1. kapitola: Úvod do problematiky, přenosové cesty (rozšířená osnova)

Punčochář, J: AEO; 1. kapitola

1

1. kapitola: Úvod do problematiky, přenosové cesty (rozšířená osnova)

Čas ke studiu: 4 hodiny Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět •

identifikovat prvky základního signálového schématu elektronických struktur

•

používat správně pojmy z teorie signálu

•

definovat základní parametry metalického vedení

•

definovat základní prvky radiotechnické cesty

•

definovat funkci vysílací a přijímací antény

Výklad

ÚVOD Základní signálové schéma elektronických struktur CO NEJKRATŠÍ SPOJENÍ, ABY SE ŠUMY VEDENÍ „NEPŘIDÁVALY K NEUPRAVENÉMU SIGNÁLU“

BLOK 1

BLOK 2

BLOK 3

BLOK 4

BLOK 5

BLOK 6

BLOK 7

Obr. 1 Základní signálové schéma elektronických struktur BLOK 1 – převod signálu na elektrickou veličinu (ČIDLO); např.: mikrofon, videokamera, teploměr, vlhkoměr, atd. BLOK 2 – úprava signálu – podle „potřeby“; např.: korekční obvody, filtrace, zesílení, kódování, atd. BLOK 3 – vysílač; např.: anténa, LED, výkonový zesilovač (do vedení), atd.


2

BLOK 4 – přenosové médium; metalické vedení, optické vedení, prostor BLOK 5 – přijímač; např.: anténa, vstupní zesilovač, fotodioda, atd. BLOK 6 – úprava signálu – podle „potřeby“; např.: korekční obvody, filtrace, výkonové zesílení, dekódování, atd. BLOK 7 – převod na signál – podle „potřeby“; např.: reproduktor, obrazovka, displej, regulační element, atd.

Pokud bude systém pracovat v „paměťovém režimu“ zpracování signálu, potom BLOK 3 – tvoří záznamové zařízení; např.: magnetický záznam, gramodeska, kódování + záznam na vhodné paměťové médium BLOK 5 – snímač záznamu; např.: snímací magnetická hlava, gramofonová přenoska, přečtení z média (podle fyzikální podstaty) a dekódování

Základní pojmy – signál/informace Informace – zpráva, sdělení, údaj – je to abstraktní pojem Signál – fyzikální veličina (děj) nesoucí informaci; v elektrotechnice nejčastěji: napětí (proud) jehož charakteristické veličiny (amplituda, kmitočet, fáze) musí být jednoznačným vztahem vázány s informací, aby mohl příjemce určit informaci signálem nesenou jednoznačně. Spektrum – je vyjádření (znázornění; analytické nebo grafické) signálu v závislosti na kmitočtu - spektrum amplitud A(ω ) - spektrum fází ϕ (ω ) Pro periodické signály stačí Fourierova řada. Pro obecné signály musíme použít Fourierův integrál: máme signál s (t ) tomu odpovídá spektrální hustota amplitud +∞

S (ω ) = ∫ s (t ) ⋅ e − jωt ⋅ dt −∞

platí s (t ) =

+∞

1 ⋅ S (ω ) ⋅ e jωt ⋅ dω 2π −∫∞


3

Rozměry a objem signálu: h

PS – výkon signálu PN – výkon šumu P H S = log a  S  PN

HS

  

FS – kmitočtový rozsah signálu TS – doba trvání signálu t

FS

TS

OBJEM SIGNÁLU: VS = H S F STS

f

Rozměry a objem kanálu: PNK – výkon šumu kanálu; H K = log a ( PS / PNK ) ; TS → TK – doba trvání přenosu signálu kanálem; FS → BK – frekvenční šířka kanálu: OBJEM KANÁLU: V K = H K B K TK Pro správnou činnost musí v nejjednodušším případě platit: H K ≥ H S ; B K ≥ B S ; TK ≥ TS ⇒ V K ≥ V S Nejsou-li uvedené podmínky splněny, musí se signál transformovat(modulace, kódování) tak (indexy „s T“), aby platilo: H S → H ST ≤ H K BS → BST ≤ BK TS → TST ≤ TK KAPACITA KANÁLU (maximální možná rychlost přenosu informace): C = V K / TK = H K B K

Rušení šumy (elektronických prvků, atmosférické jevy, z jiných soustav – nežádoucí signály, ...)


