Νέα - Εισαγωγή και ταξινόμηση ορισμένων κοινών κεραιών

1. Εισαγωγή στις Κεραίες
Μια κεραία είναι μια δομή μετάβασης μεταξύ ελεύθερου χώρου και γραμμής μετάδοσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Η γραμμή μετάδοσης μπορεί να έχει τη μορφή ομοαξονικής γραμμής ή κοίλου σωλήνα (κυματοδηγός), 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 εκπομπής και η δεύτερη είναι μια κεραία λήψης.

Εικόνα 1 Διαδρομή μετάδοσης ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (πηγή-γραμμή μετάδοσης-χωρός κεραίας)

Η μετάδοση του συστήματος κεραίας στον τρόπο μετάδοσης του Σχήματος 1 αντιπροσωπεύεται από το ισοδύναμο Thevenin όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, όπου η πηγή αντιπροσωπεύεται από μια ιδανική γεννήτρια σήματος, η γραμμή μετάδοσης αντιπροσωπεύεται από μια γραμμή με χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση Zc, και η κεραία αντιπροσωπεύεται από ένα φορτίο ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Η αντίσταση φορτίου RL αντιπροσωπεύει την αγωγιμότητα και τις διηλεκτρικές απώλειες που σχετίζονται με τη δομή της κεραίας, ενώ το Rr αντιπροσωπεύει την αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας και η αντίδραση XA χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει το φανταστικό τμήμα 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 μεταφερθεί στην αντίσταση ακτινοβολίας Rr, η οποία χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει την ικανότητα ακτινοβολίας της κεραίας. Ωστόσο, σε πρακτικές εφαρμογές, υπάρχουν απώλειες αγωγού-διηλεκτρισμού 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 της γραμμής μετάδοσης και ανάκλασης (αναντιστοιχία), η μέγιστη ισχύς παρέχεται στην κεραία υπό συζευγμένη αντιστοίχιση.

Εικόνα 2

Λόγω της ασυμφωνίας μεταξύ της γραμμής μετάδοσης και της κεραίας, το ανακλώμενο κύμα από τη διεπαφή υπερτίθεται με το προσπίπτον κύμα από την πηγή στην κεραία για να σχηματίσει ένα στάσιμο κύμα, το οποίο αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση και την αποθήκευση ενέργειας και είναι μια τυπική συσκευή συντονισμού. Ένα τυπικό μοτίβο στάσιμων κυμάτων φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή στο Σχήμα 2. Εάν το σύστημα κεραίας δεν έχει σχεδιαστεί σωστά, η γραμμή μετάδοσης μπορεί να λειτουργήσει ως στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας σε μεγάλο βαθμό, παρά 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 μετάδοσης χαμηλών απωλειών, ενώ οι απώλειες κεραίας μπορούν να μειωθούν μειώνοντας την αντίσταση απώλειας που αντιπροσωπεύεται από το RL στο σχήμα 2. Τα στάσιμα κύματα μπορούν να μειωθούν και η αποθήκευση ενέργειας στη γραμμή μπορεί να ελαχιστοποιηθεί ταιριάζοντας την αντίσταση του την κεραία (φορτίο) με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής.
Στα ασύρματα συστήματα, εκτός από τη λήψη ή τη μετάδοση ενέργειας, οι κεραίες συνήθως απαιτούνται για την ενίσχυση της ακτινοβολούμενης ενέργειας σε ορισμένες κατευθύνσεις και την καταστολή της ακτινοβολούμενης ενέργειας προς άλλες κατευθύνσεις. Επομένως, εκτός από συσκευές ανίχνευσης, οι κεραίες πρέπει να χρησιμοποιούνται και ως συσκευές κατεύθυνσης. Οι κεραίες μπορούν να είναι σε διάφορες μορφές για να καλύψουν συγκεκριμένες ανάγκες. Μπορεί να είναι ένα καλώδιο, ένα άνοιγμα, ένα έμπλαστρο, ένα συγκρότημα στοιχείου (συστοιχία), ένας ανακλαστήρας, ένας φακός κ.λπ.

