ANTENY I TRANSMISJA FAL

Transkrypt

1 ANTENY I TRANSMISJA FAL Kaol Anisowicz konsultacj: pokój Tatyka zajęć. Wiadoości wstępn. Pzznaczni i klasyfikacja antn. Podstawy toii poiniowania 3. Paaty antn 4. Antny lntan. Dipol Htza. Dipol agntyczny 5. Antny liniow (pętow) 6. Wpływ zii 7. Dopasowani ipdancji 8. Układy antnow. Chaaktystyki gupow 9. Antny z falą biżącą 0. Antny aptuow. Antny z flktoai paabolicznyi. Rozchodzni się fal adiowych w atosfz Litatua atiały poocnicz Litatua. Matiały poocnicz do wykładów stona WWW: D. J. B: Antny i ozchodzni się fal adiowych, WNT, Waszawa 973 (oaz sia atykułów w Radiolktoniku 995/96).. Kubacki R.: Antny ikofalow. Tchnika i śodowisko, WKŁ, Waszawa Z. Bińkowski, E. Lipiński: Aatoski antny KF i UKF. Toia i paktyka, WKŁ, Waszawa J. Piniak: Antny tlwizyjn i adiow, WKŁ, Waszawa J. Szóstka: Fal i antny, WKŁ, Waszawa S. Rosłonic: Podstawy tchniki antnowj, Oficyna Wydawnicza PW, Waszawa

2 Pacownia poblowa Modlowani antn z zastosowani koputa Poga NEC- (Nuical Elctoagntics Cod), napisany pzz G. J. Buk i A. J. Poggio w Lawnc Livo Laboatoy in Livo, Califonia, w latach 970-tych. Kod źódłowy pogau w języku FORTRAN jst dostępny na zasadach Public Doain. Poga jst powszchni znany. Istniją aktywn foa dyskusyjn użytkowników NEC-a. WYKŁAD Powstały óżn jgo odyfikacj. Szczgólni watościowa jst nakładka gaficzna 4NEC, napisana i ciągl udoskonalana pzz Ai Voos a (v ), wykozystująca NEC- (ówniż NEC-4) jako jądo obliczniow Plan wykładu Pzznaczni i klasyfikacja antn Stuktualny schat antny Podstawy toii poiniowania. Równania lktodynaiki, waunki bzgow Pojęci onopola ( ładunku ) agntyczngo, pądu agntyczngo Źódła poiniowania. Źódła koplntan Zasada Babinta. Zasada podobiństwa. Zasada wzajności Stfy pola w otoczniu źódła poiniowania Elktoagntyczna fala płaska pzyponini 7 Rol antny. Pzkształcni odzaju fali - z ozchodzącj się w powadnicy falowj w ozchodzącą się w wolnj pzstzni (antna nadawcza) lub odwotni (antna odbiocza).. Dopasowani ipdancji tou tansisyjngo do ipdancji wolnj pzstzni. 3. Filt pzstznny wypoiniowani ngii w ściśl zaplanowany kiunku albo odbió sygnału z ściśl zaplanowango kiunku. 4. Filt polayzacyjny. 5. Wstępny filt częstotliwościowy. 8

3 Zastosowania w óżnych działach tchniki - adiokounikacja, - adiolokacja, - łączność satlitana, - zdaln stowani, - adio i tlwizja, - tlfonia bzpzwodowa, - adioastonoia... Klasyfikacj antn Klasyfikacja opata na paśi częstotliwości sygnałów oboczych: - antny fal długich i śdnich; - antny kótkofalow; - antny UKF i UHF; - antny ikofalow; - antny fal optycznych. 9 0 Klasyfikacj antn Stuktualny schat antny Klasyfikacja opata na sposobi foowania pola poiniowania:. Antny o ałych wyiaach l λ, f = 0 khz GHz (pojdyncz wibatoy, antny szczlinow, antny paskow i ikopaskow, antny aow, antny stożkow...).. Antny z falą biżącą λ l 0λ, f = 3 MHz 0 GHz (pzwodniki postoliniow z falą biżącą, antny typu V i obow, długi szczliny w falowodzi, antny śubow, antny z falą powizchniową, antny logayticznipiodyczn, długi pęty dilktyczn...). 3. Antny ścianow λ l 00λ, f = 3 MHz 30 GHz (gupy liniow, płaski, kołow, wypukł, zgodn z kształt obiktu...). 4. Antny aptuow λ l 000λ, f = 00 MHz 00 GHz (antny flktoow, antny tubow, antny soczwkow, antny hybydow). zasilająca powadnica falowa wjści układ dopasowujący układ ozdziału ngii stuktua poiniująca

