Základní parametry antén

Prezentace na téma: "Základní parametry antén"— Transkript prezentace:

1 Základní parametry antén
Nejlepším VF zesilovačem je dobrá anténa!!! Základní parametry antén impedanční směrové další parametry Dobrá anténa samozřejmě není jen kus vodiče příslušného tvaru a velikosti - při návrhu musíme uvažovat i rozhraní mezi koncovým stupněm zesilovače a vlastní anténou. Tady přijde ke slovu filtrace, impedanční přizpůsobení, atd. Základní typy antén

2 Co je anténa? pasivní prvek s vlastnostmi filtru v prostorové i ve frekvenční oblasti prvek měnící vlnu vedenou vedením na vyzářenou vlnu do prostoru a naopak hraniční prvek komunikačního kanálu, který zásadním způsobem ovlivňuje parametry přenosového kanálu, Nejlepším VF zesilovačem je dobrá anténa 2 min 8 Základní typy antén

3 ½ vlnný dipól-simulace vyzařování
                             Pole Ex (horiz. comp.) modrá = negativní, žlutá = pozitivní Sz (směrem k divákovi) logaritmické měřítko ... černá bílá = 60 dB Poynting vektor | S | logaritmické měřítko ... černá bílá = 60 dB Základní typy antén

4 Jak „vybrat“ ideální anténu?
Základní typy antén

5 Parametry antén Všechny parametry antény jsou vzájemně svázané a záleží na velikostech, orientaci a prostorovém rozložení zdrojů vyzařovaného pole – proudů na anténě (směrovost, zisk, účinnost, ztráty, přizpůsobení, polarizace …) 2 min 8 Základní typy antén

6 Základní parametry antén
1. impedanční vstupní impedance, poměr stojatých vln (PSV), činitel odrazu impedanční šířka pásma 2. směrové směrový diagram (E, H rovina) šířky svazků (E, H rovina) předozadní poměr směrovost, účinnost, zisk polarizace, osový poměr 3.Další parametry impulsní charakteristiky Všechny parametry antény jsou vzájemně svázané a záleží na velikostech, orientaci a prostorovém rozložení zdrojů vyzařovaného pole – proudů na anténě (impedance, přizpůsobení, symetrizace, směrovost, zisk, účinnost, ztráty, přizpůsobení, polarizace …) 2 min 8 Základní typy antén

7 Parametry antén Primárními parametry antény jsou tedy její vyzařovací charakteristiky, znázorněné zpravidla diagramy - v závislosti na azimutu (0-360°) a výškovém úhlu. Další důležité parametry jsou vyzařovací úhel, šířka přenášeného pásma, polarizace, atd. Základní typy antén

8 Směrovost antén D ( direktivita) Základní typy antén

9 Směrovost antén D Je schopnost antény vyzařovat/přijímat elektromagnetické vlny v požadovaném směru, tuto směrovost posuzujeme dle tzv. vyzařovacích charakteristik D - udává, kolikrát musíme zvýšit výkon vysílače při přechodu z měřené antény (např. směrové) na referenční (všesměrovou ), abychom dosáhli v libovolném místě příjmu stejné intenzity EMG jako s anténou měřenou. Základní typy antén

10 D(-) směrovost antény Směrovost D (=directivity) je bezrozměrný poměr intenzity vyzařování Uv daném směru k intenzitě vyzařování referenční antény U0. Obvyklou referenční anténou je půlvlnný dipól, méně použí-vaným je všesměrový (izotropní) zářič nebo elementární dipól. Základní typy antén

11 Směrovost antén ( direktivita)
Směrovost je základním parametrem antény, je měřítkem toho, jak 'směrový' je vyzařovací diagram antény. Anténa, která vyzařuje rovnoměrně ve všech směrech-izotropně, by skutečně měla nulovou směrovost a směrovost tohoto typu antény by byla 1 (nebo také 0 dB). PŘÍKLAD z praxe Antény pro mobilní telefony by měly mít nízkou směrovost, protože signál může přijít z jakéhokoliv směru. V kontrastu s tím, satelitní antény mají velmi vysokou směrovost, protože jsou určeny pro příjem signálů z pevného směru. Směrovost nikdy nemůže být teoreticky menší než 0 dB. Základní typy antén