Opatření proti vlivu rušení a) Zvětšování výkonu signálu b) Zmenšování útlumu v přenosovém médiu (spojovacích cestách) c) Co nejmenší šumy přijímačů signálu (šumové číslo F) d) Používání modulace (kódů) odolných vůči šumu

4


5

Metalické – homogenní vedení – telegrafní rovnice Primární parametry: R, L, G, C

Δx.

Δx. Δx.

.Δx

Formálně platí

Potom pro smyčku s:

u (t , x + ∆ x )

Pro uzel u:

i ( t , x + ∆x )

Pro ustálený harmonický stav (fázory) snadno obdržíme rovnice


6

Odsud snadno obdržíme

Předpokládejme řešení ve tvaru, A, B – integrační konstanty

konstanta šíření – sekundární parametr

Nyní

Potom

Z0 – vlnová impedance – sekundární parametr

Integrační konstanty určíme z okrajových podmínek na počátku vedení; na počátku vedení je x = 0, U(0) = Up, I(0) = Ip, tedy


7

Odsud

Po úpravě do maticového tvaru

Z poměrů na konci vedení (x = l, U(l) = Uk, I(l) = Ik)

Další postup je stejný.

Definujeme

Pro napětí platí

Členu

odpovídá komplexor

=

= Člen

s rostoucím x klesá – tlumení postupné (dopředné) vlny napětí

Výraz určuje fázi dopředné vlny jako funkci času (t) a polohy (x).


8

Vyšetřeme, jakou rychlostí se pohybuje po vedení místo s konstantní fází: ϕ 2 − αx + ωt = konst ⇒ x = (− konst + ωt + ϕ 2 ) / α ⇒ v = dx / dt = ω / α Vztah v = dx / dt = ω / α = 2πf / (Im(γ ) je tzv. fázová rychlost vlny. Vlnová délka: λ = v / f = (ω / α ) / f = (2πf / α ) / f = 2π / α Zpětná (odražená) vlna (napětí): Popsána komplexorem =

A ⋅ e jϕ1 ⋅ e (β + jα )x ⋅ e jωt = A ⋅ e βx ⋅ e j (ϕ1+α +ωt )

Její úroveň je nejvyšší na konci vedení (x = l), směrem k počátku vedení se zmenšuje. Pro proud platí

Analogickými úvahami zjistíme, že přímá (dopředná) vlna proudu je definována členem

a zpětná (odražená) vlna proudu členem

Zřejmě platí, že poměr přímé vlny napětí ku přímé vlně proudu je a to je právě vlnová impedance vedení . Dále platí, že poměr odražen vlny napětí ku odražené vlně proudu je a to je právě vlnová impedance vedení se záporným znaménkem. . Nyní můžeme definovat činitele odrazu (v místě x) jako poměr odražené a přímé vlny. Pro napětí tedy platí: ρÛ = Uˆ OD Uˆ PR , kde index „OD“ identifikuje fázor odražené vlny a index „PR“ identifikuje fázor přímé vlny. Pro proud platí ρˆ = Iˆ Iˆ , kde opět index „OD“ I

OD

PR

identifikuje fázor odražené vlny a index „PR“ identifikuje fázor přímé vlny. Uˆ Uˆ My ovšem víme, že platí identita Zˆ 0 = PR = − OD . Je tedy zřejmé, že platí IˆPR IÔD Uˆ Uˆ PR = − OD Iˆ Iˆ PR

OD

⇒

Uˆ OD Iˆ = − OD Uˆ Iˆ PR

PR

⇒ ρˆ = ρÛ = − ρˆ I


9

Nyní jsme již schopni stanovit činitel odrazu na konci vedení (s vlnovou impedancí Zˆ 0 ) – na konci vedení je připojena impedance Zˆ . Z podstaty uváděných vztahů je zřejmé, že napětí 2

(proud) na konci vedení je dáno součtem přímé a odražené složky napětí (proudu). Pro zatěžovací impedanci tedy platí: Uˆ + Uˆ OD 2 Uˆ PR 2 1 + Uˆ OD 2 / Uˆ PR 2 Uˆ 1 + ρˆ 2 Zˆ 2 = 2 = PR 2 = ⋅ = Zˆ 0 ⋅ 1 − ρˆ 2 Iˆ2 IˆPR 2 + IÔD 2 IˆPR 2 1 + IÔD 2 / IˆPR 2 Z tohoto vztahu již můžeme elementárními úpravami zjistit činitel odrazu na konci vedení 1 + ρˆ 2 Zˆ 2 = Zˆ 0 ⋅ 1 − ρˆ 2 ⇒

