Antena - urządzenie radiotechniczne służące do odbioru lub nadawania fal radiowych lub mikrofalowych.
Charakterystyka anteny. Charakterystyka promieniowania anteny nadawczej lub charakterystyka odbiorcza anteny odbiorczej są takie same, jest to tzw. zasada odwracalności. Charakterystyka anteny określa jej zdolność do koncentrowania promieniowanej energii elektromagnetycznej w określonym kierunku lub zdolność do kierunkowego jej odbioru.
Charakterystyka anteny jest to miejsce geometryczne punktów w przestrzeni o jednakowym natężeniu pola elektromagnetycznego promieniowanego przez antenę. Jest to trójwymiarowa bryła, ale dla celów praktycznych wygodnie jest rozpatrywać jej dwa przekroje, w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Zwykle mówi się wówczas o charakterystykach azymutalnej (w płaszczyźnie poziomej) i elewacyjnej (w płaszczyźnie pionowej). Przekroje charakterystyk wykreśla się w układzie współrzędnych biegunowych (rysunek po lewej) lub prostokątnych (rysunek po prawej), co jest wygodniejsze i praktyczniejsze, ponieważ wykres można rozciągnąć dla odwzorowania drobnych szczegółów. W drugim przypadku na osi poziomej odmierza się kąt, a na osi pionowej względny poziom promieniowania odniesiony do promieniowania maksymalnego.
Idealna antena kierunkowa, tzn. taka, która promieniuje w danym kącie bryłowym z jednakową intensywnością i nie promieniuje nic poza tym kątem, nie może być w praktyce zrealizowana. Rzeczywista antena kierunkowa ma charakterystykę promieniowania różniącą się od idealnej występowaniem dwóch efektów. Po pierwsze, nie istnieje wyraźna granica sektora promieniowania, a intensywność promieniowania zmniejsza się mniej lub bardziej łagodnie ze wzrostem kąta między osią wiązki i danym kierunkiem. Po drugie, oprócz wiązki, w której koncentruje się największa część promieniowanej energii, występują tzw. listki boczne, czyli dodatkowe kierunki promieniowania. Ponieważ dąży się do zminimalizowania promieniowania w listkach bocznych, to ich poziom jest niekiedy o 2 lub 3 rzędy wielkości mniejszy od listka głównego. Dla ich zobrazowania oś pionową wykresu charakterystyki często skaluje się w decybelach.
Szerokość wiązki w danej płaszczyźnie stanowi kąt głównego listka znajdujący się pomiędzy kierunkami, w których natężenie pola elektromagnetycznego spada o 3 dB.
Zysk kierunkowy jest miarą kierunkowości anteny. Jest to liczba wskazująca, ile razy trzeba zwiększyć moc promieniowaną przez antenę izotropową, tzn. promieniującą jednakowo we wszystkich kierunkach, ażeby uzyskać w pewnym punkcie przestrzeni taką samą wartość natężenia pola, jakie wytwarza antena kierunkowa na kierunku swego maksymalnego promieniowania. Zysk kierunkowy dla odbioru można interpretować jako „kierunkową czułość” anteny. W radiolokacji zwykle stosuje się pojęcie zysku kierunkowego tak dla procesu nadawania, jak i odbioru. Anteny radiolokacyjne często mają zysk kierunkowy wynoszący kilkaset, a nawet kilka tysięcy.
1. Pomiar charakterystyki kierunkowej anteny tubowej w dwóch płaszczyznach prostopadłych i oszacowanie odpowiadającej kierunkowości z charakterystyki kierunkowej.
2. Określenie natężenia I mikrofal jako funkcji odległości miedzy dipolem odbiorczym a anteną tubową, z weryfikacją prawdziwości praw.
Ustawienie eksperymentu obu części pokazane na rys. 1. Nadajnik i antena dipolowa odbiornika są ustawione w odległości 60cm nad powierzchnią stołu, aby uniknąć interferencji z odbitymi mikrofalami od powierzchni stołu (długość fali l=3,18cm).
Obiekty mogące odbijać mikrofale powinny być usunięte z sąsiedztwa doświadczenia. Ponadto bliskość miernika cyfrowego z kablem BNC do zewnętrznego źródła interferencji elektromagnetycznej (np. gniazdo-wtyczka) może być przyczyną sygnału zakłócającego.
Aby rozpocząć, napięcie odbicia jest ustawione na maksymalny sygnał nadawania. Odbiornik dipolowy powinien być równoległy do wektora pola elektrycznego E ( wzdłuż węższej strony anteny tubowej) mikrofal podczas pomiarów, aż do zapewnienia maksymalnego sygnału odbioru.
Rys. 1. Ustawienie eksperymentu. Pole promieniowania anteny tubowej.
1. Sugerowane do wyznaczenia głównego kierunku promieniowania anteny, poprzez określanie pozycji dwóch kątów dipola odbiorczego (ze stałą odległością r dipola odbiorczego od przodu kąta anteny nadawczej), dla każdego zmierzonego napięcia stałego zmniejszonego do tej samej wartości (w przybliżeniu połowa maksymalnego napięcia). Punkt centralny pomiędzy tymi dwoma pozycjami jest głównym kierunkiem radiacji. Charakterystyka kierunkowości promieniowania anteny jest zmierzona między u=-90° i u=+90° z krokiem co 5° i dla różnych wartości r w płaszczyźnie polaryzacji Cu(u, j=0°) (uformowany przy pomocy wektora pola elektrycznego i kierunku propagacji mikrofal) oraz w płaszczyźnie prostopadłej i końcowej wartości Cu(u, j=90°).
