ANTENY

Pierwsze rwnanie Maxwella.

HtE rrr

rot =+

J. C. Maxwell dzieo pt. Traktat o elektrycznoci i magnetyzmie rok 1873.

g zie: - przenikalno dielektryczna rodowiska, dla prni r

R

d

Er - natenie pola elektrycznego, (V/m),

H

=

mF

361

10 9 o

- natenie pola magnetycznego (A/m)

- przewodno waciwa (S/m), t czas (s)

ys. 8. Interpretacja fizyczna I rwnania Maxwella

1

Drugie rwnanie Maxwella.

Et

H rr

rot =

r

g

D

R

Er

- natenie pola elektrycznego, (V/m),

H - natenie pola magnetycznego (A/m) - przewodno waciwa (S/m),

t czas (s)

dzie: - przenikalno magnetyczna rodowiska, dla prni

=

mH4 10 7 o

o ukadu rwna Maxwella wchodz jeszcze nastpujce zalenoci:

=Er

div

0div =Hr

gdzie: - gsto objtociowa swobodnych adunkw elektrycznych

ys.9. Interpretacja fizyczna II rwnania Maxwella

2

+=

+

S vv

2

v E sHEv2t

HE dd d2

2 rrr

2E 2

2H 2

+

v

2vH

2E d

2

2

2E

t v

2

+

-

v

2 vE dr

S

sHE d rr

- energia pola elektrycznego,

- energia pola magnetycznego,

-

H2

-

sumaryczna energia pola elektromagnetycznego w objtoci v,

v2

d

ubytek w czasie energii pola elektromagnetycznego w objtoci v,

strumie mocy wypromieniowanej z objtoci v poprzez powierzchni s,

- straty cieplne,

3

Zespolony wektor Poytinga

HEPrrr

= rednia gsto mocy pola elektromagnetycznego jest okrelona wzorem:

===mW

2)Re(

21

2

HEH EPP yxr

gdzie: Ex natenie pola elektrycznego (V/m), Hy - natenie pola magnetycznego (A/m),

Promieniowane amplitudy obu pl zwizane s zalenoci:

Ex = Zo Hy

==

mW

22 222 ZH

ZEP Oy

O

x

gdzie: Zo impedancja orodka w ktrym wystpuj pole Ex i Hy,

Zo =

dla prni Zo = 120 377.

4

Strefy promieniowania pola elektromagnetycznego Rozrniamy trzy strefy promieniowania pola elektromagnetycznego:

- blisk,

- dalek (falow),

- poredni.

Strefa bliska wystpuje dla

2

Strefa daleka (falowa)

wystpuje dla

2>>r . W strefie dalekiej wystpuj tylko skadowe E i H

erlIjE rtj )()sin(4

=

erlIjH rtj )()sin(4

=

natomiast Er , Hr, i H = 0

Pomidzy polem E i H zachodzi nastpujca zaleno:

HE =

Czynnik

=Z 0 = 3771200 Z ma wymiar impedancji i jest impedancj waciw orodka. W przypadku

orodkw bezstratnych impedancja waciwa orodka jest rwna

impedancji falowej tego orodka.

W strefie dalekiej natenia pl elektrycznego i magnetycznego jest

odwrotnie proporcjonalne do odlegoci r w pierwszej potdze. Natenie

pola elektrycznego jest rwne nateniu pola magnetycznego pomnoonego

przez impedancj waciw orodka. Wektory nate pl elektrycznego i

magnetycznego s w fazie.

6

Rys. 12. Przebiegi sk

1 skadowa p

2 skadowa p

3 skadowa p

7

adowych pola E

roporcjonalna do

r ,

roporcjonalna do

r 2 ,

roporcjonalna do

r 3 .

rr 2=

Parametry anten. - charakterystyka kierunkowa,

- zysk kierunkowy,

- zysk energetyczny,

- powierzchnia skuteczna,

- rezystancja promieniowania,

- sprawno anteny,

- polaryzacja anteny,

- szeroko pasma,

- temperatura szumw.

