5. Měření vstupní impedance antén

Transkript

1 5. Měření vstupní impedance antén 5.1 Úvod Anténa se z hlediska vnějších obvodů chová jako jednoban se vstupní impedancí Z vst, kteou můžeme zjistit měřením. U bezeztátové antény ve volném postou by se její hodnota shodovala s impedancí záření Z vst, kteou můžeme po elementání antény vypočítat. Po složky impedance záření Z vst = R vst + jx vst symetického dipólu s délkou amene l a půměem anténního vodiče a platí: l 80 R vst (l 0,15) (5.1) X 0 cotan vst Z 4 (5.) kde je vlnová délka a l Z 0 10ln 1, 69 a (l 0,35) (5.3) Obě složky impedance záření tedy závisejí na poměu ozměů antény k vlnové délce, a tím i na kmitočtu. Nepřehlédněte, že vzoce (5.1) až (5.3) platí jen po omezenou délku amene dipólu. Po získání přesnějších výsledků v šiším ozmezí hodnot l/ je nutno použít jiné, výpočetně náočnější postupy. Uvedené vztahy umožňují (v mezích jejich platnosti) sledovat změny složek impedance záření symetického dipólu při změnách kmitočtu a ozměů anténních vodičů. Reálná složka R vst (odpo záření) s kmitočtem oste, imaginání složka X vst (eaktance záření) má na nízkých kmitočtech kapacitní chaakte a s kmitočtem klesá až k nule (ezonance). Při zvýšení kmitočtu nad ezonanční kmitočet pak eaktance induktivní chaakte a její velikost oste. Pvní (čtvtvlnná) ezonance nastává na kmitočtu, kteý je míně nižší než f = c/4l. Další ezonance jsou pak v blízkosti násobků této fekvence. Nesymetická anténa nad ozlehlou vodivou ovinou má impedanci záření poloviční ve sovnání se symetickou anténou téhož tvau a ozměů. Ovlivnění antény jejím okolím je příčinou ozdílu velikostí složek impedance záření Z vst a vstupní impedance Z vst. Vstupní odpo R vst v sobě zahnuje ztátový odpo R z, vstupní eaktance X vst se od eaktance záření X vst obvykle téměř neliší. R Z Z A R vst X vst Ob. 5.1 Náhadní obvod antény

2 Příliš velká hodnota vstupní eaktance X vst ztěžuje přizpůsobení antény a je příčinou výazných ztát v přizpůsobovacích obvodech. Žádoucího zmenšení vstupní eaktance se dosáhne použitím tlustších vodičů (l/a). Příliš obustní konstukce lze nahadit soustavou více paalelních vodičů ovnoběžných nebo vějířového tvau. Dátové antény (často nazývané jako lineání antény ) se obvykle používají do kmitočtu řádu jednotek gigahetzů. Od těchto kmitočtů výše se v paxi obvykle používají planání antény. Mezi nejčastěji používané planání antény patří mikopáskové antény. Zářičem mikopáskových antén je flíček ůzného tvau (obdélník, čtveec, kuh apod.), kteý je technologií plošných spojů vytvořen na jedné staně dielektického substátu. Duhá stana toho substátu je kompletně pokovená a tvoří eflekto po flíčkový zářič. V případě obdélníkového flíčku obvykle jeho delší stana ovlivňuje pacovní kmitočet antény, kteý je možné vypočítat dle f c A A Zde je c ychlost světla ve volném postou, A je skutečná délka flíčku, A je elektické podloužení flíčku vlivem ozptýleného elektického pole na jeho hanách (ob. 5.) a je elativní efektivní pemitivita substátu. Tyto veličiny lze učit dle vztahů 0,3 B / h 0,64 A 0,41h 0,58 B / h 0,8 1/ (5.4) (5.5) 1 1 1h 1 (5.6) B kde h je výška substátu, je elativní pemitivita substátu a B je šířka flíčku c B (5.7) f 1 Po dosažení většího zisku mikopáskové antény volíme šířku flíčku obvykle větší, než je délka. Mikopáskové antény se nejčastěji napájejí koaxiálním vedením (ob. 5.) nebo mikopáskovým vedením. Poloha připojení napáječe má vliv na vstupní impedanci flíčkové antény. Koaxiální napáječ se obvykle připojuje dle ob. 5. ve vzdálenosti x n od středu flíčku. Vstupní impedance mikopáskových antén komě místa připojení napáječe závisí i na délce a šířce flíčku a také na elektických paametech substátu. Vstupní impedanci antény nelze jednoduše analyticky vyjádřit jako v případě symetického dipólu. Po učení vstupní impedance flíčkové antény využíváme numeických metod. 5. Cíle páce 1. Seznámit se s měřením vstupní impedance nesymetických antén.. Ověřit závislost složek vstupní impedance vzoků dátové a mikopáskové antény v závislosti na jejich ozměech a elektických paametech substátu. 5.3 Přístoje a pomůcky Vektoový obvodový analyzáto R&S ZLV (9 khz 6 GHz) s kalibační sadou