2. Drążek statywu PASS l=1000 mm został odwrócony do tyłu głównego kierunku promieniowania. Napięcie U prądu stałego DC w diodzie odbiorczej i dlatego natężenie I które jest proporcjonalne do U jest określone od r = 10 cm do 100 cm z krokiem równym 5 cm. Wyniki eksperymentu zostały porównane z teoretycznymi przewidywaniami spadku natężenia pola wektora E.
Rys. 2. Schemat tuby piramidowej.
Antena działa jako konwerter fali, która umożliwia konwertowania kierowanych fal elektromagnetycznych tak ich jak mody falowodu do wolnej przestrzeni fal i odwrotnie. Anteny są dlatego konieczne do transmisji bezprzewodowej energii elektromagnetycznej lub wiadomości. Jeśli antena została z optymalizowana pole fal charakterystycznej impedancji falowodu zdefiniowano jako iloraz pomiędzy składowymi elektrycznego pola poprzecznego oraz poprzecznego pola magnetycznego:
(1)
jest w przybliżeniu ciągła do tej wolnej porzestrzeni
Ten drugi został określony na podstawie prawa Maxwella:
(2)
Jeśli to jest ten przypadek prowadzona fala jest emitowana od anteny praktycznie bez odbić i odpowiednio przekonwertowana z bardo małymi stratami przez odbiornik od wolnej przestrzeni to prowadzonej fali.
Kierunkowa charakterystyka CE(u,j) i CU(u,j) są ważnymi charakterystycznymi wielkościami anteny transmisyjnej. One reprezentują kierunkową zależność natężenia pola elektrycznego mikrofal lub odpowiednio odbiór napięcia U w antenie odbierającej (proporcjonalna do natężenia I) pod warunkami obszaru Fraunhofera (warunki obszaru Fraunhofera są ważne dla długości fali l fali przestrzennej i dla wymiarów anteny które są znacząco mniejsze niż r.
Kierunkowość D anteny można wyrazić:
(3)
jest całkowicie określona poprzez jego charakterystyczne kierunkowe wielkości. SA i SI. są natężeniami wiązki w głównym kierunku emisyjnym rozważanej anteny lub izotropowego radiatora, to jest kątowa moc emisyjna mikrofal na jednostkę powierzchni emisyjnej oraz na jednostkę kąta bryłowego. W przypadku diody odbiorczej która jest mniejsza w porównaniu do pola, kierunkowość D jest także dana przez odpowiadającą relację sygnału napięcia U lub natężenia I w dipolu odbiorczym:
(4)
Kierunkowość może być wyznaczona wg poniższej relacji:
(5)
gdzie CU,max jest sygnałem napięcia w głównym kierunku radiacyjnym.
W tym przypadku gdy w charakterystyce anteny główny listek promieniowania anteny mocno dominuje nad innymi listkami równanie (5) może być zastąpione równaniem przybliżonym (6) (cf. literature reference):
(6)
gdzie oraz są kątowymi szerokościami listka charakterystyki promieniowania anteny (podanych w stopniach).dla dwóch prostopadłych płaszczyzn wewnątrz których natężenie I jest cztery razy większa od maksymalnej wartości U.
Rys. 3. Kierunkowa charakterystyka CU(u,j=0) anteny tubowej w płaszczyźnie polaryzacji dla różnych odległości.
Rys. 4. Kierunkowa charakterystyka CU(u,j=p/2) anteny tubowej prostopadle do płaszczyzny polaryzacji dla różnych odległości
Anteny tubowe rozpatrywane w tym eksperymencie (zob. Rys. 2) są często używane jako anteny kierunkowe, ponieważ jako rozwinięcie prostokątnych falowodów, dobrze dopasowują impedancje falową falowodu do impedancji wolnej przestrzeni:
(7)
Jeśli a>>l tylko niewielka część prowadzonej fali jest odbita od tuby. Kolejny ważnym punktem jest duża kierunkowość anteny i może być rozpoznana zarówno poprzez charakterystyczny kierunek płaszczyzny polaryzacji (Rys. 3) jak również poprzez płaszczyznę prostopadłą. (rys. 4). Ponadto drugie maksimum może być widoczne dla u = 45° na rys. 4. Drobne odchylenie charaktery kierunkowych dla r = 20 cm i r = 60 cm spowodowane jest bliskością efektów polowych. Z równania (6) otrzymuje wartość
D » 23 (8)
z ćwiartkowych szerokości = 45° oraz= 45°.
Wraz ze wzrostem odległości r od źródła sferyczna fala elektromagnetyczna równomiernie traci swoje natężenie związane zasada zachowania energii: energia emitowana z kątem przestrzennym W w poprzecznym obszarze który rośnie z kwadratem (A=Wr2, Rys. 5). Natężenie I fali można wtedy opisać zależnością
(9)
gdzie dE/dt średnią energią traconą przez powierzchnię A w jednostce czasu, która maleje kwadratowo z odległością (teoretycznymi przewidywaniami spadku natężenia pola wektora E)
(10)
Rys. 5 Geometryczne teoretyczne przewidywaniami spadku natężenia pola wektora E.
w obszarze Fraunhofera antena formuje fale sferyczną ze sferyczną czołem fali. Zależność pomiędzy sygnałem napięcia U lub i odległością r potwierdza z teoretycznymi przewidywaniami spadku natężenia pola wektora E. Oscylacyjne odchyłki od linii prostej możemy zobaczyć na rys. 7 dla r = 60 cm, które spowodowane interferencją z mikrofalami odbitymi. W wyniku czego natężenie pola elektrycznego maleje z odwrotnością odległości od źródła promieniowania.
(11)
Wirtualna pozycja źródła punktowego zwana także centrum fazy, leży w przybliżeniu 15 cm za frontem krawędzi anteny tubowej.
Rys. 6 Sygnał napięcia w funkcji odległości.
Rys. 7. U-1/2 w funkcji odległości.
morion