Νέα - Εισαγωγή και ταξινόμηση ορισμένων κοινών κεραιών

1. Εισαγωγή στις κεραίες
Μια κεραία είναι μια μεταβατική δομή μεταξύ ελεύθερου χώρου και γραμμής μεταφοράς, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Η γραμμή μεταφοράς μπορεί να έχει τη μορφή ομοαξονικής γραμμής ή κοίλου σωλήνα (κυματοδηγού), ο οποίος χρησιμοποιείται για τη μετάδοση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από μια πηγή σε μια κεραία ή από μια κεραία σε έναν δέκτη. Η πρώτη είναι μια κεραία μετάδοσης και η δεύτερη είναι μια κεραία λήψης.

Σχήμα 1 Διαδρομή μετάδοσης ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (πηγή-γραμμή μετάδοσης-χώρος χωρίς κεραία)

Η μετάδοση του συστήματος κεραίας στη λειτουργία μετάδοσης του Σχήματος 1 αναπαρίσταται από το ισοδύναμο Thevenin όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, όπου η πηγή αναπαρίσταται από μια ιδανική γεννήτρια σήματος, η γραμμή μετάδοσης αναπαρίσταται από μια γραμμή με χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση Zc και η κεραία αναπαρίσταται από ένα φορτίο ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Η αντίσταση φορτίου RL αντιπροσωπεύει τις απώλειες αγωγιμότητας και διηλεκτρικής που σχετίζονται με τη δομή της κεραίας, ενώ η Rr αντιπροσωπεύει την αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας και η άεργος αντίσταση XA χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει το φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης που σχετίζεται με την ακτινοβολία της κεραίας. Υπό ιδανικές συνθήκες, όλη η ενέργεια που παράγεται από την πηγή σήματος θα πρέπει να μεταφέρεται στην αντίσταση ακτινοβολίας Rr, η οποία χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει την ικανότητα ακτινοβολίας της κεραίας. Ωστόσο, σε πρακτικές εφαρμογές, υπάρχουν απώλειες αγωγού-διηλεκτρικής ενέργειας λόγω των χαρακτηριστικών της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας, καθώς και απώλειες που προκαλούνται από ανάκλαση (αναντιστοιχία) μεταξύ της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας. Λαμβάνοντας υπόψη την εσωτερική σύνθετη αντίσταση της πηγής και αγνοώντας τις απώλειες γραμμής μεταφοράς και ανάκλασης (αναντιστοιχία), η μέγιστη ισχύς παρέχεται στην κεραία υπό συζυγή αντιστοίχιση.

Σχήμα 2

Λόγω της αναντιστοιχίας μεταξύ της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας, το ανακλώμενο κύμα από τη διεπαφή υπερτίθεται με το προσπίπτον κύμα από την πηγή προς την κεραία για να σχηματίσει ένα στάσιμο κύμα, το οποίο αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση και αποθήκευση ενέργειας και είναι μια τυπική συσκευή συντονισμού. Ένα τυπικό μοτίβο στάσιμου κύματος φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή στο Σχήμα 2. Εάν το σύστημα κεραίας δεν έχει σχεδιαστεί σωστά, η γραμμή μεταφοράς μπορεί να λειτουργήσει ως στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας σε μεγάλο βαθμό, αντί ως κυματοδηγός και συσκευή μετάδοσης ενέργειας.
Οι απώλειες που προκαλούνται από τη γραμμή μεταφοράς, την κεραία και τα στάσιμα κύματα είναι ανεπιθύμητες. Οι απώλειες γραμμής μπορούν να ελαχιστοποιηθούν επιλέγοντας γραμμές μεταφοράς χαμηλών απωλειών, ενώ οι απώλειες κεραίας μπορούν να μειωθούν μειώνοντας την αντίσταση απωλειών που αναπαρίσταται από το RL στο Σχήμα 2. Τα στάσιμα κύματα μπορούν να μειωθούν και η αποθήκευση ενέργειας στη γραμμή μπορεί να ελαχιστοποιηθεί αντιστοιχίζοντας τη σύνθετη αντίσταση της κεραίας (φορτίο) με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής.
Στα ασύρματα συστήματα, εκτός από τη λήψη ή μετάδοση ενέργειας, οι κεραίες συνήθως απαιτούνται για την ενίσχυση της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε ορισμένες κατευθύνσεις και την καταστολή της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε άλλες κατευθύνσεις. Επομένως, εκτός από τις συσκευές ανίχνευσης, οι κεραίες πρέπει επίσης να χρησιμοποιούνται ως κατευθυντικές συσκευές. Οι κεραίες μπορούν να έχουν διάφορες μορφές για να καλύψουν συγκεκριμένες ανάγκες. Μπορεί να είναι ένα καλώδιο, ένα άνοιγμα, ένα έμπλαστρο, ένα σύνολο στοιχείων (πίνακας), ένας ανακλαστήρας, ένας φακός κ.λπ.

Στα ασύρματα συστήματα επικοινωνίας, οι κεραίες είναι ένα από τα πιο κρίσιμα εξαρτήματα. Ο καλός σχεδιασμός της κεραίας μπορεί να μειώσει τις απαιτήσεις του συστήματος και να βελτιώσει τη συνολική απόδοση του συστήματος. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι η τηλεόραση, όπου η λήψη εκπομπών μπορεί να βελτιωθεί με τη χρήση κεραιών υψηλής απόδοσης. Οι κεραίες είναι για τα συστήματα επικοινωνίας ό,τι είναι τα μάτια για τον άνθρωπο.

