Antena slot dijelaskan: impedans, polarisasi, dan prestasi dalam komunikasi tanpa wayar

Antena slot adalah sejenis antena yang dibentuk oleh celah sempit atau lubang yang dipotong ke permukaan konduktif.Biasanya beroperasi dalam julat kekerapan 300 MHz hingga 30 GHz, antena slot menawarkan struktur dan fungsi yang unik.Slot biasanya separuh panjang gelombang kekerapan yang mereka hantar atau terima, dan reka bentuk mereka membolehkan radiasi yang cekap.Tidak seperti antena dipole, antena slot terkenal dengan keteguhan mereka, pengendalian kuasa yang lebih tinggi, dan keupayaan untuk tertanam ke dalam permukaan logam, menjadikannya sesuai untuk aplikasi dalam komunikasi satelit, radar, dan aeroangkasa.

Katalog

Rajah 1. Gambaran keseluruhan antena slot

Apakah antena slot?

Antena slot pada dasarnya adalah lubang atau celah sempit yang dipotong ke permukaan konduktif.Panjang slot adalah kira -kira separuh panjang gelombang isyarat yang akan dihantar atau diterima.Dalam istilah yang lebih mudah, fikirkan slot sebagai "tetingkap" di mana gelombang elektromagnet dapat melewati, dengan lebar slot yang mempengaruhi jalur lebar antena.Antena slot digunakan dalam pelbagai frekuensi, biasanya dari 300 MHz hingga 30 GHz, yang menempatkannya di julat frekuensi ultra tinggi hingga super tinggi.

Bagaimanakah antena slot kelihatan?

Melihat struktur asas, antena slot terdiri daripada lembaran logam (di mana slot dipotong), satah tanah (yang bertindak sebagai permukaan rujukan untuk antena), dan selalunya beberapa slot.Slot ini secara umumnya bentuk segi empat tepat, dan panjang slot biasanya ditetapkan kepada separuh panjang gelombang kekerapan yang digunakan.Jika anda melihat dengan teliti pada gambarajah asas antena, anda akan melihat bahawa panjang gabungan semua slot adalah sama dengan 2λ (dua kali panjang gelombang), yang merupakan kunci kepada operasinya.

Sebagai contoh, setiap slot adalah λ/2 panjang, dan dengan empat slot, panjang keseluruhan menambah sehingga 2λ (4 × λ/2).Reka bentuk ini membantu mengoptimumkan keupayaan antena untuk memancarkan isyarat dengan berkesan.

Rajah 2. Struktur berlabel antena slot

Bagaimana antena slot berfungsi?

Antena slot berfungsi berdasarkan prinsip Babinet, yang agak seperti peraturan "cermin".Prinsipnya menyatakan bahawa dua struktur pelengkap-seperti antena slot dan antena dipole separuh gelombang-akan menghasilkan corak pembelauan yang sama, tetapi dengan cara yang bertentangan.Antena slot dan separuh gelombang dipole berkongsi reka bentuk yang sama, tetapi perbezaannya adalah bagaimana ia dibina.Sekiranya anda "mencerminkan" slot dalam bahan yang dikendalikan, anda akan mendapat antena dipole separuh gelombang.Oleh itu, dengan cara yang sama, antena slot boleh dianggap sebagai "bertentangan" antena dipole pelengkapnya.

Bagaimanakah slot antena memancarkan isyarat?

Melihat corak radiasi antena slot, arah medan elektrik dan magnet adalah penting untuk memahami bagaimana ia berfungsi.Apabila antena slot diletakkan secara mendatar, medan elektrik sejajar dengan paksi-y, dan medan magnet sejajar dengan paksi-x.Ini menghasilkan isyarat terpolarisasi menegak.Jika antena diletakkan secara menegak, polarisasi isyarat akan beralih ke mendatar.

