Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu
na frekvencii 1300MHz
Michal Furmánek
2006
Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na frekvencii 1300MHz
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Michal Furmánek
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: Telekomunikačná technika
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec CSc.
Stupeň kvalifikácie: Inžinier (Ing.)
Dátum odovzdania diplomovej práce:19.5.2006
ŽILINA 2006
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
Katedra telekomunikácii
Školský rok 2005/2006
ZADANIE DIPLOMOVEJ PRÁCE
Meno: Michal Furmánek Študijný odbor: Telekomunikácie Téma diplomovej práce: „Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na frekvencii 1300 MHz Pokyny pre vypracovanie diplomovej práce:
1. Úvod do problematiky šírenia elektromagnetických vlnovej dĺžke kratšej
ako 30 cm.
2. Prehľad antén používaných na tieto frekvencie.
3. Parabolické antény- ich výpočet doporučenia pre praktickú realizáciu.
4. Prehľad ožarovačov parabolických antén a ich výpočet.
5. Realizácia a meranie ožarovača v zmysle zadania.
ABSTRAKT
Furmánek Michal: Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na
frekvencii 1300 MHz. [Diplomová práca] / Furmánek Michal – Žilinská univerzita
v Žiline. Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií. Dátum odovzdania práce
2006-05-19 – Žilinská univerzita v Žiline. KT EFŽU. 2006.
Diplomová práca sa zaoberá návrhom ožarovača pre parabolickú anténu v zadanom
frekvenčnom pásme. Úvodnú časť som venoval šíreniu elektromagnetických vĺn
v zodpovedajúcom VKV pásme. Druhá časť je zameraná na prehľad antén používaných
na tieto frekvencie. Tretia časť tvoria parabolické antény- výpočet, doporučenia pre
praktickú realizáciu. Štvrtá časť je prehľad ožarovačov parabolických antén a ich
výpočet. Záver prace je venovaný realizácii a meraniu ožarovača.
Kľúčové slová:
Rayleighovho kritérium, Freshnelova zóna, anténa, parabolická anténa, parabolické
zrkadlo, ožarovač parabolického zrkadla, pomer stojacích vln, impedančná
prispôsobivosť
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra telekomunikácií ________________________________________________________________________
ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA
Priezvisko, meno: Furmánek Michal.......................školský rok:2005/2006........................
Názov práce: Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na
frekvencii 1300 MHz..............................................................................................................
Počet strán:42 Počet obrázkov:34 Počet tabuliek: 3
Počet grafov: 1 Počet príloh: 5 Použitá lit.: 14
Anotácia (slov. resp. český jazyk): Diplomová práca sa zaoberá návrhom ožarovača pre
parabolickú anténu v zadanom frekvenčnom pásme. Úvodnú časť som venoval šíreniu
elektromagnetických vĺn v zodpovedajúcom VKV pásme. Druhá časť je zameraná na
prehľad antén používaných na tieto frekvencie. Tretia časť tvoria parabolické antény-
výpočet, doporučenia pre praktickú realizáciu. Štvrtá časť je prehľad ožarovačov
parabolických antén a ich výpočet. Záver prace je venovaný realizácii a meraniu
ožarovača.
Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): The diploma thesis deals with
design of feed horn of parabolic antenna for selected frequency band. Introductory part is
dedicated to electromagnetic waves spreading in adequate VKV band. Second part is
concerning antennas overview used for these frequencies. Third part is composed by
parabolic antenna calculation and recommendations for practical realization. Forth part is
review of parabolic antennas reflector feeds and their calculation. The final part is
dedicated to realization and of reflector feed measuring.
Kľúčové slová: Rayleighovho kritérium, Freshnelova zóna, anténa, parabolická anténa, parabolické zrkadlo, ožarovač parabolického zrkadla, pomer stojacích vln, impedančná prispôsobivosť
Vedúci práce: doc. Ing. Rudolf Hronec CSc..........................................................................
Recenzent práce : Ing. Branislav Kiša....................................................................................
Dátum odovzdania práce: 19.5.2006
OBSAH ÚVOD..................................................................................................................................1 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY ŠÍRENIA ELEKTROMAGNETICKÝCH VĹN O VLNOVEJ DĹŽKE KRATŠEJ AKO 23 cm...............................................................2
1.1. Vznik žiarenia (elektromagnetických vĺn)...............................................................2 1.2. Šírenie elektromagnetických vĺn..............................................................................3 1.3 Vlnová dĺžka λ....................... ...................................................................................5 1.4 EM vlny v pásme 1300 MHz....................................................................................5 1.5 Vplyv nerovnosti zemského povrchu na šírenie EM vĺn ..........................................7 1.6 Vplyv ojedinelej prekážky na šírenie EM vĺn...........................................................9
2. ANTÉNA A JEJ ZÁKLADNÉ POJMY ....................................................................11 2.1. Základné rozdelenie antén.... .................................................................................12 2.2. Základné vlastnosti antén.......................................................................................14 2.3. Prehľad antén používaných na tieto frekvencie .....................................................15
3. PARABOLICKÉ ANTÉNY (princíp parabol. antény )...........................................18 3.1. Parabolické zrkadlo (rotačný paraboloid) ..............................................................18 3.2. Faktory ovplyvňujúce výber vhodného typu parabolického zrkadla .....................20 3.3. Ožarovač parabolickej antény................................................................................22 3.4. Praktické ožarovacie systémy ................................................................................24 3.5. Prehľad ožarovačov parabolických antén ..............................................................25
4. REALIZÁCIA A MERANIE OŽAROVAČA PARABOLICKEJ ANTÉNY........29 4.1 Výber vhodného materiálu na vyhotovenie daného ožarovača parabol. zrkadla.....29 4.1.1 Návrh ožarovača parabolického zrkadla ..............................................................30 4.1.2 Vlnovod (koaxiálny napájač) ...............................................................................30 4.1.3 Časti v tvare lievika........... ..................................................................................31 4.1.4 Konektor s ožarovačom vlnovodu .......................................................................33 4.2. Výpočty a realizácia ožarovača parabolického zrkadla .........................................34 4.2.1 Výpočty časti lievika v rovine H a E ...................................................................35 4.2.2 Zisk ožarovača................... ..................................................................................36 4.2.3 Konektor a ožarovač vlnovodu ............................................................................36
5. MERANIE ...................................................................................................................39 5.1. Meranie impedančného prispôsobenia PSV (pomer stojatej vlny)........................39 5.2. Meranie útlmu v závislosti na uhle ........................................................................40
ZÁVER..............................................................................................................................41 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY.........................................................................42
ZOZNAM OBRÁZKOV
OBRÁZOK 1 EM pole 2
OBRÁZOK 2 Zmena magnetického poľa 2
OBRÁZOK 3 EM vlny v závislosti od druhu polarizácie 3
OBRÁZOK 4 Prierez zemskou atmosférou 3
OBRÁZOK 5 Šírenie EM vĺn pomocou priamej vlny 6
OBRÁZOK 6 Určenie Rayleighovho kritéria 7
OBRÁZOK 7 Určenie polomeru Freshnelovej zóny 8
OBRÁZOK 8 Šírenie EM vĺn pri prekážke v tvare klina 9
OBRÁZOK 9 Závislosť činiteľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky 10
OBRÁZOK 10 Princíp antény a, b, c, d 11
OBRÁZOK 11 Zobrazenie kmitne a uzla stojatého vlnenia 12
OBRÁZOK 12 LPDA v symetrickom tvare a v tvare V 16
OBRÁZOK 13 Žiarič ako dipól 16
OBRÁZOK 14 Žiarič ako mnohodipólová rada 16
OBRÁZOK 15 Geometria parabolického zrkadla 19
OBRÁZOK 16 Súradnicové sústavy pre parabolické zrkadlo 19
OBRÁZOK 17 a, b, nežiaduce ožiarenie 22
OBRÁZOK 18 Geometria priameho ožiarenia parabolického zrkadla 24
OBRÁZOK 19 Geometria nepriameho ožiarenia parabolického zrkadla, kde Fr – reálne
ohnisko 24
OBRÁZOK 20 Symetricky napájaný dipól s väzobnými štrbinami 25
OBRÁZOK 21 Prehľad jednotlivých žarovačov 27
OBRÁZOK 22 Lievikový ožarovač 27
OBRÁZOK 23 Základný typ lievikového ožarovača 29
OBRÁZOK 24 Ožarovač parabolického zrkadla 30
OBRÁZOK 25 Rozdelenie vlnovodu na tri oblasti, kde λ je vlnová dĺžka 31
OBRÁZOK 26 Náčrt daného vlnovodu kde a, b sú rozmery stien vlnovodu 31
OBRÁZOK 27 Priečny rez lievikového ožarovača v H rovine 31
OBRÁZOK 28 Priečny rez lievikového ožarovača v rovine E 32
OBRÁZOK 29 Ožarovač vlnovodu pre parabolu 2,4m s vyžarovaním uhlom 142 stupňov
33
OBRÁZOK 30 Koaxiálny napájač, kde λ je vlnová dĺžka 34
OBRÁZOK 31 Ožarovač vlnovodu 36
OBRÁZOK 32 Konektor - pohľad z hora 36
OBRÁZOK 33 Pohľad na ožarovač parabolického zrkadla: a, z hora b, c, z boku 37
OBRÁZOK 34 Výsledný pohľad na navrhnutý ožarovač parabolickej antény 38
TABUĽKA č. 1 Jednotlivé frekvenčné pásma
TABUĽKA č. 2 Impedančné prispôsobenie (PSV)
TABUĽKA č. 3 Meranie útlmu v závislosti na uhle
ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV EM Elektromagnetické
VKV Veľmi krátke vlny
VA Vysielacia anténa
PA Prijímacia anténa
Pvyž Skutočne vyžiarený výkon
Pstrat Stratový výkon
LPA Logaritmicko periodická anténa
LPDA Log. periodické pole dipólov
D Koeficient smerovosti
D Priemer zrkadla
D, E, F1, F2 Označenie jednotlivých vrstiev
E Vektor intenzity elektrického poľa
E Intenzita elektrického poľa od žiariča
F Smerová funkcia žiariča
Fv Virtuálne ohnisko
G Zisk antény, ožarovača
H Výška antény nad terénom
H Vektor intenzity magnetického poľa
Ke Lineárna hustota povrchového prúdu
L0 Rovinná vlna
R0 Dĺžka λ/4
S Plocha zrkadla
Z Vstupná impedancia
b I, II, III Vzdialenosť od vrcholu prekážky po rovinu deliacu Fresnelovu zónu na
polovicu v horizontálnom smere
c Rýchlosť svetla (299 792 458 metrov za sekundu)
f Frekvencia elektromagnetickej vlny
f Ohnisková vzdialenosť
fkr Kritická frekvencia ionosféry
h Rayleighovo kritérium
l Hĺbka paraboly v jej strede
r Vzdialenosť od začiatku súradnicovej sústavy
n Index lomu ionosféry, počet výsečí
x, y, z Súradnice v karteziánskej sústave
β Fázová konštanta vedenia
γ Elevačný uhol
ϕ Fázové uhly, uhol odčítajúci sa od smernice predeľujúcej uhol ψ na
polovicu
λ Vlnová dĺžka
χ Azimutálny uhol, uhol otvorenia zväzku
ν Šírka zväzku vertikálneho lúča
η Účinnosť
SLOVNÍK TERMÍNOV
Freshnelova zóna Freshnelova zóna predstavuje objem medzi vysielačom(V) a prijímačom(P). Hlavná časť
šíriacich sa EM vĺn je obsiahnutá 1. Freshnelovou zónou.
