C. ELEMENTY TEORII ANTEN

Transkrypt

1 C. ELEMENTY TEORII ANTEN C.1. TEORIA PROMIENIOWANIA Każdy obwód elektryczny z prądem zmiennym promieniuje pewną część energii elektrycznej w postaci fal elektromagnetycznych. Ilość tej energii jest przeważnie nadzwyczaj mała, chyba że wymiary obwodu zaczynają być porównywalne z długością fali. Promieniowanie linii energetycznej, przenoszącej prąd o częstotliwości 50 Hz dwoma przewodnikami umieszczonymi w odległości 6 m od siebie praktycznie nie występuje, ponieważ długość fali tego prądu równa jest około 6000 km. Odstęp między przewodnikami można w tym przypadku pominąć w porównaniu z długością fali. Z drugiej strony, cewka o średnicy 6 m zasilana prądem o częstotliwości 2 MHz promieniuje znaczną ilość energii, gdyż średnica cewki jest porównywalna z długością fali równą w tym przypadku 150 m. Z powyższych rozważań wynika niepodważalne prawo teorii promieniowania: skutecznie promieniująca antena musi mieć wymiary porównywalne z długością fali roboczej. C.2. PODSTAWOWE PARAMETRY ANTEN Chcąc być w zgodzie z teorią promieniowania, zdefiniowanie pojęcia anteny w prostych słowach nie jest łatwe. Najczęściej antenę definiuje się przez funkcję jaką spełnia w trakcie radiokomunikacyjnym. Mówimy więc, że antena jest urządzeniem, które umożliwia zamianę energii elektromagnetycznej prowadzonej torami zamkniętymi, w rozchodzącą się w przestrzeni falę elektromagnetyczną dla anten nadawczych i na odwrót dla anten odbiorczych. Aby dalsze rozważania na temat anten i ich parametrów były jednoznaczne, przyjmiemy że każda antena niezależnie od swojej struktury wewnętrznej ma wejście i że jest nim miejsce dołączenia toru zasilającego. C.2.1. Charakterystyki promieniowania anten Charakterystyki promieniowania są jednymi z ważniejszych parametrów anten, określają bowiem przestrzenny rozkład promieniowanej energii. Charakterystykę promieniowania definiujemy jako rozkład natężenia pola elektrycznego na powierzchni kuli o promieniu dostatecznie dużym w porównaniu z długością fali i rozmiarami anteny, której środek pokrywa się ze środkiem anteny. Aby uniezależnić się od mocy promieniowanej przez antenę i wielkości promienia kuli, wszystkie wartości natężenia pola dzielimy przez wartość maksymalną, uzyskując unormowaną charakterystykę promieniowania. W ogólnym przypadku charakterystyka promieniowania przedstawia pewną powierzchnię zamkniętą, złożoną z przestrzennych wiązek różnej postaci tak jak to zostało przedstawione na rys. 4. Posługiwanie się przestrzennym wykresem trójwymiarowym jest kłopotliwe i dlatego ograniczamy się zazwyczaj do podawania dwóch wzajemnie prostopadłych przekrojów charakterystyki. Przekroje te mogą być wybrane dowolnie, dla anten o polaryzacji liniowej dogodnie jest jednak wykonać je w płaszczyźnie wektora pola elektrycznego E i w płaszczyźnie wektora pola magnetycznego H. Mówimy wówczas o charakterystykach promieniowania w płaszczyźnie E lub H. Przekrój charakterystyki z rys. 4 przedstawia rys. 5. Strona 20

2 1 - wiązka główna 2 - listki boczne 3 - listek wsteczny Rys. 4. Przestrzenna charakterystyka promieniowania anteny Rys. 5. Przekrój charakterystyki promieniowania anteny Używa się również w praktyce antenowej określeń: pozioma i pionowa charakterystyka promieniowania. Należy jednak pamiętać, że terminy te mają sens tylko wówczas, gdy orientacja anteny w przestrzeni jest ustalona. C.2.2. Graficzna prezentacja charakterystyk promieniowania Przekroje charakterystyki promieniowania anten przedstawia się zazwyczaj na rysunkach w postaci wykresów we współrzędnych biegunowych lub prostokątnych, stosując przy tym skalę liniową [V/ V ] lub logarytmiczną [db]. Przykłady różnych sposobów prezentacji charakterystyki promieniowania przedstawione zostały na rys. 5, 6 i 7. Każdy ze sposobów jest dogodny dla specyficznej grupy zastosowań i interpretacji. Przedstawianie wykresów w skali logarytmicznej (w decybelach) jest dogodne dla precyzyjnej oceny charakterystyki przy małych poziomach, tzn. w obszarze wiązek bocznych. Strona 21

3 Rys. 6. Charakterystyka promieniowania anteny w skali liniowej Rys. 7. Charakterystyka promieniowania anteny w skali logarytmicznej C.2.3. Zależności energetyczne w antenach Przedstawiona na rys. 8 antena nadawcza przyjmuje na swoich zaciskach wejściowych a - b moc wejściową P A, którą przetwarza na moc promieniowaną P R symbolizowaną strzałkami przenikającymi okrąg na rysunku. Jeżeli przemiana dokonuje się bez strat, suma mocy promieniowanej we wszystkich kierunkach równa jest mocy wejściowej. Jeżeli zgodnie z prawami fizyki w antenie występują straty (głównie na ciepło), moc promieniowana P R jest mniejsza od mocy wejściowej P A. Współczynnik sprawności promieniowania lub w skrócie sprawność anteny wyrażana wzorem η = P R / P A jest mniejsza od jedności. W polu dalekim anteny nadawczej fala elektromagnetyczna niesie energię, której transport ilustruje wielkość nazywana wektorem Poyntinga S (rys. 9). Jego miarą jest gęstość mocy S wyrażana w W/m 2 powstała z wymnożenia S = E H = E2 / Z F0, Strona 22

