Conjunto de antenas: design, trabalho, tipos e suas aplicações

Uma antena é um dispositivo especializado que pode irradiar uma certa quantidade de energia em uma direção específica para uma melhor transmissão de saída. Para uma saída mais eficiente, mais alguns elementos de antena são adicionados a ele, conhecidos como conjuntos de antenas. Uma única antena tem boa diretividade, mas falha um pouco na transmissão do sinal para o receptor com perdas, portanto, um conjunto de antenas é usado. Assim, em tantas aplicações, precisamos antenas com características diretivas extremamente altas que podem ser aprimoradas aumentando o tamanho elétrico da antena. Aumentar a dimensão da antena sem aumentar o tamanho dos elementos individuais é formar elementos de arranjo de antenas. Este artigo discute uma visão geral conjunto de antenas – tipos e seu trabalho com aplicativos.

O que é um Conjunto de Antenas?

Uma definição de matriz de antena é; um grupo de antenas dispostas para formar uma única antena para gerar padrões de radiação, mas não gerados por antenas individuais. Assim, um conjunto de antenas funcionará em conjunto para transmitir ou receber sinais de rádio. O projeto e a manutenção desta antena são econômicos, pois cada antena é menor. O diagrama do arranjo de antenas é mostrado abaixo.

Para o conjunto de antenas, espaçamento e fase adequados devem ser fornecidos durante a configuração. Uma vez que as antenas transmitem um sinal a uma distância muito longa, é necessário que elas possuam alto ganho diretivo, pois o sinal se deforma e distorce durante a transmissão de uma extremidade à outra. Embora uma única antena transmita com boa diretividade, ela não consegue transmitir um sinal do transmissor ao receptor sem perdas. Portanto, este é o principal motivo para usar o arranjo de antenas.

Projeto de Antena Array

Uma matriz de antenas é projetada organizando várias antenas para formar um único sistema para fornecer alto ganho diretivo. As antenas dentro do arranjo devem ser espaçadas adequadamente e na fase apropriada para que a contribuição independente de cada antena dentro do arranjo na mesma direção seja somada, enquanto é cancelada em todas as outras direções. Esse tipo de arranjo melhora a diretividade do sistema. Uma vez que todas as antenas dentro de um sistema estejam dispostas em linha reta, ele é conhecido como arranjo de antenas lineares.

Conjunto de Antenas Funcionando

Um arranjo de antenas é um conjunto de vários elementos de antenas. Em geral, um arranjo de múltiplos elementos utiliza uma antena dipolo de meia onda. Esta antena possui um padrão de radiação omnidirecional para que as ondas sejam emitidas acima de um ângulo amplo. Para aumentar a capacidade dessas antenas de emitir especialmente em uma única direção, essas antenas são simplesmente dispostas na forma de matriz com espaçamento adequado. Essas matrizes são simultaneamente excitadas pelo fornecimento de corrente pela fase adequada.

Geralmente, em uma matriz de antenas, as correntes dentro dos diferentes elementos da antena estão em fase se atingirem o valor mais alto ao fluir em uma direção semelhante ao mesmo tempo. Assim, uma vez que os elementos da antena são alimentados com a fase adequada de cada elemento do arranjo, as ondas esféricas são sobrepostas devido à interferência e geram uma onda de rádio. Aqui no sistema, a interferência pode ser construtiva (ou) destrutiva e depende completamente das ondas irradiadas pelos elementos.

Como resultado, se as ondas emitidas pelos elementos da antena estiverem em fase, elas são adicionadas utilmente, de modo que aumenta a potência irradiada. Considerando que, se as ondas emitidas pelos elementos individuais não estiverem em fase, elas serão adicionadas destrutivamente para se anularem. Portanto, isso pode causar uma redução na potência irradiada.

Assim, as radiações emitidas pelos elementos da matriz estão em fase e se somam para fornecer um feixe direcional que tem força máxima para que possa percorrer distâncias muito longas. Assim, o padrão de radiação fornecido por um arranjo de antenas possui um lóbulo principal que especifica um feixe forte em uma única direção. Quando o número de elementos na matriz é aumentado, o lóbulo principal fica mais estreito e os lóbulos laterais menores especificam um aumento no ganho fornecido pela antena.

