- PDF Free Download

Transkript

1 Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umis ováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura redakce@ben.cz

2 2 ŠÍØENÍ RÁDIOVÝCH VLN Ve druhé kapitole se seznámíme s jevy, které se týkají šíøení rádiových vln, jejich útlumu, odrazu, a praktickými dosahy rádiových spojení v závislosti na kmitoètu 2 1 FYZIKÁLNÍ PODSTATA ELEKTROMAGNETICKÝCH VLN Elektromagnetické vlny existovaly v pøírodì, i když si èlovìk jejich existenci ještì neuvìdomoval Byly tu pøed tím, než èlovìk objevil elektrický proud Nejnázornìjším pøíkladem elektromagnetické vlny je totiž svìtlo Elektromagnetizmus je spoleèný pojem popisující magnetické a elektrické jevy, protože se v pøírodì vyskytují spoleènì Vysokofrekvenèní proud protékající vodièem kolem nìj vytváøí elektrické pole rovnobìžné s vodièem a magnetické pole, kolmé k vodièi Elektromagnetické vlny s rùznými kmitoèty byly kategorizovány a podle svého použití pojmenovány rádiové vlny cca Hz, svìtelné vlny cca Hz, záøení X cca Hz, záøení g cca Hz Rychlost šíøení elektromagnetických vln ve volném prostoru prakticky èinní km/s Pro názornou pøedstavu o rychlostí šíøení elmag vln se uvádìjí tyto dva pøíklady Bìhem 1 sekundy obìhne elektromagnetická vlna zemìkouli více než 7 Vzdálenost mezi Sluncem a Zemí urazí pøibližnì za 8 minut Siloèáry elektrického pole jsou kolmé k siloèárám magnetického pole, pøi èemž platí, že polarizaci elektromagnetického pole urèuje orientace siloèar elektrického pole vzhledem k zemskému povrchu Elektromagnetické vlny se šíøí pøímým smìrem V pøírodních podmínkách je však smìr a charakter šíøení ovlivnìn jevy jako odraz, lom, difrakce nebo interference Vlna letící éterem se pøi setkání s jiným (odrazným) prostøedím, napø pùdou, vodou apod, odráží v souladu s pravidlem: úhel dopadu se rovná úhlu odrazu (obr 2 1) Podle charakteru odrazného prostøedí mezi obìma prostøedími, mùže také dojít pouze A JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY 21

3 k lomu dopadající vlny Zda dojde k odrazu, èi lomu závisí též na úhlu dopadu elektromagnetické vlny na rozhraní obou prostøedí (vzduch-pùda, vzduch-voda atd ) a jejich kvalitì (dielektrická konstanta) e Obr 2 1 Lom a odraz vlnového záøení Obr 2 2 Difrakce vlnového záøení K difrakci dochází v pøípadì, když vlna narazí na otvor v pøekážce (obr 2 2) Po prùchodu otvorem vznikne sekundární záøení Otvor se stane støedem vzniklé kulové vlnoplochy Difrakce nastává i pøi prùchodu vlny velmi úzkou štìrbinou, ale také pøechodem pøes ostré hrany Díky difrakci lze na VHF a UHF pásmech realizovat spojení i mezi stanicemi s nepøímou viditelností, napø v hornatém prostøedí, mezi stanicemi v údolích, oddìlených hornatými høebeny, na nichž k této difrakci nìkdy dochází 22 JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY A

4 Významným fyzikálním jevem je interference vlnového záøení V principu se jedná o skládání dvou elektromagnetických vln Obì vlny se mohou navzájem zesilovat, zeslabovat nebo se dokonce vzájemnì vyrušit, a to podle jejich vzájemné fáze Na obr 2 3 jsou znázornìny sinusové prùbìhy dvou vln ve shodné a opaèné fázi Složením obou køivek vzniká buï výsledná vlna zesílená nebo naopak zcela utlumená Obr Ztlumení a zesílení sinusové vlny TYPY ŠÍØENÍ RÁDIOVÝCH VLN Rádiové záøení se podle popsaných fyzikálních jevù šíøí pøímoèaøe, a to buï podél zemského povrchu nebo prostøednictvím odrazù od troposféry èi ionosféry Existují však ještì jiné zvláštní pøípady šíøení elektromagnetických vln, kterým se budeme vìnovat v této kapitole A JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY 23

