Lab Volt - Antenna Fundamentals - Student Manual GR 5 · Lab Volt Antenna Fundamentals 10 3....

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΡΑΙΩΝ & ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 4Ο ΕΤΟΣ, ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ Β

Περιεχόμενα

Περιεχόμενα ......................................................................................................................................................3

1. Διάγραμμα ακτινοβολίας διπόλου λ/2 ............................................................................................7

Θεωρητική εισαγωγή..............................................................................................................................7

Διαδικασία Μετρήσεων .........................................................................................................................9

Ερωτήσεις ανακεφαλαίωσης ........................................................................................................... 15

2. Διάγραμμα ακτινοβολίας ανοιχτού κυματοδηγού................................................................... 17

Σκοπός της άσκησης ............................................................................................................................ 17

Θεωρητική εισαγωγή........................................................................................................................... 17

Διαδικασία μετρήσεων........................................................................................................................ 23


3. Πυραμιδοειδείς κεραίες χοάνης....................................................................................................... 33


Διαδικασία Μετρήσεων ...................................................................................................................... 39


4. Διαγράμματα ακτινοβολίας διπόλων λ/2, λ, 3λ/2 ................................................................... 47


Διαδικασία Μετρήσεων ...................................................................................................................... 51


5. Αναδιπλωμένο δίπολο λ/2 & μετασχηματισμός αντίστασης με Balun............................ 57





6. Μονοπολικές κεραίες........................................................................................................................... 77



Lab Volt Antenna Fundamentals

4



7. Κεραίες βρόχου ...................................................................................................................................... 89





8. Κυκλική πόλωση & Ελικοειδείς κεραίες .....................................................................................101

Σκοπός της άσκησης ..........................................................................................................................101

Θεωρητική εισαγωγή.........................................................................................................................101

Διαδικασία μετρήσεων......................................................................................................................107

Ερωτήσεις ανακεφαλαίωσης .........................................................................................................114

9. Στοιχειοκεραίες Yagi-Uda ................................................................................................................117


Διαδικασία Μετρήσεων ....................................................................................................................119


10. Στοιχειοκεραίες: Κεραία σχισμών ................................................................................................125





11. Τεχνολογία μικροταινίας: Η ορθογωνική ταινία καλύμματος ..........................................141





12. Επίπεδες στοιχειοκεραίες μικροταινίας.....................................................................................159





Παράρτημα Α ...............................................................................................................................................175

Πίνακας χρήσης εξοπλισμού...........................................................................................................175

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 1 – Διπολική κεραία λ/2

5

Βιβλιογραφία ...............................................................................................................................................177



Copyright© 1996 Lab-Volt Ltd.

Μετάφραση: Dr. Γιώργος Κουτίτας, Dr. Αγγελική Μονέδα

Κοζάνη, 2009

1. Διάγραμμα ακτινοβολίας

διπόλου λ/2

Θεωρητική εισαγωγή

Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με τα διαγράμματα ακτινοβολίας γραμμικών

διπολικών κεραιών, μήκους λ 2 . Οι μετρήσεις αφορούν τόσο στο ηλεκτρικό ( E ) όσο

και στο μαγνητικό πεδίο ( H ).

Ένα δίπολο με μέγεθος λ 2 φαίνεται στο σχήμα 1.1, όπου σημειώνεται επίσης η

κατανομή του ρεύματος επάνω στην κεραία. Καθώς η κεραία τροφοδοτείται από ρεύμα,

εκπέμπεται ακτινοβολία σε διάφορες κατευθύνσεις. Το διάγραμμα ακτινοβολίας

(antenna pattern) είναι η τρισδιάστατη απεικόνιση της έντασης ακτινοβολίας, που

ορίζεται στο μακρινό πεδίο. Το διάγραμμα ακτινοβολίας συνήθως παρίσταται σε δύο

χαρακτηριστικά επίπεδα. Στο επίπεδο του ηλεκτρικού πεδίου (επίπεδο- E ) και σε αυτό

του μαγνητικού πεδίου (επίπεδο- H ). Η μορφή του ηλεκτρικού και του μαγνητικού

πεδίου φαίνονται στο σχήμα 1.2 και τα αντίστοιχα διαγράμματα ακτινοβολίας στο

σχήμα 1.3. Το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας είναι το ίδιο είτε η κεραία

χρησιμοποιείται για εκπομπή είτε για λήψη, και αυτό οφείλεται στο θεώρημα της

αμοιβαιότητας (reciprocity theorem).

Χαρακτηριστικό μέγεθος ενός διαγράμματος ακτινοβολίας είναι το εύρος δέσμης

μισής ισχύος (Half Power Beamwidth - HPBW), που είναι η γωνία που σχηματίζουν

τα σημεία του κυρίως λοβού στα οποία η ένταση ακτινοβολίας έχει μειωθεί στο μισό

( )− dB3 σε σχέση με τη μέγιστη. Το HPBW ενός διπόλου λ 2 είναι °78 , όπως φαίνεται

και στο σχήμα 1.3.


8

Σχήμα 1.1 Διπολική κεραία λ/2 και η αντίστοιχη κατανομή ρεύματος.

Σχήμα 1.2 Ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο σε διπολική κεραία λ/2.

(α) (β)

Σχήμα 1.3 Διάγραμμα ακτινοβολίας (α) στο ηλεκτρικό, (β) στο μαγνητικό επίπεδο για δίπολο λ/2.


9

Η πόλωση (polarization) της κεραίας σχετίζεται με τη φυσική τοποθέτησή της

στο χώρο. Μια διπολική κεραία που είναι οριζόντια τοποθετημένη έχει οριζόντια

πόλωση ενώ αν είναι κατακόρυφα τοποθετημένη έχει κάθετη πόλωση. Η πόλωση

εκφράζει τη διεύθυνση του παραγόμενου ηλεκτρικού πεδίου, όταν η κεραία λειτουργεί

ως κεραία εκπομπής. Αν η πόλωση της κεραίας εκπομπής είναι διαφορετική από την

πόλωση της κεραίας λήψης, τότε παρουσιάζονται απώλειες στο λαμβανόμενο σήμα. Το

φαινόμενο αυτό ονομάζεται cross-polarisation isolation.

Στη συνέχεια θα μετρηθούν ορισμένα από τα μεγέθη που αναφέρθηκαν

παραπάνω.

Διαδικασία Μετρήσεων

Εγκατάσταση εξοπλισμού

1. Τα βασικά στοιχεία της μετρητικής διάταξης, που είναι το σύστημα λήψης

δεδομένων/Τροφοδοτικό (Data Acquisition Interface/Power Supply), η γεννήτρια

RF (RF Generator), ο Antenna Positioner και ο υπολογιστής, πρέπει να είναι σε

λειτουργία πριν την έναρξη της άσκησης.

2. Τοποθετείστε την κεραία Yagi πάνω στο στήριγμα του εκπομπού με τα στοιχεία

της κεραία να είναι οριζόντια, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.4. Εγκαταστήστε το

μακρύ καλώδιο SMA στην έξοδο 1GHz OSCILLATOR της γεννήτριας RF και

συνδέστε το στην κεραία Yagi.

Σχήμα 1.4 Κεραία Yagi με οριζόντια πόλωση.


10

3. Λαμβάνοντας υπόψη τη σχέση =λ c f , όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και f

η συχνότητα, υπολογίστε το μήκος λ 2 στη συχνότητα GHz1 .

=

=

λ _________m

λ _________m2

Για τον ακριβή υπολογισμό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ο λόγος του μήκους της

κεραίας με το πάχος της διατομής της. Για τη συγκεκριμένη περίπτωση ένα μήκος

0.45λ αντί για 0.5λ είναι μία καλή προσέγγιση. Οπότε

=. λ _________m045

4. Διαλέξτε τα κατάλληλα καλώδια για να κατασκευάσετε ένα δίπολο λ 2 όπως

φαίνεται στο σχήμα 1.5.

5. Τοποθετήστε την κεραία λήψης στον Antenna Positioner όπως δείχνει το σχήμα

1.6 και βιδώστε τον εξασθενητή dB10 στην είσοδο RF πάνω στον Antenna

Positioner. Συνδέστε την κεραία στον εξασθενητή χρησιμοποιώντας το καλώδιο

SMA.

Σχήμα 1.5 Δίπολο λ/2.


11

Σχήμα 1.6 Κεραία λήψης πάνω στον Antenna Positioner.

6. Τοποθετήστε την κεραία εκπομπής και την κεραία λήψης συνευθειακά και σε

απόσταση =r m1 όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.7.

Σχήμα 1.7 Απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη

7. Πραγματοποιήστε τις εξής ρυθμίσεις:

• Στη γεννήτρια RF

GHz1 OSCILLATOR MODE............................. kHz1

GHz1 OSCILLATOR RF POWER ..................... OFF

GHz10 OSCILLATOR RF POWER................... OFF

• Ενεργοποιήστε τη γεννήτρια RF και το τροφοδοτικό.

• Ενεργοποιήστε τον υπολογιστή και εκκινήστε το πρόγραμμα LVDAM-ANT.


12

Λήψη διαγράμματος ακτινοβολίας και πόλωση

8. Θέστε το διακόπτη GHz1 OSCILLATOR RF POWER της γεννήτριας ραδιοκυμάτων

στη θέση ON. Χρησιμοποιείστε το Attenuation control για να βελτιστοποιείστε το

διάγραμμα ακτινοβολίας.

9. Αρχίστε την πρώτη συλλογή μετρήσεων. Όταν τελείωση η διαδικασία σβήστε το

RF POWER στη γεννήτρια RF. Αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σαν

επίπεδο- E σε ένα καινούργιο αρχείο (Document1). Προσανατολίστε το διάγραμμα

έτσι ώστε το σημείο με την μέγιστη εκπομπή να είναι στις °0 .

10. Περιστρέψτε την κεραία εκπομπής (αφού αποσυνδέσετε το καλώδιο) έτσι ώστε

να γίνει κατακόρυφη, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.8, χωρίς να περιστρέψετε την

κεραία λήψης. Κρατήστε το ίδιο επίπεδο εξασθένησης και αρχίστε καινούργιες

μετρήσεις. Αποθηκεύστε τις καινούργιες μετρήσεις ως επίπεδο- E σε ένα

καινούργιο αρχείο (Document2).

Σχήμα 1.8 Περιστροφή κεραίας εκπομπής.

11. Τοποθετήστε την κεραία λήψης (δίπολο λ 2 ) σε κατακόρυφη θέση όπως φαίνεται

στο σχήμα 1.9.

12. Έχοντας τις ίδιες παραμέτρους με τις προηγούμενες μετρήσεις πραγματοποιείστε

συλλογή μετρήσεων και αποθηκεύστε το διάγραμμα ως επίπεδο- H στο

Document1. Προσανατολίστε το σημείο μέγιστης έντασης του διαγράμματος

(MSP) στις °0 .


13

13. Παρατηρήστε τα τρία διαγράμματα ακτινοβολίας. Περιμένατε τα αποτελέσματα

της δεύτερης μέτρησης; Δώστε εξήγηση.

Σχήμα 1.9 Δίπολο σε κατακόρυφη θέση.

14. Ακολουθώντας τα βήματα 2 και 5, πραγματοποιείστε ξανά την τοποθέτηση των

κεραιών εκπομπής και λήψης ώστε να είναι σε οριζόντια πόλωση και τοποθετήστε

τις κεραίες σε απόσταση =r . m125 . Μην αλλάξτε το επίπεδο εξασθένησης και

βεβαιωθείτε ότι το περιβάλλον γύρω από τις κεραίες είναι το ίδιο ώστε να

ελαχιστοποιηθούν οι παρεμβολές από γειτονικά αντικείμενα. Κάντε μετρήσεις για

το επίπεδο-Ε και αποθηκεύστε τις σε ένα καινούργιο αρχείο (Document3).

Σύμφωνα με τη θεωρία πρέπει το διάγραμμα αυτό να είναι ίδιο με το πρώτο

(Document1). Αν όχι, προσπαθήστε να δείτε που υπάρχουν ανακλάσεις από

γειτονικά αντικείμενα και ξανακάντε την μέτρηση.


14

Half Power Beamwidth

15. Κάντε κλικ τον κέρσορα στο tool bar. Εμφανίζονται δύο κέρσορες, ένας σε κάθε

μεριά του °0 . Οι τιμές που εμφανίζονται στο File Manager θα αλλάξουν. Αυτές

αντιπροσωπεύουν δύο επίπεδα ισχύς σε dB , τη μέγιστη τιμή του κυρίως λοβού

και στο πάνω δεξιά μέρος του 2D view, τις θέσεις του κέρσορα και την διαφορά

των θέσεων σε μοίρες. Επιλέξτε και σύρτε τον κέρσορα 2. Όταν μετακινείτε τον

κέρσορα γύρω από παράθυρο, αλλάζουν οι τιμές Curs2. Αυτή είναι η διαφορά σε

dB μεταξύ της μέγιστης τιμής του διαγράμματος και τις τιμής που αντιστοιχεί

στην θέση όπου ο κέρσορας «ακουμπά» το διάγραμμα ακτινοβολίας. Μπορείτε να

κάνετε το ίδιο και με τον άλλον κέρσορα.

16. Χρησιμοποιώντας τους κέρσορες βρείτε τις γωνίες όπου η ισχύς του κυρίως λοβού

μειώνεται στο μισό ( )dB3 . Υπολογίστε το HPBW σύμφωνα με την εξίσωση

= − = °E HPBW left HPBW rightHPBW θ θ _____

17. Επαναλάβετε το βήμα 16 για το διάγραμμα ακτινοβολίας στο Document3.

= − = °E HPBW left HPBW rightHPBW θ θ _____

18. Κλείστε το cursor option. Συγκρίνετε τις απαντήσεις με αυτές που δίδονται από το

LVDAM-ANT που βρίσκονται στην τρίτη στήλη της antenna data box. Αν τα

αποτελέσματα σας δεν είναι παρόμοια επαναλάβετε τις μετρήσεις.

19. Αποθηκεύστε τα Document1, Document3 και εκτυπώστε τα αποτελέσματα.

Συμπεράσματα

Στην άσκηση αυτή υπολογίσατε το μήκος ενός διπόλου με βάση τη συχνότητα

εκπομπής. Μάθατε να διακρίνετε την οριζόντια και κατακόρυφη πόλωση μίας κεραίας

Yagi και ενός διπόλου. Σχεδιάσατε το διάγραμμα ακτινοβολίας του γραμμικού διπόλου

στο ηλεκτρικό και μαγνητικό επίπεδο και είδατε ότι το σχήμα του διαγράμματος δεν

αλλάζει όταν μεταβάλλεται η ισχύς εκπομπής. Επίσης μάθατε να υπολογίζετε το

HPBW .


15

Ερωτήσεις ανακεφαλαίωσης

1. Σε τι χρησιμεύει μία κεραία;

2. Τι είναι μία ισοτροπική πηγή ακτινοβολίας και για ποιο λόγο είναι χρήσιμη;

3. Τι είναι το διάγραμμα ακτινοβολίας; Ποια η διαφορά μεταξύ του διαγράμματος

ακτινοβολίας για μία κεραία εκπομπής και μία κεραία λήψης;

4. Περιγράψτε το δίπολο.

5. Τι εννοούμε με τον όρο πόλωση κεραίας; Πως πολώνεται ένα δίπολο;




Μετάφραση: Dr. Αγγελική Μονέδα, Dr. Γιώργος Κουτίτας

Κοζάνη, 2009

2. Διάγραμμα ακτινοβολίας

ανοιχτού κυματοδηγού

Σκοπός της άσκησης

Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα είστε εξοικειωμένοι με το διάγραμμα ακτινοβολίας

ενός ομοιόμορφου ορθογωνικού κυματοδηγού.


Η διπολική κεραία είναι μια κεραία σύρματος στην οποία η ακτινοβολία οφείλεται στη

ροή του ρεύματος πάνω στο σύρμα. Ένας εντελώς διαφορετικός τύπος κεραιών είναι οι

κεραίες ανοιγμάτων. Σε αυτές υπάρχει ένα άνοιγμα από το οποίο διέρχεται το

ηλεκτρομαγνητικό (ημ) πεδίο.

Ένας ανοιχτός ορθογωνικός κυματοδηγός είναι ένα απλό παράδειγμα κεραίας

ανοίγματος. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ένας κυματοδηγός με σχισμές, που σε αυτή την

περίπτωση ονομάζεται κεραία σχισμών.

Ακτινοβολία από σχισμή απείρου μήκους

Στο σχήμα 2.1 φαίνεται η πρόσπτωση επιπέδου κύματος σε μια αγώγιμη επιφάνεια με

σχισμή. Η σχισμή είναι απείρου μήκους κατά τον άξονα x και είναι στενή, με πλάτος L

κατά τον άξονα y . Το επίπεδο κύμα διαδίδεται κατά τη διεύθυνση z .

Το διαδιδόμενο πεδίο κατά τη διεύθυνση z είναι

−= jβzyE E e

0 (2.1)


18

όπου yE είναι πεδίο κατά τη διεύθυνση y , E0

είναι η μέγιστη τιμή του yE και

=β π λ2 .

Σχήμα 2.1 Ακτινοβολία από σχισμή άπειρου μήκους.

Σχήμα 2.2 Πλάγια όψη σχισμής απείρου μήκους.

Αποδεικνύεται ότι το πεδίο που διαδίδεται κατά τη διεύθυνση θ είναι

( )

( )

− =jβr

θ

sin βL sinθeE jβ E L

πr βL sinθ0

2

2 2 (2.2)

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 2 – Κυματοδηγοί

19

όπου θ είναι η γωνία που σημειώνεται στο σχήμα 2.2 και r είναι η απόσταση από τη

σχισμή. Το δεύτερο μέρος της εξίσωσης (2.2) παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον καθώς

αποτελεί το κανονικοποιημένο διάγραμμα ακτινοβολίας ( )F θ

( )( )

( ) =

sin βL sinθF θ

βL sinθ

2

2. (2.3)

Αν και μοιάζει πολύπλοκη, η παραπάνω έκφραση είναι στην πραγματικότητα της

μορφής ( )sinx x και φαίνεται στο σχήμα 2.3.

Σχήμα 2.3 Γράφημα ( )sinx x .

Ακτινοβολία από ομοιόμορφο ορθογωνικό άνοιγμα

Ένας ανοιχτός ορθογωνικός κυματοδηγός λειτουργεί σαν κεραία ανοίγματος. Η διατομή

του φαίνεται στο σχήμα 2.4.

Σχήμα 2.4 Ορθογωνικό άνοιγμα.

Το πεδίο στο επίπεδο-Ε δίνεται από την εξίσωση


20

( )

( )−

=jβr

y

θ x yy

sin βL sinθeE jβ E L L

πr βL sinθ0

2

2 2 (2.4)

που έχει το εξής κανονικοποιημένο διάγραμμα ακτινοβολίας

( )( )

( ) =

y

Ey

sin βL sinθF θ

βL sinθ

2

2. (2.5)

Στο επίπεδο-Η, το πεδίο περιγράφεται από την εξίσωση

( )

( )

− =jβr

xφ x y

x

sin βL sinθeE jβ E L L

πr βL sinθ0

2

2 2 (2.6)

και έχει κανονικοποιημένο διάγραμμα ακτινοβολίας

( )( )

( ) = x

Hx

sin βL sinθF θ

βL sinθ

2

2. (2.7)

Τα παραπάνω κανονικοποιημένα διαγράμματα ακτινοβολίας είναι απλές

εκφράσεις της μορφής ( )sinx x . Το συνολικό διάγραμμα ακτινοβολίας είναι ο

συνδυασμός μιας έκφρασης ( )sinx x στο επίπεδο-Ε και μιας έκφρασης ( )sinx x στο

επίπεδο-Η.

Ορισμοί

P0

ισχύς τροφοδοσίας της κεραίας εκπομπής ( )W

radP εκπεμπόμενη ισχύς ( )W

η απόδοση ακτινοβολίας = radPη

P0

(αδιάστατο μέγεθος).

Σε πολλές κεραίες η απόδοση ακτινοβολίας είναι κοντά στο 1 ( )%100 . Ωστόσο σε

κάποιες κεραίες, όπως το βραχύ δίπολο, η απόδοση ακτινοβολίας είναι αρκετά

μικρή.

Φ ένταση ακτινοβολίας ( )W sr


21

Το στερεοακτίνιο ( )sr είναι μονάδα μέτρησης της στερεάς γωνίας. Μια σφαίρα

έχει π4 στερεοακτίνια. Η μέση ένταση ακτινοβολίας ορίζεται ως εξής

[ ]= radavg

PΦ W sr

π4

D κατευθυντικότητα (αδιάστατο μέγεθος)

Η κατευθυντικότητα είναι η μέγιστη τιμή της ένταση ακτινοβολίας προς κάποια

διεύθυνση, προς τη μέση ένταση ακτινοβολίας μιας ισοτροπικής πηγής που

εκπέμπει την ίδια συνολική ισχύ.

= =max max

avg rad

Φ ΦD

Φ P π4

G κέρδος κεραίας ή κατευθυντικό κέρδος (αδιάστατο μέγεθος)

Για μια κεραία χωρίς απώλειες, το κέρδος είναι ίδιο με την κατευθυντικότητα.

Ωστόσο σε κεραίες με απόδοση ακτινοβολίας μικρότερη από 1 ( )%100 το κέρδος

είναι διαφορετικό

=G ηD

aΩ στερεά γωνία δέσμης κεραίας ( )sr

Το aΩ αντιστοιχεί στη στερεά γωνία που θα χρειαζόταν για να ακτινοβολείται όλη

η ισχύς radP με τη μέγιστη ένταση ακτινοβολίας maxΦ

=rad a maxP Ω Φ

Από την παραπάνω έκφραση προκύπτει ο εξής εναλλακτικός ορισμός της

κατευθυντικότητας

=a

πD

Ω

4

eA ενεργός επιφάνεια ή ενεργό άνοιγμα ( )m2


22

Η ενεργός επιφάνεια αντιστοιχεί στην ενεργό επιφάνεια απορρόφησης που

παρουσιάζει μια κεραία στο προσπίπτον επίπεδο κύμα. Για μια κεραία ανοίγματος,

είναι ίση ή μικρότερη από το φυσικό άνοιγμα της κεραίας. Η σχέση μεταξύ του

κέρδους και του μήκους κύματος είναι

= e

πG A

λ24

apη απόδοση ανοίγματος ή απόδοση κεραίας μιας κεραίας ανοίγματος (αδιάστατο

μέγεθος)

Το spη είναι ο λόγος της ενεργού περιοχής προς το φυσικό άνοιγμα μιας κεραίας

ανοίγματος. Μια βολική προσεγγιστική τιμή που χρησιμοποιείται συνήθως είναι

%50 .

= eap

p

Aη

A

F B λόγος εμπρός προς πίσω

Το F B είναι ο λόγος της ισχύος του σήματος προς κάποια διεύθυνση εκπομπής ή

λήψης προς την ισχύ του σήματος κατά την αντίθετη διεύθυνση. Αυτός ο λόγος

εκφράζει την ικανότητα μιας κεραίας λήψης να διαχωρίζει τα σήματα που

έρχονται από εμπρός από παρεμβαλλόμενα σήματα που έρχονται από πίσω.

( ) ( )= −F B Κύριος λοβός dB Οπίσθιος λοβός dB

Περίληψη διαδικασίας μετρήσεων

Σε αυτή την άσκηση θα εξοικειωθείτε με τη χρήση κυματοδηγικών κεραιών, ιδιαίτερα

με τη χοανοκεραία και τον ανοιχτό ορθογωνικό κυματοδηγό. Θα μάθετε πώς να

τοποθετείται αυτές τις κεραίες και θα παρατηρήσετε τα αποτελέσματα της κακής

ευθυγράμμισης των δύο κυματοδηγών. Θα σχεδιάσετε το διάγραμμα ακτινοβολίας του

ανοιχτού ορθογωνικού κυματοδηγού και θα υπολογίστε το εύρος δέσμης μισής ισχύος

στο επίπεδα-Ε και Η, την κατευθυντικότητα και την ενεργό επιφάνειά του. Τέλος θα

μελετήσετε την πόλωση της κεραίας χοάνης και του κυματοδηγού.


23

Διαδικασία μετρήσεων






2. Τοποθετήστε τον ιστό κεραίας με το δακτύλιο στήριξης στο σύστημα εκπομπής.