Charakterystyk kierunkow anteny nazywamy miejsce geometryczne

kocw wektora r(, ) o dugoci proporcjonalnej do bryowej gstoci

mocy promieniowanej w danym kierunku. Bryowa gsto mocy jest

rwna mocy przypadajcej na elementarny kt bryowy i wyraa si w

watach na steradian.

Zysk kierunkowy anteny okrela w sposb ilociowy zdolno anteny

nadawczej do promieniowania energii w okrelonym kierunku. Zysk

kierunkowy Gk jest to stosunek maksymalnej gstoci mocy

promieniowanej przez dan anten do maksymalnej gstoci mocy

promieniowanej przez anten odniesienia, przy zaoeniu, e obie anteny

promieniuj jednakow moc. Jeli nie jest zaznaczone to za anten

odniesienia przyjmuje si anten izotropow

8

Pojcie zysku energetycznego okrelone jest zalenoci:

G = Gk

gdzie: - sprawno energetyczna anteny,

Gk zysk kierunkowy anteny.

Rezystancja promieniowania anteny definiujemy wzorem:

gdzie: P moc promieniowania anteny, I prd zasilania anteny. IP

R p 2=

Polaryzacja anteny jest zwizana z orientacj wektora pola E wzgldem

Ziemi. Przy polaryzacji pionowej wektor pola E jest prostopady do

powierzchni Ziemi, natomiast dla polaryzacji poziomej jest rwnolegy do

powierzchni Ziemi.

Jedn z najbardziej popularnych anten stosowana w radiofonii jest

antena pionowa. Na rys. przedstawiono anten pionow, natomiast na rys.

9 zamieszczono jej charakterystyk promieniowania.

Rys. 10. Antena pionowa

9

Rys. 11. Charakterystyka promieniowania anteny pionowej

a) charakterystyka przestrzenna promieniowania anteny o l = /4,

b) charakterystyka promieniowania w paszczynie poziomej anteny o l

= /4,

c) charakterystyka promieniowania w paszczynie pionowej anteny o l

= /4,

d) charakterystyka promieniowania w paszczynie pionowej anteny o l

= /2,

E natenie pola elektromagnetycznego.

10

Impedancj wejciow anteny pionowej mona opisa wzorem:

Za-a = R + jX

przy czym: R rezystancja anteny, X reaktancja anteny

oraz

R = Rp + Rstr

przy czym: Rp rezystancja promieniowania anteny, Rstr rezystancja strat

anteny.

Impedancja anteny pionowej na jej zaciskach wejciowych zaley od

stosunku dugoci anteny l do dugoci fali elektromagnetycznej

promieniowanej przez t anten. Przebieg impedancji anteny pionowej w

funkcji jej dugoci przedstawiono na rys. 12.

Rys. 12.Charakterystyka impedancji anteny w jej dugoci

Innym rodzajem anten stosowanych w odbiornikach radiowych s

anteny ferrytowe. Anteny ferrytowe s stosowane w zakresie fal dugich i

rednich. Antena ferrytowa jest wykonana w postaci cewki nawinitej na

wyduonym rdzeniu ferrytowym. Moe by ona bardzo silnie sprzona z

obwodem rezonansowym lub nawet stanowi jego cz.

11

Anteny dla zakresu fal dugich

Rys. 5 Unipol pionowy na fale dugie i rednie w postaci masztu z odcigami

W nadawczych urzdzeniach radiofonicznych, w zakresie fal dugich,

rednich, i krtkich, najczciej stosuje si anteny pionowe o dugoci l =

0.25 lub l = 0.5 . Konstrukcja mechaniczna anteny jest uzaleniona od

mocy nadajnika z ktrym wsppracuje. Dla nadajnikw maej mocy

anteny pionowe s wykonywane w postaci prtw gitkich lub sztywnych.

