8. Antény pro pásma DV, SV, KV hlediska pro výběr - kmitočtové pásmo, šíření vln, směrové vlastnosti, výkony, cena 8.1 Vysílací antény pro pásma DV, SV - povrchová vlna - vertikální polarizace - rozhlas AM – všesměrové záření v horizontální rovině , omezení úniku (ionosféra) - vertikální vodič buzený nesymetricky - záření - ve vertikální rovině - l / λ - boční laloky - ionosférická vlna – protiúnikové antény (rozhlas)
D = (2 ÷ 4) dB
D ≅ 4,5 dB
D ≅ 5 dB
- impedance a účinnost Rvst - malý u krátkých antén - vrcholová zátěž Xvst - ztráty v ladění - zmenšit |X | - „tlusté“ antény, vrcholová zátěž Rz - ztráty v půdě - protiváha
Protiúnikový režim vyzařování
E
E povrch.
3Eionosf. l = 0,55 λ
100
200
l = 0,6 λ
r [km] 300
Provedení antén - antény rozhlasových vysílačů - jeden kmitočet, přesaditelné (ARPO)
jednoduché antény - levné, přijímací a) L – antény, T – antény
-
září vertikální část, horizontální jako zátěž vícevodičové - Xvst vrcholová zátěž - Xvst , Rvst protiváha - Rz
b) prutové, bičové antény - tenký vodič v patním izolátoru - mobilní antény , přijímací - patní izolátor, protiváha c) rámové a feritové antény - Ui ≈ H , směrový diagram - malá lef a účinnost - přijímací - vyladění cívky - rezonance - feritová anténa – koncentrace pole v cívce
Výpočet ztrát v půdě - Brownova metoda - nesymetrická vertikální anténa - v zemi převládá vodivý proud ( εr < 60.λoγ ) Na rozhraní - tečná složka H(r ) = K(r )
H (r ) =
I vst 1 . 1 + cos2 kl − 2. cos kl. cos[k (r ′ − r )] sin kl 2π .r
ve vzdálenosti r radiální proud
I(r ) = 2πr.H(r )
teče vrstvou s = δ (hloubka vniku) v prstenci o průřezu 2πr.s ve „vodiči“ délky dr se mění v teplo výkon
dPztr =
dr I 2 (r ) γ 2π .r.δ 1
.
r2
celkový výkon ztracený v půdě
2 Pztr = ∫ dPztr = R ztr .I vst ro
pak odpor ztrát v půdě
R ztr =
Pztr 2 I vst
2 2 1 + cos 2 kl − 2. cos kl. cos[k (r ′ − r )] 1 1 5,5 = . 2 ∫ .dr = . 2 ∫ Φ(r ).dr r λ.γ sin kl ro λ.γ sin kl ro
5,5
r
r
Zmenšení ztrát v půdě - zvodivění okolí paty antény - protiváha - vodivá síť, systém radiálních vodičů
Φ (r)
- v oblasti protiváhy ztráty ~ Φ(r).Ψ(r)
2 vodiče 4 vodiče
(I I ) Ψ (r ) = 1 + (I I ) 2
kde
p
v
2
p
v
a ztráty v půdě
ro
r1
r2
r1
r2
ro
r1
R zp ≈ ∫ Φ(r ).Ψ (r ).dr + ∫ Φ(r ).dr
vliv provedení protiváhy - optimalizace délky, počtu a průměru vodičů protiváhy využitelnost metody - převaha vodivého proudu - pásma DV, SV, (KV) - vyšší kmitočty - převládá posuvný proud - kapacitor se ztrátovým dielektrikem
8.2 Antény pro pásmo KV šíření vln – místní spoje - povrchová (prostorová) vlna - dálkové spoje - převážně ionosférická vlna – služby (rozhlas) - směrové spojení - maximum záření ve vertikální rovině (na ionosféru) - širokopásmové - změna pracovních kmitočtů - častější horizontální polarizace Dipólové antény a) horizontální symetrický dipól nad zemí - záření - rovina E - ve směru vodiče dipólu, vertikální polar. - užší diagram ≈ Fd .FR
