)

 

 


Patch anténa - napájení "na hraně" (zdroj)

 

Patch antény se tradičně používají pro příjem GPS (1575 MHz). Jedná se obvykle o miniaturizovaná provedení s keramickým dielektrikem o vysoké permitivitě - vychází mocný činitel zkrácení, díky čemuž anténa ladí při mnohem menších rozměrech (má ovšem také menší efektivní plochu a zisk).

 


Patch antény - miniaturní keramické pro GPS (zdroj)

 

Patch anténa s jediným zářičem není na WiFi pásmech běžně k vidění, ale plošné elementy typu "patch" leptané v rozsáhlých soustavách na plošném spoji jsou základem mnoha typů panelových a sektorových antén.

 

Yagi

 


WiFi Yagi značky Hwayotek

 

Antána známá jako Yagi, Uda-Yagi, nebo taky "televizní hrábě", je populární především v nižších frekvenčních pásmech - řekněme o 100 do 900 MHz.

Na WiFi pásmech je Yagi konstrukčně snad až zbytečně složitá a náročná na přesnost, také její symetrické napájení znamená trochu problém. Jsou k vidění WiFi antény pro pásmo 2.4 GHz - půlvlnný dipól a direktory tady vycházejí dlouhé řádově 6 cm, což je ještě konstrukčně zvladatelné...

Yagiho anténa se skládá z aktivního zářiče, kterým je dipól, nejčastěji půlvlnný skládaný, většího počtu "direktorů", což jsou pasivní (nenapájené) dipólky, které svou rezonancí pomáhají koncentrovat energii na hlavní napájený prvek - a poslední elektricky významnou součástkou je případně reflektor, který jednak pomáhá soustřeďovat energii ze žádaného "předního" směru, druhak zamezuje příjmu ze "zadního" směru. Nosné ráhno by mělo být elektricky neutrální.

Zvláštností Yagiho antény je její protáhlý tvar a vyzařovací lalok rovnoběžný s dlouhou osou antény. Všimněte si, že ostatní konstrukce vysoce ziskových antén a soustav mívají maximum vyzařovacího diagramu kolmé na delší rozměr antény (nebo na plochu).

 


Ilustrační obrázek - náčrtek Yagi pro pásmo 145 MHz
(
Zdroj a vynikající další čtení)

 

 

Omni = patrové kolineární všesměrové soustavy

Poměrně běžným typem antén jsou tzv. "všesměrové" tyče - běžně označované též jako "omni" (omni-directional).

 


Všesměrová anténa - 5 GHz, 8 dBi, svislý vyzařovací úhel 12o, PSV < 1,5
(Zdroj)

 

Všimněte si, že jsou několikanásobně delší než je vlnová délka v jejich jmenovitém pásmu. To proto, že se ve skutečnosti jedná o patrové kombinace několika vertikálních zářičů. A protože je žádána všesměrová charakteristika v horizontální rovině, nelze vést napájecí vedení "oklikou" mimo osu zářičů - anténu je tedy třeba napájet "souose".
Ohledně napájení jednotlivých zářičů jsou dvě možnosti: buď souosým vedením, umístěným uprostřed zářičů - nebo sériovým zapojením s volnou vazbou konců zářičů mezi sebou. Reálně se často jedná o "něco mezi".

 

V rámci shánění informací jsem si ve 4nec2 namodeloval jednoduchou patrovou sestavu s osmi shodnými zářiči, kde jednotlivé zářiče jsou napájeny uprostřed a navzájem spřaženy paralelně.
Propoje jsou řešeny ideálním laděným vedením o délce λ nebo λ/2, které má tu vlastnost, že přesně 1:1 kopíruje impedanci mezi oběma konci vedení. Čili chová se jako přímý propoj. = Trochu jsem si to zjednodušil...
Zkusil jsem dvě varianty: se středovou roztečí zářičů λ/2 nebo 1 λ. Simulace víceméně potvrdila, co už víme: že menší rozteč zářičů dává širší vyzařovací úhel (hlavní lalok).

