SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI, INFORMAKIAI ÉS VILLAMOSMÉRNÖKI KAR
TÁVKÖZLÉSI TANSZÉK
Elméleti összefoglaló
Labor gyakorlat (NGB_TA009_1) 16. laboratóriumi gyakorlathoz
ANTENNA NYERESÉG ÉS IRÁNYKARAKTERISZTIKA
Prukner Péter Győr, 2016. január 30.
1 Antennanyereség 1.1 Definíciója: Az antennanyereség az antenna adott irányú sugárzás-koncentráló képességének mértéke. A sugárzás koncentrálását valamihez viszonyítani kell. Az összehasonlításhoz olyan antenná(ka)t (referenciát) használunk, amelyeknek a sugárzási jellemzői ismertek és tipikusak. A viszonyítási alapként használt antenná(ka)t vonatkoztatási antenná(k)nak, vagy referencia antenná(k)nak nevezzük. Az antennanyereség matematikailag megfogalmazva: G=
ahol:
S1 S0
(1)
S1 = a vizsgált antennától eredő, a felületegységen áthaladó teljesítmény (az Sn tehát teljesítménysűrűség) az antenna távolterében, a P pontban. S 0 = a viszonyítási alapként használt antenna teljesítménysűrűsége ugyanabban a P
pontban. Feltételek: Mindkét antenna ugyanabban a térben helyezkedik el és a kisugárzott teljesítményeik azonosak. Az antennanyereséget kisugárzott teljesítményre célszerű vonatkoztatnunk, mert így a nyereség az iránykarakterisztikával meghatározható érték lesz5. 1.2 Dimenziója: -viszonyszám, dimenzió nélkül (például: ha a vizsgált antenna kétszer nagyobb teljesítménysűrűséget hoz létre a maximális intenzitású sugárzás irányában, egy adott távolságban, mint a referencia antenna ugyanott, akkor a nyeresége kétszeres):
G
S1 2S0 2 S0 S0
-vagy logaritmikus viszonyszám (az előző példánál maradva a vizsgált antenna kétszeres teljesítménysűrűsége 3 dB-lel nagyobb, mint a referencia antenna teljesítménysűrűsége, vagyis a nyeresége 3 dB):
G 10 log
2S S1 10 log 0 10 log 2 3dB S0 S0
-teljesítmény viszonyként is kezelhető: azt a teljesítmény növekményt adja meg, amelyet a vizsgált antenna a vonatkoztatási antennához képest vesz egy adott teljesítménysűrűségű helyen: 5
Az iránykarakterisztika meghatározását a későbbiekben tárgyaljuk!
G
P1 P0
(2)
A (2) kifejezésben:
P1 = vizsgált antenna vett teljesítménye, P0 = viszonyítási alapként használt, optimálisan illesztett antenna vett teljesítménye,
ugyanabban a pontban6. Logaritmikus egységben kifejezve:
G 10 log
P1 dB P0
(3)
1.3 Vonatkoztatási antennák Az összehasonlításhoz (referenciaként) a gyakorlatban három antenna tipus használatos: Izotróp antenna: Olyan antenna, amelyik a teljesítményt a tér minden irányában egyenletesen sugározza. Ez azt jelenti, hogy szabályos gömb alakú térbeli sugárzási jelleggörbéje van. Ilyen antenna a valóságban nem készíthető, ez csupán egy elméleti antenna. A fiktív antenna által, tőle r távolságban a teljesítménysűrűség úgy számítható, hogy a kisugárzott teljesítményt (PS) elosztjuk az r sugarú gömb felületével:
S0
PS 4 r 2
(4)
Elemi dipólus (Hertz dipólus): Más néven rövid elektromos dipólus, vagy áramelem. Ennek az antennának már van bizonyos irányítottsága (a tengelye irányában nem sugároz, arra merőlegesen viszont maximális a sugárzás intenzitása), ezért nyeresége az izotróp sugárzóra vonatkoztatva nagyobb, mint 1: G=
3 = 1,5 2
vagy logaritmikus viszonyszámként: G 1,76dB
Félhullámú dipólus: A gyakorlatban az élesebb irányítás eléréséhez több, azonos antenna-elemből összetett rendszereket használunk. Az ilyen a rendszerek építőelemei leggyakrabban félhullámú 6
Mindkét antenna illesztetten lezárt, fő sugárzási irányukkal egymás felé vannak fordítva, polarizációban is illesztettek.