12 Účinnost a zisk G (dB)antény
Anténa připojena k vysilači se chová jako spotřebič, představuje pro něj zatěžovací odpor (impedanci). Tento zatěžovací odpor je dán součtem vyzařovacího odporu, a odporu ztrátového.. Celkový vyzářený výkon anténou Pvyz a výkon Pvst na vstupu bezeztrátové antény jsou svázány vztahem Kde vyzařovací účinnost antény: Zisk G antény je obecně svázán se směrovostí D vztahem (udává se v dBi resp. v dBd) Vyzařovací odpor Rvyz závisi na uspořádání antény, a její vzdáleností od země, a ostatních překážek. Ztrátový odpor je závislý na materialu, průměru, a délce vodiče, z něhož je anténa zhotovena Základní typy antén

13 Používané antény Rozdělení z hlediska směrových vlastností Směrové
vysílaný výkon je soustředěn do úzkého prostorového úhlu malá šířka svazku v obou hlavních rovinách Sektorové (podle tvaru též panelové) malá šířka svazku ve vertik. rovině, větší v horizont. rovině řady 1xN nebo MxN žářičů, které vykrývají určitou část prostoru Všesměrové vykrývají celý prostor 360° (v horizontální rovině, ve vertikální rovině může být šířka svazku užší) Základní typy antén

14 Vyzařovací/ směrové charakteristiky
– je grafické znázornění hodnot amplitudy a fáze intenzity elektrického pole E - určuje/měří se v hlavních řezech (E a H rovinách) Základní typy antén

15 Grafické vyjádření směrových vlastností antény
Základní typy antén

16 Směrová charakteristika antény (grafické vyjádření směrových vlastností antény)
Směrová charakteristika (směrový diagram) je grafickým vyjádřením směrových vlastností antény. (pro velmi velkou vzdálenost od antény). Směrová charakteristika se většinou vykresluje pro určitou rovinu (např. pro rovinu kolmou k dipólu nebo pro rovinu, v níž dipól leží). Základní typy antén

17 Směrová charakteristika antény v polárních souřadnicích
Základní typy antén

18 Vyzařovací úhel antény (-3 dB )
Důležitým parametrem je velikost úhlu (), ve kterém neklesne napětí na anténě o víc jak -3 dB (50% pokles výkonu) –tzv. třídecibelová šířka hlavního svazku. Jednotlivé laloky jsou odděleny směry nulového příjmu. V tomto směru je anténa naprosto necitlivá, čehož se dá velmi dobře využít pro potlačení rušivého signálu. Rušič je vhodné nasměrovat do směru nulového příjmu i za cenu, že užitečný signál nedopadá ve směru hlavního maxima.  Tzv. třídecibelová šířka hlavního svazku…napětí na anténě neklesne o víc jak 3 dB (50% pokles výkonu) Základní typy antén

19 Vysoce ziskové ( směrová) anténa
Základní typy antén

20 Reflektorová anténa -vysoce ziskové ( směrové) antény-
Parabolická anténa zisk dle průměru reflektoru 15 až 24 dBi, i více maximální zisk = optimální ozáření (14dB pokles na hraně reflektoru) Ozařovač: plechovka – ústí vlnovodu yagi biquad – dvousmyčková anténa koutový ozařovač šroubovice Reflektorové antény sestávají z tzv. primárního zářiče (např. dipól) a z reflektoru (např. paraboloid). Dopadá-li na paraboloid rovinná vlna, parabolický reflektor soustřeďuje veškerou zachycenou energii do svého ohniska. Je-li v ohnisku umístěna primární anténa, je výsledkem velmi silný signál na jejím výstupu. Základní typy antén

21 Zisk antény ( dB-i;d) ( dB-i;d)
Zisk G antény je obecně svázán se směrovostí D vztahem (udává se v dBi resp. v dBd) ( dB-i;d) Základní typy antén