4 gdzie E i H są ortogonalnymi w przestrzeni, synfazowymi wartościami skutecznymi składowych elektrycznej i magnetycznej pola dalekiego anteny. Wielkość Z F0 = 120 π = 377 [Ω] ma wymiar oporności i nosi nazwę impedancji falowej swobodnej przestrzeni. Rys. 8. Przepływ mocy w antenach nadawczych Rys. 9. Przepływ energii - wektor Poyntinga Z punktu widzenia teorii obwodów, antena od strony zacisków wejściowych jest dwójnikiem. Jej impedancja wejściowa ogólnie biorąc ma charakter zespolony, istnieje jednak składowa rzeczywista R p nazywaną opornością promieniowania anteny, która będzie spełniała równanie P R = I 2 R p, gdzie I jest skuteczną wartością prądu w określonym punkcie anteny. Jeżeli jest to prąd na wejściu anteny, powyższy wzór określa oporność promieniowania sprowadzoną do zacisków wejściowych. Strona 23

5 Rys. 10. Zależności energetyczne dla anteny odbiorczej Rysunek 10 ilustruje zależności energetyczne występujące w antenach odbiorczych. Przyjmijmy, że antena odbiorcza jest ustawiona w taki sposób w strumieniu fali elektromagnetycznej o gęstości S, aby napięcie na jej zaciskach wejściowych miało wartość maksymalną. Oznacza to, że antena jest zgodna polaryzacyjnie i ustawiona głównym kierunkiem charakterystyki na kierunek przychodzenia fali odbieranej. Jeżeli impedancja obciążenia Z o jest dopasowana do impedancji wewnętrznej anteny Z A na maksimum przekazywania mocy, moc wydzielana w składowej rzeczywistej impedancji obciążenia wyraża się zależnością P TOmax = S A T, gdzie wielkość A T mierzona w m 2 jest nazywana teoretyczną powierzchnią skuteczną anteny. Można ją sobie wyobrazić jako powierzchnię prostopadłą do strumienia energii fali odbieranej, przez którą przepływa wprost moc P TOmax nazywana teoretyczną mocą odbieraną. Jeżeli uwzględnimy sprawność anteny η otrzymamy rzeczywistą wielkość mocy odbieranej P Omax określoną wyrażeniem P Omax = P TOmax η Stosunek mocy odbieranej P Omax do gęstości strumienia S równy jest wielkości A e nazywanej wprost powierzchnią skuteczną A e. Jej miarę określa zależność A e = P Omax / S = A T η Powierzchnia skuteczna i teoretyczna powierzchnia skuteczna są proporcjonalne do zysku izotropowego G i lub kierunkowości anteny D przy pomocy zależności A e = G i λ 0 / 4π ; A T = D λ 0 / 4π, gdzie λ 0 jest długością fali w wolnej przestrzeni. Korzystając z powyższych zależności wyznaczyć można wielkość napięcia na dopasowanym obciążeniu anteny odbiorczej w zależności od wartości natężenia pola fali odbieranej. Wyrażone ono jest bardzo przydatną w praktyce zależnością gdzie : U = E λ R G 0 / 2π 0 i, 120 U - skuteczna wartość napięcia na dopasowanym obciążeniu anteny R 0, [V] E - skuteczna wartość natężenia pola odbieranej fali em, [V/m] Strona 24

6 R 0 - dopasowana oporność obciążenia anteny, [Ω] G i - zysk anteny względem źródła izotropowego; dla dipola półfalowego G i = 1,64 W/W. [W/W] Powyższą zależność w postaci diagramu przygotowanego dla dipola półfalowego o oporności dopasowania R 0 równej 75 Ω zamieszczono na końcu niniejszego katalogu. C.2.4. Anteny odniesienia Niektóre wielkości charakteryzujące anteny są definiowane przez porównanie z antenami wzorcowymi. Wchodzą w rachubę dwa wzorce mające charakter wzorców pierwotnych: kuliste źródło izotropowe oraz stosowany w zakresie częstotliwości do 1 GHz dipol półfalowy. Źródło izotropowe Bezstratna antena, która zgodnie z rys. 11 promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, nazywana jest kulistym źródłem izotropowym. Dla polaryzacji liniowej antena taka jest nierealizowalna, jednakże jest bardzo przydatna w różnorodnych obliczeniach. Gęstość mocy S i w odległości r od źródła jest równa stosunkowi całkowitej mocy promieniowanej P R przez powierzchnię kuli o promieniu r. S i = P R / 4πr 2 Dipol półfalowy W odróżnieniu od źródła izotropowego, dipol półfalowy posiada właściwości kierunkowe. Nie promieniuje energii wzdłuż swojej osi, wiązkując ją w kierunku ortogonalnym. Stanowi on antenę łatwo realizowalną dla polaryzacji liniowej i jest często wykorzystywany w praktyce. Przy braku strat, gęstość mocy S d w odległości r od dipola jest określona wyrażeniem: S d = 1,64 P R / 4πr 2 Rys. 11. Bezstratny izotropowy radiator kulisty Strona 25