Vstupná impedancia Z Ak vstupná impedancia nie je zhodná charakteristickou impedanciou napájača, je nutné
jej impedanciu prispôsobiť- transformovať na impedanciu napájača. To samé platí aj pre
spojenie napájača a vstupu príjmača. Samozrejmosťou sú odpovedajúce konektory.
V opačnom prípade, ak sú impedancie na ktoromkoľvek rozhraní rozdielne, dochádza na
rozhraní k odrazu energie naspäť k zdroju a výsledná energia, ktorá sa dostáva na vstup
prijímača je nižšia , prípadne žiadna.
Zisk antény G Zisk antény slúži k porovnaniu smerových vlastností rôznych antén. Jednotkový zisk
(0dB) má všesmerový dipól. Smerová anténa so ziskom väčším než 0dB vyžaruje viac do
jedného smeru na úkor ostatných. Zisk je taktiež možné ako merítko, koľko krát vyšší
výkon by musel byť privedený do všesmerovej antény, aby v žiadanom smere vytvoril
elektromagnetické pole takej istej intenzity.
Účinnosť antény η Je pomer výkonu, ktorý anténa skutočne vyžiari, k výkonu, ktorý sa do antény
privádza(pri vysielacej anténe), alebo ako pomer zachytenej energie EM poľa ku skutočne
dodanej energii na vstup prijímača (pri prijímacej anténe).
Smerovosť F Schopnosť ant. sústrediť vyžarovanie do určitého smeru prípadne prijať požadovaný
signál z určitého smeru.
Selektivita Schopnosť antény vybrať z priestoru požadovaný signál a ostatné signály potlačiť.
Širokopásmovosť Schopnosť antény prijímať signál v požadovanom frekvenčnom pásme.
Pomer medzi ohniskovou vzdialenosťou a priemerom zrkadla Všetky parabolické zrkadlá majú rovnaký oblúk, ale niektoré sú plytké zatiaľ, čo iné sú
veľmi hlboké, alebo nadobúdajú tvar misy. Vhodný spôsob, ktorým môžeme opísať aká
veľká časť paraboly je vlastne využívaná, je pomer f/D. To znamená, pomer ohniskovej
vzdialenosti f k priemeru D parabolického zrkadla. Všetky parabolické zrkadlá
s rovnakým pomerom f/D požadujú rovnakú vyžarovaciu konfiguráciu v pomere
k priemeru parabolického zrkadla. Ak pomer f/D je menší, ožarovač parabolickej antény
ožaruje parabolické zrkadlo širšie, čiže sú potrebné rozdielne typy lievikových
ožarovačov(feed horn), ktoré sú potrebné nato, aby správne ožiarili parabolické zrkadlá
s rôznym pomerom f/D.
Priame ožarovanie V tejto metóde je fázový stred ožarovača umiestnený v ohnisku parabolického zrkadla.
Vyžiarená energia z ožarovača parabolickej antény v tvare guľovej vlny odrazí
v parabolickom zrkadle a následne sa zmení na rovinnú vlnu. Hlavnou výhodou tejto
metódy je jednoduchá montáž ožarovača a konštrukcia. Hlavne pri montáži na zadnú časť
zrkadla parabolickej antény, ktorá je účinne použiteľná pri samotnom uchytení na stĺp
alebo trojnožku.
Vlnovod(koaxiálny napájač) Dĺžka vlny vo vlnovode je dôležitým faktorom ako aj nutným pri výpočte vhodného
diagonálneho vlnovodového napájača. Vlna vo vlnovode sa šíri takým spôsobom, že jej
zdanlivá rýchlosť presahuje rýchlosť svetla.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
1
ÚVOD V mojej diplomovej práci sa budem venovať popisu metodiky návrhu a praktickej
realizácii ožarovača parabolickej antény. Rovnaké zrkadlo parabolickej antény umožňuje
výmenou ožarovača prevádzku antény v širokom frekvenčnom spektre. Samotná
konštrukcia ožarovača parabolického zrkadla umožní funkčnosť antény s horizontálnou,
vertikálnou, ako aj kruhovou polarizáciou. V mojej diplomovej práci sa budem venovať
ožarovaču parabolickej antény s jednou polarizáciou na frekvencii 1300MHz. Uvediem
základné poznatky o šírení elektromagnetických vĺn o vlnovej dĺžke kratšej ako 23cm,
ako aj vplyv nerovnosti zemského povrchu na šírenie EM vĺn. Ďalej stručne opíšem
základne typy antén, ktoré sa používajú na danú frekvenciu. Opíšem základné vlastnosti
parabolickej antény , jej rozdelenie a hlavné faktory ovplyvňujúce výber vhodného typu
parabolického zrkadla. Pri samotnej realizácii daného ožarovača parabolického zrkadla
vysvetlím postup výpočtov a návrh konštrukcie ožarovača, ktorý nakoniec prevediem do
výkresovej formy. Nakoniec prevediem samotné meranie impedančného
prispôsobenia(PSV), meranie predpokladanej šírky vyžarovania vlnenia z ústia ožarovača
a následne zhodnotím, a porovnám hodnoty s hodnotami, ktoré sú uvedené v odbornej
literatúre.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
2
1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY ŠÍRENIA ELEKTROMAGNETICKÝCH VĹN O VLNOVEJ DĹŽKE KRATŠEJ AKO 23 cm 1.1. Vznik žiarenia (elektromagnetických vĺn)
Pokiaľ je elektricky nabitá častica v kľude, vznikne okolo nej elektrostatické pole.
Toto pole sa rozprestiera v podstate do nekonečnej vzdialenosti od častice. Pokiaľ teraz
s časticou pohneme z pôvodnej polohy, musí elektrostatické pole sledovať posun častice.
Ak sa elektricky nabitá častica pohybuje, vzniká okolo nej magnetické pole. Toto pole sa
rozprestiera od pohybujúcej sa častice v podstate do nekonečna obr. 1.1. Akékoľvek
zmeny smeru, či rýchlosti častice sa okamžite prejavia v zmene magnetického poľa obr.
1.2. Zmena sa šíri od častice maximálnou možnou rýchlosťou (rýchlosťou svetla).
obr.1.1 EM pole obr.1.2 Zmena magnetického poľa
Obidve zložky žiarenia elektrická (elektrostatická) a magnetická sú spolu
neoddeliteľne spojené a nazývame ich elektromagnetickým (EM) žiarením. Elektrická
zložka sa značí E a magnetická H. Z popisu vzniku je zrejmé, že obidve zložky sú na seba
kolmé a elektrická zložka sa vyžaruje rovnobežne s vodičom, ktorým preteká striedavý
prúd.
Anténa vysiela polarizované žiarenie- u takéhoto žiarenia môžeme určiť rovinu, v
ktorej kmitá elektrická zložka. Pokiaľ je rovina kmitov elektrickej zložky rovnobežná so
zemou, potom hovoríme o horizontálnej (vodorovnej polarizácii), pokiaľ je táto rovina
kolmá k zemskému povrchu hovoríme o polarizácii vertikálnej (zvislej). Pri vhodnej
konštrukcii vyžarovacej antény dokážeme polarizačnú rovinu otáčať, vtedy hovoríme
o kruhovej polarizácii. Tu rozoznávame pravotočivú a ľavotočivú polarizáciu podľa
smeru otáčania obr.1.3. [1]
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
3
obr.1.3 EM vlny v závislosti od druhu polarizácie
1.2. Šírenie elektromagnetických vĺn
Elektromagnetické vlnenie sa šíri od zdroja (vysielača) priamočiaro a to v guľových
vlnoplochách. Toto šírenie je však výrazne ovplyvňované zemskou atmosférou, ktorej
prierez je znázornený na obr. 1.4.
obr.1.4 Prierez zemskou atmosférou
Najvyššia vrstva zemskej atmosféry je dnes delená na vrstvy D, E, F1, F2, ktoré zohrávajú
významnú úlohu v šírení rozhlasových a vo výnimočných prípadoch tiež niektorých
televíznych signálov.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
4
Ionosféru tvorí najväčšia časť atmosféry, kde vzhľadom k veľmi nízkemu tlaku sa
podľa stupňa ožiarenia slnečnými lúčmi uvoľňuje väčšie množstvo elektrónov, ktoré
spôsobujú väčšiu, či menšiu elektrickú vodivosť príslušnej vrstvy. Podľa stupňa vodivosti
dochádza potom k odrazom elektromagnetického vlnenia v danom mieste. Stupeň
ionizácie jednotlivých vrstiev ionosféry závisí na stupni a druhu slnečnej činnosti, obecne
však vzrastá stupeň ionizácie od najmenej ionizovanej spodnej vrstvy (D) k najviac
ionizovanej vrchnej vrstve (F2). Podľa stupňa ionizácie sa však mení tiež obrazivosť pre
elektromagnetické vlnenie, takže s pravidla dolná vrstva odráža veľmi dlhé vlnenie,
pričom vyššie frekvencie sa odrážajú postupne od vyšších vrstiev. Všeobecne to môžme
vyjadriť pomocou frekvencie fkr.