4 Źódła pola lktoagntyczngo Źódłai pól lktycznych są ładunki lktyczn. Pol agntyczn jst bzźódłow. Fizyczną pzyczyną jgo powstawania jst uch ładunków lktycznych (lub zinn w czasi pol lktyczn). Dla clów obliczniowych, w ty dla sytii ównań Maxwlla, wpowadzono pojęci fikcyjnych źódł pól agntycznych - jdnoiinn ładunki agntyczn. Taki ładunk, to onopol. ang.: pol - bigun (zawsz są dwa biguny), onopol - bigun odosobniony (albo N, albo S). 3 Podstawow ównania lktodynaiki Równania Maxwlla: ote = E = jωµ H J oth = H = jωε E+ J E σ gdzi : ε = ε j ω V /, H A /, ε F/, µ H /, σ S/ jωε E = jωε E+ σ E J A /, J V / [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] D= ε E, B= µ H 4 Podstawow ównania lktodynaiki Równania dywgncyjn: div D= D= ρ C / = V F/ div B= B= ρ A H / Równania ciągłości pądów: J + jωρ = 0 J + jωρ = 0 [ 3] [ 3] [ 3] 5 Waunki bzgow waunki bzgow na styku dwóch ośodków: n ( H H) = JS [ A / ] n E E = J V / ( ) S [ ] ( ) ρ S [ C / ] [ V F/ ] ( ) ρ S [ A H / ] n D D = = n B B = n waunki bzgow na styku dilktyka i idalngo pzwodnika: n E = 0, n H = JS n D= ρ, n B= 0 S 6

5 Źódła poiniowania Fizycznyi źódłai poiniowania są układy pzwodników, w któych płyną zinn w czasi pądy lktyczn. Można sobi wyobazić ówniż antny, w któych płyną pądy agntyczn. Można tż powidzić, ż poiniowani pochodzi od zinngo w czasi pola lktoagntyczngo zawatgo w pwny obszaz. Zasada kwiwalntności Jżli wwnątz pwngo obszau otoczongo powizchnią zakniętą S o dowolny kształci znajduj się źódło poiniowania, to na zwnątz tj powizchni istnij pwn pol lktoagntyczn. Taki sao pol będzi wytwozon na zwnątz powizchni S, jśli z jj wnętza usuniy źódło poiniowania, a na powizchnię wpowadziy pądy powizchniow o gęstościach okślonych pzz składow styczn pól: n H = J S n E= J S 7 8 Źódła koplntan (dualn) Źódło wytwazając pol lktoagntyczn wyłączni wskutk pzpływu pądów lktycznych nazyway źódł lktyczny. Źódło wytwazając pol lktoagntyczn wyłączni wskutk pzpływu pądów agntycznych nazyway źódł agntyczny. Każdu źódłu lktycznu ożna pzypoządkować koplntan (dualn, dopłniając) źódło agntyczn. I odwotni: agntycznu lktyczn. dipol lktyczny λ / Zasada Babinta Jśli dokonay poiaów pól E i H w pwny punkci odspaowany od układu źódł za poocą pzysłony, a następni dokonay w ty say punkci poiaów pól E i H po wstawiniu pzysłony koplntanj, to: E + E = E, H + H = H dipol agntyczny Zasadę tę ożna uogólnić na pzypadk, kidy ni tylko pzysłony (kany), al ówniż źódła są koplntan (następny slajd). 9 0