2. Ταξινόμηση κεραίας
1. Κεραία καλωδίων
Οι κεραίες καλωδίων είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους κεραιών επειδή βρίσκονται σχεδόν παντού - αυτοκίνητα, κτίρια, πλοία, αεροπλάνα, διαστημόπλοια κ.λπ. Υπάρχουν διάφορα σχήματα κεραιών καλωδίων, όπως ευθεία γραμμή (δίπολο), βρόχος, σπειροειδής, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Οι κεραίες βρόχου δεν χρειάζεται να είναι μόνο κυκλικές. Μπορούν να είναι ορθογώνιες, τετράγωνες, οβάλ ή οποιοδήποτε άλλο σχήμα. Η κυκλική κεραία είναι η πιο συνηθισμένη λόγω της απλής δομής της.

Σχήμα 3

2. Κεραίες διαφράγματος
Οι κεραίες διαφράγματος παίζουν ολοένα και μεγαλύτερο ρόλο λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για πιο σύνθετες μορφές κεραιών και της χρήσης υψηλότερων συχνοτήτων. Ορισμένες μορφές κεραιών διαφράγματος (πυραμιδικές, κωνικές και ορθογώνιες κεραίες κέρατος) φαίνονται στο Σχήμα 4. Αυτός ο τύπος κεραίας είναι πολύ χρήσιμος για εφαρμογές σε αεροσκάφη και διαστημόπλοια, επειδή μπορεί να τοποθετηθεί πολύ εύκολα στο εξωτερικό κέλυφος του αεροσκάφους ή του διαστημόπλοιου. Επιπλέον, μπορεί να καλυφθεί με ένα στρώμα διηλεκτρικού υλικού για να προστατευτεί από σκληρά περιβάλλοντα.

Σχήμα 4

3. Κεραία μικρολωρίδας
Οι μικρολωριδιακές κεραίες έγιναν πολύ δημοφιλείς τη δεκαετία του 1970, κυρίως για δορυφορικές εφαρμογές. Η κεραία αποτελείται από ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα και ένα μεταλλικό έμπλαστρο. Το μεταλλικό έμπλαστρο μπορεί να έχει πολλά διαφορετικά σχήματα και η ορθογώνια κεραία έμπλαστρου που φαίνεται στο Σχήμα 5 είναι η πιο συνηθισμένη. Οι μικρολωριδιακές κεραίες έχουν χαμηλό προφίλ, είναι κατάλληλες για επίπεδες και μη επίπεδες επιφάνειες, είναι απλές και φθηνές στην κατασκευή, έχουν υψηλή ανθεκτικότητα όταν τοποθετούνται σε άκαμπτες επιφάνειες και είναι συμβατές με σχέδια MMIC. Μπορούν να τοποθετηθούν στην επιφάνεια αεροσκαφών, διαστημοπλοίων, δορυφόρων, πυραύλων, αυτοκινήτων, ακόμη και κινητών συσκευών και μπορούν να σχεδιαστούν σύμφωνα με τις προδιαγραφές.

Σχήμα 5

4. Κεραία συστοιχίας
Τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας που απαιτούνται από πολλές εφαρμογές ενδέχεται να μην επιτευχθούν από ένα μόνο στοιχείο κεραίας. Οι συστοιχίες κεραιών μπορούν να παράγουν την ακτινοβολία από τα στοιχεία που συντίθενται για να παράγουν μέγιστη ακτινοβολία σε μία ή περισσότερες συγκεκριμένες κατευθύνσεις, ένα τυπικό παράδειγμα φαίνεται στο Σχήμα 6.

Σχήμα 6

5. Κεραία ανακλαστήρα
Η επιτυχία της εξερεύνησης του διαστήματος οδήγησε επίσης στην ταχεία ανάπτυξη της θεωρίας των κεραιών. Λόγω της ανάγκης για επικοινωνία σε εξαιρετικά μεγάλες αποστάσεις, πρέπει να χρησιμοποιούνται κεραίες εξαιρετικά υψηλού κέρδους για τη μετάδοση και λήψη σημάτων εκατομμύρια μίλια μακριά. Σε αυτήν την εφαρμογή, μια κοινή μορφή κεραίας είναι η παραβολική κεραία που φαίνεται στο Σχήμα 7. Αυτός ο τύπος κεραίας έχει διάμετρο 305 μέτρα ή περισσότερο, και ένα τόσο μεγάλο μέγεθος είναι απαραίτητο για να επιτευχθεί το υψηλό κέρδος που απαιτείται για τη μετάδοση ή λήψη σημάτων εκατομμύρια μίλια μακριά. Μια άλλη μορφή ανακλαστήρα είναι ένας γωνιακός ανακλαστήρας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7 (γ).

Σχήμα 7

6. Κεραίες φακών
Οι φακοί χρησιμοποιούνται κυρίως για την ευθυγράμμιση της προσπίπτουσας σκεδαζόμενης ενέργειας, ώστε να αποτραπεί η εξάπλωσή της σε ανεπιθύμητες κατευθύνσεις ακτινοβολίας. Αλλάζοντας κατάλληλα τη γεωμετρία του φακού και επιλέγοντας το σωστό υλικό, μπορούν να μετατρέψουν διάφορες μορφές αποκλίνουσας ενέργειας σε επίπεδα κύματα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις περισσότερες εφαρμογές, όπως οι παραβολικές ανακλαστικές κεραίες, ειδικά σε υψηλότερες συχνότητες, και το μέγεθος και το βάρος τους γίνονται πολύ μεγάλα σε χαμηλότερες συχνότητες. Οι κεραίες φακών ταξινομούνται ανάλογα με τα υλικά κατασκευής τους ή τα γεωμετρικά σχήματα, μερικά από τα οποία φαίνονται στο Σχήμα 8.