Toto je frekvencia, pri ktorej sa ešte odrazí elektromagnetická vlna pri uvažovanom uhle
dopadu na spodný okraj ionizovanej vrstvy. Pre ϕd = 0 je
max8,80 Nfkr =
kde Nmax je maximálna hustota elektrónov (hustota ionizácie).[2]
S využitím uvedeného vzťahu platí pre vrstvu D, že kritická frekvencia je 0,5 MHz
pre strednú zemepisnú šírku a poludňajšie hodiny. Pre vrstvu E je kritická frekvencia
rovná približne 3 až 4 MHz taktiež pre popoludňajšie hodiny. Ale po západe slnka klesne
táto hodnota asi o 0,9 MHz a po celú noc ostáva takmer stála. Kritická frekvencia vrstvy
F2 je v rozmedzí 4 až 8 MHz a počas dňa a noci je takmer stála. Pre veľmi veľké
frekvencie nestačí však v obecnom prípade ani odrazivosť najvyšších vrstiev a tieto
prenikajú do voľného priestoru. Len pri výnimočne intenzívnej slnečnej činnosti sa stáva
za určitých okolností najvyššia vrstva F2 odrazivá aj pre nižšie frekvenčné spektrum
VKV. Odrazivosť ionosféry je teda rôzna podľa frekvencie elektromagnetického vlnenia.
Elektromagnetické vlnenie odrazené od ionosféry dopadá na zem s takou veľkou
intenzitou a to i od značnej vzdialenosti od vysielača, že veľmi často prehluší aj silné
miestne vysielače. Odraz, lom a čiastočný pohyb elektromagnetického vlnenia v blízkosti
zemského povrchu spôsobujú značné nerovnosti v šírení užitočných signálov.
V pásme VKV sa za normálnych okolností ionosféra pri šírení neuplatňuje
a priestorová vlna uniká mimo zemskú atmosféru. Hlavným nositeľom
elektromagnetického vlnenia v pásme VKV je priama vlna. Priama vlna sa však v teréne
odráža od každej prekážky, hlavne od vodivých predmetov, čím vznikajú ostré „tiene“,
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
5
teda priestory, ktoré aj keď sú v blízkosti vysielača, majú príjem veľmi zlý. Tento jav sa
so zvyšujúcou frekvenciou zhoršuje. Ďalej tu pôsobí ohyb elektromagnetických vĺn na
horských hrebeňoch, tým sú podmienky príjmu v blízkych a vzdialených oblastiach veľmi
rôzne.[2], [3]
1.3 Vlnová dĺžka λ Je to vzdialenosť medzi dvomi miestami v priestore, kde má EM pole rovnakú fázu.
Je priamo úmerná rýchlosti šírenia c EM vlny a perióde prúdu T, ktorý vyvolal EM pole:
fcTc == .λ
Podľa vlnovej dĺžky λ sa EM vlny delia:
Tab. 1 Jednotlivé frekvenčné pásma
Na základe zadania diplomovej práce sa obmedzím na pásmo 1300 MHz.[4]
1.4 EM vlny v pásme 1300 MHz Frekvenčné pásmo 1300 MHz spadá pod označenie ako VKV(VHF, UHF) pásmo.
Veľmi krátke vlny sa šíria priamymi priestorovými vlnami. S ionosférickými odrazmi sa
môžeme stretnúť len veľmi zriedka. Pri prenose signálov s frekvenciami nad 100 MHz sa
s ionosférickými odrazmi nestretávame vôbec. Dráhy rádiovej vlny sa zakrivujú len na
takých prekážkach, ktorých rozmery sú menšie ako vlnová dĺžka EM poľa. Nerovnosti
zemského povrchu majú rozmery vždy porovnateľné alebo väčšie, ako je vlnová dĺžka
VKV. Preto k zakriveniu dráh týchto vĺn pozdĺž zemského povrchu nedochádza, takže ich
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
6
dosah je najčastejšie v oblasti priamej viditeľnosti medzi vysielacou a prijímacou anténou
obr. 1.5.
obr.1.5 Šírenie EM vĺn pomocou priamej vlny
Za určitých meteorologických podmienok sa môžu v ovzduší vytvoriť súvislé
inverzné vrstvy, t.j. vrstvy vzduchu, v ktorých teplota vzduchu s výškou stúpa, alebo
vlhkosť vzduchu klesá omnoho rýchlejšie, ako je to bežné v štandardnej atmosfére.
Obidva tieto javy spôsobujú zvýšenie lámavosti atmosféry, takže sa dráha rádiových vĺn
značne zakrivuje k zemskému povrchu. Tento jav sa nazýva superrefrakcia. Oblasť
troposféry, v ktorej najčastejšie superrefrakcia nastáva sa nazýva atmosférický vlnovod.
Keď sa rádiové vlny do takého vlnovodu, môžu sa nimi šíriť i na vzdialenosti značne
presahujúce vzdialenosť priamej viditeľnosti.
VKV(VHF) od 30 MHz po 300 MHz. Dosah zväčša len na priamu vzdialenosť,
málokedy viacej ako 80 km. od vysielača. Vyznačujú sa stabilnými podmienkami šírenia
a malým rušením. Využívajú sa na vysielanie FM rozhlasu, TV, dátové a ďalekopisné
služby, letecké a pozemné služby a rádiolokáciu.
VKV(UHF) od 300 MHz do 3GHZ dosah len na priamu viditeľnosť. Vyššie
frekvencie sú citlivé na obsah vodných par v atmosfére(vyšší útlm za dažďa a hmly). Pri
šírení cez prekážky, však vznikajú ostré tiene prakticky bez signálu. Použitie k TV
vysielaniu, dátové prenosy, mobilnej telefónii, letecké, kozmické a pozemné dopravné
služby, satelitné vysielanie, rádiolokácia. [5]
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
7
1.5 Vplyv nerovnosti zemského povrchu na šírenie EM vĺn
Doteraz sme predpokladali, že EM vlny sa šíria nad hladkou rovinou alebo guľou.
V skutočnosti je zemský povrch drsný, drsnosť posudzujeme vždy v porovnaní s vlnovou
dĺžkou šíriacich sa EM vĺn.
Pri šírení vĺn v danom (VKV) pásme sa do miesta príjmača dostáva vlna nielen
priamou, ale aj odrazenou cestou. Odrazený lúč pôsobí v mieste príjmu nežiaduco na
celkovú výslednú intenzitu EM poľa. Keďže v mieste odrazu nie je zemský povrch
hladký, nedochádza tu k tzv. zrkadlovému odrazu, ale dochádza k rozptylu EM vĺn. Pre
metrové vlny môžeme malé nerovnosti a drsnosti zemského povrchu zanedbať, ale
v pásme dm a cm vĺn sú tieto nerovnosti už porovnateľné s vlnovou dĺžkou. Pri šírení EM
žiarenia posudzujeme drsnosť povrchu Rayleighovým kritériom. Pre jednoduchosť
predpokladáme, že všetky nerovnosti majú rovnakú výšku h, rovnajúcu sa strednej výške
zvlnenia terénu. V takomto prípade najväčší fázový posun medzi odrazenými vlnami
daný rozdielom dráh, možno určiť z obr. 1.6
obr.1.6 Určenie Rayleighovho kritéria
Dráha EM vĺn odrážaných dolnou rovinou je dlhšia ako dráha EM vĺn odrážaných
hornou rovinou o úsek BAC. Z obr. 1.5 je vidieť, že :
BAC=2h.sin γ
Fázový posun medzi lúčom 1 a 2 :
γλπγ
λπϕ sin...4sin.2.2 hh ==
Odraz možno považovať za difúzny alebo zemský povrch za drsný, keď fázový posun
bude : 2πϕ ≤
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
8
Potom z nerovnosti : 2
sin.4 πγλπ
≤h
dostaneme Rayleighovo kritérium drsnosti povrchu : γ
λsin8
≤h
Keď je splnená táto podmienka, zemský povrch možno považovať za hladký a na
výpočet intenzity elektrického poľa možno použiť odvodené odrazové vzťahy. Pri
hladkých povrchoch medzi lúčmi nenastáva interferencia. Pri drsnom povrchu sa môže
stať, že fázový rozdiel je rovný π, potom interferenciou lúčov sa tieto navzájom vyrušia
a k odrazu nedôjde. Praxou sa prišlo na to, že najvýhodnejšou voľbou je fázový posun
rovný π/8. Ak bude fázový rozdiel menší ako π/8, daný povrch budeme považovať za
hladký, ak bude väčší ako π/8 považujeme ho za drsný. Pri vodorovných lúčoch nie je
rozptyl pri odraze tak badateľný ako u lúčov šikmých. Pre vertikálne polarizované vlny sa
rozptyl pri odraze prejavuje menej ako u horizontálne polarizovaných vĺn. Odraz medzi
vysielačom (V) a prijímačom (P) nenastáva len v jednom mieste, ale prispievajú k nemu
všetky body roviny medzi V a P. Každý tento bod prispieva inou mierou, takže
nedochádza k zrkadlovému odrazu. Ak by sme chceli charakterizovať objem priestoru
medzi V a P, v ktorom sa prenos EM energie prevažne uskutočňuje, môžeme uskutočniť
nasledujúce meranie. Medzi V a P, vo vzdialenosti r1 od V a r2 od P umiestnime clonu
s meniteľným priemerom.
Najskôr necháme clonu plne otvorenú, potom postupne zmenšujeme priemer až do
okamihu, kým výraznejšie neklesne hodnota EM poľa. Tým získame v danom mieste
priemer oblasti, ktorá sa uplatňuje pri prenose EM energie. Ak pokus opakujeme pre
rôzne vzdialenosti r od V a P, získame veľkosť (objem) rozhodujúcej oblasti pre príjem
EM energie- Freshnelovú zónu. Freshnelova zóna predstavuje objem medzi V a P. Hlavná
časť šíriacich sa EM vĺn je obsiahnutá 1. Freshnelovou zónou obr. 1.7. Potom polomer 1.
