https://www.youtube.com/watch?v=Du0G9MiH0sU
Antena aktywna potrafi rozwiązać problemy, których sama antena pasywna nie usuwa: straty w kablu, niedopasowanie impedancji, zbyt niski poziom sygnału przy odbiorniku albo zmiany charakterystyki po zamontowaniu urządzenia w obudowie. Dlatego projektant musi rozumieć nie tylko geometrię promiennika, lecz także pracę wzmacniacza, filtrów i toru radiowego. Od tych decyzji zależą zasięg, stabilność połączenia, odporność na zakłócenia i realna przepustowość łącza.
W nowoczesnych urządzeniach mobilnych i systemach bazowych coraz częściej stosuje się układy, które kompensują zmiany dopasowania anteny. Źródłem takich zmian może być obudowa, położenie ręki użytkownika, bliskość głowy, przewód koncentryczny albo metalowe elementy konstrukcji. Dobrze zaprojektowany system aktywny pomaga utrzymać stabilny tor odbiorczy i nadawczy, ale nie zastępuje poprawnego projektu anteny pasywnej.
Co to jest antena aktywna?
Antena aktywna to antena, w której promiennik współpracuje z elementami aktywnymi, najczęściej ze wzmacniaczem niskoszumowym LNA, filtrem, układem dopasowania albo kompletnym modułem radiowym. W praktyce oznacza to, że część elektroniki znajduje się bardzo blisko punktu zasilania anteny. Takie rozwiązanie ogranicza wpływ strat w przewodzie i poprawia stosunek sygnału do szumu, szczególnie w odbiorze słabych sygnałów.
Nie znaczy to, że antena aktywna nie ma elementów pasywnych. Sam promiennik, ścieżki RF, linie zasilające, złącza i elementy dopasowujące nadal są częścią projektu. Różnica polega na tym, że do klasycznej struktury antenowej dodaje się elektronikę, która wzmacnia, filtruje albo kształtuje sygnał. W stacjach bazowych pozwala to lepiej wykorzystać miejsce na maszcie i zwiększyć pojemność sieci bez dokładania osobnych, rozproszonych bloków RF.
Aktywny system antenowy AAS jest rozwinięciem tej koncepcji. W takim systemie antena jest zintegrowana z wieloma torami nadawczo-odbiorczymi, a amplituda i faza sygnałów są sterowane elektronicznie. Dzięki temu możliwe jest formowanie wiązki, obsługa MIMO oraz równoległe przesyłanie kilku strumieni przestrzennych z jednej macierzy antenowej.
Antena aktywna a antena pasywna
Aktywny projekt anteny
https://www.youtube.com/watch?v=J9aYHfWDFbs
Projekt anteny aktywnej zaczyna się od poprawnego promiennika. Często myli się tu dwie rzeczy: aktywność toru elektronicznego i geometrię samej anteny. Przykładem jest antena helikalna, która może zapewniać polaryzację kołową. Jej promiennik nawija się zwykle na cylindrycznym karkasie, a średnica, skok zwoju i liczba zwojów decydują o zysku, kierunkowości i paśmie pracy. Jeżeli tor nadawczy i odbiorczy wykorzystują polaryzację kołową, oba elementy muszą mieć zgodną skrętność; w przeciwnym razie tłumienie polaryzacyjne może być bardzo duże.
Aktywna antena wysokiej częstotliwości
Aktywne anteny odbiorcze dla zakresu od około 100 kHz do 80 MHz stosuje się tam, gdzie nie ma miejsca na pełnowymiarową antenę dla pasm LF, MF lub HF. Krótki promiennik ma bardzo małą skuteczną wysokość i wysoką impedancję źródła, dlatego wymaga bufora wejściowego o dużej impedancji oraz dobrej liniowości. Wyjście takiego układu dopasowuje się zwykle do kabla koncentrycznego 50 ohm, a wejście zabezpiecza przed ładunkami elektrostatycznymi i przepięciami.
W takich konstrukcjach spotyka się tranzystory JFET, na przykład J310, oraz stopnie wyjściowe push-pull. Celem nie jest tylko duże wzmocnienie, lecz przede wszystkim niski poziom szumów i wysoki zakres dynamiczny drugiego oraz trzeciego rzędu. To ogranicza intermodulację przy odbiorze silnych sygnałów. Układ można zasilać osobnym przewodem albo przez kabel koncentryczny, podając napięcie przez dławik lub układ bias-tee.
Dla szerokopasmowych anten odbiorczych często stosuje się teleskopowy promiennik o długości około 1,9 m. W dolnej części pasma HF jest on nadal elektrycznie krótki, więc obwód wejściowy widzi niewielką pojemność względem ziemi, rzędu kilkudziesięciu pikofaradów. Wydłużenie promiennika, na przykład do około 2,5 m, zwiększa poziom sygnału, ale w środowisku z silnymi nadajnikami może przeciążyć stopień aktywny i pogorszyć intermodulację.
