Otázka č. 18 Základní druhy antén

Otázka č. 18: Základní druhy antén

Otázka č. 18 Základní druhy antén Anténu lze definovat jako zařízení pro vyzařování nebo příjem radiových vln. 1 Jedná se tedy o přechodovou strukturu, o hraniční prvek radiokomunikačního řetězce, zajišťující přechod vlny vedené ve vlnovodu, mikropásku nebo přenosovým vedením na vlny šířené ve volném prostoru. Prakticky lze anténu chápat jako skupinu elementárních zdrojů uspořádaných tak, aby splňovaly určité podmínky, především aby vytvářely požadovaný tvar směrové charakteristiky pro vlnu jisté frekvence. Princip přenosu je na animaci.2 Anténa mění charakter šíření z šíření v uměle vytvořeném řetězci (napáječ) na šíření v obecném prostoru. Podle směru této změny se antény dělí na vysílací a přijímací. Vysílací anténa pracuje jako určitý transformátor měnící vlnění podél vedení na vlnění ve volném prostoru, zatímco funkce přijímací antény je opačná. Obr. ukazuje, jak vlny zadržované v přenosovém jednorozměrném vedení postupují k anténě která je přemění do podoby vyzářených vln do trojrozměrného prostoru.

Obr. Anténa jako přechodová oblast mezi vedenými a šířenými vlnami

Mechanismus vyzařování elektromagnetické vlny Vytvoří-li harmonický proměnný zdroj napětí mezi dvěmi symetrickými deskami, vzniká mezi těmito deskami elektrické pole, ale i procházející proud, který způsobí dále vznik magnetického pole. Kdybychom nahradili desky tyčemi a oddalovali od zdroje vzdálenější konce od sebe, dostali bychom vlastně dipólovou anténu. Intenzita elektrického pole E v anténě působí na volné náboje v této anténě a uvádí je do pohybu silou F = e.E. V anténě vzniká vnucený proud, samozřejmě harmonického průběhu. Tento proud je příčinou vzniku harmonického magnetického pole v blízkosti antény. Harmonicky měněné magnetické pole indukuje podle Maxwellových rovnic pole 1

Podle IEEE Standard Definitions of Transfor Antennas v IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. AP-17, No.3, May 1969 + Vol. AP-22,No.1, January 1974 2

Radio Waves, University of Colorado, Department of Physics, An exploration of how electro-magnetic waves are created, how they move through space, and their effects, In: http://phet.colorado.edu/sims/radio-waves/radio-waves.jnlp

1


elektrické, to opět pole magnetické a tak to pokračuje v prostoru dál. V jisté vzdálenosti od antény se již šíří elektromagnetická vlna, kterou původní zdroj (vysílač) dále neovlivňuje. Je to podobné jako u vln na vodě po dopadu tělesa do vody. Elektrické náboje a jejich silové působení jsou nutné pro vybuzení pole, ale ne pro udržení vln v prostoru. Blízká oblast pole (reactive near-field region) je oblast v bezprostřední blízkosti antény. Elektromagnetické pole v této oblasti nemá ještě charakter elektromagnetické vlny. Fázová rychlost, tj. rychlost pohybu siločar od zdroje je větší než rychlost přenosu energie. Vzdalujeme-li se od antény fázová rychlost klesá, až po hodnotu skupinové rychlosti, kterou dosahuje ve volném prostoru. Tato rychlost je pak skutečnou rychlostí přenosu energie. Blízká oblast pole se nachází v prostoru mezi anténou a kouli o poloměru R1 = 0,62

D3 l

kde λ je vlnová délka a D největší rozměr antény. Výkon v této oblasti je vyzářen z antény a celý navracen do antény, jde tedy jen o výměnu jalového výkonu. Poyntingův vektor zde má nulovou hodnotu. Blízká zářivá oblast pole (radiating near-field region) (Fresnelova oblast) je oblast zahrnující všechny body v nichž se projeví mezi nejkratší a nejdelší dráhou od antény chyba fáze menší než p/8 (tj. λ/16). Je to v podstatě oblast jejíž dolní hranici tvoří povrch koule ohraničující blízkou oblast pole, horní hranici pak koule o poloměru

