K A T A L O G. wyrobów antenowych firmy anex

Transkrypt

1 K A T A L O G wyrobów antenowych firmy anex anex Andrzej Postawka Wroc³aw, ul. Jerzmanowska 99 tel.: (071) , , fax: (071) anex@k.pl

2 Strona 2 anex Andrzej Postawka

3 SZANOWNI PAŃSTWO! W sierpniu 1999 roku minęło 10 lat działalności Przedsiębiorstwa Wielobranżowego anex - Andrzej Postawka. Działalność ta głównie poświęcona została rozwiązywaniu problemów technicznych w zakresie szeroko pojętej techniki antenowej. Po przeanalizowaniu dokonań oraz problemów, które wyniknęły przy realizacji zadań, doszliśmy do wniosku, że nastąpił właściwy moment do opracowania katalogu własnych wyrobów antenowych. Przy okazji kompletowania materiałów uznaliśmy, że dobrze by było rozszerzyć katalog o zbiór podstawowych informacji dotyczących teorii anten. Zadanie okazało się trudniejsze niż się spodziewaliśmy. Nie chcieliśmy spłycać zagadnienia, a równocześnie przytoczenie i uzasadnienie wszystkich zależności wykraczało poza przyjętą formę katalogu. Czy nam się to udało najlepiej Państwo ocenicie sami. inż. Andrzej Postawka Wrocław, wrzesień 1999 roku anex Andrzej Postawka Strona 3

4 Strona 4 anex Andrzej Postawka

5 S P I S T R E Ś C I A. FIRMA anex - Andrzej POSTAWKA... 9 A.1. INFORMACJE O FIRMIE anex... 9 A.2. OSIĄGNIĘCIA FIRMY anex... 9 A.3. SUKCESY FIRMY A.4. OBSZAR DZIAŁANIA FIRMY anex A.4.1. Profil produkcyjny firmy...10 A.1.2. Profil usługowy firmy...11 A.1.3. Profil projektowy...11 B. ELEMENTY TEORII POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO B.1. ISTOTA FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH B.2. PODSTAWOWE INFORMACJE Z DZIEDZINY PROPAGACJI FAL EM B.2.1. B.2.2. B.2.3. B.2.4. B.2.5. B.2.6. Propagacja w wolnej przestrzeni...15 Załamanie fal elektromagnetycznych...15 Odbicia fal elektromagnetycznych...16 Uginanie się fal elektromagnetycznych...16 Rozproszenie fal elektromagnetycznych...17 Tłumienie propagacji...17 B.3. ODDZIAŁYWANIE FAL EM NA ŚRODOWISKO C. ELEMENTY TEORII ANTEN C.1. TEORIA PROMIENIOWANIA C.2. PODSTAWOWE PARAMETRY ANTEN C.2.1. Charakterystyki promieniowania anten...20 C.2.2. Graficzna prezentacja charakterystyk promieniowania...21 C.2.3. Zależności energetyczne w antenach...22 C.2.4. Anteny odniesienia...25 C.2.5. Zysk i kierunkowość anten...26 C.2.6. Szerokość wiązki głównej charakterystyki...27 C.2.7. Szerokość pasma roboczego anten...27 C.2.8. Stosunek promieniowania głównego do wstecznego...27 C.3. PODSTAWOWE TYPY ANTEN C.3.1. Anteny proste...27 C.3.2. Anteny dipolowe logarytmicznie-periodyczne (LOG-PER)...32 C.3.3. Anteny panelowe...35 C.4. ZESPOŁY ANTEN C.4.1. Uwagi ogólne dotyczące zespołów anten...38 C.4.2. Wyznaczenie wypadkowej charakterystyki promieniowania zespołu...38 C.4.3. Anteny o dookólnych charakterystykach promieniowania...40 D. UKŁADY ZASILANIA ANTEN D.1. KOMPENSACJA FALI ODBITEJ W UKŁADACH ZASILANIA D.2. WSPÓŁOSIOWE KABLE ANTENOWE D.2.1. Budowa mechaniczna kabli...45 D.2.2. Właściwości elektryczne kabli...46 D.2.3. Strojenie długości kabli...47 D.2.4. Tłumienie kabli...47 D.2.5. Maksymalna dopuszczalna moc wejściowa...48 D.2.6. Złącza i głowice kablowe...49 D.2.7. Uchwyty kablowe...50 D.2.8. Dzielniki mocy wielkiej częstotliwości...51 D.3. Ochrona odgromowa anten D.4. REALIZACJA UKŁADÓW ZASILANIA ANTEN D.4.1. Antena radiofoniczna UKF/FM...53 D.4.2. Antena telewizyjna zakresu UHF...57 anex Andrzej Postawka Strona 5

