SERWIS ELEKTRONICZNY - RADIOELEKTRYKA SOSNOWIEC POLSKA

NIEZALEŻNA DZIAŁALNOŚĆ BADAWCZO - NAUKOWA KLIKNIJ NA OPIS DOKUMENTU

WWW.RADIOELEKTRYKA.GLT.PL WWW.RADIOELEKTRYKA.PRV.PL

Opis pola magnetycznego Pole magnetyczne to przestrzeń, w której występują oddziaływania magnetyczne. Źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki elektryczne. Oddziaływania magnetyczne mogą mieć charakter przyciągający (pomiędzy biegunami różnoimiennymi N i S) lub odpychający (pomiędzy biegunami jednoimiennymi N i N oraz S i S). Linie pola magnetycznego wyznaczają hipotetyczne tory, po których poruszałby się pojedynczy biegun magnetyczny N. W miejscach większego zagęszczenia linii oddziaływania magnetyczne są silniejsze. Linie pola magnetycznego, w przeciwieństwie do linii pól: grawitacyjnego i elektrostatycznego, są zawsze zamknięte (zaczynają się na biegunie N, kończą na biegunie S). Pola magnetyczne magnesów stałych: sztabkowego i podkowiastego przedstawione zostały na rysunkach:

Pole wewnątrz magnesu podkowiastego jest polem jednorodnym. Ziemia jako magnes – magnetyzm ziemski wiąże się prawdopodobnie z poruszającymi się ładunkami elektrycznymi w gorącym jądrze Ziemi. Znajdują się tam metale w stanie zjonizowanym. Na skutek obrotu Ziemi wokół własnej osi swobodne elektrony i dodatnie jony metali stanowią swoiste prądy wirowe. Linie ziemskiego pola magnetycznego przedstawione zostały na rysunku:

Antena J-Pole/Slim oraz Slim Jim/J-Pole

Wykres Smitha umożliwia wyznaczenie impedancji linii w dowolnym jej miejscu, odczytanie współczynnika odbicia, a także WFS
Charakterystyka promieniowania obrazuje, w jaki sposób antena promieniuje energię w zależności od kierunku. Przedstawia ona unormowany rozkład pola elektrycznego lub też względny rozkład powierzchniowej gęstości mocy. Charakterystyki są wyznaczane w dwóch płaszczyznach, poziomej i pionowej. Mogą być także przedstawiane w postaci trójwymiarowej. Na podstawie charakterystyk można określić kierunek oraz poziom wiązki głównej i, zazwyczaj niepożądanych, wiązek bocznych i wstecznych. Wyznacza się także kąt połowy mocy odnajdując na charakterystyce punkty, w których natężenie pola spada o 3dB.

Promieniowanie dipola.

Wzór dB, znormalizowane przez Maximum

Wzór pole E (H-Pole) normalny, znormalizowane przez wartość połowy długości fali dipol (Theta = 90degrees)

Rysunek przedstawia kształt fali stojącej na dipol anteny.

Charakterystyka promieniowania anteny Slim Jim / J-Pole

Charakterystyka promieniowania anteny J-Pole

Minimalny zasięg stacji Fm z anteną J-Pole

Ferryt – składnik fazowy i strukturalny stopów żelazo-węgiel, roztwór stały jednego lub więcej pierwiastków w żelazie α lub żelazie δ. Stal nierdzewna – grupa stali o specjalnych właściwościach fizykochemicznych, odpornych na korozję ze strony np.: czynników atmosferycznych (korozja gazowa), rozcieńczonych kwasów, roztworów alkalicznych (korozja w cieczach). Nierdzewność uzyskuje się poprzez wprowadzenie do stali odpowiednich dodatków stopowych. W przypadku stali chromowej nierdzewnej jest to chrom, a amerykańska norma AISI określa jego minimalną zawartość na 11%

SlimJIM

Strefy promieniowania W otoczeniu anteny, która jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego, w zależności od odległości, można wyróżnić trzy strefy: bliską zwaną też reaktancyjną, pośrednią oraz daleką. W obrębie strefy bliskiej anteny gromadzona jest energia i w związku z tym nie jest ona promieniowana na zewnątrz. Granicę strefy reaktancyjnej wyznacza iloraz długości fali i 2π. W obrębie strefy pośredniej występuje już promieniowanie. Dzieje się tak ze względu na zmiany w charakterze pola. Odległość, którą przyjmuje się jako koniec strefy pośredniej oblicza się uwzględniając rozmiary anteny. Granica strefy pośredniej jest proporcjonalna do kwadratu największego wymiaru anteny. W przypadku większych odległości mamy do czynienia ze strefą daleką, zwaną również strefą promieniowania. Lokalnie w obszarze tej strefy fala ma charakter fali płaskiej. W strefie dalekiej są mierzone charakterystyki promieniowania anteny. Charakter każdej ze stref wynika bezpośrednio ze wzorów opisujących pole elektryczne i magnetyczne w otoczeniu źródła promieniowania. Poszczególne składniki tych zależności są odwrotnie proporcjonalne do odległości od anteny, a także do tej odległości podniesionej do kwadratu i do potęgi trzeciej. W związku z tym wraz ze wzrostem odległości kolejne składniki tracą na znaczeniu, a to wpływa na właściwości wypadkowego pola.

Antena izotropowa to hipotetyczny przykład anteny punktowej, która promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach.

Schemat zastepczy anteny.