(

⇒ Zˆ 2 ⋅ (1 − ρˆ 2 ) = Zˆ 0 ⋅ (1 + ρˆ 2 ) ⇒ Zˆ 2 − Zˆ 0 = ρˆ 2 ⋅ Zˆ 2 + Zˆ 0 ρˆ 2 =

)

Zˆ 2 − Zˆ 0 Zˆ 2 + Zˆ 0

Nyní je možné definovat i napěťový poměr stojatých vln (psv; které vzniknou na vedení při harmonickém buzení). Je to poměr maximálního napětí na vedení ku minimálnímu napětí na vedení. Maximum je dáno součtem modulu přímé vlny ( U PR ) a odražené vlny ( U OD ). Minimum je dáno jejich rozdílem, platí tedy psv =

U PR + U OD 1 + U OD / U PR 1 + ρ 2 = = U PR − U OD 1 − U OD / U PR 1 − ρ 2

kde ρ 2 je modul činitele odrazu. Nebo naopak můžeme vyjádřit modul činitele odrazu pomocí psv: ρ2 =

psv − 1 psv + 1

Vedení na konci naprázdno ∞ − Zˆ 0 Zˆ 2 → ∞ ⇒ ρˆ 2 = → 1; ρˆ U 2 = ρˆ 2 = 1; ∞ + Zˆ

ρˆ I 2 = − ρˆ 2 = −1

0

Pozn. Lze určit i ze zákona zachování energie. Je zřejmé, že obecně při rozpojeném vedení platí: Uˆ 2 ≠ 0; Iˆ2 = 0 ⇒ IˆPR 2 + IÔD 2 = 0 ⇒ IˆPR 2 = − IÔD 2 ⇒ IÔD 2 / IˆPR 2 = −1 = ρˆ I 2

Vedení na konci nakrátko 0 − Zˆ 0 Zˆ 2 → 0 ⇒ ρˆ 2 = → −1; ρÛ 2 = ρˆ 2 = −1; 0 + Zˆ 0

ρˆ I 2 = − ρˆ 2 = 1


10

Pozn. Lze určit i ze zákona zachování energie. Je zřejmé, že obecně při rozpojeném vedení platí: Uˆ 2 = 0; Iˆ2 ≠ 0 ⇒ Uˆ PR 2 + Uˆ OD 2 = 0 ⇒ Uˆ PR 2 = −Uˆ OD 2 ⇒ Uˆ OD 2 / Uˆ PR 2 = −1 = ρˆ U 2 Vedení zatížené impedancí Zˆ 0 : Zˆ 2 → Zˆ 0

⇒ ρˆ 2 =

Zˆ 0 − Zˆ 0 → 0; ρÛ 2 = ρˆ 2 = 0; Zˆ 0 + Zˆ 0

ρˆ I 2 = − ρˆ 2 = 0

Nebo také psv =

1+ ρ2 1+ 0 =1 = 1 − ρ2 1 − 0

Jedná se o ideální bezodrazový stav, impedanční přizpůsobení, na vedení je pouze přímá vlna, stojatá vlna tak nevzniká.

Vstupní impedance úseku vedení – v místě y Pro tyto účely musíme najít popis pomocí okrajových podmínek na konci vedení. Viz (x = l, U(l) = Uk, I(l) = Ik)

Po dosazení do stejných rovnic a úpravách získáme vztahy (pro fázory harmonických průběhů): Uˆ ( y ) = Uˆ k ⋅ cosh γˆy + Zˆ 0 ⋅ Iˆk ⋅ sinh γˆy Uˆ Iˆ( y ) = k ⋅ sinh γˆy + Iˆk ⋅ cosh γˆy Zˆ 0 IˆP

IˆK

Uˆ P

Uˆ K

VZD. OD POČ.

x

DÉLKA VEDENÍ

VZD. OD KONCE.

l

y=l-x

Zˆ K


11

Platí, že Uˆ ( y ) Uˆ k ⋅ cosh γˆy + Zˆ 0 ⋅ Iˆk ⋅ sinh γˆy = = Uˆ k / Iˆk = Zˆ 2 = Zˆ y = Iˆ( y ) Uˆ k ⋅ sinh γˆy + Iˆk ⋅ cosh γˆy ˆ Z 0