6 E. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PRACY PRZY ANTENACH E.1. OBOWIĄZEK BADAŃ LEKARSKICH E.2. WYPOSAŻENIE PRACOWNIKÓW E.3. ZASADY BEZPIECZNEGO WYKONYWANIA PRAC ANTENOWYCH F. ZALECENIA KONSERWACYJNE DLA ANTEN F.1. WSKAZÓWKI EKSPLOATACYJNO-KONSERWACYJNE F.1.1. Uwagi ogólne F.1.2. Zawilgocenie układu zasilania anteny F.1.3. Rezonansowe drgania mechaniczne w antenie F.1.4. Ochrona przed korozją F.1.5. Destrukcyjny wpływ promieniowania ultrafioletowego F.2. PRZEGLĄDY KONSERWACYJNE G. MIERNICTWO ANTENOWE G.1. POMIARY CHARAKTERYSTYK PROMIENIOWANIA G.1.1. Pomiar charakterystyk na poligonie pomiarowym G.1.2. Pomiar charakterystyk promieniowania w warunkach eksploatacji G.2. WYZNACZANIE KIERUNKOWOŚCI ANTEN G.2.1. Wyznaczanie kierunkowości metodą pomiarową G.2.2. Metoda analityczna wyznaczania kierunkowości G.3. POMIARY IMPEDANCJI ANTEN G.3.1. Automatyczne pomiary szerokopasmowe G.3.2. Eksploatacyjne pomiary warunków dopasowania G.4. BADANIA OBCIĄŻALNOŚCI ENERGETYCZNEJ ANTEN H. P O D S U M O W A N I E Strona 6 anex Andrzej Postawka

7 S P I S I L U S T R A C J I RYS. 1. GRAFICZNY OBRAZ STRUMIENIA FALI ELEKTROMAGNETYCZNEJ 13 RYS. 2. ODBIÓR FAL RADIOWYCH ZA PRZESZKODĄ 16 RYS. 3. PRZYKŁADOWE KRZYWE PROPAGACJI WG RECOMMENDATION ITU-R P RYS. 4. PRZESTRZENNA CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA ANTENY 21 RYS. 5. PRZEKRÓJ CHARAKTERYSTYKI PROMIENIOWANIA ANTENY 21 RYS. 6. CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA ANTENY W SKALI LINIOWEJ 22 RYS. 7. CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA ANTENY W SKALI LOGARYTMICZNEJ 22 RYS. 8. PRZEPŁYW MOCY W ANTENACH NADAWCZYCH 23 RYS. 9. PRZEPŁYW ENERGII - WEKTOR POYNTINGA 23 RYS. 10. ZALEŻNOŚCI ENERGETYCZNE DLA ANTENY ODBIORCZEJ 24 RYS. 11. BEZSTRATNY IZOTROPOWY RADIATOR KULISTY 25 RYS. 12. PRZYKŁADY RÓŻNYCH FORM WYKONAWCZYCH DIPOLI 28 RYS. 13. CHARAKTERYSTYKI PROMIENIOWANIA RÓŻNORODNYCH DIPOLI 28 RYS. 14. ILUSTRACJA SPOSOBÓW ZASILANIA DIPOLA 29 RYS. 15. SCHEMAT OGÓLNY STRUKTURY ANTENY YAGI-UDA 30 RYS. 16. MAKSYMALNY ZYSK ANTEN YAGI-UDA W ZALEŻNOŚCI OD ILOŚCI RADIATORÓW N 30 RYS. 17. SZKIC WYMIAROWY PRZYKŁADOWEJ 3-ELEMENTOWEJ ANTENY YAGI-UDA 31 RYS. 18. PRZYKŁAD ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNEGO 17-ELEMENTOWEJ ANTENY YAGI-UDA 31 RYS. 19. ZESTAW CZTERECH ANTEN YAGI-UDA 31 RYS. 20. SZKIC WYMIAROWY DIPOLOWEJ ANTENY LOG-PER 32 RYS. 21. ZASILANIE ANTENY LOG-PER ZA POMOCĄ PRZEWODU WSPÓŁOSIOWEGO 33 RYS. 22. ZALEŻNOŚĆ SZEROKOŚCI CZYNNEJ CZĘŚCI ANTENY OD PARAMETRÓW α I τ 34 RYS. 23. POZIOMA CHARAKTERYSTYKI PROMIENIOWANIA ANTENY PANELOWEJ 36 RYS DIPOLOWA ANTENA PANELOWA NA ZAKRES RADIOFONICZNY UKF/FM 37 RYS. 25. CHARAKTERYSTYKI PROMIENIOWANIA ANTENY PANELOWEJ Z RYS RYS. 26. ZESPÓŁ DWÓCH RÓŻNYCH ANTEN KIERUNKOWYCH 38 RYS. 27. ROZMIESZCZENIE ELEMENTÓW ANTENOWYCH DLA UZYSKANIA CHARAKTERYSTYKI DOOKÓLNEJ 40 RYS. 28. NIERÓWNOMIERNOŚĆ CHARAKTERYSTYKI POZIOMEJ W FUNKCJI ROZSTAWIENIA ANTEN 41 RYS. 29. CHARAKTERYSTYKA POZIOMA ANTENY Z KOMPENSACJĄ ĆWIERĆFALOWĄ 42 RYS. 30. SCHEMAT REALIZACJI ĆWIERĆFALOWEJ KOMPENSACJI WFS W ANTENIE 44 RYS. 31. WYKRES SKUTECZNOŚCI KOMPENSACJI WFS (TEORETYCZNY) 44 RYS. 32. ZALEŻNOŚĆ TŁUMIENIA KABLA WSPÓŁOSIOWEGO 7 / 8 W FUNKCJI CZĘSTOTLIWOŚCI 48 RYS. 33. DOPUSZCZALNA MOC ŚREDNIA KABLA WSPÓŁOSIOWEGO W 7 / 8 49 RYS. 34. TYPOWE GŁOWICE KOŃCOWE DLA KABLI WSPÓŁOSIOWYCH 50 RYS. 35. TYPOWE UCHWYTY MASZTOWE DLA KABLI WSPÓŁOSIOWYCH 51 RYS. 36. TYPOWE DZIELNIKI MOCY DO UKŁADÓW ZASILANIA ANTEN 52 RYS. 37. ANTENA RADIOFONICZNA: SCHEMAT ZASILANIA ANTENY 54 RYS. 38. ANTENA RADIOFONICZNA: RZUT POZIOMY GEOMETRII 54 RYS. 39. ANTENA RADIOFONICZNA: POZIOMA CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA 55 anex Andrzej Postawka Strona 7