Rajah 3. Antena slot dan antena dipole pelengkapnya

Tingkah laku ini berbeza dengan antena dipole.Apabila dipole berorientasikan secara mendatar, ia akan memancarkan polarisasi isyarat mendatar, dan jika ia diletakkan secara menegak, ia akan menghasilkan polarisasi menegak.Secara ringkas, polarisasi antena slot berkadar songsang dengan orientasinya.Oleh itu, jika anda menghidupkan antena slot dari mendatar ke menegak, ia membalikkan polarisasi isyaratnya.Sebaliknya, dipole mengekalkan hubungan langsung antara orientasi dan polarisasi isyarat.

Perbezaan utama antara slot dan antena dipole

Antena slot dan antena dipole berbeza dalam beberapa cara, memberi kesan kepada prestasi, reka bentuk, dan aplikasi mereka.Berikut adalah pecahan perbezaan utama mereka:

Julat Komunikasi: Antena slot umumnya menyokong jarak komunikasi yang lebih panjang kerana sifat arah dan kecekapan yang tinggi, menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang memerlukan liputan yang dilanjutkan.Sebaliknya, antena dipole lebih sesuai untuk komunikasi jangka pendek hingga pertengahan.

Kestabilan mekanikal: Antena slot biasanya diintegrasikan ke dalam permukaan logam, seperti pesawat pesawat atau pesawat tanah, menjadikannya lebih kuat secara mekanikal dan lebih tahan lama.Antena dipole, terutamanya wayar nipis atau jenis cambuk, lebih rapuh dan terdedah kepada lenturan atau pecah di bawah tekanan fizikal.

Bandwidth: Antena slot sering menawarkan jalur lebar yang lebih luas, yang membolehkan mereka menyokong pelbagai frekuensi dan pelbagai aplikasi.Antena Dipole, sebaliknya, mempunyai jalur lebar yang lebih sempit, mengehadkan fleksibiliti mereka dalam pemilihan frekuensi.

Pertimbangan saiz: Antena slot cenderung lebih besar kerana pergantungannya pada permukaan konduktif untuk operasi.Ini boleh menjadi faktor yang membatasi reka bentuk padat.Antena Dipole, dalam perbandingan, biasanya lebih kecil dan lebih ringan, menjadikannya lebih mudah untuk diintegrasikan ke dalam sistem yang dikendalikan oleh ruang.

Julat Kekerapan: Antena slot beroperasi dengan berkesan antara 300 MHz dan 30 GHz, meliputi spektrum luas yang digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi seperti radar dan komunikasi satelit.Antena Dipole, sebaliknya, berfungsi dengan baik dalam jarak 20 MHz hingga 2.2 GHz, menjadikannya lebih biasa dalam aplikasi frekuensi rendah seperti penyiaran FM dan komunikasi gelombang pendek.

Aplikasi antena slot

Antena slot digunakan secara meluas di pelbagai industri kerana kecekapan, radiasi arah, dan kebolehsuaian.Berikut adalah beberapa aplikasi dunia nyata:

Pencitraan Perubatan:

Antena slot memainkan peranan utama dalam peranti pengimbasan X-ray dan CT.Mereka membantu menangkap isyarat gelombang mikro yang dihasilkan oleh sistem, memastikan hasil pengimejan yang tepat.

Mereka bekerja bersempena dengan kristal piezoelektrik, yang menukar isyarat elektrik menjadi getaran mekanikal untuk tujuan pengimejan.

Keupayaan mereka untuk mengendalikan pelbagai frekuensi memastikan output imbasan yang tepat dan terperinci.

Komunikasi satelit:

Digunakan dalam hidangan satelit untuk penghantaran isyarat dan penerimaan antara satelit dan stesen tanah.

Sifat tinggi antena slot memastikan komunikasi jarak jauh yang cekap, penting untuk rangkaian satelit yang stabil.

Mereka membantu meminimumkan kehilangan isyarat dan memaksimumkan kecekapan dalam penyiaran TV langsung ke rumah (DTH) dan penghantaran data.

Sistem radar:

Biasanya terdapat dalam pengawasan ketenteraan, kawalan lalu lintas udara, dan pemantauan cuaca.

Corak radiasi arah mereka membolehkan pengesanan dan pengesanan objek yang tepat.