Freshnelovej zóny určíme takto : 21
21 ..1
rrrr
b+
=λ
obr.1.7 Určenie polomeru Freshnelovej zóny
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
9
Veľmi často sú v praxi V a P antény (v pásme VHF a UHF) umiestňované
v kopcovitom teréne. Aj keď sú umiestnené v priamej viditeľnosti, príjem môžu výrazne
narušovať zasahujúce do 1. Freshnelovej zóny. Plochy vrcholov kopcov sú obyčajne
rozmerovo omnoho menšie ako plocha určená 1. Freshnelovou zónou, a teda v takomto
prípade sa EM vlny vôbec nebudú zrkadlovo odrážať.
Z toho potom vyplýva, že sa musíme pri návrhu rádioreléovej trasy zaujímať, aj
o výšky antén v danom teréne tak, aby nám 1. Freshnelovú zónu prekážky (nerovnosti
terénu) nerušili. [6]
1.6 Vplyv ojedinelej prekážky na šírenie EM vĺn
Elektromagnetické vlny sa v kopcovitom teréne nebudú šíriť len priamočiaro, ale
majú aj schopnosť ohýbať sa okolo prekážky. Vďaka tomu môžeme prijímať signály aj
v tieni prekážky. Toto nastáva napríklad, ak je v trase EM vĺn ostrý horský hrebeň, na
ktorom vznikne ohyb alebo difrakcia EM vĺn.
Keď prekážka prevyšuje svojim vrcholom alebo sa sním blíži k spojnici VA a PA,
budeme hovoriť o efektívnej výške prekážky h. Je to výška nad spojnicou alebo pod
spojnicou VA – PA. Ak sa nachádza PA v tieni, bude mať efektívna výška kladnú
hodnotu a naopak, keď je ožiarená, vtedy má hodnotu h zápornú obr. 1.8.
Obr. 1.8 Šírenie EM vĺn pri prekážke v tvare klina
Na obrázku obr. 1.9 je znázornená závislosť činiteľa tlmenia F od efektívnej výšky
prekážky h pre vzdialenosť medzi VA a PA rovnajúcou sa 80 km(výšky antén sú h1=h2=
30m a frekvencia f= 100 MHz). Na tomto obrázku je súčasne vyznačený činiteľ tlmenia
(oblasť tieňa), vypočítaný zjednodušenou metódou (Fokovou- difrakcia okolo hladkej
gule).
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
10
Obr. 1.9 Závislosť činiteľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky
Z tejto závislosti vidno, že pre takúto dĺžku trasy (r= 80 km) a efektívnu výšku
prekážky h= 500m bude pre rovnakú vzdialenosť intenzita elektrického poľa o 23 dB
väčšia ako pri šírení EM vĺn okolo hladkého guľového povrchu zeme. Toto zväčšenie
elektromagnetického poľa sa nazýva zisk prekážky. Takže pri šírení EM vĺn v mestách
môžu jednotlivé objekty pôsobiť ako difrakčné prekážky. [6]
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
11
2. ANTÉNA A JEJ ZÁKLADNÉ POJMY
Antény môžeme považovať za jeden z najdôležitejších článkov rádiokomunikačného
reťazca na bezdrôtový prenos informácií obr. 2.1. Možno ich definovať ako prvok, ktorý
transformuje EM vlny vedené napájačom (vedením) na EM vlny šíriace sa voľným
priestorom vysielacia anténa – VA a príjímacia anténa – PA.
Ako prvý anténu použil v roku 1887 Henrich Hertz pri prvom rádiovom spojení. Pri
tomto pokuse boli overené všetky Maxvelové predpoklady (o rovnakej podstate svetla
a EM vĺn) a pri tom v činnosti boli všetky základné časti rádiokomunikačného reťazca.
Zaujímavosťou je, že antény od svojho vzniku ostali vo svojej podstate bez zmeny, ale
ostatné časti rádiokomunikačného reťazca sa značne zmenili.
Správy sa šíria pomocou EM vĺn z vysielača ku prijímaču. Aby mohlo nastať šírenie
EM vĺn, je potrebné, aby v priestore bolo také miesto, kde sa mení hustota elektrického
prúdu. Takéto miesto sa nazýva žiarič EM poľa alebo anténa. Anténu predstavuje vodič,
v ktorom sa elektrický prúd s časom mení. Aj keď anténa predstavuje navonok vodič
pripojený ku zdroju striedavého prúdu len jedným koncom, ide v skutočnosti
o rezonančný obvod. Ten je tvorený indukčnosťou samotného vodiča a kapacitou tohto
vodiča k okoliu, vzhľadom k zemi, k ostatným okolitým vodičom atď.. Pre jednoduchosť
si predstavme sériový rezonančný obvod zložený z cievky L a kondenzátora C. Ak dosky
kondenzátora C od seba vzdialime (obr. 2.1 a), elektrické pole sa bude šíriť medzi
doskami kondenzátora prostredím a bude znázornené siločiarami (obr. 2.1 b, c). Keďže
anténa je rovný vodič a nie vinutá cievka, siločiary magnetického poľa sa šíria od vodiča
do okolitého prostredia (obr. 2.1 d).
obr. 2.1 Princíp antény a, b, c, d
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
12
Ak je pripojený vodič na zdroj striedavého prúdu, bude sa prúd vo vodiči šíriť
konečnou rýchlosťou. A ak vodič nie je na konci zaťažený určitou impedanciou (vodič na
prázdno), vznikne na ňom stojaté vlnenie, ktoré má na konci vodiča prúdový uzol
a napäťovú kmitňu ako je to znázornené na obr. 2.2, vzdialenosť dvoch uzlov ( kmitmi) je
l/2.
Anténa je teda také usporiadanie vodičov, ktoré sú schopné premieňať energiu
vysokofrekvenčného prúdu na energiu voľného EM poľa naopak.
obr. 2.2 Zobrazenie kmitne a uzla stojatého vlnenia 2.1. Základné rozdelenie antén
Antény patria obyčajne k pasívnym prvkom rádiokomunikačného reťazca a možno
ich rozdeliť do skupín podľa rôznych hľadísk. K zásadnému triedeniu však patrí
predovšetkým rozdelenie antén podľa charakteru zdroja EM vĺn.
Rozoznávame tieto základné druhy antén :
- vodičové antény : EM pole vzniká v dôsledku striedavého prúdu pretekajúceho cez
relatívne tenký vodič.
- plošné antény: Vyžarujú EM vlny z veľkej plochy – apretúry ( nazývajú sa aj
sekundárne zdroje EM poľa).
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
13
- anténne rady a polia : Vytvorené usporiadaním jednotlivých žiaričov p priestore,
ploche alebo v rade.
- reflektorové antény : Používajú špeciálne tvarované reflektory k formovaniu
smerových charakteristík.
- anténne šošovky : Sú podobné ako reflektorové antény. Na veľmi vysokých
frekvenciách je možné dosiahnuť s ich použitím menších rozmerov.
Podľa rozloženia vf napätia (a prúdu ) na anténe ich delíme :
- so stojatou vlnou : V tomto prípade sa prúdová vlna odráža na konci anténneho
vodiča (vedenia), ktorý je vlastne na prázdno alebo na krátko a vytvára na vodiči
stojaté vlnenie.
- antény s postupujúcou vlnou(nerezonančné) : V tomto prípade je anténa vodič na
konci zakončený vlastnou vlnovou impedanciou a na vodiči vzniká len postupná
prúdová vlna. [7]
Podľa smeru vyžarovania alebo citlivosti antény :
- všesmerové antény
- antény so smerovými účinkami
Podľa šírky pásma :
- úzkopásmové antény
- širokopásmové antény
Podľa frekvenčného pásma :
- pre dlhé vlny
- pre stredné vlny
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
14
- pre krátke vlny
- pre veľmi krátke vlny
Podľa funkcie na antény :
- prijímacie
- vysielacie
2.2. Základné vlastnosti antén
Vstupná impedancia Z a jej závislosť na frekvencii.
- ak vstupná impedancia nie je zhodná charakteristickou impedanciou napájača, je
nutné jej impedanciu prispôsobiť- transformovať na impedanciu napájača. To
samé platí aj pre spojenie napájača a vstupu príjmača. Samozrejmosťou sú
odpovedajúce konektory. V opačnom prípade, ak sú impedancie na ktoromkoľvek
rozhraní rozdielne, dochádza na rozhraní k odrazu energie naspäť k zdroju
a výsledná energia, ktorá sa dostáva na vstup prijímača je nižšia , prípadne žiadna.
Zisk antény G
- zisk antény slúži k porovnaniu smerových vlastností rôznych antén. Jednotkový
zisk (0dB) má všesmerový dipól. Smerová anténa so ziskom väčším než 0dB
vyžaruje viac do jedného smeru na úkor ostatných. Zisk je taktiež možné ako
merítko, koľko krát vyšší výkon by musel byť privedený do všesmerovej antény,
aby v žiadanom smere vytvoril elektromagnetické pole takej istej intenzity.
Účinnosť antény η
- je pomer výkonu, ktorý anténa skutočne vyžiari k výkonu, ktorý sa do antény
privádza(pri vysielacej anténe), alebo ako pomer zachytenej energie EM poľa ku
skutočne dodanej energii na vstup prijímača (pri prijímacej anténe)
Pvyž – skutočne vyžiarený výkon
Pstrat – stratový výkon stratvyž
vyž
PPP+
=η
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
15
Smerovosť F
- schopnosť antény sústrediť vyžarovanie do určitého smeru prípadne prijať
požadovaný signál z určitého smeru.
Es – hustota výkonu skúmanej antény ref
s
EEF 2
2
=
Eref – hustota výkonu referenčnej antény
Selektivita
- schopnosť antény vybrať z priestoru požadovaný signál a ostatné signály
potlačiť.