7 C.2.5. Zysk i kierunkowość anten W polu dalekim anteny stosunek maksymalnej gęstości promieniowania S max do średniej gęstości promieniowania w pełnym kącie bryłowym S śr określa sumarycznie właściwości kierunkowe anteny i nazywa się kierunkowością D = S max / Sśr. Kierunkowość anteny nie uwzględnia strat mocy w antenie. Wprowadzono zatem jeszcze jedną wielkość określającą właściwości kierunkowe anteny z uwzględnieniem jej sprawności. Wielkość ta nosi nazwę zysku energetycznego anteny, który określa następująca definicja: G = E E 2 Bmax Wmax gdzie : E Bmax - maksymalne natężenie pola elektrycznego wytwarzane przez antenę badaną, E Wmax - maksymalne natężenie pola elektrycznego wytwarzane przez antenę wzorcową zasilaną taką samą mocą. Jako antenę wzorcową można przyjąć dowolną antenę, zgodnie jednak z rozważaniami p. C.2.4 w charakterze wzorca zwykle przyjmuje się dipol półfalowy lub bezstratną antenę izotropową. Zysk badanej anteny odniesionej do bezstratnej anteny izotropowej oznaczamy przez G i. Między kierunkowością a zyskiem energetycznym anteny wyznaczonym w stosunku do anteny izotropowej zachodzi zależność G i = D η. Zysk energetyczny podajemy często w decybelach, definiując go jako Z [db] = 10 lg G. Mając zdefiniowaną kierunkowość i zysk energetyczny anten można zapisać wzory pozwalające wyznaczyć ilościowo wielkość mocy promieniowanej przez anteny. Iloczyn izotropowego zysku anteny G i i mocy wejściowej anteny P A nazywamy zastępczą mocą promieniową źródła izotropowego i oznaczamy skrótem EIRP (ang.: Equivalent Isotropically Radiated Power). P ei = EIRP = P A G i. Dla określonej anteny nadawczej zasilanej mocą P A, natężenie pola uzyskiwane na kierunku maksymalnego promieniowania ma taką wartość jak z umieszczonej w tym samym miejscu anteny izotropowej zasilanej mocą o wartości EIRP. Strona 26

8 Wielkość P ed = ERP = P A G d nazywa się zastępczą mocą promieniowaną ERP 5 (Effective Radiated Power) anteny, wyznaczoną względem dipola półfalowego. Ostatnia zależność obliczona dla P A traktowanego jako parametr, przedstawiona jest w postaci diagramu na ostatniej stronie okładki katalogu. C.2.6. Szerokość wiązki głównej charakterystyki Szerokość wiązki głównej w aktualnej płaszczyźnie przekroju charakterystyki określa kąt zawarty pomiędzy kierunkami promieniowania, dla których natężenie pola spada do poziomu -3 db (0,707) w stosunku do wartości w maksimum promieniowania (patrz rys. 5). W praktyce kąt ten nazywany jest również podwojonym kątem połowy mocy. Szerokość wiązki (kąt połowy mocy) dla anten określa się zazwyczaj zarówno w płaszczyźnie wektora E jak i wektora H. C.2.7. Szerokość pasma roboczego anten Przy określaniu szerokości pasma roboczego należy sprecyzować, według którego z parametrów anteny jest ona określana. Definicja określa szerokość pasma jako różnicę pomiędzy dwoma częstotliwościami f 1 i f 2, pomiędzy którymi parametr stanowiący kryterium utrzymuje się na wymaganym poziomie. Dla przykładu, inna może być szerokość pasma z uwagi na warunki dopasowania na wejściu anteny, inna z uwagi na wartość zysku. Dla celów ofertowych, jako szerokość pasma roboczego anteny powinno przyjmować się wartość bardziej krytyczną lub wyraźnie podawać przyjęte kryterium. C.2.8. Stosunek promieniowania głównego do wstecznego Stosunek promieniowania głównego do wstecznego jest parametrem określającym zdolność anteny do dyskryminacji zakłóceń przychodzących z kierunków odległych od kierunków wiązki głównej. Z tego względu, jest on głównie stosowany w antenach odbiorczych. Jego miarą liczbową jest stosunek maksymalnego poziomu wiązki głównej do maksymalnego poziomu największego listka bocznego położonego w obszarze 90 o do 270 o względem kierunku maksymalnego promieniowania. Jest on wyrażany zazwyczaj w decybelach. C.3. PODSTAWOWE TYPY ANTEN C.3.1. Anteny proste Dipol antenowy Dipol jest najważniejszym elementem budowy najbardziej nawet skomplikowanych anten radiokomunikacyjnych i radiodyfuzyjnych. Dipol (z greckiego dipol oznacza układ dwubiegunowy) składa się zazwyczaj z dwóch symetrycznych ramion-radiatorów wyposażonych w zaciski do doprowadzenia napięcia zasilającego. Stosuje się również dipole o niesymetrycznych ramionach oraz dipole zasilane bocznikowo. 5 W polskim słownictwie technicznym, na oznaczenie ERP funkcjonuje również niezupełnie ścisła definicja będąca dosłownym tłumaczeniem terminu angielskiego, tzn. skuteczna moc promieniowana. Strona 27