Polaryzacja O polaryzacji anteny decyduje kształt figury, jaką „wykreśla” koniec wektora natężenia pola elektrycznego w czasie propagacji fali. W polu dalekim jest przyjęte, że fala ma charakter fali płaskiej. Podstawową właściwością tego rodzaju fali jest to, że wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego są wzajemnie ortogonalne. Jednocześnie są też prostopadłe do kierunku propagacji fali. Wyróżnia się trzy główne rodzaje polaryzacji: eliptyczną, kołową (prawo- i lewoskrętną) i liniową - poziomą oraz pionową względem powierzchni ziemi. Na polaryzację fali mogą też wpływać odbicia, której mają miejsce w trakcie propagacji fali. Wówczas trudno przewidzieć polaryzację fali docierającej do odbiornika, a w związku z tym trudno odpowiednio dobrać polaryzację anteny odbiorczej. Ma to istotne znaczenie zwłaszcza w przypadku urządzeń przenośnych. W ich przypadku trzeba mieć pewność, że będą pracować w każdej pozycji. Z tego powodu czasem trzeba pogodzić się z utratą części mocy lub zastosować w system dwóch anten o różnych polaryzacjach. Można wówczas uniknąć sytuacji całkowitego zaniku sygnału

Parametry anten Parametry rzeczywistych anten są często podawane w odniesieniu do anteny izotropowej – teoretycznej idealnej konstrukcji, która promieniuje energię równomiernie we wszystkich kierunkach i charakteryzuje się 100-procentową sprawnością. Powszechnie używanym parametrem anten jest EIRP (Effective Isotropic Radiated Power), czyli zastępcza moc promieniowana izotropowo. Parametr ten określa moc, którą należałoby zasilać antenę izotropową, aby gęstość mocy w otoczeniu tej anteny była taka sama jak gęstość mocy w kierunku maksymalnego promieniowania rzeczywistej anteny, w której występują straty mocy. O tym, że nie cała moc doprowadzona do zacisków wejściowych jest w antenie przekształcana w promieniowaną falę informuje zysk energetyczny anteny (gain). O stratach w antenie, głównie cieplnych, informuje sprawność energetyczna. Jest to stosunek mocy promieniowanej przez antenę do mocy na zaciskach wejściowych. Definicja sprawności w odniesieniu do anten nie odbiega więc od definicji tego pojęcia w innych dziedzinach. Zysk energetyczny oprócz sprawności anteny opisuje również jej właściwości kierunkowe. Parametrem, który określa w jakim stopniu antena jest zdolna do skupiania energii jest jej zysk kierunkowy (directivity), czyli stosunek gęstości promieniowania w danym kierunku do średniej gęstości promieniowania. Maksymalna wartość zysku kierunkowego, nazywana kierunkowością, jest definiowana w odniesieniu do anteny izotropowej. Kierunkowość mówi o tym, ile razy gęstość promieniowania danej anteny w kierunku maksymalnego promieniowania jest większa od gęstości promieniowania anteny izotropowej, w przypadku promieniowania przez obie anteny takiej samej mocy. Ze względu na jednostkową wartość sprawności oraz kierunkowości anteny izotropowej zysk energetyczny takiej anteny jest również równy jedności. Bezpośrednio z tego wynika interpretacja parametru EIRP. Aby gęstość mocy w otoczeniu źródła izotropowego była równa gęstości mocy w otoczeniu anteny rzeczywistej, o kierunkowej charakterystyce promieniowania i o określonej sprawności, do anteny izotropowej należy doprowadzić moc, której wartość będzie uwzględniała parametry anteny rzeczywistej. W związku z tym EIRP jest równy iloczynowi zysku energetycznego danej anteny i mocy na jej zaciskach wejściowych. Gęstość mocy promieniowanej anteny izotropowej, wyrażana powierzchniową gęstością mocy, jest wyznaczana jako iloraz mocy promieniowanej (czyli EIRP w przypadku źródła izotropowego) i pola powierzchni kuli o promieniu r. Zależność między natężeniem pola elektrycznego i gęstością mocy jest analogiczna jak między napięciem i mocą w przypadku obwodu elektrycznego. Uwzględniając impedancję wolnej przestrzeni (120 π) na podstawie EIRP można wyznaczyć natężenie pola elektrycznego w dowolnej odległości od źródła.

W przypadku niedopasowania między linią transmisyjną i anteną zachodzi odbicie części transmitowanego sygnału.

W wyniku superpozycji fali padającej i odbitej powstaje fala stojąca.

Rozkład prądu i napięcia w dipolu półfalowym.

Charakterystyka promieniowania dipola półfalowego.

Zastępczy obwód anteny Na część rzeczywistą impedancji wejściowa anteny składa się rezystancja promieniowania oraz rezystancja strat. Pierwszy składnik jest związany z mocą wypromieniowaną przez antenę, a drugi odzwierciedla straty cieplne. Z kolei część urojona impedancji wejściowej anteny stanowi szeregowy obwód rezonansowy. Jest ona związana z energią gromadzoną w polu elektrycznym i magnetycznym w strefie bliskiej wokół źródła promieniowania. Analogicznie jak w przypadku każdego szeregowego obwodu rezonansowego dla częstotliwości rezonansowej impedancja ma tylko część rzeczywistą. Reaktancja wejściowa anteny jest zależna od jej wymiarów geometrycznych. Ważnym parametrem anteny jest pasmo pracy. Jest ono odwrotnie proporcjonalne do dobroci obwodu rezonansowego, która z kolei zależy od parametrów obwodu zastępczego anteny. Większa dobroć oznacza węższe pasmo. Duża selektywność anteny jest ważna ze względu na tłumienie niepożądanych sygnałów, z drugiej jednak strony nie zawsze jest to najlepsze rozwiązanie. Wąskie pasmo wymaga mniejszej tolerancji elementów dopasowujących. Ponieważ część reaktancyjna impedancji anteny zależy od jej wymiarów geometrycznych to, aby poszerzyć pasmo pracy anteny można jedynie celowo zwiększyć straty. Wówczas jednak maleje sprawność.

