Anteny. Dipol dookólny

Transkrypt

1 Anteny Aby poprawnie odbierać programy radiowe, każdy odbiornik powinien być podłączony do anteny odbiorczej. Istnieje wiele rodzajów anten, przeznaczonych do pracy na różnym sprzęcie i w różnych warunkach odbioru. Poniżej przedstawimy kilka najpopularniejszych typów. Dipol dookólny Jest to prosta antena, która z założenia przeznaczona jest do odbioru stacji nadawanych w polaryzacji poziomej (H), jednak po niewielkich modyfikacjach można przerobić układ zawieszenia, by mogła pracować w polaryzacji pionowej (V). Antena posiada impedancje wyjściową 300 Ohm, i jeśli chcemy ją zastosować do odbiorników z wejściem antenowym 75 Ohm (dzisiaj stosuje się tylko takie wejścia antenowe), musimy zastosować symetryzator antenowy. Antene możemy stosować w miejscach, gdzie odbiór stacji jest utrudniony ze względu na okoliczne zabudowania i w niewielkich odległościach od nadajników, bowiem antena ma niewielki zysk energetyczny rzędu od -2 do 0 db dla pasma UKF. Jeśli odbiór jest niezadowalający lub posiadamy długi kabel połączeniowy - możemy dodatkowo zastosować przedwzmacniacz antenowy wraz z symetryzatorem. Dipol obupolaryzacyjny Jeśli mieszkamy w dużej aglomeracji skąd nadawanych jest wiele programów radiowych zarówno w polaryzacji poziomej (H) jak i pionowej (V) z różnych kierunków to ta antena jest dla nas wyjściem z patowej sytuacji. Zysk energetyczny nie jest duży i wynosi od -2 do -1 db. Antena posiada impedancje wyjściową rzędu 300 Ohm i do poprawnego połączenia z wejściem 75 Ohmowym potrzebujemy symetryzatora (odradzamy dodatkowe przedwzmacniacze). Dipol prosty

2 Dipol prosty jest podobną konstrukcją do dipola dookólnego. Zasadniczą i jedyną różnicą miedzy dipolem prostym a dookólnym jest korzystniejszy współczynnik kierunkowości. Antena posiada impedancje wyjściową 300 Ohm i na jej wyjściu należy zamontować symetryzator. Z założenia dipol prosty może być montowany w pionie lub poziomie, w zależności od naszych potrzeb. Zysk energetycznie jest praktycznie taki sam jak w przypadku anteny dookólnej i wynosi od -2 do 0 db dla pasma UKF. Antena Yagi 3-elementowa Antena Yagi 3-elementowa to antena o większym zysku energetycznym (od 3 do 5 db) i dużo większych wymiarach. Stosowana w miejscach gdzie warunki odbioru są bardzo utrudnione np. w rejonach górskich bądź stosowane w celu odebrania stacji z daleko oddalonych nadajników. Antena posiada impedancję wyjściową 300 Ohm i na jej wyjściu należy zamontować symetryzator lub przedwzmacniacz z symetryzatorem. Antena z założenia przeznaczona jest do odbioru transmisji w polaryzacji poziomej (H), ale po modyfikacji zawieszenia może pracować w polaryzacji pionowej (V). Antena posiada dużą kierunkowość, więc może zostać precyzyjnie ustawiona na daną częstotliwość, jednocześnie tłumiąc sąsiednie kanały nadawane z kierunków przeciwnych. Antena Yagi 5-elementowa Kolejnym typem anten na pasmo UKF jest antena Yagi składająca się aż z 5 elementów. Decydując się na montaż tego typu anteny musimy się liczyć, że zajmie wiele miejsca oraz oszpeci np. balkon. Dlatego stosujmy ją tylko w sytuacjach utrudnionego odbioru jakiejkolwiek stacji lub jako antenę zbiorczą. Najlepiej ją montować na dachu budynku, na solidnym maszcie, bowiem jej waga wynosi około 1,5 kg. i silne podmuchy wiatru mogą zniszczyć maszt lub dach budynku. Antena jest bardzo kierunkowa, więc przy montażu należy ją ustawić w kierunku żądanego nadajnika. Producent zaleca pracę w polaryzacji H, ale tradycyjnie można przerobić zawieszenie anteny do pracy w polaryzacji V. Zysk anteny jest bardzo duży i bez jakiegokolwiek przedwzmacniacza wynosi średnio od 5 do 8 db dla pasma UKF. Dodatkowy montaż przedwzmacniacza z symetryzatorem może poprawić jakość odbieranych stacji. Antena Yagi 9-elementowa

