Antennmatning

En radiosändare eller mottagare är ansluten till en antenn som sänder ut eller tar emot radiovågorna . Antennmatningssystemet eller antennmatningen är kabeln eller ledaren, och annan tillhörande utrustning, som förbinder sändaren eller mottagaren med antennen och gör de två enheterna kompatibla . I en radiosändare genererar sändaren en växelström av radiofrekvens och matningssystemet matar strömmen till antennen, som omvandlar effekten i strömmen till radiovågor. I en radiomottagare exciterar de inkommande radiovågorna små växelströmmar i antennen och matningssystemet levererar denna ström till mottagaren som bearbetar signalen.

För att överföra radiofrekvensström effektivt måste matningsledningen som ansluter sändaren eller mottagaren till antennen vara en speciell typ av kabel som kallas transmissionslinje . Vid mikrovågsfrekvenser används ofta vågledare , som är ett ihåligt metallrör som bär radiovågor. I en parabolantenn (skål) definieras matningen vanligtvis även till att inkludera matningsantennen ( matarhorn ) som sänder ut eller tar emot radiovågorna. Särskilt i sändare är matningssystemet en kritisk komponent vars impedans matchar antennen, matningsledningen och sändaren. För att åstadkomma detta kan matningssystemet även innefatta kretsar som kallas antennavstämningsenheter eller matchande nätverk mellan antennen och matningsledningen och matningsledningen och sändaren. På en antenn matningspunkten den punkt på det drivna antennelementet vid vilken matningsledningen är ansluten.

Komponenter

I en sändare anses antennmatningen vara alla komponenter mellan sändarens slutförstärkare och matningsantennen. I en mottagare är det alla komponenter mellan antennen och mottagarens ingångar. I vissa fall, t.ex. parabolskålar, är det också definierat att inkludera matningsantennen eller matarhornet .

I vissa radioapparater är antennen ansluten direkt till sändaren eller mottagaren, till exempel piskaantennerna monterade på walkie talkies och portabla FM-radioapparater , hylsan för dipolantenner på trådlösa routrar och PIFA -antennerna inuti mobiltelefoner. I detta fall består matningssystemet bara av en impedansmatchningskrets (om det behövs) mellan antennen och sändaren eller mottagaren, som matchar antennens impedans mot radion.

I andra fall är antennen placerad separat från sändaren eller mottagaren, såsom TV-antenner och parabolantenner monterade på hustaken, sektorantennen på celltorn på cellulära basstationer , de roterande radarantennerna på flygplatser och antennen torn av radio- och tv-stationer . I det här fallet är antennen ansluten till sändaren eller mottagaren med en kabel som kallas matningsledning . För att effektivt överföra radiofrekvensströmmen (RF) är matningsledningen gjord av en specialiserad kabel som kallas transmissionslinje . Fördelen med transmissionsledning är att den har en enhetlig karakteristisk impedans för att undvika abrupta impedanssteg som gör att radioenergin reflekteras tillbaka ner i ledningen. De huvudsakliga typerna av transmissionsledningar är parallella trådar ( Twin lead ), koaxialkabel och för mikrovågsvågledare .

Matningslinje

I en radioantenn är matningsledningen ( matarledningen ), eller mataren , kabeln eller annan överföringsledning som förbinder antennen med radiosändaren eller mottagaren . I en sändarantenn matar den radiofrekvensströmmen (RF) från sändaren till antennen, där den utstrålas som radiovågor . I en mottagande antenn överför den den lilla RF-spänningen som induceras i antennen av radiovågen till mottagaren. För att transportera RF-ström effektivt är matningsledningar gjorda av specialiserade typer av kabel som kallas transmissionsledning . De mest använda typerna av matningsledningar är koaxialkabel , dubbelledning , stegledning och vid mikrovågsfrekvenser , vågledare .