5 2 2 1 Šíøení pøízemních vln Pøízemní vlny se šíøí podél zemského povrchu a sledují jeho zakøivení Na obr 2 4 jsou znázornìny pøízemní vlny Dosah tohoto zpùsobu šíøení je znaèný Je ovlivnìn terénem, kterým prochází (reliéfem zemského povrchu), elektrickými parametry prostøedí (pùda, voda atd ), kmitoètem a výkonem vysílaèe Pøízemní vlnou se šíøí zejména nízké kmitoèty, náchylné na poruchy všech druhù Pøízemní vlna je do znaèné míry absorbována zemským povrchem a proto se pro spolehlivé zabezpeèení vìtších dosahù musí používat výkonné vysílaèe Pøízemní vlnou se šíøí vysílání rozhlasových stanic na støedních a dlouhých vlnách i na vzdálenosti pøesahující l000 km, a to bez retranslaèních stanic nebo družicových pøevádìèù Tyto rozhlasové stanice pracují s výkony øádovì MW! Rádiové vlny v pásmech VHF a UHF se šíøí podél zemského povrchu pøímoèaøe, takže jejich dosah je ohranièen pøímou viditelností, tzn obzorem pøibližnì ve vzdálenosti 50 km, prakticky však závisí na výšce antén ale i výkonu použitých vysílaèù Považovat šíøení elmag vln na tìchto pásmech za šíøení pøízemní vlnou je v podstatì nesprávné, pøesto, že se tento dìj odehrává tìsnì nad zemí, resp podél zemského povrchu Obr 2 4 Šíøení pøízemní vlny Obr 2 5 Pøímý dosah Šíøení troposférických a ionosférických vln Troposféra je atmosférická vrstva dosahující výše cca 10 km Je složena z plynù a vodních par V horních vrstvách troposféry klesá atmosférický tlak a panují tam již pomìrnì nízké teploty (do 50 C) Elektrická propustnost troposféry se s výškou mìní, takže se liší od propustnosti nižších vrstev V závislosti na teplotì, atmosférickém tlaku a vlhkosti (množství vodních par) se s výškou mìní elektrické vlastnosti, resp index lomu, který ovlivòuje šíøení elektromagnetických vln v pásmech VHF a UHF tak, že se elektromagnetické vlny mohou lomit (ohýbat) zpìt smìrem k zemskému povrchu nebo naopak ven do volného prostoru mimozemského (obr 2 6) V prvním pøípadì pøíznivì ovlivòují dosah radiokomunikace, èasto daleko za optický obzor Èasté zmìny atmosférických podmínek v troposféøe mìní sílu vysílaných signálù Vzniká fluktuace, jejíž dùsledkem jsou støídající se krátká i delší období slyšitelnosti a zániku signálù 24 JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY A

6 3 TYPY ANTÉN Antény lze rozdìlit do mnoha kategorií podle rùzných kritérií Obvykle se antény rozdìlují podle charakteristiky vyzaøování (diagramu záøení) a zpùsobu použití antény Podle diagramu záøení se antény dìlí na všesmìrové a smìrové U všesmìrových antén pøevládají antény s vertikální polarizací Ke smìrovým anténám patøí antény typu YAGI, antény smyèkové (Cubical Quad), logaritmicko-periodické antény (LPDA) a další, vìtšinou horizontálnì polarizované 3 1 VŠESMÌROVÉ ANTÉNY Nejjednodušší všesmìrovou anténou je anténa typu ground plane GP s délkou záøièe l/4 (obr 1 4) Nedílnou a funkènì nezbytnou èástí bìžnì užívané antény GP je nìkolikaprvková protiváha se ètvrtvlnnou délkou prvkù [1] Diagram záøení ve vertikální rovinì je schematicky znázornìn na obr 3 2 Obr 3 1 Anténa typu GP s protiváhou zemí Obr 3 2 Diagram záøení antény GP ve vertikální rovinì V horizontální rovinì je charakteristika vyzaøování prakticky kruhová, pokud je anténa opatøena alespoò 4prvkovou protiváhou Zisk antény GP vzhledem k dipólu l/2 (v rovinì horizontu) G d = 1 db Impedance antény GP závisí na úhlu, který svírá záøiè A JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY 33