22 Zisk antény ( dB-i;d) Zisk udává, kolikrát větší napětí dodá na své svorky anténa přijímající ve směru svého hlavního maxima v porovnání s referenční anténou. Obvyklou referenční anténou je půlvlnný dipól, méně používaným je všesměrový (izotropní) zářič ( dBi) nebo elementární dipól.( dBd) Zisk antény se liší od zisku zesilovače tím, že anténa neobsahuje žádné aktivní obvody, a nemůže tedy zvýšit sílu signálu. Zisk antény udává v decibelech, jak se tvar vyzářeného pole liší od izotropní ideální všesměrové antény (jednotka dBi). Základní typy antén

23 Zisk G antény ( dB) Zisk udává, kolikrát větší napětí dodá na své svorky anténa přijímající ve směru svého hlavního maxima v porovnání s referenční anténou. Obvyklou referenční anténou je půlvlnný dipól, méně používaným je všesměrový (izotropní) zářič nebo elementární dipól. G = 10log P1/P2 = 20log U1/U2 U1-napětí měřené soustavy U2-napětí srovnávacího dipólu Zisk antény tedy vyjadřuje kolikrát větší napětí je na svorkách antény než na svorkách samotného půlvlnného dipólu. Základní typy antén

24 Zisk antény Vztahy zisku mezi jednotlivými typy uvádí následující tabulka: Základní typy antén

25 Decibel je Decibel je míra vytvořená v roce 1923 inženýry Bellových laboratoří původně sloužila k udávání útlumu telefonního vedení. Například pokles (útlum) o 3 dB u výkonu značí poloviční výkon, naopak zisk (zesílení) o 3 dB je dvojnásobný výkon (pozor, pro jiné veličiny jako např. napěťový přenos toto neplatí). Decibel je jednotka nejznámější svým použitím pro měření hladiny intenzity zvuku, ale ve skutečnosti se jedná o obecné měřítko podílu dvou hodnot, které se používá v mnoha oborech. Jedná se o fyzikálně bezrozměrnou míru, obdobně jako třeba procento, ovšem na rozdíl od něj je decibel logaritmická jednotka, jejíž definice souvisí s objevením Fechner-Weberova zákona, že totiž lidské tělo vnímá podněty logaritmicky jejich intenzitě (i velké změny velkých podnětů způsobují jen malé změny počitků). Základní typy antén

26 Radiotechnika a dB. V radiotechnice vyjadřuje dBi zisk antény v poro-vnání s izotropní anténou, dBd zisk v porovnání s půlvlnným dipólem (místo dBd se častěji setkáme jenom s označením dB) Platí dBi = 2,16 + dBd Základní typy antén

27 O decibelu (dB;dBi,d): Je třeba mít vždy na paměti, že dB vždy vyjadřuje pouze poměr! Aby se úrovně, zisky a útlumy snadno počítaly, používají se decibely (dB). Je to bezrozměrná jednotka (podobně jako procento), která umožňuje používat místo pojmu "změna na X procent původní hodnoty" (tedy násobení) pojem "změna o Y dB" (tedy sčítání). Při vyjadřování úbytku (útlumu) nebo přírůstku (zisku) znamená kladná hodnota v dB znamená poměr větší než jedna, záporná hodnota v dB znamená poměr menší než jedna. 0 dB žádný útlum a žádný zisk, tedy poměr 1:1, tj. v obou případech je na výstupu stejná úroveň jako na vstupu. 2. Vyjadřujeme-li v dB i absolutní úroveň (sílu) signálu, pak jsou to vždy dB vztažené k nějaké (dohodnuté, standardní) hodnotě. Tedy 0 dB signálu neznamená žádný signál, ale naopak přesně tu samou úroveň, na které jsme se předem domluvili a ke které vše vztahujeme. Úroveň signálu vyjádřená v dB může být i záporná - je-li signál menší, než ta vztažná hodnota. Základní typy antén

28 Polarizace (=zjedušeně orientace vektoru E vůči zemskému povrchu)
POKUS: Jsou-li vodiče mříže a dipóly rovnoběžné, chovají se jako rezonátory: pohlcují dopadající energii Plošný vodič je pro elektromagnetické vlnění překážkou, kterou vlnění neproniká a odráží se od ní. Princip polarizace lze velmi hrubě přiblížit na člověku, který nese v náručí stejné latě, které ale nejsou vzájemně rovnoběžné. Polarizovat pak znamená nechat projít jen ty latě, které mají určitý směr (např. mezi dvěma sloupky plotu, …). Základní typy antén