6 Zasada Babinta Zasada podobiństwa W obliczniach i pacach kspyntalnych często wykozystywana jst zasada podobiństwa lktoagntyczngo: E E + = E E Chaaktystyki antny ni ulgną ziani, jśli pzy ziani częstotliwości oboczj zostaną zachowan jj wyiay lktyczn. Oznacza to, ż il azy zostani ziniona długość fali, tyl azy nalży zinić wszystki wyiay antny. Ni zawsz da się tę zasadę zastosować np. gdy nalży ówniż uwzględnić ziany właściwości atiałów w funkcji częstotliwości. Zasada wzajności antna - obsza V, pady J, J wytwazajac pol E, H antna - obsza V, pady J, J wytwazajac pol E, H E J H J dv = E J H J dv V ( ) ( ) Jżli pąd I płynący pzz zaciski antny wywołuj na zaciskach antny powstani napięcia U, a pąd I płynący pzz zaciski antny wywołuj na zaciskach antny powstani napięcia U, to U I= U I W szczgólności, jśli I= I = I, to U = U= U. Zasada wzajności jst spłniona pzz układy odwacaln. V 3 Stfy pola w otoczniu źódła poiniowania - stfa bliska (aktancyjna, statyczna): k <<, gdzi k = π / λ, czyli π << λ ; - stfa pośdnia (Fsnla): π λ ; - stfa dalka (Faunhofa): D λ. Wówczas R λ 6. λ i >> π z P R = - ' ~ = x 0 dv V ' y W wzoach opisujących E i H występują składniki popocjonaln do: / 3, / i / 4

7 Pol w stfi dalkij Pol w stfi dalkij Pol lktoagntyczn stfy dalkij a chaakt fali popzcznj ozchodzącj się poiniści, tzn. bak jst składowych adialnych natężnia pola lktyczngo i agntyczngo: E(, θ, φ) = Eθ (, θ, φ) θ + Eφ (, θ, φ) φ ( E = 0) H(, θ, φ) = H (, θ, φ) + H (, θ, φ) ( H = 0) θ θ φ φ Lokalni w otoczniu punktu P ta fala a chaakt fali płaskij. 5 Zalżność aplitudy i fazy natężnia pola od poinia a postać taką, jak dla fali sfycznj: jk jk E(, θ, φ) = E0( 0, θ, φ), H(, θ, φ) = H0( 0, θ, φ) pzy czy 0 D λ. 0 W dzidzini czasu: E (, θ, φ, t) = E sin( ω t k + ϕ ) 0 0. Kiunkowa chaaktystyka poiniowania: E( 0, θ, φ) F( θ, φ) = E( 0, θ 0, φ 0) ax 6 Fala płaska (TEM) Fala płaska TEM Tansvs ElctoMagntic wav W póżni lub w powitzu: Z f 7 µ 0 4π 0 = = 0π 377[ Ω] ε π ω γ = j ω µ ε = j = jβ = j k c 0 0 c= 3 0 µ ε / s 7 Właściwości fali płaskij (podsuowani). Dgania wktoów E( t) i H( t) zachodzą w płaszczyźni postopadłj do kiunku popagacji bak składowych wzdłużnych (wzdłuż kiunku ozchodznia się).. Równania Maxwlla dukują się do postgo związku: H = υ E ZTEM 3. Wktoy E( t), H( t) i υ twozą układ otogonalny pawoskętny: Zwot iloczynu wktoowgo E H E wyaża kiunk popagacji fali. υ H 4. Pol lktoagntyczn fali płaskij jst bzwiow w płaszczyźni popzcznj do kiunku popagacji: T E = 0 i T H = 0 Dzięki tu ożliw jst zdfiniowani potncjałów skalanych: lktyczngo i agntyczngo. W konskwncji: ożna zdfiniować napięci. 5. Sposoby wykonywania dgań pzz wktoy E( t) i H( t) fali płaskij są okślan za poocą pojęcia polayzacji. 6. Iloczyn wktoowy natężnia pola lktyczngo i natężnia pola agntyczngo wyaża powizchniową gęstość ocy pznoszoną pzz falę [V A/ ]. 8

8 Polayzacja fali płaskij Każdą falę o polayzacji kołowj ożna pzdstawić w postaci suppozycji dwóch fal o polayzacji liniowj i odwotni każdą falę o polayzacji liniowj ożna pzdstawić w postaci dwóch fal o polayzacji kołowj

9