Antenna konstrukciók Illesztés (az adóberendezés illesztése a szabad térhez)

Az előadások a következő témára: "Antenna konstrukciók Illesztés (az adóberendezés illesztése a szabad térhez)"— Előadás másolata:

1 Antenna konstrukciók Illesztés (az adóberendezés illesztése a szabad térhez)

2 Antenna konstrukciók esetén tökéletes illesztés,
azonban ez általában egy frekvencián, vagy szűk sávban közelíthető meg. Az illesztő egység az antenna. A megfelelő konstrukció kialakítása működési frekvencia függő. A konstrukciót a kívánt sugárzási karakterisztika is meghatározza

3 Antenna konstrukciók Antenna fogalmak:
Polarizáció: a sugárzási vektor (S) villamos összetevőjének (E) iránya Polarizációs sík: a terjedés irányára merőleges síkban leírt alakzat. Antenna nyereség: Az antenna az úgynevezett antenna nyereséggel (G) és az iránykarakterisztikával jellemezhető. A csak elméletileg létező izotróp antenna a tér minden irányába azonosan sugározza ki a rádióhullámokat (gömbsugárzó), ezért ezt viszonyítási alapnak használják: a P teljesítmény gömbszimmetrikus kisugárzása során r távolságban mérhető teljesítménysűrűség: Az S1 a vizsgált antenna esetében mért, felületegységen áthaladó teljesítménysűrűség, a fő sugárzási irányban. G (dB) = 10 lg G

4 Antenna konstrukciók A fél-hullámhosszú antenna izotróp antennához viszonyított nyeresége Irányított antenna iránykarakterisztika: Az antennák reciprok szerkezetek

5 Antenna konstrukciók Áramelem sugárzása: Gömbi koordinátarendszer

6 Antenna konstrukciók Gömbkoordinátákban a megoldás E és H-vektorokra:
ahol I=áram, fázistényező, Az 1/r tag a sugárzási mező, míg a többi közelhatási mezők A távoli (sugárzási) mező ott kezdődik, ahol a sugárzási mező mellett a közelhatási mező elhanyagolható, vagyis:

7 Antenna konstrukciók A távoltérben dipólantennánál lényegében csak az E érdekes: (E – függőleges polarizációjú. Ez az, amit bot antennával könnyű venni.) Látható, hogy a villamos tér 1/r szerint csökken a távolsággal, és egy adott távolságban maximális =90 foknál, azaz az áramelemmel szemben. E és Hφ merőleges egymásra mindenütt a térben: A kisugárzott teljesítmény teljesítménysűrűsége az r sugarú gömb felületén S fluxusa, azaz:

8 Antenna konstrukciók Feszültség-iránykarakterisztika: F(,)
Dipól antenna sugárzási karakterisztikája: Feszültség-iránykarakterisztika: Teljesítmény-iránykarakterisztika: F(,) G(,)

9 Antenna konstrukciók Hatásos felület: A vevőantennát lineárisan polarizált síkhullám éri, amelynek polarizációiránya az antennáéval megegyezik. Az antenna illesztetten van lezárva. ahol a a vevőantenna által felvett teljesítmény, a vevőantenna helyén a felületegységen áthaladó teljesítmény. A nyereség és hatásos felület kapcsolata az alábbi, ahol λ a hullámhossz:

10 Antenna konstrukciók A kapcsolat értelmezéséhez nézzünk néhány egyszerű példát: A műholdról 13 GHz-es jel érkezik, a vevő parabola antenna hatásos felülete legyen. Mekkora az antenna nyeresége ezen a frekvencián? A 13 GHz-hez tartozó hullámhossz kb. 2.3 cm. A nyereség ( szeres) 43.7 dB. Mennyi a nyereség akkor, ha ugyanez az antenna 60 GHz-es jelet vesz? A 60 GHz-hez tartozó hullámhossz 0.5 cm. A nyereség ( szeres) 57 dB. Mennyi a nyeresége jóval alacsonyabb frekvencián 300MHz-en? 300MHz-hez tartozó hullámhossz 1 méter. A nyereség (12.56szoros) kb. 11 dB. Mekkora antenna felület kellene az előző frekvencián ahhoz, hogy a nyeresége 30 dB legyen? Megoldás: 79,6 Házi feladat: F=2.4 GHz, G=15dB, A=? F=800MHz, A=0.2*0.2m, G=?

11 Antenna konstrukciók A földszimmetrikus karakterisztikájú bot antennákat hosszú-,és középhullámon használják adóantennaként. Jellemző karakterisztikákat láthatunk az antenna magasság és a hullámhossz függvényében. Látható, hogy a földfelszíni sugárzás céljára a legmegfelelőbb a λ/2 hosszúságú antenna.

12 Antenna konstrukciók A rövidhullámú adástechnikában alkalmazott kismértékben irányított dipólus-függöny antennák A reflektorokkal javítható az irányítás. Jobb előre-hátra viszony érhető el, azaz a sugárzás főképpen előre irányú.

13 Antenna konstrukciók Ugyancsak elég jó nyereségű iránykarakterisztika alakítható ki úgynevezett haladóhullámú antennákkal, szintén a rövidhullámú sávban.

14 Antenna konstrukciók Rombusz antenna
Kisebb méretben megvalósítható a dB nyereségű hélixantenna. Rövidhullámú (esetleg alsó URH) sávban, főleg katonai alkalmazásban,

15 Antenna konstrukciók URH sávú adóantenna elemeket láthatunk az fenti ábrákon. Jellemzően ezeket TV adástechnikában alkalmazzák

16 Antenna konstrukciók Az antennák egy jelentős csoportja un apertura sugárzók A parabolatükör (forgás-paraboloid) geometriájának jellemzői: Bármely P pontjának távolsága a v vezérvonaltól egyenlő ugyanennek a pontnak a gyújtópontjától mért távolsággal. Bármely P pontjához tartozó érintő azonos szöget zár be a P pontot a gyújtóponttal összekötő vonallal és az x tengellyel párhuzamos vonallal. Tehát az A felülethez jutó sugárzás a gyújtópontból azonos utat tesz meg, így a nyílás felületén minden pont azonos fázisban rezeg. A Maxwell-egyenletekből levezethető a Huygens-Fresnel féle elv, miszerint a hullámfront minden eleme mint önálló sugárzó tekinthető és a távolabbi mező ezek együttes hatásából számítható.

17 Antenna konstrukciók A mező abszolút értéke adja a térbeli irány-jelleggörbét: A Huygens féle felületelem kardioid sugárzási diagramja

18 Antenna konstrukciók Fő követelmények:
A mikrohullámú sugárzók általában éles irányításúak, ezért távoli mező számításánál a felületelemek kardioid irányjelleg-görbéjének hatása elhanyagolható, és az aperturasugárzók hatásos felülete megegyezik a nyílás valódi felületével. Fő követelmények: minden polarizációban élesen irányított sugárnyalábja legyen a főnyaláb 3 dB-es pontjai között a szögkülönbség 1-2 fok a mellékszirmok, vagy melléknyalábok minél kisebbek legyenek A mellékszirmokon vett más adók jelétől megnő a rendszer zaja az alapsávban.

19 Antenna konstrukciók A tölcsérsugárzók kisebb nyereségük mint ami parabola antennával elérhető, ezért legtöbbször primer sugárzóként alkalmazzák. A csőtápvonal végét lassú átmenetekkel bővítve közvetlen gerjesztésű aperturasugárzót kapunk. Lényegében impedancia illesztés valósul meg a tápvonal és a szabad tér között. Tölcsérantenna megoldások

20 Antenna konstrukciók Az E síkú tölcsérantennában terjedő elektromágneses tér elektromos és mágneses komponenseit látjuk egy pillanatban. A mezőkép természetesen fény vagy ahhoz közeli sebességgel terjed a szabad tér irányába. Megfigyelhető, hogy a mágneses és villamos tér ugyanott sűrű illetve ritka (szinuszos függvényt követ). Jól látható a vektorok irányváltása félperiódusonként. A szembe képen látható, hogy a villamos tér középen maximális, a széleken nulla. (Különben a közel végtelen jó vezetőképességű fémfalban közel végtelen nagy áram folyna). A mágneses tér önmagában záródó (örvényes, forrásmentes).

21 Antenna konstrukciók Tölcsérantenna karakterisztikák az r2/λ függvényében:

22 Antenna konstrukciók Cassegrian antenna
Ellentétes polarizációban igen jó oldalszirom elnyomás Az antenna egy forgás paraboloid, amelynek fókuszpontjában van a sugárzó tölcsér, mely egy forgás hiperboloidot világít meg. Az antenna teljesen forgásszimmetrikus, így bármilyen polarizáció esetén jól használható. Előnye, hogy a fogásparaboloid tükör árnyékolja a kőr keresztmetszetű tápvonalat

23 Antenna konstrukciók Horn antenna (tölcsér paraboloid)
Kis bemeneti reflexióval rendelkezik Jó iránykarakterisztika, jó oldalszirom elnyomás jellemzi Általában nagy kapacitású rendszerekben alkalmazzák

24 Antenna konstrukciók A mikrohullámú frekvencia tartományban ún. strip-line (mikrosztrip) antennákat is használnak. Ezek előállítása olcsó. Kis méretűek. Felépítésük hasonló a nyomtatott áramköri lemezekéhez azzal a különbséggel, hogy az egyik oldal mindig telefóliás, a dielektrikumra jellemző hogy r = 3-10 közötti nagyon homogén eloszlású és kisveszteségű. A maratott oldalon pontosan tervezett sugárzó szigetek és méretezett vezetők találhatók. Az elemek egyenlő amplitudójú és azonos fázisú gerjesztést kapnak, így maximális nyereség érhető el. A mikrosztrip sugárzó szigetekre a teljesítmény, negyedhullámú transzformátoros impedancia illesztő tápvonal szakaszokkal jut. 2x4 elemű modulokból felépített 5,8 GHz-es nyomtatott antenna részlete. A teljes 256 elemű (16x16) antenna adatai: Antenna nyereség: 30 dB 3 dB-es irányélességi szög: 6 fok Méretek: 45,7 x 45,7 x 0,16 cm3