Särskilt med en sändarantenn är matningsledningen en kritisk komponent som måste justeras för att fungera korrekt med antennen och sändaren. Varje typ av transmissionsledning har en specifik karakteristisk impedans . Detta måste anpassas till impedansen hos antennen och sändaren för att effektivt överföra ström till antennen. Om dessa impedanser inte matchas kan det orsaka ett tillstånd som kallas stående vågor på matningsledningen, där RF-energin reflekteras tillbaka mot sändaren, vilket slösar energi och eventuellt överhettar sändaren. Denna justering görs med en enhet som kallas en antenntuner i sändaren, och ibland ett matchande nätverk vid antennen. Graden av oöverensstämmelse mellan matningsledningen och antennen mäts av ett instrument som kallas SWR-mätare (standing wave ratio meter), som mäter stående wave ratio (SWR) på linjen.

Egenskaper hos några vanliga foderlinjer
kabeltyp _	impedans ( $Ω$ )	hastighetsfaktor ) ( % $c$
dubbla ledningar	300 Ω	82 %
steglinje	450 Ω, 600 Ω	95%~99%
lirka	50 Ω, 75 Ω	66% (fast) 80% (skum)

Twin-lead

Tvillingkabel används för att ansluta FM-radio och TV-mottagare med sina antenner, även om den till stor del har ersatts i den senare applikationen med koaxialkabel, och som en matningsledning för lågeffektsändare som amatörradiosändare . Den består av två trådledare som löper parallellt med varandra med ett exakt konstant avstånd, gjutna i polyetenisoleringsmaterial i en platt bandliknande kabel. Avståndet mellan de två ledningarna är litet i förhållande till våglängden på RF-signalen som bärs på tråden. RF- strömmen i en tråd är lika stor och motsatt i riktning mot RF-strömmen på den andra tråden. Således, långt från linjen, kommer radiovågorna som utstrålas av en tråd att vara motsatta i fas och kommer att eliminera vågorna som utstrålas av den andra tråden.

Av samma anledning är tvillingledning också till stor del immun mot radiobrus och radiofrekvensstörningar (RFI), så länge som båda ledningarna hålls lika långt från alla stora metallföremål eller andra parallella ledningar. Alla oönskade externa radiovågor inducerar lika stora strömmar i samma riktning (i fas) på båda ledningarna. Eftersom så länge som mottagarens ingång är balanserad, reagerar den bara på differentiella (motsatta) strömmar, elimineras brusströmmarna.

Tvillingkabel kallas vanligtvis en typ av " balanserad linje ", men detta måste modereras med sunt förnuft: Alla typer av kablar, antingen parallelltråd eller koaxial, kan bära balanserad ström, och alla kan bära obalanserad ström, vilket kommer att stråla. Av den anledningen kräver varje typ av foderledning lite uppmärksamhet för att göra den "balanserad" och kan bli "obalanserad" om den försummas; baluns av strömtyp (eller "ledningsisolatorer") på några punkter längs linjen, för att ta bort bruset som kommer in som obalanserad ström.

Koaxialkabel

Koaxialkabelmatningsledning som kommer från en VHF- jordplansantenn .

Koaxialkabel är förmodligen den mest använda typen av matningsledning, som används för frekvenser under mikrovågsområdet ( SHF ) . Den består av en mittledare av tråd och en flätad eller solid metallisk "skärm"-ledare, vanligtvis koppar eller aluminium som omger den. Mittledaren är separerad från den yttre skärmen av ett dielektriskt skum, vanligtvis plastskum, för att hålla avståndet mellan de två ledarna exakt konstant. Skölden är täckt med en yttre plastisoleringsmantel. I hårdkoaxialkabel , som används för högeffektssändningstillämpningar som TV-sändare , är skärmen ett styvt eller flexibelt metallrör som innehåller en komprimerad gas som kväve , och den inre ledaren hålls centrerad med periodiska plastdistanser.

Coax kallas " obalanserad linje ", eftersom skärmledaren vanligtvis är ansluten till elektrisk jord , men strömmarna som flyter längs mittledaren balanseras av motsatta strömmar som skummar längs skärmens inre yta; endast strömmen som flyter på koaxialskärmens yttre yta är faktiskt obalanserad. Om den strömmen kan blockeras, blir koaxialen en "balanserad linje". Koaxialkabelns stora fördel är att den omslutande skärmledaren isolerar kabelns inre strömmar från externa elektromagnetiska fält. Om strömmarna som flyter på den yttre ytan blockeras, blir koaxialen opåverkad av närliggande metallföremål och immun mot störningar.