R2 =

2D 2 l

kde D je opět největší rozměr struktury antény, přičemž D > λ. Odvození vztahu si můžeme demonstrovat na dipólové anténě podle. Víme, že maximální chyba fázi smí být p/8, uvědomíme-li si, že λ = 2p, potom odpovídá p/8 hodnotě λ/16. V pravoúhlém trojúhelníku je æ Dö a = R +ç ÷ è2ø 2

2

2

Srovnáním nejkratší vzdálenosti sledovaného bodu od antény R a největší vzdálenosti a musí být a= R+

l 16

Z obou posledních vztahů vyplývá 2

D2 æ lö = ç R + ÷ => R + 4 è 16 ø (*) 2

D2 l ælö = R 2 + 2R + ç ÷ R + 4 16 è 16 ø 2

2

2

=>

l D 2 l2 R = 8 4 250


R=

2D 2 8l2 2D 2 l = l 250l l 32

Pro D ≥ λ můžeme zanedbat druhý člen na pravé straně rovnice

R=

8D 2 2 D 2 = 4l l

Vzdálená oblast (far field) také vzdálená zóna antény nebo Fraunhoferova oblast začíná na hranici R2 a pokračuje v podstatě do nekonečna. V této oblasti můžeme radiální složky intenzit zanedbat a vlna má charakter TEM vlny. Přesné měření antén provádíme právě v této oblasti. Jako příklad můžeme vypočíst poloměry blízké reaktanční oblasti, blízké zářivé oblasti a tím i vzdálené oblasti pro: a) liniovou půlvlnnou anténu délek 100m a 1m b) trychtýřovou anténu s aperturou 90 x 60 mm, která pracuje na frekvenci 10 GHz c) reflektrorovou anténu s průměry reflektoru 1m pro frekvenci10GHz a 300 mm pro frekvenci 30 GHz Ve všech třech případech musíme určit rozměr D:

a1) D = 100m, λ = 2D = 200m

a2) D = 1m, λ = 2D = 2m

V těchto případech ovšem není splněna podmínka D > λ a nelze tedy zanedbat druhý člen rovnice (*) a musíme ji řešit celou. Pro tento případ je v tabulce výsledků uveden i poslední sloupec. b) Největší rozměr apertury je po uhlopříčce, a vypočteme jej z Pythagorovy věty D = 0,09 2 + 0,06 2 = 0,108166 m

c) Největší rozměr je dán přímo průměrem reflektorů. Úloha

λ [m]

D [m]

R1 [m]

R2 [m]

R2 [m]

a1

200

100

43,84

100

93,75

a2

2

1

0,438

1

0,9375

b

0,03

0,1082

0,1274

0,78

c1

0,03

1

3,58

66,6

c2

0,01

0,3

1,02

18

Rozdělení antén Podle uspořádání elementárních zdrojů se dělí antény do tří základních skupin: a) Lineární antény se používají pro nižší frekvence, ale i pro frekvence řádově do GHz. Elementárními zdroji jsou zde tenké krátké vodiče (elementární dipóly) rozložené do různých konfigurací v podobě drátů, trubek nebo pásků.

3


b) Plošné antény se používají především pro centimetrové vlny. Elementárními zdroji jsou Huyghensovy zdroje – elementární plošky. Antény vyzařují z plochého ústí tzv. apertury. Patří sem antény trychtýřové, štěrbinové, reflektorové a antény čočky. c) Magnetické antény by se daly zařadit do některého z předcházejících bodů, ale pro zjednodušenou analýzu se u nich zavádí jako elementární zdroje zavádějí elementy protékané fiktivním magnetickým proudem. Patří sem rámové antény a feritové antény. Podrobněji lze dále antény dělit podle tvaru či jiných znaků jejich podobnosti: 1. Drátové antény (wire antennas) jsou založeny na vyzařování vodičů nebo soustav vodičů. Charakteristickým rysem je převládající délka nad průměrem vodiče. Tvary antén nebo jejich částí: -

přímý vodič

-

smyčka (kruhová, pravoúhlá aj.)