Συνδέστε μια μεγάλη χοανοκεραία στον προσαρμογέα κυματοδηγού-σε-

ομοαξονικό. Πρέπει να είναι συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπάρχουν

κενά στην επαφή του κυματοδηγού.

Στο σχήμα 2.5 φαίνεται ο τρόπος σύνδεσης των μικροκυματικών εξαρτημάτων με

τις ειδικές κλειδαριές. Πρώτα, ευθυγραμμίστε τις οπές των εξαρτημάτων που

πρόκειται να συνδεθούν. Έπειτα, εισάγετε τη μεταλλική πόρπη μιας κλειδαριάς σε

μια οπή και την πόρπη μιας δεύτερης κλειδαριάς στην οπή της απέναντι γωνίας.

Τέλος πιέστε το πλαστικό τμήμα της κλειδαριάς μέχρι να ασφαλίσει επάνω στα

εξαρτήματα.

Σχήμα 2.5 Σύνδεση μικροκυματικών εξαρτημάτων.


24

3. Για να τοποθετήσετε τη χοανοκεραία στον ιστό εισάγετε τον κυματοδηγό στο

πλαστικό στήριγμα και πιέστε το απαλά. Έπειτα, χρησιμοποιώντας τo μεταλλικό

εξάρτημα του στηρίγματος τοποθετήστε την κεραία στον ιστό. Για την πρώτη

λήψη προσανατολίστε τη χοάνη ώστε να είναι οριζόντια πολωμένη όπως φαίνεται


Σχήμα 2.6 Σύνδεση κεραίας εκπομπής.

Τοποθετήστε το μακρύ καλώδιο SMA στην έξοδο GHz10 Oscillator της γεννήτριας

RF και έπειτα συνδέστε την κεραία.

4. Τοποθετήστε τον άλλο ιστό με δακτύλιο στήριξης στο στήριγμα ολίσθησης του

Antenna Positioner.

Συνδέστε τον ανοιχτό κυματοδηγό στον προσαρμογέα κυματοδηγού-σε-

ομοαξονικό. Για το πρώτο πείραμα θα δημιουργήσουμε μια ασυνέχεια στην επαφή

των κυματοδηγών. Για να γίνει αυτό, συνδέστε δύο κομμάτια έτσι ώστε οι μεγάλες

πλευρές των ανοιγμάτων να είναι κάθετες μεταξύ τους. Ευθυγραμμίστε τις οπές


25

των δύο κομματιών. Αγνοήστε την κακή προσαρμογή των επιφανειών και

συνδέστε τις με μια κλειδαριά.

Τοποθετήστε την κεραία στον ιστό με τη μακριά πλευρά του ανοίγματος

προσανατολισμένη κάθετα. Χρησιμοποιώντας το στήριγμα ολίσθησης

βεβαιωθείτε ότι ο ανοιχτός κυματοδηγός είναι ευθυγραμμισμένος με το κέντρο

περιστροφής του Antenna Positioner. Η διάταξη της κεραίας λήψης φαίνεται στο

σχήμα 2.7.

Σχήμα 2.7 Σύνδεση κεραίας λήψης.

Χρησιμοποιώντας το μεσαίου μήκους καλώδιο SMA, συνδέστε την κεραία λήψης

στην είσοδο RF στην επάνω πλευρά του Antenna Positioner.

5. Με αναφορά το σχήμα 2.8, τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση 1r m= και

βεβαιωθείτε ότι βρίσκονται στο ίδιο ύψος και αντικρίζουν η μια την άλλη.



GHz10 OSCILLATOR MODE........................... kHz1



26

1GHz OSCILLATOR RF POWER ..................... OFF



Σχήμα 2.8 Απόσταση r μεταξύ των κεραιών.

Διάγραμμα ακτινοβολίας

7. Τοποθετήστε το διακόπτη GHz10 OSCILLATOR RF POWER στη θέση ON.

ΠΡΟΣΟΧΗ!

ΠΟΤΕ ΜΗΝ ΚΟΙΤΑΤΕ ΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ

ΟΣΟ ΕΙΝΑΙ ΣΕ ΘΕΣΗ ON ΚΑΙ ΕΚΠΕΜΠΕΙ!

Θέστε το επίπεδο εξασθένησης στα dB0

8. Αρχίστε την πρώτη λήψη.

Όταν η λήψη ολοκληρωθεί κλείστε τη γεννήτρια RF (RF POWER - OFF).

Αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας ως το επίπεδο-Ε σε ένα νέο έγγραφο

(Document1). Χρησιμοποιείστε το πλαίσιο πληροφοριών για να προσδιορίσετε

πλήρως το διάγραμμα.

Προσανατολίστε το διάγραμμα ώστε η θέση μεγίστου σήματος MSP (maximum

signal position) να είναι στις °0 .

9. Απομακρύνετε την κεραία λήψης από τον ιστό και διορθώστε τη σύνδεση μεταξύ

του ανοιχτού κυματοδηγού και του προσαρμογέα, έτσι ώστε να υπάρχει συνέχεια

στην επαφή των δύο εξαρτημάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.5.


27

Τοποθετήστε την κεραία στον ιστό με το άνοιγμα προσανατολισμένο κάθετα.

Βεβαιωθείτε ότι οι κεραίες απέχουν και πάλι m1 . Βελτιστοποιήστε το επίπεδο

εξασθένησης και πραγματοποιήστε μια λήψη του επιπέδου-Ε. Αποθηκεύστε το νέο

διάγραμμα σε ένα νέο αρχείο (Document2) και ρυθμίστε το MSP στις °0 .

10. Συγκρίνετε τα επίπεδα-Ε των αρχείων Document1 και Document2. Περιμένατε

αυτό το αποτέλεσμα; Λαμβάνοντας υπόψη τα διαφορετικά επίπεδα εξασθένησης,

προσδιορίστε την εξασθένηση του σήματος λόγω της ασυνέχειας στην επαφή των

κυματοδηγών.

11. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση . m15 , διατηρώντας τον προσανατολισμό

κατά το επίπεδο-Ε. Χρησιμοποιήστε το επίπεδο εξασθένησης ώστε να

βελτιστοποιήσετε τη λήψη του σήματος. Πραγματοποιήστε μια λήψη και

αποθηκεύστε τη σε ένα νέο αρχείο (Document3).

12. Χρησιμοποιώντας το δεύτερο μεταλλικό στήριγμα περιστρέψτε και τις δύο

κεραίες, τη χοανοκεραία και τον ανοιχτό κυματοδηγό, κατά °90 . Με αυτό τον

τρόπο ο προσανατολισμός των κεραιών είναι κατά το επίπεδο-Η.

Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας στο

Document3.

Τώρα έχετε τα επίπεδα-Ε και Η της κεραίας. Θέστε το MSP στις °0 . Αποθηκεύστε

τα διαγράμματα του Document3 και εκτυπώστε τα μαζί.

Παρατηρείστε τη χωρική μορφή των διαγραμμάτων με τη βοήθεια των επιλογών

−E H και −D3 . Εκτυπώστε την αναπαράσταση −D3 .

Πόλωση

Σημείωση: Ένα αγώγιμο επίπεδο μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο,

τοποθετημένο παράλληλα προς την πόλωση του, λειτουργεί ως

βραχυκύκλωμα και τείνει να ακυρώσει το πεδίο.

13. Περιστρέψτε τον ανοιχτό κυματοδηγό ώστε οι κεραίες να αντικρίζουν η μία την

άλλη. Οι κεραίες είναι ακόμη προσανατολισμένες κατά το επίπεδο-Η. Ανοίξτε τη


28

γεννήτρια RF GHz10 . Εισάγετε εξασθένηση dB15 και σημειώστε το επίπεδο του

σήματος.

Για να βεβαιωθείτε ότι η κεραία λήψης είναι σωστά τοποθετημένη ως προς την

κεραία εκπομπής, πραγματοποιήστε τα παρακάτω βήματα:

• Επιλέξτε την εντολή Input Data από το μενού View και μεγεθύνετε το πλαίσιο

διαλόγου Input Data. Η μεγέθυνση σας επιτρέπει να δείτε σωστά το παράθυρο

Signal Level όταν απομακρύνεστε από την οθόνη.

• Χαλαρώστε τη βίδα σύσφιξης στη βάση του ιστού λήψης και περιστρέψτε αργά

την κεραία.

• Παρατηρείστε τη μεταβολή του επιπέδου σήματος. Βιδώστε τον ιστό στη θέση

όπου η κεραία λαμβάνει το μέγιστο σήμα.

Σημείωση: Θα πραγματοποιείτε αυτή τη ρύθμιση κάθε φορά που θέλετε να

προσδιορίσετε με ακρίβεια το μέγιστο επίπεδο του σήματος που λαμβάνει η

κεραία.

Καταγράψτε το λαμβανόμενο επίπεδο σήματος.

=S ________dB1

14. Κρατήστε το οκταγωνικό αγώγιμο επίπεδο σε απόσταση cm20 από την κεραία

εκπομπής, παράλληλα προς τη διεύθυνση διάδοσης, με κάθετο προσανατολισμό

και κεντραρισμένο ως προς την κεραία, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.9.

Σχήμα 2.9 Τοποθέτηση του αγώγιμου επιπέδου.

Καταγράψτε το λαμβανόμενο επίπεδο σήματος.

=S ________dB2


29

Σημείωση: Κρατείστε το αγώγιμο επίπεδο κοντά ( )cm20 στην κεραία

λήψης και παρατηρείστε την ομοιότητα των αποτελεσμάτων.

15. Διατηρώντας την ίδια απόσταση από την κεραία, γυρίστε το αγώγιμο επίπεδο

οριζόντια και πάλι κεντραρισμένο ως προς τη χοανοκεραία. Καταγράψτε το

λαμβανόμενο επίπεδο σήματος.

=S ________dB3

Επιλέξτε την εντολή −D2 View για να επιστρέψετε στην κύρια απεικόνιση.

16. Βλέποντας τα τρία αποτελέσματα η πόλωση του σήματος είναι οριζόντια ή κάθετη

για τη λήψη του επιπέδου-Η της κεραίας αυτής; Εξηγήστε την απάντηση σας.

HPBW, κατευθυντικότητα και ενεργός επιφάνεια

17. Χρησιμοποιείστε τους κέρσορες για να υπολογίσετε το εύρος δέσμης μισής ισχύος

στα επίπεδα-Ε και Η του ανοιχτού κυματοδηγού.

= °EHPBW ________ , = °HHPBW ________

18. Χρησιμοποιώντας τις παρακάτω εξισώσεις υπολογίστε την κατευθυντικότητα της

κεραίας.

= = =−a E H

π πD ________

Ω HPBW HPBW

24 360

Για καλύτερη προσέγγιση της κατευθυντικότητας (λαμβάνοντας υπόψη τις

απώλειες λόγω πλευρικών λοβών), χρησιμοποιήστε την παρακάτω σχέση.

( )= = =

− −E H E H

πD ________

HPBW HPBW HPBW HPBW

22 360 26000

19. Γνωρίζοντας ότι ένας ανοιχτός κυματοδηγός έχει απόδοση ( )η κοντά στο 1 και

ότι η συχνότητα εκπομπής είναι . GHz105 , εκτιμήστε την ενεργό επιφάνεια της

κεραίας σας χρησιμοποιώντας τη σχέση =a e

πG A

λ24

. Συνεπώς


30

= =e a

λA G ________m

π

22

4

20. Συγκρίνετε το eA με το φυσικό άνοιγμα pA της κεραίας. Για να εκφράσουμε πόσο

αποδοτικά χρησιμοποιείται το φυσικό άνοιγμα pA της κεραίας, ορίζουμε την

απόδοση ανοίγματος apη : =e ap pA η A .

Υπολογίστε το φυσικό άνοιγμα του ανοιχτού ορθογωνικού κυματοδηγού

χρησιμοποιώντας τη σχέση = ×pA A B , όπου A και B είναι το μήκος και το ύψος

του ανοιχτού κυματοδηγού (εσωτερικές διαστάσεις) σε μέτρα,

=pA ________m2

και στη συνέχεια υπολογίστε την απόδοση ανοίγματος apη .

= =eap

p

Aη ________

A.

Η απόδοση ανοίγματος μιας κεραίας είναι πάντα μεταξύ 0 και 1 . Σε αυτή την

περίπτωση πρέπει να είναι κοντά στο 1 . Το αποτέλεσμα στο οποίο καταλήγετε

πιθανώς υπερβαίνει αυτή την τιμή. Για να εξηγήσετε το σφάλμα, αναφερθείτε

στην παρακάτω έκφραση.

=−E H

DHPBW HPBW

26000

Η παραπάνω σχέση δίνει καλή προσέγγιση της κατευθυντικότητας για κεραίες

στενής δέσμης, κάτι που δεν ισχύει για τον ανοιχτό κυματοδηγό, όπως φαίνεται

από τα διαγράμματα ακτινοβολίας που μετρήσατε. Το κέρδος τέτοιων κεραιών

υπολογίζεται καλύτερα με πειραματικές μεθόδους.

21. Βεβαιωθείτε ότι έχετε αποθηκεύσει τα διαγράμματα ακτινοβολίας και κλείστε το

πρόγραμμα LVDAM-ANT. Κλείστε τη γεννήτρια RF και τον υπολογιστή και βάλτε

όλα τα εξαρτήματα στη θέση τους.


31


Σε αυτή την άσκηση, μάθατε να αναγνωρίζετε τα επίπεδα-Ε και Η ενός κυματοδηγού

και παρατηρήσατε τη σημασία της συνέχειας στα εξαρτήματα ώστε να εξασφαλίζεται η

αποδοτική διάδοση του σήματος. Χρησιμοποιώντας την επιλογή −D3 , είδατε τη μορφή

που έχει στο χώρο το διάγραμμα ακτινοβολίας ενός ανοιχτού κυματοδηγού.

Παρατηρήσατε την πόλωση μιας χοανοκεραίας και ενός ανοιχτού κυματοδηγού.

Χρησιμοποιήσατε το εύρος δέσμης μισής ισχύος για να υπολογίσετε την

κατευθυντικότητα και την ενεργό επιφάνεια της κεραίας, ωστόσο είδατε ότι αυτή η

προσέγγιση δεν είναι κατάλληλη για κεραίες ευρείας δέσμης όπως είναι ο ανοιχτός

ορθογωνικός κυματοδηγός.


1. Περιγράψτε μια κεραία ανοιχτού κυματοδηγού και το διάγραμμα ακτινοβολίας

της.

2. Στο βήμα 12 παρατηρήσατε διαφορά στο μέγιστο επίπεδο; Αναμένατε αυτό το

αποτέλεσμα; Εξηγήστε την απάντηση σας.

3. Δώστε τον ορισμό της κατευθυντικότητας μιας κεραίας.

4. Γιατί το κέρδος είναι ίσο με την κατευθυντικότητα σε μια κεραία χωρίς απώλειες;


32

5. Ο λόγος εμπρός-προς-πίσω ενός ανοιχτού κυματοδηγού είναι καλός; Εξηγήστε την

απάντηση σας.





Κοζάνη, 2009

3. Πυραμιδοειδείς κεραίες

χοάνης


Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με τα χαρακτηριστικά της πυραμιδοειδούς

κεραίας χοάνης (horn antenna).

Η ισχύς που δέχεται μία κεραία σε μία συγκεκριμένη συχνότητα εξασθενεί όσο

απομακρυνόμαστε από την πηγή της ακτινοβολίας. Η εξασθένηση αυτή είναι

αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση και στον ελεύθερο χώρο, όπου δεν έχουμε

εμπόδια μεταξύ πομπού και δέκτη, είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της

απόστασης. Η μαθηματική έκφραση των απωλειών ελευθέρου χώρου είναι

( ) ( ) ( )= =F dBL log π r λ log π r λ2

10 1010 4 20 4 (3.1)

Όπου λ είναι το μήκος κύματος και r η απόσταση από την πηγή. Η παραπάνω σχέση

δείχνει ότι όσο μεγαλώνει το μήκος κύματος, άρα μικραίνει η συχνότητα, τόσο λιγότερες

απώλειες έχουμε κατά τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον ελεύθερο

χώρο.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος μπορούμε να δούμε την απόσβεση αυτή του

σήματος αν μετρήσουμε την ακτινοβολία που δέχεται μία κεραία για διαφορετικές

αποστάσεις από τον πομπό. Προσοχή πρέπει να δοθεί στο γεγονός ότι οι κεραίες που

χρησιμοποιούνται είναι κατευθυντικές και πρέπει να διατηρείται ο ίδιος

προσανατολισμός των κεραιών. Η απόσβεση του σήματος σε μία απόσταση r1

σε

σύγκριση με την απόσβεση σε μία απόσταση r2

είναι


34

( ) ( )=dBA log r r10 1 2

20 (3.2)

Η ποσοτική περιγραφή των κατευθυντικών ιδιοτήτων μίας κεραίας γίνεται από

τον όρο της κατευθυντικότητας (directivity). Το κέρδος (gain - G) είναι η μέγιστη

τιμή της έντασης ακτινοβολίας σε μία συγκεκριμένη κατεύθυνση σε σύγκριση με την

ένταση από μια ισοτροπική πηγή ακτινοβολίας που εκπέμπει την ίδια ισχύ.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να μετρηθεί η κατευθυντικότητα μίας κεραίας και ο

πιο απλός είναι αυτός της σύγκρισης με μια κεραία αναφοράς (reference antenna

method, comparison method, substitution method). Το άγνωστο κέρδος testG μιας

κεραίας μπορεί να υπολογισθεί με μία κεραία αναφοράς που έχει γνωστό κέρδος refG

και μετρώντας την ακτινοβολούμενη ισχύ refP της κεραίας αναφοράς και την

ακτινοβολούμενη ισχύ testP της υπό μέτρηση κεραίας, ως εξής

( )=test test ref refG P P G (3.3)

( ) ( ) ( ) ( )= − +test dB test dB ref dB ref dBG P P G (3.4)

Πριν χρησιμοποιηθεί η μέθοδος αυτή πρέπει να γίνει η κατάλληλη βαθμονόμηση

της κεραίας αναφοράς. Μετρώντας την ισχύ εκπομπής και λήψης από δύο ίδιες κεραίες

αναφοράς τότε

= recG π r λ P P0

4 (3.5)

Όπου G είναι το κέρδος, r είναι η απόσταση των κεραιών, λ το μήκος κύματος και

recP , P0

είναι η ισχύς λήψης και εκπομπής αντίστοιχα.

Οι τύποι των κεραιών χοάνης φαίνονται στο σχήμα 3.1. Οι κεραίες χοάνης

ουσιαστικά παρέχουν μία ομαλή μετάβαση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τους

κυματοδηγούς στον ελεύθερο χώρο. Η πυραμιδοειδής κεραία χοάνης αποτελεί μία

κεραία αναφοράς για μέτρηση της κατευθυντικότητας καθώς η κατευθυντικότητα της

μπορεί να υπολογιστεί αριθμητικά από τις διαστάσεις της κεραίας και έπειτα να

συγκριθεί με τα πειραματικά δεδομένα.

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 3 –Κεραίες χοάνης

35

Οι κεραίες χοάνης τομέα είναι μία ειδική κατηγορία της πυραμιδοειδούς και

παρέχουν μόνο ένα επίπεδο πόλωσης. Μελετώντας τη χοάνη τομέα μπορεί κανείς να

αναπτύξει μία μέθοδο για τον υπολογισμό της κατευθυντικότητας της πυραμιδοειδούς.

Σχήμα 3.1 Χοάνη (α) Η-τομέα και (β) Ε-τομέα και (γ) Πυραμοειδής χοάνη.

Η γεωμετρία της κεραίας χοάνης H -τομέα φαίνεται στο σχήμα 3.2.

Σχήμα 3.2 Γεωμετρία της κεραία χοάνης Η-τομέα.

Από το σχήμα αυτό προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις

= +

H

Al R

2

2 2

12

(3.6)

= −

HlR AA

2

1

1

4 (3.7)


36

−

=H

A A a

R R1

(3.8)

( )= −H

RR A a

A1 (3.9)

και αντικαθιστώντας στην (3.9) την R1

προκύπτει η παρακάτω σχέση

( ) = − −

H

H

lR A a

A

21

4 (3.10)

Για τη χοάνη H -τομέα που θα έχει τη μέγιστη δυνατή κατευθυντικότητα ανάλογα

με το μήκος κύματος και τις διαστάσεις της ισχύει ότι

=A λR1

3 (3.11)

Η γεωμετρία της κεραίας χοάνης E -τομέα φαίνεται στο σχήμα 3.3.

Σχήμα 3.3 Γεωμετρία της χοάνης Ε-τομέα.

Από το σχήμα αυτό προκύπτουν οι παρακάτω σχέσεις

= +

E

Bl R

2

2 2

22

(3.12)


37

( ) = − −

E

E

lR B b

B

21

4 (3.13)

Για την χοάνη που θα έχει την μέγιστη δυνατή κατευθυντικότητα ανάλογα με το

μήκος κύματος και τις διαστάσεις της ισχύει ότι

=A λR2

2 (3.14)

Η γεωμετρία της πυραμιδοειδούς κεραίας χοάνης φαίνεται στο σχήμα 3.4.

Σχήμα 3.4 Γεωμετρία της πυραμιδοειδούς κεραίας χοάνης.

Η διάδοση των κυμάτων μέσα στον κυματοδηγό γίνεται μέσω διάφορων ρυθμών

που είναι άπειροι σε αριθμό. Καθένας έχει τις δικές του ιδιότητες στο ηλεκτρικό και στο

μαγνητικό πεδίο. Αν η γωνία ανοίγματος μίας κεραίας τομέα είναι πολύ μικρή, τότε μόνο

ο κυρίαρχος ρυθμός θα εκπεμφθεί. Οι γραμμές πεδίου του κυρίαρχου ρυθμού

εκπέμπονται και ανοίγουν κυλινδρικά όπως φαίνεται και στο σχήμα 3.5 ή σε μορφή

σφαιρών για μία πυραμιδοειδή κεραία χοάνης. Εφόσον το μέτωπο κύματος δεν είναι

επίπεδο αλλά κυλινδρικό ή σφαιρικό ανάλογα με τον τύπο χοάνης, τότε δημιουργούνται


38

σφάλματα στην φάση. Τα σφάλματα αυτά υπολογίζονται από τα σφάλματα διαδρομής

s και t που είναι

= =Ε

E

Δ Βs

λ λl

2

8 (3.15)

= =H

H

Δ At

λ λl

2

8 (3.16)

όπου λ είναι το μήκος κύματος και E HA,B ,l ,l είναι οι διαστάσεις που φαίνονται στο

σχήμα 3.4.

Σχήμα 3.5 Σφάλμα φάσης (Δ) λόγο της καμπυλότητας του μετώπου κύματος σε μία κεραία χοάνης.

Σχήμα 3.6 Συντελεστές απωλειών για το Ε και Η επίπεδο.

Η κατευθυντικότητα της πυραμιδοειδούς χοάνης είναι


39

=

Ε H

Α ΒG L L

π λ λ

32 (3.17)

( ) ( ) ( ) = + − −

dB Ε dB H dB

Α ΒG . log L L

λ λ10

1008 10 (3.18)

όπου τα μεγέθη E HL ,L εκφράζουν τις απώλειες που οφείλονται στα σφάλματα φάσης

και υπολογίζονται γραφικά από το σχήμα 3.6


Στην άσκηση αυτή θα παρατηρηθεί η απώλεια ισχύος λόγω απόστασης και τα

χαρακτηριστικά της κεραίας (κέρδος, HPBW , front-to-back ratio, ενεργός επιφάνεια). Η

μέτρηση της κατευθυντικότητας θα γίνει με τη μέθοδο της σύγκρισης αφού πρώτα

βαθμονομηθεί μία μεγάλη κεραία χοάνης που θα χρησιμοποιηθεί σαν κεραία αναφοράς.






2. Τοποθετήστε ένα κοντάρι στήριξης με δαχτυλίδι στον πομπό με μία κεραία χοάνης

μεγάλων διαστάσεων συνδεδεμένη με τον μετατροπέα από κυματοδηγό σε

καλώδιο (waveguide to coax cable adapter) όπως φαίνεται στο σχήμα 3.7. Η

κεραία να είναι στο επίπεδο-Η και συνδεδεμένη με την έξοδο GHz10 OSCILLATOR

της γεννήτριας RF μέσω του SMA καλωδίου.