3 Nesymetické dátové antény (délka dátu 10 cm, půmě dátu 1,7 mm a 4,3 mm, velikost zemní plochy 0 0 cm) Mikopáskové flíčkové antény vyobeny na ůzných substátech Přídavná zemní plocha cm 5.4 Domácí přípava Zpacujte odpovědi na kontolní otázky. A E x n B/ E B A A h Ob. 5. Mikopásková anténa napájená koaxiálním napáječem. 5.5 Metoda měření K měření použijeme vhodně nastavený a kalibovaný vektoový obvodový analyzáto (viz poznámky k měření). Měřenou anténu připojujeme vhodným kabelem na měřící pot přístoje. Vektoový obvodový analyzáto kalibujeme v místě připojení antény. Objekty umístěné v blízkosti antény ovlivňují její elektické vlastnosti. To můžeme vyzkoušet umístěním vodivého předmětu (vlastní uky) do blízkosti antény. Poto při vlastním měření umístíme měřenou anténu tak, aby vliv okolí byl minimalizován (nasměujeme anténu tak, aby mířila pokud možno do volného postou). Je dobé si uvědomit, že vztahy (5.1) až (5.3) platí po symetický dipól. V případě výpočtu nesymetické antény je nutné vstupní odpo a vstupní eaktanci dělit dvěma. To ovšem platí v případě, že anténa je umístěna nad ozlehlou vodivou ovinou. V laboatoři je z postoových důvodů velikost země antény omezena (deska je menší než délka vlny). Tato skutečnost může podstatně ovlivnit především eálnou složku impedance antény; vliv na eaktanci bývá obvykle menší. Poto sovnáním vstupní impedance antény s původní a ozšířenou zemní plochou na ůzných kmitočtech můžeme sledovat změnu velikosti složek impedance a odchylky od hodnot vypočtených z ozměů antény

4 5.6 Zadání úlohy 1. Stanovte konkétní kmitočtové omezení použitelnosti vztahů (5.1) až (5.3) po výpočet impedance záření měřených dátových antén. Změřte závislost vstupní impedance předložených dátových antén bez a přídavnou zemnící plochou na kmitočtu a zaznamenejte je do gafu současně s hodnotami vypočtenými z ozměů antén. Diskutujte ozdíly.. Nalezněte kmitočty čtvtvlnné ezonance měřených dátových antén a sovnejte je s hodnotou f = c/(4l); c = m/s. 3. Změřte závislost vstupní impedance a činitele odazu předložených mikopáskových antén na kmitočtu a zaznamenejte je do gafu. 4. Stanovte ezonanční kmitočet, absolutní a elativní šířku pacovního pásma mikopáskových antén po hodnotu činitele odazu 10 db (elativní šířku pásma vypočtěte vzhledem k ezonančnímu kmitočtu). Diskutujte vliv elektických paametů substátů na geometické ozměy antén a šířku pacovního pásma. 5.7 Poznámky k měření Na pacovišti je k dispozici vektoový obvodový analyzáto. Před vlastním měřením musíme přístoj nastavit a kalibovat. Při nastavování a kalibaci přístoje postupujte dle návodu na obsluhu obvodového analyzátou, kteý je k dispozici na pacovišti. Dátové antény budeme měřit v ozmezí 400 až 100 MHz, mikopáskové antény v ozmezí až 100 MHz. Kalibaci přístoje tedy musíme povést ve fekvenčním pásmu od 400 MHz do 100 MHz. Nastavte tedy: fekvenční ozsah měření: 400 až 100 MHz, ozmítání fekvence: lineání, velikost fekvenčního koku: MHz šířka IF filtu: 1 khz zobazení veličiny jako půmě z N měření; N (Aveage Facto) = 10. Poveďte jednopotovou kalibaci přístoje a na displeji zobazte půběh eálné a imaginání části měřené impedance. Hodnoty impedance odečítejte pomocí maků. Po zvýšení přesnosti měření je dobé eliminovat vliv N-konektou. Poto před vlastním měřením posuneme efeenční ovinu měření, kteá je po kalibaci nastavena v místě připojení kalibační sady. Při změně efeenční oviny postupujeme následovně: Stiskneme tlačítko CAL a postupně aktivujte volby Pot Extension a Mechanical Length. V dialogovém okně potu 1 nastavíme Mechanical Length a Pemittivity dle hodnot uvedených na měřeném vzoku po daný typ konektou. Po měření dátových antén nastavte fekvenční ozsah na 400 až 100 MHz. Postupně zobazte vstupní impedanci měřených antén s přídavnou zemí a bez přídavné země. Stanovte kmitočty čtvtvlnné ezonance a naměřené hodnoty expotujte do soubou po pozdější zpacování v pogamech MS Excel nebo MATLAB. Při výměně antén a manipulaci s přídavnou zemní plochou buďte opatní! Přídavnou zemní plochu je nutné na dátovou anténu usadit dle značek. Po měření mikopáskových antén nastavte fekvenční ozsah na 1700 až 100 MHz. Zobazte vstupní impedanci a činitel odazu měřených antén postupně na displeji, odečtěte ezonanční kmitočty, absolutní šířku pásma po pokles činitele odazu 10 db a vypočtěte elativní

5 šířku pásma (vztaženou k ezonančnímu kmitočtu). Naměřené hodnoty expotujte do soubou po pozdější zpacování v pogamech MS Excel, nebo MATLAB. 5.8 Kontolní otázky 1. Jak se liší změřená vstupní eaktance X vst nesymetické tyčové antény od hodnoty vypočtené ze vzoce (5.)?. Poč se liší hodnoty vstupního odpou a odpou záření antény? Kteá hodnota je větší? 3. Jak velkou vstupní eaktanci má tyčová anténa délky 5 cm o půměu mm nad ozlehlou vodivou ovinou při kmitočtu 900 MHz?