Dopasowanie O dopasowaniu linii transmisyjnej mówimy, gdy impedancja charakterystyczna linii jest taka sama jak anteny. W innym przypadku tylko część transmitowanego sygnału zostanie wypromieniowana przez antenę. Aby opisać ilościowo dopasowanie stosuje się różne miary dopasowania anteny do linii transmisyjnej, przede zaś wszystkim takie współczynniki jak: Γ, RL, ML i WFS. Współczynnik odbicia Γ jest definiowany jako stosunek amplitudy fali odbitej (napięciowej lub prądowej) do amplitudy fali padającej. Można go też wyznaczyć korzystając z wartości impedancji wejściowej anteny i impedancji linii transmisyjnej. Współczynnik odbicia jest wartością zespoloną. Chcąc zminimalizować straty odbicia należy znać jego moduł i argument. Jeżeli moduł współczynnika odbicia jest równy zero oznacza to, że cała moc fali padającej jest wydzielana w obciążeniu (antenie). Jest to więc przypadek idealnego dopasowania. Kolejnym współczynnikiem jest parametr zwany stratami odbicia lub tłumieniem niedopasowania (RL – return loss). Jest on definiowany jako stosunek mocy fali padającej do mocy fali odbitej. RL jest podawany w dB. W przypadku idealnego dopasowania współczynnik RL dąży do nieskończoności, ponieważ wówczas moc fali odbitej jest równa zero. W przypadku całkowitego odbicia RL wynosi 0. Można więc powiedzieć, że parametr RL dotyczy związku między mocą fali padającej i odbitej, podczas gdy zazwyczaj bardziej interesujący jest związek między mocą fali padającej i mocą fali wydzielającą się w obciążeniu. Związek ten określa parametr ML (mismatch loss). Opisuje on wpływ, jaki ma odbicie na moc promieniowaną przez antenę. Zarówno współczynnik RL, jak i ML można obliczyć na podstawie wartości współczynnika odbicia. W przypadku niedopasowania anteny do linii transmisyjnej w linii powstaje fala stojąca, będąca superpozycją fali padającej i odbitej. Falę taką opisuje współczynnik fali stojącej WFS (VSWR, voltage standing wave ratio), który jest definiowany jako stosunek maksymalnej amplitudy napięcia do amplitudy minimalnej. WFS przyjmuje wartości z zakresu od 1 – wówczas oznacza to idealne dopasowanie, czyli brak fali stojącej, do nieskończoności - w przypadku całkowitego odbicia.

Korzystając z metody odbić lustrzanych można zastąpić dipol półfalowy unipolem o długości ćwierć fali.

Anteny typu odwrócone L i F.

Wykres Smitha Często zdarza się, że antena ma inną impedancję wejściową niż linia transmisyjna. Wówczas, aby minimalizować straty mocy związane z występowaniem odbić, stosuje się elementy dopasowujące, np. odcinki linii wstawiane pomiędzy linię transmisyjną i antenę. Narzędziem przydatnym w procesie wyznaczania parametrów elementów dopasowujących jest wykres Smitha. Umożliwia on również wyznaczenie impedancji linii w dowolnym jej miejscu, odczytanie współczynnika odbicia, a także WFS.Wykres Smitha jest w rzeczywistości wykresem współczynnika Γ, który jest liczbą zespoloną. Wiadomo, że moduł współczynnika odbicia zawiera się w zakresie od 0 do 1, a argument mieści się w przedziale od -180º do 180º. Współczynnik Γ można w związku z tym przedstawić na wykresie kołowym i wówczas każdy możliwy współczynnik można odnaleźć jako punkt na tym wykresie. Na wykresie Smitha są również przedstawione okręgi znormalizowanej rezystancji oraz znormalizowanej reaktancji. Reaktancji związanej z indukcyjnością odpowiadają linie górnej części wykresu, a reaktancjom pojemnościowym linie dolne. Wartości są normalizowane względem impedancji charakterystycznej linii. Znając impedancję obciążenia można w prosty sposób wyznaczyć współczynnik odbicia. Wystarczy nanieść na wykres punkt odpowiadający tej impedancji (Zobc) i wykreślić okrąg, o środku w centrum wykresu, przechodzący przez Zobc. Prosta łącząca środek tego okręgu z punktem Zobc przetnie zewnętrzny okrąg, na którym naniesione są argumenty współczynnika Γ. Na podstawie promienia wykreślonego okręgu można wyznaczyć moduł współczynnika odbicia. Okręgi odpowiadające modułom Γ nie są nanoszone na wykres bezpośrednio, ale zazwyczaj pod wykresem znajduje się skala umożliwiająca odczytanie tej wartości.