3 Jest to profesjonalna antena odbiorcza do zastosowań m.in. w zbiorczych instalacjach antenowych, bądź w rejonach gdzie odebranie jakiejkolwiek stacji jest silnie utrudnione. Antena charakteryzuje się bardzo dużym współczynnikiem kierunkowości, nadaje się do montażu w obu polaryzacjach, posiada wzmocnioną konstrukcję mechaniczną a zysk energetyczny wynosi od 8 do prawie 11 db dla pasma UKF! Impedancja wyjściowa wynosi 300 Ohm i należy stosować symetryzator. Jedynymi parametrami niezachęcającymi są długość anteny - sięgająca ponad 3 metry oraz waga - 3,2 kg! Niestety cena także odstrasza. Antena pokojowa SONUS Anteny SONUS sprzedawane są w wersji bez wzmacniacza i ze wzmacniaczem. Anteny pokojowe stosujemy tylko wtedy gdy nasze mieszkanie znajduje się stosunkowo niedaleko obiektów nadawczych, wtedy zapewnią poprawny odbiór stereofnoniczny. Antena ma wyjście 75 Ohmowe, także możemy bez obaw podłączyć ją do odbiornika radiowego. Antena jest zaprojektowana głównie do odbioru stacji nadawanych w polaryzacji poziomej (H). ANTENA Część urządzenia radiowego służąca do przekazywania energii elektromagnetycznej między urządzeniami i w przestrzeń. W nadajniku radiowym antena przekazuje energię z obwodów nadajnika w przestrzeń, czyli wypromieniowuje sygnał wyjściowy nadajnika w postaci fal radiowych. W odbiorniku radiowym antena przekazuje energię fal radiowych do obwodów odbiornika. Ta sama antena funkcjonuje równie dobrze jako antena nadawcza i jako odbiorcza. Zwykle działanie anteny opisuje się na przykładzie procesu promieniowania fal przez antenę, a odbiór fal jest oczywiście procesem odwrotnym. Zob. Zasada odwracalności. Mimo tej odwracalności anteny używane przy nadawaniu mogą się wyraźnie różnić od anten odbiorczych ze względu na różne poziomy mocy, przy których działają. Antena przeznaczona do nadawania na duży obszar lub do łączności ze statkiem kosmicznym musi pracować przy dużej mocy, a antena odbierająca odbity sygnał radarowy lub sygnał z satelity telekomunikacyjnego pracuje przy bardzo małej mocy. Anteny klasyfikuje się z uwagi na zastosowanie, a także na częstotliwość pracy. Przy bardzo małych częstotliwościach antena może mieć wymiary rzędu kilometra, a przy wielkich częstotliwościach - poniżej metra. Jeżeli jednak długości różnych anten wyrazi się w długościach fali odpowiadających częstotliwości ich pracy, to uzyska się podobne charakterystyki anten o bardzo różnych wymiarach. Promieniowanie anteny. Antena promieniuje, gdy ładunki w niej zawarte drgają. Najprostszym przypadkiem jest proces promieniowania pojedynczego ładunku - elektronu. Ponieważ w otoczeniu elektronu nie ma innych drgających ładunków, które by go ekranowały, jego pole rozciąga się w przestrzeni do nieskończoności. To pole zawiera dwie składowe: pole elektryczne o natężeniu E i pole magnetyczne o natężeniu H. Energia zgromadzona w polu elektrycznym w chwili, gdy elektron jest w spoczynku, jest równa energii zgromadzonej w polu magnetycznym w chwili, gdy elektron porusza się najszybciej. Inaczej mówiąc, zmienne pole elektryczne indukuje towarzyszące mu pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne indukuje towarzyszące pole elektryczne i wynikiem tej