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

2. Ταξινόμηση κεραιών
1. Κεραία καλωδίων
Οι συρμάτινες κεραίες είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους κεραιών γιατί βρίσκονται σχεδόν παντού - αυτοκίνητα, κτίρια, πλοία, αεροπλάνα, διαστημόπλοια κ.λπ. όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Οι κεραίες βρόχου δεν χρειάζεται μόνο να είναι κυκλικές. Μπορούν να είναι ορθογώνια, τετράγωνα, οβάλ ή οποιοδήποτε άλλο σχήμα. Η κυκλική κεραία είναι η πιο κοινή λόγω της απλής δομής της.

Εικόνα 3

2. Κεραίες διαφράγματος
Οι κεραίες διαφράγματος παίζουν μεγαλύτερο ρόλο λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για πιο σύνθετες μορφές κεραιών και της χρήσης υψηλότερων συχνοτήτων. Ορισμένες μορφές κεραιών με άνοιγμα (πυραμιδικές, κωνικές και ορθογώνιες κεραίες κόρνας) φαίνονται στο Σχήμα 4. Αυτός ο τύπος κεραίας είναι πολύ χρήσιμος για εφαρμογές αεροσκαφών και διαστημικών σκαφών επειδή μπορούν να τοποθετηθούν πολύ εύκολα στο εξωτερικό κέλυφος του αεροσκάφους ή του διαστημικού σκάφους. Επιπλέον, μπορούν να καλυφθούν με ένα στρώμα διηλεκτρικού υλικού για την προστασία τους από σκληρά περιβάλλοντα.

Εικόνα 4

3. Κεραία Microstrip
Οι κεραίες Microstrip 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 που φαίνεται στο Σχήμα 5 είναι η πιο κοινή. Οι κεραίες Microstrip έχουν χαμηλό προφίλ, είναι κατάλληλες για επίπεδες και μη επίπεδες επιφάνειες, είναι απλές και φθηνές στην κατασκευή, έχουν υψηλή στιβαρότητα όταν τοποθετούνται σε άκαμπτες επιφάνειες και είναι συμβατές με σχέδια MMIC. Μπορούν να τοποθετηθούν στην επιφάνεια αεροσκαφών, διαστημικών σκαφών, δορυφόρων, πυραύλων, αυτοκινήτων, ακόμη και κινητών συσκευών και μπορούν να σχεδιαστούν σύμφωνα με τον ίδιο τρόπο.

Εικόνα 5

4. Κεραία συστοιχίας
Τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας που απαιτούνται από πολλές εφαρμογές μπορεί να μην επιτευχθούν με ένα μόνο στοιχείο κεραίας. Οι συστοιχίες κεραιών μπορούν να κάνουν 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.

Εικόνα 6

5. Κεραία ανακλαστήρας
Η επιτυχία της εξερεύνησης του διαστήματος οδήγησε επίσης στην ταχεία ανάπτυξη της θεωρίας της κεραίας. Λόγω της ανάγκης για επικοινωνία εξαιρετικά μεγάλης απόστασης, πρέπει να χρησιμοποιούνται κεραίες εξαιρετικά υψηλής απολαβής για τη μετάδοση και τη λήψη σημάτων εκατομμυρίων μιλίων 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 εκατομμυρίων μίλια μακριά. Μια άλλη μορφή ανακλαστήρα είναι ένας γωνιακός ανακλαστήρας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7 (γ).

Εικόνα 7

6. Κεραίες φακών
Οι φακοί χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για τη συρρίκνωση της προσπίπτουσας σκεδασμένης ενέργειας για 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 κεραίες παραβολικών ανακλαστήρων, 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 ή τα γεωμετρικά τους σχήματα, μερικά από τα οποία φαίνονται στο Σχήμα 8.