Dipol półfalowy Jako antena wzorcowa przy w określaniu parametrów anten rzeczywistych używany jest również dipol półfalowy. Dla częstotliwości rezonansowej – to jest częstotliwość dla której długość dipola jest równa połowie długości fali – przebieg prądu ma maksimum w połowie anteny, przy jednoczesnym minimum napięcia w tym miejscu. Oznacza to niewielką impedancję, w związku z czym można porównać dipol półfalowy do szeregowego obwodu rezonansowego RLC. W przypadku anteny bezstratnej rezystancja promieniowania na ogół wynosi około 73Ω. Pasmo pracy jest związane z wymiarami geometrycznymi dipola. Ogólna zasada jest taka, że im większa średnica dipola, tym szersze jest pasmo pracy, a kierunkowość jego charakterystyki promieniowania wynosi 1,64. Wzdłuż osi dipol półfalowy nie promieniuje. Często zamiast anteny izotropowej za antenę wzorcową jest uznawany właśnie dipol półfalowy. Parametry badanej anteny są wówczas podawane w odniesieniu do parametrów dipola. Przykładem jest parametr ERP (Effective Radiated Power), którego definicja jest taka sama jak w przypadku parametru EIRP z tą różnicą, że dotyczy dipola półfalowego. Jak wiadomo przenikalność elektryczna przewodników jest większa od jedności. Oznacza to mniejszą prędkość rozchodzenia się fali niż w przypadku próżni, co ma wpływ na parametr nazywany smukłością anteny. Jest ona definiowana jako stosunek długości elementu promieniującego (wibratora) do jego średnicy. W przypadku, gdy smukłość ma skończoną wartość należy uwzględnić zmniejszenie prędkości rozchodzenia się fali w antenie. Aby uzyskać pracę w rezonansie należy wówczas odpowiednio skrócić długość anteny. W przypadku, gdy antena jest skonstruowana w postaci dwóch ścieżek na płytce wówczas pod uwagę należy brać również materiał, z którego została wykonana płytka. Ponieważ pole strefy bliskiej zamyka się częściowo w materiale płytki, a częściowo w otaczającym powietrzu wyznacza się efektywną wartość przenikalności elektrycznej. Jest ona uwzględniania przy wyznaczaniu długości anteny.

Antena śrubowa.

Mała antena pętlowa i jej obwód zastępczy.

Unipol Jeżeli jedno z ramion anteny półfalowej zostanie zastąpione nieskończenie rozległą płaszczyzną ziemi to, zgodnie z metodą odbić lustrzanych, charakterystyka promieniowania nad płaszczyzną pozostanie niezmieniona. Powstanie w ten sposób nowa struktura, zwana unipolem. Charakteryzuje ją dwukrotnie większa kierunkowość niż w przypadku dipola półfalowego oraz dwukrotnie mniejsza rezystancja promieniowania. Antena ta jest spolaryzowana liniowo. Realizacja rozległej płaszczyzny jest problemem w rzeczywistych konstrukcjach, dlatego płaszczyznę tę zastępują w przypadku tej struktury pręty o długości ćwierć fali. Otrzymana w ten sposób płaszczyzna o promieniu λ/4 jest zwana przeciwwagą (tzw. antena GP – Ground Plane). Dalsze modyfikacje prowadzą do anteny, w której przeciwwaga składa się tylko z jednego pręta, przez co cała struktura przypomina zgięty dipol półfalowy. Na etapie projektowania anteny istotny wpływ ma przestrzeń, którą może ona zajmować. Powszechne dążenie do miniaturyzacji powoduje, że szuka się sposobów na zmniejszanie wymiarów anteny. Przykładem takich rozwiązań są odmiany unipola - anteny typu odwrócone L i F. W przypadku anteny typu odwrócone L unipol nie na całej swojej długości jest prostopadły do płaszczyzny ziemi. Na pewnej wysokości antena jest zgięta i biegnie równolegle do płaszczyzny. Pozwala to ograniczyć przestrzeń zajmowaną przez antenę, ale jednocześnie zmniejsza rezystancję promieniowania. Anteny tego typu wymagają zazwyczaj układu dopasowującego. Istnieje jednak sposób na uniknięcie konieczności używania dodatkowych elementów dopasowujących. Zauważono, że na wartość impedancji wpływa położenie zacisków zasilania. Gdy ich położenie jest przesuwane w kierunku końca anteny impedancja rośnie. Fakt ten wykorzystano w antenie typu odwrócone F, w której dopasowanie osiąga się właśnie przez odpowiednie usytuowanie zasilania.

Anteny śrubowe Jednym ze sposobów na zmniejszenie przestrzeni zajmowanej przez antenę jest zwinięcie jej przewodu w spiralę. W ten sposób powstają anteny śrubowe lub inaczej helikalne. Jeżeli obwód zwoju i odstęp między kolejnymi zwojami jest porównywalny do długości fali antena promieniuje falę spolaryzowaną kołowo. Kierunek maksymalnego promieniowania pokrywa się z osią. Anteny pracujące w ten sposób pracują w rodzaju osiowym (axial mode helical). Jeżeli średnica zwoju i odstęp między zwojami jest dużo mniejszy niż długość fali wówczas jest to rodzaj normalny (normal mode helical). Charakterystyka promieniowania anteny pracującej w trybie normalnym jest podobna do charakterystyki unipola – maksimum promieniowania pojawia się w kierunku prostopadłym do osi anteny. W trybie normalnym fala jest spolaryzowana eliptycznie. W zależności od kształtu i rozmiaru płaszczyzny ziemi charakterystyki promieniowania rzeczywistych anten mogą się różnić od idealnych. Dokładne zaprojektowanie wymiarów anteny śrubowej jest trudniejsze w porównaniu do projektowania dipoli i unipoli. W związku z tym anteny śrubowe są zazwyczaj wytwarzane w oparciu o zależności uzyskane eksperymentalnie. Precyzyjne strojenie anteny takiej można przeprowadzać ściskając bądź rozciągając spiralę.