7 s prvky protiváhy (obr 3 3) Pøi úhlu cca 135 je impedance 50 W, což pøi nesoumìrném napájení umožòuje použití bìžného koaxiálního kabelu se shodnou impedancí 50 W Pøi úhlu 90 èiní impedance antény GP cca 30 až 35 W Tuto anténu lze pøizpùsobit k impedanci 50 W paralelní kapacitou v patì záøièe, nebo na konektoru antény Obr 3 3 Závislost impedance antény GP na úhlu mezi záøièem a prvky protiváhy Stacionární antény GP používají 3prvkové protiváhy (obr 3 4) trojnožka s vnitøními úhly 120 nebo 4prvkové køížové protiváhy s vnitøními úhly 90 [15] Místo jednoduchého lineárního záøièe se používá také skládaný unipól, jehož impedance s protiváhami svírajícími úhel 90 èiní cca 120 W Výhodou tohoto øešení je galvanické spojení unipólu se zemí, kdy je pøípadný elektrostatický náboj odvádìn k zemi prostøednictvím druhého uzemnìného konce unipólu Antény se skládaným unipólem pracují v širším kmitoètovém pásmu Fyzická délka záøièe neodpovídá pøesnì l/4, ale závisí na èiniteli zkrácení antény K, který zpravidla èiní 0,85 až 0,98 Obr 3 4 Druhy antén GP a trojnožka, b køížová GP, c skládaný unipól GP 34 JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY A

8 Pøíklady praktických øešení antén GP pro KV a VKV uvedeme v dalších kapitolách Druhou nejpopulárnìjší anténou je pùlvlnný dipól (obr 3 5) Anténu tvoøí dva stejnì dlouhé vodièe o celkové délce l/2 Svislý (vertikální) dipól má ve vodorovné (horizontální) rovinì všesmìrovou charakteristikou (kruhový diagram záøení) Vodorovný (horizontální) dipól má ve vodorovné rovinì diagram záøení ve tvaru osmièky, kolmé k podélné ose dipólu [7] Tvar osmièky závisí také na výšce dipólu nad zemí Pùlvlnný dipól je (jak bylo uvedeno v kapitole 1) referenèní anténou pøi mìøení zisku antén Jeho zisk je tedy 0 db d resp 2,14 db i vzhledem k tzv izotropickému záøièi Impedance dipólu ve výšce H ³ l/2 nad zemí je 70 až 50 W Èím je dipól štíhlejší, tím více se jeho impedance pøibližuje 70 W Dipól, jako symetrickou anténu, je tøeba napájet symetrickým vedením, nebo nesymetrickým koaxiálním kabelem pøes balun 1:1 (obr 3 6) Mnoho uživatelù podceòuje nutnost symetrizace Je však tøeba vzít v úvahu, že nesymetrické napájení symetrické antény (bez balunu) èasto vede k nežádoucímu vyzaøování vysokofrekvenèní energie povrchem (stínìním) koaxiálního napájeèe Dùsledkem tohoto záøení bývá rušení blízkých televizních a rádiových pøijímaèù (TVI, RVI obr 3 6b) Obr 3 5 Pùlvlnný dipól Obr 3 6 Napájení pùlvlnného dipólu a soumìrné (symetrické), b nesoumìrné (nesymetrické) A JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY 35

