19 KiB
layout
| layout |
|---|
| cover |
Antene
Zakaj?
“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 izzseva v prostor.
Tudi obratno: EM valovi, ki zadanejo 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
Najbolj razširjena in najpreprostejša antena
Uporablja se tudi kot sestavni del drugih anten (npr. yagi)
Referenčna antena: z njo določamo ojačanje drugih anten (več kasneje)
Dolžina polvalnega dipola
l\ (\textrm{m}) = \frac{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
Impedanca antene
Impedanca: Razporeditev toka in napetosti v točki.
Napetost in tok fazno zamaknjena za 90° oz. \frac14 \lambda
Z = \frac{U}{I}
Rezonančna antena: impedanca je ohmska
Antena predolga: pojavi se induktivna reaktanca
Antena prekratka: pojavi se kapacitivna reaktanca
Impedanco antene razumemo kot impedanco v točki napajanja
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
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
Sevalni diagram
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.
Razmerja sevanja
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°)
Dobiček antene (ojačanje)
Razmerje ojačanja 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:
Ojačanje merimo z dBi – decibel glede na izotropni radiator
Polvalni dipol:
Ojačanje merimo z dBd – decibel glede na dipol
Ojačanje 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
Še enkrat:
l(\mathrm{m}) = \frac{150}{f(\mathrm{MHz})} \cdot k
Na seva na vse strani enako
Ločimo:
- horizontalni dipol
- vertikalni dipol
Če nimamo prostora lahko zavijemo konce proti tlem, to vpliva na sevalni diagram, rezonanco in impedanco antene.
Idealno postavljen vsaj ½ "𝜆" od tal, če ni, se popači sevalni diagram.
Vertikalni sevalni diagram
vertikalnega dipola
a) v praznem prostoru
b) blizu tal
Horizontalni dipol
Obrnjeni V – Inverted V
Varianta dipola (malenkost daljša, 5%)
- Potrebuje le eno visoko točko
- Okoli 90° (60 - 120°)
- Konci vsaj 3 m od tal (zaradi varnosti mimoidočih)
Oglašujemo jo s:
- spreminjanjem dolžine žice in
- spreminjanjem naklona
Možno napajanje večih anten različnih dolžin.
Zaprt (zavit) polvalni dipol
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)
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
"Trap" dipol
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
Yagi–Uda antena
Tipična predstavnica usmerjenih anten
Aktivni element: sevalec
Parazitni elementi: reflektor, direktorji
Več direktorjev → ožji glavni snop
Po določeni velikosti, ni smiselno povečevanje.
"Multiband" Yagi antena
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
Logaritmično – periodične dipol antene (LPDA)
"log-periodik" (LP)
Najpogostejše za TV sprejemnike
Pokrivajo širok frekvenčni pas, konstantno obnašanje
Najdaljši in najkrajši določata zgornjo in spodnjo mejo frekvenčnega pasu
Razmiki določajo ojačanje antene
Napaja na sprednjem delu
Predolgi – reflektorji, prekratki – direktorji
Long – wire antena (LW)
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
Vertikalne antene
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
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
Ground plane – GP antene
Vertikalna antena postavljena visoko nad zemljo – potrebujemo "umetno zemljo" ali "ground plane"
Radiali – žica (KV) ali aluminjaste cevi
Parabolična antena
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 ojačanje in ozek kot sevanja
Satelitske in EME (lahko tudi tropo) zveze
Umetna antena
Ne seva energije v prostor
Upori primerne moči
Predstavljajo popolnoma prilagojeno breme
Uglaševanje in testiranje oddajnikov
Postavljanje anten
VARNOST!!
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
Valovod (Waveguide) – cev ustreznega preseka (za mikrovalovno področje)
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"
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
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 | $\varepsilon_r$ |
|---|---|
| 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 | $V$ |
|---|---|
| RG58 | 0,66 |
| RG | 0,66 |
| RG | 0,66 |
| RG | 0,71 |
| RG | 0,72 |
| H155 | 0,81 |
| H500 | 0,81 |
Izgube v napajalnih vodih
Izgube zaradi ohmske upornosti žice (skin efekt), izgube v dielektriku in sevanja voda
Porazdelitev toka in napetosti vzdolž voda
Stojno valovanje
Prilagojeno breme
R = Z
Odprt vod
R = ∞
Kratko slenjen 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"
\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)
| 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)
Gama
Delta
Hairpin
Transformatorji impedance
Četrtvalni transformator impedance
Z_v – vhodna impedanca
Z_i – izhodna impedanca
Polvalna zanka
Transformira impedanco 4:1
Omogoča simetriranje
Transformatorji za simetriranje
Polvalni dipol (simetrični) -?- koaksialni vod (nesimetrični)
Balun (balanced-unbalanced) – prehod, simetrično na nesimetrično
Polvalna zanka
Bazooka simetrirni člen
Trifilarno navitje
1:1 Balun
4:1 Balun
1:1 Balun
In še mnogo več …
Antenski tunerji
Anteno prilagodi na impedanco oddajnika
Tuner NE naredi antene rezonančne
Napajalni vod kot element za uglaševanje
