česky english Vítejte, dnes je pondělí 14. červen 2021

Účinnost vyzařování: měření skutečné výkonnosti antény

Anténa je elektrická součást potřebná k vysílání a příjmu elektromagnetické energie z okolního prostoru sloužící k vytvoření bezdrátového spojení mezi dvěma nebo více zařízeními. Nabídka přístrojů využívajících bezdrátovou komunikaci je obrovská, jedná se např. o mobilní telefony, základnové stanice a bezdrátové připojení k místním sítím (WLAN). Vzhledem k mnoha typům přístrojů využívajících antény jsou potřebné a dostupné různé typy antén. Výkonnost antény je obecně charakterizována několika základními parametry, jakými jsou účinnost a zisk. V tomto článku představíme tyto základní charakteristiky antény a jejich definice.

Antény mají mnoho různých vlastností a typ požadované antény závisí na mnoha parametrech. Jednou z hlavních vlastností je pracovní kmitočet nebo kmitočty. Některé antény ke komunikaci mezi „stroji“ (M2M) mohou pracovat pouze v jediném pásmu ISM (pásmo k průmyslovému, vědeckému nebo lékařskému využití), zatímco moderní mobilní telefony nebo komunikační moduly k notebookům mohou mít téměř deset provozních pásem, které je nutno začlenit do jediného zařízení. Materiál, který lze použít k výrobě antény, je do jisté míry určen pracovním kmitočtem pro určité antény. Jedná se o ohebné materiály, keramiku, ocelový plech, FR-4 (sklotextit) nebo dráty.

Dalším důležitým atributem je typ anténního prvku. Aby se dalo v jediném prvku antény realizovat několik kmitočtových pásem, obvykle se používají planárně invertující antény typu F (PIFA), ale dobře jsou známy také unipóly s pasivními prvky. Tato základní uspořádání antény lze spolu s tradičními invertujícími anténami typu F (IFA) použít také v keramických anténách. S novějšími bezdrátovými technologiemi se výběr provozních kmitočtů rozšiřuje a přidělená kmitočtová pásma se snižují, což klade požadavky na větší plochu antény a zároveň na objem přístroje. Klienti však požadují rozměry menší, zejména u kapesních a přenosných zařízení. Jedná se o anténu, která se musí vyrovnat s omezením svých rozměrů. Proto má fyzická velikost při návrhu antény mimořádný význam.

K dalším atributům patří výkonnost antény, která se posuzuje z pohledu rezonanční šířky pásma. Anténa musí samozřejmě pokrýt všechna určená kmitočtová pásma s dostatečně nízkým impedančním přizpůsobením portu antény a dostatečně vysokým výkonem vyzařování. I když lze rezonanční šířku pásma standardně ověřit síťovým analyzérem (impedanční přizpůsobení), mnohem významnější hodnocení se provádí v anechoické komoře pomocí pasivního nebo aktivního zařízení, které umožní přesné měření výkonnosti antény.

Pasivní měření antény se provádí u pasivních zařízení během výzkumu a vývoje, aby se získaly některé poznatky pro vývoj antény. Během výzkumu a vývoje antény se jedná o velmi užitečné informace, které designéry nasměrují k finálnímu řešení. Pasivní zařízení může být nějakým druhem makety a nemusí být funkční, protože se v této fázi jedná o vzájemné porovnání různých řešení antény. Závěrečné stanovení výkonnosti zařízení se však musí uskutečnit s plně funkčním aktivním zařízením. To prokáže, zda se při provozu antény nevyskytne nějaké rušení způsobené vlastním zařízením. Jakékoli problémy je třeba pochopitelně odstranit. Při aktivním měření se měří celkový vyzářený výkon (TRP) a celková izotropní (všesměrová) citlivost (TIS) zařízení. Tyto hodnoty kombinují výkonnost antény s vysokofrekvenční kapacitou zařízení. Hodnota TRP představuje úroveň výkonu, který může vysokofrekvenční sekce zařízení prostřednictvím antény vyzářit do okolního prostoru. Hodnota TIS označuje schopnost vysokofrekvenční sekce vnímat příchozí signály s nízkým výkonem. Tyto dva důležité parametry jsou stanoveny mobilními operátory, jejichž požadavky musí být splněny před uvedením vyvíjeného zařízení na trh. Ověřením dostatečně vysoké účinnosti antény s aktivním zařízením v celém provozním pásmu nebo pásmech bude zaručena kvalita antény a vysokofrekvenční sekce zařízení.

Některé další ukazatele určující hodnocení antény (např. poměr stojatého vlnění (SWR), izolace mezi prvky antény a impedanční přizpůsobení přívodnímu vedení) jsou vlastnosti, které se ověřují síťovým analyzérem. V některých případech jsou důležitými atributy zisk (směrovost) a polarizace antény. Jejich měření lze provádět v anechoické komoře (obr. 1).