Širokopásmovosť
- schopnosť antény prijímať signál v požadovanom frekvenčnom pásme. [4], [6]
2.3. Prehľad antén používaných na tieto frekvencie
Pre pásma VKV a UKV bolo navrhnuté množstvo antén. Spomeniem len:
- Logaritmicko periodickú anténu (LPA)
- Uhlový reflektor
- Yagi anténa
- Parabolické antény
Logaritmicko periodická anténa (LPA)
LPA je vlastne prvou anténou , ktorej pracovné pásmo je teoreticky
neobmedzené. LPA je systém budený prvkami navrhnutý pre prácu v širokom rozsahu
frekvencií. Značná pracovná šírka pásma je dosiahnutá tým, že dipóly rezonujúce každý
v určitom frekvenčnom pásme a sú umiestnené tak, aby rezonovali postupne. Jednotlivé
dipóly rezonujú na frekvenciách opakujúcich sa s periódou prirodzeného logaritmu.
Ich výhodou je to, že sú flexibilné s konštantnými charakteristikami v celom
frekvenčnom pásme, to je, že majú rovnaký vyžarovací odpor, rovnaké základné
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
16
charakteristiky(približne rovnaké zosilnenie). Nie všetky prvky v systéme antény pracujú
na jednej frekvencii. Návrh poľa je taký, že aktívna oblasť sa posúva pozdĺž prvkov, ktoré
sa menia vzhľadom na pracovnú frekvenciu.
Medzi ich nevýhody patri hlavne relatívne malý zisk. Existuje niekoľko obmien
logaritmicko periodických antén a to sú: zig- zag, planárne trapezoidálne, slot
a V dipólové antény. Typ antény, uprednostňovaný amatérmi, je logaritmicko periodické
pole dipólov, v skratke nazývané ako LPDA, ktorá je znázornená na obr . 2.3. [8]
obr. 2.3 LPDA v symetrickom tvare a v tvare V
Uhlový reflektor
V pásme decimetrových a centimetrových vĺn sa v praxi využíva uhlový reflektor,
zostrojený z dvoch plošných rovín a lineárneho žiariča uloženého medzi nimi. V procese
žiarenia sa využíva ako žiarič, buď samotný dipól(obr. 2.4), alebo žiarič tvorení
mnohodipólovou radou(obr2.5).
obr.2.4 Žiarič ako dipól obr.2.5 Žiarič ako mnohodipólová rada
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
17
Obyčajne sa os žiarenia delí vo vertikálnej rovine. Vhodným uhlom medzi rovinami
ψ a vzdialenosťou S od osi dipólu do vrcholu uhla je možné zabezpečiť prijateľné
rozloženie poľa vĺn odrazených od reflektorových rovín s poľom vĺn vytvorených priamo
dipólom. V praxi sa výška h vyberá niekoľko krát väčšia ako dĺžka žiariča a šírka
reflektora je nie menšia ako λ.
Jeho výhodami sú hlavne pomerne jednoduchá konštrukcia, dobré smerové
vyžarovacie vlastnosti pre pásmo UHF a zisk od 8 do 12 dB. Má výhodnú šírku pásma od
5% do 20% z použitej strednej frekvencie podľa hrúbky použitého dipólu. Ako hlavnú
nevýhodu by som spomenul menší zisk oproti parabolickým anténam. [6]
YAGI anténa
V pozdĺžnej sústave, nazývanej Yagi, sú jednotlivé prvky (žiarič, reflektor a direktor)
umiestnené na nosnú tyč. Yagi anténa sa skladá žiariča (polvlnný skladaný dipól), ktorý
je spojený s napájačom, je aktívnym prvkom antény. V určitých vzdialenostiach sú
umiestnené pasívne prvky reflektor a direktory, ktorý zväčšujú výkon prijatý žiaričom. Za
žiaričom (v smere príjmu) je reflektor, ktorý je dlhší ako žiarič. Je umiestnený vo
vzdialenosti 0,25λ - 0,20λ od žiariča. Slúži na zoslabenie signálu prichádzajúceho z
opačného smeru. Kratšie prvky tzv. direktory sú umiestnené (v počte 3 - 20) pred
žiaričom v pravidelných intervaloch 0,1λ výnimku tvorí prvý direktor pri žiariči tzv.
širokopásmový, ktorý je u anténach s väčším počtom prvkov. Impedanciu antény určuje
nielen žiarič, ale aj reflektor a direktory (prevažne 300Ω). Zisk antény sa zväčšuje s
počtom direktorov po určitú hranicu a je závislí na frekvencii. Diagram žiarenia sa s
väčším počtom direktorov zužuje a predlžuje. Ohľadne výhod tejto antény snaď
spomeniem jednoduchú konštrukciu. Čo sa týka nevýhod, tak musí disponovať vysokou
presnosťou rozmerov a je náchylná na zmenu počasia(dážď, sneh).
Parabolické antény
Daným parabolickým anténam sa budem podrobnejšie venovať v nasledujúcej
kapitole. Spomeniem len, že daná parabolická anténa sa skladá z dvoch častí a to:
parabolické zrkadlo a ožarovač parabolického zrkadla.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
18
3. PARABOLICKÉ ANTÉNY (princíp parabol. antény )
Parabolická anténa môže poskytnúť mimoriadne veľký zisk na mikrovlnnej
frekvencii. Tento zisk je limitovaný hlavne veľkosťou daného parabolického zrkadla.
Pracuje na rovnakým spôsobom ako zrkadlový optický teleskop.
Reflektorové (zrkadlové) antény – sú to také antény, u ktorých elektromagnetické
pole v ústí vznikne odrazom primárneho vlnenia od zrkadla špeciálneho tvaru. Ako zdroj
žiarenia slúži anténa nazývaná primárny ožarovač. Elektromagnetická vlna, vyžarovaná
primárnym ožarovačom, dopadá na povrch reflektoru a indukuje v ňom prúdy, ktoré
vytvárajú odrazené elektromagnetické pole. EM pole vyžiarené reflektorovou anténou
môžeme nájsť dvoma spôsobmi.
Prvý spôsob spočíva vtom, že z dopadajúceho poľa priameho žiariča najskôr určíme
prúdy na povrchu zrkadla podľa vzťahu Η×=Κ ne 2 , kde eΚ je lineárna hustota
povrchového prúdu, H je vektor intenzity magnetického poľa dopadajúcej vlny na
povrchu zrkadla. Tento vzťah platí len pri dopade vlny na nekonečnú vodivú rovinu.
Druhý spôsob spočíva v tom, že najskôr nájdeme rozloženie poľa v ústi zrkadla
a potom na základe vyžarovacích vlastností ožiarenej plochy určíme vyžarované pole.
Pole v ústi zrkadla sa obvykle zisťuje pomocou zákonov geometrickej optiky. Tieto
zákony platia v prípade, že 0→λ . V anténnej technike sa táto podmienka prevedie na
podmienku vlnovej dĺžky zanedbateľne malej vzhľadom k rozmerom reflektoru
a v našom prípade ešte vzhľadom k polomeru krivosti zrkadlovej plochy.
Hlavné časti parabolickej antény : - parabolické zrkadlo (rotačný paraboloid)
- ožarovač
3.1. Parabolické zrkadlo (rotačný paraboloid) Základnou vlastnosťou parabolického zrkadla je, že konvertuje guľovú vlnu
vychádzajúcu z bodového zdroja, ktorý je umiestnený v ohnisku paraboly, do rovinnej
vlny. To znamená, že odraz zo zdroja je sústredený v nekonečnej vzdialenosti od zrkadla.
Obrátene, celá prijatá energia zo vzdialeného zdroja sa odrazí pomocou zrkadla do
jedného bodu v ohnisku zrkadla.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
19
Geometria parabolického zrkadla:
obr. 3.1Geometria parabolického zrkadla
Na obr 3.1 je bodový zdroj guľovej vlny označený F, S je obrazná plocha, L0 rovinná
vlna, ktorá vznikla odrazom guľovej vlny od zrkadla. Táto vlna bude rovinná ak bude
dĺžka optickej dráhy všetkých lúčov idúcich z bodu F k zrkadlu a po odraze k ploche L0
rovnaká. Aby sme mohli nájsť profil zrkadla, zrovnáme dĺžku optickej dráhy z F do L0
prvého lúča, idúceho pozdĺž osi z, a druhého lúča , idúceho pod uhlom ψ. Plocha zrkadla
musí byť rotačný paraboloid, ktorý vznikne rotáciou paraboly okolo osi z. Bodový zdroj
guľovej vlny musí byť v ohnisku paraboly. Podobne profil zrkadla premieňajúceho
dopadom valcovú vlnu na rovinnú je parabolický valec a priamkový primárny žiarič leží
v ohniskovej priamke parabolického valca.
Geometrické vlastnosti paraboloidu:
obr. 3.2 Súradnicové sústavy pre parabolické zrkadlo
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
20
1. Kolmica v bode M k povrchu paraboloidu leží v rovine prechádzajúcou osou
z a bodom M a zviera so sprievodičom uhol ψ/2.
2. Ľubovoľný rez rotačným paraboloidom rovinou prechádzajúcou rovinou
rovnobežnou s osou z je opäť parabola s rovnakou ohniskovou vzdialenosťou.
Z prvej vlastnosti vyplýva, že keď umiestime bodový zdroj do ohniska, všetky
odrazené lúče budú rovnobežné. Z druhej vlastnosti plynie, že pre analýzu odrazu
vĺn od povrchu zrkadla a vybudených prúdov sa stačí zaujímať len o ľubovoľný
rez zrkadla rovinou prechádzajúcou osou z alebo rovinou rovnobežnou s osou z.
Táto druhá vlastnosť je dôležitá i pri kontrole presnosti a výrobe zrkadla.
