Otázka č. 18 Základní druhy antén

Transkript

1 Otázka č. 18: Zákadní druhy antén Otázka č. 18 Zákadní druhy antén Anténu ze definovat jako zařízení pro vyzařování nebo příjem radiových vn. 1 Jedná se tedy o přechodovou strukturu, o hraniční prvek radiokomunikačního řetězce, zajišťující přechod vny vedené ve vnovodu, mikropásku nebo přenosovým vedením na vny šířené ve voném prostoru. Prakticky ze anténu chápat jako skupinu eementárních zdrojů uspořádaných tak, aby spňovay určité podmínky, především aby vytvářey požadovaný tvar směrové charakteristiky pro vnu jisté frekvence. Princip přenosu je na animaci. Anténa mění charakter šíření z šíření v uměe vytvořeném řetězci (napáječ) na šíření v obecném prostoru. Pode směru této změny se antény děí na vysíací a přijímací. Vysíací anténa pracuje jako určitý transformátor měnící vnění podé vedení na vnění ve voném prostoru, zatímco funkce přijímací antény je opačná. Obr. ukazuje, jak vny zadržované v přenosovém jednorozměrném vedení postupují k anténě která je přemění do podoby vyzářených vn do trojrozměrného prostoru. Mechanismus vyzařování eektromagnetické vny Obr. Anténa jako přechodová obast mezi vedenými a šířenými vnami Vytvoří-i harmonický proměnný zdroj napětí mezi dvěmi symetrickými deskami, vzniká mezi těmito deskami eektrické poe, ae i procházející proud, který způsobí dáe vznik magnetického poe. Kdybychom nahradii desky tyčemi a oddaovai od zdroje vzdáenější konce od sebe, dostai bychom vastně dipóovou anténu. Intenzita eektrického poe E v anténě působí na voné náboje v této anténě a uvádí je do pohybu siou F = e.e. V anténě vzniká vnucený proud, samozřejmě harmonického průběhu. Tento proud je příčinou vzniku harmonického magnetického poe v bízkosti antény. Harmonicky měněné magnetické poe indukuje pode Maxweových rovnic poe 1 Pode IEEE Standard Definitions of Transfor Antennas v IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vo. AP-17, No.3, May Vo. AP-,No.1, January 1974 Radio Waves, University of Coorado, Department of Physics, An exporation of how eectro-magnetic waves are created, how they move through space, and their effects, In: 1

2 Otázka č. 18: Zákadní druhy antén eektrické, to opět poe magnetické a tak to pokračuje v prostoru dá. V jisté vzdáenosti od antény se již šíří eektromagnetická vna, kterou původní zdroj (vysíač) dáe neovivňuje. Je to podobné jako u vn na vodě po dopadu těesa do vody. Eektrické náboje a jejich siové působení jsou nutné pro vybuzení poe, ae ne pro udržení vn v prostoru. Bízká obast poe (reactive near-fied region) je obast v bezprostřední bízkosti antény. Eektromagnetické poe v této obasti nemá ještě charakter eektromagnetické vny. Fázová rychost, tj. rychost pohybu siočar od zdroje je větší než rychost přenosu energie. Vzdaujeme-i se od antény fázová rychost kesá, až po hodnotu skupinové rychosti, kterou dosahuje ve voném prostoru. Tato rychost je pak skutečnou rychostí přenosu energie. Bízká obast poe se nachází v prostoru mezi anténou a koui o pooměru R 1 = 0, 6 kde λ je vnová déka a D největší rozměr antény. Výkon v této obasti je vyzářen z antény a ceý navracen do antény, jde tedy jen o výměnu jaového výkonu. Poyntingův vektor zde má nuovou hodnotu. Bízká zářivá obast poe (radiating near-fied region) (Fresneova obast) je obast zahrnující všechny body v nichž se projeví mezi nejkratší a nejdeší dráhou od antény chyba fáze menší než p/8 (tj. λ/16). Je to v podstatě obast jejíž doní hranici tvoří povrch koue ohraničující bízkou obast poe, horní hranici pak koue o pooměru kde D je opět největší rozměr struktury antény, přičemž D > λ. Odvození vztahu si můžeme demonstrovat na dipóové anténě pode. Víme, že maximání chyba fázi smí být p/8, uvědomíme-i si, že λ = p, potom odpovídá p/8 hodnotě λ/16. a V pravoúhém trojúheníku je = R æ D ö + ç è ø Srovnáním nejkratší vzdáenosti sedovaného bodu od antény R a největší vzdáenosti a musí být a = R + 16 Z obou posedních vztahů vypývá D R = 3 D D æ ö R + = R + => 4 ç è 16 ø (*) D æ ö R + = R + R + => 4 16 ç è16 ø R = D

