Slot -antennes uitgelegd: impedantie, polarisatie en prestaties in draadloze communicatie

Een slotantenne is een type antenne gevormd door een smalle spleet of gat gesneden in een geleidend oppervlak.Meestal werkend binnen het frequentiebereik van 300 MHz tot 30 GHz, bieden slotantennes een unieke structuur en functie.De slots zijn meestal de helft van de golflengte van de frequentie die ze overbrengen of ontvangen, en hun ontwerp zorgt voor efficiënte straling.In tegenstelling tot dipoolantennes, staan ​​sleufantennes bekend om hun robuustheid, hogere vermogensbehandeling en het vermogen om in metaaloppervlakken te worden ingebed, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen in satellietcommunicatie, radar en ruimtevaart.

Catalogus

Figuur 1. Overzicht van slotantennes

Wat is een slotantenne?

Een slotantenne is in wezen een gat of smalle spleet gesneden in een geleidend oppervlak.De lengte van het slot is ongeveer de helft van de golflengte van het signaal dat het zal verzenden of ontvangen.Beschouw de slot in eenvoudiger termen als een "venster" waar elektromagnetische golven kunnen passeren, met de breedte van de sleuf die de bandbreedte van de antenne beïnvloedt.Glotantennes worden gebruikt over een breed scala aan frequenties, meestal van 300 MHz tot 30 GHz, die ze in de ultrahoge tot superhoge frequentiebereiken plaatst.

Hoe ziet er een slotantenne eruit?

Kijkend naar de basisstructuur, bestaat een slotantenne uit een metalen plaat (waarbij de sleuf wordt gesneden), een grondvlak (dat werkt als een referentieoppervlak voor de antenne) en vaak een paar slots.Deze slots zijn over het algemeen rechthoekig van vorm en de lengte van de slots wordt meestal ingesteld op de helft van de golflengte van de gebruikte frequentie.Als u goed kijkt naar een basisdiagram van de antenne, zult u zien dat de gecombineerde lengte van alle slots gelijk is aan 2λ (twee keer de golflengte), wat de sleutel is tot de werking ervan.

Elke slot is bijvoorbeeld λ/2 in lengte en met vier slots is de totale lengte bedragen tot 2λ (4 × λ/2).Dit ontwerp helpt bij het optimaliseren van het vermogen van de antenne om signalen effectief uit te stralen.

Figuur 2. Labelte structuur van de slotantenne

Hoe werkt een slotantenne?

Glotantennes werken op basis van het principe van Babinet, dat een beetje lijkt op een "spiegelafbeelding" -regel.Het principe stelt dat twee complementaire structuren-zoals de slotantenne en een halve golf dipoolantenne-hetzelfde diffractiepatroon zullen produceren, maar op tegengestelde manieren.De slotantenne en een halve golfdipool delen een soortgelijk ontwerp, maar het verschil is in hoe ze zijn geconstrueerd.Als je het slot in een geleidend materiaal zou "spiegelen", zou je een half-golf dipoolantenne krijgen.Dus in zekere zin kan de slotantenne worden beschouwd als het "tegenovergestelde" van zijn complementaire dipoolantenne.

Hoe straalt een sleuf -antenne signalen uit?

Kijkend naar het stralingspatroon van een sleufantenne, is de richting van de elektrische en magnetische velden belangrijk om te begrijpen hoe het werkt.Wanneer de slotantenne horizontaal wordt geplaatst, is het elektrische veld in lijn met de y-as en komt het magnetische veld uit met de x-as.Dit resulteert in een verticaal gepolariseerd signaal.Als de antenne verticaal wordt geplaatst, schakelt de signaalpolarisatie over naar horizontaal.