Výpočet konštrukcie parabolického zrkadla
Vychádzame z obr. 3.1 :
xfy ××= 42 y- má tak ako záporné aj kladné hodnoty (rovnica paraboly)
( )DfxDy /42 ×××= D- priemer príslušného zrkadla, x- premenná(vzdialenosť od
0)
Kde: l
Df×
=16
2
f- ohnisková vzdialenosť, l- hĺbka paraboly v jej strede
fDl×
=16
2
alebo ( )DfDl
/16×= [9]
3.2. Faktory ovplyvňujúce výber vhodného typu parabolického zrkadla
Veľkosť zrkadla
Je to dôležitý faktor rozhodujúci o čo najväčšom zisku , ktorý môžeme dosiahnuť na
danej frekvencii, vyplývajúc zo šírky lúča. Zisk je daný vzťahom :
ηλπ
×××
= 2
4 AG alebo ( ) ηλ
π×
×=
2DG , kde 2rA ⋅= π
kde A je projektovaná oblasť parabolického zrkadla( štrbina zrkadla), r je polomer a η je
účinnosť, ktorú zistíme z ožiarenia zrkadla. Poznáme dva faktory, ktoré limitujú čo
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
21
najväčší zisk. Pri nižších mikrovlnných pásmach je jedným z faktorov veľkosť zrkadla.
Preto pri 30 dB parabolickej anténe s frekvenciou 1296MHz bude mať priemer do 3,2
metra, čo môže zapríčiniť problémy pri výrobe ako aj montáži. Pri vyšších mikrovlnných
pásmach je veľkosť antény menším problémom. Ako príklad uvediem parabolické
zrkadlo s priemerom 0,9m používané pri 24GHz, ktoré bude mať zisk nad 44 dB a šírka
lúča 01 .
Pomer medzi ohniskovou vzdialenosťou a priemerom zrkadla
Všetky parabolické zrkadlá majú rovnaký oblúk, ale niektoré sú plytké zatiaľ, čo iné
sú veľmi hlboké alebo nadobúdajú tvar misy. Vhodný spôsob, ktorým môžeme opísať aká
veľká časť paraboly je vlastne využívaná, je pomer f/D. To znamená, pomer ohniskovej
vzdialenosti f k priemeru D parabolického zrkadla. Všetky parabolické zrkadlá
s rovnakým pomerom f/D požadujú rovnakú vyžarovaciu konfiguráciu v pomere
k priemeru parabolického zrkadla. Ak pomer f/D je menší, ožarovač parabolickej antény
ožaruje parabolické zrkadlo širšie, čiže sú potrebné rozdielne typy lievikových
ožarovačov(feed horn), ktoré sú potrebné nato, aby správne ožiarili parabolické zrkadlá
s rôznym pomerom f/D.
Vychádzame z obr.3.1. Tento pomer je základným činiteľom pri návrhu ožarovača
parabolického zrkadla. Pomer sa priamo týka protiľahlého uhlu od okraja zrkadla v jeho
ohnisku, a tiež šírky lúča z ožarovača, z dôvodu efektívneho ožiarenia parabolického
zrkadla. Hodnoty pre pomer f/D sú v rozsahu okolo 0,2 až 1,0. Hodnota od 0,25 odpovedá
všeobecnej ohniskovej rovine, pričom ohnisko je v tej istej rovine ako okraj
parabolického zrkadla.
Konštrukčné materiály
Parabolické zrkadla do veľkosti jedného metra sú obvykle vyhotovené z tuhého
materiálu. Často používaným materiálom je hliník, pre jeho hmotnostné vlastnosti ako aj
životnosť a dobré elektrické vlastnosti. Problémom pri veľkosti zrkadla sa stávajú
poveternostné podmienky. Napríklad, s rýchlosťou verta 50 mph je sila na plochu
parabolického zrkadla približne 44kg/sq m. Štruktúra 1,2m parabolického zrkadla
podlieha zaťaženiu sile verta 45 kg. Technická prax požaduje, aby bol zachovaný stupeň
bezpečnosti, čo predstavuje 5 násobok tejto váhy. Výsledkom toho je, že štruktúra musí
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
22
vydržať zaťaženie 227 kg. Z tohto dôvodu sa používajú parabolické zrkadlá nielen
s odrazovou plochou, ale aj tzv. sieťovou plochou.
Meď, hliník, mosadz, pozinkovaná alebo pocínovaná oceľ a železo. Materiály ako je
železo a oceľ sú náchylné na koróziu a časom sa stávajú viac stratovými. Praktické
parabolické zrkadlá môžu byť vyhotovené z niekoľkých kusov (plátkov) tvrdého kovu
alebo sieťoviny.
3.3. Ožarovač parabolickej antény Návrh ožarovača
Pri dokonalom ožarovacom systéme pre parabolické zrkadlo sa celá energia vyšle
z bodového zdroja umiestneného v ohnisku na celý povrch parabolického zrkadla. Táto
energia sa potom odrazí od zrkadla vo forme rovinnej vlny. Tento ideálny stav je
komplikovaný z viacero faktorov:
- praktické ožarovače veľmi výrazne neizolujú. Obvykle hustota energie je v
maxime na osiach ožarovača a následne potom energia po oboch stranách klesá.
Nedá sa presne určiť šírka lúča ožarovača parabolickej antény. Avšak šírka lúča
je špecifikovaná pričom hustota energie je polovica alebo desatina z hodnoty
maxima. Z tohto dôvodu sa urobí test optimálnej šírky lúča pre ožarovač daného
parabolického zrkadla. Tak ako je ilustrované na obr. 3.3a, väčšia časť energie
z ožarovača je vyžiarená na parabolické zrkadlo, ale sústreďuje ju do stredu
tohto zrkadla, čím sa celkový zisk zhorší. Ak šírka lúča ožarovača parabolickej
antény je príliš vysoká ako je to znázornené na obr. 3.3b, tak veľká časť energie
sa vyžiari mimo parabolického zrkadla a následné sa stratí.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
23
obr. 3.3 a, b, nežiaduce ožiarenie
- pretože kraj každého parabolického zrkadla je vzdialenejší od ožarovača
parabolickej antény a tým vznikajú straty. Tieto straty nazývame priestorové
straty a menia sa v závislosti pomeru f/D parabolického zrkadla. Pre ohniskovú
rovinu to je 6 dB. Pre parabolické zrkadlo s dlhšou ohniskovou vzdialenosťou je
priestorová strata menšia. Napríklad, parabolické zrkadlo, ktoré ma polomer f/D
rovný 0,6 má priestorovú stratu 1,5 dB na okraji parabolického zrkadla. Z toho
dôvodu odpovedajúci ožarovač by mal mať 8,5 dB a optimálnu šírku lúča 088 .
- ak chceme docieliť vysokú účinnosť, tak parabolické zrkadlo musí byť ožiarené
celou jeho plochou a to docielime pomocou správneho nastavenia šírky lúča zo
samotného ožarovača parabolickej antény a to vo vodorovnej ako aj kolmej
rovine. Žiaľ, bežne používaný dipól a parabolické zrkadlo i plechové ožarovače
nie vždy vyhovujú po tejto stránke.
- fázový stred ožarovača parabolickej antény je definovaný ako bod z ktorého sa
energia vyžaruje. U praktických ožarovačov je fázový stred len zriedka jeden
bod od tej doby, čo veľkosť ožarovača je závislá od pomeru vlnovej dĺžky.
Situácia je ešte komplikovanou tým, že fázový stred môže byť odlišný vo
vodorovnej rovine( E ) ako v rovine kolmej(H). Mnohopásmové ožarovače, ako
napríklad logaritmicko periodické anténne systémy sú preto stratové.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
24
3.4. Praktické ožarovacie systémy
Priame ožarovanie
V tejto metóde, ktorá je znázornená na obr. 3.4 je fázový stred ožarovača umiestnený
v ohnisku parabolického zrkadla. Vyžiarená energia z ožarovača parabolickej antény
v tvare guľovej vlny odrazí v parabolickom zrkadle a následne sa zmení na rovinnú vlnu.
Hlavnou výhodou tejto metódy je jednoduchá montáž ožarovača a konštrukcia. Hlavne
pri montáži na zadnú časť zrkadla parabolickej antény, ktorá je účinne použiteľná pri
samotnom uchytení na stĺp alebo trojnožku.
obr.3.4 Geometria priameho ožiarenia parabolického zrkadla
Nepriama metóda
Vyžiarená energia z ožarovača je odrazená rovinným sub zrkadlom do hlavného
zrkadla. Guľová vlna vytvorená ožarovačom sa vyšle sub zrkadlom do rovnakého
guľovitého polomeru zakrivenia, ale pohybom k zrkadlu. Táto metóda je znázornená na
obr.3.5. Sub zrkadlo by malo mať pokiaľ možno minimum nových vlnových dĺžok
v priemere, ale nemalo by presahovať tretinu priemeru hlavného parabolického zrkadla,
podľa poradia nevytvoriť 1 dB straty z prekročeného výkonu. Ak je veľkosť sub zrkadla
vopred zvolená, potom je jeho poloha fixne daná.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
25
Obr. 3.5 Geometria nepriameho ožiarenia parabolického zrkadla, kde Fr – reálne ohnisko
parabolického zrkadla, Fv – virtuálne ohnisko, m – je dĺžka ohniska ku sub zrkadlu.
Ožarovač parabolickej antény je umiestnený na virtuálnom ohnisku, ktorý je pred sub
zrkadlom, pretože reálne ohnisko je oneskorené, dôležité je, že obe dĺžky m sú rovnaké.
