MÉRÉSI SEGÉDLET
TÖLCSÉRANTENNA NYERESÉGÉNEK MÉRÉSÉHEZ (ANT-1) V2 épület VII.emelet 721. Antenna Labor
%8'$3(67,06=$.,pV*$='$6È*78'20È1<,(*<(7(0 VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
Mikrohullámú Híradástechnika Tanszék H-1111 Budapest, Goldmann György tér 3. V2 épület VI. emelet tel.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89
Készítette : Szekeres Béla adjunktus dr. Lénárt Ferenc t. mts. 1998
1
Tartalomjegyzék 1. ALAPFOGALMAK ......................................................................................................................................... 3 $)21726$%%$17(11$-(//(0=.............................................................................................. 3 1.2. TÖLCSÉRANTENNÁK............................................................................................................................. 4 1.3. APERTÚRAANTENNÁK SUGÁRZÁSI TERE....................................................................................... 5 1.4. AZ APERTÚRA KÖZELI ÉS TÁVOLI TERE ......................................................................................... 6 1.5. APERTÚRA ANTENNÁK NYERESÉGE ................................................................................................ 9 1.6. NÉGYSZÖGLETES TÖLCSÉREK NYERESÉGE................................................................................. 10 2. TÖLCSÉRANTENNA NYERESÉGÉNEK MÉRÉSE ............................................................................... 11 2.1. KÉTANTENNÁS MÓDSZER ................................................................................................................. 11 2.2. 7h.5g=0Ï'6=(5............................................................................................................................ 11 2.2.1. A mérés elve ...................................................................................................................................... 11 2.2.2. A mérés végrehajtása..................................................................................................................................... 12
2.2.3. A mérés kiértékelése .......................................................................................................................... 13 %,=7216È*,(/Ë5ÈSOK........................................................................................................................ 14 4. MÉRÉSI FELADATOK ................................................................................................................................ 16 4.1. Kg7(/(=(1(/9e*=(1' FELADATOK ................................................................................................... 16 4.2. SZORGALMI FELADATOK ............................................................................................................................ 17 (//(15=.e5'e6(K.......................................................................................................................... 17
2
1. Alapfogalmak 1.1. $)21726$%%$17(11$-(//(0=. Az antenna alapfunkciói szerint átalakító, mely a tápvonalban vezetett hullámot a szabad térbe kisugárzott hullámmá alakítja át (adóantenna LOOHWYHDV]DEDGWpUEOpUNH]KXOOiPRW vezetett hullámmá (YHYDQWHQQD). Az adóantenna a betáplált teljesítményt nem egyenletesen sugározza ki, hanem irányítvaYDJ\LVDWpUHJ\HVLUiQ\DLEDQD]HOiOOtWRWWWHOMHVtWPpQ\VUVpJQDJ\REEPLQWPiV LUiQ\RNEDQ $] D] LUiQ\ DKRO D WHOMHVtWPpQ\VUVpJ D OHJQDJ\REE D] DQWHQQD I VXJiU]iVL iránya, vagy ILUiQ\a. Az olyan antennát, mely a tér minden irányába egyenletesen sugároz izotróp antennának nevezzük. Ilyen a valóságban nem létezik, de az antennák irányítottságát FpOV]HUHKKH]NpSHVWPHJDGQL $]DGyDQWHQQDOHJIRQWRVDEEMHOOHP]MHDnyereségPHO\QHNGHILQtFLyMDDN|YHWNH]
G= ahol
Sm ax , S0
(1)
SmaxDILUiQ\EDQHOiOOtWRWWWHOMHVtWPpQ\VUVpJ P S0 = T 2 D]L]RWUySDQWHQQDWHOMHVtWPpQ\VUVpJH 4π r
Az antenna irányítottságát leíró egyik iránykarakterisztikája, melynek definiciója
P(ϑ ,ϕ )=
S(r,ϑ ,ϕ ) . Sm ax(r)
függvény
az
antenna
teljesítmény-
(2)
(Vigyázat! P(ϑ ,ϕ )nem teljsítmény, hanem dimenzió nélküli mennyiség.) $] pV GHILQtFLyEyON|YHWNH]LNKRJ\D]DQWHQQDQ\HUHVpJHWHWV]OHJHVLUiQ\EDQ
G (ϑ ,ϕ )= G ⋅ P(ϑ ,ϕ ).