Figuur 3. Slotantenne en zijn complementaire dipoolantenne

Dit gedrag staat in contrast met een dipoolantenne.Wanneer een dipool horizontaal is georiënteerd, straalt deze een horizontale signaalpolarisatie uit en als deze verticaal wordt geplaatst, zal deze een verticale polarisatie produceren.In eenvoudige bewoordingen is de polarisatie van een sleufantenne omgekeerd evenredig met de oriëntatie ervan.Dus als u de slotantenne van horizontaal naar verticaal draait, draait deze signaalpolarisatie.Een dipool daarentegen onderhoudt een directe relatie tussen zijn oriëntatie en de polarisatie van het signaal.

Belangrijke verschillen tussen slot- en dipoolantennes

Slotantennes en dipoolantennes verschillen op verschillende manieren en beïnvloeden hun prestaties, ontwerp en toepassingen.Hieronder is een uitsplitsing van hun belangrijkste verschillen:

Communicatiebereik: slot -antennes ondersteunen over het algemeen langere communicatie -afstanden vanwege hun directionele aard en hoge efficiëntie, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen die een uitgebreide dekking vereisen.Dipoolantennes zijn daarentegen beter geschikt voor communicatie met korte tot middellange afstand.

Mechanische stabiliteit: een slotantenne wordt meestal geïntegreerd in een metaaloppervlak, zoals een romp van vliegtuigen of een grondvlak, waardoor het mechanisch sterker en duurzamer wordt.Dipoolantennes, vooral dunne draad- of zweepsoorten, zijn kwetsbaarder en vatbaarder voor buigen of breken onder fysieke stress.

Bandbreedte: slotantennes bieden vaak een bredere bandbreedte, waarmee ze meerdere frequenties en diverse toepassingen kunnen ondersteunen.Dipoolantennes daarentegen hebben een smallere bandbreedte, waardoor hun flexibiliteit in frequentieselectie wordt beperkt.

Overwegingen van de grootte: slotantennes zijn meestal groter vanwege hun afhankelijkheid van een geleidend oppervlak voor werking.Dit kan een beperkende factor zijn voor compacte ontwerpen.Dipoolantennes zijn in vergelijking typisch kleiner en lichter, waardoor ze gemakkelijker te integreren zijn in systemen met ruimtebeperkte systemen.

Frequentiebereik: slotantennes werken effectief tussen 300 MHz en 30 GHz, met een breed spectrum dat wordt gebruikt in hoogfrequente toepassingen zoals radar- en satellietcommunicatie.Dipoolantennes daarentegen functioneren het beste in het bereik van 20 MHz tot 2,2 GHz, waardoor ze meer gebruikelijk zijn in toepassingen met een lagere frequentie zoals FM-uitzending en kortegolfcommunicatie.

Toepassingen van slotantennes

Glotantennes worden op grote schaal gebruikt in verschillende industrieën vanwege hun efficiëntie, directionele straling en aanpassingsvermogen.Hieronder staan ​​enkele real-world applicaties:

Medische beeldvorming:

Glotantennes spelen een sleutelrol in röntgen- en CT-scanapparaten.Ze helpen bij het vastleggen van microgolfsignalen die door het systeem worden gegenereerd, waardoor nauwkeurige beeldvormingsresultaten worden gewaarborgd.

Ze werken in combinatie met piëzo -elektrische kristallen, die elektrische signalen omzetten in mechanische trillingen voor beeldvormingsdoeleinden.

Hun vermogen om een ​​breed scala aan frequenties af te handelen zorgt voor precieze en gedetailleerde scanuitgangen.

Satellietcommunicatie:

Gebruikt in satellietgerechten voor signaaltransmissie en ontvangst tussen satellieten en grondstations.

De hoge gainkarakter van slotantennes zorgt voor efficiënte communicatie over lange afstand, cruciaal voor stabiele satellietnetwerken.

Ze helpen het signaalverlies te minimaliseren en de efficiëntie te maximaliseren in tv-uitzending en data-overdracht van Direct-T-Home (DTH).

Radarsystemen:

Vaak aangetroffen in militaire surveillance, luchtverkeerscontrole en weermonitoring.

Hun directionele stralingspatroon zorgt voor precieze detectie en tracking van objecten.