Tipos de antena de matriz

As antenas de arranjo são classificadas em quatro tipos de arranjo de antenas largas, end-fire, colineares e parasitárias, onde cada tipo é discutido abaixo.

Conjunto de Antena Lateral

A disposição do conjunto de antenas laterais é mostrada abaixo, onde vários elementos idênticos são dispostos paralelamente ao longo do eixo da antena. Neste tipo de arranjo, os elementos são dispostos horizontalmente a uma distância equivalente entre si e cada elemento é alimentado por uma corrente de fase e magnitude semelhantes.

Sempre que os elementos neste arranjo são energizados, a radiação máxima será emitida do lado largo, o que significa a direção normal ao eixo da matriz, enquanto uma certa quantidade de radiação será emitida das outras direções. Portanto, fornece um padrão de radiação bidirecional porque irradia em ambas as direções ao longo do lado largo. Portanto, neste arranjo, a direção do princípio da radiação é comum ao eixo da matriz e ao plano da posição do elemento. O padrão de radiação do conjunto de antenas laterais é mostrado abaixo.

O padrão de radiação do conjunto de antenas laterais é vertical porque o alinhamento do elemento é horizontal.

Se quisermos mudar o padrão de radiação de bidirecional para unidirecional, um arranjo semelhante precisa ser organizado a λ/4 de distância atrás deste arranjo de antenas e excitar o arranjo de réplica através de uma corrente com um avanço de fase de 90°. Normalmente, o número de elementos dentro desse arranjo depende do espaço disponível com a necessidade de custo e largura do feixe, enquanto o comprimento da matriz é considerado entre 2 λ e 10 λ. Geralmente, esses conjuntos de antenas são usados ​​em sistemas de transmissão no exterior.

Matriz de Antena de Fogo Final

Um arranjo de arranjo de antenas end-fire é o mesmo que elementos no arranjo lateral, porém a principal diferença entre essas duas configurações é o modo de excitação. Neste arranjo, os elementos são geralmente alimentados fora de fase com 180°, enquanto no arranjo lateral cada elemento é alimentado com a corrente de uma fase similar. Neste arranjo, a radiação máxima é alcançada ao longo do eixo da matriz.

Assim, para obter um padrão de radiação unidirecional, esse arranjo completo de elementos idênticos é simplesmente energizado com corrente de amplitude equivalente, porém, a fase muda continuamente ao longo da linha. Assim, pode-se afirmar que um arranjo end-fire gera um padrão de radiação unidirecional pela maior radiação que ocorre através do eixo do arranjo de antenas.

No diagrama padrão de radiação acima, a distância principal entre os elementos dentro deste arranjo é normalmente entendida como λ/4 (ou) 3λ/4. Portanto, essas matrizes são usadas com mais frequência na comunicação ponto a ponto e são apropriadas para faixas de alta, média e baixa frequência.

Matriz colinear

Em uma matriz colinear, os elementos da antena são simplesmente dispostos em uma única linha de uma extremidade à outra, o que significa um após o outro. Portanto, esse arranjo pode ter orientação horizontal ou vertical. A matriz colinear com um arranjo horizontal é mostrada abaixo.

Para todos os elementos da antena, a excitação é fornecida por correntes da mesma fase e magnitude para todos os elementos. Semelhante a um arranjo lateral, isso também fornece radiação na direção normal ao eixo do arranjo de antenas. Assim, o padrão de radiação do arranjo colinear é algo relacionado ao arranjo de antenas laterais.

Este arranjo simplesmente oferece o maior ganho sempre que os elementos são espaçados em uma distância de 0,3 a 0,5λ, mas isso pode causar problemas de construção e alimentação dentro do arranjo de antenas. Assim, os elementos são dispostos mais próximos uns dos outros.

O padrão de radiação da matriz colinear é mostrado acima. Deve-se notar aqui que, com um aumento no comprimento da matriz, a diretividade também aumenta. Geralmente, a matriz colinear de dois elementos é geralmente usada porque oferece suporte à operação multibanda, mas, às vezes, algumas aplicações utilizam uma combinação de matrizes laterais, de disparo final e colineares porque isso aumenta a diretividade e o ganho para uma faixa muito alta.