(3)
Az antenna feszültség-iránykarakterisztikája F(ϑ ,ϕ )D WpUHUVVpJHN KiQ\DGRVD tJ\ pUWHOHPV]HUHQ P(ϑ ,ϕ ) ; négyzetgyöke, azaz
F(ϑ ,ϕ )= P(ϑ ,ϕ ) =
E(r,ϑ ,ϕ ) . Em ax(r)
(4)
$ YHYDQWHQQD HJ\LN MHOOHP]MH D hatásos felület, mely teljesítmény szemléletmódot WNU|]pVGHILQtFLyV]HUHQ
3
P Ah = V ; m2, S
(5)
PV D YHYDQWHQQiEyO NLYHKHW PD[LPiOLV KDWiVRV teljesítmény, S DEHHVWHOMHVtWPpQ\VUVpJ
ahol
Az olyan antennákat, melyekben nincs valamilyen nonreciprok elem, ami a teljesítmény áramlását az egyik irányra korlátozná, adásra és vételre egyaránt használhatjuk. Intuitív úton is belátható, hogy az az antenna, amely adásra jó átalakító, az lesz vételre is. 9DJ\LVD]DGiVLpVYpWHOLMHOOHP]N|VV]HIJJHQHN(]D]|VV]HIJJpVDN|YHWNH]
G 4π = . Ah λ 2
(6)
$ NpSOHWLVPHUHWpEHQHJ\ UHFLSURN DQWHQQiWHOHJHQGD]HJ\LNSDUDPpWHUUHOOHtUQL pV H] UHQGV]HULQW D] DQWHQQDQ\HUHVpJ ,O\HQ pUWHOHPEHQ EHV]pOQN HJ\ YHYDQWHQQD nyHUHVpJpUO SO79YHYQpO
1.2. TÖLCSÉRANTENNÁK (J\ W|OFVpUDQWHQQD Q\LWRWW FVWiSYRQDO PHO\QHN Q\tOiViW W|OFVpUV]HUHQ NLWHUMHV]WLN KRJ\ D KXOOiPRN OHYiOiViW NLVXJiU]iViW H]iOWDO LV HOVHJtWVpN+D D FVWiSYRQDO N|U NHUHV]WPHWV]HWDNNRULO\PyGRQkúpos tölcsért kapunk. a b
b1
E
a E-síkú szektoriális tölcsér 1.1. ábra a b b a1 H-síkú szektoriális tölcsér 1.2. ábra
4
+D D FVWiSYRQDO QpJ\V]|JOHWHV DNNRU D PpUHW NLWHUMHV]WpVH W|UWpQKHW D] HJ\LN YDJ\ másik méret mentén, ilymódon lapos, ú.n. szektoriális tölcséreket kapunk. $] HOHNWURPRV HUYRQDODNDW PHJQ\~MWy W|OFVpU D] E-síkú (1.1. ábra); a mágneses HUYRQDODNDWPHJQ\~MWyDH-síkú iEUD V]HNWRULiOLVW|OFVpU+DDFVWiSYRQDOPLQGNpW végét kiterjesztjük, akkor piramidális tölcsért (1.3. ábra) kapunk. a b b1
a1 Piramidális tölcsér 1.3. ábra
1.3. APERTÚRAANTENNÁK SUGÁRZÁSI TERE $PpUHWHNNLWHUMHV]WpVpYHODW|OFVpUV]iMQ\tOiViEDQDKXOOiPKRVV]KR]NpSHVWQDJ\PpUHW nyílás (apertúra) alakul ki, mely sugároz. Most vizsgáljuk meg e sugárzási tér eloszlását. Az apertúrák sugárzási terét a Huyghens elv felhasználásával számíthatjuk ki az 1.4. ábra szerinti koordinátarendszerben. y′
P(r′)
x′
r − r′
r′
ϕ′
γ
r
Q (r) ϑ z
A :apertúra
1.4. ábra $]DSHUW~UDiOWDOHOiOOtWRWWWpUHUVVpJDPSOLW~GyMDQpPLHOKDQ\DJROiVVDODN|YHWNH]
5
E(r)= ahol
− jβ r− r'
1 e E(r') , ∫∫ r − r' λ A
(7)
E (r ) DVXJiU]iVLWpUHUVVpJHORV]OiVD E (r ') DWpUHUVVpJHORV]OiVDD]DSHUW~UDVtNMiEDQ 2π β= fázistén\H] λ0
1.4. AZ APERTÚRA KÖZELI ÉS TÁVOLI TERE A sugárzási tér kiszámításának nehézségei nagyon függenek attól, hogy a (7) képletben az (r − r ′) távolság felírásánál milyen közelítéseket alkalmazhatunk. Belátható, hogy a KHO\]HWDQQiOHJ\V]HUEEPLQpOPHVV]HEEYDQD Q(r ) megfigyelési pont az apertúrától. A megifgyelési pont távolsága nemcsak a számítás bonyolultságát befolyásolja, hanem a sugárzási tér hely szerinti eloszlását is. Ennek az a következménye, hogy az antenna közelében az iránykarakterisztika és a nyereség a megfigyelési pont helyének megválasztásától is IJJHJ\EL]RQ\RVWiYROViJRQW~OYLV]RQWH]DIJJVpJPiUHOKDQ\DJROKDWy Éppen ezért a számítások és mérések szempontjából egyaránt fontos, hogy a közeli és távoli térnek ezt a határát megállapítsuk. Ennek érdekében az 1.5. ábra segítségével vizsgálMXNPHJD]DSHUW~UDVXJiU]iVLWpUHUVVpJpWD Q1 , Q2 és Q3 megfigyelési pontokban. x
R D
Q3
Q2
Q1 z
R0
1.5. ábra A Q1 pont az antennától olyan távol van, hogy az ( R − R0 ) WiYROViJNO|QEVpJPLDWWIHOOpS amplitúdó- és fáziskülönbség elhanyagolható. Vagyis ha az apertúrát sík hullámfront hagyja HODNNRUDQQDNNO|QE|]SRQWMDLUyOD]HOHPLKXOOiPIURQWRN Q1 -be azonos amplitúdóval és azonos fázisban érkeznek. Ahol ez teljesül az a Fraunhoffer zóna, vagy távoli zóna. $)UDXQKRIIHU]yQiEDQD NpSOHWQHYH]MpEHQ (r − r′)≅ r YHKHWDNLWHYEHQSHGLJD] DOiEELHOVUHQGN|]HOtWpVWOHKHWDONDOPD]QL
6
r − r′ = r − r′ ⋅ er = r − r′ ⋅ cosγ ahol
(8)
γ az r és r ′ vektor által bezárt szög.