9 a) dipol prosty, prętowy d) dipol pętlowy b) dipol prosty, zasilany bocznikowo e) dipol załamany c) dipol szerokopasmowy f) dipol optymalizowany wg Landstorfera Rys. 12. Przykłady różnych form wykonawczych dipoli a) w płaszczyźnie H (symetria obrotowa) c) w płaszczyźnie E, dipol λ/2 b) w płaszczyźnie E, dipol krótki (Hertza) d) w płaszczyźnie E, dipol λ e) w płaszczyźnie E, dipol 1,5λ Rys. 13. Charakterystyki promieniowania różnorodnych dipoli Najczęściej dipole mają długość zbliżoną do połowy długości fali roboczej. Różne formy wykonawcze dipoli (rys. 12) mają w pierwszym rzędzie na celu uzyskanie optymalnych właściwości Strona 28

10 impedancyjnych. Przy większych długościach dipole mogą mieć w różnoraki sposób ukształtowane charakterystyki promieniowania, szczególnie w płaszczyźnie wektora E, tak jak to zostało przedstawione na rys. 13. Z uwagi na dużą wrażliwość właściwości dipoli na obecność obcych przewodników w ich otoczeniu, do sporadycznych należą przypadki kiedy dipol stanowi samodzielną antenę. Stosuje się je jako anteny wierzchołkowe na cienkich masztach oraz wszędzie tam, gdzie nie można postawić antenie wygórowanych wymagań. Przykładem są wszelkie ruchome stacje radiokomunikacyjne z doręcznymi telefonami komórkowymi włącznie. Najczęściej dipole są stosowane w postaci zespołów z radiatorami biernymi (anteny Yagi-Uda, anteny log.-per.) lub z reflektorami płaszczyznowymi (anteny panelowe), które ograniczając promieniowanie w pewnych kierunkach uniezależniają w mniejszym lub większym stopniu antenę od wpływów otoczenia. Zasilanie i impedancja wejściowa dipola Ze swojej istoty, dipole powinny być zasilane napięciem symetrycznym, co można zrealizować np. przy pomocy symetrycznej linii dwuprzewodowej, tak jak to zostało przedstawione na rys. 14a. Jeżeli zasilanie chcemy wykonać bardziej wygodną w eksploatacji niesymetryczna linią współosiową, musimy zastosować symetryzator, tak jak to zostało przedstawione na rys. 14b. Impedancja wejściowa dipola zachowuje się podobnie jak impedancja nieobciążonej linii długiej. Wskutek promieniowania, pojawia się składowa rzeczywista stanowiąca oporność promieniowania. Zaczynając od dipola krótkiego, który ma impedancję pojemnościową o niewielkiej składowej rzeczywistej, przy zwiększaniu jego długości dochodzimy w pobliżu długości równej połowie długości fali do pierwszego rezonansu (rezonans szeregowy λ /2). Oporność promieniowania cienkiego dipola przy rezonansie λ /2 wynosi około 73 Ω. Silnie zależna od częstotliwości impedancja wejściowa dipola musi być tak modyfikowana przez układy symetryzacji i transformacji, aby w wymaganym paśmie częstotliwości była dopasowana do impedancji linii zasilającej. a) przy pomocy symetrycznej linii dwuprzewodowej b) współosiowo poprzez symetryzator Rys. 14. Ilustracja sposobów zasilania dipola Anteny Yagi-Uda Anteny typu Yagi-Uda są najprostszymi antenami kierunkowymi, w których stosunkowo łatwo można uzyskać duży zysk. Są głównie stosowane jako anteny odbiorcze dla różnych służb we Strona 29

11 wszystkich podzakresach fal metrowych i decymetrowych. Dla stacji małych mocy, pojedyncze anteny lub ich zespoły stosuje się również do nadawania. Antena Yagi-Uda jest zazwyczaj zbudowana z elementu czynnego (radiatora) w postaci dipola pętlowego oraz szeregu sprzężonych z nim elementów biernych. Elementy bierne umieszczone w kierunku maksymalnego promieniowania nazywamy direktorami, umieszczone w kierunku przeciwnym (promieniowania wstecznego) nazywamy reflektorami. Gdy zależy nam na szczególnie dużym stosunku promieniowania głównego do wstecznego, dajemy więcej niż jeden reflektor. Schemat struktury anteny Yagi-Uda przedstawiono na rys. 15, natomiast rys. 16 przedstawia zależność maksymalnego zysku anteny od ilości radiatorów (elementów) n 6. Na rys. 17 przedstawiono szkic wymiarowy typowej 3-elementowej anteny typu Yagi-Uda. Rys. 15. Schemat ogólny struktury anteny Yagi-Uda Rys. 16. Maksymalny zysk anten Yagi-Uda w zależności od ilości radiatorów n 6 Wykres nie uwzględnia większej niż jeden liczby reflektorów w antenie Strona 30

12 Rys. 17. Szkic wymiarowy przykładowej 3-elementowej anteny Yagi-Uda Rys. 18. Przykład rozwiązania konstrukcyjnego 17-elementowej anteny Yagi-Uda Rys. 19. Zestaw czterech anten Yagi-Uda Strona 31