8 RYS. 40. ANTENA RADIOFONICZNA: PIONOWA CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA 55 RYS. 41. ANTENA UHF: SCHEMAT UKŁADU ZASILANIA ANTENY 56 RYS. 42. ANTENA UHF: RZUT POZIOMY GEOMETRII 57 RYS. 43. ANTENA UHF: POZIOMA CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA 58 RYS. 44. ANTENA UHF: PIONOWA CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA 58 RYS. 45. STANOWISKO POMIAROWE DO BADANIA CHARAKTERYSTYK PROMIENIOWANIA 66 RYS. 46. DROGI ROZCHODZENIA SIĘ PROMIENIOWANIA NA POLIGONIE POMIAROWYM 66 RYS. 47. POMIAR CHARAKTERYSTYKI PRZY UŻYCIU ŚMIGŁOWCA 69 RYS. 48. UKŁAD DO POMIARU WSPÓŁCZYNNIKÓW POBUDZENIA ANTENY 70 RYS. 49. WSPÓŁRZĘDNE POŁOŻENIA I ORIENTACJI JEDNOSTKI ANTENOWEJ 71 RYS. 50. UKŁAD DO ZAUTOMATYZOWANEGO POMIARU DOPASOWANIA ANTEN 75 RYS. 51. UKŁAD DO POMIARU DOPASOWANIA ANTEN METODĄ SELEKTYWNĄ 77 Strona 8 anex Andrzej Postawka

9 A. F I R M A anex - Andrzej POSTAWKA A.1. INFORMACJE O FIRMIE anex Przedsiębiorstwo Wielobranżowe anex Andrzej Postawka powstało 31 sierpnia 1989 r. jako tzw. działalność gospodarcza osoby cywilnej. Ukierunkowanie profilu na trudną działalność techniczną nie było przypadkowe. Wrocław stał się największym w Polsce ośrodkiem techniki antenowej. Prym wiedli Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej oraz Wrocławski Oddział Instytutu Łączności. Ponadto, we Wrocławiu działał jedyny w Polsce państwowy Zakład Produkcji Anten ZARAT oraz potentat w produkcji anten odbiorczych Zakłady POLKAT. Nie można tu również pominąć udziału jaki miał obecny Zakład Radiokomunikacji i Teletransmisji (TP S.A.). Dzięki zaangażowaniu kolejnych pokoleń pracowników tego przedsiębiorstwa udało się zainstalować między innymi pierwszy w Polsce nowoczesny nadajnik średniofalowy (RCA), pierwszą instalację UKF w paśmie 100 MHz, pierwszą w Polsce nadawczą antenę III pasma TV (Siemens), pierwszą w Polsce nadawczą antenę IV pasma TV (CoEl) i szereg innych pionierskich przedsięwzięć, jak chociażby.pierwsza w Polsce sieć telewizyjnych stacji retransmisyjnych, która na Dolnym Śląsku doskonale spełniała swoją rolę. Właściciel przedsiębiorstwa anex inż. Andrzej Postawka, który z wykształcenia jest radiotechnikiem, brał udział w znacznej części wymienionych wyżej przedsięwzięć. A.2. OSIĄGNIĘCIA FIRMY anex Do tej pory zbudowaliśmy ponad 100 systemów antenowych. Na naszych antenach pracują miedzy innymi TP S.A., Radio RMF FM, Radio S, Radio Maryja i Radio PLUS oraz kilkudziesięciu innych indywidualnych operatorów. Ze znaczących realizacji należy wymienić: zbudowanie na zlecenie Alcatela kilkudziesięciu obiektów sieci stacji trankingowych dla Energetyki, zbudowanie stacji trankingowych dla Motoroli (UniNet) oraz kilkadziesiąt stacji DECT dla Alcatela i Siemensa. W czasie powodzi w 1997 r. zamontowaliśmy awaryjne łącze mikrofalowe dla TP S.A. do komunikacji z terenami objętymi powodzią. Zmodernizowaliśmy ze zmianą charakterystyki promieniowania z dookólnej na kierunkową, telewizyjną antenę dużej mocy na Skrzycznem (TP S.A.). anex Andrzej Postawka Strona 9