Iˆ ⋅ sinh γˆy 1 + Zˆ 0 ⋅ k 1+ Uˆ k ⋅ cosh γˆy Uˆ k ⋅ cosh γˆy ˆ = ⋅ = Z 2⋅ Iˆk ⋅ cosh γˆy Uˆ k ⋅ sinh γˆy 1+ Zˆ 0 ⋅ Iˆk ⋅ cosh γˆy 1+ Iˆk ⋅ cosh γˆy

Zˆ 0 ⋅ tanh γˆy Zˆ 2 Zˆ 2 ⋅ tanh γˆy Zˆ 0

R → 0; G → 0 R 〈〈 ω ⋅ L; G 〈〈 ω ⋅ C

Bezeztrátové vedení: ideálně reálně

γ = (0 + jωL) ⋅ (0 + jωC) = jω LC = 0 + jα β = 0; α = ω LC = 2π / λ e ± βx = 1; v = ω / α = 1 / LC = 1 / εµ Není tlumení; fázová rychlost je rovna rychlosti šíření vlny v daném prostředí (permitivita, permeabilita). Zˆ 0 =

0 + jωL

= L/C 0 + jωC Proud a napětí jsou ve fázi, jedná se o reálné číslo.

1+ Zˆ y = Zˆ 2 ⋅

Zˆ 0 ⋅ tanh jαy Zˆ 2

Zˆ 1 + 2 ⋅ tanh jαy Zˆ

1+ j ⋅ = tanh jα = j tan α = Zˆ 2⋅

0

Zˆ 0 y  ⋅ tan 2π  ˆ Z2  λ Zˆ y = Zˆ 2 ⋅ Zˆ y  1 + j ⋅ 2 ⋅ tan 2π  Zˆ 0  λ 1+ j ⋅

Zˆ 0 ⋅ tan αy Zˆ 2

Zˆ 1 + j ⋅ 2 ⋅ tan αy Zˆ 0


12

To umožňuje vyrobit impedanci úsekem vedení o délce y = l – je to funkcí vlnové délky λ . vedení na konci naprázdno:  Zˆ y   1 + j ⋅ 0 ⋅ tan 2π    Zˆ 2  λ  Zˆ y Zˆ 2 → ∞ = ˆlim  Zˆ 2⋅ = Z 2 →∞ Zˆ 2 y   1+ j ⋅ ⋅ tan 2π    ˆ Z  λ  0    Zˆ  1 + j ⋅ 0 ⋅ tan 2π y    Zˆ 2  λ  1 = = ˆlim   Z 2 →∞  1 + j ⋅ 1 ⋅ tan 2π y   j ⋅ 1 ⋅ tan 2π y   Zˆ 2 Zˆ 0 Zˆ 0  λ  λ   

(

)

y  = − j ⋅Zˆ 0 ⋅cotan 2π   λ

vedení na konci nakrátko:

 Zˆ y    1 + j ⋅ 0 ⋅ tan  2π   λ   ˆ Zˆ 2  Zˆ y Zˆ 2 → 0 = lim Z ⋅  2 = ˆ Zˆ 2 → 0 Z y   2  1+ j ⋅ ⋅ tan  2π    ˆ λ   Z0      Zˆ + j ⋅Zˆ ⋅ tan  2π y   0  2 y λ   = lim = j ⋅Zˆ 0 ⋅ tan  2π    ˆ ˆ Z 2 →0 λ   1 + j ⋅ Z 2 ⋅ tan  2π y    λ   Zˆ 0  

(

)

Přenosové cesty- vysílač, přijímač Metalické vedení (koaxiální kabel, vlnovod) je součástí radiotechnické cesty prakticky vždy. Z vysokofrekvenčního zesilovače se jím přivádí signál na vysílací anténu. Nebo se jím přivádí signál z přijímací antény do vstupních dílů přijímače.