Teknik polarisasi lanjutan meningkatkan keupayaan mereka untuk membezakan antara sasaran dan bunyi latar belakang.

Rangkaian Sensor Tanpa Wayar (WSNS):

Bersepadu ke dalam peranti IoT dan rangkaian wayarles perindustrian untuk pengumpulan dan penghantaran data yang lancar.

Keupayaan mereka untuk berfungsi dengan cekap dalam jarak jauh menjadikan mereka sesuai untuk aplikasi seperti pemantauan alam sekitar, penjejakan aset, dan komunikasi grid pintar.

Aeroangkasa dan Pertahanan:

Dipasang dalam pesawat tentera, satelit, dan dron untuk komunikasi yang selamat dan tahan.

Digunakan dalam sistem peperangan elektronik untuk mengesan, menyuarakan, atau mengatasi isyarat musuh.

Dipasang pada dron untuk misi peninjauan dan pengawasan berisiko rendah.

Kelebihan antena slot

Antena slot menawarkan pelbagai manfaat yang menjadikan mereka pilihan yang sangat baik untuk banyak sistem komunikasi tanpa wayar:

Pengendalian kuasa tinggi: Tidak seperti antena tradisional, antena slot dapat menahan tahap kuasa yang tinggi tanpa terlalu panas atau merendahkan.Ciri ini penting untuk aplikasi yang memerlukan operasi berterusan di bawah penghantaran kuasa tinggi.

Gangguan minimum dengan antena berdekatan: Oleh kerana gandingan bersama mereka yang rendah, antena slot boleh diletakkan dekat dengan antena lain tanpa menyebabkan gangguan yang ketara.Ini amat berguna dalam sistem multi-antena, seperti array radar dan rangkaian satelit.

Integrasi ke PCB dan papan elektronik: Antena slot boleh terus tertanam ke dalam papan litar bercetak (PCB), mengurangkan keperluan untuk komponen antena luaran.Ini menjadikan mereka sesuai untuk peranti elektronik padat seperti modul komunikasi tanpa wayar dan peralatan perubatan mudah alih.

Fleksibiliti dan kebolehpercayaan: Pembinaan dan keupayaan mereka yang mantap untuk dimasukkan ke dalam permukaan logam menjadikannya sangat tahan lama dalam persekitaran yang melampau.Antena slot digunakan secara meluas dalam aplikasi perindustrian dan ketenteraan di mana kebolehpercayaan adalah keperluan utama.

Reka bentuk kos efektif: Reka bentuk struktur slot yang mudah menjadikan mereka lebih murah untuk menghasilkan berbanding dengan jenis antena yang lebih kompleks.Keperluan penyelenggaraan yang rendah selanjutnya mengurangkan kos operasi jangka panjang.

Kekurangan antena slot

Walaupun kelebihan mereka, antena slot juga mempunyai beberapa batasan yang harus dipertimbangkan:

Berat yang lebih berat: Oleh kerana antena slot biasanya diintegrasikan ke dalam permukaan logam atau gelombang, mereka boleh menjadi lebih berat berbanding dengan antena berasaskan dawai tradisional.Ini boleh menimbulkan cabaran dalam aplikasi sensitif berat, seperti dalam drone kecil atau peranti komunikasi pegang tangan.

Kecekapan radiasi yang lebih rendah: Antena slot cenderung mempunyai kerugian yang lebih tinggi kerana reka bentuk mereka, terutamanya apabila dilaksanakan dalam gelombang gelombang dielektrik.Ini boleh memberi kesan kepada kecekapan sistem keseluruhan, yang memerlukan kuasa tambahan untuk mencapai kekuatan isyarat yang dikehendaki.

Isu-isu silang polarisasi: Antena slot boleh mempamerkan tahap polarisasi silang yang tinggi, yang boleh menyebabkan kejelasan isyarat yang dikurangkan dalam beberapa aplikasi.Pertimbangan reka bentuk yang teliti diperlukan untuk meminimumkan kesan polarisasi yang tidak diingini, terutamanya dalam sistem radar dan komunikasi yang sensitif.