 


Středová rozteč zářičů = 1 λ

Středová rozteč zářičů = λ/2
Vyzařovací diagram kolineární patrové kombinace - trojrozměrné zobrazení (polarizace je vertikální)

 

 


Středová rozteč zářičů = 1 λ

Středová rozteč zářičů = λ/2
Vyzařovací diagram kolineární patrové kombinace - svislá rovina

 

 


Středová rozteč zářičů = 1 λ

Středová rozteč zářičů = λ/2
Vyzařovací diagram kolineární patrové kombinace - horizontální rovina

 

Z diagramů jistě chápete, jak je to vlastně s tou "všesměrovostí" u dlouhých a ziskových "omni" antén. Tyhle antény jsou všesměrové a ziskové jenom ve vodorovné rovině, ve svislém směru mají ostré maximum v rovině kolmé na osu antény. Pod svícnem je tma - pod svícnem potenciálně široko daleko.

U některých antén výrobci udávají, že vyzařovaný "talíř" není rovinný, ale že je vykloněný k zemi. Trochu jsem si pohrál s ideální délkou napájecích fázovacích vedení... po těchto experimentech mi není jasné
1) zda má anténa taky slušný zisk (protože mně se ho u "vykloněných" = naschvál rozfázovaných variant nepodařilo vyšroubovat) a
2) jak se vyzařovací diagram mění podle frekvence.

Totiž jedna věc, která naopak funguje zřejmě stoprocentně, je "šilhání" antény podle frekvence.

 


Šilhání antény podle přesné frekvence

 

Z animace plyne, že vyzařovací diagram nevypadá v celém pásmu stejně. Někteří výrobci antén tvrdí, že jejich antény nešilhají - což nezní moc věrohodně. "Nešilhání" by se dalo dosáhnout jedině tak, že by jednotlivé prvky byly napájeny shodně dlouhými úseky vedení, skutečně paralelními, z jednoho společného zdroje signálu - což dále předpokládá širokopásmovou transformaci impedance, bez použití úseků laděných délkou (obvykle λ/4). Toto vše je výrobně složité, u levných antén to nezní pravděpodobně.

Mimochodem... takhle vypadá "blízké" magnetické pole zmíněné modelové antény:

 


Magnetické pole osmipatrové kolineární antény
(zářiče o délce λ/2, středová rozteč 1 λ)

 

Ne že by ten duhový obrázek byl k něčemu užitečný, ale je krásný :-)

Uveďme si ještě pár praktických konstrukcí kolineárních všesměrových antén pro wifi.
Asi nejpopulárnější konstrukcí je anténa z nastříhaných čtvrtvlnných úseků koaxiálního kabelu, které se sletují tak, aby se prostřídal středový vodič a stínění. Kupodivu se zdá, že kromě amatérských antén tuto konstrukci používá i řada komerčních produktů.

 


Kolineární anténa z nastříhaného koaxu, patra λ/4,
vazba prokřížením středového vodiče se stíněním
(Zdroj: Google "collinear omni")

 

Další možností je, vyrobit celou anténu z kusu drátu, kde jednotlivá "patra" jsou oddělena/navázána závitem na drátu.

 


Drátová kolineární anténa, patra 3/4 λ, vazba mezi "patry" závitem drátu
(Zdroj)

 

Zajímavá je také "hrníčková" konstrukce. Představte si půlvlnný skládaný dipól, který extrudujete kolem delší osy. Vznikne "dvojhrnek", jehož středem lze ještě protáhnout napájecí vodič. Dvojhrnky se dají řetězit do patrové kombinace.

 

 
"Hrníčková" kolineární anténa, patra λ/2, vazba mezi patry volným koaxiálním drátem
(Zdroj)

 

To jsou tři varianty vnitřního provedení patrové omni kombinace.
Reálně když kupujete anténu tohoto typu, vidíte jenom vnější plastový tubus - co je uvnitř, to obvykle zjistíte jedině pitvou.

 

Pokračování.

Eshop
Youtube
Magazín
Kalalog
Kalalog
FCC průmyslové systémy


Již 20 let na českém trhu

FCC průmyslové systémy je technicko – obchodní společností, zastupující významné výrobce v oblasti průmyslové automatizace a telekomunikační techniky. V oblasti průmyslové automatizace zahrnuje naše nabídka spektrum sahající od senzorových systémů přes průmyslové sběrnice a průmyslové komunikace po průmyslové výpočetní, řídicí a dispečerské systémy na bázi specializovaných PC. Naší významnou specializací jsou systémy pro strojové vidění využívané v oblasti výrobní automatizace a kontroly kvality. Spolupracujeme s nejvýznamnějšími světovými dodavateli průmyslové výpočetní techniky a komunikací z Evropy a Asie a disponujeme i vlastním vývojovým a konstrukčním zázemím včetně vývoje softwaru.

up