Charakterystyka promieniowania unipola.

Wpływ człowieka na charakterystykę unipola.

Małe anteny pętlowe Małe anteny pętlowe to pętle o rozmiarach mniejszych od 1/10 długości fali. Antenę taką można porównać do obwodu rezonansowego. Obwód ten złożony jest z indukcyjności przewodu lub ścieżki, jeżeli antena jest wykonywana na płytce, pojemności oraz dodatkowego rezystora, którego zadaniem jest zmniejszanie dobroci obwodu. Oczywiście dodatkowy rezystor rozprasza część energii, przez co negatywnie wpływa na sprawność całej struktury. Zastępczy obwód całego układu musi uwzględniać także rezystancję promieniowania (zazwyczaj mniejszą od 1Ω) oraz rezystancję strat, która opisuje straty energii w przewodniku oraz w kondensatorze. Mała rezystancja skutkuje niedużą sprawnością zależą dodatkowo od powierzchni pętli. Promieniowana fala jest spolaryzowana liniowo.

Wpływ człowieka na charakterystykę promieniowania Obecność człowieka pogarsza charakterystykę promieniowania anteny. Zjawisko to spowodowane jest przewodzącymi właściwościami ciała człowieka, co powoduje tłumienie składowej elektrycznej pola. Na zakłócenia tego typu bardziej odporne są anteny pętlowe. Z tego powodu częściej znajdują one zastosowanie w urządzeniach przenośnych (np. pilotach zdalnego sterowania), na które mogłaby wpływać bezpośrednia bliskość człowieka.

Pierwsza strefa Fresnela. Jeżeli w obrębie tej strefy (o promieniu h) znajdują się przeszkody wpływa to na propagację fali.

Interferencje sygnałów docierających do anteny odbiorczej powodują naprzemienne wzmocnienia sygnału i jego zaniki.

Jeżeli opóźnienie sygnału docierającego do anteny na skutek odbicia jest rzędu czasu trwania bitu sygnału oryginalnego prowadzi to do interferencji międzysymbolowej (ISI). Wpływ ISI na odbierany sygnał ma szczególnie znaczenie dla dużych szybkości transmisji sygnału. Wówczas bowiem opóźnienia są bliższe czasom trwania jednego bitu.

Propagacja fal Podstawą przy określaniu zasięgu łącza telekomunikacyjnego jest bilans, który opisuje zależność między mocą odebraną i mocą transmitowaną. Bilans uwzględnia zysk energetyczny anteny nadawczej i odbiorczej oraz straty w wolnej przestrzeni, które zależą od długości fali, a także zależy od odległości między nadajnikiem i odbiornikiem. Na transmisję wpływają także przeszkody znajdujące się na drodze sygnału. Przyjmuje się, że na propagację fali mają wpływ przeszkody znajdujące się w pierwszej strefie Fresnela. Strefy Fresnela to elipsoidy, których ogniskami są anteny: nadawcza i odbiorcza. Są wyznaczane na podstawie zjawiska dyfrakcji, czyli uginania się fali na przeszkodach, co powoduje powstawanie wtórnego pola. Promień pierwszej strefy Fresnela zależy od długości fali oraz od odległości między nadajnikiem i odbiornikiem. W przypadku łącz charakteryzujących się wysoką niezawodnością na etapie projektowania dąży się do braku przeszkód na drodze fali w pierwszej strefie Fresnela. Gdy na łącze są nałożone słabsze wymagania zakłada się, że wystarczy, aby obszar pozbawiony przeszkód obejmował 60% tej strefy. Na propagację fali mają wpływ też takie zjawiska jak absorpcja promieniowania i refrakcja (załamanie). Straty spowodowane tymi czynnikami są wyznaczane doświadczalnie. O znacznym wpływie absorpcji promieniowania niech świadczą pomiary wykonywane w przypadku, gdy nadajnik i odbiornik znajdowały się na różnych piętrach w budynku. Tłumienie wprowadzane w takim wypadku wynosiło 13dB – gdy anteny dzieliło jedno piętro i 27dB - w przypadku odległości 4 pięter. W sytuacji, gdy na drodze transmitowanej fali ustawiono przeszkodę w postaci betonowego muru wystąpiło tłumienie na poziomie 13-20dB. Tymczasem dla szklanej przeszkody tłumienie spadało do 2dB. Stąd wniosek, że wprowadzane tłumienie zależy od rodzaju konstrukcji danej przeszkody. W rzeczywistych łączach sygnał do odbiornika dociera nie tylko po drodze bezpośredniej. Odbierane są także promienie odbite, oraz fale powstałe w wyniku dyfrakcji i rozproszenia. Problemem w łączach jest tzw. wielodrogowość. Powoduje ona powstanie zaników sygnału i interferencji. Aby zapobiegać zanikom stosuje się różne rodzaje tzw. odbioru zbiorczego. Przestrzenna odmiana odbioru zbiorczego polega na sumowaniu według określonych zasad sygnałów odebranych przez kilka anten (MIMO). Drugim rodzajem odbioru zbiorczego jest odbiór częstotliwościowy. W tym wypadku konieczne jest stosowanie dwóch różnych anten, ponieważ sygnał jest powielany poprzez przesyłanie go na dwóch różnych częstotliwościach. Trzecim rodzajem odbioru zbiorczego jest odbiór czasowy. Może on polegać na powtarzaniu danej informacji co jakiś czas lub odbieraniu sygnałów i dodawaniu ich z pewnym opóźnieniem.