Účinnost vyzařování měření skutečné výkonnosti antény 1.jpg

Obr. 1 Měření antén se provádí v anechoické komoře

U zařízení s větším počtem vf sekcí hraje velmi důležitou roli izolace mezi anténními prvky, protože izolace mezi anténami by měla být co nejvyšší. V moderních 4G aplikacích, které mohou obsahovat více antén pracujících ve stejných kmitočtových pásmech (MIMO), musí být mezi anténními prvky minimální korelace. Korelaci antény lze vypočítat pomocí údajů získaných při měření výkonnosti antény. U mobilních zařízení, která mají lidskou obsluhu, se zjišťuje měrný součinitel pohltivosti (SAR), sloužící k měření rychlosti, s jakou se při vystavení elektromagnetickému poli v těle uživatele absorbuje energie. Měření SAR se provádí v autorizovaných zkušebnách vybavených speciálními přístroji a zkušenostmi pro tato vysoce sledovaná měření.

Účinnost vyzařování

Účinnost vyzařování je poměrem výkonu vyzářeného anténou v podobě elektromagnetického vlnění k výkonu přivedeného na svorky antény. Pokud by anténa byla naprosto ideálním elektrickým komponentem, převedla by na elektromagnetickou energii šířící se do okolního prostoru veškerou energii přivedenou na její svorky. To je možné pouze teoreticky, a proto se ve skutečnosti část energie přivedené na svorky antény vždy ztratí. Ztrátu energie způsobuje například nesoulad mezi prvkem antény a napájením sítě. U reálné antény dochází ke ztrátě energie také přirozenou cestou, kdy se vytváří nežádoucí teplo. Všechny tyto ztráty dohromady vedou k situacím, kdy je účinnost antény ve skutečném provozu vždy nižší než 100 % (rovná se 0 dB). Účinnost antény se měří v anechoické komoře. Na svorky antény se přivádí určitá energie a měří se intenzita elektromagnetického pole vyzařovaného do okolního prostoru. Obecně lze prohlásit, že dobrá anténa vyzařuje 50 až 60 % přivedené energie (–3 až –2,2 dB).

Hodnota účinnosti antény je užitečným a informativním údajem její „ekonomické efektivity“. Na první pohled lze posoudit schopnost antény využít energii přivedenou na připojovací svorky a určit množství energie z vf modulu potřebné k dosažení určité úrovně výkonu. Účinnost antény nezohledňuje směr vyzařování a tak se jedná o vhodné měřítko výkonnosti k měření účinnosti mobilních zařízení, která mají všesměrový vyzařovací diagram. V mobilních zařízeních se žádný konkrétní směr vyzařování nezdůrazňuje. Ale pokud má anténa vyzařovat v určitém směru (tzn. je navržena tak, aby její vyzařovací diagram obsahoval některé směrové charakteristiky), potom je lepším měřítkem zisk antény.

Je možné, že anténa má dobrou účinnost, ale v některém určitém směru nebo směrech má vyzařovací diagram nulovou hodnotu, a proto není tímto směrem zaznamenáno žádné vyzařování.

3D charakteristika poskytuje o celkovém vyzařovacím diagramu antény lepší představu než tradičně používané dvourozměrné charakteristiky. Modře označené směry na obr. 2 představují ve vyzařovacím diagramu nulové úrovně s nízkou účinností vyzařování.

Účinnost vyzařování měření skutečné výkonnosti antény 2.jpg

Obr. 2 Trojrozměrné znázornění vyzařovacího diagramu typické dipólové antény na jednom kmitočtu

Vyzařovací diagram dipólu viditelný z jednoho směru neposkytuje žádné informace o vyzařování antény v dalších směrech a dimenzích. Na obr. 3 je typický vyzařovací diagram viditelný z jednoho směru, který se týká stejné antény jako na obr. 2 s trojrozměrným znázorněním vyzařování. Abychom získali alespoň hrubé odhady celkového vyzařování antény v okolním prostoru, potřebujeme typická 2D zobrazení z několika směrů.