13 W charakterze przykładu, na rys. 18 przedstawione jest rozwiązanie konstrukcyjne 17-elementowej anteny typu Yagi-Uda. Na rys. 19 przedstawiony jest zestaw czterech anten Yagi-Uda stosowany do profesjonalnego odbioru telewizyjnego, np. jako anteny odbiorcze urządzeń czołowych dyfuzyjnej sieci kablowej. C.3.2. Anteny dipolowe logarytmicznie-periodyczne (LOG-PER) Anteny logarytmicznie-periodyczne są najbardziej popularnymi przedstawicielami grupy anten, których właściwości - teoretycznie niezależne od częstotliwości - są określane przez kąty. Są one szczególnie chętnie stosowane w radiodyfuzji jako profesjonalne anteny odbiorcze i anteny pomiarowe, np. w stacjach kontroli emisji radiowych. Decyduje o tym duża stałość charakterystyk promieniowania anten log-per w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, mały poziom wiązek bocznych i mała wrażliwość anten na zmienne warunki atmosferyczne, w tym szczególnie mała wrażliwość na oblodzenie. Budowa dipolowych anten log-per Dipolowa antena typu log-per jest zbudowana z płaskiej struktury zasilanych, równoległych dipoli Rys. 20. Szkic wymiarowy dipolowej anteny log-per (rys. 20). Końce wszystkich dipoli leżą na dwóch prostych, które przecinają się pod kątem α nazywanym kątem rozwarcia anteny log-per. Długość dipola l i i jego odległość R i od punktu przecięcia prostych zmieniają się w postępie geometrycznym z ilorazem τ < 1. Jest on nazywany współczynnikiem zbieżności, a kolejne wymiary można wyznaczyć przy pomocy proporcji τ = R i + 1 = R i l i + 1 l i W realizacjach praktycznych współczynnik zbieżności powinno się wybierać w granicach 0,7 < τ < 1. Jeżeli z najniższej częstotliwości zakresu roboczego anteny wyznaczymy wymiar najdłuższego radiatora l 0 i współrzędną jego położenia R 0, to możemy wyznaczyć długości i położenie wszystkich pozostałych radiatorów. Z kąta rozwarcia α i współczynnika zbieżności τ można wy- Strona 32

14 znaczyć parametr σ nazywany współczynnikiem periodyczności elektrycznej. Wyznacza go zależność 1 τ 4 σ = ( ) cot( α 2) Współczynnik σ wyznacza względną odległość mierzoną w długości fali pomiędzy kolejnym dipolem a najbliższym krótszym, czyli wielkość (R i - R i+1 )/λ. Wymiar najdłuższego radiatora l 0 powinien być równy λ max/2 natomiast najkrótszy powinien mieć długość λ min/3.. Rys. 21. Zasilanie anteny log-per za pomocą przewodu współosiowego Dipole pobudza się za pomocą dwuprzewodowego toru symetrycznego o stałej impedancji falowej w sposób naprzemienny, tak że pomiędzy sąsiednimi dipolami występuje dodatkowe przesunięcie fazowe równe 180 o (rys. 21). Energia do toru pobudzającego może być doprowadzona za pomocą przewodu symetrycznego lub za pomocą przewodu współosiowego umieszczonego wewnątrz jednego z przewodników toru pobudzającego. Oplot zasilającego przewodu współosiowego dołącza się do końca jednego przewodnika toru pobudzającego, a żyłę wewnętrzną do drugiego, tak jak to pokazano na rys. 21. Antena odgrywa wówczas jednocześnie rolę urządzenia symetryzującego. W zakresie pasma roboczego, prawidłowo zaprojektowana antena wiązkuje energię w kierunku krótszych dipoli. Sposób działania i parametry dipolowych anten log-per Dla zrozumienia sposobu działania anteny logarytmicznie-periodycznej, prześledzimy transport energii w antenie. Od punktu zasilania znajdującego się na wąskim końcu anteny energia jest transportowana linią pobudzającą bez większych strat na promieniowanie w region gdzie dipole są najbliższe rezonansu półfalowego. Tam energia jest odpromieniowana najsilniej, przy czym tłumienie mocy na promieniowanie może dochodzić do 20 db. Ponieważ zazwyczaj kilka dipoli w otoczeniu dipola aktualnie półfalowego jest silnie pobudzonych, wprowadza się pojęcie szerokości czynnej strefy anteny B ar, zdefiniowanej jako stosunek odległości, dla których amplituda prądów pobu- Strona 33

15 dzających dipole maleje o 10 db w stosunku do pobudzenia maksymalnego. Zależność szerokości czynnej strefy anteny od parametrów α i τ dla Z f = 100 Ω i stosunku h/a = 125 przedstawiona została na rys. 22. Rys. 22. Zależność szerokości czynnej części anteny od parametrów α i τ Podstawowymi parametrami mającymi wpływ na wiązkowanie energii i kierunkowość dipolowej anteny logarytmicznie-periodycznej są współczynnik zbieżności τ i współczynnik periodyczności σ. W sensie fizycznym oznacza to, że kierunkowość anteny jest przede wszystkim proporcjonalna do szerokości strefy czynnej anteny B ar, w małym natomiast stopniu do całkowitej długości struktury. Przy małym kącie rozwarcia α i współczynniku zbieżności τ bliskim jedności, kierunkowość anteny może osiągać 10 db. Przy dużym kącie rozwarcia i współczynniku zbieżności znacznie mniejszym od jedności, kierunkowość może spadać poniżej 6 db. Kierunkowość anteny log-per można określić na podstawie charakterystyki promieniowania z zależności przybliżonej D = lg α α, gdzie α E i α H są szerokościami (w stopniach) głównej wiązki promieniowania na poziomie połowy mocy odpowiednio w płaszczyźnie E i H. Charakterystykę promieniowania należy wyznaczyć pomiarowo lub na podstawie bardzo zazwyczaj skomplikowanych obliczeń. Moduł impedancji wejściowej anteny zależy od impedancji charakterystycznej toru pobudzającego Z f poprzez zależność R we = Z E f H Zf 1 + 4σ Z przy czym: h σ = σ τ, natomiast Z a = 120 ln 2, 25 - średnia impedancja falowa dipola, gdzie a a oznacza średnią średnicę, a h średnią długość ramienia dipola. Długość anteny L mierzona między skrajnymi dipolami wyraża się wzorem λ max L = 1 1 ctg( α 2) B 4 s a, Strona 34