A beljebb felvett Q 2 SRQWED D] DSHUW~UD V]pOpUO pV N|]HSpUO D] HOHPL KXOOiPIURQWRN DNNRUD~WKRVV]NO|QEVpJJHOpUNH]QHNKRJ\D]HPLDWWIHOOpSDPSOLW~GyYiOWR]iVWRYiEEUDLV HOKDQ\DJROKDWy GH D KXOOiPKRVV]EDQ PpUW NO|QEVpJ PiU MHOHQWV WHKiW D Ii]LVNO|QEVpJ nem hanyagolható el. Ha két elemi hullámfront éppen λ/2 úthosszkülönbséggel érkezikDNNRU KDWiVXN NLROWMD HJ\PiVW (EEO N|YHWNH]LN KRJ\ D Q 2 pontból nézve az DSHUW~UD YiOWDNR]YD HJ\PiVW HUVtW pV J\HQJtW N|UJ\UNUH RV]WKDWy iEUD (]HN D Fresnel zónák$OHJEHOV)UHVQHO]yQDN|U
R0+nλ/2 R0+2λ/2 R0+λ/2 R0
Q2
Apertúra
1.6. ábra Az 1.6. ábra alapján az n-edik Fresnel zóna sugara jó közelítéssel
rn = n ⋅ R0 ⋅ λ .
(9)
Az az R0 távolság, ahol az apertúra széle éppen az elsö Fresnel zóna sugara, jó N|]HOtWpVVHODN|YHWNH]
R01 =
D2 . 4λ
(10)
Ha az R0 távolság olyan, hogy az apertúra páros számú Fresnel zónára oszlik, akkor a Q 2 SRQWEDQ D WpUHUVVpJ PLQLPiOLV KD RO\DQ KRJ\ SiUDWODQUD DNNRU PD[LPiOLV $] DSHUW~UiQDN H]W D N|UQ\H]HWpW DKRO D PHJILJ\HOpVL SRQW KHO\]HWpWO IJJHQ D VXJiU]iVL WpU HUVHQ RV]FLOOiOQL NH]G Fresnel zónának nevezzük. A Fresnel zóna fenti két jelentését a V]|YHJWiJDEE|VV]HIJJpVpEONO|QE|]WHWKHWMNPHJ Ha egy antenna iránykarakterisztikáját a Fresnel zónában vesszük fel, akkor a NDUDNWHULV]WLNDDODNMDHUVHQWiYROViJIJJOHV]+DD]DQWHQQDQ\HUHVpJpWPpUMND)UHVQHO zónában, akkor az kisebb lesz, mint a távoltéri nyereség. $ )UHVQHO ]yQiEDQ D NpSOHW QHYH]MpEHQ WRYiEEUD LV r − r′ = r YHKHW GH D NLWHYEHQD]DOiEELPiVRGUHQGN|]HOtWpVWNHOODONDOPD]QL
7
r − r′ = r − r′ ⋅ cosγ +
1 r′ 2 ⋅ sin2 γ 2 r
(11) x
Megjegyezzük, hogy a (11) képlet jobboldalának utolsó, négyzetes tagja ∫ e − jx dx tipusú, ú.n. 2
0
Fresnel integrálra vezet, mely a gépi száPtWiVRN HOWHUMHGpVH HOWW D NLV]iPtWiVW megnehezítette. $)UHVQHO]yQDpV)UDXQKRIIHU]yQDN|]|WWLKDWiUNLMHO|OpVHPHJOHKHWVHQ|QNpQ\HVpV IJJD]HOYpJ]HQGV]iPtWiVYDJ\PpUpVPHJNtYiQWSRQWRVViJiWyOLVÈOWDOiQRVDQHOIRJDGRWW hogy ez a határ ott van, ahol az 1.5. ábra szerinti (R − R0 ) távolság λ/16-WDOHJ\HQO(EEOD )UDXQKRIIHU]yQDEHOVKDWiUD Rmin =
2 D2 . λ
(12)
Relatív teljesítmé
Ha a megfigyelési ponttal olyan közel megyünk az apertúrához, hogy az már az elemi hullámfrRQWRN DPSOLW~GyMiEDQ LV V]iPRWWHY NO|QEVpJHW RNR] DNNRU D WpUHUVVpJ NLDODNtWiViEDQ D] DSHUW~UiQDN D PHJILJ\HOpVL SRQWKR] OHJN|]HOHEEL UpV]H GRPLQiO pV HUV kioltások nem jöhetnek létre. Ahol ez bekövetkezik, azt igen közeli zónának, antennazónának, vagy reaktáns közeltérnek nevezzük. A Fresnel zóna és a reaktáns közeltér határa D] DSHUW~UD WpUHUVVpJ HORV]OiViWyO pV iWPpUMpWO IJJHQ D és 10D között van. A fentiek LOOXV]WUiOiViUDD]iEUiQEHPXWDWMXNDWHOMHVtWPpQ\VUVpJYiOWR]iViWHJ\N|UDODkú, széle IHOp FV|NNHQWHWW PHJYLOiJtWiV~ DSHUW~UD HOWW D] DSHUW~UiWyO PpUW R Rm in távolság függvényében az antenna zónában és a Fresnel zónában.