3 Otázka č. 18: Zákadní druhy antén D R = 8 D - = 50-3 Pro D λ můžeme zanedbat druhý čen na pravé straně rovnice 8D D R = = 4 Vzdáená obast (far fied) také vzdáená zóna antény nebo Fraunhoferova obast začíná na hranici R a pokračuje v podstatě do nekonečna. V této obasti můžeme radiání sožky intenzit zanedbat a vna má charakter TEM vny. Přesné měření antén provádíme právě v této obasti. Jako příkad můžeme vypočíst pooměry bízké reaktanční obasti, bízké zářivé obasti a tím i vzdáené obasti pro: a) iniovou půvnnou anténu déek 100m a 1m b) trychtýřovou anténu s aperturou 90 x 60 mm, která pracuje na frekvenci 10 GHz c) refektrorovou anténu s průměry refektoru 1m pro frekvenci10ghz a 300 mm pro frekvenci 30 GHz Ve všech třech případech musíme určit rozměr D: a 1 ) D = 100m, λ = D = 00m a ) D = 1m, λ = D = m V těchto případech ovšem není spněna podmínka D > λ a neze tedy zanedbat druhý čen rovnice (*) a musíme ji řešit ceou. Pro tento případ je v tabuce výsedků uveden i posední soupec. b) Největší rozměr apertury je po uhopříčce, a vypočteme jej z Pythagorovy věty D = 0,09 + 0,06 = 0, m c) Největší rozměr je dán přímo průměrem refektorů. Úoha λ [m] D [m] R 1 [m] R [m] R [m] a , ,75 a 1 0, ,9375 b 0,03 0,108 0,174 0,78 c 1 0,03 1 3,58 66,6 c 0,01 0,3 1,0 18 Rozděení antén Pode uspořádání eementárních zdrojů se děí antény do tří zákadních skupin: a) Lineární antény se používají pro nižší frekvence, ae i pro frekvence řádově do GHz. Eementárními zdroji jsou zde tenké krátké vodiče (eementární dipóy) rozožené do různých konfigurací v podobě drátů, trubek nebo pásků. 3

4 Otázka č. 18: Zákadní druhy antén b) Pošné antény se používají především pro centimetrové vny. Eementárními zdroji jsou Huyghensovy zdroje eementární pošky. Antény vyzařují z pochého ústí tzv. apertury. Patří sem antény trychtýřové, štěrbinové, refektorové a antény čočky. c) Magnetické antény by se day zařadit do některého z předcházejících bodů, ae pro zjednodušenou anaýzu se u nich zavádí jako eementární zdroje zavádějí eementy protékané fiktivním magnetickým proudem. Patří sem rámové antény a feritové antény. Podrobněji ze dáe antény děit pode tvaru či jiných znaků jejich podobnosti: 1. Drátové antény (wire antennas) jsou zaoženy na vyzařování vodičů nebo soustav vodičů. Charakteristickým rysem je převádající déka nad průměrem vodiče. Tvary antén nebo jejich částí: - přímý vodič - smyčka (kruhová, pravoúhá aj.) - šroubovice. Pošné antény (aperture antennas) vyzařuje výstupní pochou (aperturou), která může mít tvar vnovodného ústí, trychtýře Obdéníkový nebo kruhový), štěrbiny apod. Štěrbinová anténa je tvořená vodivou pochou a štěrbinami do ní vyříznutými. Štěrbina je buzena vedením (dvoudrátovým, koaxiáním nebo vnovodem) připojeným napříč štěrbiny nebo dutinou umístěnou z jedné strany štěrbiny. Vyzařování u štěrbinové antény způsobují proudy tekoucí na vodivé poše v okoí štěrbiny, diagram záření je podobný diagramu záření dipóu, který je orientován ve směru podé štěrbiny se zaměněným vektorem E a H eektromagnetického poe. Štěrbiny bývají pravoúhé přímé nebo zaomené, skádané, kruhové, vyříznuté ve stěně vácové trubice, ve stěně vnovodu i v okraji vodivé roviny. Štěrbinová anténa se někdy řadí do anténních řad, napříkad štěrbiny ve stěně vácové trubice či ve stěně vnovodu. 4