16 natomiast liczbę dipoli N, można wyznaczyć ze wzoru lg Bs N = 1 +. lg 1 τ W powyższych wzorach B s jest obliczeniową względną szerokością pasma roboczego wyrażaną wzorem B s = h h 1 N = ( ) ( 1 N) τ. C.3.3. Anteny panelowe Większość profesjonalnych anten radiofonicznych i telewizyjnych dużej mocy jest zabudowywana wzdłuż centralnie umieszczonego masztu lub wieży jako wspornika. Przy budowie tego typu złożonych anten są powszechnie wykorzystywane specjalnie dla tego celu opracowane jednostki promieniujące nazywane antenami panelowymi. Budowa anten panelowych Antena panelowa zbudowana jest przeważnie z zespołu dipoli umieszczonych przed płaskim ekranem (reflektorem). Zwraca się tutaj szczególną uwagę na uzyskanie dużej stabilności konstrukcji i minimalizację sił od naporu wiatru przy możliwie niewielkim ciężarze. W antenach panelowych stosuje się na ogół kilka radiatorów umieszczanych nad sobą lub obok siebie przed wspólnym reflektorem. Konieczne do działania anteny elementy układu zasilania radiatorów i człony dopasowujące są integralnie związane z panelem. Reflektory anten panelowych są wykonywane w postaci sieci przewodzących rur lub zamkniętej powierzchni, tak aby parametry elektryczne anteny w minimalnym stopniu zależały od tego co znajduje się poza ekranem. Zwraca się również szczególną uwagę na niski poziom promieniowania wstecznego (co najmniej -20 db w stosunku do poziomu promieniowania głównego). W przeciwnym przypadku, promieniowanie to przenikając w sposób niekontrolowany przez masz interferuje z promieniowaniem głównym sąsiednich jednostek zniekształcając wypadkową charakterystykę promieniowania. Parametry elektryczne anten panelowych Poziome charakterystyki promieniowania anten panelowych są optymalizowane pod kątem składania anten o dookólnych charakterystykach poziomych. Optymalna byłaby sektorowa charakterystyka panelu, tzn. taka aby w określonym przedziale kąta azymutu (90 o lub 120 o ) charakterystyka miała wartość stałą, natomiast poza nim promieniowanie powinno całkowicie zanikać. Ponieważ realizacja takich charakterystyk jest niemożliwa, dąży się tutaj do kompromisów jak to przedstawiono na rys. 23. Zależność kształtu charakterystyki od częstotliwości powinna być minimalna. Strona 35

17 idealnej anteny sektorowej rzeczywistej anteny panelowej Rys. 23. Pozioma charakterystyki promieniowania anteny panelowej Stosując anteny panelowe uzyskuje się wielorakie korzyści, które przedstawiają się następująco:! kierunkowe charakterystyki promieniowania panelu, a szczególnie wiązkowanie charakterystyki w przekroju pionowym powoduje z jednej strony zwiększanie zysku całej anteny, z drugiej strony zmniejsza poziom powstających w systemie wiązek niepożądanych skierowanych w kierunku Ziemi lub w kierunku zenitu;! anteny panelowe charakteryzują się znaczną obciążalnością energią w.cz. (10 kw i więcej), ponieważ moc doprowadzona do panelu rozdziela się na szereg radiatorów;! zintegrowane wewnątrz panelu układy zasilania zmniejszają ilość koniecznych stopni podziału mocy w.cz. w zestawach antenowych, upraszczając i obniżając koszty wykonania zewnętrznych układów zasilania;! zintegrowane wewnątrz panelu układy zasilania są opracowywane z uwzględnieniem sprzężeń pomiędzy radiatorami, co powoduje, że impedancja wejściowa anten panelowych jest mało wrażliwa na sąsiedztwo innych paneli w zestawach antenowych. Na rys. 24 przedstawiono przykład wykonania anteny panelowej firmy ELTI-Elrad, a na rys. 25 jej charakterystyki promieniowania wyznaczone dla płaszczyzny E i płaszczyzny H. Szczególnie charakterystyka promieniowania w płaszczyźnie wektora E jest bliska optymalnej dla anten dookólnych, w których panele są rozmieszone na bokach kwadratu. Strona 36

18 Rys dipolowa antena panelowa na zakres radiofoniczny UKF/FM a) płaszczyzna wektora E d) płaszczyzna wektora H Rys. 25. Charakterystyki promieniowania anteny panelowej z rys. 24 Strona 37