60
50
40
30 K özeltér 1/(R*R) 20
10
0 0.01
0.1
1
R X= 2D 2 λ
1.7. ábra $]iEUiQPHJILJ\HOKHWKRJ\DWpULQJDGR]iVDD]DQWHQQDIHOpN|]HOHGYHPpUVpNOGLN
8
1.5. APERTÚRA ANTENNÁK NYERESÉGE $]DSHUW~UDDQWHQQDQ\HUHVpJHDWiYROWpUEHQHJ\pUWHOPH]pUWRWWNHOOPHJKDWiUR]QL$] (1) képletben
Sm ax =
E m2 ax 240π
(13)
ahol E m ax D]DQWHQQDiOWDONLVXJiU]RWWPD[LPiOLVWpUHUVVpJDWiYROWpUEHQ$z apertúra teljes sugárzási tere a távoltérben a (7) és (8) képlet alapján
E(r)=
e− jβ r E(r′)ejβ r′⋅er dA . ∫∫ λr A
(14)
Ha az antennából sík hullámfront lép ki, vagyis az apertúra síkjában E(r′) fázisa állanGyDNNRUDIVXJiU]iVLLUiQ\DKXOOiPIURQWUDPHUOHJHVHQYDJ\LVDz tengelyben van. Mivel r′ a zWHQJHO\UHPHUOHJHVH]pUWD NpSOHWEHQ r′ ⋅ er = 0 pVDWpUHUVVpJDILUiQ\EDQ
E m ax
e− jβ r E(r′)dA . = λ r ∫∫ A
(15)
Ezzel 2
Sm ax =
∫∫ E(r′)dA A
λ 2r2 240π
.
(16)
Az antennát veszteségmentesnek tekinthetjük. Ekkor a betáplált teljesítmény megegyezik DNLVXJiU]RWWWHOMHVtWPpQQ\HO$NLVXJiU]RWWWHOMHVtWPpQ\WOHJHJ\V]HUEEHQ~J\NDSMXNPHJ KDD]DSHUW~UiQNLOpSWHOMHVtWPpQ\VUVpJHWLQWHJUiOMXN
PS = ∫∫ S(r′)dA
(17)
A
∫∫ E(r′) dA 2
PS =
A
(18)
240π
Az apertúraantennák nyeresége az (1), (16) és (18) képelet alapján 2
4π G= 2 λ
∫∫ E(r′)dA A
∫∫
2
E(r′) dA
.
A
A (19) és a (6) képletet összehasonlítva megállapítható, hogy
9
(19)
2
Ah =
∫∫ E (r ′)dA A
∫∫
2
E (r ′) dA
.
(20)
A
A(20) képletböl látható, hogy ha E(r′)= const, vagyis a nyílást egyenletesen világítjuk meg, akkor Ah=A, vagyis a hatásos felület megegyezik a nyílásfelülettel. A valóságos apertúraantennáknál
Ah = η A ⋅ A ahol
(21)
η A az apertúrahatásfok.
1.6. NÉGYSZÖGLETES TÖLCSÉREK NYERESÉGE $ QpJ\V]|JOHWHV FVWiSYRQDODNEDQ ]HPV]HUHQ D 7(10 alapmódus WHUMHG $] H]HNEO NLDODNtWRWW W|OFVpUHNHW ~J\ NpV]tWLN KRJ\ D] DODSPyGXV HUYRQDONpSH D W|OFVpUEHQ VH torzuljon. Ha a tölcsért a 1.4. ábra szerinti koordinátarendszerben úgy helyezzük el, hogy az origó a nyílás közepére, az a1PpUHWD][ WHQJHO\EHHVVHQDNNRUDWpUHUVVpJHORV]OiVDDN|YHWNH]
π ⋅ x′ E (r′)= E (x′;y)= E0 ⋅ cos a1
(22)
Ugyanis TE10PyGXVEDQD]\ WHQJHO\PHQWpQDWpUHUVVpJQHPYiOWR]LN$ NpSOHWHW ba helyettesítve és az integrálásokat elvégezve
Ah = ahol
8
π2
A,
(23)
A=a1⋅b1 az apertúra nyílásfelülete.