10 A.3. SUKCESY FIRMY Za swój największy sukces uważamy fakt, iż udało się nam pozyskać do współpracy fachowców związanych ze wszystkimi wyżej wymienionymi instytucjami działającymi na terenie Wrocławia i nie tylko Wrocławia. Mając za sobą wieloletnie doświadczenie przy projektowaniu, badaniach i budowie anten wdrażaliśmy do produkcji i uzyskaliśmy homologacje na anteny, które nie są kopią zagranicznych produktów. W sposób świadomy przyjęliśmy rozwiązania które sprawdzają się w naszym klimacie, zanieczyszczonym środowisku i do tego cechują się dużą niezawodnością i umiarkowaną ceną. Jako pierwsi w Polsce rozwiązaliśmy problem umieszczenia systemów anten nadawczych na kominach przemysłowych o dużych średnicach. Udało się nam uzyskać prawidłowe charakterystyki promieniowania wykonywanych anten dzięki znalezieniu zależności oddziaływania płaszcza komina na parametry anten. Opracowaliśmy wierzchołkową antenę radiofoniczną o polaryzacji poziomej nazwaną anteną ekologiczną o zmniejszonym w stosunku do anten innych producentów promieniowaniu w kierunku podstawy masztu. Jest to parametr bardzo istotny przy lokalizacji anten w zabudowie miejskiej. Uruchomiliśmy samodzielny zakład projektowania, w możliwościach którego leży wykonywanie wszystkich projektów antenowych, w tym również budowlanych. Nasi specjaliści posiadają właściwe uprawnienia w tej dziedzinie. Posiadamy własną dobrze wyposażoną bazę techniczną, własne laboratorium antenowe z poligonem do badania anten. Kadra przedsiębiorstwa liczy około 40 osób o wysokich i sprawdzonych kwalifikacjach. Ekipy montażowe dysponują samochodami i zestawem wyciągarek linowych do transportu pionowego o udźwigu kilku ton. A.4. OBSZAR DZIAŁANIA FIRMY anex A.4.1. Profil produkcyjny firmy! Radiofoniczne anteny nadawcze UKF/FM,! Telewizyjne anteny nadawcze wszystkich zakresów częstotliwości,! Anteny radiokomunikacyjne,! Anteny odbiorcze dla różnych służb,! Filtry nadawcze i odbiorcze,! Dzielniki mocy o krotności podziału od 1:2 do 1:12, w tym dzielniki o nierównomiernym rozdziale mocy,! Stalowe konstrukcje wsporcze,! Współosiowe kable w.cz. konfekcjonowane dla budowanych anten i na oddzielne zlecenia według życzenia Zamawiającego,! Pomiary dopasowania anten i systemów antenowych. Strona 10 anex Andrzej Postawka

11 A.4.2. Profil usługowy firmy! Montaże anten i systemów antenowych,! Montaże stacji linii radiowych,! Montaże stacji komunikacji satelitarnej,! Naprawy i konserwacje systemów antenowych,! Modernizacja anten, w tym również zmiana charakterystyk promieniowania i zysku,! Oprawa złączy współosiowych w.cz. A.4.3. Profil projektowy! Projekty radiowe systemów antenowych,! Projekty elektryczne instalacji stacji trankingowych,! Projekty stacji radiokomunikacyjnych, w tym stacji DECT i telefonii komórkowej GSM,! Projekty konstrukcji stalowych,! Projekty technologii montażu urządzeń antenowych. anex Andrzej Postawka Strona 11