Pretože sub zrkadlo je planárne (rovinné), skutočné zrkadlo má výzor ožarovača, ktorý je
rovnaký ako u priamej metódy. Sub zrkadlo je obyčajne vyrobené z tuhého materiálu, ale
aj pletivo alebo drôty majú rovnakú analógiu polarizačnej roviny a sú tiež vhodné pre
núdzovú konštrukciu. Hlavnou výhodou tejto metódy je, že ožarovač môže byť uložený
zo stredu zrkadla.[10]
3.5. Prehľad ožarovačov parabolických antén Dipól
Najpoužívanejším primárnym ožarovačom sú dipóly. Väčšina znalosti, ktoré o nich
máme, sú buď empirické, alebo pochádzajú z analógie dlhovlnných dipólov. Majú
spoločné vlastnosti, ale napriek tomu sa od seba líšia. Hlavný rozdiel vyplýva z veľkého
priemeru ramien dipólu, čo spôsobuje fázové rozdiely medzi príspevkami elektrického
poľa z rôznych miest na povrchu dipólu. Ďalej stredná medzera v mieste napájania nie je
už zanedbateľne malá vzhľadom k celému ramenu dipóla. To spôsobuje, že rozloženie
prúdu pozdĺž dipóla sa líši od sínusovky. Dipóly môžeme napájať i symetricky, ak sú obe
ramena pripojené k vnútornému plášťu koaxiálneho kábla. Aby sa mohla vybudiť štrbina
v koaxiálnom kábli s vidom TEM, vkladá sa do oblasti štrbiny podlhovacia zkratovacia
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
26
prepážka. Prítomnosť prepážky vybudí vyššie vidy, obzvlášť vid TE11. Samotné vidy
vlnovody môžeme použiť ako primárne ožarovače pre paraboloidy len veľmi zriedkavých
prípadoch.[9]
Obr. 3.6 Symetricky napájaný dipól s väzobnými štrbinami
Cassegrain ožarovače
Tento ožarovač je podobný nepriamej metóde. Líši sa tým, že rovinné sub zrkadlo je
nahradené tzv. ostrým zrkadlom vo forme paraboloidu. Hlavnou zmenou je to, že
virtuálne zrkadlo s ožarovačom má dlhšiu ohniskovú vzdialenosť ako skutočné zrkadlo.
Takéto zrkadlo kratšej ohniskovej vzdialenosti môže len ťažko efektívne ožiarené.
Druhou črtou je to, že je viac flexibilný pri umiestnení. A používa sa hlavne pri
optických ďalekohľadoch.
Lievikové ožarovače v tvare pyramídy
Lievikové ožarovače v tomto tvare majú významne výhody oproti iným druhom
ožarovačov. Napríklad veľké rozmerové chyby nepôsobia na kvalitu, ale len na
efektívnosť ožiarenia parabolického zrkadla. Druhou výhodou je tá skutočnosť, že sú
navrhnuté nato, aby vytvárali optimálne ožiarenie parabolického zrkadla v obidvoch
rovinách. Skladá sa z časti vlnovodu, tvorený jednou, alebo dvomi časťami, ktoré
vytvárajú požadovanú šírku lúča. Pri vyšších mikrovlnných frekvenciách je tento
ožarovač spravidla napájaný vlnovodom. Na nižších frekvenciách je napájaný pomocou
koaxiálneho kábla.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
27
Kruhový ožarovač
Tento typ ožarovača sa všeobecne používa na pre nižšie mikrovlnné pásma a jeho
hlavnou výhodou je, že môže byť vyrobený z bežne dostupných materiálov. Má veľmi
vysokú účinnosť, ale vyžaduje určité nastavenia. Ožarovač pozostáva z krátkeho kruhu,
kruhového vlnovodu, často vyrobeného z plechoviek.
Konštrukčné faktory:
- priemer D ožarovača musí presahovať 0,58 vlnovej dĺžky vo vzduchu pri danej
frekvencii. Ak je menší vlnovod, potom pracuje v jeho prerušenej oblasti
a samotná prevádzka sa tak sťaží. Primeraný odhad D je medzi 0,65 do 0,7
vlnovej dĺžky.
- správny rozstup medzi snímačom a krátkym kruhom sa robí formou
experimentu. Poloha medzi sondou a krátkym kruhom sa dá polohovať alebo
ľubovoľne nastaviť. Ak zvýšime priemer ožarovača, následne môžeme
zredukovať jeho dĺžku, ale taktiež poklesne šírka lúča daného ožarovača.
Obr. 3.7 Prehľad jednotlivých žarovačov
Lievikové ožarovače
Tento ožarovač sa tvarom podobá na pyramídový ožarovač, ale žiari signál len
v jednej rovine. Výsledkom toho je, že širšia šírka lúča vytvorí v plochej rovine. Tento
typ ožarovača je znázornený na obr. 3.8
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
28
obr. 3.8 Lievikový ožarovač
Na malom ožarovači s rozmerom B, ktorý je fixný na šírke úzkej hrany vlnovodu
vytvára frekvenčnú charakteristiku s nízkym ziskom. Ale, ak je stena rozšírená a má tvar
obdĺžnika(lievika), tak takýmto nesúmerným tvarom dosiahneme vyšší zisk. Tento druh
ožarovača je polarizovaný horizontálne, čiže stena by mala byť vertikálna. Mimoriadny
zisk dosiahneme komprimovaním vertikálnej vzorky. Aby správne ožarovač fungoval,
musí byť zaručený minimálna veľkosť vlnovej dĺžky vstupného alebo výstupného
elektromagnetického poľa. Ak je lievik veľmi malý alebo vlnová dĺžka veľmi veľká
(alebo frekvencia príliš nízka) anténa nebude pracovať efektívne. Lievikový ožarovač je
používaný bežne ako aktívny prvok v parabolickej anténe. Ožarovač je k centru
parabolického zrkadla zaostrený. Tento typ ožarovača sa používa častejšie ako dipól,
alebo ako iný typ antény, pretože na ohnisku parabolického zrkadla minimalizuje stratu
energie vyžiarenou dookola krajov parabolického zrkadla. Taktiež minimalizuje odrazy
antény ako rušiaci signál v nežiaducom smere. Je využívaný pre všetky radarové systémy
krátkeho rozsahu, hlavne využívaný policajnými zložkami pri meraní rýchlosti. [10]
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
29
4. REALIZÁCIA A MERANIE OŽAROVAČA PARABOLICKEJ ANTÉNY Úvod
Pre 2,4 metrovú Ku- Band anténu som zvolil ožarovač tvaru lievika. Pri výbere som
vychádzal zo základných vlastnosti parabolických antén, pričom ako hlavnou
podmienkou je pomer medzi ohniskovou vzdialenosťou a priemerom zrkadla f/d.
Obdĺžnikový lievikový ožarovač
Poskytujú veľký zisk, pomerne širokú šírku pásma a dajú sa ľahko konštruovať. Daný
lievikový ožarovač je znázornený na obr. 4.1.
obr. 4.1 Základný typ lievikového ožarovača
Ožarovač pôsobí ako stupňovitý prechod z vlnovodného módu do módu voľného
priestoru EM vlny. Ak je napájaný v tvare valcového vlnovodu, potom má tvar
lievika.
4.1 Výber vhodného materiálu na vyhotovenie daného ožarovača parabol. zrkadla
Okrem elektrických vlastností musia materiály použité na výrobu ožarovača spĺňať aj
určité mechanické vlastnosti. Čiže životnosť ožarovača je závislá od použitého materiálu.
Na realizáciu tohto ožarovača som použil ako materiál hliník s hrúbkou 2 mm. Hliník je
dobre elektricky vodivý, mechanicky stabilný a odolný voči zmenám prostredia.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
30
4.1.1 Návrh ožarovača parabolického zrkadla Daný ožarovač tvaru lievika bude mať výslednú podobu ako je znázornené na obr. 4.2
obr. 4.2 Ožarovač parabolického zrkadla
Pri návrhu rozdelím ožarovač na tri časti :
- koaxiálny napájač
- časť v tvare lievika
- konektor s konkrétnym ožarovačom
4.1.2 Vlnovod (koaxiálny napájač)
Dĺžka vlny vo vlnovode je dôležitým faktorom ako aj nutným pri výpočte vhodného
diagonálneho vlnovodového napájača. Vlna vo vlnovode sa šíri takým spôsobom, že jej
zdanlivá rýchlosť presahuje rýchlosť svetla. Daný vlnovodový napájač je znázornený na
obr.4.3 a, b, .
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
31
Náčrt vlnovodového napájača
obr.4.3 a, Rozdelenie vlnovodu na tri oblasti, kde λ je vlnová dĺžka
obr.4.3 b Náčrt daného vlnovodu kde a, b sú rozmery stien vlnovodu [11],[12]
4.1.3 Časti v tvare lievika Lievikový ožarovač v H rovine
Následná geometria parametrov bude často používaná v ďalších analýzach.
obr. 4.4 Priečny rez lievikového ožarovača v H rovine
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
32
Dané výpočty lievika:
( )41.
2
.5,02
20
2
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=
=
AlaAR
ARl
a
HH
H
λ
Základné rozmery na skonštruovanie daného lievika sú A a RH. Optimálnu smerovosť
získame ak vzťah medzi A a R0 je :
03 RA λ=
Lievikový ožarovač v E rovine
obr. 4.5 Priečny rez lievikového ožarovača v rovine E
Geometria tohto lievika je analogická ako u lievika v rovine H. Mení sa len optimálna
smerovosť, ktorá je znázornená výpočtom:
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
33
( )41.
2
.25,02
20
2
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=
=
BlbBR
BRl
b
EH
E
λ
02 RB λ=
[13]
4.1.4 Konektor s ožarovačom vlnovodu Do ožarovača paraboly je signál privádzaný pomocou koaxiálneho kábla. Prechod medzi
koaxiálnym káblom a časťou vlnovodu, kde podľa obr.4.3 dochádza k formovaniu vlny,
je realizovaný pomocou žiariča dĺžky lambda štvrť. Vzhľadom na hrúbku materiálu,
z ktorého je žiarič vyrobený, je treba jeho skutočnú dĺžku zmenšiť o hodnotu danú
skracovacim činiteľom.
Náčrt daného ožarovača vlnovodu je znázornený na obr. 4.6 [14]
obr.4.6 Ožarovač vlnovodu pre parabolu 2,4m s vyžarovaním uhlom 142 stupňov.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
34
4.2. Výpočty a realizácia ožarovača parabolického zrkadla
Koaxiálny napájač
Pri návrhu koaxiálneho napájača ako aj samotného ožarovača vychádzame
z parametrov danej parabolickej antény, ktoré sú nasledovné:
- priemer paraboly je 2,4m
- pracuje na frekvencii 1300 MHz
- vlnová dĺžka je 23cm
cmHz
smfcTc 23
10.1300/299792458. 3 ====λ
- pomer f/D ( ) m
lDf 9,0
4,0.164,2
.16
22
=== kde mDf 375,0
4,29,0
=
Diagonálny vlnovod(v našom prípade koaxiálny) ako aj celý ožarovač parabolickej
antény bude zhotovený u hliníkového plechu o priemere 2 mm. Je ľahký, dá sa pomerne
dobre tvarovať, je odolný do určitej miery voči poveternostným podmienkam. [11], [12]
obr. 4.7 Koaxiálny napájač, kde λ je vlnová dĺžka
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
35
4.2.1 Výpočty časti lievika v rovine H a E Rovina H :
( )
( ) ( )
cmRA
cmAlaAR
cmARl
cma
HH
H
75,181,5.23.3..3
2,441
75,1867,10.5,1175,18
41.