Podobnie jak dla dipola półfalowego również w przypadku unipola ważną rolę odgrywa przenikalność elektryczna materiału podłoża, w którym zamyka się pole bliskie anteny. W tabeli podano długości dipola półfalowego i unipola ćwierćfalowego w dwóch przypadkach. Pierwszy dotyczy sytuacji, w której antena została zrealizowana na płytce o grubości 1,5mm (szerokość ścieżek 1mm) z materiału o przenikalności elektrycznej 4,2. W drugim przypadku założono, że anteny znajdują się w wolnej przestrzeni, którą charakteryzuje przenikalność elektryczna równa.

Tabela. Długości elementu promieniującego anteny w zależności od umiejscowienia.

Antena
Część urządzenia radiowego służąca do przekazywania energii elektromagnetycznej między urządzeniami i w przestrzeń. W nadajniku radiowym antena przekazuje energię z obwodów nadajnika w przestrzeń, czyli wypromieniowuje sygnał wyjściowy nadajnika w postaci fal radiowych. W odbiorniku radiowym antena przekazuje energię fal radiowych do obwodów odbiornika. Ta sama antena funkcjonuje równie dobrze jako antena nadawcza i jako odbiorcza. Zwykle działanie anteny opisuje się na przykładzie procesu promieniowania fal przez antenę, a odbiór fal jest oczywiście procesem odwrotnym. Zob. Zasada odwracalności. Mimo tej odwracalności anteny używane przy nadawaniu mogą się wyraźnie różnić od anten odbiorczych ze względu na różne poziomy mocy, przy których działają. Antena przeznaczona do nadawania na duży obszar lub do łączności ze statkiem kosmicznym musi pracować przy dużej mocy, a antena odbierająca odbity sygnał radarowy lub sygnał z satelity telekomunikacyjnego pracuje przy bardzo małej mocy. Anteny klasyfikuje się z uwagi na zastosowanie, a także na częstotliwość pracy. Przy bardzo małych częstotliwościach antena może mieć wymiary rzędu kilometra, a przy wielkich częstotliwościach - poniżej metra. Jeżeli jednak długości różnych anten wyrazi się w długościach fali odpowiadających częstotliwości ich pracy, to uzyska się podobne charakterystyki anten o bardzo różnych wymiarach. Promieniowanie anteny. Antena promieniuje, gdy ładunki w niej zawarte drgają. Najprostszym przypadkiem jest proces promieniowania pojedynczego ładunku - elektronu. Ponieważ w otoczeniu elektronu nie ma innych drgających ładunków, które by go ekranowały, jego pole rozciąga się w przestrzeni do nieskończoności. To pole zawiera dwie składowe: pole elektryczne o natężeniu E i pole magnetyczne o natężeniu H. Energia zgromadzona w polu elektrycznym w chwili, gdy elektron jest w spoczynku, jest równa energii zgromadzonej w polu magnetycznym w chwili, gdy elektron porusza się najszybciej. Inaczej mówiąc, zmienne pole elektryczne indukuje towarzyszące mu pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne indukuje towarzyszące pole elektryczne i wynikiem tej ciągłej przemiany energii jest promieniowanie. Na rys. 1 przedstawiono, w sposób uproszczony, linie pola promieniowania wokół krótkiego cienkiego przewodnika, w którym drga pojedynczy elektron. [C.E.Sm.] (Z.A.)

Rys.1 Pole elektryczne E i magnetyczne H drgającego elektronu.

Rys. 3 Przekroje charakterystyk promieniowania małego dipola: a) elektrycznego b) magnetycznego