12 Strona 12 anex Andrzej Postawka

13 B. ELEMENTY TEORII POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO B.1. ISTOTA FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Jako jedną ze szczególnych form istnienia materii można również uważać pole elektromagnetyczne. Energia elektryczna, która została wypromieniowana w przestrzeń, istnieje tam w postaci fal elektromagnetycznych nazywanych w uproszczeniu falami radiowymi. W swobodnej przestrzeni poruszają się one z prędkością światła w postaci prostopadłych do siebie zaburzeń elektrycznych i magnetycznych (pól wektorowych), które jednocześnie są prostopadłe do kierunku ruchu fali. Graficzny obraz sinusoidalnej fali elektromagnetycznej został pokazany na rys. 1. Jedna część energii pola elektromagnetycznego istnieje w postaci energii pola elektrycznego, druga część w postaci energii pola magnetycznego. Rys. 1. Graficzny obraz strumienia fali elektromagnetycznej Zasadniczymi właściwościami pola elektromagnetycznego są: częstotliwość, natężenie pola, kierunek ruchu i płaszczyzna polaryzacji. Wartość chwilowa natężenia fali w określonym punkcie przestrzeni zmienia się zgodnie z częstotliwością prądu płynącego w źródle pobudzającym i przybiera kolejno wartości dodatnie i ujemne. Odcinek w przestrzeni wzdłuż drogi rozchodzenia się fali pomiędzy dwoma punktami o tym samym natężeniu (np. maksimum dodatnie) nosi nazwę długości fali λ. Równa się ona prędkości rozchodzenia fali w danym ośrodku v, podzielonej przez częstotliwość fali f : λ = v / f. anex Andrzej Postawka Strona 13

14 Dla zastosowań inżynierskich, długość fali elektromagnetycznej w swobodnej przestrzeni można wyznaczyć z wystarczającą dokładnością z zależności uproszczonej λ [m] = 300 / f [MHz] Umówiono się, że natężenie pola fali elektromagnetycznej mierzy się wartością skuteczną 1 natężenia pola elektrycznego 2. Minimalne natężenie pola zapewniające dostateczny odbiór fali zależy od wielu czynników, takich jak częstotliwość, rodzaj sygnału (modulacji) i obecności zakłóceń. W bardzo sprzyjających warunkach przydatne są fale o natężeniu 0,1 µv/m, w innych najmniej korzystnych, wielokrotnie większe natężenie pola równe µv/m może być zaledwie wystarczające. Minimalne natężenie pola przydatne dla służb radiokomunikacyjnych i radiodyfuzyjnych leży zazwyczaj pomiędzy powyższymi skrajnymi wartościami. Płaszczyzna równoległa do wzajemnie prostopadłych wektorów pola elektrycznego i magnetycznego nazywa się czołem fali; fala porusza się zawsze w kierunku prostopadłym do czoła fali. Kierunek ruchu fali zależy od wzajemnej orientacji wektorów pola elektrycznego i magnetycznego. Odwrócenie kierunku jednej ze składowych, powoduje zmianę kierunku rozchodzenia się fali. Przyjęto, że kierunek wyznaczany przez wektor składowej elektrycznej fali elektromagnetycznej będzie nazywany kierunkiem polaryzacji fali. Jeżeli linie pola elektrycznego przebiegają pionowo, jak to pokazano na rys. 1 mówimy wówczas, że fala ma liniową polaryzację pionową. Gdy linie pola są skierowane poziomo, mamy polaryzację poziomą. Istnieją służby radiowe, w których lepsze warunki odbioru uzyskuje się, gdy wektor polaryzacji nie otrzymuje stałego kierunku, tylko wiruje w przestrzeni. Mówimy wówczas o polaryzacji kołowej lub ogólnie o polaryzacji eliptycznej. Od umieszczonego w teoretycznej wolnej przestrzeni źródła (przypadek statku kosmicznego na orbicie) fala elektromagnetyczna rozprzestrzenia się w postaci kulistych zaburzeń. Jeżeli punkt obserwacji znajduje się w dostatecznie dużej odległości od źródła możemy przyjąć, że fala elektromagnetyczna jest płaska. W warunkach ziemskich, w skutek wpływu Ziemi oraz odbić i rozproszeń od różnych obiektów, pojęcie fali płaskiej jest tylko przybliżeniem. Fale radiowe rozchodząc się ze źródła, podlegają zarówno osłabieniu związanym z rozpraszaniem ich w coraz większej objętości jak i pochłanianiu przez Ziemię lub zjonizowane warstwy atmosfery. W rezultacie sytuacja jest dosyć skomplikowana i warunki rozchodzenia się fal są odmienne dla różnych częstotliwości. W dalszej części niniejszych rozważań skoncentrujemy się na falach metrowych (zakres VHF) i decymetrowych (zakres UHF), albowiem antenowy profil produkcyjny firmy anex Andrzej Postawka dotyczy urządzeń antenowych dla tych właśnie zakresów częstotliwości. B.2. PODSTAWOWE INFORMACJE Z DZIEDZINY PROPAGACJI FAL EM W swobodnej przestrzeni fale elektromagnetyczne rozchodzą się po liniach prostych z prędkością światła c równą około m/s 3. W ośrodkach wypełnionych materią, a również w ośrodkach nie- 1 Dla przebiegów sinusoidalnych, wartość skuteczna jest równa 0,707 wartości amplitudy tego przebiegu. 2 Jednostką podstawową natężenia pola elektrycznego jest V/m. Najczęściej stosowaną w praktyce jednostką pochodną jest µv/m lub jego miara logarytmiczna wyrażana w decybelach db [ µv /m] 3 Dokładna wartość prędkości rozchodzenia fal elektromagnetycznych w idealnej próżni jest równa 2, m/s Strona 14 anex Andrzej Postawka