Geavanceerde polarisatietechnieken verbeteren hun vermogen om onderscheid te maken tussen doelen en achtergrondruis.

Wireless Sensor Networks (WSNS):

Geïntegreerd in IoT -apparaten en industriële draadloze netwerken voor naadloze gegevensverzameling en transmissie.

Hun vermogen om efficiënt over lange afstanden te functioneren, maakt ze ideaal voor toepassingen zoals omgevingsmonitoring, activa -tracking en slimme rastercommunicatie.

Ruimtevaart en verdediging:

Geïnstalleerd in militaire vliegtuigen, satellieten en drones voor veilige en interferentiebestendige communicatie.

Gebruikt in elektronische oorlogvoeringsystemen om vijandelijke signalen te detecteren, jammen of tegen te gaan.

Op drones gemonteerd voor verkennings- en bewakingsmissies met een laag risico.

Voordelen van slotantennes

Slot -antennes bieden meerdere voordelen waardoor ze een uitstekende keuze zijn voor veel draadloze communicatiesystemen:

High Power Handling: in tegenstelling tot traditionele antennes, kunnen slotantennes hoog vermogen niveaus weerstaan ​​zonder oververhitting of afbreken.Deze functie is cruciaal voor toepassingen die continue werking vereisen onder krachtige transmissie.

Minimale interferentie met nabijgelegen antennes: vanwege hun lage wederzijdse koppeling kunnen slotantennes dicht bij andere antennes worden geplaatst zonder significante interferentie te veroorzaken.Dit is met name handig in multi-antennesystemen, zoals radararrays en satellietnetwerken.

Integratie in PCB- en elektronische planken: slotantennes kunnen direct worden ingebed in gedrukte printplaten (PCB's), waardoor de behoefte aan externe antennecomponenten wordt verminderd.Dit maakt ze ideaal voor compacte elektronische apparaten zoals draadloze communicatiemodules en draagbare medische apparatuur.

Flexibiliteit en betrouwbaarheid: hun robuuste constructie en het vermogen om in metalen oppervlakken te worden ingebed, maken ze zeer duurzaam in extreme omgevingen.Slotantennes worden veel gebruikt in industriële en militaire toepassingen waar betrouwbaarheid een belangrijke vereiste is.

Kosteneffectief ontwerp: het eenvoudige structurele ontwerp van slotantennes maakt ze betaalbaarder om te produceren in vergelijking met meer complexe antennetypen.Hun onderhoudsarme vereisten verminderen verder de operationele kosten op lange termijn.

Nadelen van slotantennes

Ondanks hun voordelen hebben slotantennes ook enkele beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden:

Zwaarder gewicht: omdat slotantennes meestal worden geïntegreerd in metalen oppervlakken of golfgeleiders, kunnen ze zwaarder zijn in vergelijking met traditionele op draad gebaseerde antennes.Dit kan uitdagingen opleveren in gewichtsgevoelige toepassingen, zoals in kleine drones of handheld communicatieapparaten.

Lagere stralingsefficiëntie: slotantennes hebben meestal hogere verliezen vanwege hun ontwerp, met name wanneer ze worden geïmplementeerd in diëlektrisch-geladen golfgeleiders.Dit kan van invloed zijn op de algehele systeemefficiëntie, waardoor extra vermogen nodig is om de gewenste signaalsterkte te bereiken.

Kruispolarisatieproblemen: slotantennes kunnen een hoge mate van kruispolarisatie vertonen, wat in sommige toepassingen kan leiden tot verminderde signaalhelderheid.Zorgvuldige ontwerpoverwegingen zijn nodig om ongewenste polarisatie -effecten te minimaliseren, vooral in gevoelige radar- en communicatiesystemen.

Impedantie van een slotantenne

De impedantie van een slotantenne speelt een cruciale rol bij het definiëren van de spanningsverdeling en het elektrische veldgedrag in de antenne.Deze impedantie bepaalt hoe efficiënt de stromen die rond de slot circuleren, dragen bij aan straling.