dipólusok. Kézenfekvő tehát, hogy egy dipólusokból épített antennarendszer sugárzáskoncentráló képességét magához az építőelemhez hasonlítsuk. A félhullámú dipólust a későbbiekben, az antennáknál részletesen tárgyaljuk. Itt
most
elegendő csak a nyereségének ismerete az izotróp sugárzóhoz viszonyítva, ez:
G 1,64 vagy logaritmikus viszonyszámként: G 2,15dB
2 Iránykarakterisztika 2.1 Irányhatás Néhány
szakirodalomban
irányhatásként
az
antennába
bevezetett
teljesítményekre
vonatkoztatott nyereséget értelmezik. Ekkor a referencia antenna jellemzőit is a bevezetett teljesítményekre vonatkoztatják. Az antenna a valóságban mindíg veszteséges szerkezet, ezért a hatásfokától is függ az így számított nyereség, amely kisebb lesz, mint a 2.1-ben definiált nyereség. A további tárgyalásainkban az antennanyereséget, illetve az egyéb antennajellemzőket is a kisugárzott teljesítményekre vonatkoztatjuk. 2.2 Iránykarakterisztika Az antennanyereséget a tér bármely ( , ) irányában értelmezhetjük. A G ( , ) függvény ez esetben az antenna által létrehozott sugárzás-intenzitás térbeli eloszlását adja meg, vagyis az antenna nyereségfüggvénye. 2.3 Teljesítmény iránykarakterisztika (más néven nyereségfüggvény) G ( , ) a tér különböző irányaiban az antennától azonos távolságokban mért teljesítmény
sűrűség viszonya a fő sugárzási irány teljesítménysűrűségéhez képest. Ezt a jellemzőt relatív, vagy normalizált térbeli iránykarakterisztikának is nevezzük. A viszonyítási alap a fő sugárzási irányban, ugyanakkora távolságban létrehozott teljesítménysűrűség, így a kapott jellemző a távolságtól független:
G( , )
S ( , ) S ( , ) max
(5)
2.4 Térerősség iránykarakterisztika Az antennától azonos távolságokban (tehát egy gömbfelület mentén) az antenna által létrehozott térerősség viszonylagos értékét adja a meg a térbeli sugárzási irány függvényében.
F ( , )
E ( , ) E ( , ) max
(6)
Mivel a térerősség a teljesítménysűrűség négyzetgyökével arányos, a térerősség-, illetve a teljesítmény-iránykarakterisztika közötti összefüggés az alábbi:
F ( , ) G( , )
(7)
2.5 Ábrázolás Az iránykarakterisztika térbeli függvény. Rendszerint elegendő a fő sugárzási irány és az E , illetve a H vektorok által kifeszített síkbeli metszetének ismerete. Ekkor E síkú, illetve Hsíkú iránykarakterisztika (metszet)ről beszélünk. Az iránykarakterisztika megjelenítésére általában poláris koordináta-rendszert használunk, de gyakran előfordul a derékszögű koordináta-rendszerben való ábrázolása is. Példaként hasonlítsuk össze a Hertz dipólus iránykarakterisztikáját poláris koordinátarendszerben (15. ábra), illetve derékszögű koordináta-rendszerben (16. ábra):
1 E()
cos
0 =00
=180
=900
0
16. ábra
2.6 Tipikus sugárzási formák Az alábbiakban tanulmányozható néhány tipikus sugárzási karakterisztika, amelyeket a gyakorlatban legtöbbször alkalmaznak. Ez egyben egy áttekintő csoportosítás is az antennákkal megvalósítható sugárzási feladatokról. Egyenes vezetőből készített, önmagában szabadon álló antenna a vezető irányára merőleges síkban körsugárzó, ezért elegendő a sugárzási karakterisztikáját az antenna-vezető síkjában ábrázolni.