3. Τοποθετήστε στο δέκτη μία κεραία χοάνης μεγάλων διαστάσεων και συνδέστε τη

με τον μετατροπέα από κυματοδηγό σε καλώδιο όπως στο βήμα 2 και όπως

φαίνεται στο σχήμα 3.7. Χρησιμοποιώντας το στήριγμα ολίσθησης βεβαιωθείτε

ότι η κεραία είναι στην ίδια ευθεία με την βάση του περιστροφέα έτσι ώστε να μην

μεταβάλλεται η απόσταση της όσο περιστρέφεται. Η κεραία πρέπει να είναι

τοποθετημένη έτσι ώστε να περιστρέφεται στο επίπεδο-Η. Συνδέστε την κεραία

λήψης με την είσοδο RF στον Antenna Positioner χρησιμοποιώντας το SMA

καλώδιο.


40

4. Βεβαιωθείτε ότι η απόσταση των κεραιών εκπομπής και λήψης είναι =r cm80 και

ότι βρίσκονται στο ίδιο ύψος και συνευθειακά.

Σχήμα 3.7 Κεραία λήψης για την άσκηση.








Απώλειες διάδοσης

6. Γνωρίζοντας ότι έχετε μία απόσταση r1

μεταξύ των δύο κεραιών στην αρχή του

πειράματος χρησιμοποιείστε τη σχέση (4.2) ώστε να υπολογίσετε την απόσβεση

του λαμβανόμενου σήματος όταν τις μετακινήσετε σε απόσταση 2 12r r= .


41

=A ________dB


στη θέση ON. Χρησιμοποιείστε το επίπεδο εξασθένησης (attenuation level) για να

βελτιστοποιήσετε την λήψη του σήματος.

ΠΡΟΣΟΧΗ!



8. Αρχίστε μία μέτρηση και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα

καινούργιο αρχείο (Document1). Βεβαιωθείτε ότι διαλέξατε το σωστό επίπεδο.

9. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση . m16 . Μην αλλάξετε το επίπεδο

εξασθένησης. Κάντε μέτρηση διαγράμματος ακτινοβολίας και αποθηκεύστε το σε

ένα καινούργιο αρχείο (Document2). Συγκρίνετε τα αποτελέσματα. Θα πρέπει να

παρατηρήσετε μία διαφορά στα επίπεδα ισχύος των δύο διαγραμμάτων. Αυτή η

διαφορά επιβεβαιώνει την τιμή που υπολογίσατε στο βήμα 6; Εκτυπώστε τα

διαγράμματα για να τα συγκρίνετε καλύτερα.

HPBW, πλευρικοί λοβοί, κέρδος

10. Οι κεραίες είναι σε απόσταση . m16 με τέτοια τοποθέτηση ώστε να είναι στο

επίπεδο-Η. Κάντε ακόμη μία μέτρηση ακτινοβολίας και αποθηκεύστε την ως

Document3. Θέστε το MSP στις °0 .

11. Χρησιμοποιώντας το δεύτερο μεταλλικό στήριγμα γυρίστε τις κεραίες έτσι ώστε

να είναι στο επίπεδο-Ε και κάντε μία καινούργια μέτρηση. Αποθηκεύστε το στο

Document3 και θέστε MSP στις °0 .

Στο σημείο αυτό έχετε τα διαγράμματα ακτινοβολίας για τα επίπεδα-Ε και Η της

κεραίας χοάνης. Αποθηκεύστε το Document3 και εκτυπώστε σε διδιάστατη μορφή

τα διαγράμματα. Χρησιμοποιείστε τις επιλογές −E H και −D3 και παρατηρείστε

τις χωρικές διαφορές των διαγραμμάτων.

12. Υπολογίστε το HPBW στα επίπεδα- Ε και Η.

= °EHPBW ________ , = °HHPBW ________

13. Υπολογίστε το λόγο front to back ( FB ) του επιπέδου-Ε της κεραίας.


42

( ) ( ) ( ) ( )= − =dB dB dBFB MainLobe MainLobe ________ dB

14. Υπολογίστε την κατευθυντικότητα της μεγάλης χοάνης στα . GHz105 γνωρίζοντας

ότι οι διαστάσεις της είναι =Hl cm11 , =El . cm94 .

Μετρήστε της διαστάσεις της χοάνης =A ________cm , =B ________cm .

Υπολογίστε το μήκος κύματος για συχνότητα . GHz105 = =l ________cm ________m .

Υπολογίστε το s σύμφωνα με τη σχέση (4.15) =s ________ .

Από το σχήμα 3.6 υπολογίστε το ( ) =E dBL ________dB .

Υπολογίστε το t από τη σχέση (4.16) =t ________ .

Από το σχήμα 3.6 υπολογίστε το ( ) =H dBL ________dB .

Υπολογίστε το κέρδος της κεραίας σύμφωνα με τη σχέση (4.18) =G ________dB .

15. Γνωρίζοντας το HPBW της μεγάλης κεραίας χοάνης για τα δύο επίπεδα-Ε και Η

μπορείτε να υπολογίστε με αρκετή ακρίβεια το κέρδος από την έκφραση

( )= = − = =E HD G HPBW HPBW ______ ______dB26000 .

16. Από την (4.5) θα μετρηθούν τα επίπεδα αναφοράς της ισχύος ώστε να

επαληθευθεί πειραματικά το κέρδος της κεραίας. Τοποθετήστε τον εξασθενητή

dB10 στην είσοδο RF πάνω στον Antenna Positioner και συνδέστε το καλώδιο

SMA στον εξασθενητή.

• Μετακινήστε τις κεραίες χοάνης από τα στηρίγματα τους και αποσυνδέστε τες

από τους αντάπτορες.

• Συνδέστε τους αντάπτορες όπως φαίνεται στο σχήμα 3.8.

• Ενεργοποιείστε την γεννήτρια RF.

• Βελτιστοποιήστε το σήμα με το attenuation control.

• Δείτε το σήμα που λαμβάνεται τώρα =P ________0

• Κλείστε τη γεννήτρια RF, αποσυνδέστε τους αντάπτορες και για άλλη μία φορά

συνδέστε τις κεραίες χοάνης έτσι ώστε να είναι σε απόσταση m1 και

αντικριστά μία στην άλλη.

• Ενεργοποιήστε τη γεννήτρια RF χωρίς να αλλάξετε το επίπεδο εξασθένησης.

• Σημειώστε την τιμή =recP ________dB


43

• Υπολογίστε το κέρδος από τη σχέση (4.5) που σε λογαριθμική μορφή είναι

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = − + − dB rec dB dBG log πr log λ . P P

10 10 010 4 10 05

Συγκρίνετε την πειραματική με τη θεωρητική τιμή.

Σχήμα 3.8 Συνδέοντας μεταξύ τους waveguide-to-coax adapters.

17. Χρησιμοποιώντας τα τελευταία αποτελέσματα μπορείτε να υπολογίσετε το

κέρδος της μικρής κεραίας χοάνης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αντικατάστασης

(substitution method) όπου η μεγάλη χοάνη είναι πλέον η κεραία αναφοράς. Η

διαδικασία είναι η εξής

• Η μεγάλη χοάνη είναι σε απόσταση m1 και συνευθειακή. Με το attenuation

control βελτιστοποιήστε την λήψη του σήματος και σημειώστε την ισχύ λήψης

=refP ________dB

• Αφαιρέστε την κεραία λήψης και αντικαταστήστε τη μεγάλη χοάνη με τη μικρή.

Μην αλλάξετε το επίπεδο απόσβεσης. Σημειώστε την τιμή της ένδειξης

προσέχοντας πάντα να μετράτε την μέγιστη τιμή =testP ________dB .

• Από τη σχέση (4.4) υπολογίστε το κέρδος = + −test ref test refG G P P

18. Λαμβάνοντας υπόψη το κέρδος της μεγάλης χοάνης και μετατρέποντας την σε

αριθμητική τιμή (όχι σε dB ) υπολογίστε την ενεργό επιφάνεια της χοάνης από τη

σχέση = eG π Α λ24 και άρα =eA ________m2 . Υπολογίστε την αποδοτικότητα

επιφανείας (aperture efficiency) σύμφωνα με τη σχέση ( )= ⋅ =eη Α A B ________ .

19. Βεβαιωθείτε ότι έχετε αποθηκεύσει όλα τα διαγράμματα ακτινοβολίας και κλείστε

τη γεννήτρια RF.


44


Στο πείραμα αυτό μετρήθηκε το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίες χοάνης. Επίσης

επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι όταν διπλασιάζεται η απόσταση μεταξύ πομπού και

δέκτη τότε το σήμα αποσβένει κατά dB6 δηλαδή υποτετραπλασιάζεται. Τέλος

μετρήθηκε επίσης η κατευθυντικότητα της κεραίας με τη μέθοδο της αντικατάστασης

και υπολογίσθηκε η αποδοτικότητα της κεραίας.


1. Για συγκριμένο μήκος κύματος ποια παράμετρος επηρεάζει την απόσβεση του

σήματος στον ελεύθερο χώρο;

2. Θέλετε να κατασκευάσετε μία ιδανική κεραία χοάνης H -τομέα στα . GHz1052 . Οι

εσωτερικές διαστάσεις του κυματοδηγού είναι =a . cm23 , =b cm1 και η χοάνη έχει

βάθος =R cm1

5 . Πόσο πρέπει να είναι το πλάτος A και το εξωτερικό βάθος HR

της χοάνης;

3. Είναι η σχέση ( )= = −E HD G HPBW HPBW26000 μία καλή προσέγγιση του

κέρδους της κεραίας χοάνης;

4. Πως επιδρά το άνοιγμα μίας πυραμιδοειδούς χοάνης στους διαδιδόμενους

ρυθμούς;


45

5. Ποιες παράμετροι πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στον υπολογισμό του κέρδους

μιας πυραμιδοειδούς κεραίας χοάνης;





Κοζάνη, 2009

4. Διαγράμματα ακτινοβολίας

διπόλων λ/2, λ, 3λ/2


Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση του φοιτητή με διαγράμματα ακτινοβολίας από

διπολικές κεραίες λ 2 , λ , λ3 2 .

Η κατανομή του ρεύματος σε διπολικές κεραίες δεν είναι ομοιόμορφη αλλά

εξαρτάται από το μήκος του δίπολου σε σχέση με το μήκος κύματος (συχνότητα). Για

παράδειγμα στο σχήμα 4.1 φαίνεται η κατανομή των ρευμάτων για τα δίπολα λ 2 , λ

και λ3 2 . Η τροφοδοσία του ρεύματος γίνεται στο κέντρο του δίπολου και τα βέλη

δείχνουν την διεύθυνση του ρεύματος σε κάθε περίπτωση. Όπως φαίνεται και στο

σχήμα 4.1 ανάλογα με το μήκος του δίπολου η τιμή του ρεύματος είναι ελάχιστη στα

άκρα του αλλά η μέγιστη τιμή του βρίσκεται είτε στο κέντρο του είτε σε οποιοδήποτε

άλλο σημείο του (ανάλογα με το μήκος του). Η ανομοιόμορφη αυτή κατανομή των

ρευμάτων σε σχέση με το μήκος του δίπολου είναι και η αιτία που τα διαγράμματα

ακτινοβολίας των δίπολων αυτών είναι διαφορετικά.

Ανάλογα με το μήκος του δίπολου, η τιμή της αντίστασης εισόδου που

παρουσιάζει η κεραία αλλάζει. Οι κεραίες λ 2 , λ , λ3 2 θεωρούνται αποδοτικοί πομποί.

Αυτό σημαίνει ότι η κεραία συμπεριφέρεται ως ωμική αντίσταση και ότι το ρεύμα και η

τάση στην κεραία είναι συμφασικά. Η τιμή της αντίστασης εισόδου μίας κεραίας μπορεί

να είναι πραγματικός ή μιγαδικός αριθμός και δίνεται από την σχέση

= +in in inZ R jX (4.1)


48

Σχήμα 4.1 Κατανομή ρευμάτων σε δίπολα λ/2, λ, 3λ/2.

Στα δίπολα λ 2 , λ3 2 η αντίσταση εισόδου είναι πραγματική και θεωρείται

σχεδόν ωμική γιατί η τιμή της αντίδρασης ( )inX είναι κοντά στο μηδέν. Η τιμή της

αντίστασης εισόδου είναι για την περίπτωση αυτή ίση με Ω73 . Για άλλα μεγέθη

δίπολων η τιμή της αντίδρασης είναι διάφορη του μηδενός και αυτό αυξάνει την ολική

τιμή της αντίσταση εισόδου της κεραίας. Για το λόγο αυτό η κεραία δεν είναι τόσο

αποδοτική και αλλάζει το διάγραμμα ακτινοβολίας της. Όταν δεν υπάρχει καλή

προσαρμογή (impedance matching) μεταξύ τροφοδοσίας και κεραίας τότε

δημιουργούνται ανακλάσεις στην επαφή τους και πέφτει η απόδοση της κεραίας. Οι

ανακλάσεις αυτές μετρούνται μέσω του λόγου στασίμου κύματος (Standing Wave

Ratio – SWR). Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι τιμές της αντίστασης εισόδου

ανάλογα με το μήκος του δίπολου.

Μήκος L Αντίσταση εισόδου ( )inR Ω

< <L λ0 4 ( )π L λ2

20

< <λ L λ4 2 ( ) .. πL λ

24247

< <λ L . λ2 0637 ( ) .. πL λ

4171114

Αποτέλεσμα αυτών των σχέσεων φαίνεται στο σχήμα 4.2 όπου παρουσιάζονται οι τιμές

της αντίστασης και της αντίδρασης για διάφορα μεγέθη των δίπολων.

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 4 – Δίπολα λ/2, λ, 3λ/2

49

Τα διαγράμματα ακτινοβολίας ανάλογα με το μέγεθος της κεραίας αλλάζουν. Για

το μαγνητικό πεδίο (επίπεδο-Η) το διάγραμμα ακτινοβολίας είναι πάντα σχεδόν

κυκλικό. Για το ηλεκτρικό πεδίο (επίπεδο-Ε) η εξίσωση που το περιγράφει είναι η εξής

( ) ( ) − =θ

cos βL cosθ cos βLE Ε

sinθ0

2 2 (4.2)

όπου Ε0

είναι η μέγιστη τιμή του θE και =β π λ2 . Για =L λ 2 , η εξίσωση απλοποιείται

ως εξής

( ) = θE Ε cos π cosθ sinθ0

2 (4.3)

Σχήμα 4.2 Ωμική αντίσταση (συνεχής γραμμή) και αντίδραση (διακεκομμένη γραμμής) διπολικής

κεραίας, συναρτήσει του μήκους της.

Στο σχήμα 4.3 φαίνεται το διάγραμμα ακτινοβολίας για την περίπτωση =L λ 2

ενώ στο σχήμα 4.4 για τις περιπτώσεις λ , λ3 2 . Από το σχήμα 4.3 γίνεται αντιληπτό ότι

για την περίπτωση του δίπολου λ 2 ισχύει ότι ( )= − = °HPBW 2 90 51 78 μοίρες και η

κατευθυντικότητα της κεραία είναι = =D . . dB161 215 . Όσο το μέγεθος του διπόλου

μεγαλώνει, παρατηρούμε ότι η κατευθυντικότητα της κεραίας μειώνεται καθώς

δημιουργούνται λοβοί ακτινοβολίας εκτός του κυρίως λοβού. Έτσι η ακτινοβολούμενη

ενέργεια διαχέεται στον χώρο σε περισσότερες κατευθύνσεις.


50

Σχήμα 4.3 Διάγραμμα ακτινοβολίας για L=λ/2.

(α) (β)

Σχήμα 4.4 Διάγραμμα ακτινοβολίας για (α) L=λ και (β) L=3λ/2.

Σχήμα 4.5 Πεδία από κεραία εκπομπής.


51

Τα πεδία που ακτινοβολούνται από μία κεραία χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες,

ανάλογα με την απόσταση που βρισκόμαστε από την κεραία. Τα πεδία αυτά φαίνονται


Στις μετρήσεις του διαγράμματος ακτινοβολίας είναι σημαντικό να βρίσκεται ο

δέκτης στο μακρινό (Fraunhofer) πεδίο. Η απόσταση του μακρινού πεδίου ορίζεται από

την σχέση =r L λ22 όπου L είναι η μεγαλύτερη διάσταση της κεραίας και λ το μήκος

κύματος. Σε περίπτωση που η κεραία εκπομπής είναι διαφορετική από την κεραία

λήψης, τότε η μεγαλύτερη διάσταση χρησιμοποιείται στην εξίσωση αυτή, σύμφωνα με

το θεώρημα της αμοιβαιότητας.








της κεραία να είναι οριζόντια έτσι ώστε η μέτρηση να γίνει για το επίπεδο-Ε.

Εγκαταστήστε το μακρύ καλώδιο SMA στην έξοδο 1GHz OSCILLATOR της

γεννήτριας RF και συνδέστε το στην κεραία Yagi.

3. Διαλέξτε τα κατάλληλα καλώδια για να κατασκευάσετε ένα δίπολο λ 2 όπως

κάνατε στην Άσκηση 1.

4. Τοποθετήστε την κεραία λήψης στον Antenna Positioner και βιδώστε τον

εξασθενητή dB10 στην είσοδο RF πάνω στον Antenna Positioner. Συνδέστε την

κεραία στον εξασθενητή χρησιμοποιώντας το μικρό καλώδιο SMA.

5. Τοποθετήστε την κεραία εκπομπής και την κεραία λήψης συνευθειακά και σε

απόσταση =r m1 .





52








διάγραμμα ακτινοβολίας. Αρχίστε την πρώτη συλλογή μετρήσεων. Αποθηκεύστε

το διάγραμμα ακτινοβολίας σαν E-Plane σε ένα καινούργιο Document1.

8. Μετακινήστε το στήριγμα της κεραίας με τα κατακόρυφα στηρίγματα από το

sliding support και τοποθετήστε με το δεύτερο στήριγμα κεραίας που έχει

οριζόντια στηρίγματα. Αποσυνδέστε το μικρό καλώδιο SMA και αντικαταστήστε

το με το αμέσως επόμενο. Εγκαταστήστε το δίπολο στο καινούργιο στήριγμα έτσι

ώστε η μέτρηση να γίνει για το επίπεδο-Η. Περιστρέψτε την κεραία Yagi έτσι ώστε

να είναι κατακόρυφη με κατακόρυφη πόλωση. Κάντε μία καινούργια μέτρηση και

αποθηκεύστε το ως H-Plane του Document1. Προσανατολίστε το διάγραμμα έτσι

ώστε το σημείο με την μέγιστη εκπομπή να είναι σε 0 μοίρες.

9. Αφαιρέστε τα καλώδια του δίπολου λ 2 και τοποθετήστε καινούργια ώστε το

μήκος του δίπολου να είναι λ.

10. Οι κεραίες σας είναι έτοιμες για να γίνει μέτρηση στο επίπεδο-Η. Βελτιστοποιείστε

την λήψη του σήματος και κάντε μέτρηση του διαγράμματος ακτινοβολίας. Κάντε

τις απαραίτητε αλλαγές (μην ξεχάσετε να αντικαταστήστε το μεσαίου μήκους

SMA καλώδιο με το κοντό) και κάντε μέτρηση για το επίπεδο-E. Αποθηκεύστε τις

μετρήσεις σε ένα καινούργιο Document2.

11. Συγκρίνεται τα διαγράμματα ακτινοβολίας για τις περιπτώσεις λ και λ 2 . Έχουν

το ίδιο κέρδος; Ποια κεραία έχει μεγαλύτερο κέρδος; Δώστε τις διαφορές των MSP.

12. Στο βήμα 11 παρατηρείται ότι λόγο της υψηλής τιμής της αντίστασης της κεραίας

λ ότι το δίπολο λ δεν είναι καλός εκπομπός. Υπολογίστε την αντίσταση εισόδου

για το δίπολο λ.

Μήκος δίπολου λ: = =λL ______m ______λ


53

Από το σχήμα 4.2: =inZ ______Ω

13. Αντικαταστήστε τα καλώδια έτσι ώστε να δημιουργήσετε ένα δίπολο λ3 2 και

τοποθετήστε την κεραία στο στήριγμα.

14. Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις από το σχήμα 4.5 υπολογίστε την απόσταση ώστε

η κεραία να είναι στο μακρινό πεδίο.

= =L λ ______m3 2

= =r L λ ______m22

Τοποθετήστε την κεραία cm10 μακρύτερα από ότι είναι το μακρινό πεδίο για

λόγους ασφαλείας.

15. Βελτιστοποιήστε την λήψη του σήματος και κάντε μετρήσεις για το επίπεδο-Ε.

Κάντε τις απαραίτητες αλλαγές ώστε να μετρήσετε το επίπεδο-Η. Αποθηκεύστε τα

δύο διαγράμματα ακτινοβολίας σε ένα καινούργιο Document3.

Σημείωση: Παρατηρείστε τα διαγράμματα για το ηλεκτρικό και μαγνητικό

πεδίο ώστε να καταλάβετε την σχέση μεταξύ τους. Παρατηρείστε ότι το

επίπεδο σήματος για το επίπεδο-Η είναι ίσο με το μέγιστο επίπεδο σήματος

από τους δύο λοβούς του επιπέδου-E. Επίσης λάβετε υπόψη ότι το δίπολο

λ3 2 είναι ευαίσθητο από τις ανακλάσεις που προέρχονται από τα γύρω

αντικείμενα. Για το λόγο αυτό τα διαγράμματα ακτινοβολίας μπορεί να

έχουν παρεμβολές και να διαφέρουν από τα θεωρητικά.

16. Κάντε τις απαραίτητες αλλαγές ώστε να μετρήσετε το επίπεδο-Ε. Αφαιρέστε τα

καλώδια από το δίπολο λήψης. Τα μικρά καλώδια που βρίσκονται μέσα στο

πλαστικό κάλυμμα αποτελούν ένα μικρό δίπολο μήκους cm4 ή . λ0125 .

Τοποθετήστε την κεραία σε απόσταση =r m1 από τον πομπό και βάλτε

Attenuation Level dB0 . Κάντε μέτρηση για το επίπεδο-Ε. Μην αποθηκεύστε το

διάγραμμα αυτό αλλά συγκρίνεται το με το διάγραμμα στο επίπεδο-Ε του δίπολου

λ 2 . Λαμβάνοντας υπόψη την διαφορά στο Attenuation Level δώστε την διαφορά

μεταξύ της μέγιστης τιμής του σήματος για τις δύο περιπτώσεις του μικρού

δίπολου ( . λ0125 ) και του δίπολου λ 2 . Από το σχήμα 4.2 εξηγείστε την διαφορά

αυτή.


54

17. Στην φάση αυτή της άσκησης έχετε τα διαγράμματα ακτινοβολίας για τα τρία σας

δίπολα. Συγκρίνετε τα και παρατηρείστε πότε έχετε μηδενισμούς και πότε μέγιστα

σε σύγκριση με την θέση της κεραίας. Χρησιμοποιείστε τις επιλογές Ε-Η και 3D.

Εκτυπώστε τα διαγράμματα ακτινοβολίας για τα δίπολα και εκτυπώστε το 3D

διάγραμμα του λ 2 .

Half Power Beamwidth

18. Υπολογίστε το HPBW για το δίπολο λ 2 και το δίπολο λ από το διάγραμμα στο

επίπεδο-Ε.

− = °E λHPBW ______2

− = °E λHPBW ______

Συγκρίνεται τις τιμές με τις θεωρητικές που υπολογίζετε.

19. Από την παρακάτω εξίσωση υπολογίστε την κατευθυντικότητα του δίπολου λ 2

λαμβάνοντας υπόψη ότι εφόσον το διάγραμμα για το επίπεδο-Η είναι κυκλικό

τότε = °HHPBW 180 .

( )= − =E HD HPBW HPBW ______26000


Στο πείραμα αυτό μετρήθηκε το διάγραμμα ακτινοβολίας για τα δίπολα λ 2 , λ , λ3 2 .

Παρατηρήσατε ότι λόγο της αντίστασης εισόδου του το δίπολο λ δεν ήταν καλός

εκπομπός. Συγκρίνατε τα θεωρητικά και πειραματικά HPBW στο επίπεδο-Ε για τα

δίπολα λ 2 και λ . Τέλος, υπολογίσατε την τιμή της κατευθυντικότητας του δίπολου

λ 2 με βάση το HPBW .