15 jednorodnych, prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest mniejsza od podanej wartości i wyraża się zależnością: v = c / N gdzie N oznacza współczynnik załamania fali. W interesującym nas zakresie fal metrowych i decymetrowych (VHF/UHF) na propagację fali pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem ma przede wszystkim wpływ pokrycie i ukształtowanie terenu na powierzchni Ziemi i warunki propagacji w troposferze (atmosfera do wysokości około 10 km). Natężenie pola fali elektromagnetycznej w miejscu odbioru jest wektorową sumą fali bezpośredniej i fal: odbitych, rozproszonych i ugiętych przez obiekty znajdujące się na trasie propagacji. W analizie zachowania się fal elektromagnetycznych w różnych ośrodkach uwzględnia się ich podobieństwo do zjawisk występujących w optyce, a mianowicie: załamanie, odbicie, ugięcie i rozproszenie. Zjawiska te zostaną omówione pokrótce w następnych punktach. B.2.1. Propagacja w wolnej przestrzeni Jeżeli w warunkach wolnej przestrzeni do wejścia anteny o zysku energetycznym G d (w W/ W względem dipola λ/ 2 ) doprowadzimy moc P A, natężenie pola w odległości d od anteny będzie równe: F 0[dB( µv /m)] = 106,9-20 lg(d) [km] + 10 lg(p A ) [kw] + 10 lg(g d ) [ W /W ] Ze zjawiskiem zbliżonym do propagacji w wolnej przestrzeni mamy w warunkach kosmicznych, np. przy komunikacji pomiędzy satelitami lub w tzw. liniach radiowych, gdzie wysoko nad Ziemią umieszczone mikrofalowe anteny nadawczo-odbiorcze o dużym zysku pracują w warunkach bezpośredniej widoczności. B.2.2. Załamanie fal elektromagnetycznych Na podstawie długotrwałych pomiarów i obserwacji został opracowany model standardowej troposfery, który charakteryzuje się liniowym zmniejszaniem współczynnika załamania (refrakcji) N ze wzrostem wysokości. Powoduje to, że fale elektromagnetyczne w troposferze rozchodzą się po liniach zakrzywionych w kierunku Ziemi. Promień krzywizny ρ toru rozchodzenia fali określa wyrażenie: ρ = k R Z, gdzie R Z jest promieniem Ziemi 4, a współczynnik k ma znaną powszechnie wartość równą 4 /3. Po wprowadzeniu zastępczego promienia Ziemi równego 4 /3 R Z, w analizach propagacyjnych zakłada się że promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się po torach liniowych. W przypadku różnego rodzaju anomalii w troposferze (np. inwersja temperatury), model standardowej troposfery przestaje obowiązywać, powodując zaburzenia w propagacji fal takie jak wielodrożność, falowody troposferyczne (dukty) i tym podobne. 4 Średni promień Ziemi R Z równy jest 6375 km anex Andrzej Postawka Strona 15

16 B.2.3. Odbicia fal elektromagnetycznych Na granicy dwóch ośrodków, np. powietrza i Ziemi, płaska fala elektromagnetyczna ulega jednocześnie załamaniu i odbiciu. Jedna część energii wnika w Ziemię i zostaje tam zamieniona na ciepło, druga część ulega mniej lub bardziej rozproszonemu odbiciu. Nie wnikając w zależności analityczne można ogólnie powiedzieć, że stosunek fali odbitej do fali padającej ρ 0 nazywany współczynnikiem odbicia (Fresnela) zależy od częstotliwości, polaryzacji i kąta padania fali oraz od parametrów gruntu. W interesującym nas zakresie fal metrowych i decymetrowych, współczynnik odbicia mało zależy od parametrów gruntu, natomiast w decydującym stopniu zależy od nierównomierności powierzchni i pokrycia terenu. Im większa nierównomierność terenu w stosunku do długości fali, tym bardziej odbicie nabiera charakteru rozpraszania. Tak zwane kryterium Rayleigh a mówi, że powierzchnię odbijającą można uważać za gładką dla fali o długości λ, gdy λ [m] > 16 H [m] sin γ, gdzie H jest średnią wartością różnicy wysokości nierównomierności powierzchni, a γ jest kątem elewacji kierunku nadchodzenia fali. B.2.4. Uginanie się fal elektromagnetycznych Zjawisko dyfrakcji na krawędzi przeszkody (przesłony) umieszczonej na drodze fali elektromagnetycznej powoduje, że fale na swej drodze ulegają ugięciu (rys. 2). W sytuacji gdy przeszkoda nie utrudnia bezpośredniej widoczności anten jednak zaczepia o strefę Fresnela (lewy rysunek), natężenie pola w miejscu odbioru w funkcji np. odległości waha się w niewielkich granicach wokół wartości jaka byłaby bez przeszkody. W sytuacji jak na rysunku prawym, silnie potłumione promieniowanie dociera jednak do anteny odbiorczej, mimo iż ta znajduje się w geometrycznym cieniu. Im fala ma większą długość, tym przenikanie energii do strefy cienia (np. do obszarów położonych za pasmem górskim) jest silniejsze. Analiza rachunkowa zagadnienia jest bardzo skomplikowana i praktycznie możliwa wyłącznie przybliżonymi metodami numerycznymi. Rys. 2. Odbiór fal radiowych za przeszkodą Strona 16 anex Andrzej Postawka