9 Další oblíbenou všesmìrovou mobilní anténou, užívanou èasto jako stacionární anténa pro pásmo CB, je vertikální anténa (unipól) o délce 5/8 l s protiváhou (obr 3 7) Jde v podstatì o zkrácenou anténu 3/4 l Prodlužujícím a zároveò pøizpùsobovacím prvkem je zde cívka (indukènost) v patì záøièe V horizontální rovinì je diagram záøení všesmìrový Ve vertikální rovinì je maximum vyzaøování (elevaèní úhel) závislé na výšce antény nad zemí (obr 3 8) Teoretický zisk je 3,5 db i Délka prvkù protiváhy, umístìných pod cívkou je l/4 Obr 3 7 Anténa 5/8 l Obr 3 8 Diagram záøení antény 5/8 l ve vertikální rovinì Prodloužením záøièe nad 3/4 l vznikají velké postranní laloky, takže anténa vyzaøuje pod velkými elevaèními úhly a její vyzaøování v rovinì horizontu je minimální Proto je tato prodloužená anténa nevhodná pro radiokomunikaci pøízemní vlnou, tzn na pásmech VHF a CB Navíc pak prodloužení záøièe antény nad 3/4 l nezvyšuje její zisk Zvýšení zisku lze dosáhnout použitím nìkolika souose uspoøádaných pùlvlnných dipólù, tzv kolineární anténou obr 3 9 [18] Praktická øešení tohoto typu antén uvedeme pøi popisu antén pro pásma VKV Kolineární antény jsou moderním øešením, umožòujícím dosažení zisku až 10 db d!! 3 2 SMÌROVÉ ANTÉNY Smìrové antény byly navrženy pro dosažení vyššího zisku a potlaèení poruch pøicházejících z nežádoucích smìrù Nejoblíbenìjší a nejrozšíøenìjší smìrovou anténou je anténa typu Yagi (obr 3 10) Tyto antény se bìžnì používají na KV, VKV a TV pásmech Používají je radioamatéøi i profesionální služby vèetnì spojovacích služeb vojenských 36 JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY A

10 Obr 3 9 Kolineární anténa Anténa Yagi se skládá z aktivního napájeného prvku záøièe (dipólu) a nenapájených prvkù pasivních direktorù a reflektorù (obr 3 11) Principiálnì je èinnost antény Yagi založena na vzájemné vazbì mezi prvky, která ovlivòuje intenzitu a fázi indukovaných proudù a tím vyzaøovací a napájecí vlastnosti (diagram záøení a impedanci) antény Primárním zdrojem je aktivní prvek, zpravidla pùlvlnný dipól, umístìný mezi reflektorem a prvním direktorem Tato skupina prvkù pak svým uspoøádáním (délkou prvkù a vzájemnou rozteèí) ovlivòuje vyzaøování podél dalších direktorù S jejich narùstajícím poètem, se zvyšuje zisk antény Impedanci antény Yagi ovlivòují rozmìry a konstrukce záøièe, a jeho vzdálenost od sousedních prvkù, zejména od prvního direktoru Zisk antény tedy závisí na poètu prvkù direktorù, resp délce antény Orientaènì platí: 3prvková anténa Yagi 4,0 db d, 6prvková anténa Yagi 9,0 db d, 9prvková anténa Yagi 12,0 db d, 15prvková anténa Yagi 15,0 db d, 28prvková anténa Yagi 19,0 db d A JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY 37

11 Obr 3 10 Anténa Yagi Obr 3 11 Princip èinnosti antény Yagi Zisk delších antén Yagi nestoupá pøímo úmìrnì s poètem prvkù, resp lineárnì s její délkou Proto nemá smysl prodlužovat celkovou délku antény nad 8 l, kdy je již pøírùstek zisku prakticky zanedbatelný Úèinnìjším øešením je realizace víceèlenných anténních soustav, sestavených z nìkolika soufázovì napájených základních antén Každým zdvojením sestavy antén se celkový zisk soustavy teoreticky zvyšuje až o 3 db Praktický pøírùstek zisku je o nìco menší vlivem ztrát na spojovacích vedeních 38 JACEK MATUSZCZYK: ANTÉNY PRAKTICKY A