WPROWADZENIE DO TELEKOMUNIKACJI

Część II

Dr inż. Małgorzata Langer

Plik nr 2

Podstawowe parametry anten• Pasmo przenoszenia (frequency range) jest to

zakres częstotliwości fali elektromagnetycznej, do którego została zaprojektowana i wykonanaantena, a konkretnie - z którymi wchodziw rezonans elektromagnetyczny. Nie ma sensuużywanie anten przeznaczonych do standardu802.11a (pasmo 5 GHz, długość fali 6cm) w systemach pracujących na częstotliwości 2,4 GHz (długość fali 12,5 cm) - ponieważ fala jest dwa razy krótsza, antena nie wejdzie w pełnyrezonans.

Rezonans anteny

• Przy rezonansie anteny: Xwe = 0Impedancja anteny w rezonansie ma charakter rezystancji

• Dobroć anteny: (traktowanej jako szeregowy obwód rezonansowy dla częstotliwości fr) Iloraz mocy reaktywnej do wypromieniowanej (czynnej) razem z mocą strat

• Energia reaktywna – energia elektromagnetyczna pola bliskiego

Przykład dopasowania

• Połączenie nadajnika (odbiornika) z anteną

Jeżeli wibrator prętowy lub masztowy jest za krótki, to jego dopasowanie do żądanego zakresu fal można uzyskać przez włączenie cewki o indukcyjności L (z kilku lub kilkunastu zwojów przewodu antenowego).

Takie anteny (L=λ/4) "wydłużone" elektrycznie, instaluje się np. na samochodach do utrzymywania łączności w zakresie CB-radio (ok. f=10÷26MHz, co odpowiada λ=30÷11m). Analogicznie, jeśli antena okazałaby się za długa, to można ją dostroić ("skrócić" elektrycznie) przez dobranie pojemności C kondensatora – włączonego zamiast cewki.Kierunkowość anteny liniowej można znacznie zwiększyć wprowadzając kilka dipoli symetrycznych (prostych lub pętlowych), zasilanych synfazowo (współfazowo) lub przeciwfazowo.

Zysk energetyczny anteny

• BŁĘDNIE NAZYWANY wzmocnieniemPodaje jaka jest wielokrotność zwiększenia dochodzącego do anteny sygnału (np. anteny satelitarne wykorzystują prawo równości kata padania i odbicia i skupiają całą wiązkę padającą na powierzchnię anteny w jednym punkcie – ognisku, gdzie umieszcza się konwerter)

Parabola jest to miejsce geometryczna punktów, których odległośćod prostej zwanej kierownicą jest równa odległości od ogniska (F) paraboli

( ) 22 yxaax +−=+

Gdy satelitarna antena pokryta jest kroplami deszczu (początek opadów, lub tłusta powierzchnia), przymarzniętym śniegiem itp. – sygnał jest rozpraszany w różnych kierunkach i może to spowodować nawet całkowity zanik sygnału

c.d.• Zysk anteny (gain) to stosunek

wypromieniowanej przez nią energii do energii, którą wypromieniowałaby antena wzorcowa - a więc im większy, tym lepiej. Zysk energetycznyw odniesieniu do anteny izotropowej podawanyjest w dBi, natomiast zysk w odniesieniu do dipola półfalowego - w dBd. Oba zyski nie sąsobie równe, dlatego do obliczeń przyjmuje sięprzelicznik dBi= dBd + 2,15dB. Producenciczęsto wykorzystują to jako chwyt reklamowy i podają zysk w stosunku do anteny izotropowej, który jest po prostu liczbą większą.

dBi – jednostka miary zysku anteny – o ile decybeli poziom sygnału jest większy w stosunku do hipotetycznej anteny izotropowej. Np. antena o zysku 8 dBi nadaje sygnał 100,8=6,31 razy „silniej” od anteny izotropowej

dBd – w stosunku do anteny dipolowej

Ze wzrostem średnicy anteny parabolicznej wzrasta zysk energetyczny ale maleje kąt widzenia

Współczynnik fali stojącej

• VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) jest miarą spełnienia warunku dopasowania. Należy wybierać anteny z VSWR bliskimjedności. Charakterystyka kierunkowościmocy anteny HPBW (Half Power Beam Width) określa kąt pionowy i poziomy, w jakim antena potrafi nadawać orazodbierać fale.

Kąt promieniowania połowy mocy (HP)

• Kąt, jaki tworzą kierunki promieniowania, dla których moc jest dwukrotnie mniejsza od maksymalnej mocy promieniowania w kierunku rozchodzenia się fali (głównym)

c.d.