A (23) képlet szerint a négyszögletes tölcsérek apertúrahatásfoka
ηA =
8
π2
= 0,81
(] YDOyMiEDQ HOYL IHOV KDWiU PHUW a tölcsér nyílásában a fázis nem egyenletes, ugyanis a YpJHVW|OFVpUKRVV]PLDWWQHPVtNKDQHPJ|UEOWKXOOiPIURQWOpSNL$]tJ\IHOOpSfázishiba rontja az apertúrahatásfokot.
10
2. Tölcsérantenna nyereségének mérése
2.1. KÉTANTENNÁS MÓDSZER Antennák nyereségének mérésére több módszer ismeretes. Ezek közül legelterjedtebb az összehasonlító módszer DPHO\ D YL]VJiOW DQWHQQiW LVPHUW Q\HUHVpJ DQWHQQiYDO HWDORQ antennával) hasonlítja össze. Ha etalon antenna nem áll rendelkezésre; akkor abszolút mérési módszert kell választani. Ilyen az ú.n. kétantennás módszer PHO\KH] D EHPpUHQG DQWHQQiW NpW WHOMHVHQ HJ\IRUPD példányban kell legyártani. E mérés alapelve az, hogy két antennával szabad térben rádióösszeköttetést hozunk létre és ennek szakaszcsillapítását mérjük meg. Az antennák közötti távolságot úgy kell megválasztani, hogy azok egymás távolterében helyezkedjenek el. (NNRUDV]DNDV]FVLOODStWiVYLV]RQ\V]iPEDQDN|YHWNH] PA 4π ⋅ R 1 = ⋅ 2 PV λ G 2
(24)
7h.5g=0Ï'6=(5
2.2.1. A mérés elve A két antenna közül az egyik megtakarítható, ha az antennák közötti szakasz közepére HOHJHQGHQ QDJ\ VtNWNU|W KHO\H]QN (QQpO D] ~Q WNU|] PyGV]HUQpO az antennát JHUMHV]W WiSYRQDORQ NLDODNXOy haladó hullám által szállított teljesítmény felel meg a kétantennás módszerrel mért PA-nak. A (24)-EHQ V]HUHSO 3V teljesítmény most az adóantennába jut vissza és ott reflektált hullámot hoz létre. Mint ismeretes, a IHV]OWVpJUHIOH[LyWpQ\H]t az alábbiak szerint definiáljuk: Ur , Uh U h és U r a haladó és reflektált komplex feszültséghullám. Γ=
ahol
(25)
+D PHJHOpJV]QN D UHIOH[Ly WpQ\H] DEV]RO~WpUWpNpYHO D]W NLIHMH]KHWMN D KDODGy pV D reflektált teljesítményekkel is. Γ =
Ur Uh
=
Pr Ph
(26)
Ha figyelembe vesszük, hogy Ph=PA és Pr=PV , a szakaszcsillapítás kiszámolható az antenna WiSYRQDOiQPpUWIHV]OWVpJUHIOH[LyWpQ\H]DEV]RO~WpUWpNpEO
11
PA 1 . = 2 PV Γ
(27)
A keresett nyereség a (24) és (27) képlet alapján:
G=
4π ⋅ R Γ λ
(28)
2.2.2. A mérés végrehajtása A mérés végrehajtása során a UHIOH[LyWpQ\H] PpUpV LVPHUW KLEiLQ NtYO további hiba forrása az antenna saját UHIOH[LyMD $ WN|UUO M|Y U t ) és a saját
ϕ
reflexióból származó (U s ) két hullámot XJ\DQLV HJ\V]HU HV]N|]|NNHO QHP WXGMXN Ut V]pWYiODV]WDQL FVDN D] HUHGMNHW U m ) Us mérhetjük. Ha a saját reflexióból adódó Um IHV]OWVpJKXOOiPDPSOLW~GyMDDWN|UUOM|Y min PpUHQG MHO QDJ\ViJUHQGMpEH HVLN D NpW Um hullám ϕ Ii]LVHOWpUpVpWO HUVHQ IJJ QDJ\ViJ~ HUHG NHOHWNH]LN 0LYHO D VDMiW 2.1. ábra reflexió fázisa egy adott frekvencián állandó, D]HUHGUHIOHNWiOWKXOOiPDPSOLW~GyMD- tehát DPpUWUHIOH[LyWpQ\H]LV- attól függ, hogy az antenna milyen messze van a reflektortól: λ/4 távolságonként maximumok (U mmax ), illetve minimumok (U mmin ) váltják egymást. Az ingadozás csökkentése érdekében a szabadtérbe sugárzó antenna reflexióját ki kell hangolni (|Γs|≤0,01). A kihangoláshoz úgy teremtünk szabadtéri feltételeket, hogy az antenna elé PLNURKXOOiP~ HOQ\HO DQ\DJRW WHV]QN $ KDQJROyHOHP HJ\ RO\DQ WiSYRQDOV]DNDV] PHO\EH egy hangoló szonda nyúlik. A szonda benyúlásának és a tápvonal hossztengelye mentén IHOYHWWSR]tFLyMiQDNEHiOOtWiViYDODPpUUHQGV]HUVDMiWUHIOH[LyMiYDOPHJHJ\H]DPSOLW~GyM~ de ellenfázisú reflektált hullámot hozunk létre, mely kioltja a zavaró reflexió hatását. (A U mmax
V]HOHNWtYHUVtW UHIOHNWRU
WiSYRQDONDSFVROy GHWHNWRU KDQJROyHOHP
W|OFVpUDQWHQQD
U|YLG]iU
FVLOODStWy NRD[ZJiWP
LUiQ\FVDWROy
Q\LWRWWWiSYRQDOYpJ V]LJQiOJHQHUiWRU