29 B-šířka pásma antény (B-andwidth )
Šířka pásma B je další zásadní parametr antény. Tento popisuje rozsah frekvencí, pro které může anténa řádně vyzařovat nebo přijímat energii. Často je požadovaného pásmo jedním z rozhodujících ukazatelů pro volbu antény. PŘÍKLAD z praxe mnohé antény ( klasická Yagi) mají velmi úzkou šířku pásma a nelze je použít pro širokopásmový provoz Základní typy antén

30 Impedance antény Z [Ω] Základní typy antén

31 Impedance Z antény Je dána poměrem napětí a proudu: Z = u/i (popř. elektrické a magnetické složky) na místě připojení antény k napáječi. Jedná se o součet reálné a imaginární (jalové) složky, který měříme v Ohmeh. Za=Rvst  jX . Ideálně tenký půlvlnný dipól vzdálen od všech předmětů má na svorkách impedanci 73,13 . Protože není možné, aby všechny články měly shodnou vlnovou impedanci, používají se transformační členy. Základní typy antén

32 Základní vlastností dipolu:
Dipól má zisk 0 dB Někdy se stane, že potřebujeme použít anténu pro kmitočet, pro který není její délka násobkem poloviny vlnové délky. Znamená to, že kapacita a indukčnost vodiče antény netvoří rezonanční obvod pro potřebný kmitočet. V takovém případě zařadíme do serie s anténou cívku nebo kondenzátor a tím její rezonanční kmitočet změníme. Tomuto způsobu říkame elektrické prodlužování nebo zkracování antény. Cívkou prodlužujeme, kondenzátorem zkracujeme. Základní typy antén

33 Přizpůsobení impedancí
Impedančním přizpůsobením rozumíme stav, při kterém v obvodu nedochází k odrazu vln a naopak dochází k maximálnímu přenosu energie ze zdroje do zátěže. Impedančním přizpůsobením rozumíme situaci, při níž činitelé odrazu zátěže a zdroje (generátoru) jsou komplexně sdruženy Základní typy antén

34 Vstupní impedance, vyzářený výkon
Vstupní impedance Z je poměr napětí a proudu na vstupních svorkách Základní typy antén

35 Přizpůsobení napáječe k anténě či přijímači
Z [Ω] je vlastní impedance, která by měla být reálná (bez imaginární složky); Impedance antény musí být alespoň přibližně stejná, jako impedance přívodního kabelu, aby nedocházelo k odrazům a k nárůstu odraženého výkonu . Špatným přizpůsobení napáječe k anténě či přijímače vznikají ztráty, které jsou způsobeny vznikem stojatých vln. Správné impedanční přizpůsobení jednotlivých článků vf řetězce je nejdůležitější podmínkou pro správný přenos vf energie. pokud tomu tak není, používá se tzv. impedančních transformátorů, které jsou obvykle spojeny se symetrizačními členy. v TV technice mají takřka všechny antény impedanci 300 ohmů, ta se přímo u svorek antény transformuje na impedanci kabelu - ta je obvykle 75Ω. Základní typy antén

36 Impedanční přizpůsobení antény (symetrizace)
Správné impedanční přizpůsobení jednotlivých článků vf řetězce je nejdůležitější podmínkou pro správný přenos vf energie. Protože není možné, aby všechny články měly shodnou vlnovou impedanci, používají se transformační členy. Pro přizpůsobení vf kmitočtů nelze použít transformátory jako u nf, ale používá se transformačních účinků vedení dlouhého ¼  a ½ . Vlna při průchodu úsekem vedení dlouhým ½  změní svou fázi na opačnou! Tím lze transformovat jak velikost vlnové impedance tak i povahu (symetrická-nesymetrická), což umožňuje připojení antén (symetrická) na souosé vedení. Nejsnažší obvody jsou pro transformaci impedance v poměru Znesym / Zsym v poměru 1/4. To je důvod pro stanovení impedance symetrického napáječe (dvoulinky) na 300  a souosého (nesymetrického) 75 . Při snaze o jednoduché připojení souosého napáječe na symetrické anténní svorky ( bez přizpůsobení a symetrizace) dochází k ztrátám výkonu nepřizpůsobením a fázové chyby způsobí změnu směru maximálního příjmu Základní typy antén