Impedans antena slot

Impedans antena slot memainkan peranan penting dalam menentukan pengagihan voltan dan tingkah laku medan elektrik dalam antena.Impedans ini menentukan betapa cekap arus yang beredar di sekitar slot menyumbang kepada radiasi.

Hubungan antara antena slot dan impedans antena dipole

Rajah 4. Impedans sebenar dan khayalan antena slot

Impedans antena slot secara matematik berkaitan dengan impedans antena dipole pelengkapnya.Hubungannya dinyatakan oleh formula:

Di mana:

= Impedans antena slot

= Impedans antena dipole pelengkap

= Impedans intrinsik ruang bebas (biasanya atau kira -kira 376.7Ω)

Contoh pengiraan

Diberikan:

Impedans antena dipole

Impedans intrinsik ruang kosong

Menggunakan formula:

Menggantikan nilai:

Oleh itu, impedans antena slot adalah kira -kira 487Ω.

Bagaimana impedans mempengaruhi pelemahan

Pelemahan merujuk kepada pengurangan kekuatan isyarat kerana ia menyebarkan melalui medium.Impedans antena mempengaruhi pelemahan dengan mempengaruhi kecekapan penghantaran isyarat.

Faktor yang mempengaruhi pelemahan

Pelemahan dipengaruhi oleh:

Ciri -ciri sederhana penghantaran - Bahan seperti udara, bahan dielektrik, atau konduktor menjejaskan kehilangan isyarat.

Kekerapan isyarat - Frekuensi yang lebih tinggi cenderung mengalami pelemahan yang lebih besar.

Jarak Penyebaran - Lebih jauh isyarat perjalanan, semakin banyak tenaga yang hilang.

Halangan di jalan - halangan fizikal seperti bangunan, pokok, dan dinding menyebabkan refleksi, difraksi, dan penyerapan.

Kesan impedans yang tinggi

Antena slot dengan impedans yang lebih tinggi meningkatkan kecekapan isyarat dengan mengurangkan pelemahan.Ini berlaku kerana:

Ia meminimumkan kehilangan kuasa melalui pantulan.

Ia meningkatkan pencocokan impedans, yang membawa kepada pemindahan tenaga yang lebih baik.

Ia mengurangkan gangguan daripada halangan dengan mengekalkan isyarat yang lebih kuat.

Komponen medan antena slot

Prinsip Babinet menyatakan bahawa komponen medan antena slot dan antena dipole pelengkapnya berkait rapat tetapi ditukar.Ini bermaksud:

Bidang elektrik (E-field) dipole sepadan dengan medan magnet (H-field) antena slot.

Medan magnet (h-field) dipole sepadan dengan medan elektrik (E-field) antena slot.

Untuk membezakan antara mereka, notasi digunakan:

Komponen medan antena slot diwakili dengan subskrip "s".

Komponen medan antena dipole diwakili dengan subskrip "C".

Persamaan komponen medan

Hubungan antara bidang diberikan oleh:

Ini bermakna jika anda mengetahui kekuatan medan satu antena, anda boleh mengira kekuatan medan antena pelengkapnya.

Pertimbangan utama

Polarisasi dibalikkan antara kedua -dua antena.

Pencocokan impedans yang betul diperlukan untuk mengekalkan kecekapan.

Ciri -ciri arah berbeza, yang mempengaruhi penggunaannya dalam aplikasi praktikal.

Contoh yang diselesaikan

Contoh 1: Komponen medan magnet antena slot

Diberikan:

Komponen medan elektrik antena dipole:

Impedans intrinsik ruang kosong:

Menggunakan persamaan:

Menggantikan nilai:

Oleh itu, komponen medan magnet antena slot ialah -14.1 a/m.

Contoh 2: Komponen medan elektrik antena dipole

Diberikan:

Komponen medan magnet antena slot:

Impedans intrinsik ruang kosong:

Menyusun semula persamaan untuk menyelesaikan :

Menggantikan nilai:

Oleh itu, komponen medan elektrik antena dipole ialah -5.7 × 10 ¹ v/m.Tanda negatif menunjukkan polarisasi bertentangan antara kedua -dua antena.