5 2.2. ábra
12
kihangolás természetesen csak az adott frekvencián valósul meg, frekvenciaváltáskor újra el NHOO YpJH]QL D PYHOHWHW $ KDQJROiV XWiQ PpJ PLQGLJ PHJPDUDGy GH PiU VRNNDO NLVHEE KLED KDWiViW D PpUpV NLpUWpNHOpVpQpO JUDILNXV iWODJROiVVDO FV|NNHQWMN (KKH] NHOO V]iP~ mérési távolság mellett meg kell mérni a szakaszcsillapítást. A tükrözéssel való Q\HUHVpJPpUpVWHKiWDJ\DNRUODWEDQDUHIOH[LyWpQ\H]QHND]5WiYROViJIJJYpQ\pEHQYDOy IHOYpWHOpEOiOO A mérési összeállítást a 2.2. ábra mutatja.
2.2.3. A mérés kiértékelése A mérés grafikus kiértékeléséhez 1 Γ -et R függvényében ábrázoljuk. A kapott görbe a 2.3. ábrához hasonló lesz, ahol az ábrázolt hullámzás az alábbi kiinduló paramétereket feltételezve adódik: f = 15 GHz, 10⋅log10G = 20 dB, Γs = 0,01.
\ [
5 PP
2.3. ábra A periodikus ingadozást mutató görbéhez szerkesztett regressziós egyenes 1 Γ ideális körülmények között (járulékos reflexiók nélkül) tapasztalható változását közelíti. Ha U|J]tWMN KRJ\ D UHJUHVV]LyV HJ\HQHV D NRRUGLQiWDUHQGV]HU NH]GSRQWMából induljon, akkor az az y = m⋅ x (29) egyenlettel írható le.
13
A (28) öVV]HIJJpVEONLLQGXOYDD]DOiEELDNV]HULQWDGKDWyPHJDPpUWDQWHQQDQ\HUHVpJHKD felhasználjuk a regressziós egyenes meredekségét is. G=
4π ⋅ R Γ( R) = λ
4π 4π = 1 Γ( R) λ ⋅ m λ⋅ R
(30)
$ iEUiQ OiWKDWy (;&(/ WiEOi]DWNH]HO „Trendline” menüpontja segítségével rajzolt) regressziós egyenes meredekségét a (30) egyenletbe helyettesítve G=99,7 adódik, ami nagyon jól közelíti a kiinduláskor felvett G=pUWpNDQWHQQDQ\HUHVpJHW Feltétlenül fontos hangsúlyozni az alábbiakat. T A (12) összefüggéssel megadtuk a minimális mérési távolságot. Ennél nagyobb WiYROViJRW WDUWYD D WpUHUVVpJ - azzal együtt a tükrözéses módszer alkalmazásakor LGHiOLVHVHWEHQPpUKHWIHV]OWVpJUHIOH[LyWpQ\H]- # szerint változik, vagyis Γ távolságfüggése egyenessel írható le. Csökkentve a mérési távolságot egyre inkább az antenna közelterébe kerülünk, ahol már # és # alakú tagok is megjelennek a WpUHUVVpJ YiOWR]iViEDQ HQQHN KDWiVD OiWKDWy D] iEUiQ 0LYHO D] DGy ROGDOL EHPHQHW pV D YHY ROGDOL NLPHQHW N|]|WW QLQFV DNWtY HOHP YHV]WHVpJPHQWHV HVHWEHQ R=0-nál Γ = , vagyis a valóságos Γ ( #) függvény 1-nél metszi az Γ tengelyt. T Csak matematikailag helyes tehát a regressziós egyenest az origóból indítani. A szabadtéri csillapításra megadott (24) összefüggés szerint - bár fizikai jelentés nem kapcsolható hozzá - a szakaszcsillapítás nullához tart, ha az összeköttetés R szakasztávolsága zérushoz közelít. Ennek következtében - ismét kizárólag matematikai értelemben - a (27)-ben bevezetett Γ is 0-hoz tart R→0 esetén. A 2.3. ábra UHJUHVV]LyVHJ\HQHVpQHNWHKiWDNRRUGLQiWDUHQGV]HUNH]GSRQWMiQNHOONHUHV]WOPHQQLH
%L]WRQViJLHOtUiVRN A mérés során elektromágneses energiát sugárzunk ki. Nagy intenzitású elektromágneses tér egészségkárosodást okozhat, ezért bármilyen sugárzott elektromágneses jellel töUWpQ PpUpVVRUiQNHOON|UOWHNLQWpVVHONHOOHOMiUQL$]LO\HQHVHWHNUHLVYRQDWNR]LND] MSZ 16260-86 számú, A nagyfrekvenciás elektromágneses tér megengedett határértékei FtP V]DEYiQ\ $] HEEHQ PHJDGRWW KDWiUpUWpNHN pUWHOPH]pVpKH] HOV]|U QpKiQ\ IRJDOPDW kell tisztázni. Közvetlen ártalom: a nagyfrekvenciás elektromágneses energiának az emberi szervezetEHQW|UWpQHOQ\HOpVHKDWiViUDEHN|YHWNH]HJpV]VpJNiURVRGiV
14