Účinnost vyzařování měření skutečné výkonnosti antény 3.jpg

Obr. 3 Typický vyzařovací diagram dipólu viditelný z jednoho směru

Zisk

Zisk je parametrem, který kombinuje v jediné hodnotě účinnost a směrovost antény. Směrovost znamená, že anténa vyzařuje jedním konkrétním směrem do okolního prostoru vyšší úroveň energie než do ostatních směrů. Absolutní zisk antény je definován jako poměr intenzity vyzařování v daném směru k intenzitě vyzařování, která by vznikla, pokud by byl výkon přijatý anténou vyzářen do okolního prostoru všemi směry rovnoměrně (tzn. izotropicky). Není-li uveden určitý směr, k určení zisku se používá směr maximálního vyzařování. Sama směrovost má k tomuto velmi blízko, ale ve skutečnosti popisuje pouze směrové vlastnosti antény, a proto je řízena pouze diagramem. Termín „zisk antény“ je ve skutečnosti poněkud zavádějící, protože anténa je pasivní součást, která nemá žádné zesilující vlastnosti.

Vyzařovací diagram antény je někdy záměrně upraven do některého specifického směru. Tyto tzv. směrové antény se běžně používají na základnových stanicích, ale také v některých jiných aplikacích, např. u GPS, kde jsou potřebné některé směrové charakteristiky. Protože se satelity GPS nachází na obloze, anténa by měla mít nejvyšší účinnost vyzařování směrem k horní hemisféře. Účinnost antény se měří v anechoické komoře. Na svorky antény se přivádí určitá energie a měří se intenzita elektromagnetického pole vyzařovaného v různých úhlech do okolního prostoru. Z těchto údajů se stanoví směr maximálního vyzařování.

Zisk je parametrem, který se obvykle používá k měření výkonu antény. Jedná se o užitečnou hodnotu v případech, kdy anténa musí mít směrové charakteristiky – například u základnových stanic umístěných na střechách nebo na konci kancelářských chodeb apod. a u antén GSM používaných v některých navigačních aplikacích.

Pokud je požadováno směrové vyzařování, měření zisku určuje, zda se výkon dodávaný do antény využívá optimálně. Například u antén základnových stanic připevněných na stěně nemá smysl směrovat signál do stěny, protože tak dochází ke snížení zisku antény požadovaným směrem (za předpokladu, že celková účinnost zůstane v obou případech stejná). Měření výhradně účinnosti antény by přineslo stejné informace o výkonnosti – zda je nejsilnější vyzařování antény nasměrováno optimálně tak, jak bylo zamýšleno.

Použití zisku jako parametru výkonnosti má některé nevýhody a to i pro směrové antény. U většiny mobilních terminálů je jejich orientace (s ohledem na nejbližší základnovou stanici) náhodná. Signál se na své cestě od základnové stanice k mobilnímu terminálu rozptyluje a několikrát odráží, v podstatě od libovolného objektu. Z hlediska antény to znamená, že signál přicházející do přijímače může přijít z okolního prostoru prakticky z jakéhokoli směru a pro příjem signálu nelze předem určit žádný optimální směr. U mobilních antén by měl proto být vyzařovací diagram navržen co nejvíce všesměrový, kvůli stejné účinnosti antény ve všech směrech. Faktem je, že anténa s velkým ziskem v některém specifickém směru nemusí příliš dobře přijímat signály přicházející z jiných směrů.

Shrnutí

Zisk je nejrozšířenějším způsobem měření účinnosti (a proto výkonnosti) antény. Zisk však neudává celkovou účinnost antény. Udává pouze účinnost vyzářeného výstupního výkonu v jednom směru současně. Hodnota nic neříká o úrovni účinnosti, které anténa dosahuje ve všech ostatních směrech. To je v pořádku, pokud je aplikace, v níž musí být veškerý nebo většinový výstupní výkon antény zaměřen na určité místo a umístění vysílací antény je pevné (s ohledem na přijímací antény). Ale pokud musí být v mnoha dalších bezdrátových aplikacích (včetně používání mobilních telefonů) signál vysílaný z antény stejně silný ve více než jednom směru, pak je hodnota zisku špatným měřítkem výkonnosti. I když může být výkonnost při nasměrování signálu výkonu dobrá, v ostatních směrech může být slabá, nevyhovující nebo snížená. Zisk neumožňuje její určení dokonce ani tehdy, když je signál stejně silný ve všech směrech.

Jelikož se počet aplikací, které vyžadují nepřímý signál, neustále zvyšuje, společnosti upřednostňují účinnost vyzařování jako metodu testování. Z účinnosti vyzařování lze určit účinnost a výkonnost pro všechny oblasti v okolí antény. Tyto znalosti umožnují technikům posoudit, zda anténa splní výkonnostní parametry nebo zda bude nutné navrhnout anténu, která poskytuje maximální výkon rovnoměrně nebo ve více směrech, než pouze v jediném směru. Anténa by měla mít pokud možno všesměrový vyzařovací diagram, protože pravděpodobný směrový úhel přicházejícího signálu je rovnoměrně rozložen v celém prostoru.

www.pulseelectronics.com

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik