20 KiB
layout, background, routeAlias
| layout | background | routeAlias |
|---|---|---|
| cover | /images/antenna_cover.jpg | antene |
Antene
“Čas, sredstva in napor, ki smo ga vložili v izgradnjo kvalitetnega antenskega sistema, nam bodo prinesli dosti več zadovoljstva ob kvalitetnih zvezah, kot pa če bi te iste zveze dosegli z večanjem moči oddajnika.”
Antena
Kaj dela antena?
Električno moč iz oddajnika pretvori v elektromagnetne valove in jih izseva v prostor.
Tudi obratno: EM valovi, ki zadenejo anteno povzročijo nihanje elek. delcev v anteni
Kaj so signali, kaj motnje?
Dolžina antene
Ponovimo:
\lambda\ \text{(m)} = \frac{300}{f\ \text{(MHz)}}
Tipične resonančne dolžine: $\bm{\frac12 \lambda}$, \frac14 \lambda, \frac34 \lambda, 1 \lambda
Polvalni dipol
Antena z dvema poloma, ki sta skupaj dolga pol valovne dolžine
Najbolj razširjena in najpreprostejša antena
Uporablja se tudi kot sestavni del drugih anten (npr. yagi)
Referenčna antena: z njo določamo ojačenje drugih anten (več kasneje)
::row::
Dolžina polvalnega dipola
::left::
l\ (\textrm{m}) = \dfrac{150}{f\ (\textrm{MHz})} \cdot k
l – dolžina v metrih
f – frekvenca v MHz
k – faktor vitkosti
k je odvisen od razmerja valovne dolžine in debeline vodnika
0.93 \lesssim k \lesssim 0.98
::right::
Impedanca antene
::left::
Impedanca: Razporeditev toka in napetosti v točki.
Napetost in tok fazno zamaknjena za 90° oz. \frac14 \lambda
Z = \frac{U}{I}
Resonančna antena: impedanca je ohmska
Antena predolga: pojavi se induktivna reaktanca
Antena prekratka: pojavi se kapacitivna reaktanca
Impedanco antene razumemo kot impedanco v točki napajanja
::right::
Sevalna upornost
Z njo določamo več lastnosti antene
Računa se v točki največje amplitude toka
Ekvivalentna upornost, na kateri bi se porabila vsa moč oddajnika
\eta = \frac{1}{ 1 + \frac{R_i}{R_s} }
\eta – (eta) izkoristek
R_i – upornost žice
R_s – upornost sevanja
Na upornost sevanja vplivajo:
višina antene, predmeti v okolici, kvaliteta tal, dimenzije oblika antene, …
Skrajševalni faktor
Ločimo mehansko in električno dolžino antene
Enaki le v primeru neskončno tanke žice, v praznem prostoru
Faktor vitkosti: debelejši vodnik ⇒ večja kapacitivnost
Nihajni krog: večja kapacitivnost ⇒ nižja frekvenca
Torej: debelejšo anteno moramo skrajšati
Za polvalni dipol iz žice okoli 0,98
Na KV področju se pojavi še efekt koncev (izolator + konec žice)
Iz prakse, najugodnejši skrajševalni faktor: 0,95
Sevanje antene
::left::
Izotropna antena:
- Točkast izvor, seva v vse smeri enako
- V praksi je NE moremo narediti
Usmerjenost sevanja predstavimo s:
- 3D sliko, ali s
- horizontalnim / vertikalnim sevalnim diagramom
::right::
layout: image-fill
Sevalni diagram
::image::
::row::
Horizontalni sevalni diagram
Vertikalni sevalni diagram
Kot sevanja
Širina sevanja antene v glavni smeri
V diagramu na glavnem snopu pri 0,71 maksimalne vrednosti.
To je 50 % padec moči oz. -3dB.
::row::
Razmerja sevanja
::left::
F/B ratio – front to back ratio:
razmerje med napetostjo v smeri maksimalnega sevanja (0°) in njemu nasprotnega sevanja (180°)
F/S ratio – front to side ratio:
razmerje sevanja v direktni smeri in sevanja v bočni smeri (90°, 270°)
::right::
Dobitek antene (ojačenje)
Gain
Razmerje ojačenja moči glede na referenčno anteno
G = \frac{P_1}{P_2}
P_1 – moč antene, ki se troši na anteni
P_2 – moč referenčne antene v istem polju
G(\mathrm{dB}) = 10 \cdot \log \bigg( \frac {P_1}{P_2} \bigg) = 20 \cdot \log \bigg( \frac {U_1}{U_2} \bigg)
Referenčne antene
Izotropna (točkasta) antena:
Ojačenje merimo z dBi – decibel glede na izotropni radiator
Polvalni dipol:
Ojačenje merimo z dBd – decibel glede na dipol
Ojačenje dipola glede na izotropni radiator je 2,14 dBi
Efektivna izsevana moč – ERP
P_\text{ERP} = G \cdot P
Primer:
Imamo oddajnik z močjo 25 W, anteno z ojačenjem 12 dBd in napajalni kabel, v katerem imamo 2 dB izgub. Iz navedenega je razvidno, da je skupno ojačenje antenskega sistema 10 dB oziroma 10-krat.
P_\text{ERP} = 10 \cdot 25 \ \mathrm{W} = 250 \ \mathrm{W}
"Ob uporabi dipola bi za isto efektivno moč potrebovali 250 W oddajnik."
P_\text{EIRP}(\mathrm{W}) = 1,64 \cdot P_\text{ERP}(\mathrm{W})
P_\text{EIRP}(\mathrm{dB}) = P_\text{ERP}(\mathrm{dB}) + 2,15
Praktične oblike anten
Polvalni dipol
::left::
Še enkrat:
l(\mathrm{m}) = \frac{150}{f(\mathrm{MHz})} \cdot k
Na seva na vse strani enako
Ločimo:
- horizontalni dipol
- vertikalni dipol
::right::
::bottom::
Če nimamo prostora lahko zavijemo konce proti tlom, to vpliva na sevalni diagram, resonanco in impedanco antene.
Idealno postavljen vsaj ½ "𝜆" od tal, če ni, se popači sevalni diagram.
::row::
Vertikalni sevalni diagram
vertikalnega dipola
a. v praznem prostoru
b. blizu tal
Obrnjeni V – Inverted V
::left::
Varianta dipola (malenkost daljša, 5%)
- Potrebuje le eno visoko točko
- Okoli 90° (60 - 120°)
- Konci vsaj 3 m od tal (zaradi varnosti mimoidočih)
Uglašujemo jo s:
- spreminjanjem dolžine žice in
- spreminjanjem naklona
Možno napajanje več anten različnih dolžin.
::right::
Zaprt (zavit) polvalni dipol
::left::
Uporablja predvsem na UKV področju (tudi KV).
Tudi varianta dipola – bolj širokopasoven.
Impedanca je okoli 300 Ω, to pomeni, da anteno napajamo z:
- 300 Ω odprtim vodom ali pa
- 50 Ω koaksialnim vodom z 6:1 (balunom)
::right::
Dipol antene za delo na več frekvenčnih pasovih
"Multiband dipoli"
Zepp antena: polvalna antena, napajamo z odprtim vodom dolg \frac14 \lambda
Ločimo: Enojni (a) in dvojni (b) Zepp
Windom antena (c): polvalna antena, napajamo na \frac13 dolžine antene (impedanca 300 Ω ⇒ 6:1 balun in koaksialni vod)
Dvojna Windom antena: dve anteni na istem balunu, pokrijemo več pasov
::row::
"Trap" dipol
Dipol s pastmi
::left::
V antenski žici imamo vgrajena posebna vezja/pasti ali "trape"
Pasti so vzporedni nihajni krogi – pri resonanci velika upornost
W3DZZ antena: z enim parom trapov pokrije več amaterskih pasov
To dosežemo s pravilnim razmerjem med L in C
::right::
Yagi–Uda antena
::left::
Tipična predstavnica usmerjenih anten
Aktivni element: sevalec
Parazitni elementi: reflektor, direktorji
::right::
::row::
::row::
Več direktorjev → ožji glavni snop
Po določeni velikosti, ni smiselno povečevanje.
"Multiband" Yagi antena
::left::
Zančne (loop) antene
Quad (4) in Delta (3) Loop
Dva ali več kvadratov/trikotnikov
Sevalec (dolg λ), reflektor (λ + 3-5%), direktorji (λ - 3-5%)
Razmik približno 0,2 λ
Nižji vertikalni kot sevanja na majhnih višinah
Manj občutljive na šum
Slabša odpornost na vreme
KV – prevladujejo loop, UKV – yagi
::right::
Logaritmično – periodične dipol antene (LPDA)
"log-periodik" (LP)
::left::
Najpogostejše za TV sprejemnike
Pokrivajo širok frekvenčni pas, konstantno obnašanje
Najdaljši in najkrajši določata zgornjo in spodnjo mejo frekvenčnega pasu
Razmiki določajo ojačenje antene
Napaja na sprednjem delu
Predolgi – reflektorji, prekratki – direktorji
::right::
Long – wire antena (LW)
::left::
Ko nimamo prostora za polvalni dipol ali usmerjeno anteno
Žica postavljena čim višje, ne nujno v ravni liniji
Moramo uporabljati prilagoditveno vezje (prilagodimo impedanco)
Idealna dolžina je nekaj valovnih dolžin
Na najnižji frekvenci mora biti dolga vsaj \frac34 \lambda
::right::
Vertikalne antene
::left::
Malo prostora, delo iz vozila, ročne postaje
Dobro narejena in primerno ozemljena!
Horizontalno seva v vse smeri enako ("omnidirekcionalna"), vertikalno precej usmerjena
Polovica vertikalnega dipola (\frac14 \lambda), druga polovica je zemlja pod anteno
Ozemljimo z radiali (na ali pod zemljo) 0,2 - 0,5 λ
::right::
::left::
Na KV pogosto dodamo "trape"
\frac14 \lambda najbolj razširjena,
AMPAK optimalni kot sevanja dosežemo z $\bf{\frac58 \lambda}$
Problemi: ni napajalnih vodov s pravilno impedanco in antena ni resonančna (kapacitivna)
Pomagamo si s tuljavo pri vznožju
Oddaja: odlična
Sprejem: več šuma kot horizontalne
::right::
Ground plane – GP antene
Vertikalna antena postavljena visoko nad zemljo – potrebujemo "umetno zemljo" ali "ground plane"
Radiali – žica (KV) ali aluminijaste cevi
::row::
Parabolična antena
::left::
Predvsem na UHF in SHF
Zakaj? Na 144MHz je premer reflektorja okoli 15m
Reflektor – "parabolično zrcalo"
Sevalec – v gorišču
Sevalci različnih oblik – z menjavo, različni frekvenčni pasovi
VELIKO ojačenje in ozek kot sevanja
Satelitske in EME (lahko tudi tropo) zveze
::right::
Umetna antena
::left::
Ne seva energije v prostor
Upori primerne moči
Predstavljajo popolnoma prilagojeno breme
Uglaševanje in testiranje oddajnikov
::right::
Postavljanje anten
VARNOST!!
::row::
layout: cover
Napajanje anten
Antenski / napajalni vod
Poveže anteno in oddajnik
Največji prenos moči: končna stopnja oddajnika in antena impedančno prilagojena
Dober vod:
- ne sme sevati
- energija pri prenosu se ne sme izgubiti
- mora imeti konstantne električne karakteristike
- mora biti odporen na vreme
Vrste antenskih vodov
Dve glavni vrsti: dvožilni in koaksialni vod
layout: image-fill
Valovod (Waveguide) – cev ustreznega preseka (za mikrovalovno področje)
::image::
Karakteristična impedanca voda (Z)
Razmerje napetosti U in toka I na neskončno dolgem vodniku
Impedanca (zračni izolator):
Z = \sqrt{ \frac{L}{C} }
L – "debelina vodnika"
C – "medsebojna razdalja"
::row::
Dvožilni antenski vod
Z(\Omega) = \frac{120}{ \sqrt{\varepsilon_r} } \cdot \ln \frac{2 \cdot D(\mathrm{mm})}{d(\mathrm{mm})}
Koaksialni vod
Z(\Omega) = \frac{60}{ \sqrt{\varepsilon_r} } \cdot \ln \frac{D(\mathrm{mm})}{d(\mathrm{mm})}
Vpliv dielektrika
::row::
Hitrost širjenja valovanja v snovi:
v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}}
v – hitrost v snovi (\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}})
c – hitrost svetlobe (300000 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}})
\varepsilon_r – relativna dielektrična konstanta
Skrajševalni faktor koaksialnega voda:
V = \frac{v}{c} = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_r}}
| Snov |
|
|---|---|
| Zrak | 1,0 |
| Teflon | 2,0 |
| Polietilen | 2,3 |
| Pleksi steklo | 3,0 … 3,6 |
| Polivinil (PVC) | 3,1 … 3,5 |
| Epoksi smola | 3,5 |
| Porcelan | 6,5 |
| Tip koaksialnega kabla |
|
|---|---|
| RG58 | 0,66 |
| RG | 0,66 |
| RG | 0,66 |
| RG | 0,71 |
| RG | 0,72 |
| H155 | 0,81 |
| H500 | 0,81 |
layout: image-fill
Izgube v napajalnih vodih
Izgube zaradi ohmske upornosti žice (skin efekt), izgube v dielektriku in sevanja voda
::image::
Porazdelitev toka in napetosti vzdolž voda
Stojno valovanje
::row::
Prilagojeno breme
R = Z
Odprt vod
R = ∞
Kratko sklenjen vod
R = 0
Del VF energije se potroši na bremenu, preostali del se vrne
R > Z
R < Z
Razmerje stojnega valovanja (SWR)
"Standing wave ratio"
::left::
\text{SWR} = \frac{U_\text{max}}{U_\text{min}}
Merimo s SWR metrom
Slab SWR povzroči:
- Izgube / gretje / poškodbe na antenskem vodu
- Manjša izsevana moč
- Poškodba končne stopnje na oddajniku!
Dopustna meja: SWR = 3 (25% moči)
::right::
| SWR | % Izgube moči |
|---|---|
| 1,0 | 0,0 % |
| 1,2 | 0,8 % |
| 1,4 | 2,7 % |
| 1,6 | 5,0 % |
| 1,8 | 8,0 % |
| 2,0 | 11,0 % |
| 2,2 | 14,0 % |
| 2,4 | 17,0 % |
| 3,0 | 25,0 % |
| 6,0 | 55,0 % |
| 10,0 | 70,0 % |
Elementi za prilagoditev in transformacijo
Gama: s kratkostično objemalko in spremenljivim kondenzatorjem prilagajamo SWR
Delta: priključne žice na sredino dipola, sredino lahko ozemljimo
Hairpin: Lažje kot gama, ampak mora sevalec biti prekinjen in v primeru koaksa potreben člen za simetriranje (balun)
::row::
Gama
Delta
Hairpin
Transformatorji impedance
::row::
Četrtvalni transformator impedance
Z_v – vhodna impedanca
Z_i – izhodna impedanca
Polvalna zanka
Transformira impedanco 4:1
Omogoča simetriranje
::bottom::
Transformatorji za simetriranje
Polvalni dipol (simetrični) -?- koaksialni vod (nesimetrični)
Balun (balanced-unbalanced) – prehod, simetrično na nesimetrično
::row::
Polvalna zanka
Bazooka simetrirni člen
Trifilarno navitje
::row::
1:1 Balun
4:1 Balun
1:1 Balun
::bottom::
In še mnogo več …
Antenski tunerji
::left::
Anteno prilagodi na impedanco oddajnika
Tuner NE naredi antene resonančne
::right::
Napajalni vod kot element za uglaševanje
::row::