- rovina H - horizontální polarizace, - Fd = konst., širší diagram - vliv výšky zavěšení dipólu khopt .sinΔ = π/2 - směrové charakteristiky „přes ionosféru“
- impedance - dipól obecně úzkopásmový (několik % fo ) - zvětšení šířky pásma - vícevodičové provedení – paralelní vodiče (a) - skládaný dipól (b) - dipól s kompenzačními obvody (při l = λ/4 - půlvlnný dipól
// PKO )
- l ~ λ/4 , Zvst ~ 100 Ω
- celovlnný dipól - l ~ λ/2 , Zvst ~ 1 kΩ , úzkopásmový b) soustavy dipólů - soufázové soustavy dipólů s reflektorem - pro stabilní použití – drahé, úzkopásmové (napájení) - modifikace – napájení zalomenými úseky vodičů antény c) další typy - V – anténa (úhlový dipól) - téměř všesměrový v horizontální rovině - vertikální symetrický dipól - maximum záření blízko horizontální rovině – dálkové spoje
širokopásmové KV antény a) kosočtverečná (rombická) anténa - anténa s postupnou vlnou - „vedení“ - záření - ve směru delší úhlopříčky, k zátěži - Dmax až 100 (20 dB) - šířka pásma asi 2 : 1 - impedance - Zvst ≈ 400 Ω, reálná a téměř stálá - menší účinnost ≈ 60% - levná stavba, velká plocha - provedení - velká délka vodičů ( 2 – 4 ) λ - změna vzdálenosti vodičů podél úseku - zátěž – ztrátové vedení, uzemněné - výška nad zemí - podle hopt ~ Δ
b) logaritmicko periodická anténa činnost – skupina zářících prvků („aktivní oblast“) - napájené společným vedením, nejkratšího p. - změna kmitočtu – jiná skupina prvků - maximum záření – ke kratším prvkům
l f l1 l2 d f = = ... = n −1 = 1 = ... = 2 = 3 = ... = τ l 2 l3 ln d2 f1 f2 - vlastnosti se opakují na kmitočtech s periodou ln(τ ) vlastnosti - velmi širokopásmová (> 10:1) - malý zisk ( D ≈ 10 dB) , téměř stálá Zvst - rozměrná, drahá stavba (od 6 MHz i otočná)
8.3 Přijímací antény - jednodušší verze vysílacích antén – levné, menší důraz na účinnost a přizpůsobení - důležitý poměr Es / Ep - jen u přijímacích - pro vlnu - povrchovou - vertikální nesymetrické (prut, L-anténa, T-anténa) - ionosférickou – horizontální dipól, L-anténa, kosočtverečná Rámová anténa
z Eθ
y y
ϕ
x
IM
x Hϕ
obvod rámu << λ pro I(z) = konst.
Představa činnosti rámové antény a) náhrada magnetickým dipólem - duální zářič,
E H
k2 e − jkr Eϑ = 60 .I . . cos ϕ .n.S . 2 r k2 F (ϕ ) = . cos ϕ .n.S 2 2 F (ϕ ) l ef = = − jknS . cos ϕ jk
ϕ
I M .dl = − jωμ o nS .I , záměna rovin E a H
Φ = μ o HS . cos ϕ
U i = − jω.n.Φ
lef = − jknS . cos ϕ
b) cívka reagující na magnetickou složku pole
lef ≅ a
E1 a
a E2
U i = aE1 − aE 2
lef = − jknS . cos ϕ c) dvojice dipólů reagující na elektrickou složku pole
Další varianty rámových antén
a)
b)
d)
c)
a), b) „otevřené“ rámy - při obecné polarizaci se uplatní i horizontální úseky c)
stíněný rám - symetrie rámu a zátěže
d)
zaměřovací anténa - rám a prut – směrová charakteristika (kardioida) s jedním ostrým minimem
feritová anténa - feritové jádro koncentuje mag. pole v cívce, protáhlý tvar - malá lef ~μef < μr , induktivní reaktance (vyladění) - max. Q asi v 1/3 od konce tyčky - přijímací (zatížitelnost feritu)