17 B.2.5. Rozproszenie fal elektromagnetycznych Rozpraszaniem promieniowania nazywamy losowe odchylanie drogi rozchodzenia się fal radiowych w niejednorodnym środowisku. Rozpraszanie od nierównomiernej powierzchni Ziemi było sygnalizowane przy omawianiu zjawiska odbić promieniowania, tak że w tym miejscu omówimy wyłącznie rozpraszanie objętościowe w troposferze. Zdarza się, że na skutek anormalnych zjawisk w atmosferze, powstają w troposferze skupiska niejednorodności rozpraszające fale elektromagnetyczne. Jeżeli skupisko takie jest jednocześnie widzialne przez antenę nadawczą i antenę odbiorczą, może powstać zjawisko rozpraszania troposferycznego. Efektem tego, na Ziemi w miejscu odbioru natężenie pola ma wartość istotnie większą niż wynikało by to z propagacji w standardowej troposferze. Rozpraszanie troposferyczne jest bardzo niestabilne w czasie i nie może być wykorzystywane w sposób zamierzony do radiokomunikacji, jednak w niekorzystnych warunkach może ono być źródłem dokuczliwych zakłóceń w odbiorze. Analiza ilościowa zagadnienia jest jeszcze bardziej skomplikowana niż analiza uginania się fal na przeszkodach i zostanie tutaj pominięta. B.2.6. Tłumienie propagacji Jeżeli energia fali elektromagnetycznej podlega zamianie na inną postać, np. na ciepło, mówimy wówczas o zjawisku absorpcji. Jeżeli dodatkowo uwzględnimy straty wywołane rozpraszaniem energii, mówimy wówczas o tłumieniu fal. Na podstawie długotrwałych pomiarów i obserwacji zostały opracowane i opublikowane przez organizacje międzynarodowe tzw. krzywe propagacji, które pozwalają na oszacowanie przewidywanej wartości natężenia pola w miejscu odbioru. Rodzina krzywych dla propagacji sygnałów telewizyjnych nad lądem w zakresie UHF, opublikowana przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną (zalecenie ITU-R P FIGURE 9) została przedstawiona w charakterze przykładu na rys. 3. Mówią one, że wartości natężenia pola elektromagnetycznego w 50% miejsc i 50% czasu będą równe wartościom wynikającym z odpowiednich wykresów. Wykresy zostały sporządzone w funkcji odległości anteny odbiorczej od anteny nadawczej, przy założeniu, że antena nadawcza promieniuje 1 kw ERP, średnia nierównomierność terenu w otoczeniu anteny nadawczej h jest równa 50 m, antena odbiorcza jest zawieszona na wysokości h 2 równej 10 m nad powierzchnią Ziemi i anteny pracują w warunkach tzw. dopasowania polaryzacyjnego. Wysokość zawieszenia anteny nadawczej h 1 została przyjęta jako parametr. Empiryczne krzywe propagacji publikowane przez ITU w różnych zaleceniach, aproksymowane dla ułatwienia toku obliczeń funkcjami analitycznymi stanowią obecnie podstawę obliczeń propagacyjnych prowadzonych przy planowaniu zasięgów stacji i struktury sieci radiokomunikacyjnych i radiodyfuzyjnych. Dla poprawienia dokładności prognozowania pokrycia terenu sygnałami radiowymi lub dla przewidzenia potencjalnych zakłóceń od bardzo odległych nieraz stacji, stosuje się w obliczeniach różne empiryczne współczynniki korekcyjne zależne od różnego rodzaju czynników. Postać współczynników i sposób ich stosowania są również podawane w zaleceniach organizacji międzynarodowych. Powoduje to, że dziedzina planowania i prognozowania zjawisk z dziedziny propagacji fal elektromagnetycznych jest odrębną, skomplikowaną dziedziną wiedzy. anex Andrzej Postawka Strona 17

