REZONANCE A PROUDOVÉ OBLOŽENÍ ANTÉN

Laboratorní úloha z předmětu Šíření elektromagnetických vln: Rezonance a proudové obložení antén

REZONANCE A PROUDOVÉ OBLOŽENÍ ANTÉN Teoretický úvod měření proudového obložení: Lineární anténu tvoří systém jednoho nebo několika vodičů, který má dvě svorky. Na tom nic nemění skutečnost, že u nesymetrických antén je jednou svorkou země. Připojíme-li na svorky zdroj napětí (vysílač), protéká anténními vodiči proud. Ten však není ve všech místech stejný. Podél vodičů je rozložen podle jisté funkce I(z), tzv. funkce proudové distribuce. Funkci proudové distribuce určují okrajové podmínky na povrchu vodičů antény. Kdyby byl např. anténní vodič dokonale vodivý, pak na jeho povrchu musí být nulová tečná složka vektoru E. proud se rozloží tak, aby pole, které při svém rozložení vytvoří, splnilo uvedenou podmínku. Vyšetřování funkce proudové distribuce z této obecné podmínky je však velmi obtížné. Mnohé lineární antény svým tvarem připomínají vedení. Jak teorie, tak i praxe ukazují, že i rozložení proudu na anténě je přibližně stejné, jako rozložení proudu na tvarově a rozměrově odpovídajícím vedení. Např. symetrický dipól lze považovat za rozevřené vedení na konci naprázdno. Na takovém vedení bude existovat ryzí stojatá vlna s uzlem na konci (sinusové rozložení). Rozložení proudu na symetrickém dipólu je velmi podobné a větší odchylky jsou jen v okolí uzlů. Podobně je tomu u velké většiny lineárních antén. Odchylky v okolí uzlů mohou být lokálně významné, ale při výpočtu záření jsou potlačeny integrací. Zjištění je zajímavé i z teoretického hlediska, protože anténa a vedení jsou prvky s diametrálně odlišnými vlastnostmi: vedení apriorně nevyzařuje, zatímco základní funkcí antény je právě vyzařování. Shoda proudových distribucí je skutečně tím lepší, čím anténa méně vyzařuje. Závěry je možné shrnout následovně: a) Když počítáme vyzařování antén, můžeme považovat proudovou distribuci na anténě za shodnou s distribucí na geometricky ekvivalentním bezeztrátovém vedení. b) Shoda distribucí je tím lepší, čím je anténa kratší a její vodič tenčí. Náhradu vedením nelze využít u velmi tlustých antén. c) Odchylky mezi skutečným a sinusovým rozložením se poněkud projeví na tvaru směrové charakteristiky. Při výpočtu se sinusovým rozložením klesá intenzita pole mezi sousedními laloky k nule, ve skutečnosti jsou tam jen více či méně ostrá minima. d) Sinusová funkce (náhrada bezeztrátovým vedením) není dostatečně dobrou aproximací při výpočtech impedance antén. Při matematické formulaci sinusové funkce proudové distribuce vycházíme ze známé rovnice pro bezeztrátové vedení: 1


U J (x ) = J . cos kx + j k .sin kx k Z 0

; k=

2p l

V rovnici jsou Uk a Ik napětí a proud na konci vedení, Z0 je charakteristická impedance vedení a x = l - z je vzdálenost měřená od konce vedení. Jedna z veličin Uk, Ik se vyloučí z podmínek na konci antény a charakteristická impedance Z0, pokud se musí znát číselně, se vypočte metodou středního potenciálu (protože je Z0 prakticky reálné, nazývá se tato veličina také charakteristický odpor nebo vlnový odpor). Např. pro volně zakončený dipól podle výše uvedeného obrázku je Ik = 0, a x = l - z a sinusová funkce proudové distribuce je U J ( z ) = j k .sin [k (l - z )] = J .sin [k (l - z )] . max Z 0 Smyčkovou anténu považujeme za vedení na konci zkratované. Pro anténu zakončenou charakteristickou impedancí je Uk/Ik = Z0 , takže

J (x ) = J .e k

j.k .x

, resp.

J ( z) = J

vst

.e

- j.k .z

.