13

Skupinové schéma vysílače

Přijímač bez zesílení: Nepotřebuje napájecí zdroj. Špatná selektivita. Přijímač -krystalka

Přijímač s přímým zesílením

Na místě detektoru a NF zesilovače lze použít tranzistor, který plní obě tyto funkce současně. Ve VF části se pro dosažení většího zesílení zavedla kladná zpětná vazba, někdy se přijímač i rozkmitá. Z toho plyne malá stabilita a malá selektivita


14

Superhet – přijímač se směšovačem (nepřímé zesílení)

Princip superhetu spočívá v tom, že jakýkoliv přijímaný vysokofrekvenční signál je nejdřív převeden na jeden stálý kmitočet fm – mezifrekvenční kmitočet - který se kvalitně zesílí (to umožňuje skutečnost, že se zesiluje jen úzké kmitočtové pásmo) a teprve potom se dále zpracovává. Žádaný vysokofrekvenční signál se vybírá ze spektra vysokofrekvenčních napětí dodávaných anténou pomocí laděného obvodu na vstupu přijímače. Někdy se na tomto místě používá laděný vysokofrekvenční zesilovač. Z laděného obvodu se vybraný signál o kmitočtu fv přivádí na vstup směšovače. Na jednom ze vstupů směšovače máme harmonický signál fv odpovídající přijímanému signálu. Na druhém ze vstupů směšovače je rovněž signál sinusového průběhu fo, dodávaný oscilátorem přijímače. Směšovač musí kromě vlastně nežádoucího přenosu obou vstupních signálů zajišťovat především vznik směšovacích produktů. Z řady nově vznikajících kmitočtů se pro další zpracování vybere laděným obvodem na výstupu směšovače rozdílový kmitočet fm = fo - fv. Přelaďování laděného obvodu a oscilátoru probíhá souběžně tak, aby rozdíl fm = fo - fv byl stálý. Z toho plyne, že kmitočet oscilátoru fo je vždy o kmitočet fm vyšší než kmitočet vstupního signálu fv. Při ladění se kmitočet oscilátoru mění stejně jako naladění vstupního laděné-ho obvodu. Všem těmto signálům odpovídá na výstupu směšovače signál pevného kmitočtu - kmitočtu mf zesilovače. U rozhlasových přijímačů totiž (téměř vždy) oscilátor pracuje o mf kmitočet výše, než je rezonanční kmitočet vstupního obvodu. Vzniklý mf signál se shodným průběhem modulační obálky jako má vyladěný signál vstupní, je selektivně zesilován v obvodech mf zesilovače, v němž je soustředěna základní selektivita přijímače. Pro příjem AM signálů bývá fm v rozmezí 450 až 480 kHz, pro FM signály 10,7 MHz. Potřebné zesílení před demodulací se uskutečňuje v mezifrekvenčním zesilovači. Je to


15

zesilovač pevně naladěný na mezifrekvenční kmitočet. Vlastnosti mezifrekvenčního zesilovače mají výrazný vliv na vlastnosti celého přijímače. Nizkofrekvenční signál, který vzniká za detekcí, se ještě zesiluje v NF zesilovači a v reproduktoru přeměňuje na akustický signál. Popisované blokové schéma je stejné pro přijímače signálů AM i FM. Současné přijímače umožňují příjem obou druhů modulací. Jejich konstrukce je taková, že část obvodů je společná pro oba druhy modulace a část obvodů je samostatná. Pro usnadnění obsluhy a zlepšení jakosti příjmu se u superhetů používají pomocné regulační obvody AVC (automatické vyrovnávání citlivosti). Je to obvod, který využívá výstupního napětí z detektoru k řízení zesílení MF zesilovače. Při slabých vstupních signálech je zesílení maximální, při silných se zmenšuje. Výsledkem je konstantní hlasitost přijímače i při kolísavém vstupním signálu. Dalším pomocným regulačním obvodem je AFC (automatické řízení kmitočtu). Na rozsahu FM využívá výstupního napětí z detektoru k dolaďování oscilátoru, aby i při nepřesném naladění přijímaného vysílače byl MF kmitočet správný. Používají se k tomu kapacitní diody zapojené v rezonančním obvodu oscilátoru.

Přenosové cesty- anténa Antény slouží k vyzáření výkonu vysílače na dané frekvenci (vysílací antény) nebo k příjmu signálů pro přijímač (přijímačové antény) z daného prostředí - konkrétně do nebo ze vzduchu, který se z elektrického hlediska chová jako dielektrikum. Antény představují ve své podstatě reciproké zařízení, neboť každá vysílací anténa může zároveň fungovat jako přijímací a naopak (u přijímačových antén použitých pro vysílání by mohl nastat pouze problém s rozptýlením ztrátového výkonu, protože nemají tak robustní konstrukci jako antény vysílací).