Relatie tussen slotantenne en dipoolantenne -impedantie

Figuur 4. Echte en denkbeeldige impedantie van slotantennes

De impedantie van een slotantenne is wiskundig gerelateerd aan de impedantie van zijn complementaire dipoolantenne.De relatie wordt uitgedrukt door de formule:

Waar:

= Impedantie van de slotantenne

= Impedantie van de complementaire dipoolantenne

= Intrinsieke impedantie van vrije ruimte (meestal of ongeveer 376,7Ω)

Voorbeeldberekening

Gegeven:

Dipoolantenne -impedantie

Intrinsieke impedantie van vrije ruimte

De formule gebruiken:

De waarden vervangen:

Aldus is de impedantie van de slotantenne ongeveer 487Ω.

Hoe impedantie de verzwakking beïnvloedt

Verzwakking verwijst naar de vermindering van de signaalsterkte terwijl het zich door een medium voortplant.De impedantie van een antenne beïnvloedt de verzwakking door de efficiëntie van de signaaloverdracht te beïnvloeden.

Factoren die de verzwakking beïnvloeden

Verzwakking wordt beïnvloed door:

TRANSMISSIE Mediumkenmerken - Materialen zoals lucht, diëlektrische stoffen of geleiders beïnvloeden signaalverlies.

Signaalfrequentie - Hogere frequenties hebben de neiging om meer verzwakking te ervaren.

Voortplantingsafstand - Hoe verder een signaal reist, hoe meer energie het verliest.

Obstakels in het pad - fysieke barrières zoals gebouwen, bomen en muren veroorzaken reflectie, diffractie en absorptie.

Impact van hoge impedantie

Een slotantenne met hogere impedantie verbetert de signaalefficiëntie door de verzwakking te verminderen.Dit gebeurt omdat:

Het minimaliseert stroomverlies door reflecties.

Het verbetert de impedantie -matching, wat leidt tot betere energieoverdracht.

Het vermindert interferentie van obstakels door een sterker signaal te handhaven.

Veldcomponenten van een slotantenne

Het principe van Babinet stelt dat de veldcomponenten van een sleufantenne en de complementaire dipoolantenne nauw verwant zijn, maar verwisseld zijn.Dit betekent:

Het elektrische veld (e-veld) van de dipool komt overeen met het magnetische veld (H-veld) van de slotantenne.

Het magnetische veld (H-veld) van de dipool komt overeen met het elektrische veld (e-veld) van de slotantenne.

Om onderscheid te maken tussen hen, wordt notatie gebruikt:

Glotantenne -veldcomponenten worden weergegeven met een subscript "S".

Dipoolantenne -veldcomponenten worden weergegeven met een subscript "C".

Veldcomponentvergelijkingen

De relatie tussen de velden wordt gegeven door:

Dit betekent dat als u de veldsterkte van één antenne kent, u de veldsterkte van de complementaire antenne kunt berekenen.

Belangrijke overwegingen

Polarisatie is omgekeerd tussen de twee antennes.

De juiste impedantie -matching is vereist om de efficiëntie te behouden.

Directionele kenmerken verschillen, wat hun gebruik in praktische toepassingen beïnvloedt.

Opgeloste voorbeelden

Voorbeeld 1: Magnetische veldcomponent van een slotantenne

Gegeven:

Elektrisch veldcomponent van de dipoolantenne:

Intrinsieke impedantie van vrije ruimte:

De vergelijking gebruiken:

Waarden vervangen:

Aldus is de magnetische veldcomponent van de slotantenne -14.1 A/m.

Voorbeeld 2: Elektrisch veldcomponent van een dipoolantenne

Gegeven:

Magnetische veldcomponent van de slotantenne:

Intrinsieke impedantie van vrije ruimte:

De vergelijking herschikken om op te lossen :

Waarden vervangen:

Aldus is de elektrische veldcomponent van de dipoolantenne -5,7 × 10¹¹ v/m.Het negatieve teken geeft de tegenovergestelde polarisatie tussen de twee antennes aan.