A
hullámhosszhoz
képest
rövid
dipólus,
vagy Hertz
dipólus
térbeli
iránykarakterisztikája toroid, ennek metszetét mutatja az antenna síkjában a 17/a ábra. Az iránykarakterisztikája az 1.8-(112) összefüggés szerint sin alakú függvény.
Az ábrán (17/a ábra) feltüntetett poláris diagramban a különböző irányokhoz tartozó kimetszett hossz arányos a térerősséggel az antennától azonos r távolságban. A térerősségmaximális a dipólus középpontján átfektetett, a dipólus szárára merőleges, un. ekvatoriális” síkban. A 17/b ábra ugyancsak körsugárzó jelleggörbét mutat, de az ekvatoriális síkban elnyújtott sugárzással. Ilyen karakterisztika elérhető, ha azonos sugárzókból egy tengelyirányú sort hozunk létre, amely hullámhosszban elég hosszú, és az elemei azonos fázisban rezegnek. Magát a konstrukciót kolineáris antennának nevezik. A 17/c ábra a hullámhosszhoz képest kis lineáris méretű keretantenna sugárzási diagramját mutatja a keret síkjára merőleges síkban. A keret síkja a vastag vonal, mely merőleges a rajz síkjára. A 17/d ábra kardiod jelleggörbét mutat, mely az 1 irányban maximumot, a 2 irányban zérus sugárzást ad. A karakterisztika megvalósítható például a vízszintes síkban két függőleges antennával. A 17/e ábra ugyancsak egyirányú sugárzási karakterisztikát ábrázol, de a kardioidnál élesebb irányítással. Megvalósítható például egy sorban elhelyezett négy függőleges antennával. A 17/f ábrán egy olyan iránykarakterisztikát látunk, amilyet (illetve ehhez hasonlót) kisebb teljesítményű televízió átjátszó adóknál gyakran szükséges alkalmazni más adók zavarásának csökkentése, vagy teljesítmény kímélés céljából. A példán az ellátási területek az A, B és C szektorokban vannak, az ezektől eltérő irányokban csak minimális sugárzás engedhető meg.
a/ Tűnya láb
b/ Legye zőnyaláb
c/ Cosecans nyaláb
d/cosecans nya láb
18. ábra
A 18. ábrán éles irányítású antennákkal megvalósítható sugárzási formákat láthatunk. A 18/a ábra a tűnyalábot mutatja. Az antenna a teljesítményét egy kis nyílásszögű forgás-kúpon belülre koncentrálva sugározza ki. A legnagyobb energiakoncentráció tűnyalábbal érhető el. A feltüntetett kis mellékhurkok mutatják, hogy más irányokban is van némi sugárzás. Általában ezt a sugárzási formát használják a mikrohullámú, pont-pont közötti összeköttetéseknél. A 18/b ábra legyezőnyalábot mutat. Az ábrázolt nyaláb a vízszintes síkban keskeny, a függőleges síkban széthúzott, de használják fordítva is. Fontos alkalmazási területe a mikrohullámú felderítő lokátoroknál van. A 18/c ábra például a repülőgépek mikrohullámú térképező lokátoraihoz használt, ún. „cosecans” nyaláb a vízszintes síkban keskeny, és a függőleges síkban különlegesen van kialakítva. A 18/d ábra az előbbihez hasonló, de fordított sugárzási forma, amely olyan földi lokátorokhoz szükséges, amelyek a teret előírt magasságig és távolságig figyelik.
Forrás: Honfy József, Hullámterjedés és antennák I., 2003, Győr