19 C.4. ZESPOŁY ANTEN C.4.1. Uwagi ogólne dotyczące zespołów anten W technice antenowej dość często dla uzyskania parametrów nieosiągalnych dla pojedynczej anteny stosuje się zespoły anten. Zespoły takie dla uzyskania założonych parametrów, zasila się poprzez specjalnie dla nich zaprojektowane układy zasilania. Działanie takie może mieć różnoraki cel, przeważnie chodzi jednak o jedną lub kilka spośród następujących możliwości:! uzyskanie zysku wypadkowego nieosiągalnego dla pojedynczej anteny,! uzyskanie dodatkowych stopni swobody w kształtowaniu charakterystyki promieniowania anteny, jak np. zestawienie właściwie zasilanego zespołu anten kierunkowych, dla uzyskania charakterystyki dookólnej,! dla zespołów anten przeznaczonych do odbioru, uzyskanie szczególnego wytłumienia na przewidywanym kierunku nadchodzenia zakłóceń. W następnym punkcie podana zostanie metodyka obliczeń stosowana przy wyznaczaniu wypadkowych charakterystyk promieniowania zespołów anten. C.4.2. Wyznaczenie wypadkowej charakterystyki promieniowania zespołu W charakterze przykładu przeanalizowana zostanie grupa złożona z dwóch różnych anten kierunkowych przedstawiona na rys. 26. Rys. 26. Zespół dwóch różnych anten kierunkowych Przy założeniu, że punkt obserwacji jest w bardzo dużej odległości od anten, możemy przyjąć, że linie łączące go z antenami są równoległe. Wypadkowe natężenie pola w punkcie obserwacji Ê w jest sumą natężeń pól Ê 1 i Ê 2 wywołanych prądami w antenach tak jak zostało to zapisane w poniższych wzorach Ê w ( ϕ) = Ê 1 + Ê 2 jβ r Ê ( ϕ) = A [ Î G Fˆ ( γ ) + Î G Fˆ ( γ ) ] gdzie A oznacza współczynnik proporcjonalności. w, e Strona 38

20 Amplituda natężenia pola E 1 zależy od amplitudy prądu I 1, zysku G 1, kształtu charakterystyki F 1 (γ 1 ) i nie uwidocznionej we wzorze odległości r 1 punktu obserwacji od anteny. Analogiczne zależności obowiązują dla E 2. Różnica dróg r = r 1 - r 2 jest na tyle mała w stosunku do obydwu odległości, że można przyjąć iż tłumienie trasy jest jednakowe dla obydwu składowych. Ponieważ wypadkowa charakterystyka promieniowania układu jest wielkością względną, można w niej w ogóle pominąć wpływ tłumienia trasy. Faza pomiędzy wartościami składowymi natężenia pola Ê 1 i Ê 2 w punkcie obserwacji zależna jest od wzajemnych relacji fazowych prądów zasilających Î 1 i Î 2, fazy własnej charakterystyk Fˆ 1( γ 1) i Fˆ 2 ( γ 2 ) oraz przesunięcia fazowego wynikającego z różnicy dróg r. Jeżeli punkt obserwacji będziemy, tak jak to zostało zaznaczone na rys. 26, przemieszczali wokół anten, uzyskamy rozkład wypadkowego natężenia pola w funkcji kąta ϕ. Po wyznaczeniu amplitudy i unormowaniu rozkładu względem wartości maksymalnej uzyskamy charakterystykę wypadkową, tak jak to zostało zapisane we wzorze poniżej E F w (ϕ) = w ( ϕ) E w max Przedstawiona powyżej analiza dotycząca wypadkowej charakterystyki promieniowania dotyczyła zespołu dwóch anten. Nie ma istotnych przeszkód, aby powyższe zależności uogólnić dla zespołu N praktycznie dowolnie rozmieszczonych anten. Wypadkowe natężenie pola wyraża się w tym przypadku sumą N składników zgodnie we wzorem w ( ϕ) N i i= 1 jβ r i Ê = A Î G F ( γ ) e Pozostałe rozważania dotyczące wypadkowej charakterystyki promieniowania pozostają bez zmian. Można w tej chwili określić syntetyczne czynniki decydujące o wypadkowej charakterystyce promieniowania grupy anten:! pozycja każdej z anten wchodzących w skład grupy;! orientacja pojedynczej anteny;! charakterystyka promieniowania każdej z anten; dla uzyskania dużej dokładności należy w obliczeniach uwzględniać zarówno moduł jak i fazę charakterystyki pojedynczej anteny; obliczenia charakterystyki wypadkowej przy uwzględnieniu tylko amplitudy charakterystyki anteny należy traktować jako obliczenia przybliżone, wystarczające jednak w wielu przypadkach do oceny przydatności anteny do pracy w założonych warunkach;! moduł i faza prądów zasilających; ponieważ charakterystyka promieniowania jest w rzeczywistości zbiorem wartości względnych, w praktyce obliczeniowej moduł i fazę prądów zasilających poszczególne anteny zespołu wprowadzamy przeważnie jako wielkości względne odniesione do prądu zasilającego anteny wybranej jako antena odniesienia; uzyskane w ten sposób wielkości zasilające poszczególne anteny nazywane są współczynnikami pobudzenia. Są one również wykorzystywane do pomiarowego wyznaczania charakterystyk promieniowania. Będzie o tym bliżej mowa w rozdziale G. i i i Strona 39