-

šroubovice

2. Plošné antény (aperture antennas) vyzařuje výstupní plochou (aperturou), která může mít tvar vlnovodného ústí, trychtýře Obdélníkový nebo kruhový), štěrbiny apod.

Štěrbinová anténa je tvořená vodivou plochou a štěrbinami do ní vyříznutými. Štěrbina je buzena vedením (dvoudrátovým, koaxiálním nebo vlnovodem) připojeným napříč štěrbiny nebo dutinou umístěnou z jedné strany štěrbiny. Vyzařování u štěrbinové antény způsobují proudy tekoucí na vodivé ploše v okolí štěrbiny, diagram záření je podobný diagramu záření dipólu, který je orientován ve směru podél štěrbiny se zaměněným vektorem E a H elektromagnetického pole. Štěrbiny bývají pravoúhlé přímé nebo zalomené, skládané, kruhové, vyříznuté ve stěně válcové trubice, ve stěně vlnovodu i v okraji vodivé roviny. Štěrbinová anténa se někdy řadí do anténních řad, například štěrbiny ve stěně válcové trubice či ve stěně vlnovodu.

4


3. Reflektorové antény (reflector antennas) jsou tvořeny zářičem a reflektorem (soustavou reflektorů), který má za úkol nasměrovat vlny z primárního zářiče do volného prostoru podle určitých požadavků, nejčastěji vytvořit v prostoru šíření rovinnou vlnu. Za tím účelem musí mít reflektor speciální tvar, vycházející nejčastěji z paraboloidu. U paraboloidu je primární zářič umístěn v jeho ohnisku, takže odražené paprsky jsou rovnoběžné. Reflektorové antény jsou ve většině případů úzce směrové. Pro radioreléové spoje se používají parabolické antény většinou v průměrech 0,3m, 0,6m, 0,9m, 1,2m, 1,8m a větších v závislosti na požadované vzdálenosti přenosu, vysílacím výkonu, kapacitě přenosu, požadované kvalitě přenosu a případně dalších technických parametrech. Antény musí být směrové a dobře seřízeny, aby jejich maxima byla na spojnici obou antén, musí být tedy vybaveny zařízením pro přesné nastavení azimutu a elevace a pro fixaci tohoto nastavení.

reflektor

zářič

Krátce shrnutí: - typickým představitelem jsou parabolické antény, které mohou mít tvar rotačního paraboloidu nebo parabolického válce - parabolický rotační reflektor ozařovaný primárním zářičem ( např. trychtýřem, dipólem ap. ), který je umístěn v ohnisku, transformuje kulovou vlnu na rovinnou -

vlastnost ohniska F - dráha všech paprsků z ohniska do roviny apertury je stejná pro libovolný úhel. Fáze složek pole v rovině apertury je konstantní a vyzařování antény je úzkosměrové

-

dovolená odchylka parabolického tvaru (v blízkosti vrcholu reflektoru nesmí byt větší než λ / 16)

5


4. Anténní čočky (lens antennas) jsou tvarově konstruovány podobně jako čočky optické. Jejich geometrický tvar má povrch -

konvexní (dutý)

-

rovinný

-

konkávní (vypuklý)

Vlastnosti anténních čoček určuje kromě tvaru i použitý materiál, charakterizován relativním indexem lomu n. Ten může být větší než 1, ale i menší než 1. Zářič se, podobně jako u reflektorových antén umísťuje do ohniska čočky, na druhé straně má potom tvar rovinné vlny. Oproti reflektorovým anténám lze tyto čočka v pásmu vvf konstruovat menší.

n>1 n<1 5. Anténní řady (array antennas) využívá jako elementární zářiče typy antén z předcházejících bodů, které seskupuje do spojitých struktur v řadách (horizontálních, vertikálních), plochách, trojrozměrných prostorech nebo v jejich kombinacích. Nejrozšířenějším příkladem je Yagiho anténní řada (Yagi-Uda array). Aktivní zářič je u této antény tvořen složeným dipólem.

aktivní zářič

napáječ

6

direktory

Otázka č. 18 Základní druhy antén

Recommend Documents