Aby se vysokofrekvenční výkon dostal z vysílače do dielektrika, které přenosové prostředí (vzduch nebo vakuum) představuje, je zapotřebí použít anténu, jež je na vyzařované frekvenci vyladěna přesně do rezonance. Protože anténa vlastně představuje úsek vedení, který je na jednom svém konci napájen z vysílače a na druhém konci zakončen vyzařovacím odporem,


16

jenž je tvořen charakteristickou impedancí přenosového prostředí Z0, musí být tento úsek vedení na obou koncích impedančně přizpůsoben. Proto existuje řada obvodů, kterými mohou být antény na napáječ (i na okolní prostředí) navázány. Podmínka impedančního přizpůsobení u přijímačových antén není potom, a to zvláště v nižších frekvenčních pásmech, tak ožehavá, protože výkon přijímaného signálu je oproti výkonu vysílačů nepatrný. Jestliže si uvědomíme, jak se vysokofrekvenční vedení chová, je-li na svém konci rozpojeno nebo zkratováno, můžeme usoudit, jak by měla anténa vypadat. Většinou se používá zářičů o délce, jež je násobkem l/2 (na obr. 9.3.1-1 je zakreslen půl- a celovlnný zářič pro vodorovnou polarizaci včetně napěťového a proudového obložení). Mechanická délka zářiče je přitom vždy menší než elektrická (stejná by byla pouze v případě, že by byl zářič ideálně tenký). To je způsobeno faktem, že délka zářiče určuje indukčnost rezonančního obvodu, průměr zářiče potom kapacitu vůči okolí (tedy i vůči sousedním prvkům složitějších anténních systémů). Chceme-li tedy udržet stanovenou rezonanční frekvenci i při nárůstu průměru zářiče, musíme jej zkrátit. Zatím co půlvlnný zářič (dipól) má v bodech připojení relativně malou impedanci (typicky asi 73 Ω, v praxi uvažujeme 75 Ω), celovlnný zářič (dipól) má v bodech připojení impedanci daleko větší (řádově jednotek k Ω). Celou situaci můžeme snadno posoudit právě z obr. 9.3.11: v bodech připojení napáječe je u půlvlnného dipólu kmitna proudu, přičemž napěťový průběh prochází právě nulou (uzlem); body připojení napáječe celovlnného zářiče jsou v blízkosti kmitny napětí a uzlu proudu, takže impedance v místě připojení napáječe je velká. Uvedené zářiče mají směrovou charakteristiku ve tvaru lemniskaty, tj. oproti izotropnímu zářiči již mají určitý zisk.

Úprava směrové charakteristiky – „za zářič“ přidáme reflektor a „před zářič“ přidáme vlnovodnou řadu ve tvaru direktorů, které soustředí signál na zářič (dipól) - úzkopásmová anténa YAGI; čím více prvků bude anténa mít, tím bude mít větší zisk a užší směrový diagram; čím více prvků bude mít reflektor, tím lepší bude činitel zpětného příjmu


17

Antény pro dlouhé a střední vlny Protože se zemský povrch na frekvencích pod asi 1 až 2 MHz chová jako vodič, musí být polarizace vysílané elektromagnetické vlny svislá. Anténa vysílače je potom tvořena svislou konstrukcí (většinou příhradovou) o dostatečné odolnosti proti silovému působení větru (obr. 9.3.4.1.1-1). V tomto případě si musíme uvědomit, že délka antény by měla být podle vyzařované frekvence 500 m i více. Takto vysoká anténa však klade extrémní nároky na základový blok antény, který je ve většině případů tvořen izolantem (jakostní vysokofrekvenční keramika), na pevnost vlastní konstrukce a na pevnost kotvicích prvků (na obr. 9.3.4.1.1-1, 2 a 3 nejsou pro přehlednost zakresleny), které nesmí na vyzařované frekvenci ani na jejích násobcích rezonovat. Proto se v těchto případech většinou používá zkrácených antén. Zkrácení se může dosáhnout buď kapacitním nástavcem (kloboukem - obr. 9.3.4.1.1-2) nebo zařazením prodlužovací indukčnosti do vlastního tělesa antény (mechanicky náročnější - obr. 9.3.4.1.1-3).