• Od powiada to spadkowi natężenia pola o 3dB lub Emaks/2-0,5

• Dla dipola idealnego kąt połowy mocy = 900

• BWFN – szerokość wiązki pomiędzy zerami (między stycznymi w punktach, gdzie wiązka główna osiąga zero)

• Rozdzielczość anteny – połowa kąta połowy mocy HP

Rodzaje anten

• Ze względu na sposób wykonania antenydzielimy na:

• dipolowe• kolinerane• mikropaskowe• szczelinowe• reflektorowe

Reflektor; anteny Yagi-Uda

• Tylko niektóre elementy (aktywne) układu są zasilane z nadajnika – inne (bierne) są pobudzane polem bliskim. Bierny układ antenowy z dwóch równoległych dipoli jest nazywany anteną Yagi – Uda. Antena ta musi mieć przynajmniej 1 element aktywny – wibrator (dipol półfalowy w rezonansie).

z: „Fale i Anteny”- J. Szóstka

Antena Yagi – c.d.Jest to antena z falą bieżącą. Wibrator wytwarza falę kulistą, która wzdłuż anteny rozchodzi się z mniejszą prędkością niż w powietrzu, czyli powierzchnie fazowe ulegają spłaszczeniu w kierunku direktorów (część powierzchni ekwifazowejrozchodząca się w powietrzu, dogania fragment powierzchni rozchodzący się wzdłuż anteny);

Fala w przybliżeniu staje się płaska – co zwiększa kierunkowość anteny

Anteny Yagi o maksymalnym zysku są wąskopasmowe (1 kanał TV); do 1 GHz

Jeżeli direktory wykona się znacznie krótsze od optymalnych a reflektor znacznie dłuższy – można kosztem zysku energetycznego zwiększyć szerokopasmowość

Ogólna budowa i wymiary anteny Yagi

Zysk typowej anteny Yagi w funkcji liczby elementów N

Informacje praktyczne

• Na anteny pracujące na zakresie poniżej 500 MHz duży wpływ mają otaczające je przedmioty (ziemia, budynki, itp..)

• Dobry przewodnik ma konduktywność około 107S/m ziemia od 10-1 do 10-3 S/m

• Wpływ zmniejszonej konduktywności jest bardziej widoczny dla anten pionowych niż poziomych

Podstawowe typy anten• anteny dookólne - wypromieniowana fala

rozchodzi się równomiernie we wszystkichkierunkach na płaszczyźnie poziomej,

• anteny kierunkowe (sektorowe) -wypromieniowana fala skupiona jest w konkretnym kierunku, określanym za pomocąkąta poziomego i pionowegoSzczególnym przykładem anten kierunkowychsą anteny paraboliczne, zapewniającenajwiększy zysk energetyczny

Antena spiralna

Antena z zaznaczonymi parametrami

Płaska antena spiralna

Wraz ze zmianą częstotliwości maksimum prądu występuje w innej części anteny

Anteny spiralne umieszczone na innych powierzchniach niż płaszczyzna są stosowane w celu uzyskania pojedynczej wiązki głównej. Jedną z częściej stosowanych jest stożkowa antena spiralna

Antena kolinearna

• Odmiana anteny wielofalowej, o długości znacznie przekraczającej λ; zbudowana z kilku dipoli półfalowych (tzw układ Franklina). Typowy zysk energetyczny 9 - 10 dBPasmo jest dość wąskie, ze względów na błędy fazy prądów zasilających przy zmianie częstotliwości

Antena kolinearna

Antena kolinearna złożona z kilku dipoli

Charakterystyka promieniowania w płaszczyźnie pionowej

Ciało ludzkie

• Niska impedancja falowa ciała zmniejsza amplitudę pola elektrycznego, jednocześnie zwiększając amplitudę pola magnetycznego

• W urządzeniach przenośnych najlepsze są anteny reagujące na składową magnetyczną

Anteny mikropaskowe - zalety

• Przeznaczone do telefonów komórkowych• Ze względu na kierunkowość

charakterystyki (płaszczyzna masy) pozwalają na redukcję promieniowania w stronę głowy

• Łatwo zintegrować je z układami elektronicznymi

• Niski poziom niepożądanego promieniowania (ok. -30dB), wąskie pasmo pracy

Anteny mikropaskowe - wady• Możliwość zakłóceń

układów elektronicznych• Umieszczenie

promiennika i linii zasilającej an tej samej płaszczyźnie może powodować wzajemne sprzężenia (rozwiązanie: anteny mikropaskowesprzężone elektromagnetycznie)