Matriz Parasitária

As matrizes de vários elementos, como elementos de antena parasitas, são arranjadas parasiticamente, o que fornece ganho direcional máximo sem alimentar todos os elementos da matriz. Esse tipo de arranjo simplesmente ajuda a lidar com o problema da linha de alimentação, não fornecendo excitação direta a todos os elementos do arranjo de antenas. O arranjo da antena parasita é mostrado abaixo.

Os elementos que não são alimentados diretamente são conhecidos como elementos parasitas e eles simplesmente extraem sua energia da radiação emitida pelo elemento acionado que está presente nas proximidades. Como resultado, os elementos parasitas são ativados por acoplamento eletromagnético, uma vez que o elemento acionador está próximo.

Os elementos parasitas do arranjo de antenas não são excitados diretamente, mas dependem da excitação fornecida ao elemento de acionamento. Portanto, a corrente induzida dentro do elemento parasita causada pelo elemento acionado é determinada pela distância entre esses dois elementos e seu ajuste.

Assim, um padrão de radiação unidirecional é produzido com uma distância de separação 'λ/4' e uma diferença de fase de 90° entre os elementos condutores e parasitas. Assim, o padrão de radiação dessa matriz é simplesmente criado por um refletor disposto após o elemento acionador, que inclui ondas refletidas para trás em direção à onda direta. A frequência de alcance para esses tipos de conjuntos de antenas varia de 100 a 1000 MHz.

O que é ganho de matriz de antena?

O ganho do arranjo da antena pode ser definido como a razão entre a intensidade dentro de uma direção especificada e a intensidade da radiação obtida se uma potência similar for irradiada com um único radiador isotrópico.

Qual é o propósito de um arranjo de antenas?

O objetivo de um arranjo de antenas é transmitir/receber ondas de rádio trabalhando como uma única antena.

O que é um bom ganho de antena?

O bom ganho da antena é de 3 dB, 6dB, etc.

O que é um arranjo em uma antena?

A matriz em uma antena é um grupo de antenas conectadas para formar uma única antena.

Qual é o fator de arranjo de um arranjo de antenas?

Um fator de arranjo de antena é uma função das posições da antena dentro do arranjo e dos pesos usados. Portanto, esse fator pode alterar significativamente as propriedades de diretividade do elemento de antena específico. Portanto, esse fenômeno é observado principalmente quando as antenas são conectadas.

Vantagens e desvantagens

Vantagens do arranjo de antenas inclui o seguinte.

• A força do sinal aumenta muito fortemente.
• Alta diretividade pode ser alcançada.
• O tamanho dos lóbulos menores é reduzido drasticamente.
• É possível obter uma relação S/R alta.
• Grandes ganhos podem ser obtidos.
• A quantidade de desperdício de energia é reduzida.
• Alcançar melhores resultados é possível.
• O design do arranjo de antenas simplesmente suporta o melhor desempenho da antena.

As desvantagens do arranjo de antenas incluem o seguinte.

• Conjuntos de antenas são caros.
• As perdas resistivas serão aumentadas.
• Requer alta manutenção.
• A montagem é difícil.
• Ocupa um enorme espaço externo.

Formulários

Aplicações de matriz de antena incluem o seguinte.

• Um arranjo de antenas é muito útil para aumentar o ganho geral, aumentando o SINR (Sinal para Interferência mais a Relação de Ruído), cancelando a interferência, fornecendo recepção de diversidade, movendo o arranjo dentro de uma direção específica, medindo a chegada da direção dos sinais de entrada, etc.
• A matriz de antena é usada em wireless, militar radar , e comunicações via satélite .
• Estes são utilizados na observação astronômica.
• Estes são principalmente aplicáveis ​​em comunicações de longa distância e também em comunicações móveis.
• Estes são usados ​​sempre que for necessária alta intensidade de sinal para transmissão e recepção de longa distância.

Assim, este é uma visão geral da antena arrays – trabalhando com aplicações. Um arranjo de antenas simplesmente usa várias antenas para capturar e transmitir sinais em diferentes direções. Portanto, o arranjo de antenas é usado principalmente para aumentar a qualidade e o alcance do nosso sinal. Aqui está uma pergunta para você, qual é a função de uma antena?