Na anténě je netlumená postupná vlna. Pro anténu s reaktanční zátěží X = Uk/Ik na konci lze původní vztah upravit do tvaru : J (z) = J

max

.sin [k (l + Dl - z )] , Dl =

æ Z ö 1 arctg ç - 0 ÷ ç X ÷ k ø è

Na konci antény (z=l) není proud nulový, ale rozložení je sinusové. Sinusovka nezačíná na konci antény, ale o Dl dále (mimo anténu, když Dl > 0) nebo o Dl blíž (když Dl < 0). Prakticky se využívá kapacitního zakončení antény, pro které je X záporné a Dl > 0. Sinusovka proudu se posune dále od vstupních svorek. Anténa má pak podobné vlastnosti jako anténa o Dl delší, ale je ekonomicky výhodnější. Veličina Dl se nazývá zdánlivé prodloužení. Koncová kapacita se realizuje např. diskem, soustavou příčných vodičů ap. Pomocí původní rovnice lze formulovat přibližnou funkci proudové distribuce i v jiných případech. Vesměs se jedná o vedení se sériovou nebo paralelní reaktancí anebo o kaskádně řazená vedení. Pro usnadnění výpočtů se zavádí tzv. normovaná funkce proudové distribuce:

g ( z) =

J ( z) . J max

Např. pro dipól je g(z) = sin [k(l-z)]. Výhodou je, že funkce g(z) nezávisí na tom, jak velkým proudem je anténa buzená. Postup měření na drátové anténě 1. Stanice PRESIDENT je vypnuta, mezi ní a drátovou anténou je připojen přizpůsobovací člen MATCHER M-20 (sestává ze 2 laditelných kondenzátorů a cívky). Knoflíky laditelných kondenzátorů nastavte do střední polohy. 2. Svorky přívodů k čítači připojte na cívku (žlutou) obepínající anténu. 2


1. V měřiči rezonance vyměňte cívku 18 - 27 MHz a zasuňte ji do smyčky, vytvořené několika závity drátové antény. Změřte rezonanční frekvenci (odečtěte ji na čítači). 2. Nastavováním knoflíků M-20 zjistěte max. a min. rezonanční frekvenci, kterou je možno nastavit v systému drátová anténa - MATCHER. 3. Vypněte měřič rezonance ze sítě a odstraňte jej ze smyčky antény. Zapněte radiostanici PRESIDENT. 4. Pomocí cívečky připojené na UNI 11e a posouvané podél drátové antény zjistěte proudové obložení antény. Napište vztah pro výpočet I z naměřeného U (přes intenzitu H v okolí proudovodiče). 5. Posunujte podél antény měřič síly pole po 10 cm a zjistěte průběh poměrné hodnoty intenzity pole E podél drátové antény. Vyneste do společného grafu s průběhem z bodu 10. 6. Zjistěte, jak se posouvá maximum resp. minimum intenzity pole E přestavením MATCHERu z jedné krajní polohy do druhé. 7. Proveďte měření rezonanční frekvence u dalších vzorků dle pokynu učitele. Měření rezonance pomocí přístroje DIP METER MFJ-201 Frekvenční rozsahy: Pásmo

Rozsah

A

1,5 – 4 MHz

B

3,3 – 8 MHz

C

6,8 – 18 MHz

D

18 – 47 MHz

E

45 – 110 MHz

F

100 – 250 MHz

Bezpečnostní opatření: 1. V pohotovostní poloze, nebo když není dip metr užíván nastavte SENZITIVITY do polohy OFF. Tím se šetří baterie. 2. Cívky vkládejte a vytahujte z přístroje velmi opatrně. 3. Během měření by měly být cívky k měřeným obvodům vázány volně. Spojení musí být tak volné, jak je jen možné ke správné indikaci měřených hodnot. Pevná vazba vnáší do měření chyby. POZOR!!! Když ověřujeme vysílací zařízení, může pevná vazba poškodit diodový detektor přebuzením. 4. Pokud není dip metr dlouho užíván, je dobré vyndat z něj baterie. Postup měření: 1. Kontrola a výměna baterie 1. Nastav FUNCTION na BATT CHECK. 3


2. Nastavení SENSITIVITY výkonu na ON. Není-li ručička přístroje v sektoru stupnice označeném BATT OK, požádejte vedoucího cvičení o výměnu baterie. 3. Po kontrole baterie nastavte SENSITIVITY do polohy OF.