Közvetett ártalom: a nagyfrekvenciás elektromágneses tér által indukált feszültségnek D]HPEHULV]HUYH]HWUHYDOyKDWiViUDEHN|YHWNH]HJpV]VpJNiURVRGiV Veszélytelen WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektroPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ DPHO\EHQ D N|]YHWOHQ pV D N|]YHWHWW ártalom veszélye nélkül korlátlan ideig lehet tartózkodni. Biztonsági WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektroPRVWpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJDPHO\EHQDN|]YHWOHQpVDN|]YHWHWWiUWDORP veszélye nélkül korlátlan ideig lehet tartózkodni. Munkahelyi WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektroPRVWpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJDPHO\EHQDIRO\DPDWRVPXQNDYpJ]pV egészségileg alkalmas személy számára nem okoz közvetlen ártalmat. Korlátozott LGWDUWDP~ munkahelyi WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ az a OHJQDJ\REE QDJ\IUHNYHQFLiV HOHNWURPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ DPHO\EHQ D NRUOiWR]RWW QDSL yUiQiO U|YLGHEE LGWDUWDP~ PXQNDYpJ]pV egészségileg alkalmas személy számára nem okoz közvetlen ártalmat. Veszélyes WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ az a legkisebb, nagyfrekvenciás elektromos WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ DPHO\EHQ D WDUWy]NRGiV N|]YHWOHQ iUWDOPDW okozhat. Veszélytelen övezet: D VXJiU]y N|UO HOKHO\H]NHG D]RQ |YH]HW DPHO\EHQ D QDJ\IUHNYHQFLiV HOHNWURPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ QHP QDJ\REE D YHV]pO\WHOHQWpUHUVVpJQpOWHOMHVtWPpQ\VUVpJQpO Biztonsági övezet: D VXJiU]y N|UO HOKHO\H]NHG D]RQ |YH]HW DPHO\EHQ D QDJ\IUHNYHQFLiV HOHNWURPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ QHP QDJ\REE D EL]WRQViJL WpUHUVVpJQpOWHOMHVtWPpQ\VUVpJQpO GH PHJKDODGMD D YHV]pO\WHOHQ WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJKDWiUpUWpNpW Munkaövezet: D VXJiU]y N|UO HOKHO\H]NHGD]RQ|YH]HWDPHO\EHQDQDJ\IUHNYHQFLiV HOHNWURPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ QHP QDJ\REE PLQW D PXQNDKHO\L WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ GH PHJKDODGMD D EL]WRQViJL WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJKDWiUpUWpNpW Korlátozott LGWDUWDP~ munkaövezet: D VXJiU]y N|UO HOKHO\H]NHG D]RQ |YH]HW DPHO\EHQ D QDJ\IUHNYHQFLiV HOHNWURPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ PHJKDODGMDDPXQNDKHO\LWpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJpUWpNpWGHQHPpULHOD YHV]pO\HVWpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJKDWiUpUWpNpW Veszélyes övezet: D VXJiU]y N|UO HOKHO\H]NHG D]RQ |YH]HW DPHO\EHQ D QDJ\IUHNYHQFLiV HOHNWURPRV WpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJ HOpUL LOOHWYH PHJKDODGMDDYHV]pO\HVWpUHUVVpJWHOMHVtWPpQ\VUVpJKDWiUpUWpNpW A szabvány a 300 MHz feletti frekvenciatartományban (ide esnek a mérés során használt frekvenciák is) az egyes övezetekre a 3.1. táblázat szerinti határértékeket íUMDHO
15
7HOMHVtWPpQ\VUVpJ mW/cm2 Álló sugárzó Forgó, vagy pásztázó sugárzó -
Övezet
Veszélytelen Biztonsági
0,01
0,1
Munka-
0,1
1,0
munka-
O7,
O7,
Veszélyes
10
100
.RUOiWR]RWW
*
LGWDUWDP~
(J\QDSWiULQDSDODWWD]|YH]HWEHQWDUWy]NRGiV|VV]LGWDUWDPD 3.1. táblázat
A mérés során nem dolgozunk káros intenzitású rádióhullámokkal, ennek ellenére itt is mint minden hasonló esetben -ILJ\HOQLNHOODN|YHWNH]NUH DPpUpVPHJNH]GpVHHOWWEHFVOMNPHJKRJ\Pilyen intenzitású elektromágneses tér T jelenléte várható - KD V]NVpJHV WHJ\QN yYLQWp]NHGpVHNHW KDV]QiOMXQN YpGfelszerelést, T csak akkor sugározzunk ki jelet, amikor mérünk - használjuk a jelforrás RF ki/be kapcsolóját, T minél kevesebbet tartózkodjunk az elektromágneses térben, QH WDUWy]NRGMXQN D VXJiUIRUUiV N|]HOpEHQ VHPPLNpSSHQ QH Qp]]QN EHOH PN|GpV T közben.