1. Από τα δίπολα που εξετάσατε, ποιο παρουσίασε τις καλύτερες αποδόσεις όσον

αφορά την εκπομπή ακτινοβολίας και γιατί;


55

2. Είναι η κατευθυντικότητα του δίπολου λ καλύτερη από αυτήν του δίπολου λ 2 ;

3. Εξηγήστε τη σχέση μεταξύ του ρεύματος, της αντίστασης εισόδου και του μήκους

του δίπολου.

4. Η απόσταση του m1 μεταξύ του πομπού και του δέκτη είναι αρκετή ώστε να

ικανοποιείται η συνθήκη του μακρινού πεδίου για δίπολο λ και λ 2 στην

συχνότητα των 915MHz ; Δώστε τις ελάχιστες αποστάσεις για τις κεραίες αυτές.

5. Δείξτε ότι το HPBW για το δίπολο λ 2 είναι °78 .

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΡΑΙΩΝ & ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ

ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ




Κοζάνη, 2009

5. Αναδιπλωμένο δίπολο λ/2 &

μετασχηματισμός

αντίστασης με Balun


Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα έχετε εξοικειωθεί με τα χαρακτηριστικά της

κεραίας αναδιπλωμένου διπόλου λ 2 και με τη χρήση του μετασχηματιστή

αντιστάσεων balun.


Περιγραφή του αναδιπλωμένου διπόλου λ/2

Το αναδιπλωμένο δίπολο αποτελείται από δύο παράλληλα δίπολα που συνδέοντα σε

ένα στενό βρόχο. Στα σχήματα 5.1 και 5.2 φαίνονται οι διαφορές ανάμεσα σε ένα

δίπολο λ 2 και ένα αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 .

Στο δίπολο λ 2 του σχήματος 5.1, το ρεύμα αναγκάζεται σε μηδενισμό και στα

δύο άκρα του διπόλου. Η κατανομή του ρεύματος είναι ημιτονοειδής με μέγιστη τιμή I0

στο κέντρο και περιγράφεται από την παρακάτω έκφραση

( ) = − <

π L LI z I sin z , z

λ0

2

2 2 (5.1)

όπου τα z και L φαίνονται στο σχήμα 5.1,


58

(α) (β)

Σχήμα 5.1 Δίπολο λ/2 (α) γεωμετρία, (β) ρευματική κατανομή.

(α) (β)

Σχήμα 5.2 Αναδιπλωμένο δίπολο (α) γεωμετρία, (β) ρευματική κατανομή.

Το αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 του σχήματος 5.2 έχει την ίδια ημιτονοειδή

κατανομή στο σύρμα 1, με τη διαφορά ότι η μέγιστη τιμή στο κέντρο είναι I02 . Το

ημιτονοειδές ρεύμα μηδενίζεται και στα δύο άκρα του σύρματος 1, και στη συνέχεια

αυξάνει καθώς το σύρμα 1 γίνεται σύρμα 2. Το ρεύμα μεγιστοποιείται και πάλι στο

κέντρο του σύρματος 2.

Το άθροισμα των δύο κατανομών ρεύματος στα σύρματα 1 και 2 του

αναδιπλωμένου διπόλου, είναι ίσο με την κατανομή ρεύματος του διπόλου λ 2 . Η

ακτινοβολούμενη ισχύς είναι επίσης ίδια

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 5 – Αναδιπλωμένο δίπολο

59

= = = =

DD D D F F F F

IP Z I P Z I Z

2

2 21 1 1

2 2 2 2 (5.2)

όπου DP , DZ , DI είναι, αντίστοιχα, η ισχύς, η αντίσταση και το ρεύμα το διπόλου και FP ,

FZ , FI είναι τα αντίστοιχα μεγέθη του αναδιπλωμένου διπόλου.

Συνεπώς η αντίσταση εισόδου του αναδιπλωμένου διπόλου είναι 4 φορές

μεγαλύτερη από αυτή του διπόλου λ 2 , που είναι Ω73 .

= =F DZ Z Ω4 292 (5.3)

Σημείωση: Η τιμή της αντίστασης εισόδου του διπόλου λ 2 αναφέρεται στη

βιβλιογραφία με διαφορετικές τιμές όπως Ω70 , Ω72 ή Ω73 . Συνεπώς και η

αντίσταση εισόδου του αναδιπλωμένου διπόλου αναφέρεται με

διαφορετικές τιμές από Ω280 έως Ω300 .

Προσαρμογή αντίστασης

Για τη βέλτιστη μεταφορά ισχύος, η αντίσταση της πηγής πρέπει να είναι ίση με την

αντίσταση του φορτίου. Αυτό φαίνεται στο σχήμα 5.3 σε ένα απλό κύκλωμα με μια

πηγή τάσης SV , με αντίσταση SR , και ένα φορτίο αντίστασης LR . Η μέγιστη μεταφορά

ισχύος επιτυγχάνεται όταν =S LR R .

Σχήμα 5.3 Προσαρμοσμένη πηγή στο φορτίο για μέγιστη μεταφορά ισχύος.

Ο παραπάνω κανόνας ισχύει και στα κυκλώματα των κεραιών. Για βέλτιστη

μεταφορά ισχύος η αντίσταση εισόδου antZ της κεραία, πρέπει να είναι ίση με τη

χαρακτηριστική αντίσταση LZ , της γραμμής μεταφοράς ή του κυματοδηγού, όπως

φαίνεται στο σχήμα 5.4.


60

Σχήμα 5.4 Αντίσταση σε γραμμή μεταφοράς και σύνδεση της κεραίας.

Αν η προσαρμογή μεταξύ της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας δεν είναι τέλεια,

μέρος της διαδιδόμενης ισχύος θα ανακλαστεί προς τα πίσω αντί να ακτινοβοληθεί από

την κεραία. Στην περίπτωση της κεραίας λήψης, ένα μέρος του λαμβανόμενου σήματος

δεν θα προωθηθεί στο δέκτη.

Όταν δεν υπάρχει προσαρμογή των αντιστάσεων, η εξίσωση (5.4) σχετίζει την

ισχύ που διαδίδεται μέσω της σύνδεσης των αντιστάσεων με την ανακλώμενη ισχύ.

221

1 1 11

ant LT Rfl

ant L

Z ZSWRP P

SWR Z Z

−−= − = − = −

+ + (5.4)

όπου TP είναι η ισχύς που διαδίδεται μέσω της σύνδεσης των αντιστάσεων, RflP είναι η

ισχύς που ανακλάται στη σύνδεση των αντιστάσεων και SWR είναι ο λόγος στασίμου

κύματος ( )= ant LSWR Z Z .

Εάν η προσαρμογή είναι τέλεια, =ant LZ Z , δεν δημιουργείται στάσιμο κύμα και

= =ant LSWR Z Z 1 . Σε αυτή την περίπτωση δεν υπάρχει ανακλώμενη ισχύς

−

= =+Rfl

SWRP

SWR

21

01

(5.5)

και όλη η ισχύς διαδίδεται.

Στην περίπτωση που μια γραμμή μεταφοράς, με χαρακτηριστική αντίσταση

=LZ Ω73 , τροφοδοτεί ένα αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 με τετραπλάσια αντίσταση


61

εισόδου =antZ Ω292 , δημιουργείται ένα στάσιμο κύμα και ο λόγος στασίμου κύματος

είναι

= =ant

L

ZSWR

Z4 . (5.6)

Οπότε η ισχύς που διαδίδεται είναι

−

= − = − =+T Rfl

SWRP P .

SWR

21

1 1 0641

. (5.7)

Δηλαδή, στην περίπτωση αυτή, %64 της προσφερόμενης ισχύος διαδίδεται ενώ %36

ανακλάται.

Το φαινόμενο αυτό δεν είναι απαραίτητα καταστροφικό (αν και μπορεί να γίνει σε

υψηλές ισχύς) αλλά είναι ανεπιθύμητο. Προτιμότερο είναι να υπάρχει καλή προσαρμογή

αντιστάσεων μεταξύ της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας, όπως φαίνεται στο

σχήμα 5.5.

Σχήμα 5.5 Προσαρμογή αντίστασης μεταξύ της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας.

Σύνδεση ισορροπημένης - μη ισορροπημένη γραμμή μεταφοράς με balun

Ένα πρόβλημα που σχετίζεται με την προσαρμογή αντιστάσεων είναι η σύνδεση μιας

ισορροπημένης κεραίας, όπως είναι το δίπολο που τροφοδοτείται στο κέντρο, σε μία μη

ισορροπημένη γραμμή μεταφοράς, όπως είναι το ομοαξονικό καλώδιο.

Το πρόβλημα δεν υφίσταται αν η γραμμή μεταφοράς είναι επίσης ισορροπημένη

όπως συμβαίνει με τη δισύρματη γραμμή.

Εάν όμως το δίπολο, που τροφοδοτείται στο κέντρο, συνδεθεί με ένα ομοαξονικό

καλώδιο η ισορροπία διαταράσσεται. Όταν η μία πλευρά του διπόλου συνδέεται στον

εσωτερικό αγωγό ενώ η άλλη συνδέεται στη θωράκιση, δημιουργείται μια ροή


62

ρεύματος στην εξωτερική πλευρά της θωράκισης. Αυτό το ρεύμα δημιουργεί ένα πεδίο

που, εξαιτίας της θωράκισης, δεν μπορεί να ακυρωθεί από το πεδίο που οφείλεται στο

ρεύμα που ρέει στον εσωτερικό αγωγό. Συνεπώς θα υπάρχει ακτινοβολία από το ρεύμα

στην εξωτερική πλευρά της θωράκισης του ομοαξονικού καλωδίου.

Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται με τη χρήση ενός επιπλέον τμήματος

ομοαξονικού καλωδίου, μήκους λ 4 , που συνδέει τα εξωτερικά περιβλήματα μαζί σε

ένα σημείο που βρίσκεται σε απόσταση λ 4 κάτω από τα άκρα της κεραίας, όπως

φαίνεται στο σχήμα 5.6. Με αυτό τον τρόπο ένα δεύτερο ρεύμα επάγεται στο εξωτερικό

περίβλημα και έτσι τα δύο ρεύματα αλληλοαναιρούνται. Αυτήν η διάταξη ονομάζεται

balun και το όνομα της προέρχεται από τη σύντμηση της έκφρασης «balanced to

unbalanced».

Σχήμα 5.6 Σύνδεση ισορροπημένου διπόλου, τροφοδοτούμενου στο κέντρο,

σε μη ισορροπημένο ομοαξονικό καλώδιο με balun.

Η αρχή λειτουργίας είναι ότι η γραμμή μεταφοράς λ 4 φαίνεται σαν μια άπειρη

αντίσταση στο δίπολο και δεν επηρεάζει τη λειτουργία του. Ωστόσο, το ρεύμα που ρέει

μέσα σε αυτή εξισορροπεί το ρεύμα που ρέει στην εξωτερική πλευρά του ομοαξονικού

καλωδίου.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι balun. Οι συνδετήρες διπόλων που υπάρχουν στο

εργαστήριο είναι εφοδιασμένοι με balun παρόμοια με αυτό που φαίνεται στο σχήμα 5.6.


63

Επίσης υπάρχουν balun που εκτός από σύνδεση ισορροπημένης κεραίας σε μη

ισορροπημένη γραμμή μεταφοράς πραγματοποιούν και μετασχηματισμό αντίστασης.

Στην επόμενη παράγραφο, θα μελετήσουμε ένα αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 που

συνδέεται σε ένα ομοαξονικό καλώδιο, στη μια περίπτωση χωρίς balun και στην άλλη

με balun που πραγματοποιεί και μετασχηματισμό αντίστασης 4-προς-1.

Αναδιπλωμένο δίπολο

Το εργαστήριο διαθέτει ένα αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 στο GHz1 . Όπως αναφέρθηκε

παραπάνω, αυτού του είδους οι κεραίες έχουν αντίσταση εισόδου Ω292 .

Οι γραμμές μεταφοράς που χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο για σύνδεση των

κεραιών GHz1 είναι ομοαξονικά καλώδια Ω50 .

Στο εργαστήριο υπάρχουν δύο τρόποι σύνδεσης του ομοαξονικού καλωδίου Ω50

στο αναδιπλωμένο δίπολο Ω292 . Ένας χωρίς balun και ένας με balun μετασχηματισμού

αντίστασης 4-προς-1.

Σύνδεση χωρίς balun.

Στο σχήμα 5.7 φαίνεται η σύνδεση χωρίς balun. Ένα ομοαξονικό καλώδιο Ω50

συνδέεται, μέσω μιας ισορροπημένης δισύρματης γραμμής μεταφοράς Ω300 , στο

αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 που έχει αντίσταση εισόδου σχεδόν Ω300 .

Σχήμα 5.7 Σύνδεση, χωρίς balun, ομοαξονικού καλώδιο 50Ω, μέσω δισύρματης γραμμής 300Ω,

σε αναδιπλωμένο δίπολο λ/2, 300Ω.

Σημείωση: Η αντίσταση ενός ζεύγους παράλληλων συρμάτων είναι

συνάρτηση του λόγου D d , όπου D είναι η απόσταση μεταξύ των συρμάτων

και d είναι η διάμετρος κάθε σύρματος. Για Ω300 , =D d 6 , για Ω75 ,

≈D d .125 .


64

Στην περίπτωση του σχήματος 5.7, λόγω της μη προσαρμογής μεταξύ Ω50 και

Ω300 , θα είναι = =SWR 300 50 6 . Η σχέση μεταξύ της διαδιδόμενης ισχύος TP και της

ανακλώμενης RflP θα είναι

−

= − = − =+T Rfl

SWRP P .

SWR

11 1 049

1. (5.8)

Με τέλεια προσαρμογή αντιστάσεων, %100 της ισχύος θα διαδιδόταν. Ωστόσο στην

περίπτωση που εξετάζουμε μόνο %50 , περίπου, της ισχύος θα διαδοθεί. Το υπόλοιπο

μισό θα ανακλαστεί. Δηλαδή υπάρχει απώλεια dB3 ως προς την περίπτωση της τέλειας

προσαρμογής.

Σύνδεση με balun μετασχηματισμού αντιστάσεων 4-προς-1

Στο σχήμα 5.8 φαίνεται η σύνδεση ενός ομοαξονικού καλωδίου Ω50 σε ένα

αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 , αντίστασης Ω300 , με τη χρήση ενός balun

μετασχηματισμού αντιστάσεων 4-προς-1. Η διάταξη αναδιπλωμένου διπόλου – balun

μπορεί να συνδεθεί και σε ομοαξονικό καλώδιο Ω72 όπως είναι το −RG U59 .

Σχήμα 5.8 Σύνδεση ομοαξονικού καλωδίου 50Ω σε αναδιπλωμένο δίπολο λ/2, 300Ω,

μέσω balun μετασχηματισμού αντίστασης 4-προς-1.

Πρέπει να σημειωθεί ότι ο μετασχηματισμός 4-προς-1 δεν είναι ο ιδανικός για

αυτή την περίπτωση. Ιδανικά, απαιτείται ένας μετασχηματιστής 6-προς-1 για τη

μετάβαση από τα 50Ω στα V300 .


65

Αν και ατελής, ο μετασχηματιστής 4-προς-1 προσφέρει σημαντική βελτίωση. Η

αντίσταση των Ω300 μετασχηματίζεται σε Ω75 οπότε η σύνδεση με το ομοαξονικό

καλώδιο Ω50 οδηγεί σε = =SWR .75 50 15 .

Η σχέση μεταξύ της διαδιδόμενης και της ανακλώμενης ισχύος είναι σε αυτή την

περίπτωση

−

= − = − =+T Rfl

SWRP P .

SWR

21

1 1 0961

. (5.9)

Συνεπώς %96 της προσφερόμενης ισχύος διαδίδεται και μόνο %4 ανακλάται. Δηλαδή

δεν απέχει πολύ από την ιδανική περίπτωση.

Το αναδιπλωμένο δίπολο με balun έχει σχεδόν διπλάσια απόδοση από αυτό χωρίς

balun. Αυτό έχει ως συνέπεια μια διαφορά σχεδόν dB3 μεταξύ των μετρήσεων.

Λειτουργία του balun μετασχηματισμού αντιστάσεων 4-προς-1

Μεταξύ του πυρήνα και του περιβλήματος του ομοαξονικού καλωδίου υπάρχει μια

διαφορά τάσης ( )=V V cos ωt1 0

σε κάθε θέση κατά μήκος του καλωδίου. Αυτό συμβαίνει

και στο μη ισορροπημένο άκρο c που φαίνεται στο σχήμα 5.9

Σχήμα 5.9 Λειτουργία του balun μετασχηματισμού αντίστασης 4-προς-1.

Καθώς δεν υπάρχουν σημαντικές απώλειες στο καλώδιο, η τάση μεταξύ του

πυρήνα και της γείωσης θα είναι και πάλι ( )=bV V cos ωt0

στο σημείο b που βρίσκεται

σε κάποια απόσταση από το άκρο c .

Τα σημεία b και a απέχουν ακριβώς λ 2 . Ανάμεσα σε αυτά τα σημεία θα υπάρχει

μια διαφορά φάσης π ή °180 και η τάση ανάμεσα στον πυρήνα και τη θωράκιση θα

είναι στο σημείο a

( ) ( )= + = −aV V cos ωt π V cos ωt0 0

. (5.10)


66

Συνεπώς

( )= − =b aV V V V cos ωt2 0

2 (5.11).

Καθώς δεν υπάρχουν σημαντικές απώλειες στο ομοαξονικό καλώδιο, η

ακτινοβολούμενη ισχύς P2

που μετράται στο ισορροπημένο άκρο της κεραίας, δηλαδή

στα σημεία a και b , θα είναι ίδια με την ισχύ που μετράται στο μη ισορροπημένο άκρο

του καλωδίου, c . Χρησιμοποιώντας τη σχέση = rmsP V Z2 προκύπτει

= = =,rms ,rmsV VP P

Z Z

2 2

1 2

1 2

1 2

(5.12)

οπότε

= =,rms

,rms

VZ

Z V

2

22

21 1

4 (5.13)

Συνεπώς =Z Z2 1

4 .

Χρήση αναδιπλωμένου διπόλου με μεταλλικό ιστό

Θεωρητικά, τα διαγράμματα ακτινοβολίας του διπόλου και του αναδιπλωμένου διπόλου

είναι και τα δύο κυκλικά στο επίπεδο-Η. Αυτό συμβαίνει και στην πράξη αλλά το

κυκλικό διάγραμμα ακτινοβολίας μπορεί να επιμηκυνθεί με τη χρήση μεταλλικού ιστού,

σαν αυτόν που φαίνεται στο σχήμα 5.10.

Όπως φαίνεται στο σχήμα 5.11, απόσταση λ 4 μεταξύ του διπόλου και του ιστού

θα προκαλέσει την επιμήκυνση του διαγράμματος ακτινοβολίας κατά την ευρύπλευρη

διεύθυνση ( )°0 , ενώ για απόσταση λ 2 η επιμήκυνση παρατηρείται στις πλευρές

( )± °90 . Η αύξηση στην κατευθυντικότητα μπορεί να είναι από dB3 μέχρι dB5 , που

είναι σημαντική και επιθυμητή.


67

Σχήμα 5.10 Αναδιπλωμένο δίπολο σε μεταλλικό ιστό.

Σχήμα 5.11 Επίδραση του μεταλλικού ιστού στο διάγραμμα ακτινοβολίας του αναδιπλωμένου διπόλου.


68


Σε αυτή την άσκηση θα μετρήσετε το διάγραμμα ακτινοβολίας ενός αναδιπλωμένου

διπόλου με και χωρίς balun. Με αυτό τον τρόπο θα κατανοήσετε καλύτερα την αύξηση

του κέρδους από τη χρήση ενός balun 4:1 σε μια κεραία με αντίσταση εισόδου Ω300 .

Θα μάθετε την έννοια του κέρδους εκφρασμένο σε dBd και θα τη χρησιμοποιήσετε για

να υπολογίστε το κέρδος του αναδιπλωμένου διπόλου. Τέλος, θα παρατηρήσετε πώς

ένας μεταλλικός βραχίονας τοποθετημένος πίσω από ένα δίπολο επηρεάζει την

κατευθυντικότητά του.







2. Τοποθετήστε έναν ιστό κεραίας με οριζόντια στηρίγματα ως ιστό εκπομπής.

Στερεώστε την κεραία Yagi στον ιστό, προσανατολισμένη για μέτρηση στο

επίπεδο-Ε, και συνδέστε τη στην έξοδο GHz1 OSCILLATOR OUTPUT της

γεννήτριας RF, χρησιμοποιώντας το μακρύ καλώδιο SMA.

Σχήμα 5.12 Διάταξη αναδιπλωμένου διπόλου με balun.


69

3. Επιλέξτε το σύνδεσμο αναδιπλωμένου διπόλου με balun και το αναδιπλωμένο

σύρμα, και κατασκευάστε μια κεραία αναδιπλωμένου διπόλου, όπως φαίνεται στο

σχήμα 5.12.

4. Τοποθετήστε τον ιστό με κάθετα στηρίγματα στο στήριγμα ολίσθησης του

Antenna Positioner. Συνδέστε το αναδιπλωμένο δίπολο στον ιστό

Χρησιμοποιώντας το στήριγμα ολίσθηση, βεβαιωθείτε ότι η κεραία βρίσκεται

στην ίδια ευθεία με το κέντρο περιστροφής του Antenna Positioner και είναι

προσανατολισμένη να περιστρέφεται στο επίπεδο-Ε (το αναδιπλωμένο δίπολο

έχει την ίδια πόλωση με τα γραμμικά δίπολα).

Βιδώστε τον εξασθενητή dB10 στην είσοδο RF επάνω στον Antenna Positioner.

Συνδέστε την κεραία στον εξασθενητή χρησιμοποιώντας το κοντό καλώδιο SMA.

5. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση m1 . Προσαρμόστε τις ώστε να έχουν το

ίδιο ύψος και να είναι τοποθετημένες αντικριστά.









7. Θέστε το διακόπτη GHz1 OSCILLATOR RF POWER στην θέση ON.

Χρησιμοποιώντας τον έλεγχο εξασθένησης βελτιστοποιήστε τη λήψη του

σήματος.

Αρχίστε τη λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο

(Document1). Βεβαιωθείτε ότι επιλέξατε το σωστό επίπεδο.

8. Περιστρέψτε την κεραία Yagi ώστε να είναι κάθετα πολωμένη.

Αφαιρέστε τον ιστό με κάθετα στηρίγματα από το στήριγμα ολίσθησης και

αντικαταστήστε τον με έναν ιστό με οριζόντια στηρίγματα. Βεβαιωθείτε ότι

περιστρέφεται στο επίπεδο-Η και τοποθετήστε το αναδιπλωμένο δίπολο στον


70

καινούργιο ιστό αντικαθιστώντας το κοντό καλώδιο SMA με το μεσαίου μήκους,

όπως φαίνεται στο σχήμα 5.13.

Σχήμα 5.13 Διάταξη για περιστροφή στο επίπεδο-Η.

Πραγματοποιήστε μια νέα λήψη και αποθηκεύστε την ως το επίπεδο-Η στο

Document1.

9. Αφαιρέστε το αναδιπλωμένο δίπολο από τον ιστό λήψης. Χρησιμοποιώντας το

αναδιπλωμένο σύρμα φτιάξτε μια καινούργια κεραία χρησιμοποιώντας το

σύνδεσμο αναδιπλωμένου διπόλου χωρίς balun. Τοποθετήστε την κεραία στο

ιστό.

Σημείωση: Βεβαιωθείτε ότι η συνδεσμολογία είναι ίδια με εκείνη στο

προηγούμενο βήμα, διαφορετικά δεν θα μπορέσετε να συγκρίνετε τα

αποτελέσματα. Το ίδιο ισχύει και για τη λήψη στο επίπεδο-Η.

10. Χωρίς να μεταβάλλετε την εξασθένηση ξεκινήστε μια λήψη του διαγράμματος στο

επίπεδο-Η.

Κάνοντας τις κατάλληλες ρυθμίσεις, συμπεριλαμβανομένης της αντικατάστασης

του καλωδίου λήψης, πραγματοποιήστε τη λήψη του διαγράμματος στο επίπεδο-

Ε. Αποθηκεύστε αυτά τα δύο διαγράμματα σε ένα νέο αρχείο (Document2).