4 ciągłej przemiany energii jest promieniowanie. Na rys. 1 przedstawiono, w sposób uproszczony, linie pola promieniowania wokół krótkiego cienkiego przewodnika, w którym drga pojedynczy elektron. [C.E.Sm.] (Z.A.) Ryc. 1. Pole elektryczne E i magnetyczne H drgającego elektronu. Rysunek 2 przedstawia konfigurację pola elektrycznego i magnetycznego wokół krótkiej anteny pionowej, w której płynie prąd sinusoidalny. Rysunek dotyczy anteny w wolnej przestrzeni (tylko górna połowa pól) albo anteny nad płaską, dobrze przewodzącą powierzchnią, za jaką można traktować w pierwszym przybliżeniu powierzchnię Ziemi. Pola są symetryczne względem osi

5 podłużnej anteny. Dla uproszczenia rysunku przedstawiono na nim tylko wybrane fragmenty pola. Linie pola magnetycznego są okręgami wokół anteny; jego natężenie jest w każdym punkcie prostopadłe do kierunku natężenia pola elektrycznego i proporcjonalne do wartości natężenia pola elektrycznego, podobnie jak w wypadku fali płaskiej. Wszystkie części fali przesuwają się radialnie w kierunku od anteny z prędkością równą prędkości fali płaskiej w tym samym ośrodku. [W.C.Jo.] (Z.A.) Płaszczyzna pola elektrycznego zależy od usytuowania płaszczyzny, w której ładunek elektryczny porusza się w antenie (płaszczyzny te pokrywają się). W przypadku anteny w postaci dipola elektrycznego pole elektryczne fali rozchodzącej się w określonym kierunku leży w płaszczyźnie przechodzącej przez oś dipola, a w przypadku dipola magnetycznego - w płaszczyźnie prostopadłej do osi dipola (w płaszczyźnie pętli z prądem, rys. 3). Promieniowanie fali elektromagnetycznej jest zatem w obu przypadkach spolaryzowane liniowo, ale w różnych - w stosunku do osi anteny - płaszczyznach. Przez złożenie pól dipoli elektrycznych i magnetycznych o wspólnym środku można uzyskać pole promieniowania spolaryzowane eliptycznie, a przez zmianę udziałów poszczególnych dipoli można uzyskać dowolną polaryzację, od liniowej do kołowej. Antena odbiorcza powinna mieć polaryzację zgodną z polaryzacją odbieranej fali. Zob. Polaryzacja fal. [C.E.Sm.] (Z.A.) W polu promieniowania anteny rozróżnia się trzy strefy: bliską, pośrednią i daleką (strefę promieniowania). W strefie bliskiej występuje pole indukcyjne, dodatkowo wytwarzane przez oscylujący elektron; maleje ono szybko z odległością. Energia tego pola płynie na przemian do i od elektronu i nigdy nie ucieka w przestrzeń. Składowa magnetyczna tego pola jest maksymalna, gdy składowa elektryczna jest zerowa. W strefie promieniowania, która rozciąga się do nieskończoności, energia stale odpływa i obie składowe tego pola, elektryczna i magnetyczna, przyjmują wartość zero w tej samej chwili. Przewodnik zawiera, oprócz drgających ładunków ujemnych, również ładunki dodatnie. Gdy uwzględni się wszystkie drgające ładunki w krótkim, cienkim przewodniku, który można traktować jako dipol, to się okazuje, że całkowite pole elektromagnetyczne zawiera człony malejące z odległością jak 1/r 3 i 1/r 2 w strefie bliskiej oraz jak 1/r w strefie promieniowania. Zmniejszanie się pola promieniowania jak 1/r przy jego oddalaniu się od dipola w przestrzeń jest wynikiem zwiększania się pola powierzchni kuli obejmującej to pole. Zob. Fale elektromagnetyczne; Fale radiowe; Promieniowanie elektromagnetyczne. Ryc. 3. Przekroje charakterystyk promieniowania małego dipola: a) elektrycznego b) magnetycznego