Vågledare

Komplicerad vågledarmatning av en militär radar

Vågledare används vid mikrovågsfrekvenser ( SHF ), där andra typer av matningsledningar har för stora effektförluster. En vågledare är en ihålig metallisk ledare eller rör. Den kan ha ett cirkulärt eller kvadratiskt tvärsnitt. Vågledarkörningar är ofta trycksatta med kvävgas för att hålla fukt ute. RF -signalen färdas genom röret på samma sätt som ljudet färdas i ett rör. Metallväggarna hindrar den från att stråla ut energi utåt och förhindrar även störningar från att komma in i vågledaren. På grund av de kostnader och det underhåll som vågledaren medför, har mikrovågsantenner ofta utgångssteget för sändaren eller RF-fronten på mottagaren placerad vid antennen, och signalen matas till eller från resten av sändaren eller mottagaren på en lägre nivå. frekvens, med hjälp av koaxialkabel. En vågledare anses vara en obalanserad transmissionsledning .

Impedansmatchning

Speciellt med en sändarantenn är antennmatningen en kritisk komponent som måste justeras för att fungera kompatibelt med antennen och sändaren. Sändarens utgångsterminaler, transmissionsledningen och antennen har var och en en specifik karakteristisk impedans , vilket är förhållandet mellan spänning och ström vid enhetens terminaler. För att överföra maximal effekt mellan sändaren och antennen måste sändaren och matningsledningen impedansanpassas till antennen. Detta innebär att sändaren och antennen måste ha samma resistans och lika men motsatt reaktans . Matningsledningen måste också impedansanpassas till sändaren. Om detta villkor är uppfyllt kommer antennen att absorbera all kraft som tillförs av matningsledningen. Om impedanserna i vardera änden av linjen inte stämmer överens, kommer det att orsaka ett tillstånd som kallas " stående vågor " (hög VSWR ) på matningsledningen, där en del av RF-effekten inte utstrålas av antennen utan reflekteras tillbaka mot sändare, slöseri med energi och eventuellt överhettning av sändaren. De flesta sändare har en standardutgångsimpedans på 50 ohm , designad för att mata 50 ohm koaxialkabel

Sändaren matchas till matningsledningen av en enhet som kallas en antenntuner , antennavstämningsenhet eller matchande nätverk , som kan vara en krets i sändaren, eller en separat utrustning som är ansluten mellan sändaren och matningsledningen. Det kan finnas ett annat matchande nätverk mellan antennen och matningsledningen för att matcha matningsledningen till antennen. I trådlösa konsumentenheter som arbetar med fasta frekvenser är det matchande nätverket inte justerbart och är inneslutet i enhetens fodral. I stora sändare som sändningsstationer och sändare som kan fungera på olika frekvenser som kortvågsstationer, är antenntunern justerbar. Ändringar i sändarfrekvensen eller justeringar av sändarens utgångssteg eller antenn ändrar typiskt impedansen, så efter att något arbete har utförts på sändaren eller antennen måste SWR kontrolleras och det matchande nätverket justeras. För att justera matchningsnätverket mäts graden av oöverensstämmelse mellan matningsledningen och antennen med ett instrument som kallas SWR-mätare (stående vågkvotsmätare), som mäter stående vågförhållande (SWR) på linjen: förhållandet mellan det intilliggande maximumet och minsta spänning eller ström på linjen. Ett förhållande på 1:1 indikerar en impedansmatchning, vilket betyder att belastningen är helt resistiv så att all kraft absorberas och ingen reflekteras. Ett högre förhållande indikerar en missanpassning och reflekterad effekt. Matchningsnätverket justeras tills SWR är under en acceptabel gräns.

Eftersom i en impedansmatchad sändare är sändarens källresistans lika med antennbelastningsresistansen, och båda är i serie i matningsledningen och förbrukar lika mycket effekt, är den maximala effekten som kan levereras till antennen 50 % av sändarens uteffekt. ; de andra 50 % avleds som värme i sändarens slutstegsresistans.