11. Παρατηρήστε προσεκτικά τα διαγράμματα ακτινοβολίας. Ποια κεραία έχει το

μεγαλύτερο κέρδος και ποια είναι η διαφορά σε dB μεταξύ τους;


71

Κέρδος αναδιπλωμένου διπόλου

12. Φτιάξτε ένα δίπολο λ 2 για να αντικαταστήσετε το αναδιπλωμένο δίπολο. Χωρίς

να μεταβάλλετε το επίπεδο εξασθένησης, πραγματοποιήστε μια λήψη στο

επίπεδο-Ε. Αποθηκεύστε το διάγραμμα σε ένα νέο αρχείο (Document3).

13. Στην άσκηση 2, είδατε ότι το κέρδος μια κεραίας, που ισούται με το γινόμενο της

κατευθυντικότητας με την απόδοση της κεραίας, είναι ένα μέγεθος που

εκφράζεται σε dB ως προς τη θεωρητική ισοτροπική κεραία. Το κέρδος της

κεραίας μπορεί επίσης να εκφρασθεί ως προς το δίπολο λ 2 , δηλαδή σε dBd ,

όπως φαίνεται στο σχήμα 5.14. Σε αυτό το σχήμα φαίνεται το διάγραμμα

ακτινοβολίας, στο επίπεδο-Ε, του διπόλου λ 2 και μιας άλλης κεραίας, ΑΝΤΧ.

Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα, το μέγιστο επίπεδο σήματος (MSL) της

ΑΝΤΧ είναι . dB84 μεγαλύτερο από το MSL του διπόλου λ 2 . Συνεπώς, το κέρδος

της ΑΝΤΧ είναι . dBd84 .

Σχήμα 5.14 Κέρδος κεραίας με αναφορά το δίπολο λ/2.

Αν είναι γνωστό το κέρδος σε dBi του διπόλου λ 2 , τότε είναι εύκολο να

μετατραπεί το κέρδος από dBd σε dBi . Το τυπικά μετρούμενο, στο εργαστήριο,


72

κέρδος σε dBi του διπόλου λ 2 είναι . dBi19 (θεωρητικά η τιμή του είναι

. dBi214 ). Συνεπώς το κέρδος της κεραίας ΑΝΤΧ εκφρασμένο σε dBi είναι

+ =. . . dBi84 19 103 .

Θεωρητικά, το κέρδος του διπόλου λ 2 και του αναδιπλωμένου διπόλου είναι ίδια.

Στην πράξη, ωστόσο, διαφέρουν μερικές φορές. Χρησιμοποιώντας το τυπικό

κέρδος στο εργαστήριο του διπόλου λ 2 σε dBi , εκφράστε το κέρδος του

αναδιπλωμένου διπόλου με balun τόσο σε dBd όσο και σε dBi .

= =G ________dBd ________dBi

14. Τυπώστε την −D3 αναπαράσταση του διαγράμματος ακτινοβολίας του

αναδιπλωμένου διπόλου με balun και παρατηρήστε την ομοιότητα του με αυτό

του διπόλου λ 2 της άσκησης 4.

Βελτίωση της κατευθυντικότητας

15. Αποθηκεύστε τα αρχεία και επιλέξτε την εντολή Close All από το μενού File.

16. Απομακρύνετε το δίπολο λ 2 και τον ιστό λήψης. Τοποθετήστε τον ιστό με

οριζόντια στηρίγματα στη στήριξη ολίσθησης και τοποθετήστε το αναδιπλωμένο

δίπολο με balun στον ιστό, με κάθετη πόλωση. Προσανατολίστε την κεραία Yagi

στο επίπεδο-Η.

Προσαρμόστε το επίπεδο εξασθένησης ώστε να λαμβάνετε μέγιστο επίπεδο

σήματος περίπου − dB5 . Ξεκινήστε μια λήψη. Αποθηκεύστε το διάγραμμα

ακτινοβολίας ως το επίπεδο-Η ενός νέου αρχείου (Document4).

17. Προσθέστε ένα ακόμη στήριγμα στη μπάρα ολίσθησης. Τοποθετήστε τον ιστό με

κάθετα στηρίγματα σε αυτή τη θέση και στερεώστε το βραχίονα αλουμινίου σε

αυτό. Τοποθετήστε το βραχίονα σε απόσταση λ 4 από την κεραία, όπως φαίνεται


Πραγματοποιήστε μια λήψη ΧΩΡΙΣ να αλλάξετε το επίπεδο εξασθένησης.

Αποθηκεύστε το διάγραμμα σε ένα νέο αρχείο (Docment5).

18. Πρέπει να παρατηρήσετε μια διαφορά ανάμεσα στα δύο διαγράμματα. Η δεύτερη

τοποθέτηση πρέπει να βελτιώνει την κατευθυντικότητα του αναδιπλωμένου

διπόλου. Σημειώστε την αύξηση ________dB .


73

Σχήμα 5.15 Διάταξη με βραχίονα αλουμινίου πίσω από την κεραία.

19. Μεταβάλλεται τη θέση του βραχίονα, ώστε η απόσταση από την κεραία να γίνει

λ 2 , και καταγράψτε το διάγραμμα ακτινοβολίας. Αποθηκεύστε τη λήψη ως το

επίπεδο-Η σε ένα νέο αρχείο (Document6) και συγκρίνετε αυτό το διάγραμμα με

του αναδιπλωμένου διπόλου. Το αποτέλεσμα είναι αναμενόμενο;





74


Σε αυτή την άσκηση μελετήσατε το διάγραμμα ακτινοβολίας ενός αναδιπλωμένου

διπόλου και παρατηρήσατε την επίδραση ενός balun 4:1 σε μια κεραία χωρίς

προσαρμογή. Χρησιμοποιώντας το κέρδος του διπόλου λ 2 υπολογίσατε το κέρδος του

αναδιπλωμένου διπόλου και είδατε ότι οι δύο τιμές είναι πολύ κοντά. Τέλος, βελτιώσατε

την κατευθυντικότητα του αναδιπλωμένου διπόλου τοποθετώντας ένα μεταλλικό

βραχίονα πίσω του.


1. Γιατί η αντίσταση του αναδιπλωμένου διπόλου είναι τέσσερεις φορές μεγαλύτερη

από του διπόλου λ 2 ;

2. Τι σημαίνει η έκφραση «τέλεια προσαρμογή αντιστάσεων»; Γιατί είναι σημαντικό

οι αντιστάσεις της κεραίας και της γραμμής μεταφοράς να είναι προσαρμοσμένες

και τι συμβαίνει όταν μια κεραία εκπομπής δεν είναι κατάλληλα προσαρμοσμένη

στη γραμμή μεταφοράς;

3. Μια κεραία έχει = °EHPBW 28 και = °HHPBW 32 . Υπολογίστε το κέρδος της

κεραίας με αναφορά το θεωρητικό κέρδος του διπόλου λ 2 .

4. Η χρήση ενός balun 4:1 βελτιώνει το κέρδος ενός αναδιπλωμένου διπόλου που

τροφοδοτείται από γραμμή μεταφοράς Ω75 ; Εξηγήστε γιατί.


75

5. Υπάρχει λόγος να τοποθετηθεί ένα αναδιπλωμένο δίπολο σε μεταλλικό ιστό; Η

απόσταση μεταξύ της κεραίας και του ιστού έχει σημασία;





Κοζάνη, 2009

6. Μονοπολικές κεραίες


Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα έχετε εξοικειωθεί με τα χαρακτηριστικά

λειτουργίας των κλασσικών και των επικλινών μονοπολικών κεραιών.


Θεωρία ειδώλων

Μια τέλεια αγώγιμη επιφάνεια λειτουργεί ως καθρέπτης. Για παράδειγμα, εάν ένα

δίπολο εκπέμπει πάνω από μια τέλεια αγώγιμη επιφάνεια, το λαμβανόμενο σήμα θα

είναι το διανυσματικό άθροισμα του απευθείας κύματος και εκείνου που ανακλάται

στην επιφάνεια, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.1(α). Αυτό είναι ισοδύναμο με την

αντικατάσταση του επιπέδου με ένα είδωλο, όπως στο σχήμα 6.1(β). Αυτή είναι η

θεωρία ειδώλων στην απλούστερη μορφή της.

(α) (β)

Σχήμα 6.1 (α) Δίπολο πάνω από τέλεια αγώγιμη επιφάνεια, (β) ισοδύναμο μοντέλο της θεωρίας ειδώλων.

Μονόπολο

Στο σχήμα 6.2, φαίνεται ένα μονόπολο λ 4 πάνω από μια τέλεια αγώγιμη επιφάνεια.

Είναι στη ουσία το μισό ενός διπόλου λ 2 .


78

(α) (β)

Σχήμα 6.2 Μονόπολο λ/4 πάνω από τέλεια αγώγιμη επιφάνεια.

(α) Φυσική περιγραφή, (β) διάγραμμα ακτινοβολίας

Το ρεύμα σε ένα μονόπολο είναι το ίδιο με το ρεύμα στο ήμισυ ενός διπόλου.

Ωστόσο, η τάση εισόδου είναι η μισή από αυτή στο δίπολο. Συνεπώς, η αντίσταση

εισόδου στο μονόπολο είναι μισή από εκείνη στο δίπολο.

( ) =in μονόπολο λZ . Ω4

375 (6.1)

Εφόσον το ρεύμα είναι ίδιο με αυτό του διπόλου λ 2 , η ακτινοβολούμενη ισχύς θα

είναι επίσης ίδια. Επειδή όμως η αγώγιμη επιφάνεια κόβει στη μέση το διάγραμμα

ακτινοβολίας, το εύρος δέσμης είναι το μισό από εκείνο του διπόλου. Συνεπώς, η

κατευθυντικότητα και το κέρδος θα είναι διπλάσια από εκείνα του διπόλου.

μονόπολο λG . . ή dB= × =4

2 164 32 5 (6.2)

Το διάγραμμα ακτινοβολίας ενός μονόπολου λ 4 που βρίσκεται πάνω στο

αγώγιμο επίπεδο έχει το ίδιο σχήμα με αυτό του διπόλου λ 2 , για γωνίες μεγαλύτερες

του μηδέν. Το θεωρητικό διάγραμμα ακτινοβολίας φαίνεται στο σχήμα 6.2(β) και

περιγράφεται από την εξίσωση (6.3), που αναφέρθηκε νωρίτερα για το δίπολο λ 2 .

( )

= >

μονόπολο λ

πcos cosθ

F θ , θsinθ4

1 20

2 (6.3)

Εάν το μονόπολο απομακρυνθεί από την αγώγιμη επιφάνεια σε απόσταση d 2 ,

όπως φαίνεται στο σχήμα 6.3, τότε η κεραία συμπεριφέρεται σαν ένα είδος κεραίας με

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 6 – Μονόπολα

79

δύο στοιχεία. Η ακτινοβολία από το επάνω και το κάτω στοιχείο συνδυάζεται

διαφορετικά καθώς η απόσταση από την αγώγιμη επιφάνεια μεταβάλλεται. Ο τρόπος

με τον οποίο συμβαίνει αυτό, περιγράφεται από τον παράγοντα κεραίας που θα

ορισθεί σε επόμενη άσκηση.

Σχήμα 6.3 Συμβολή της ακτινοβολίας του μονόπολου και του ειδώλου του.

Κλασσικό μονόπολο

Στο σχήμα 6.4 φαίνεται το κλασσικό μονόπολο που θα χρησιμοποιηθεί στο εργαστήριο.

Τροφοδοτείται από ένα ομοαξονικό καλώδιο Ω50 μέσω μιας οπής σε ένα «μεγάλο»

αγώγιμο επίπεδο.

Σχήμα 6.4 Ομοαξονικά τροφοδοτούμενο μονόπολο και αγώγιμο επίπεδο.

Το αγώγιμο επίπεδο είναι θεμελιώδες στοιχείο στο σχεδιασμό ενός μονόπολου.

Θεωρητικά, πρέπει να έχει άπειρο μέγεθος. Στην πράξη, μια επιφάνεια με ακτίνα λ5


80

είναι πολύ κοντά στην ιδανική περίπτωση, ενώ η ελάχιστη επιτρεπόμενη ακτίνα είναι

. λ05 . Το μονόπολο του εργαστηρίου συνοδεύεται από αγώγιμη επιφάνεια ακτίνας 0 5. λ .

Το ομοαξονικό καλώδιο τροφοδοσίας της κεραίας έχει αντίσταση Ω50 και

υπάρχει μια μετάβαση από αυτή την τιμή αντίστασης στα . Ω375 του μονόπολου. Σε

αυτή την περίπτωση η αντίσταση, μετά τη μετάβαση, είναι συνάρτηση της διαμέτρου a

του κεντρικού αγωγού και της απόστασης b ανάμεσα στον αγωγό και το άκρο της

τρύπας στο αγώγιμο επίπεδο. Η σχέση αυτή δίνεται στην παρακάτω εξίσωση.

=

bZ log

a0

60 (6.4)

Για =a . cm0159 και =b . cm0317 , η αντίσταση είναι . Ω415 , που είναι μια ενδιάμεση τιμή

ανάμεσα στα Ω50 του ομοαξονικού και τα . Ω375 του μονόπολου.

Επικλινές μονόπολο

Εκτός από το κλασσικό μονόπολο, υπάρχει στο εργαστήριο και το λεγόμενο επικλινές

μονόπολο, που φαίνεται στο σχήμα 6.5.

Σχήμα 6.5 Επικλινές μονόπολο.


81

Για να γίνουν κατανοητά τα χαρακτηριστικά του επικλινούς μονόπολου,

θεωρήστε το δίπολο λ 2 με αντίσταση Ω73 , όπως αυτό που φαίνεται στο σχήμα 6.6(α).

Εάν ο κάτω αγωγός του διπόλου απομακρυνθεί και περιστραφεί κατά °180 προκύπτει

το κλασσικό μονόπολο του σχήματος 6.6(γ) με αντίσταση . Ω375 . Εάν όμως το σύρμα

περιστραφεί κατά °90 ως προς το επάνω τμήμα, όπως στο σχήμα 6.6(β), προκύπτει το

επικλινές μονόπολο με χαρακτηριστική αντίσταση περίπου Ω50 , όσο και η αντίσταση

του ομοαξονικού καλωδίου.

(α) (β) (γ)

Σχήμα 6.6 (α) Δίπολο λ/2, (β) επικλινές μονόπολο, (γ) κλασσικό μονόπολο.


Σε αυτή την εργασία θα σχεδιάσετε τα διαγράμματα ακτινοβολίας ενός μονόπολου λ 4

πάνω από αγώγιμο επίπεδο και ενός επικλινούς μονόπολου λ 4 . Θα παρατηρήσετε τη

συμπεριφορά ενός μονόπολο όταν χρησιμοποιείται χωρίς αγώγιμο επίπεδο. Τέλος θα

συγκρίνετε το κατευθυντικό κέρδος του μονόπολου λ 4 με το δίπολο λ 2 .






82



2. Τοποθετήστε έναν ιστό κεραίας με οριζόντια στηρίγματα ως ιστό εκπομπής.

Στερεώστε την κεραία Yagi στον ιστό με οριζόντια πόλωση και συνδέστε τη στην

έξοδο GHz1 OSCILLATOR OUTPUT της γεννήτριας RF.

3. Τοποθετήστε τον κονέκτορα του μονόπολου στο κέντρο του αγώγιμου επιπέδου

και στερεώστε το καλά με τις δύο βίδες που υπάρχουν για αυτό το σκοπό κάτω

από το αγώγιμο επίπεδο. Βάλτε ένα μονόπολο λ 4 στο κέντρο του κονέκτορα.

4. Τοποθετήστε έναν άλλο ιστό με οριζόντια στηρίγματα στο στήριγμα ολίσθησης

του Antenna Positioner. Στερεώστε το μονόπολο σε αυτό τον ιστό

προσανατολισμένο να περιστρέφεται στο επίπεδο-Ε.

Σχήμα 6.7 Τοποθέτηση του μονόπολου στο επίπεδο-Ε.


83

Χρησιμοποιώντας το στήριγμα ολίσθησης, βεβαιωθείτε ότι η κεραία βρίσκεται

πάνω από το κέντρο περιστροφής του Antenna Positioner. Βιδώστε τον

εξασθενητή dB10 στην είσοδο RF στο επάνω μέρος του Antenna Positioner.

Συνδέστε την κεραία στον εξασθενητή χρησιμοποιώντας το μεσαίου μήκους

καλώδιο SMA.

Τα βήματα 3 και 4 φαίνονται στο σχήμα 6.7.

5. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση =r m1 . Ρυθμίστε τις έτσι ώστε να

βρίσκονται στο ίδιο ύψος και αντικριστά η μία από την άλλη


6. Πραγματοποιήστε τις παρακάτω ρυθμίσεις








7. Θέστε το διακόπτη GHz1 OSCILLATOR RF POWER στη θέση ON.

Χρησιμοποιώντας τον έλεγχο εξασθένησης βελτιστοποιήστε τη λήψη του

σήματος.

Αρχίστε τη λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο

(Document1).

8. Περιστρέψτε την κεραία Yagi ώστε να είναι κάθετα πολωμένη.


84

Αφαιρέστε τον ιστό με οριζόντια στηρίγματα από το στήριγμα ολίσθησης και

αντικαταστήστε τον με έναν ιστό με κάθετα στηρίγματα. Τοποθετήστε το

μονόπολο στον καινούργιο ιστό και βεβαιωθείτε ότι περιστρέφεται στο επίπεδο-

Η. Αντικαταστήστε το μεσαίου μήκους καλώδιο SMA με το κοντό, όπως φαίνεται


Σχήμα 6.9 Τοποθέτηση του μονόπολου για περιστροφή στο επίπεδο-Η.

Πραγματοποιείστε μια νέα λήψη και αποθηκεύστε τη ως το επίπεδο-Η στο

Document1.

9. Αφαιρέστε το μονόπολο από τον ιστό και αποσυνδέστε το αγώγιμο επίπεδο από

τον κονέκτορα.

Εισάγετε τα τέσσερα σύρματα με γωνιακές άκρες σε κάθε μια από τις γωνίες του

κονέκτορα και στερεώστε αυτή την κεραία στον ιστό, προσανατολισμένη για

περιστροφή στο επίπεδο-Η, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.10.

10. Πραγματοποιήστε μια λήψη, διατηρώντας σταθερό το επίπεδο εξασθένησης.


85

Κάντε τις κατάλληλες ρυθμίσεις (αλλαγή ιστού και καλωδίου) και λάβετε το

διάγραμμα ακτινοβολίας του επικλινούς μονόπολου στο επίπεδο-Ε. Αποθηκεύστε

αυτά τα δύο διαγράμματα ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο (Document2).

Σχήμα 6.10 Τοποθέτηση του κεκλιμένου μονόπολου.

11. Τώρα έχετε τα διαγράμματα ακτινοβολίας και των δύο κεραιών. Ως προς το

επίπεδο-Ε, ποιο μονόπολο έχει μεγαλύτερο κέρδος;

12. Εξετάστε τη χωρική κατανομή των διαγραμμάτων με τις επιλογές −E H και −D3 .

Εκτυπώστε, σε μορφή −D2 και −D3 , το διάγραμμα ακτινοβολίας του μονόπολου

πάνω από αγώγιμο επίπεδο.

13. Απομακρύνετε τα τέσσερα σύρματα από το επικλινές μονόπολο. Χωρίς να

αλλάξετε το επίπεδο εξασθένησης, πραγματοποιήστε μια λήψη στο επίπεδο-Ε.


86

Πραγματοποιώντας τις κατάλληλες ρυθμίσεις σχεδιάστε το διάγραμμα

ακτινοβολίας στο επίπεδο-Η. Αποθηκεύστε αυτά τα διαγράμματα σε ένα νέο

αρχείο (Document3).

14. Συγκρίνετε τα τελευταία δύο διαγράμματα με εκείνα των άλλων μονόπολων. Τι

παρατηρείτε;

Κατευθυντικότητα

15. Σύμφωνα με τη θεωρία, η κατευθυντικότητα ενός μονόπολου υποτίθεται ότι είναι

διπλάσια ( dB3 περισσότερο) από αυτή του διπόλου λ 2 .

Ετοιμάστε ένα δίπολο λ 2 και πραγματοποιήστε μια λήψη στο επίπεδο-Ε

διατηρώντας το επίπεδο εξασθένησης. Αποθηκεύστε αυτό το διάγραμμα στο

Document3.

16. Συγκρίνετε το τελευταίο διάγραμμα με το διάγραμμα στο επίπεδο-Ε του

μονόπολου. Ποια κεραία έχει το μεγαλύτερο κέρδος; Σημειώστε τη διαφορά των

κερδών. Το αποτέλεσμα συμφωνεί με τη θεωρία; Εξηγήστε γιατί.





Σε αυτή την άσκηση. σχεδιάσατε τα διαγράμματα ακτινοβολίας του μονόπολου και του

κεκλιμένου μονόπολου. Συγκρίνατε αυτά τα διαγράμματα και παρατηρήσατε ότι τα

κέρδη τους είναι σχεδόν ίδια. Σημειώσατε μια σημαντική απώλεια κέρδους όταν το

μονόπολο χρησιμοποιείται χωρίς αγώγιμο επίπεδο. Συγκρίνατε τα διαγράμματα στο

επίπεδο-Ε του μονόπολου λ 4 και του διπόλου λ 2 και παρατηρήσατε ότι εξαιτίας των

μικρών διαστάσεων του αγώγιμου επιπέδου, το κέρδος του μονόπολου είναι μικρότερο

από το αναμενόμενο.


87


1. Ποια θεωρία εξηγεί τη λειτουργία του κλασσικού μονόπολου; Εξηγήστε σύντομα

τη θεωρία αυτή.

2. Εξηγήστε γιατί η κατευθυντικότητα ενός μονόπολου πάνω από αγώγιμη

επιφάνεια είναι διπλάσια εκείνης του διπόλου.

3. Σχεδιάζετε ένα μονόπολο στα MHz800 (μπάντα UHF) και θέλετε ένα σχεδόν

ιδανικό αγώγιμο επίπεδο, αλλά όχι άπειρο. Υπολογίστε τις διαστάσεις του.

4. Ποιες παράμετροι πρέπει να ληφθούν υπόψη στον υπολογισμό της αντίστασης

εισόδου ενός μονόπολου;

5. Ποιος είναι ο σκοπός των τεσσάρων συρμάτων με κλίση °45 σε κάθε γωνία του

επικλινούς μονόπολου;





Κοζάνη, 2009

7. Κεραίες βρόχου


Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα έχετε εξοικειωθεί με τις κεραίες βρόχου μήκους λ

καθώς και με τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των κεραιών μικρών βρόχων.


Κεραίες βρόχου πλήρους κύματος

Οι κεραίες βρόχου με περίμετρο ενός μήκους κύματος είναι χρήσιμες γιατί

παρουσιάζουν ένα λογικό κέρδος αλλά κυρίως έχουν «βολική» αντίσταση εισόδου.

Εμφανίζονται σε διάφορα σχήματα (κυκλικό, τετραγωνικό, ορθογωνικό, ρομβικό) και

όλες έχουν παρόμοιο διάγραμμα ακτινοβολίας και κέρδος.

Προκειμένου να γίνει κατανοητό το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας βρόχου

πλήρους κύματος, είναι απαραίτητη η κατανόηση της κατανομής του ρεύματος κατά

μήκος του αγωγού καθώς και ο τρόπος με τον οποίο τα δημιουργούμενα

ηλεκτρομαγνητικά (ημ) πεδία προστίθενται η αλληλοαναιρούνται.

Στη συνέχεια θεωρούμε έναν κυκλικό βρόχο μήκους λ τοποθετημένο παράλληλα

προς το επίπεδο xy και συμμετρικά γύρω από την αρχή του συστήματος

συντεταγμένων. Το σημείο τροφοδοσίας μπορεί να βρίσκεται οπουδήποτε πάνω στην

περίμετρο του βρόχου, αλλά η θέση του επηρεάζει το διάγραμμα ακτινοβολίας.

Υποθέστε ότι η θέση τροφοδοσίας βρίσκεται επάνω στον αρνητικό ημιάξονα y

και ότι ο βρόχος είναι σπασμένος σε δύο ίσα μέρη, ξεδιπλωμένα κατά μήκος του άξονα

x , όπως φαίνεται στο σχήμα 7.1. Σε αυτό το σχήμα φαίνεται σαφώς ότι η ρευματική

κατανομή έχει τη μορφή ενός συνημίτονου που λαμβάνει τη μεγίστη τιμή του στη θέση

τροφοδοσίας.