6 Właściwości kierunkowe i parametry anten. Elementarną anteną nadawczą może być albo krótki dipol elektryczny, albo mała pętla z prądem (dipol magnetyczny). Na rys. 3 przedstawiono rozkład przestrzenny w strefie dalekiej energii pola promieniowania takiej anteny o nieskończenie małych rozmiarach. Mały dipol elektryczny lub magnetyczny nie promieniuje energii wzdłuż swej osi i powierzchnia jednakowej wartości energii promieniowania jest toroidem. Rozkład przestrzenny energii promieniowania, zwany charakterystyką promieniowania, stanowi podstawową charakterystykę anteny. Zadaniem anteny nadawczej jest przekazywanie mocy do określonego obszaru, a zadaniem anteny odbiorczej jest odebranie sygnałów z określonego kierunku. W przypadku pojazdu, np. samochodu z radiem samochodowym, antena odbiorcza powinna mieć charakterystykę izotropową, aby mogła przyjmować sygnały od dowolnie rozlokowanych stacji nadawczych, o zmieniających się położeniach względem poruszającego się samochodu. Kierunkowość anteny może być pożądana w przypadku rozgłośni radiowej, np. rozkład promieniowania anteny stacji w mieście nadmorskim winien mieć szerokie maksimum w kierunku obszaru zamieszkałego. Z kolei antena do łączności z satelitą telekomunikacyjnym musi mieć wąską charakterystykę - antena powinna promieniować w kierunku satelity i dla uniknięcia zakłóceń jest pożądane, by nie promieniowała w innych kierunkach. Zob. Nawigacja; Radar; Radiofonia. Własności kierunkowe anteny określa się liczbowo względem anteny przyjętej za wzorcową (anteny izotropowej lub dipola półfalowego, wysyłających promieniowanie o takim samym rodzaju polaryzacji). Zysk kierunkowy anteny określony względem anteny izotropowej jest zdefiniowany jako stosunek gęstości mocy promieniowanej w określonym kierunku do średniej gęstości mocy promieniowanej przez tę antenę w pełnym kącie bryłowym. Zwykle podaje się zysk dla kierunku, w którym promieniowanie anteny jest najintensywniejsze. Impedancja wejściowa anteny jest stosunkiem napięcia do natężenia prądu na wejściu anteny, do którego jest podłączona linia przesyłowa nadajnika lub odbiornika. Jeśli antena jest dostrojona rezonansowo do częstotliwości pracy, to impedancja wejściowa jest czystą rezystancją - w innych wypadkach pojawia się także reaktancja. Zależność od częstotliwości. Szerokość pasma częstotliwości przenoszonych przez antenę wiąże się z charakterystykami impedancji wejściowej. Szerokość pasma może być ograniczona przez kształt charakterystyki promieniowania, charakterystykę polaryzacyjną i parametry impedancyjne. Szerokość pasma silnie zależy od dobroci układu Q: im większy jest stosunek zgromadzonej energii biernej do wypromieniowywanej energii czynnej, tym mniejsza jest szerokość pasma. Zob. Dobroć. Anteny o rozmiarach małych w porównaniu z długościami fal charakteryzują się zwykle małą rezystancją promieniowania i dużą reaktancją, co prowadzi do dużej dobroci układu Q i, w konsekwencji, do wąskiego pasma. Rozkład prądu w krótkim przewodniku jest sinusoidalny z zerową wartością natężenia na swobodnym końcu, ale ponieważ przewodnik jest tak krótki, że faza prądu zmienia się w nim zwykle o kąt mniejszy od 30 o, to rozkład prądu można w zasadzie uważać za liniowy. Przy zastosowaniu obciążenia na końcach w postaci konstrukcji złożonej z jednego lub wielu przewodów (w celu otrzymania stałego rozkładu prądu) rezystancja promieniowania wzrasta czterokrotnie, co znacznie poprawia sprawność anteny bez istotnej zmiany charakterystyki promieniowania. Anteny symetryczne i niesymetryczne (dipole i unipole) są przykładami anten rezonansowych, w których rozkład prądu jest w przybliżeniu sinusoidalny i na wejściu występuje jedynie rezystancja. Jeśli jednak stosunek średnicy do długości jest mały, to impedancja wejściowa jest duża, co uniemożliwia użycie takich anten jako anten szerokopasmowych. Impedancyjne ograniczenie szerokości pasma można zmniejszyć przez powiększenie średnicy anteny walcowej lub użycie anten stożkowych. Anteny w postaci długiego drutu lub anteny z falą bieżącą mają zwykle długość jednej czy kilku długości fali i są antenami nierezonansowymi (niestrojonymi). Anteny, których podstawowe charakterystyki i parametry nie zależą od częstotliwości, są zwane antenami niezależnymi częstotliwościowo. Istnieją dwie główne zasady stosowane przy konstruowaniu takich anten. Pierwsza polega na takim ukształtowaniu anteny, aby można było ją całkowicie określić przez kąty. Wówczas, po wyrażeniu wymiarów anten w długościach fali, wszystkie takie anteny mają takie same wymiary przy każdej częstotliwości. Zasadzie tej odpowiadają płaszczyznowe i stożkowe równokątne anteny spiralne. Druga zasada polega na wykorzystaniu właściwości obszarów dopełniających. Mianowicie, jeśli antena wycięta np. w płaskiej płaszczyźnie