Rysunek 2 przedstawia konfigurację pola elektrycznego i magnetycznego wokół krótkiej anteny pionowej, w której płynie prąd sinusoidalny. Rysunek dotyczy anteny w wolnej przestrzeni (tylko górna połowa pól) albo anteny nad płaską, dobrze przewodzącą powierzchnią, za jaką można traktować w pierwszym przybliżeniu powierzchnię Ziemi. Pola są symetryczne względem osi podłużnej anteny. Dla uproszczenia rysunku przedstawiono na nim tylko wybrane fragmenty pola. Linie pola magnetycznego są okręgami wokół anteny; jego natężenie jest w każdym punkcie prostopadłe do kierunku natężenia pola elektrycznego i proporcjonalne do wartości natężenia pola elektrycznego, podobnie jak w wypadku fali płaskiej. Wszystkie części fali przesuwają się radialnie w kierunku od anteny z prędkością równą prędkości fali płaskiej w tym samym ośrodku. [W.C.Jo.] (Z.A.) Płaszczyzna pola elektrycznego zależy od usytuowania płaszczyzny, w której ładunek elektryczny porusza się w antenie (płaszczyzny te pokrywają się). W przypadku anteny w postaci dipola elektrycznego pole elektryczne fali rozchodzącej się w określonym kierunku leży w płaszczyźnie przechodzącej przez oś dipola, a w przypadku dipola magnetycznego - w płaszczyźnie prostopadłej do osi dipola (w płaszczyźnie pętli z prądem, rys. 3). Promieniowanie fali elektromagnetycznej jest zatem w obu przypadkach spolaryzowane liniowo, ale w różnych - w stosunku do osi anteny - płaszczyznach. Przez złożenie pól dipoli elektrycznych i magnetycznych o wspólnym środku można uzyskać pole promieniowania spolaryzowane eliptycznie, a przez zmianę udziałów poszczególnych dipoli można uzyskać dowolną polaryzację, od liniowej do kołowej. Antena odbiorcza powinna mieć polaryzację zgodną z polaryzacją odbieranej fali. Zob. Polaryzacja fal. [C.E.Sm.] (Z.A.) W polu promieniowania anteny rozróżnia się trzy strefy: bliską, pośrednią i daleką (strefę promieniowania). W strefie bliskiej występuje pole indukcyjne, dodatkowo wytwarzane przez oscylujący elektron; maleje ono szybko z odległością. Energia tego pola płynie na przemian do i od elektronu i nigdy nie ucieka w przestrzeń. Składowa magnetyczna tego pola jest maksymalna, gdy składowa elektryczna jest zerowa. W strefie promieniowania, która rozciąga się do nieskończoności, energia stale odpływa i obie składowe tego pola, elektryczna i magnetyczna, przyjmują wartość zero w tej samej chwili. Przewodnik zawiera, oprócz drgających ładunków ujemnych, również ładunki dodatnie. Gdy uwzględni się wszystkie drgające ładunki w krótkim, cienkim przewodniku, który można traktować jako dipol, to się okazuje, że całkowite pole elektromagnetyczne zawiera człony malejące z odległością jak 1/r3 i 1/r2 w strefie bliskiej oraz jak 1/r w strefie promieniowania. Zmniejszanie się pola promieniowania jak 1/r przy jego oddalaniu się od dipola w przestrzeń jest wynikiem zwiększania się pola powierzchni kuli obejmującej to pole. Zob. Fale elektromagnetyczne; Fale radiowe; Promieniowanie elektromagnetyczne.

Właściwości kierunkowe i parametry anten. Elementarną anteną nadawczą może być albo krótki dipol elektryczny, albo mała pętla z prądem (dipol magnetyczny). Na rys. 3 przedstawiono rozkład przestrzenny w strefie dalekiej energii pola promieniowania takiej anteny o nieskończenie małych rozmiarach. Mały dipol elektryczny lub magnetyczny nie promieniuje energii wzdłuż swej osi i powierzchnia jednakowej wartości energii promieniowania jest toroidem. Rozkład przestrzenny energii promieniowania, zwany charakterystyką promieniowania, stanowi podstawową charakterystykę anteny. Zadaniem anteny nadawczej jest przekazywanie mocy do określonego obszaru, a zadaniem anteny odbiorczej jest odebranie sygnałów z określonego kierunku. W przypadku pojazdu, np. samochodu z radiem samochodowym, antena odbiorcza powinna mieć charakterystykę izotropową, aby mogła przyjmować sygnały od dowolnie rozlokowanych stacji nadawczych, o zmieniających się położeniach względem poruszającego się samochodu. Kierunkowość anteny może być pożądana w przypadku rozgłośni radiowej, np. rozkład promieniowania anteny stacji w mieście nadmorskim winien mieć szerokie maksimum w kierunku obszaru zamieszkałego. Z kolei antena do łączności z satelitą telekomunikacyjnym musi mieć wąską charakterystykę - antena powinna promieniować w kierunku satelity i dla uniknięcia zakłóceń jest pożądane, by nie promieniowała w innych kierunkach. Zob. Nawigacja; Radar; Radiofonia. Własności kierunkowe anteny określa się liczbowo względem anteny przyjętej za wzorcową (anteny izotropowej lub dipola półfalowego, wysyłających promieniowanie o takim samym rodzaju polaryzacji). Zysk kierunkowy anteny określony względem anteny izotropowej jest zdefiniowany jako stosunek gęstości mocy promieniowanej w określonym kierunku do średniej gęstości mocy promieniowanej przez tę antenę w pełnym kącie bryłowym. Zwykle podaje się zysk dla kierunku, w którym promieniowanie anteny jest najintensywniejsze. Impedancja wejściowa anteny jest stosunkiem napięcia do natężenia prądu na wejściu anteny, do którego jest podłączona linia przesyłowa nadajnika lub odbiornika. Jeśli antena jest dostrojona rezonansowo do częstotliwości pracy, to impedancja wejściowa jest czystą rezystancją - w innych wypadkach pojawia się także reaktancja. Zależność od częstotliwości. Szerokość pasma częstotliwości przenoszonych przez antenę wiąże się z charakterystykami impedancji wejściowej. Szerokość pasma może być ograniczona przez kształt charakterystyki promieniowania, charakterystykę polaryzacyjną i parametry impedancyjne. Szerokość pasma silnie zależy od dobroci układu Q: im większy jest stosunek zgromadzonej energii biernej do wypromieniowywanej energii czynnej, tym mniejsza jest szerokość pasma. Zob. Dobroć. Anteny o rozmiarach małych w porównaniu z długościami fal charakteryzują się zwykle małą rezystancją promieniowania i dużą reaktancją, co prowadzi do dużej dobroci układu Q i, w konsekwencji, do wąskiego pasma. Rozkład prądu w krótkim przewodniku jest sinusoidalny z zerową wartością natężenia na swobodnym końcu, ale ponieważ przewodnik jest tak krótki, że faza prądu zmienia się w nim zwykle o kąt mniejszy od 30o, to rozkład prądu można w zasadzie uważać za liniowy. Przy zastosowaniu obciążenia na końcach w postaci konstrukcji złożonej z jednego lub wielu przewodów (w celu otrzymania stałego rozkładu prądu) rezystancja promieniowania wzrasta czterokrotnie, co znacznie poprawia sprawność anteny bez istotnej zmiany charakterystyki promieniowania. Anteny symetryczne i niesymetryczne (dipole i unipole) są przykładami anten rezonansowych, w których rozkład prądu jest w przybliżeniu sinusoidalny i na wejściu występuje jedynie rezystancja. Jeśli jednak stosunek średnicy do długości jest mały, to impedancja wejściowa jest duża, co uniemożliwia użycie takich anten jako anten szerokopasmowych. Impedancyjne ograniczenie szerokości pasma można zmniejszyć przez powiększenie średnicy anteny walcowej lub użycie anten stożkowych. Anteny w postaci długiego drutu lub anteny z falą bieżącą mają zwykle długość jednej czy kilku długości fali i są antenami nierezonansowymi (niestrojonymi). Anteny, których podstawowe charakterystyki i parametry nie zależą od częstotliwości, są zwane antenami niezależnymi częstotliwościowo. Istnieją dwie główne zasady stosowane przy konstruowaniu takich anten. Pierwsza polega na takim ukształtowaniu anteny, aby można było ją całkowicie określić przez kąty. Wówczas, po wyrażeniu wymiarów anten w długościach fali, wszystkie takie anteny mają takie same wymiary przy każdej częstotliwości. Zasadzie tej odpowiadają płaszczyznowe i stożkowe równokątne anteny spiralne. Druga zasada polega na wykorzystaniu właściwości obszarów dopełniających. Mianowicie, jeśli antena wycięta np. w płaskiej płaszczyźnie przewodzącej ma dokładnie taki sam kształt jak usunięta część płaszczyzny, to jej impedancja wejściowa jest niezależna od częstotliwości. Ta druga zasada jest wykorzystywana w budowie wielu anten logperiodycznych - mimo dużych różnic w wymiarach, po wyrażeniu wymiarów w długościach fali charakterystyki takich anten mogą być prawie jednakowe. Przez połączenie obu zasad można uzyskać struktury antenowe o bardzo szerokich pasmach. Realizacja anten kierunkowych. Anteny promieniujące fale ultrakrótkie i mikrofale (anteny mikrofalowe) buduje się w postaci tub, reflektorów lub soczewek z wykorzystaniem przewodników i dielektryków w kształcie płaszczyzn lub brył. Skoncentrowanie promieniowanej energii w wąskiej wiązce można uzyskać albo przez dodanie większej liczby elementów antenowych, albo przez umieszczenie za anteną dużego reflektora, zazwyczaj o kształcie paraboloidalnym. [C.E.Sm.] (Z.A.) Anteną kierunkową, często stosowaną do odbioru telewizyjnego, jest antena z reflektorem kątowym. Antena taka składa się z reflektora w postaci dwóch przewodzących płaszczyzn, tworzących kąt dwuścienny, i radiatora lub dipola, umieszczonego w płaszczyźnie dwusiecznej (rys. 4). Anteny takie używa się jako pojedyncze lub w szyku antenowym; cechuje je duży zysk w stosunku do kosztów i stosunkowo szerokie pasmo częstotliwości. Odległość S dipola D od krawędzi E nie musi być dokładnie związana z długością fali. [J.C.S.] (Z.A.)