Dla nadajnikw redniej mocy anteny s wykonywane w postaci sztywnych

prtw, natomiast dla nadajnikw bardzo duej mocy anteny pionowe s

wykonywane w postaci masztw. Na rys.14 przedstawiono model ukadu

antenowego znajdujcego si w Solcu Kujawskim. Ukad antenowy skada

si z dwch masztw o wysokoci 330m i 289m. S one rozstawione w

odlegoci 330m. Oba maszty s uziemione u podstawy. Maszty w pionie s

utrzymywane za pomoc czterech poziomw odcigw. Najwyszy poziom

odcigw jest galwanicznie poczony z masztem uziemiony. Pozostae

12

odcigi s izolowane od masztu w grnej czci. Kady maszt jest zasilany

przez trzy boczniki

Rys. 14. Model ukadu antenowego w Solcu Kujawskim

rozmieszczone co 1200 pomidzy paszczyznami odcigw. Ukad antenowy

jest wyposaony w instalacj uziemiajc zoon ze 120 przewodw o

dugoci 300 kady.

W promieniowaniu energii bierze caa konstrukcja, tzn. maszt cznie z

odcigami. Na rys. 15. przedstawiono charakterystyk promieniowania w

paszczynie poziomej ukadu anten przedstawionych na rys. 14.

Charakterystyka promieniowania zostaa wyznaczona dla czstotliwoci

225 kHz.

13

Rys. 15. Charakterystyka promieniowania ukadu anten

14

Do odbioru fal dugich i rednich najczciej uywa si anten typu

odwrcone L i T, przedstawionych na rys. 6. Im wiksza jest dugo tych

anten, tym wiksza ich wysoko skuteczna, a wic i sprawno.

Charakteryzuj si one znaczn pojemnoci i ma rezystancj

promieniowania (0,110).

Rys. 6 Antena typu T i odwrcone L

15

Anteny na zakres fal krtkich

W przypadku koniecznoci nadawania fal krtkich o polaryzacji pionowej

stosuje si anteny stokowe lub pionowe LPDA (rys. 7). Wykorzystuje si

rwnie dipole wachlarzowe, bdce odmian poziomych anten

dwustokowych wykonanych z prtw.

Rys 7 Pionowo spolaryzowana LPDA

16

Rys 8 Antena cianowa z reflektorem aperiodycznym (u gry).

Dipol klatkowy (na dole)

17

Nadawcze anteny TV i UKF

W zakresie fal UKF stosuje si pfalowe anteny dipolowe. Na rys. 13a

przedstwiono pfalowy dipol prosty. Zaznaczono rozkad napicia u i

prdu i wzdu dipola. Na rys. 13b przedstawiono charakterystyk

promieniowania pfalowego dipola prostego.

Rys. 13. Pfalowy dipol prosty

a) antena dipolowa,

b) charakterystyka promieniowania.

18

Rys 10 Jednostki dipolowe i anteny szczelinowe na pasmo UKF i TV

19

masztw o bardzo maych przekrojach poprzecznych. Utrudnia to monta i konserwacj anteny.

Rys 11 - Rozmieszczenie elementw antenowych dla uzyskania

charakterystyki dooklnej

20

Rys 12 przykady charakterystyk dooklnych poprzez umieszczenie

jednostek antenowych dookoa masztu.

Rys 14 2-dipolowa antena panelowa na zakres radiofoniczny UKF/FM

21

Rys 15 Charakterystyki promieniowania anteny panelowej z rys 14

Odbiorcze anteny TV i UKF

Rys 16 Schemat oglny struktury anteny Yagi-Uda

22

Rys 17 Zestaw czterech anten Yagi-Uda

23

Rys 18 Antena szerokopasmowa do odbioru TV (u gry), Radiator

wachlarzowy do odbioru kanaw 1-12 (u dou)

24

25