67,109,113275,181,5
2
5,1123.5,0.5,0
0
22
220
2
===
=−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+=
===
λ
λ
Rovina E :
( )
( ) ( )
cmRB
cmBlbBR
cmBRl
cmb
EE
E
31,151,5.23.2..2
91,541
31,152,9.75,531,15
41.
2,960,84231,151,5
2
75,523.25,0.25,0
0
22
220
2
===
=−⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−=
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+=
===
λ
λ
Poznámka: Tieto výpočty elektrických parametrov sú uvedené pre šírenie vo vákuu.
Preto treba brať do úvahy skracovací činiteľ 0,95 (ktorý udáva odborná literatúra).
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
36
4.2.2 Zisk ožarovača
Graf č. 1 Určenie zisku v závislosti na pomere a1/λ.
Zisk určíme takým spôsobom, že vypočítame λ/A a následné odčítame z grafu..
05,17,21
23==
cmcm
Aλ
,čiže po odčítaní je z grafu je zisk ožarovača cca 10 dB.
Poznámka: dané označenie v grafe je prevzaté z literatúry, kde a1= A , ρΗ= Rh
4.2.3 Konektor a ožarovač vlnovodu Dané hodnoty som použil z odbornej literatúry, ktoré sú zakreslené v náčrte.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
37
21
7
2 3 3
1 8 2 5 1
2
1 4 9
23
1
18
05
1
14
2°
1 4 2
2
4 0 6 9 4 0
42
13
44
2
1 4 9
21
7
42
13
44
2
4 06 94 0
53
.5Ø 1 5
POH LAD Z H ORA
POH LAD Z BOKU
4 6 .3
M4
5 3 .5
65
POH LAD Z BOKU
N KON EKTOR
47
.51
21
21 TECH N OLOGICKY
OTVOR Ø 1 2
Obr.4.8 Ožarovač vlnovodu
obr. 4.9 Konektor - pohľad z hora
4.2.4 Celkový náčrt daného lievikového ožarovača:
c,
obr. 4.10 Pohľad na ožarovač parabolického zrkadla
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
38
obr. 4.11 Výsledný pohľad na navrhnutý ožarovač parabolickej antény
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
39
5. MERANIE 5.1. Meranie impedančného prispôsobenia PSV (pomer stojatej vlny)
Prispôsobovať je nutné antény, ak ich impedancia je odlišná od impedancie napájača,
ktorým býva najčastejšie koaxiálny kábel. Dokonalé prispôsobené vedenie je zakončené
odporom, ktorého hodnota je rovnaká ako charakteristická impedancia vedenia.
Pre širšie frekvenčné pásmo je veľmi obtiažne túto podmienku splniť, pretože sa
impedancia záťaže s frekvenciou mení. Ak nie je vf vedenie „prispôsobené“, časť vlnenia
sa od záťaže odrazí a vracia sa späť ku zdroju a pritom sa sčíta s vlnením postupujúcim,
čo do amplitúdy aj fázy. V miestach, kde sa amplitúdy napätia alebo prúdu stretávajú vo
fáze a sčítajú sa, vzniká maximum, keď sa stretnú v protifáze a odčítajú sa vzniká
minimum. Na vedení dochádza k stojatému vlneniu. V závislosti od rozdielu medzi
charakteristickou impedanciu vedenia a impedanciou záťaže prevláda buď vlna postupná
alebo vlna stojatá. Toto nám charakterizuje pomer stojatého vlnenia PSV. Je definovaný
vzťahom:
min
max
min
max
II
UUPSV ==
Meranie som robil pomocou smerovacej väzby. Bol pritom použitý signálový
generátor od firmy ANRITSU model MG 3692A a merač výkonu. Meranie som potom
previedol vo frekvenčnom pásme 1290 – 1299 MHz. Výsledky som zaznamenal do
tabuľky 2.
Za priaznivú hodnotu sa považuje PSV ≤ 1,5 (0,18 dB = 4% strát). Čiže po zmeraní
impedančného prispôsobenia PSV, ktorého hodnoty sú uvedené v tabuľke 2 vyhovujú
podmienkam PSV a nepresahujú hodnotu 1,5.
Tabuľka 2 Impedančné prispôsobenie PSV
MHZ 1290 1291 1292 1293 1294 1295 1296 1297 1298 1299PSV 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,2
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
40
5.2. Meranie útlmu v závislosti na uhle
Tabuľka 3 Meranie útlmu v závislosti na uhle
UHOL ÚTLM STUPNE ÚTLM 0 0 0
10 o 1,3 -10 o 0,2
20 o 2 -20 o 2
30 o 3 -30 o 4
40 o 4 -40 o 6
50 o 6 -50 o 7
60 o 8 -60 o 7,5
70 o 8,5 -70 o 8
Po odmeraní daného útlmu ožarovač parabolického zrkadla spĺňa teoretické predpoklady
z teórie v kapitole 3.3
Pri meraní bol ako meracia anténa použitý nesymetrický dipól dĺžky λ/2, generátor MG
3692A, spektrálny analyzátor MS 2667C ANRITSU.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
41
ZÁVER Cieľom mojej diplomovej práce bolo navrhnúť, realizovať a popísať ožarovač
parabolického zrkadla pre frekvenčné pásmo 1300 MHz.
Začiatok práce bol venovaný zákonitostiam šírenia rádiového signálu v uvedenom
frekvenčnom pásme. Zohľadňuje sa aj šírenie v rôznych vrstvách ionosféry a aj prípadný
prechod signálu ionosférou. Je tu popísané šírenie lúča v členitom teréne a tiež šírenie za
ojedinelou prekážkou, pričom sa uplatňuje aj odraz signálu. Druhá kapitola oboznámi
čitateľa s teóriou problematiky samotných antén, ich základnými vlastnosťami a typmi
antén, ktoré sa používajú na dané frekvenčné pásmo.
V tretej kapitole je podrobne opísaný princíp parabolickej antény. Jej dôležité časti
ako aj faktory ovplyvňujúce správny výber parabolickej antény. Ako je vidieť z poslednej
kapitoly („Realizácia a meranie ožarovača parabolickej antény“), výsledkom diplomovej
práce je ožarovač parabolickej antény. Snažil som sa vytvoriť akýsi návod, ktorý by
čitateľa oboznámil nielen s problematikou daného ožarovača, ale aj s samotnou
konštrukciou, kde je potrebné dodržať parametre hlavne vlnovodovej časti, ako aj uhol
otvorenia samotného lievika. Po zhodnotení merania impedančného prispôsobenia PSV,
ako aj merania útlmu v závislosti na uhle som overil správnu funkčnosť daného ožarovača
pre predpísané rozmery parabolického zrkadla.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
42
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY [1] Kenneth Macleish : Proč anténa vyžaruje
Praktická elektronika A Radio, 7/1996, 8/1996, 9/1996
[2] www.souenel.pilsedu.cz/dilna/pripravy/anteny/ant0 3.htm
- Šíření elektromagnetického záření
[3] Milan Český : Antény pro příjem rozhlasu a televize,
SNTL – Nakladatelství technickém literatúry, Praha, 197
[4] www.spse/ke.fei.tuke.sk/elektro/Radiote/elmag/elmag.htm
- Bezdrôtový prenos správ
[5] www.spse/ke.fei.tuke.sk/elektro/Radiote/elmag/dv sv kv/dv sv kv
- Spôsoby šírenia DV, SV, KV, VKV
[6] Štefan Vávra, Ján Turán : Antény a šírenie elektromagnetických vĺn, ALFA,
Bratislava, 1989
[7] doc. Ing. HHRudolf Hronec, CSc. : Šírenie elektromagnetických vĺn a antény
- prednášky, ŽU v Žiline, šk. rok 2005/2006
[8] R. Dean Straw : The Arrl Antenna Book,
The American Radio Relay League, Inc., Newington, 1998
[9] J. Prokop, J. Vokurka : Šiření elektromagnetických vln a antény,
SNTL/ALFA 04-521-80
[10] Andy Barter GBATD: International Microwave handbook
[11] Love : Elektromagnetic Horn Antennas,
New York IEEE Press, 1976
[12] Dick Turrin W2IMU : Parabolic reflektor Antennas and Feeds,
P 9-29 ARRL UHF Experimenters Manual 1991
[13] http://www.ece.mcmaster.ca/faculty/nikolova/antenna_dload/Antennas_L13.pdf
[14] P. Šír : Rádioamatérske konstrukce pro mikrovlná pásma
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
ČESTNÉ PREHLÁSENIE
Prehlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným
vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca CSc. a používal som literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičaním diplomovej práce. V Žiline, dňa........................ Podpis: ...................................................
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
POĎAKOVANIE
Touto cestou vyslovujem poďakovanie pánovi doc. Rudolfovi Hroncovi CSc. a Ing.
Branislavovi Kišovi, za pomoc, odborné vedenie, cenné rady a pripomienky pri
vypracovaní mojej diplomovej práce.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Prílohová časť
2006 Michal Furmánek
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
Zoznam Príloh Príloha č .1 Meranie impedančného prispôsobenia (PSV) Príloha č. 2 Meranie útlmu v závislosti na uhle Príloha č .3 Názorná ukážka merania útlmu v závislosti na uhle Príloha č. 4 Názorná ukážka ožarovača vlnovodu Príloha č. 5 Dokumentácia a parametre parabolickej antény (parabolického zrkadla) o priemere 2,4m.
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
Príloha č 1
Meranie impedančného prispôsobenia (PSV)
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
Príloha č. 2
Meranie útlmu v závislosti na uhle
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
Príloha č. 3
Názorná ukážka merania útlmu v závislosti na uhle
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
Príloha č. 4
Názorná ukážka ožarovača vlnovodu
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––
–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––