Duże znaczenie praktyczne, szczególnie do odbioru sygnałów zakresie fal ultrakrótkich i mikrofal (VHF, UHF), mają układy zwane antenami Yagiego-Udy lub antenami Yagiego

(rys. 5). Są to układy złożone z pojedynczej anteny zasilanej oraz sprzężonych z nią elementów biernych, działających - zależnie od długości i odległości elementu - albo jako reflektory (jeśli mają reaktancję indukcyjną), albo jako direktory (jeśli mają reaktancję pojemnościową). [K.Ar.] (Z.A.)

Rys. 5 Antena Yagiego-Udy: a) widok z góry b) widok z boku; strzałki pokazują przepływ energii w bliskim otoczeniu elementów biernych.

Rys. 6 Układ dwureflektorowy Cassegraina

Rozmiary poprzeczne i wysokości takich układów lub reflektorów muszą być duże w porównaniu z długością fali. Reflektory zwiększają zysk kierunkowy anteny oraz modyfikują charakterystyki promieniowania i eliminują promieniowanie wsteczne. Dipol o małym zysku, szczelina lub tuba, stanowią źródło pierwotne, które promieniuje w kierunku reflektora, zwanego aperturą. Reflektor tak kształtuje falę, aby uzyskać pożądaną charakterystykę promieniowania. Zob. Odbicie fal elektromagnetycznych. Przy użyciu układu dwóch reflektorów można uzyskać bardzo wąską charakterystykę promieniowania. Układ Cassegraina, powszechnie używana antena dwureflektorowa, składa się z dużego reflektora paraboloidalnego, który jest oświetlany przez reflektor hiperboloidalny, a ten z kolei przez źródło pierwotne (rys. 6). Szyk antenowy jest układem wielu pojedynczych anten tak ustawionych w przestrzeni i tak fazowanych, aby następowało sumowanie w wybranym kierunku i odejmowanie w innych kierunkach. Stosując taki układ uzyskuje się zwiększenie stosunku sygnału do szumu w określonym kierunku. Innym zastosowaniem może być ochrona jakiegoś obszaru, np. w otoczeniu rozgłośni radiowej. [C.E.Sm.] (Z.A.)