5 Otázka č. 18: Zákadní druhy antén 3. Refektorové antény (refector antennas) jsou tvořeny zářičem a refektorem (soustavou refektorů), který má za úko nasměrovat vny z primárního zářiče do voného prostoru pode určitých požadavků, nejčastěji vytvořit v prostoru šíření rovinnou vnu. Za tím účeem musí mít refektor speciání tvar, vycházející nejčastěji z parabooidu. U parabooidu je primární zářič umístěn v jeho ohnisku, takže odražené paprsky jsou rovnoběžné. Refektorové antény jsou ve většině případů úzce směrové. Pro radioreéové spoje se používají paraboické antény většinou v průměrech 0,3m, 0,6m, 0,9m, 1,m, 1,8m a větších v závisosti na požadované vzdáenosti přenosu, vysíacím výkonu, kapacitě přenosu, požadované kvaitě přenosu a případně daších technických parametrech. Antény musí být směrové a dobře seřízeny, aby jejich maxima bya na spojnici obou antén, musí být tedy vybaveny zařízením pro přesné nastavení azimutu a eevace a pro fixaci tohoto nastavení. Krátce shrnutí: refektor zářič - typickým představiteem jsou paraboické antény, které mohou mít tvar rotačního parabooidu nebo paraboického váce - paraboický rotační refektor ozařovaný primárním zářičem ( např. trychtýřem, dipóem ap. ), který je umístěn v ohnisku, transformuje kuovou vnu na rovinnou - vastnost ohniska F - dráha všech paprsků z ohniska do roviny apertury je stejná pro ibovoný úhe. Fáze sožek poe v rovině apertury je konstantní a vyzařování antény je úzkosměrové - dovoená odchyka paraboického tvaru (v bízkosti vrchou refektoru nesmí byt větší než λ / 16) 5

6 Otázka č. 18: Zákadní druhy antén 4. Anténní čočky (ens antennas) jsou tvarově konstruovány podobně jako čočky optické. Jejich geometrický tvar má povrch - konvexní (dutý) - rovinný - konkávní (vypuký) Vastnosti anténních čoček určuje kromě tvaru i použitý materiá, charakterizován reativním indexem omu n. Ten může být větší než 1, ae i menší než 1. Zářič se, podobně jako u refektorových antén umísťuje do ohniska čočky, na druhé straně má potom tvar rovinné vny. Oproti refektorovým anténám ze tyto čočka v pásmu vvf konstruovat menší. n>1 n<1 5. Anténní řady (array antennas) využívá jako eementární zářiče typy antén z předcházejících bodů, které seskupuje do spojitých struktur v řadách (horizontáních, vertikáních), pochách, trojrozměrných prostorech nebo v jejich kombinacích. Nejrozšířenějším příkadem je Yagiho anténní řada (Yagi-Uda array). Aktivní zářič je u této antény tvořen soženým dipóem. aktivní zářič napáječ direktory 6