18 Rys. 3. Przykładowe krzywe propagacji wg RECOMMENDATION ITU-R P Strona 18 anex Andrzej Postawka

19 B.3. ODDZIAŁYWANIE FAL EM NA ŚRODOWISKO Ogólne ujęcie zagadnienia oddziaływania fal elektromagnetycznych na środowisko, w szczególności oddziaływania na struktury nieożywione jest praktycznie niemożliwe. Panuje ogólne przekonanie, że obecność silnego pola em w atmosferze wybuchowej, na skutek iskrzenia może doprowadzić do wybuchu. Wiadomo, że posługiwanie się konstrukcjami metalowymi o wymiarach porównywalnych z długością fali, jak np. operowanie dźwigiem w okolicach Solca Kujawskiego (silne pole em od długofalowej Radiostacji Centralnej) może być uciążliwe a nawet niebezpieczne dla obsługi. Określenie stopnia zagrożenia w każdym z takich przypadków wymaga jednak indywidualnego podejścia analitycznego i pomiarowego. Promieniowanie elektromagnetyczne wszystkich zakresów wykorzystywanych w radiokomunikacji, z uwagi na znikomą energię kwantów należy do promieniowania niejonizującego. W tym zakresie możliwe jest uzyskiwanie bardzo dużych gęstości energii, jednak energia ta nie może powodować bezpośredniej jonizacji, może natomiast wywoływać efekty fotochemiczne (promieniowanie ultrafioletowe i widzialne) lub efekty termiczne (promieniowanie podczerwone, fale radiowe). Energia promieniowania niejonizującego może doprowadzić w strukturach biologicznych do rozpadu cząstek lub przyrostu temperatury organizmu. Rozmiary tych zjawisk są zależne od wielu czynników, między innymi od stopnia napromieniowania, częstotliwości pola i rodzaju modulacji, czasu ekspozycji, właściwości cieplnych tkanek itp. Przyjmuje się, że poniżej częstotliwości rezonansu własnego człowieka, tj. około 70 MHz, organizm ludzki może być rozpatrywany jako bryła stratnego dielektryka. W przypadku większych częstotliwości konieczne jest rozpatrywanie struktury warstwowej ciała, przy czym obserwuje się zjawiska odbicia i ugięcia. Mogą także pojawiać się fale stojące w poszczególnych warstwach (tkankach). Absorbowane w ciele promieniowanie wywołuje w efekcie podgrzewanie komórek, na które organizm reaguje ochładzaniem partii podgrzanych przez zwiększenie intensywności cyrkulacji krwi. Przekroczenie dopuszczalnej granicy intensywności promieniowania i czasu ekspozycji może wywołać groźny dla organizmu szok termiczny. Przypuszcza się, że promieniowanie niejonizujące wywołuje również efekty pozatermiczne, przy czym do ich powstania wystarczają znacznie słabsze pola, aniżeli potrzebne do wywołania efektów termicznych. Miedzy innymi podobno możliwy jest również bezpośredni odbiór wrażeń słuchowych w przypadku przebywania człowieka w polu o modulowanej amplitudzie. Większość efektów pozatermicznych ma charakter subiektywny, a podobne efekty mogą występować także pod wpływem działania innych bodźców fizykochemicznych, dlatego też pozatermiczne oddziaływanie niejonizującego promieniowania elektromagnetycznego na organizm ludzki jest trudne w badaniach i nie zostało jeszcze dostatecznie potwierdzone. Przepisy (normy) dotyczące ochrony przed niejonizującym promieniowaniem elektromagnetycznym określają dopuszczalną wielkość energii jaką mogą być napromieniowani ludzie. Obowiązuje tutaj generalna zasada: w strumieniu mocy o gęstości poniżej 1 mw /m 2 może człowiek przebywać bez ograniczeń, natomiast przy gęstości mocy przekraczającej 10 mw /m 2 możliwa jest jedynie praca (narażenie zawodowe pod kontrolą lekarza) w ciągu bardzo krótkiego czasu. anex Andrzej Postawka Strona 19

20 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 anex Andrzej Postawka

21 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. anex Andrzej Postawka Strona 21

22 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 anex Andrzej Postawka

23 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. anex Andrzej Postawka Strona 23

24 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 anex Andrzej Postawka

25 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 anex Andrzej Postawka Strona 25

26 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 anex Andrzej Postawka

27 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. anex Andrzej Postawka Strona 27

28 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 anex Andrzej Postawka

29 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 anex Andrzej Postawka Strona 29

30 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 anex Andrzej Postawka

31 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 anex Andrzej Postawka Strona 31

32 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 anex Andrzej Postawka

33 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- anex Andrzej Postawka Strona 33