I radiomottagare orsakar en impedansmissanpassning med antennen en liknande minskning av signalenergin från antennen som når mottagaren. Men vid lägre frekvenser under 40 MHz är detta inte ett sådant problem, eftersom det termiska brusgolvet i mottagare är långt under atmosfäriskt brus , så den svaga signalen från antennen kan helt enkelt förstärkas i mottagaren för att kompensera för effektbortfall från eventuell oöverensstämmelse, utan att förorena den med buller.

Balanserade och obalanserade matningar

Överföringsledningar och deras anslutna komponenter kan klassificeras som antingen balanserade, där båda sidor av ledningen har samma impedans mot jord, till exempel dipolantenner och parallella trådledningar , eller obalanserade, där ena sidan av ledningen är ansluten till jord , till exempel monopolantenner och koaxialkabel . För att ansluta balanserade och obalanserade komponenter används en tvåportsenhet som kallas en balun . En balun är en transformator som kopplar mellan balanserade och obalanserade transmissionsledningskomponenter. Till exempel för att mata en dipolantenn från en obalanserad matningsledning som koaxialkabel, är matningsledningen ansluten till antennen genom en balun . Utan balun kommer den obalanserade delen av strömmen att flyta på utsidan av koaxialkabelns skärm, vilket gör att skärmens yttre yta fungerar som en antenn.

Andra foderkomponenter

Komplicerad vågledarantennmatning för en typisk militär radar .

Mer komplicerade flöden kan ha andra komponenter förutom flödeslinjen och matchande nätverk:

En mottagande antenn med en lång matningslinje kan ha en förstärkare vid antennen, en så kallad lågbrusförstärkare (LNA) som ökar kraften hos de svaga radiosignalerna för att kompensera för dämpningen i matningsledningen.

Vid mikrovågsfrekvenser har vanliga typer av transmissionsledningar för stora effektförluster, så för låga förluster måste mikrovågor bäras av vågledaren , ett ihåligt metallrör som leder radiovågorna. På grund av de höga kostnaderna och underhållskraven undviks långa vågledarkörningar och parabolantennerna som används vid mikrovågsfrekvenser har ofta RF-fronten på mottagaren, eller delar av sändaren, placerad vid antennen. Till exempel i parabolantenner är matarhornet på skålen som samlar mikrovågorna anslutet till en krets som kallas en lågbrusblocknedkonverterare (LNB eller LNC), som omvandlar den höga mikrovågsfrekvensen till en lägre mellanfrekvens , så att den kan överföras till byggnaden med en billigare koaxialkabelmatning.

Radar- och satellitkommunikationsantenner kan hantera radiovågor med flera frekvenser och polarisationer och kan användas som både sändande och mottagande antenner, så matningssystemet bär radiosignaler i båda riktningarna. Därför har dessa antenner ofta mer komplicerade flöden som inkluderar specialiserade komponenter som

riktningskopplare , som kopplar ut radiovågor som rör sig i en riktning men inte den andra, för att separera den mottagna signalen från den sända signalen
polarisatorer som passerar radiovågor av en polarisation
ortomodgivare som kombinerar eller separerar radiosignaler med olika polarisationer
diplexrar som kombinerar eller separerar två olika frekvenser
fasskiftare , som ändrar fasen för radiovågorna
vågledaromkopplare
vågledare roterande leder

En arrayantenn eller antenn array består av flera antenner som är anslutna till en enda sändare eller mottagare som arbetar tillsammans för att sända ut eller ta emot radiovågorna. Matningssystemen för gruppantenner är förståeligt nog mer komplexa än enstaka antenner. Matningsnätverket måste fördela sändareffekten jämnt mellan antennerna. För att sända ut en plan våg måste de individuella antennerna (elementen) i en sändningsgrupp matas med ström med ett specifikt fasförhållande . På samma sätt med mottagande arrayer kan strömmarna från varje element behöva fasförskjutas så att de kombineras i fas i mottagaren. Detta kan kräva fasskiftande nätverk vid varje element. I fasstyrda arrayantenner, en typ av arrayantenn där strålen kan styras elektroniskt i olika riktningar, matas varje antennelement ström genom en programmerbar fasskiftare, som styrs av en dator.

Se även