90

Σχήμα 7.1 Κατανομή ρεύματος κατά μήκος μια ξεδιπλωμένης κεραίας βρόχου μήκους λ.

Στο σχήμα 7.2 παρουσιάζεται η κατανομή του ρεύματος σε μια κυκλική κεραία

βρόχου, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο τα σχηματιζόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία

προστίθενται ή αλληλοαναιρούνται. Στη συγκεκριμένη περίπτωση τα πεδία

προστίθενται κατά τις διευθύνσεις ± y και ±z , αλλά αλληλοαναιρούνται στη διεύθυνση

±x .

Σχήμα 7.2 Κατανομή ρεύματος σε μια κυκλική κεραία μήκους λ.

Διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας βρόχου πλήρους κύματος

Τα σημαντικά επίπεδα σε μια κεραία βρόχου είναι τρία: τα επίπεδα-Ε και Η και το

επίπεδο του βρόχου, που είναι εκείνο το επίπεδο που περιέχει την κεραία. Για την

παρουσίαση αυτών των επιπέδων θεωρείστε μια τετραγωνική κεραία βρόχου σαν αυτή

που φαίνεται στο σχήμα 7.3.

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 7 – Κεραίες βρόχου

91

Σχήμα 7.3 Τετράγωνη κεραία βρόχου.

Σύμφωνα με το σχήμα 7.3, η κεραία είναι τοποθετημένη κάθετα μπροστά σας, στο

επίπεδο xy και ο άξονας z δείχνει προς το μέρος σας. Συγκρίνοντας την κεραία βρόχου

με ένα δίπολο που τροφοδοτείται στο κέντρο και είναι τοποθετημένος παράλληλα προς

τον άξονα x , προκύπτει ότι το επίπεδο-Ε είναι το επίπεδο xz , το επίπεδο yz είναι το

επίπεδο-Η και το επίπεδο του βρόχου είναι το επίπεδο xy .

(α) (β) (γ)

Σχήμα 7.4 Διάγραμμα ακτινοβολίας (α) στο επίπεδο-Ε, (β) στο επίπεδο-Η και (γ) στο επίπεδο του

βρόχου, μιας κεραίας βρόχου μήκους λ.

Το θεωρητικό διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε (επίπεδο xz ) φαίνεται στο

σχήμα 7.4(α), το διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Η (επίπεδο yz ), παρουσιάζεται


92

στο σχήμα 7.4(β), ενώ το διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο του βρόχου (επίπεδο-

xy ), φαίνεται στο σχήμα 7.4(γ).

Με μια πιο προσεκτική ματιά στα σχήματα 7.4(α)-(γ), προκύπτει ότι τα

διαγράμματα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε (σχήμα 7.4(α)) και στο επίπεδο του βρόχου

(σχήμα 7.4(γ)) είναι παρόμοια σε μορφή αλλά διαφέρουν σε πλάτος. Από το σχήμα 7.2

προκύπτει αφενός ότι το συνολικό πεδίο στο κέντρο του βρόχου οφείλεται στη

συμβολή πεδίων που προέρχονται από συμφασικά ρεύματα και αφετέρου ότι στον

άξονα- y , έξω από το βρόχο, τα πεδία έχουν μια μικρή διαφορά φάσης. Αυτό έχει σαν

αποτέλεσμα το πεδίο στο επίπεδο του βρόχου να είναι dB3 ασθενέστερο από αυτό στο

επίπεδο-Ε.

Πόλωση

Στο σχήμα 7.5 φαίνεται η ροή του ρεύματος σε δύο διαφορετικές στιγμές. Το σχήμα

δείχνει ότι στη διεύθυνση x τα ρεύματα και στα δύο μέρη του βρόχου προστίθενται,

ενώ στη διεύθυνση y , τα ρεύματα αλληλοαναιρούνται. Για αυτό το λόγο το ηλεκτρικό

πεδίο είναι πολωμένο κατά τη διεύθυνση x .

Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι εάν ο βρόχος είναι κάθετος και το σημείο

τροφοδοσίας βρίσκεται στο ζενίθ ή στο ναδίρ του βρόχου, η ηλεκτρική πεδιακή ένταση

έχει οριζόντια πόλωση. Εάν ο βρόχος είναι κάθετος και το σημείο τροφοδοσίας

βρίσκεται στην αριστερή ή τη δεξιά πλευρά του βρόχου, τότε το ηλεκτρομαγνητικό

πεδίο είναι κάθετα πολωμένο.

Σχήμα 7.5 Πόλωση του επιπέδου-Ε στη διεύθυνση x.


93

Αντίσταση, κέρδος και εύρος δέσμης

Η αντίσταση εισόδου μια κεραίας βρόχου μήκους λ είναι περίπου +�inZ j Ω100 0 . Στην

πραγματικότητα η αντίδραση (το φανταστικό μέρος της αντίστασης εισόδου) έχει μια

πολύ μικρή τιμή. Υπό αυτές τις συνθήκες η κεραία βρόχου πλήρους κύματος είναι

εξαιρετικά χρήσιμη και έχει ένα λογικό εύρος ζώνης. Το κέρδος της είναι περίπου

. dB309 , που είναι μικρότερο από τα . dB382 του διπόλου λ , αλλά είναι μεγαλύτερο από

τα . dB215 του διπόλου λ 2 . Συνεπώς το εύρος δέσμης της κεραίας βρόχου θα

κυμαίνεται ανάμεσα στις °47 του διπόλου λ και τις °78 του διπόλου λ 2 .

Μικρή κεραία βρόχου.

Ως μικρές κεραίες βρόχου εννοούνται αυτές που έχουν μήκος μικρότερο ή ίσο με λ 8 .

Το διάγραμμα ακτινοβολίας αυτών των κεραιών είναι σημαντικά διαφορετικό από το

αντίστοιχο των κεραιών βρόχου πλήρους κύματος. Οι μικρές κεραίες βρόχου

χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως είναι η εύρεση της διεύθυνσης μεγίστης

ακτινοβολίας.

Καθώς το μήκος της κεραίας είναι σημαντικά μικρότερο από το μήκος κύματος, το

ρεύμα μπορεί να θεωρηθεί συμφασικό σε ολόκληρο το μήκος του βρόχου, όπως

φαίνεται στο σχήμα 7.6. Εξαιτίας αυτής της υπόθεσης η ηλεκτρική πεδιακή ένταση κατά

μήκος του άξονα z είναι μηδενική.

Σχήμα 7.6 Το ρεύμα σε μια μικρή κεραία βρόχου.


94

Σε όλες τις άλλες διευθύνσεις, πλην του άξονα z , το διάγραμμα ακτινοβολίας έχει

μη μηδενική τιμή, όπως συμβαίνει στο διάγραμμα ενός μικρού διπόλου. Στην

πραγματικότητα, ο μικρός βρόχος είναι το δυικό στοιχείο ενός μικρού διπόλου. Δηλαδή,

θα μπορούσε να αντικατασταθεί από ένα μικρό δίπολο, τοποθετημένο στο κέντρο του

και με διεύθυνση κάθετη προς το επίπεδο του βρόχου, χωρίς να μεταβληθεί το

διάγραμμα ακτινοβολίας.

Η αντίσταση εισόδου της μικρής κεραίας βρόχου είναι εξαιρετικά χαμηλή, της

τάξης των μερικών δεκάτων του Ohm.


Σε αυτή την άσκηση θα παρατηρήσετε τη σχέση που συνδέει το σημείο τροφοδοσίας

της κεραίας βρόχου με την πόλωσή της. Θα λάβετε τα διαγράμματα ακτινοβολίας της

κεραίας και, με αναφορά το δίπολο λ 2 , θα υπολογίσετε το κέρδος της. Τέλος, θα

μελετήσετε τη σχέση που συνδέει το σχήμα μιας κεραίας βρόχου με την

κατευθυντικότητά της.







2. Τοποθετήστε έναν ιστό κεραίας με οριζόντια στηρίγματα στη θέση εκπομπής.

Στηρίξτε την κεραία Yagi στον ιστό, με πόλωση κατά το επίπεδο-Ε και συνδέστε τη

στην έξοδο GHz1 Oscillator της γεννήτριας RF, χρησιμοποιώντας το μακρύ

καλώδιο SMA.

3. Τοποθετήστε την τετράγωνη κεραία βρόχου μήκους λ , στο σύνδεσμο βρόχων.

4. Τοποθετήστε το δεύτερο ιστό με οριζόντια στηρίγματα στον Antenna Positioner.

Τοποθετήστε την κεραία βρόχου στον ιστό. Βεβαιωθείτε ότι η κεραία είναι

ευθυγραμμισμένη με το κέντρο του Antenna Positioner και προσανατολίστε την

όπως φαίνεται στο σχήμα 7.7. Βιδώστε τον εξασθενητή dB10 στην είσοδο RF,


95

πάνω στον Antenna Positioner. Συνδέστε την κεραία στον εξασθενητή

χρησιμοποιώντας το μεσαίου μήκους καλώδιο SMA.

Σχήμα 7.7 Τοποθέτηση της κεραίας βρόχου.

5. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση m1 . Προσαρμόστε το ύψος τους ώστε να

είναι τελείως ευθυγραμμισμένες.










στη θέση ON. Στο LVDAM-ANT, προσαρμόστε το επίπεδο εξασθένησης στα dB6 .

Πρέπει να διατηρήσετε αυτό το επίπεδο εξασθένησης σε όλη τη διάρκεια των

μετρήσεων. Ξεκινήστε τη λήψη δεδομένων (acquisition) και αποθηκεύστε το


96

διάγραμμα ακτινοβολίας ως το επίπεδο-Ε σε ένα καινούργιου αρχείου

(Document1).

8. Στρέψτε την κεραία λήψης ώστε ο βρόχος να είναι κάθετος σε σχέση με την

προηγούμενη τοποθέτηση, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.8. Πραγματοποιήστε μια

λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το επίπεδο-Ε σε ένα νέο αρχείο

(Document2).

Σχήμα 7.8 Δεύτερος τρόπος τοποθέτησης της κεραίας βρόχου.

9. Αντικαταστήστε τον ιστό της κεραίας με αυτόν που έχει κατακόρυφα στηρίγματα.

Τοποθετήστε την κεραία βρόχου στον ιστό και συνδέστε τη στον Positioner με το

κοντό καλώδιο SMA, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.9. Μη μεταβάλλετε τον

προσανατολισμό της κεραίας Yagi. Ξεκινήστε τη λήψη των δεδομένων και

αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το επίπεδο-Ε ενός νέου αρχείου (Document3).

10. Συγκρίνετε τα τρία διαγράμματα. Λαμβάνοντας υπόψη τον προσανατολισμό της

κεραίας Yagi, τα πειραματικά αποτελέσματα ταυτίζονται με τα θεωρητικά

διαγράμματα ακτινοβολίας; Ποια από τις τρεις θέσεις της κεραίας βρόχου οδηγεί

στο διάγραμμα ακτινοβολίας του επιπέδου-Ε; Αιτιολογήστε την απάντηση σας.


97

Σχήμα 7.9 Τρίτος τρόπος τοποθέτησης της κεραίας βρόχου.

11. Αντικαταστήστε τον ιστό της κεραίας βρόχου με αυτόν που έχει οριζόντια

στηρίγματα και τοποθετήστε επάνω την κεραία, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.7.

Περιστρέψτε την κεραία Yagi ώστε να είναι κάθετα πολωμένη. Πραγματοποιήστε

τη λήψη του διαγράμματος του επιπέδου-Η και αποθηκεύστε το στο Document3.

12. Αφού προσανατολίσετε το μέγιστο επίπεδο σήματος (MSP) στις °0 , παρατηρήστε

τη χωρική κατανομή των διαγραμμάτων του Document3 με τη βοήθεια των

επιλογών −E H και −D3 . Αποθηκεύστε τα δεδομένα του Document3 και

εκτυπώστε τα −D2 και −D3 διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας βρόχου.

Εύρος δέσμης μισής ισχύος και κέρδος

13. Υπολογίστε το εύρος δέσμης μισής ισχύος της κεραίας βρόχου στο επίπεδο-Ε.

= °EHPBW ________

14. Αντικαταστήστε τον ιστό της κεραίας με αυτόν που έχει κάθετα στηρίγματα.

Επίσης αντικαταστήστε την κεραία βρόχου με ένα δίπολο λ 2 , και συνδέστε το

στον Positioner με το κοντό καλώδιο SMA. Περιστρέψτε την κεραία Yagi ώστε να


98

είναι οριζόντια πολωμένη. Πραγματοποιήστε τη λήψη του διαγράμματος

ακτινοβολίας και αποθηκεύστε το ως επίπεδο-Ε στο Document1,

αντικαθιστώντας το προηγούμενο.

15. Συγκρίνετε τα διαγράμματα ακτινοβολίας, στο επίπεδο-Ε, του διπόλου και του

βρόχου. Υπολογίστε το κέρδος (σε dBi ) της κεραίας βρόχου.

Σχήμα και κατευθυντικότητα

16. Τοποθετήστε μια κυκλική κεραία βρόχου στον Positioner, προσανατολισμένη

παράλληλα προς το επίπεδο-Ε, σύμφωνα με το σχήμα 7.9. Πραγματοποιήστε τη

λήψη του διαγράμματος ακτινοβολίας και αποθηκεύστε το ως το επίπεδο-Ε στο

Document1.

17. Αντικαταστήστε την κυκλική κεραία με το βρόχο σχήματος ρόμβου. Λάβετε το

διάγραμμα ακτινοβολίας του και αποθηκεύστε το ως επίπεδο-Ε στο Document2.

18. Παρατηρήστε την ομοιότητα μεταξύ των διαγραμμάτων για τις τρεις κεραίες

βρόχου διαφορετικού σχήματος. Η ομοιότητα αυτή είναι αναμενόμενη;

Αιτιολογήστε την απάντηση σας.

19. Βεβαιωθείτε ότι αποθηκεύσατε όλα τα διαγράμματα ακτινοβολίας και κλείστε το

πρόγραμμα LVDAM-ANT. Τοποθετήστε όλους τους διακόπτες στη θέση 0 (OFF),

κλείστε τον υπολογιστή και αποσυναρμολογήστε τη διάταξη τοποθετώντας όλα

τα στοιχεία στην κατάλληλη θέση αποθήκευσης.


Σε αυτή την άσκηση παρατηρήσατε τη σχέση ανάμεσα στη θέση τροφοδοσίας και την

πόλωση μιας κεραίας βρόχου. Καταγράψατε τα διαγράμματα ακτινοβολίας μιας

κεραίας μήκους λ . Υπολογίσατε το εύρος δέσμης μισής ισχύος. Συγκρίνοντας την


99

κεραία βρόχου με ένα δίπολο λ 2 , υπολογίσατε το κέρδος της. Τέλος παρατηρήσατε ότι

το σχήμα της κεραίας βρόχου δεν επηρεάζει σημαντικά την κατευθυντικότητά της.


1. Περιγράψτε την κατανομή ρεύματος σε μια κεραία βρόχου μήκους λ .

2. Θέλετε να χρησιμοποιήσετε μια κεραία βρόχου μήκους λ για να λάβετε ένα

κάθετα πολωμένο κύμα MHz28 . Περιγράψτε την κεραία και την τοποθέτησή της.

3. Χρησιμοποιείτε μια κεραία βρόχου μήκους λ με καλώδιο χαρακτηριστικής

αντίστασης 50Ω . Υπολογίστε το λόγο στασίμου κύματος ( SWR ) και το ποσοστό

της ισχύος που διαδίδεται.

4. Θέλετε να χρησιμοποιήσετε μια μικρή κεραία βρόχου για να λάβετε το σήμα του

ερωτήματος 2. Ποιο είναι το μέγιστο μήκος της κεραίας; Αιτιολογήστε την


5. Εξηγήστε γιατί η μικρή κεραία βρόχου είναι το δυικό στοιχείο του μικρού διπόλου.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΕΡΑΙΩΝ & ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ

ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ




Κοζάνη, 2009

8. Κυκλική πόλωση &

Ελικοειδείς κεραίες


Με την ολοκλήρωση της άσκησης, θα έχετε εξοικειωθεί με την κυκλική πόλωση και τα

χαρακτηριστικά των ελικοειδών κεραιών στα GHz10 .


Κυκλική πόλωση

Όσες κεραίες εξετάσαμε μέχρι τώρα είναι γραμμικά πολωμένες. Στην περίπτωση των

κεραιών ευθύγραμμου σύρματος, όπως είναι τα δίπολα και τα μονόπολα, το

δημιουργούμενο ηλεκτρικό πεδίο έχει διεύθυνση παράλληλη με το σύρμα. Για

παράδειγμα όταν εκπέμπει ένα οριζόντιο δίπολο το ηλεκτρικό πεδίο βρίσκεται στο

οριζόντιο επίπεδο και το μαγνητικό πεδίο στο κάθετο επίπεδο. Η ίδια κεραία λαμβάνει

βέλτιστα τα κύματα που το ηλεκτρικό τους πεδίο είναι στο οριζόντιο επίπεδο.

Η κεραία βρόχου είναι επίσης γραμμικά πολωμένη. Για παράδειγμα, ένας κάθετος

βρόχος πλήρους κύματος που τροφοδοτείται από κάτω συμπεριφέρεται ως ένα

οριζόντιο δίπολο και δημιουργεί ένα οριζόντια πολωμένο κύμα. Αν μετακινήσουμε την

τροφοδοσία στο πλάι, το κύμα θα είναι κάθετα πολωμένο.

Ένας ορθογωνικός κυματοδηγός μεταδίδει επίσης ένα γραμμικά πολωμένο κύμα.

Από τις μετρήσεις στα επίπεδα-Ε και Η, που κάνατε μέχρι τώρα, διαπιστώσατε ότι

η κεραία εκπομπή και η κεραία λήψης πρέπει να έχουν την ίδια πόλωση και να είναι

ευθυγραμμισμένες ώστε η λήψη του σήματος να είναι ικανοποιητική. Αν μια από τις δύο

κεραίες περιστραφεί κατά °90 , η λήψη του σήματος εξασθενεί εξαιτίας διαφορετικής


102

πόλωσης (απομόνωση πόλωσης, cross-polarization isolation). Θεωρητικά η απομόνωση

πόλωσης είναι άπειρη και δεν λαμβάνεται καθόλου σήμα, αλλά στην πράξη αυτού του

είδους η απομόνωση δεν είναι τέλεια.

Η πόλωση μιας κεραίας μπορεί επίσης να είναι ελλειπτική ή κυκλική. Η

ελλειπτική πόλωση προκύπτει από το συνδυασμό δύο διανυσμάτων ηλεκτρικής

πεδιακής έντασης (φανταστείτε δύο γραμμικά πολωμένα κύματα) που είναι κάθετα

μεταξύ τους, έχουν την ίδια συχνότητα και την ίδια διεύθυνση διάδοσης. Οι φάσεις

αυτών των δύο διανυσμάτων καθώς και το πλάτος τους μπορεί να έχουν διαφορετικές

τιμές. Εάν το πλάτος των διανυσμάτων είναι ίδιο και έχουν διαφορά φάσης °90 , τότε

προκύπτει η κυκλική πόλωση. Εάν το ένα από τα δύο διανύσματα έχει μηδενικό

πλάτος, τότε η πόλωση είναι γραμμική. Η γραμμική και η κυκλική πόλωση είναι ειδικές

περιπτώσεις της ελλειπτικής πόλωσης.

Προκειμένου να έχουμε κυκλική πόλωση, το ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να

περιστραφεί πολύ γρήγορα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να συμβεί αυτό. Ένας

τρόπος είναι να μεταδίδεται τόσο ένα κάθετα πολωμένο κύμα όσο και ένα οριζόντια

πολωμένο κύμα με καθυστέρηση φάσης °90 . Ένας άλλος τρόπος είναι να στέλνεται ένα

ηλεκτρικό κύμα κατά μήκος μια έλικας κατάλληλων διαστάσεων. Καθώς το κύμα

ταξιδεύει παράγει ένα γρήγορα περιστρεφόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτή είναι η αρχή

λειτουργίας των ελικοειδών κεραιών.

Η περιστροφή του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί να είναι είτε ωρολογιακή είτε

ανθωρολογιακή. Εάν τα δάχτυλα του δεξιού σας χεριού στρέφονται κατά τη διεύθυνση

περιστροφής με τον αντίχειρα να δείχνει κατά τη διεύθυνση διάδοσης, τότε πρόκειται

για δεξιόστροφη κυκλική πόλωση (right-hand circular polarization – RHP). Η

αντίστροφη περιστροφή οδηγεί στην αριστερόστροφη κυκλική πόλωση (left-hand

circular polarization – LHP).

Στην κυκλική πόλωση το φαινόμενο της απομόνωσης πόλωσης είναι πολύ έντονο.

Μια δεξιόστροφα πολωμένη κεραία δεν μπορεί να λάβει ένα αριστερόστροφο κύμα και

αντίστροφα. Ωστόσο κάθε κυκλικά πολωμένη κεραία μπορεί να λάβει με κάποια

εξασθένηση ένα γραμμικά πολωμένο κύμα από οποιαδήποτε διεύθυνση.

Αν και η γραμμική πόλωση είναι απόλυτα επαρκής για πολλές περιπτώσεις, η

κυκλική πόλωση είναι πολύ χρήσιμη σε κάποιους τύπους επικοινωνιών. Ένα

παράδειγμα είναι οι δορυφορικές επικοινωνίες όπου είναι δύσκολο να διατηρηθεί ο

προσανατολισμός της κεραίας. Η χρήση γραμμικά πολωμένων κεραιών θα οδηγούσε σε

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 8 – Ελικοειδείς κεραίες

103

μεγάλη εξασθένηση. Με τις κυκλικά πολωμένες κεραίες, η ισχύς του λαμβανόμενου

σήματος είναι σχεδόν σταθερή, ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό του δορυφόρου.

Ελικοειδείς κεραίες

Μια τυπική ελικοειδής κεραία αξονικού τύπου φαίνεται στο σχήμα 8.1. Ατή η κεραία

έχει σχεδιαστεί για να παράγει ένα διάγραμμα ακτινοβολίας με μορφή «pencil beam»

κατά μήκος του άξονα της κεραίας και προς την αντίθετη πλευρά του αγώγιμου

επιπέδου. Αυτές οι ελικοειδείς κεραίες είναι χρήσιμες σε διάφορες εφαρμογές. Εκτός

από το πολύ βολικό διάγραμμα ακτινοβολίας, έχουν μεγάλο εύρος συχνοτήτων και

αντίσταση εισόδου από Ω120 μέχρι Ω140 .

(α) (β)

Σχήμα 8.1 Ελικοειδής κεραία αξονικού τύπου: (α) γεωμετρία, (β) διάγραμμα ακτινοβολίας «pencil beam»

Τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν την έλικα είναι τα εξής:

N το πλήθος των σπειρών

S η απόσταση μεταξύ των σπειρών, =S C tanα

A αξονικό μήκος, =A NS

D διάμετρος της έλικας

d διάμετρος του αγωγού

C περίμετρος, =C πD

L μήκος μιας σπείρας

α γωνία κλίσης, ( )−=α tan S C1

Η κεραία θα ακτινοβολεί κατά την αξονική διεύθυνση όταν η περίμετρος της μιας

σπείρας είναι της τάξης μεγέθους του ενός μήκους κύματος. Ένα αρκετά μεγάλο εύρος

συχνοτήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Το εύρος αυτό αντιστοιχεί σε


104

< <λ C λ3 4

4 3. (8.1)

Το ημιτονοειδές κύμα ταξιδεύει κατά μήκος της έλικας, προς την αντίθετη πλευρά

του αγώγιμου επιπέδου. Για το λόγο αυτό η ελικοειδής κεραία ονομάζεται κεραία

οδεύοντος κύματος. Για να γίνει αντιληπτή η λειτουργία της ελικοειδούς κεραίας,

θεωρήστε ένα βρόχο της έλικας, περιμέτρου λ , όπως αυτή που φαίνεται στο σχήμα 8.2.

Σχήμα 8.2 Βρόχος ελικοειδούς κεραίας =C λ .

Μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή t1

, το ρεύμα είναι θετικό στη μια πλευρά του

βρόχου και αρνητικό στην αντίθετη πλευρά, εφόσον η περίμετρος της κεραίας είναι λ .