37 Impedanční přizpůsobení antény (symetrizace
Základní typy antén

38 Impedanční vf-transformátor
Impedanční transformátor na vysokých frekvencích plní stejné funkce jako transformátor na nízkých kmitočtech. Transformuje napětí, proud a impedanci. Jen jeho konstrukce je jiná. Nejjednodušším příkladem vysokofrekvenčního impedančního transformátoru je vedení, dlouhé čtvrtinu vlnové délky. Pro takové vedení totiž platí kde Z0tr2 značí kvadrát charakteristické impedance čtvrtvlnného vedení. Je-li vedení zakončeno impedancí Z0out, pak na jeho vstupu se jeví jako impedance Z0in. Základní typy antén

39 Činitel odrazu G, PSV diskontinuita Základní typy antén

40 Poměr stojatých vln (PSV)
Poměr stojatých vln (PSV) kvantifikuje stojaté vlnění. PSV je pro bezeztrátové vedení (prostředí) konstantní a je definován jako poměr amplitudy napětí (proudu) stojaté vlny v kmitně k amplitudě napětí (proudu) v uzlu. Pro vedení (prostředí) ztrátové počítáme PSV v určitém místě z hodnoty činitele odrazu ρ v tomtéž místě Základní typy antén

41 Efektivní plocha a délka antény
Aef = PP/Sdop efektivní (absorpční) plocha, z níž je výkonová hustota převedena na výkon na svorkách antény závisí na zisku antény a vlnové délce Lef = Ui/E efektivní délka antény, při níž se vlivem dopadající intenzity elektromagnetického pole naindukuje na svorkách antény napětí U Základní typy antén

42                                                                                                                                                                                        Obr. 4.1: Vertikální směrové charakteristiky v závislosti na délce a) λ / 2     b) 2· λ / 2      c) 4· λ / 2     d) 8· λ / 2 Základní typy antén

43 Vyzařovací/směrové charakteristiky (2)
Základní typy antén

44 Polarizační vlastnosti (1)
Polarizace vlny vyzařované anténou do daného směru je průmět koncového bodu vektoru intenzity elektrického pole do roviny kolmé na směr šíření (ve vzdáleném poli) Druhy polarizace - eliptická (obecně každá) - lineární (horizontální, vertikální) - kruhová (pravotočivá, levotočivá) Základní typy antén

45 Impulsní charakteristiky
Měření UWB antén (3,1 – 10,6 GHz, BW > 100%) impulsní odezvy skupinového zpoždění Cordless phone Microwave Oven /3/4 802.11b/g Cell phone UWB 1.8 – 2.0 GHz 3.1GHz 10.6GHz f 2.5 GHz Základní typy antén

46 Impulzní odezva (1) 1 ft Transmitted Signal at input of
Impulse Generator Oscilloscope UWB Antenna Double Ridge Horn Antenna Anechoic Chamber ATT Transmitted Signal at input of Double Ridge Horn Antenna 500ps/Div 10mV/Div převzato: Mick Aoki, Taiyo Yuden/TRDA Základní typy antén

47 Impulzní odezva (2) Received Signal by Antenna A 500ps/Div 10mV/Div
Received Signal by Antenna B 500ps/Div 10mV/Div převzato: Mick Aoki, Taiyo Yuden/TRDA Základní typy antén

48 Impulzní odezva (3) Received Signal by Antenna C 500ps/Div 10mV/Div
Received Signal by Antenna D 500ps/Div 10mV/Div převzato: Mick Aoki, Taiyo Yuden/TRDA Základní typy antén

49 Skupinové zpoždění Sample : Antenna A
převzato: Mick Aoki, Taiyo Yuden/TRDA Základní typy antén

50 Děkuji za pozornost Základní typy antén