Při výpočtu vlastností tohoto typu antén se aplikuje princip zrcadlení: Princip zrcadlení umožňuje snadno postihnout vliv dobře vodivých rovinných ploch v blízkosti antény na její záření. Záření antény totiž indukuje na ploše proudy, které k záření antény také přispívají. Podle principu zrcadlení je příspěvek indukovaných proudů shodný se zářením zrcadlových obrazů elementů skutečné antény. Vertikální element se zrcadlí s proudem shodným co do amplitudy i fáze. Horizontální element má v zrcadlovém obrazu


18

proud s opačnou fází. Vůči napaječi a okolí se proto zase uvažuje dipól – na obrázku patní izolátor antény.

Pro ukázku jsou zobrazeny i některé varianty dipólů:

Parametry antén Zisk antény G je číslo udávané v dB, které porovnává vyzářený (nebo přijímaný) signál (výkon) se signálem, který by vyzářil nebo přijal všesměrový (izotropní) zářič. Zisk antény úzce souvisí s její směrovostí (jde o poměr výkonů, proto 10.log). Směrovost antény - izotropní zářič vyzařuje rovnoměrně do všech směrů (a ze všech směrů rovnoměrně přijímá). Má tedy kulovou vyzařovací charakteristiku. Chceme-li zvětšit zisk antény, zvětšíme její směrovost, tj. upravíme kulovou charakteristiku do tvaru požadované vyzařovací charakteristiky Charakteristická impedance antény - udává její impedanci v místě připojení anténního napáječe. Zatímco ve vysílací technice bývá na vyšších frekvencích charakteristická impedance antén 50 Ω, na nižších frekvencích bývá vyšší – kolem 600 Ω. Přijímací antény pro vyšší frekvence mívají impedanci 300 Ω (v zahraničí je obvyklá i hodnota 240 Ω). Pro nižší frekvence nejsou většinou drátové přijímací antény laděné, takže pojem charakteristické impedance i impedančního přizpůsobení (viz dále) ztrácí smysl. Činitel stojatých vln - Poměr (činitel) stojatých vln PSV (někdy ČSV) vypovídá o impedančním přizpůsobení napáječe k anténě.


19

Přenosové cesty- prostor Vlnoplocha je plochou, na které má intenzita elektrického pole E i intenzita magnetického pole H konstantní fázi. Elektromagnetické pole, které vznikne v určitém místě prostoru, nezaplní tento prostor okamžitě, ale šíří se v něm konečnou rychlostí, která závisí na vlastnostech prostředí. Každý zdroj vlnění konečných rozměrů vytváří ve velké vzdálenosti od zdroje vlnu kulovou. Budeme-li však kulovou nebo válcovou vlnu pozorovat ve velké vzdálenosti od zdroje, bude zakřivení vlnoplochy velmi malé a můžeme ji považovat za vlnoplochu rovinné vlny. Zkoumání šíření rovinné vlny je tedy zjednodušením skutečné situace, které nám pomůže snadněji sledovat jevy a souvislosti při šíření vlny a závěry pak přiměřeně využít i při sledování šíření kulové a válcové vlny. Poměr nenulových složek intenzit pole Ex a Hy je roven charakteristické impedanci prostředí Zo

Vektory elektrické a magnetické intenzity jsou vzájemně kolmé a oba jsou kolmé i ke směru šíření vlny. Rovinná vlna, šířící se volným prostorem, pak nemá žádnou složku intenzity pole rovnoběžnou se směrem šíření a je vlnou příčně (transversálně) elektromagnetickou – vlna TEM.


20

Mezi vyvýšenou vysílací anténou V a přijímací anténou P se může vlnění šířit pouze vzduchem podél spojnice VP , v obrázku označené "1". Šíření není ovlivněné zemí ani ionosférou. Pak hovoříme o šíření přímou vlnou, anebo krátce o vlně přímé. Mechanismus je typický při spojení na velmi vysokých frekvencích (několik GHz a více) a při výše položených anténách, mezi nimiž je přímá viditelnost. Současně s vlnou přímou často existuje i vlna odražená, v obrázku označená "2". Obě vlny existují současně, intenzita pole v P je součtem intenzit přímé a odražené vlny. Takovou situaci (model) budeme nazývat šířením prostorou vlnou. Mechanismus vyžaduje vyvýšené antény, přímou viditelnost a je typický pro kmitočtovou oblast asi od 30 MHz do několika GHz. Rozhraní mezi vodivým prostředím (povrch Země) a nevodivým (vzduch) je schopné vést elektromagnetické vlny podobně jako třeba vodivý drát. Tento mechanismus ("3") budeme nazývat povrchovou vlnou (přízemní vlnou). Povrchová vlna sleduje zemský povrch. Vybudí se, když vertikální antény jsou bezprostředně při zemi a je typická pro spojení na nízkých kmitočtech do několika MHz. Mechanismus ionosférické vlny ("4") využívá působení ionosférických vrstev na dráhy vln. Ty se v ionosféře zakřivují a za vhodných podmínek se obrací zpět k Zemi. Tak lze zabezpečit rádiové spojení na vzdálenost až 4000 km jediným "odrazem" od ionosféry. Několika odrazy střídavě od země a od ionosféry lze pak dosáhnout prakticky kteréhokoli místa na Zemi. Pro ionosférickou vlnu je typická kmitočtová oblast do 30 MHz.