7 przewodzącej ma dokładnie taki sam kształt jak usunięta część płaszczyzny, to jej impedancja wejściowa jest niezależna od częstotliwości. Ta druga zasada jest wykorzystywana w budowie wielu anten logperiodycznych - mimo dużych różnic w wymiarach, po wyrażeniu wymiarów w długościach fali charakterystyki takich anten mogą być prawie jednakowe. Przez połączenie obu zasad można uzyskać struktury antenowe o bardzo szerokich pasmach. Realizacja anten kierunkowych. Anteny promieniujące fale ultrakrótkie i mikrofale (anteny mikrofalowe) buduje się w postaci tub, reflektorów lub soczewek z wykorzystaniem przewodników i dielektryków w kształcie płaszczyzn lub brył. Skoncentrowanie promieniowanej energii w wąskiej wiązce można uzyskać albo przez dodanie większej liczby elementów antenowych, albo przez umieszczenie za anteną dużego reflektora, zazwyczaj o kształcie paraboloidalnym. [C.E.Sm.] (Z.A.) Anteną kierunkową, często stosowaną do odbioru telewizyjnego, jest antena z reflektorem kątowym. Antena taka składa się z reflektora w postaci dwóch przewodzących płaszczyzn, tworzących kąt dwuścienny, i radiatora lub dipola, umieszczonego w płaszczyźnie dwusiecznej (rys. 4). Anteny takie używa się jako pojedyncze lub w szyku antenowym; cechuje je duży zysk w stosunku do kosztów i stosunkowo szerokie pasmo częstotliwości. Odległość S dipola D od krawędzi E nie musi być dokładnie związana z długością fali. [J.C.S.] (Z.A.) Ryc. 4. Antena reflektorowa kątowa o kącie dwuściennym 90 Duże znaczenie praktyczne, szczególnie do odbioru sygnałów zakresie fal ultrakrótkich i mikrofal (VHF, UHF), mają układy zwane antenami Yagiego-Udy lub antenami Yagiego (rys. 5). Są to układy złożone z pojedynczej anteny zasilanej oraz sprzężonych z nią elementów biernych, działających - zależnie od długości i odległości elementu - albo jako reflektory (jeśli mają reaktancję indukcyjną), albo jako direktory (jeśli mają reaktancję pojemnościową). [K.Ar.] (Z.A.)

8 Ryc. 5. Antena Yagiego-Udy: a) widok z góry b) widok z boku; strzałki pokazują przepływ energii w bliskim otoczeniu elementów biernych. Rozmiary poprzeczne i wysokości takich układów lub reflektorów muszą być duże w porównaniu z długością fali. Reflektory zwiększają zysk kierunkowy anteny oraz modyfikują charakterystyki promieniowania i eliminują promieniowanie wsteczne. Dipol o małym zysku, szczelina lub tuba, stanowią źródło pierwotne, które promieniuje w kierunku reflektora, zwanego aperturą. Reflektor tak kształtuje falę, aby uzyskać pożądaną charakterystykę promieniowania. Zob. Odbicie fal elektromagnetycznych. Przy użyciu układu dwóch reflektorów można uzyskać bardzo wąską charakterystykę promieniowania. Układ Cassegraina, powszechnie używana antena dwureflektorowa, składa się z dużego reflektora paraboloidalnego, który jest oświetlany przez reflektor hiperboloidalny, a ten z kolei przez źródło pierwotne (rys. 6). Ryc. 6. Układ dwureflektorowy Cassegraina Szyk antenowy jest układem wielu pojedynczych anten tak ustawionych w przestrzeni i tak fazowanych, aby następowało sumowanie w wybranym kierunku i odejmowanie w innych kierunkach. Stosując taki układ uzyskuje się zwiększenie stosunku sygnału do szumu w określonym kierunku. Innym zastosowaniem może być ochrona jakiegoś obszaru, np. w otoczeniu rozgłośni radiowej. [C.E.Sm.] (Z.A.)