Anteny aktywne: Plusy i minusy
https://www.youtube.com/watch?v=qXkCpXQwLos
Największą zaletą aktywnych systemów antenowych jest lepsze wykorzystanie dostępnego widma. Formowanie wiązki, MIMO i praca wielu torów radiowych pozwalają zwiększyć pojemność sieci bez prostego poszerzania pasma. W praktyce poprawa zależy od środowiska radiowego, liczby użytkowników, konfiguracji stacji bazowej i urządzeń końcowych, dlatego nie należy traktować jej jako stałej wartości. W wyższych pasmach częstotliwości precyzyjne sterowanie wiązką jest szczególnie ważne, bo pomaga kompensować większe tłumienie propagacyjne i poprawia pokrycie wewnątrz budynków.
Antena aktywna jest szczególnie przydatna, gdy między anteną a odbiornikiem pojawia się dłuższy przewód RF. Wzmacniacz umieszczony przy antenie może skompensować straty kabla, zanim sygnał zostanie osłabiony. Trzeba jednak dobrać LNA tak, aby nie przesterował kolejnych stopni odbiornika przy silnych sygnałach lokalnych.
Zalety
Filtr może być zintegrowany bezpośrednio z modułem antenowym, więc niepożądane sygnały są tłumione jeszcze przed długim odcinkiem kabla i przed wejściem odbiornika.
Wzmacniacz niskoszumowy przy antenie pomaga utrzymać niski współczynnik szumów całego toru odbiorczego.
Aktywna elektronika lepiej znosi straty krótkiego kabla i umiarkowane niedopasowanie impedancji niż prosta antena pasywna podłączona bezpośrednio do odbiornika.
Wady
Antena aktywna wymaga zasilania. Typowe małe moduły odbiorcze pobierają od kilkunastu do kilkudziesięciu miliwatów, często około 10-60 mW, podczas gdy antena pasywna nie potrzebuje zasilania wcale. Dochodzą też ryzyka: przesterowanie wzmacniacza, większa wrażliwość na wyładowania elektrostatyczne i konieczność poprawnego prowadzenia masy oraz zasilania.
Ostrzeżenie dotyczące instalacji i rozważania dotyczące lokalizacji
Nie wolno instalować anteny w pobliżu linii energetycznych ani przewodów instalacji elektrycznej. Dotknięcie anteną, masztem albo linką odciągową do przewodów pod napięciem grozi śmiercią lub ciężkimi obrażeniami. Dotyczy to zarówno anten nadawczych, jak i odbiorczych.
Antena odbiorcza powinna pracować możliwie daleko od dużych źródeł zakłóceń: budynków z instalacją elektryczną, linii zasilających, masztów z nadajnikami, zasilaczy impulsowych i metalowych konstrukcji. Ogrodzenie, rynna, ekranowany kabel albo stalowy element budynku może zachowywać się jak niezamierzona antena, odbierać zakłócenia i ponownie je wypromieniowywać.
Przy jednym dominującym, kierunkowym źródle szumu można zastosować kontroler fazowania anten odbiorczych, na przykład DXE-NCC-1, współpracujący z dwiema antenami odbiorczymi. Odpowiednie ustawienie amplitudy i fazy pozwala częściowo wygasić zakłócenie, choć skuteczność zależy od geometrii instalacji i charakteru źródła szumu.
Przy planowaniu lokalizacji trzeba uwzględnić najniższą częstotliwość pracy, bo to ona wyznacza największą długość fali. Dobrą praktyką jest odsunięcie anteny odbiorczej od anteny nadawczej możliwie daleko, docelowo około 1/2 długości fali, jeśli pozwala na to teren. Zmniejsza to sprzężenie wzajemne i ryzyko przenoszenia zakłóceń. Jeśli antena odbiorcza znajduje się bliżej, na przykład od 1/10 do 1/2 długości fali od anteny nadawczej, aktywny układ odbiorczy należy odłączać lub chronić przed nadawaniem z odpowiednim wyprzedzeniem, rzędu kilku milisekund.
Wniosek
Rozwój IoT, sieci komórkowych i urządzeń pracujących w wielu pasmach sprawił, że antena przestała być prostym dodatkiem do projektu. W nowoczesnym urządzeniu liczy się cały tor: promiennik, dopasowanie, filtracja, wzmacniacz, prowadzenie masy, zasilanie i odporność na zakłócenia. Antena aktywna może poprawić czułość, ograniczyć wpływ kabla i zwiększyć elastyczność systemu, a w sieciach 5G aktywne macierze antenowe umożliwiają formowanie wiązek oraz obsługę wielu użytkowników jednocześnie. Nie jest to jednak rozwiązanie automatycznie lepsze w każdym zastosowaniu. Tam, gdzie sygnał jest silny, odległość do odbiornika krótka, a budżet mocy ograniczony, antena pasywna nadal może być najlepszym wyborem.