4. Mérési feladatok 4.1. Kg7(/(=(1(/9e*=(1' FELADATOK 1., $ JHRPHWULDL PpUHWHN DODSMiQ V]iPtWVD NL D PpUpVL |VV]HiOOtWiVEDQ OpY tölcsérDQWHQQD Q\HUHVpJpW D PpUpVYH]HW iOWDO PHJDGRWW IUHNYHQFLiQ DODSPyGXV~ gerjesztést feltételezve. 2., +DWiUR]]DPHJDWHOMHVtWPpQ\VUVpJHWD]SRQWEDQV]iPROWQ\HUHVpJDQWHQQiWyO pV P WiYROViJEDQ D ILUiQ\EDQ KD D] DGyWHOMHVtWPpQ\ dBm. Az adatokat KDVRQOtWVD|VV]HDV]DEYiQ\HOtUiVDLYDO
16
3., 6]iPROMD NL D PpUHQG DQWHQQiKR] V]NVpJHV PLQLPiOLV PpUpVL WiYROViJRW D PpUpVYH]HWiOWDOPHJDGRWWOHJPDJDVDEEPpUpVLIUHNYHQFLiQ 4., Határozza meg a mellékelt piramidális tölcsér távoltéri nyereségpW D PpUpVYH]HW által megadott három frekvencián. Az R távolságot célszerü 1 mm-enként YiOWR]WDWQL $ UHJUHVV]LyV HJ\HQHV NHOO SRQWRVViJJDO PHJKDWiUR]KDWy KD D WHOMHV WiYROViJYiOWR]iV PP $ NLpUWpNHOpVW FpOV]HU (;&(/ WiEOi]DWNH]HOYHO végezni.)
4.2. SZORGALMI FELADATOK 1., A számítással, vagy méréssel meghatározott antennanyereség és a minimális mérési WiYROViJ ILJ\HOHPEH YpWHOpYHO V]iPROMD NL D] DQWHQQiW JHUMHV]W WiSYRQDORQ pEUHG reflektált hullámnak a haladóhoz viszonyított amplitúdóját, ha csak az ideális UHIOHNWRUIDO iOWDO RNR]RWW UHIOH[LyW NHOO ILJ\HOHPEH YHQQL D PpUUHQGV]HUQHN QLQFV saját reflexiója és a környezet is ideális akadálymentes szabad tér). Vesse ezt össze a Γ8 = nagyságú saját reflexió esetén adódó reflektált hullámmal. 2., 9pJH]]H HO D Q\HUHVpJPpUpVW D V]iP~ N|WHOH] IHODGDW HJ\LN PpUpVL frekvenciáján, az ott alkalmazott mérési távolság felénél. Értékelje a tapasztaltakat.
(OOHQU]NpUGpVHN 1., Melyek az antenna fontosabb funkciói? 2., Mit nevezünk izotróp antennának? 3., Mi a nyereség definiciója? 4., 0LDYHYDQWHQQDKDWiVRVIHOOHWpQHNGHILQtFLyMD" 5., Írja fel a hatásos felület és a nyereség közötti összefüggést! 6., Mi a tölcsérantenna? 7., Hol van a Fresnel zóna és a Fraunhoffer zóna határa? 8., Miért kell az apertúra iránykarakterisztikáját és nyereségét a távoltérben mérni? 9., Mi az apertúrahatásfok definíciója? 10., Milyen mérési módszereket ismer antennák nyereségének mérésére? 11., 0LpUWNHOONLKDQJROQLDW|OFVpUWDPpUpVHOWW" 12., HRJ\DQWHUHPWQNV]DEDGWpULN|UOPpQ\HNHWD]DQWHQQDHOWW"
17