2. Užití přístroje jako Dip Metru 1. Zasuňte cívku pro předpokládané měřené pásmo do zdířky. 2. Přepněte FUNCTION na OSC. 3. Nastavujte SENSITIVITY tak, aby ručička ukazovala asi 0,8. POZNÁMKA: Používáme-li cívku „F“, mohou nastat některé variace ve výchylce, protože stupnice je kruhová. Tento efekt nastává, když není cívka spojená s měřeným obvodem. Musíme dát pozor, abychom nepopletli tyto případy s těmi, které jsou zapřičíněny měřeným obvodem. 4. Spojte cívky volně s měřeným obvodem a otáčejte frekvenční stupnicí po malých

4


krocích, dokud nedostanete na měřáku pokles hodnoty. (Pokud dojde ke dvěma poklesům najednou, umístěte cívku dál od měřeného obvodu). 5. Regulujte frekvenční stupnici, dokud nezískáte maximální pokles. 6. Poznamenejte si frekvenci z frekvenční stupnice. 7. Změřte tři antény a vzorky kabelů, které jste měřili na měřiči impedance. 8. Po měření nastavte SENSITIVITY na OFF. Měřič rezonančního kmitočtu GDO Nejvýhodnější je měření rezonančního kmitočtu sacím měřičem rezonance s tranzistorovým oscilátorem. Hlavní výhodou tohoto měřiče, zvaného GDO je, že jim lze měřit rezonanční kmitočet i pasivního obvodu, aniž bychom potřebovali vf generátor a vf sondu. Přiblížením měřiče k měřenému obvodu se přenáší energie do tohoto obvodu (odsátá energie) a tento přenos je největší právě na rezonančním kmitočtu. Úbytek energie v oscilačním obvodu měřiče se projeví jako pokles amplitudy oscilací nebo jako změna proudu báze či kolektoru tranzistoru v oscilátoru. Pokles se indikuje měřidlem. Název GDO je odvozen od anglického Grid-Dip-Oscillator (oscilátor s poklesem mřížkového proudu) z dob, kdy jako aktivní prvek oscilátoru sloužila výhradně elektronka. Vesměs je tento přístroj konstruován společně s absorpčním vlnoměrem. Výměnnými cívkami lze při vhodné konstrukci obsáhnout v několika podrozsazích pásmo 0,5 až 300 MHz. Důležité při měření je, aby vazba mezi měřeným obvodem a cívkou GDO byla co nejvolnější. Čím je vazba těsnější, tím více se rozlaďuje oscilátor GDO. Nastavený kmitočet je možno kontrolovat přijímačem nebo čítačem. Jako pasivní rezonanční obvod se chová i rezonanční anténa. A to je druhá velká výhoda GDO, že s jeho pomocí snadno určíme i v amatérských podmínkách rezonanční kmitočet antény. Nutno pamatovat, že u antény zjistíme poklesy indikátoru GDO i na harmonických kmitočtech. Pokles však nezjistíme u širokopásmové antény. GDO navážeme k anténě malou smyčkou nebo nepatrnou kapacitou. Jak již bylo řečeno, je nutné, aby vazba byla co nejvolnější. Nechceme-li ovlivnit svým tělem rezonanční kmitočet antény (abychom ji nerozlaďovali), je možno anténu navázat ke GDO smyčkou a úsekem souosého kabelu o délce l/2 nebo násobků l/2. Samozřejmě, že se jedná o délku elektrickou a skutečná délka bude dána vynásobením elektrické délky koeficientem zkrácení: l = l/2 .k Postup měření 8. Do měřiče rezonance zasuňte cívku 95 - 150 MHz, levý knoflík na měřiči přepněte do polohy GDO. Přístroj připojte na síť. Knoflíkem "CITLIVOST" nastavte ručičku měřiče rezonance do červeného pole. 9. Zasuňte cívku měřiče do prostoru mezi měřeným dipólem a jeho bočníkem. Zapněte čítač FC 2130U - přívodní kabel je zasunut ve vstupu A. Spojte červenou a černou svorku přívodu "nakrátko" a takto vytvořenou smyčku navlékněte na cívku měřiče rezonance. 10. Otáčením cejchovaným knoflíkem snižte výchylku ručičky na minimální hodnotu. Odečtěte na stupnici 95 - 150 rezonanční frekvenci (stupnice pouze orientační). Přesnou hodnotu frekvence odečtěte na čítači.

5

REZONANCE A PROUDOVÉ OBLOŽENÍ ANTÉN

Recommend Documents