21

Mechanismus šíření troposférickým rozptylem ("5") využívá existence nehomogenit v troposféře. Vlivem turbulentního proudění vzduchu vznikají místa s nepatrně odlišnými fyzikálními parametry a tedy i s odlišnou permitivitou. Jsou to nepravidelné útvary s rozměry řádově jednotek až desítek metrů. Okem nejsou viditelné, ale pro rádiové vlny se chovají jako dielektrická tělesa. Dopadající vlnění rozptylují a rozptýlené vlnění lze pak přijímat až poměrně daleko za horizontem. Je ovšem velmi slabé. Popsaný mechanismus je typický pro kmitočtovou oblast stovek MHz a jednotek GHz a lze jím překlenout vzdálenosti řádu stovek kilometrů. V poslední době se tento mechanismus využívá málo. Nahrazuje jej spojení pomocí družic.

Text k prostudování [1] Žalud, V.: Moderní radioelektronika, BEN - technická literatura Praha 2000, ISBN 80-86056-47-3; čl. 1.1 až 1.3, čl. 2.1.2, čl. 4.5

Další studijní texty Punčochář, J.: Operační zesilovače v elektronice. BEN – technická literatura, Praha 2002 (5. vydání), str. 103 až 116 (Šumy OZ) Přenosové cesty a jejich charakteristiky [online]. [cit. 2009-11-12]. Dostupné z WWW: http://sdelovacka.kbx.cz/data/statnice/BEST/26.pdf>. Nobilis, J.: TEORIE ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ IX (vysílače, přijímače, antény) díl B, Střední průmyslová škola elektrotechnická a Vyšší odborná škola Pardubice, Pardubice 2007


22

Otázky Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek. 1. Co je to informace? 2. Co je to signál? 3. Rozměry signálu. 4. Rozměry kanálu. 5. Vztah mezi rozměry signálu a kanálu. 6. Nakreslete náhradní schéma elementu homogenního vedení a sestavte elementární rovnice? 7. Popište význam elementárních parametrů vedení. 8. Definujte sekundární parametry vedení? 9. Uveďte vztah pro rychlost šíření vlny na vedení, znáte-li sekundární parametry. 10. Určete činitele odrazu vlny na konci vedení při zakončení naprázdno. 11. Určete činitele odrazu vlny na konci vedení při zakončení nakrátko. 12. Jaký je psv na vedení zakončeném zátěží, která je rovna vlnové impedanci? 13. Jaký je psv pro vedení při zakončení nakrátko? 14. Jaký je psv pro vedení při zakončení naprázdno? 15. Popište fyzikální podstatu funkce vysílací antény. 16. Popište fyzikální podstatu funkce přijímací antény. 17. Jaká je ideální impedance antény, do které přivádím signál po vedení s vlnovou impedancí 300Ω? 18. Jaká je ideální vlnová impedance svodu od přijímací antény (s impedancí 75 Ω) do přijímače? 19. Popište možné typy šíření vlny mezi vysílací a přijímací anténou. 20. Lze vytvořit impedanci pomocí úseku vedení na konci nakrátko? 21. Lze vytvořit impedanci pomocí úseku vedení na konci naprázdno? 22. Základní komponenty radiotechnické cesty.

'

Odpovědi naleznete v uvedené literatuře.

Úlohy k řešení Klíč k řešení Autokontrola Pokud vyřešíte správně více než 2/3 problémů a otázek, můžete přejít ke studiu dalšího tématu.

1. kapitola: Úvod do problematiky, přenosové cesty (rozšířená osnova)

Recommend Documents