21 W praktyce antenowej, zespoły anten złożone z wielu dowolnie rozmieszczonych anten różnych typów stosuje się bardzo rzadko. Zazwyczaj anteny buduje się z identycznych anten jednostkowych zwanych elementami promieniującymi, grupowanych w regularny sposób na bokach kwadratu lub innych regularnych figur geometrycznych. W następnym punkcie zajmiemy się szczególnym przypadkiem układów antenowych o dużym znaczeniu praktycznym, tzn. antenami o dookólnej charakterystyce promieniowania. C.4.3. Anteny o dookólnych charakterystykach promieniowania Wymagany kształt charakterystyki promieniowania anteny w płaszczyźnie poziomej zależy od jej położenia w stosunku do obsługiwanego terenu. Na ogół ośrodek nadawczy lokalizuje się w środku terenu i wtedy pozioma charakterystyka promieniowania powinna być dookólna. Zwykle dopuszcza się pewne odchylenia od kształtu kołowego i według obowiązujących w Polsce norm, nierównomierność dookólnej charakterystyki promieniowania nie powinna przekraczać ±2 db lub ±3 db w zależności od rodzaju służby i niektórych innych uwarunkowań. Spełnienie tego typu wymagań jest łatwe dla anten ze skrzyżowanymi dipolami lub anten szczelinowych, są to jednak anteny wierzchołkowe - na maszcie raczej tylko jedna antena może być wierzchołkowa. Z tego względu w Europie buduje się anteny dookólne z anten panelowych lokowanych na obrysie wieloboku wzdłuż powierzchni bocznych masztów i wież antenowych, przy czym preferuje się tutaj anteny budowane na rzucie kwadratu. Z tego względu, w dalszej części zajmiemy się budową anteny o strukturze piętrowej, w której piętro jest zbudowane z czterech anten panelowych rozmieszczonych na bokach kwadratu tak jak zostało to przedstawione na rys. 27. Przy takim rozwiązaniu, nierównomierność poziomej Rys. 27. Rozmieszczenie elementów antenowych dla uzyskania charakterystyki dookólnej Strona 40

22 charakterystyki promieniowania zależy od wymiarów poprzecznych masztu mierzonych w długościach fali. Dla przeciętnych anten panelowych stosowanych w praktyce zależność tę przedstawiono na rys. 28. Z wykresu wynika, że uzyskanie wymaganej równomierności charakterystyki w zakresie radiofonicznym FM i w zakresie VHF nie nastręcza większych trudności konstrukcyjnych. W zakresie UHF (IV/V zakres TV) utrzymanie nierównomierności charakterystyki poziomej w dopuszczalnych granicach wymaga stosowania masztów o bardzo małych przekrojach poprzecznych. Utrudnia to montaż i konserwację anteny. Rys. 28. Nierównomierność charakterystyki poziomej w funkcji rozstawienia anten Odrębnego omówienia wymaga sprawa uwidocznionego na rys. 27 odsunięcia bocznego anten panelowych od osi symetrii masztu o wielkość d nazywaną w żargonie antenowym offsetem. Dla anten przewidzianych do nadawania dla telewizji, a ostatnio również dla radiofonii cyfrowej, wymagania na dopasowanie mierzone współczynnikiem odbicia na wejściu anteny są ekstremalne. Z tego względu w antenach stosuje się powszechnie co najmniej pojedynczą ćwierćfalową kompensację współczynnika odbicia. Bliżej będzie o tym mowa w rozdziale D, przy omawianiu układów zasilania anten. W tym miejscu ograniczymy się do stwierdzenia, że wymogiem kompensacji ćwierćfalowej jest zasilanie paneli antenowych z cyklicznym przesunięciem fazowym, które dla układu czworobocznego wynosi 90 o. Przy tego typu zasilaniu, w czasie jednego okresu nadawanego sygnału radiowego 7, kolejne ściany anteny otrzymują cyklicznie maksymalne pobudzenie w związku z czym można przyjąć iż wektor natężenia pola elektrycznego wiruje w przestrzeni z częstotliwością nadawania. Z tego względu, anteny takie nazywane są antenami z polem wirującym. Kierunek wirowania zależy od kierunku narastania opóźnienia fazowego w układzie zasilania anteny. Dla ograniczenia wpływu cyklicznego przesunięcia fazowego na równomierność charakterystyki poziomej stosuje się przesunięcia geometryczne jednostek promieniujących wzdłuż boków kwadratu dobrane w ten sposób, aby promieniowanie na kierunku przekątnych dodawało się synfazowo. 7 Okres przemiennego sygnału elektrycznego T jest równy odwrotności częstotliwości tego przebiegu, tzn. T = 1/F. Oznacza to, że okres sygnału o częstotliwości 100 MHz jest równy 10-8 sekundy, czyli 10 nanosekund. Strona 41

23 Rzut środka fazowego anteny opóźnionej w zasilaniu o -90 o powinien na kierunku przekątnej wyprzedzać o ćwierć długości fali roboczej rzut środka fazowego anteny wyprzedzającej. Przesunięcie d dobiera się dla częstotliwości bliskiej częstotliwości środkowej zakresu roboczego anteny. O jego dokładnej wartości decyduje symetria kształtu wypadkowej charakterystyki promieniowania w otoczeniu kierunku przekątnej. Rys. 29. Charakterystyka pozioma anteny z kompensacją ćwierćfalową Na rys. 29 przedstawiono wykresy poziomej charakterystyki promieniowania wyliczonej dla czworobocznej anteny panelowej. Krzywa czarna obrazuje charakterystykę przy prawidłowo dobranym przysunięciu d i prawidłowo dobranym kierunku wirowania pola elektromagnetycznego. Zdarza się, że projektant lub wykonawca anteny popełni omyłkę i narzuci antenie kierunek wirowania odwrotny niż wynika to z kompensującego przesunięcia geometrycznego (wystarczy w tym celu odwrócić kolejność podłączenia kabli do wejść elementów promieniujących). Przypadek taki prowadzi do powstania głębokich minimów w charakterystyce, tak jak to ilustruje przebieg czerwony na rys. 29. Strona 42