Αυτό φαίνεται στο σχήμα από το γεγονός ότι τα βέλη +I και −I δείχνουν προς την ίδια

γεωμετρική διεύθυνση. Αυτό δημιουργεί ένα είδος διπόλου.

Μια χρονική στιγμή μετά, την t2

, το ρεύμα έχει ταξιδέψει μια μικρή απόσταση

στην έλικα. Το δίπολο τώρα έχει περιστραφεί ελαφρώς. Το δίπολο περιστρέφεται με τη

συχνότητα του διαδιδόμενου σήματος.

Είναι λογικό να υποθέσει κανείς ότι εάν τα πεδία σε κάθε σπείρα της έλικας είναι

σε φάση και προστίθενται, θα καταλήξουν σε ένα ισχυρό διάγραμμα ακτινοβολίας και

προς τις δύο πλευρές του άξονα της έλικας, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.3. Ωστόσο αυτό

δε συμβαίνει. Η καθυστέρηση στη διάδοση κατά μήκος της έλικας προκαλεί διαφορές

φάσης που μεταβάλλουν το διάγραμμα ακτινοβολίας, δημιουργώντας ένα λοβό κατά

μήκος του άξονα αντί για δύο, όπως στο σχήμα 8.1(β). Η ελικοειδής κεραία μπορεί αν


105

θεωρηθεί ως ακροπυροδοτική κεραία που, εξαιτίας της θέσης των στοιχείων της και της

φάσης των ρευμάτων, έχει μόνο ένα λοβό κατά την πλευρά ακτινοβολίας.

Σχήμα 8.3 Διάγραμμα ακτινοβολίας «fan beam».

Η φορά περιτύλιξης της κεραίας καθορίζει τη φορά της πόλωσης. Κοιτώντας την

έλικα από την πλευρά του αγώγιμου επιπέδου, η ωρολογιακή περιτύλιξη δημιουργεί

δεξιόστροφη κυκλική πόλωση, ενώ ανθωρολογιακή περιτύλιξη παράγει

αριστερόστροφη πόλωση.

Αξονικός λόγος και κέρδος

Κατά τη λήψη ενός κυκλικά πολωμένου κύματος, η απόκριση μιας ελικοειδούς κεραίας

παραμένει στην ιδανική περίπτωση σταθερή καθώς η ηλεκτρική πεδιακή ένταση

περιστρέφεται. Για να το αντιληφθείτε, φανταστείτε μια γραμμικά πολωμένη κεραία,

όπως το δίπολο, για εκπομπή και μια ελικοειδή για λήψη. Η πόλωση του εκπεμπόμενου

σήματος μπορεί να μεταβληθεί περιστρέφοντας το δίπολο κατά κάποια γωνία. Μια

ιδανική ελικοειδής κεραία θα παρουσίαζε την ίδια απόκριση για όλους τους

προσανατολισμούς του διπόλου. Ωστόσο, επειδή η έλικα είναι πεπερασμένου μήκους

υπάρχει μια ελαφριά ασυμμετρία. Συνεπώς αποκρίνεται λίγο καλύτερα σε κάποιες

πολώσεις από ότι σε κάποιες άλλες.

Το μέτρο απόκρισης τις έλικας σε διαφορετικές πολώσεις είναι ο αξονικός λόγος

(axial ratio), επίσης γνωστός ως κυκλικότητα (circularity). Ορίζεται ως ο λόγος του

πλάτους με πόλωση εκείνη που δίνει τη μέγιστη απόκριση σήματος προς το πλάτος με

πόλωση εκείνη που δίνει την ελάχιστη απόκριση. Μια κεραία που αποκρίνεται σε όλες

τις πολώσεις το ίδιο έχει αξονικό λόγο .10 (ή dB0 ).

Ο αξονικός λόγος δίνεται από τη σχέση

+

=N

ARN

2 1

2 (8.2)

όπου N είναι το πλήθος των σπειρών της έλικας.


106

Ο αξονικός λόγος μπορεί να μετρηθεί με τη μετάδοση σήματος μεταξύ μιας

γραμμικά πολωμένης κεραίας και μιας ελικοειδούς. Στρέφοντας τη μια από τις δύο

κεραίες και μετρώντας το μέγιστο και το ελάχιστο πλάτος σήματος, ο αξονικός λόγος

προκύπτει αμέσως ως ο λόγος αυτών των δύο τιμών.

Ιδανικά, μια ελικοειδής κεραία έχει αξονικό λόγο μεταξύ 1 και .11 (0 και . dB083 ).

Για να προκύψουν τέτοιες τιμές όμως το ανοιχτό άκρο τις έλικα πρέπει να καλυφθεί.

Στην πράξη, για έλικα σταθερής διαμέτρου, οι συνηθισμένες τιμές του αξονικού λόγου

είναι περίπου .112 ( dB1 ).

Το κέρδος της ελικοειδούς κεραίας εκφράζεται από την παρακάτω εμπειρική

σχέση

( ) ( ) ( ) + − ° =

ΝΝ . tan .πD ΝSG .

λ λ tanα

1 21 2 21 1 08125

83 (8.3)

Κανονική μορφή ακτινοβολίας

Είναι δυνατό να κατασκευαστεί μια ελικοειδής κεραία με εντελώς διαφορετικό

διάγραμμα ακτινοβολίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.4. Αυτή η ελικοειδής κεραίας

λειτουργεί σε κανονική μορφή ακτινοβολίας, δηλαδή η διεύθυνση της μέγιστης

ακτινοβολίας είναι κανονική (κάθετη) στον άξονα της κεραίας.

(α) (β)

Σχήμα 8.4 Κανονικού τύπου ελικοειδής κεραίας: (α) γεωμετρία, (β) διάγραμμα ακτινοβολίας.


107

Για λειτουργία κανονικού τύπου, η περίμετρος της έλικας πρέπει να είναι μικρή σε

σύγκριση με το μήκος κύματος. Με αυτό τον τρόπο η κατανομή του ρεύματος είναι

σχεδόν ομοιόμορφη σε πλάτος και φάση κατά μήκος της έλικας. Αυτού του τύπου οι

κεραίες είναι ηλεκτρικά μικρές και έχουν χαμηλή απόδοση.

Radomes

Οι ελικοειδής κεραία του εργαστηρίου προστατεύεται από radome. Τα radomes, ή

radar domes (θόλοι radar), είναι προστατευτικά καλύμματα για χιλοστομετρικές ή

μικροκυματικές κεραίες. Έχουν τέτοιο σχήμα ώστε να καλύπτουν την κεραία και

συνήθως είναι φτιαγμένα από διηλεκτρικά υλικά με χαμηλές απώλειες και πάχος πολύ

μικρότερο από το μήκος κύματος.

Εξαιτίας των ανακλάσεων και των απωλειών τα radome μεταβάλλουν τα

ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των κεραιών που καλύπτουν. Αυτές οι αλλαγές συνήθως

καταλήγουν σε κάποιες παραμορφώσεις στο διάγραμμα ακτινοβολίας. Το κέρδος, το

εύρος δέσμης, το επίπεδο των πλευρικών λοβών και η πόλωση είναι κάποια από τα

χαρακτηριστικά που μπορεί να αλλοιωθούν. Στην περίπτωση των ελικοειδών κεραιών

του εργαστηρίου, η παρουσία του radome μειώνει ελαφρώς το εύρος δέσμης μισής

ισχύος και αυξάνει το επίπεδο των πλευρικών λοβών.


Σε αυτή την άσκηση θα μάθετε τις διαφορές μεταξύ μιας δεξιόστροφα (RHP) και μιας

αριστερόστροφα (LHP) πολωμένης ελικοειδούς κεραίας. Θα σχεδιάσετε τα

διαγράμματα ακτινοβολίας αυτών των δύο κεριών και θα υπολογίσετε το εύρος δέσμης

μισής ισχύος. Θα μετρήσετε το κέρδος της έλικας και θα συγκρίνετε τα αποτελέσματα

σας με τις θεωρητικέ τιμές. Τέλος θα υπολογίσετε τον αξονικό λόγο, ή αλλιώς την

κυκλικότητα, της ελικοειδούς κεραίας.








108



ομοαξονικό. Χρησιμοποιώντας τον πλαστικό συνδετήρα, τοποθετήστε τη

χοανοκεραία στον ιστό, οριζόντια πολωμένη. Τοποθετήστε το μακρύ καλώδιο

SMA στην έξοδο GHz10 OSCILLATOR OUTPUT στη γεννήτρια RF και συνδέστε την

κεραία.

3. Τοποθετήστε τον άλλο ιστό κεραίας με δακτύλιο στήριξης στο στήριγμα

ολίσθησης του Antenna Positioner. Συνδέστε μια μικρή χοανοκεραία στον ιστό με

προσανατολισμό για λήψη στο επίπεδο-Ε. Βεβαιωθείτε ότι βρίσκεται στην ευθεία

με το κέντρο περιστροφής του Antenna Positioner.

Χρησιμοποιώντας το μεσαίου μήκους καλώδιο SMA συνδέστε την κεραία λήψης


4. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση =r . m15 . Ρυθμίστε τις έτσι ώστε να

βρίσκονται στο ίδιο ύψος και να είναι αντικριστά η μία στην άλλη.










ΠΡΟΣΟΧΗ!



7. Με τον έλεγχο εξασθένησης βελτιστοποιήστε τη λήψη του σήματος. Αρχίστε την

πρώτη λήψη.


109

Αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο (Document1).

Προσανατολίστε το διάγραμμα έτσι ώστε το μέγιστο πλάτος σήματος (MSP) να

είναι στις °0 .

8. Απομακρύνετε την κεραία λήψης. Αντικαταστήστε τον ιστό με αυτό που έχει

οριζόντια στηρίγματα. Στερεώστε στον ιστό τη μία από τις δύο RHP ελικοειδής

κεραίες. Βεβαιωθείτε ότι η κεραία βρίσκεται στην ίδια ευθεία με το κέντρο του

Antenna Positioner και είναι προσανατολισμένη όπως φαίνεται στο σχήμα 8.5.

Σχήμα 8.5 Τοποθέτηση της RHP ελικοειδούς κεραίας.

Συνδέστε την κεραία λήψης στην είσοδο RF στην επάνω πλευρά του Antenna

Positioner.

9. Βεβαιωθείτε ότι οι κεραίες βρίσκονται σε απόσταση . m15 , όπως φαίνεται στο

σχήμα 8.6.

10. Διατηρήστε το επίπεδο εξασθένησης ίδιο με αυτό της χοανοκεραίας και

πραγματοποιήστε μια λήψη. Αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας ως το

επίπεδο-Ε σε ένα νέο αρχείο (Document2) και προσανατολίστε το έτσι ώστε το

MSP να είναι στις °0 .


110


11. Περιστρέψτε τη χοανοκεραία εκπομπής κατά °90 έτσι ώστε να είναι

προσανατολισμένη για λήψη στο επίπεδο-Η.

Μη μεταβάλλετε το επίπεδο εξασθένησης. Πραγματοποιήστε άλλη μια λήψη.

Αποθηκεύστε το νέο διάγραμμα ως το επίπεδο-Η στο Document2 και ρυθμίστε το

MSP στις °0 .

12. Συγκρίνετε τα επίπεδα-Ε και Η του Document2. Παρατηρείτε σημαντική διαφορά

στο μέγιστο πλάτος; Λαμβάνοντας υπόψη ότι η κεραία λήψης δεν έχει

περιστραφεί ώστε να γίνει λήψη στο επίπεδο-Η, εξηγήστε το αποτέλεσμα.

13. Απομακρύνετε την κεραία λήψης και αντικαταστήστε τη με μια LHP ελικοειδή

κεραία. Ακολουθώντας τα παραπάνω βήματα, ετοιμάστε τη διάταξη και

πραγματοποιήστε τη λήψη των διαγραμμάτων ακτινοβολίας στα επίπεδα-Ε και Η

αυτής της κεραίας. Διατηρήστε το επίπεδο εξασθένησης της RHP έλικας.

Αποθηκεύστε αυτά τα διαγράμματα σε ένα νέο αρχείο (Document3).

14. Τυπώστε τις −D3 αναπαραστάσεις των κεραιών RHP και LHP. Παρατηρήστε την

ομοιότητα των διαγραμμάτων ακτινοβολίας των δύο κεραιών.

HPBW και κέρδος ελικοειδούς κεραίας

15. Υπολογίστε το εύρος δέσμης μισής ισχύος της ελικοειδούς κεραίας

RHP έλικα: = ° = °E HHPBW ________ HPBW ________

LHP έλικα: = ° = °E HHPBW ________ HPBW ________


111

16. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω εξίσωση για να υπολογίσετε το κέρδος της

ελικοειδούς κεραίας με τις παρακάτω διαστάσεις

( ) ( ) ( ) + − ° =

ΝΝ . tan .πD ΝSG .

λ λ tanα

1 21 2 21 1 08125

83

=G ________

( ) = =G dB logG ________dB10

17. Χρησιμοποιώντας τη μικρή χοάνη ως αναφορά, μετρήστε το κέρδος των

ελικοειδών κεραιών.

−επίπεδο ΕMSL της RHP έλικας: =RHPP ________dB

−επίπεδο ΕMSL της LHP έλικας: =LHPP ________dB

−επίπεδο ΕMSL της χοάνης : RefP ________dB=

Με αναφορά την άσκηση 3, ώστε να υπολογίσετε το κέρδος της χοάνης,

υπολογίστε το κέρδος των ελικοειδών κεραιών.

Σημείωση: Όταν μια γραμμικά πολωμένη κεραία χρησιμοποιείται για τη

λήψη ενός κυκλικά πολωμένου σήματος (ή αντίστροφα) ένα μέρος του

σήματος δεν λαμβάνεται. Η μισή ισχύς χάνεται. Συνεπώς για να υπολογιστεί

το πραγματικό κέρδος μια ς ελικοειδούς κεραίας με αυτό τον τρόπο, πρέπει

να προστεθούν dB3 στο αποτέλεσμα.

= + − + =RHP RHP Ref RefG P G P dB ________dB3

= + − + =LHP LHP Ref RefG P G P dB ________dB3

Σημείωση: Αυτή η μέτρηση θα μπορούσε να γίνει και με τις τιμές του

επιπέδου-Η.

Κυκλικότητα και αξονικός λόγος

18. Αφαιρέστε τις δύο κεραίες. Αντικαταστήστε τον ιστό εκπομπής με έναν που έχει

οριζόντια στηρίγματα και τοποθετήστε την RHP έλικα σε αυτόν. Τοποθετήστε την

άλλη RHP ελικοειδή κεραία στον ιστό λήψης. Τοποθετήστε τις δύο κεραίες σε


112

απόσταση m1 , αντικριστά η μία στην άλλη. Βελτιώστε το επίπεδο εξασθένησης

και πραγματοποιήστε μια λήψη. Αντικαταστήστε το διάγραμμα ακτινοβολίας στο

επίπεδο-Ε του Document1 με το νέο διάγραμμα.

Αντικαταστήστε την κεραία εκπομπής με την LHP ελικοειδή κεραία και

πραγματοποιήστε μια λήψη. Αποθηκεύστε αυτό το αρχείο ως το επίπεδο-Η του

Document1.

19. Συγκρίνετε τα δύο διαγράμματα του Document1. Αναμένατε αυτά τα

αποτελέσματα; Εξηγήστε την απάντηση σας.

20. Μια σημαντική παράμετρος των ελικοειδών κεραιών είναι η κυκλικότητα της

πόλωσης τους. Αυτή η παράμετρος είναι γνωστής ως αξονικός λόγος.

Χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση, υπολογίστε το θεωρητικό αξονικό λόγο

των ελικοειδών κεραιών.

+

=N

ARN

2 1

2

όπου N είναι το πλήθος των σπειρών της έλικας.

=AR ________

( ) ( )= =AR dB log AR ________dB20

21. Ένας τρόπος να μετρηθεί ο αξονικός λόγος μιας ελικοειδούς κεραίας είναι να

περιστραφεί μια γραμμικά πολωμένη κεραία κατά °360 σε επίπεδο κάθετο προς

τον άξονα της έλικας εκπομπής όπως φαίνεται στο σχήμα 8.7. Ο λόγος του

μέγιστου προς το ελάχιστο λαμβανόμενο σήμα είναι ο αξονικός λόγος. Μια

σύντομη μορφή αυτής της μετρητικής μεθόδου χρησιμοποιείται στα επόμενα

βήματα.

22. Αντικαταστήστε την κεραία λήψης και τον ιστό με τα οριζόντια στηρίγματα.

Τοποθετήστε έναν ιστό με δακτύλιο στερέωσης στο στήριγμα ολίσθησης και

βάλτε μια μεγάλη χοανοκεραία σε αυτό τον ιστό. Βεβαιωθείτε ότι η κεραία


113

εκπομπής και η κεραία λήψης είναι αντικριστά η μία στην άλλη. Ρυθμίστε το

επίπεδο σήματος περίπου dB5 κάτω από το επίπεδο κόρου και σημειώστε την

ακριβή τιμή αυτού του σήματος ( Signal1

).

Περιστρέψτε τη χοανοκεραία κατά °90 , σαν να πρόκειται να γίνει λήψη στο άλλο

επίπεδο. Βεβαιωθείτε ότι οι δύο κεραίες είναι και πάλι αντικριστά η μία στην άλλη.

Μη μεταβάλλεται το επίπεδο εξασθένησης. Σημειώστε το λαμβανόμενο σήμα

( Signal2

).

: :Signal ________dB Signal ________dB1 2

Σχήμα 8.7 Περιστροφή της γραμμικά πολωμένης κεραίας σε επίπεδο κάθετο στον άξονα της έλικας

23. Χρησιμοποιώντας την κεντρική γραμμή του radome ως αναφορά, περιστρέψτε

την έλικα κατά °45 , όπως φαίνεται στο σχήμα 8.8, διατηρώντας τη στοίχιση με

την κεραία λήψης.

Σχήμα 8.8 Περιστροφή της έλικας κατά °45 .

Μη μεταβάλλεται το επίπεδο εξασθένησης. Σημειώστε το σήμα που λαμβάνεται σε

αυτό το επίπεδο και μετά, αφού περιστρέψετε τη χοανοκεραία κατά °90 ,

σημειώστε το σήμα που λαμβάνεται στο άλλο επίπεδο.

: :Signal ________dB Signal ________dB3 4

24. Λαμβάνοντας τη μεγαλύτερη από αυτές τις τιμές ως το μέγιστο και τη χαμηλότερη

ως το ελάχιστο, υπολογίστε τον αξονικό λόγο της ελικοειδούς κεραίας.


114

( ) ( )−=maxmax min

min

SignalSignal dB Signal dB

Signal

− =________ ________ ________dB





Σε αυτή την άσκηση, παρατηρήσατε ότι το κέρδος μιας ελικοειδούς κεραίας είναι

παρόμοιο στα επίπεδα-Ε και Η λόγω της κυκλικότητας της πόλωσης. Χρησιμοποιώντας

την επιλογή −D3 είδατε την αναπαράσταση στο χώρο του διαγράμματος ακτινοβολίας

αυτών των κεραιών. Χρησιμοποιώντας τη μικρή χοανοκεραία ως αναφορά, μετρήσατε

το κέρδος της RHP και LHP έλικας. Τέλος τα αποτελέσματα του πειράματος με τις

διαφορετικές πολώσεις και ο μετρούμενος αξονικός λόγος σας επιτρέπει να εκτιμήσετε

την απόδοση της κυκλικότητας της πόλωσης της ελικοειδούς κεραίας.


1. Ορίστε την κυκλική πόλωση.

2. Ποια είναι η σχέση μεταξύ της ελλειπτικής, γραμμικής και κυκλικής πόλωσης;

3. Μπορεί μια έλικα με 4 σπείρες να θεωρηθεί καλή κεραία λήψης διαφορετικών

γραμμικών πολώσεων; Εξηγήστε την απάντηση σας.


115

4. Εξηγήστε τη βασική διαφορά ανάμεσα στην ελικοειδή κεραία κανονικού και

αξονικού τύπου.

5. Ποιο είναι ο σκοπός ενός radome; Επηρεάζει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της

κεραίας;





Κοζάνη, 2009

9. Στοιχειοκεραίες Yagi-Uda


Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας των

γραμμικών στοιχειοκεραιών Yagi-Uda. Το βασικό σχήμα μίας τέτοιας κεραίας φαίνεται


Σχήμα 9.1 Στοιχειοκεραία Yagi-Uda με 6 στοιχεία.

Η κεραία Yagi-Uda αποτελείται από τα εξής στοιχεία:

• το ενεργό ή οδηγούμενο στοιχείο (driven element) το οποίο τροφοδοτείται

με τάση. Πρόκειται συνήθως για ένα γραμμικό δίπολο λ 2 ή μπορεί να είναι ένα

αναδιπλωμένο δίπολο λ 2 .

• τον ανακλαστήρα (reflector), που είναι συνήθως ένα δίπολο με παρόμοιο

μέγεθος με το ενεργό και πίσω από αυτό. Στόχος του στοιχείου αυτού είναι να

αντανακλά ενέργεια προς την κατεύθυνση του ενεργού στοιχείου.


118

• τους κατευθυντήρες (directors) που βρίσκονται μπροστά από το ενεργό

δίπολο και στόχος τους είναι να κατευθύνουν τον λοβό ακτινοβολίας προς την

πλευρά του και να κάνουν έτσι την κεραία πιο κατευθυντική.

Ο ανακλαστήρας είναι συνήθως 5% μεγαλύτερος από το ενεργό δίπολο και

βρίσκεται σε απόσταση −. λ . λ015 020 από αυτόν. Οι κατευθυντήρες είναι ελαφρώς

μικρότεροι από το ενεργό δίπολο και η απόσταση μεταξύ τους αλλά και το μέγεθος τους

μικραίνουν όσο απομακρύνονται από το οδηγούμενο στοιχείο.

Το ενεργό δίπολο τροφοδοτείται από τάση και προκαλεί με το φαινόμενο της

αμοιβαίας επαγωγής ηλεκτρικό ρεύμα στα παρασιτικά στοιχεία. Σκοπός είναι τα

παρασιτικά στοιχεία να έχουν πλάτος ρεύματος παρόμοιο με του ενεργού διαφορά

φάσης °180 .

Πλήθος στοιχείων

Κέρδος

3 8.7

4 9.9

5 10.5

6 11.1

Σχήμα 9.2 Κέρδος συναρτήσει του πλήθους των στοιχείων.

Προσομοιώσεις στον υπολογιστή δείχνουν ότι η αύξηση του μήκους του

ανακλαστήρα και η μείωση του μήκους των κατευθυντήρων αλλάζει την

κατευθυντικότητα της κεραίας. Επίσης όσο αυξάνει το πλήθος των κατευθυντήρων,

μίας κεραίας Yagi-Uda, τόσο μεγαλώνει η κατευθυντικότητά της. Ωστόσο υπάρχει ένας

αριθμός και πάνω που δεν επηρεάζει το φαινόμενο αυτό. Ο λόγος είναι ότι όσο πιο

μακριά είναι ένα στοιχείο από το ενεργό δίπολο τόσο μικρότερο είναι και το επαγόμενο

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 9 – Κεραίες Yagi-Uda

119

ρεύμα πάνω του άρα και τόσο μικρότερη η επίδραση στην ενίσχυση της κεραίας. Ένα

τυπικό παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα 9.2

Η αντίσταση εισόδου μίας κεραίας Yagi-Uda εξαρτάται τόσο από την αντίσταση

του οδηγούμενου στοιχείου όσο και από τα παρασιτικά στοιχεία. Όσο αλλάζουν οι

αποστάσεις των στοιχείων και τα μήκη τους, επηρεάζεται η αντίσταση εισόδου της

κεραίας και ενδεικτικές τιμές είναι από − Ω25 100 . Μία τυπική τιμή αντίστασης εισόδου

κεραίας Yagi-Uda είναι Ω25 .

Η βελτιστοποίηση τέτοιων κεραιών γίνεται με την βοήθεια υπολογιστικών

αλγορίθμων διότι δεν υπάρχει αναλυτική μέθοδος για τον υπολογισμό των

χαρακτηριστικών της.







Σχήμα 9.3 Κεραία Yagi με οριζόντια πόλωση.


της κεραίας να είναι οριζόντια, όπως φαίνεται στο σχήμα 9.3. Εγκαταστήστε το

μακρύ καλώδιο SMA στην έξοδο GHz1 OSCILLATOR της γεννήτριας RF και

συνδέστε το στην κεραία Yagi.


120

3. Φτιάξτε μίας κεραία λ 2 και χρησιμοποιώντας τον προσαρμογέα °90

τοποθετήστε την πάνω στο αλουμινένιο στήριγμα. Τοποθετήστε τον ιστό με

οριζόντια στηρίγματα πάνω στον Antenna Positioner όπως δείχνει το Σχήμα 9.4.

Βιδώστε τον εξασθενητή 10dB στο καλώδιο του Antenna Positioner.

Σχήμα 9.4 Δίπολο πάνω στο αλουμινένιο στήριγμα.

4. Τοποθετείστε συνευθειακά την κεραία εκπομπής Yagi και το δέκτη λ 2 σε

απόσταση =r . m15 .











διάγραμμα ακτινοβολίας δημιουργώντας ένα επίπεδο σήματος dB13 κάτω από το

σημείο κορεσμού. Αποθηκεύστε το πρώτο διάγραμμα ακτινοβολίας ως E-Plane

στο Document1


121

7. Αποθηκεύστε το διάγραμμα στο antenna1 data box για να το χρησιμοποιείστε σαν

αναφορά για τις επόμενες μετρήσεις.

8. Χρησιμοποιείστε το σύρμα με μήκος mm178 ως ανακλαστήρα στο δέκτη και

τοποθετήστε το σε απόσταση = −A . λ . λ015 025 από το ενεργό δίπολο λ 2 όπως

δείχνει το σχήμα 9.5. Μετρήστε το διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε και

αποθηκεύστε το ως Document2.

Σχήμα 9.5 Κεραία με τον ανακλαστήρα.

9. Αφαιρέστε τον ανακλαστήρα και τοποθετήστε έναν κατευθυντήρα μήκους

146mm σε απόσταση = −A . λ . λ015 025 , μπροστά από το δίπολο λ 2 . Κάντε

μέτρηση και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σαν H-Plane (αν και

πρόκειται για επίπεδο-Ε) στο Document2.

10. Για να κατανοήσετε το ρόλο του ανακλαστήρα και του κατευθυντήρα συγκρίνεται

τα δύο διαγράμματα μεταξύ τους αλλά και με αυτό που αποθηκεύσατε για το

δίπολο λ 2 στο πρώτο data box. Τι συμπεράσματα προκύπτουν;

11. Τώρα κατασκευάστε μία κεραία Yagi-Uda με 3 στοιχεία. Το σύρμα μήκους mm178

θα τοποθετηθεί ως ανακλαστήρας πίσω από το ενεργό δίπολο λ 2 και το σύρμα

μήκους mm146 ως κατευθυντήρας μπροστά από το λ 2 . Η απόσταση μεταξύ των


122

στοιχείων πρέπει να είναι . λ015 . Μετρήστε το διάγραμμα ακτινοβολίας και

αποθηκεύστε το σαν Ε-Plane στο Document3.

12. Για να βελτιώσετε την απόδοση της κεραίας κάντε τις παρακάτω ρυθμίσεις,

σύμφωνα με το σχήμα 9.6:

• μήκος στοιχείων: 178 154 146A mm,B mm,C mm= = =

• απόσταση στοιχείων: 1 87 2 61mm, mm= =

Σχήμα 9.6 Στοιχειοκεραία Yagi-Uda.

Πραγματοποιήστε μία μέτρηση και αποθηκεύστε το διάγραμμα σαν H-Plane στο

Document3 (αν και πάλι πρόκειται για επίπεδο-Ε). Παρατηρείστε τις διαφορές

μεταξύ των διαγραμμάτων που πήρατε πριν και μετά τη διόρθωση της απόστασης

μεταξύ των στοιχείων.

13. Σημειώστε στον παρακάτω πίνακα το κέρδος, σε dBd (αναφερόμενοι στο

διάγραμμα ακτινοβολίας του διπόλου λ 2 ) και σε dBi , το EHPBW και το front to

back ratio ( FB ) της κεραίας Yagi με πλήθος στοιχείων =N 3 .

14. Τώρα κατασκευάστε μία κεραία Yagi με =N 4 στοιχεία, με τις εξής παραμέτρους,

ως προς το σχήμα 9.6:

• = = = =A mm,B mm,C mm,D mm178 154 146 144

• = = =mm, mm, mm1 88 2 66 3 85

Πραγματοποιείστε μία μέτρηση και αποθηκεύστε την ως E-Plane στο Document4.

Επαναλάβετε το βήμα 13 για την κεραία με τα 4 στοιχεία


123

N Κέρδος (dBd) Κέρδος (dbi) HPBWE (°°°°) FB (dB)

3

4

5

6

15. Τώρα κατασκευάστε μία κεραία Yagi 5 στοιχείων με τις εξής παραμέτρους:

• = = = = =A mm,B mm,C mm,D mm,E mm178 154 146 144 142

• = = = =mm, mm, mm, mm1 94 2 75 3 100 4 108

Πραγματοποιείστε μία μέτρηση και αποθηκεύστε την ως Η-Plane στο Document4.


16. Τέλος κατασκευάστε μία κεραία Yagi 6 στοιχείων με τις εξής παραμέτρους:

• = = = = = =A mm,B mm,C mm,D mm,E mm,F mm178 154 146 144 142 140

• = = = = =mm, mm, mm, mm, mm1 66 2 70 3 105 4 110 5 120

Πραγματοποιείστε μία μέτρηση και αποθηκεύστε την ως Ε-Plane στο Document5.


17. Εκτυπώστε στο ίδιο χαρτί τα 2D διαγράμματα στο επίπεδο-Ε των κεραιών Yagi-

Uda 3, 4, 5 και 6 στοιχείων. Σχολιάστε την ενίσχυση που παρατηρείται σε σχέση με

το πλήθος των στοιχείων και τη διαμόρφωση της κεραίας.

18. Περιστρέψτε το δέκτη και τον πομπό και μετρήστε το διάγραμμα στο επίπεδο-Η

για την κεραία με τα 6 στοιχεία. Αποθηκεύστε το ως επίπεδο-Η στο Document5.

19. Προσανατολίστε το MSP της κεραίας με τα 6 στοιχεία στο °0 και παρατηρείστε το

διάγραμμα χρησιμοποιώντας τη λειτουργία Ε-Η 3D.


124

20. Βεβαιωθείτε ότι έχετε αποθηκεύσει τα διαγράμματα ακτινοβολίας και κλείστε

τους διακόπτες.


Στην άσκηση αυτή διαπιστώσατε το ρόλο του ανακλαστήρα και του κατευθυντήρα σε

μία στοιχειοκεραία Yagi-Uda. Είδατε τα διαγράμματα ακτινοβολίας των κεραιών και

παρατηρήσατε την αύξηση του κέρδους καθώς αυξάνει το πλήθος των στοιχείων της

κεραίας. Τέλος μετρήσατε το κέρδος σε dBd και τα HPBW και front to back ratio.


1. Εξηγείστε την σχέση μεταξύ του αναδιπλωμένου διπόλου, της κεραίας βρόχου, της

ελικοειδούς κεραίας και της κεραίας Yagi-Uda.

2. Πως διαφέρει η κεραία Yagi από τις 3 κεραίες που αναφέρονται στο παραπάνω

ερώτημα;

3. Εξηγήστε το ρόλο κάθε στοιχείου της κεραίας Yagi.

4. Περιγράψτε τη σχέση μεταξύ του πλήθους των στοιχείων και του κέρδους.

5. Γιατί το κέρδος δεν αυξάνει συνεχώς καθώς αυξάνει το πλήθος των στοιχείων;





Κοζάνη, 2009

10. Στοιχειοκεραίες: Κεραία

σχισμών


Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα έχετε εξοικειωθεί με τα βασικά χαρακτηριστικά

των στοιχειοκεραιών και έναν τύπο στοιχειοκεραίας που ονομάζεται κεραία σχισμών.


Στοιχειοκεραίες

Ένα πλήθος κεραιών τοποθετημένες στο χώρο και συνδεδεμένες μεταξύ τους

αποκαλείται στοιχειοκεραία. Μια στοιχειοκεραία από μικρές κεραίες, που

αποκαλούνται στοιχεία, μπορεί να έχει απόδοση παρόμοια με μια μεγάλη κεραία, αλλά

χωρίς τα μηχανικά προβλήματα που σχετίζονται με τις μεγάλες κεραίες.

Υπάρχουν πλεονεκτήματα από τη χρήση στοιχειοκεραιών. Χρησιμοποιώντας

αρκετά ίδια στοιχεία αντί για ένα, το κέρδος και η κατευθυντικότητα μπορούν να

αυξηθούν. Ρυθμίζοντας το πλάτος και τη φάση του σήματος τροφοδοσίας κάθε

στοιχείου, το διάγραμμα ακτινοβολίας μπορεί να διαμορφωθεί σύμφωνα με τις ανάγκες

της εκάστοτε εφαρμογής, ενώ μεταβάλλοντας στο χρόνο τη φάση, το διάγραμμα

ακτινοβολίας μπορεί να περιστραφεί στο χώρο. Αυτή η περίπτωση στοιχειοκεραίας

ονομάζεται φασική στοιχειοκεραία.

Οι φασικές στοιχειοκεραίες έχουν πολλές εφαρμογές, ιδιαίτερα στα radar. Σε

αυτές χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικά κυκλώματα, ελεγχόμενα από υπολογιστές, για τη

ρύθμιση της φάσης. Με αυτό τον τρόπο η στροφή του διαγράμματος ακτινοβολίας προς

κάθε κατεύθυνση είναι πολύ εύκολη.


126

Τα στοιχεία μια στοιχειοκεραίας μπορούν να διαταχθούν με πολλούς τρόπους. Μια

γραμμική στοιχειοκεραία αποτελείται από στοιχεία που τα κέντρα τους βρίσκονται

πάνω σε μια ευθεία γραμμή και η απόσταση μεταξύ τους είναι είτε ίση είτε διαφορετική.

Μια επιφανειακή στοιχειοκεραία είναι μια διδιάστατη διάταξη στοιχείων που είναι

τοποθετημένα πάνω σε ένα επίπεδο. Αυτές οι στοιχειοκεραίες μπορεί να είναι

ορθογωνικές ή κυκλικές, ανάλογα με το σχήμα της περιοχής όπου είναι διαταγμένα τα

στοιχεία. Όταν οι θέσεις των στοιχείων προσαρμόζονται σε μια μη επίπεδη επιφάνεια,

όπως η μύτη ενός πυραύλου ή αεροσκάφους, η στοιχειοκεραία ονομάζεται

προσαρμοστική στοιχειοκεραία.

Αν η διεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας είναι κάθετη ή σχεδόν κάθετη στη

γραμμή (ή το επίπεδο) της στοιχειοκεραίας, τότε ονομάζεται ευρύπλευρη

στοιχειοκεραία. Εάν η μέγιστη ακτινοβολία είναι παράλληλη προς τη στοιχειοκεραία,

τότε ονομάζεται ακροπυροδοτική στοιχειοκεραία.

Παράγοντας κεραίας

Το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας στοιχειοκεραίας καθορίζεται από ένα πλήθος

διαφορετικών παραγόντων. Ορισμένοι παράγοντες, όπως ο τύπος των στοιχειών και ο

προσανατολισμός τους μέσα στη στοιχειοκεραία, αφορούν τα μεμονωμένα στοιχεία,

δηλαδή επηρεάζουν το διάγραμμα ακτινοβολίας κάθε στοιχείου.

Ένα άλλος παράγοντας είναι η ίδια η διάταξη της στοιχειοκεραίας, δηλαδή το

πλήθος των στοιχείων, η θέση τους και το πλάτος και η φάση των ρευμάτων

τροφοδοσίας.

Για να απλοποιηθεί η θεωρητική ανάλυση μια στοιχειοκεραίας, το πρώτο βήμα

είναι να αγνοηθούν τα διαγράμματα ακτινοβολίας των μεμονωμένων στοιχείων και να

θεωρηθούν μόνο οι επιδράσεις της διάταξης της στοιχειοκεραίας. Αυτό μπορεί να γίνει

θεωρώντας μια στοιχειοκεραία με την ίδια διάταξη με την υπό εξέταση κεραία, αλλά με

στοιχεία ισοτροπικές σημειακές πηγές. Το διάγραμμα ακτινοβολίας που παράγεται από

αυτή τη στοιχειοκεραία ισοτροπικών σημειακών πηγών ονομάζεται παράγοντας

στοιχειοκεραίας της υπό εξέτασης κεραίας. Συνεπώς, ο παράγοντας στοιχειοκεραίας

εκφράζει την επίδραση στο διάγραμμα ακτινοβολίας της συγκεκριμένης διάταξης

στοιχείων.

Εφόσον ορισθεί ο παράγοντας στοιχειοκεραίας, το διάγραμμα ακτινοβολίας των

μεμονωμένων στοιχείων πρέπει να ληφθεί υπόψη. Το συνολικό διάγραμμα

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 10 – Κεραίες σχισμών

127

ακτινοβολίας της υπό εξέτασης κεραίας μπορεί να προβλεφθεί με πολλαπλασιασμό

διαγραμμάτων, δηλαδή πολλαπλασιάζοντας το διάγραμμα ακτινοβολίας των

μεμονωμένων στοιχείων με τον παράγοντα στοιχειοκεραίας.

Για παράδειγμα, θεωρήστε μια κεραία σχισμών σε κυματοδηγό που αποτελείται

από έξι σχισμές με απόσταση λ 2 μεταξύ τους που ακτινοβολούν με το ίδιο πλάτος και

φάση. Το διάγραμμα ακτινοβολίας θα είναι:

= ×

Διάγραμμα Παράγοντα στοιχειοκεραίας 6 στοιχείων Διάγραμμα ακτινοβολίας

ακτινοβολίας που απέχουν και ακτινοβολούν στοιχειοκεραίας 6 σχισμών

μιας σχισμής με το ίδιο πλάτος και φάση

λ 2

Ο παράγοντας στοιχειοκεραίας σε αυτή την περίπτωση είναι το διάγραμμα

ακτινοβολίας έξι ισοτροπικών σημειακών πηγών που απέχουν λ 2 και ακτινοβολούν με

το ίδιο πλάτος και φάση.

Κέρδος στοιχειοκεραιών

Εξαιτίας του παράγοντα στοιχειοκεραίας η κατευθυντικότητα και συνεπώς το κέρδος

μιας στοιχειοκεραίας μπορεί να είναι σημαντικά μεγαλύτερα από αυτά το μεμονωμένου

στοιχείου. Αυτό έχει πλεονεκτήματα τόσο στην εκπομπή όσο και στη λήψη. Στην

εκπομπή, μια κατευθυντική κεραία συγκεντρώνει την ισχύ σε συγκεκριμένες

διευθύνσεις που ισοδυναμεί με την αύξηση της ισχύος του εκπομπού. Στη λήψη, η

κεραία είναι πιο ευαίσθητη σε σήματα που προέρχονται από την προτιμώμενη

διεύθυνση και λιγότερα ευαίσθητη σε ανεπιθύμητα σήματα και παρεμβολές από άλλες

διευθύνσεις.

Για να γίνει κατανοητό με ποιο τρόπο αυξάνει το κέρδος μιας στοιχειοκεραίας

θεωρήστε αρχικά τη στοιχειοκεραία ενός ισοτροπικού στοιχείου που εκπέμπει ισχύ P1

,

όπως φαίνεται στο σχήμα 10.1. Το ρεύμα στο στοιχείο είναι I1

. Σε ένα απομακρυσμένο

σημείο Χ, αυτό το ρεύμα δημιουργεί μια ηλεκτρική πεδιακή ένταση πλάτους E1

που

είναι ανάλογη του ρεύματος στο στοιχείο.

Η λαμβανόμενη ισχύς από μια κεραία στο σημείο Χ είναι ανάλογη με το τετράγωνο

της συνολικής πεδιακής έντασης TE σε αυτό το σημείο, δηλαδή

∝ =rec TP E E2 2

1 (10.1)


128

Σχήμα 10.1 Κεραία ενός στοιχείου που εκπέμπει ισχύ P1

.

Σχήμα 10.2 Κεραία δύο στοιχείων που εκπέμπει ισχύ P1

.

Σχήμα 10.3 Κεραία τεσσάρων στοιχείων που εκπέμπει ισχύ P1

.

Στη συνέχεια το μεμονωμένο στοιχείο αντικαθίσταται από μια στοιχειοκεραία δύο

ίδιων ισοτροπικών στοιχείων που εκπέμπει συνολικά την ίδια ισχύ P1

, όπως φαίνεται

στο σχήμα 10.2. Η ισχύς που ακτινοβολείται από κάθε στοιχείο είναι P12 . Ωστόσο, το

ρεύμα σε κάθε στοιχείο είναι σε αυτή την περίπτωση I1

2 , επειδή το ρεύμα είναι

ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα της ισχύος.

Η ηλεκτρική πεδιακή ένταση στο σημείο Χ που παράγεται από κάθε στοιχειό είναι

ανάλογη με το ρεύμα σε αυτό το στοιχείο. Συνεπώς η ένταση του πεδίου στο σημείο Χ

από κάθε στοιχείο είναι σε αυτή την περίπτωση E1

2 . Εάν τα κύματα από τα δύο

στοιχεία φτάνουν στο σημείο Χ τελείως συμφασικά η συνολική ένταση πεδίου TE στο

σημείο Χ θα είναι το άθροισμα των μεμονωμένων εντάσεων.

= =T

EE E1

1

22

2 (10.2)

Η συνολική λαμβανόμενη ισχύς είναι τώρα


129

( )∝ = =rec TP E E E2

2 2

1 12 2 (10.3)

Συγκρίνοντας τις (10.1) και (10.3), φαίνεται ότι το τετράγωνο της συνολικής

πεδιακής έντασης ( TE2 ) στο σημείο Χ έχει διπλασιαστεί. Αυτό δείχνει ότι η λαμβανόμενη

ισχύς στο σημείο Χ έχει επίσης διπλασιαστεί. Συνεπώς, χρησιμοποιώντας μια

στοιχειοκεραία δύο στοιχείων αντί για το μεμονωμένο στοιχείο διπλασιάζεται το

κέρδος της κεραίας.

Έστω ότι διπλασιάζεται και πάλι το πλήθος των στοιχειών της κεραίας. Στο σχήμα

10.3 φαίνεται μια στοιχειοκεραία τεσσάρων στοιχείων που εκπέμπει την ίδια ισχύ P1

.

Το ρεύμα σε κάθε στοιχείο είναι τώρα I1

4 . Επομένως, η ένταση του πεδίου που

δημιουργείται από κάθε στοιχείο στο σημείο Χ είναι E1

4 .

Η συνολική ένταση πεδίου TE από τη στοιχειοκεραία τεσσάρων στοιχειών είναι

= =T

EE E1

1

44

4 (10.4)

Η συνολική λαμβανόμενη ισχύς είναι

( )∝ = =rec TP E E E2

2 2

1 14 4 (10.5)

Συνεπώς η τιμή του TE2 , και κατ’ επέκταση της συνολικής λαμβανόμενης ισχύος,

έχει και πάλι διπλασιαστεί.

Οι παραπάνω σχέσεις ισχύουν μόνο όταν ικανοποιούνται οι παρακάτω συνθήκες:

1. τα στοιχεία της κεραίας είναι όλα ίδια και έχουν ίσα ρεύματα,

2. τα πεδία από όλα τα στοιχεία είναι σε φάση στο σημείο λήψης,

3. τα ρεύματα που επάγονται μεταξύ των στοιχειών είναι αμελητέα.

Η δεύτερη συνθήκη θα είναι αληθής εάν οι φάσεις των ρευμάτων σε όλα τα

στοιχεία είναι ίδιες και το σημείο παρατήρησης είναι στην πλαϊνή πλευρά της

στοιχειοκεραίας και τόσο μακριά ώστε η απόσταση του σημείου Χ από όλα τα στοιχεία

να είναι πρακτικά η ίδια. Η τρίτη συνθήκη εξαρτάται από την απόσταση των στοιχειών.


130

Στις πρακτικές στοιχειοκεραίες αυτές οι συνθήκες ικανοποιούνται κατά

προσέγγιση. Επίσης, εξαιτίας των απωλειών τροφοδοσίας και άλλων παραγόντων,

υπάρχει ένα όριο στην αύξηση του κέρδους που μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας το

πλήθος των στοιχειών. Σαν γενικός κανόνας ωστόσο ισχύει ότι το κέρδος της

στοιχειοκεραίας σχεδόν διπλασιάζεται (αύξηση περίπου κατά dB3 ) κάθε φορά που τα

στοιχεία της στοιχειοκεραίας διπλασιάζονται, με την προϋπόθεση ότι διατηρείται

κατάλληλη απόσταση.

Η κεραία σχισμών

Ένας τρόπος να κατασκευαστεί μια στοιχειοκεραία είναι να δημιουργηθούν σχισμές σε

έναν κυματοδηγό. Η κεραία σχισμένου κυματοδηγού ή κεραία σχισμών έχει πολλές

εφαρμογές στα ραντάρ και στα μικροκυματικά συστήματα επικοινωνιών επειδή είναι

σχετικά ελαφριά και μικρού μεγέθους.

Μια σχισμή στα τοιχώματα ενός κυματοδηγού διακόπτει τα επιφανειακά ρεύματα

και δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που ακτινοβολεί ισχύ RF. Το πλάτος και η φάση της

ακτινοβολούμενης ισχύος καθορίζονται από τις διαστάσεις, τον προσανατολισμό και τη

θέση της σχισμής. Στο σχήμα 10.4 φαίνονται τα ρεύματα στα τοιχώματα του

κυματοδηγού και στο σχήμα 10.5 φαίνονται κάποιες πιθανές θέσεις των σχισμών. Οι

πιο χρήσιμες σχισμές σε αυτό το σχήμα είναι οι «b» οι «e» και οι «g».

Σχήμα 10.4 Ρεύματα τοιχωμάτων σε κυματοδηγό.


131

Σχήμα 10.5 Σχισμές σε κυματοδηγό.

Οι σχισμές «c», «d» και «e» είναι σε σειρά με τον κυματοδηγό επειδή τέμνουν

επιμήκη ρεύματα. Οι σχισμές «b», «g» και «h» τέμνουν κατακόρυφο ρεύμα και έτσι

αποτελούν διακλάδωση του κυματοδηγού. Οι σχισμές «a», «f» δεν τέμνουν ρεύματα και

συνεπώς δεν ακτινοβολούν.

Αν το μήκος των σχισμών είναι σχεδόν μισό μήκος κύματος (τυπικά g. λ047 , όπου

gλ είναι το μήκος κύματος στον κυματοδηγό), η σχισμή θα είναι συντονισμένη. Ως

αποτέλεσμα, η ακτινοβολία από τη σχισμή θα είναι ίδια με αυτή που δημιουργεί ένα

σύρμα μήκος λ 2 .

Οι σχισμές είναι συνήθως ορθογωνικού σχήματος. Η σχισμή πολώνεται κατά

μήκος της στενής της διάστασης.

Οι στοιχειοκεραίες των οποίων τα στοιχεία απέχουν gλ 2 επίσης καλούνται

συντονισμένες στοιχειοκεραίες. Επειδή η απόσταση είναι συνάρτηση του μήκους

κύματος, οι συντονισμένες στοιχειοκεραίες έχουν πολύ στενό εύρος ζώνης. Ο

συντονισμός της στοιχειοκεραίας δεν πρέπει να συγχέεται με το συντονισμό των

μεμονωμένων στοιχειών. Στην πράξη οι κεραίες σχισμών αποτελούνται σχεδόν πάντα

από συντονισμένες σχισμές.

Οι κεραίες σχισμών μπορούν να τερματιστούν σε βραχυκύκλωμα ή σε

προσαρμοσμένο φορτίο σχεδιασμένο να δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα με μέγιστο ρεύμα

σε κάθε μια από τις σχισμές. Με αυτό τον τρόπο γίνεται μέγιστη η ακτινοβολία της

κεραίας.


132

Η κεραία σχισμών του εργαστηρίου είναι στοιχειοκεραία τύπου «στασίμου

κύματος», το οποίο σημαίνει ότι η στοιχειοκεραία τερματίζεται σε βραχυκύκλωμα στο

τέλος του κυματοδηγού. Για να προκύψει βέλτιστη ακτινοβολία, το βραχυκύκλωμα

πρέπει να τοποθετηθεί σε απόσταση = +g gd λ nλ4 2 (όπου =gλ . cm36455 ).

Σημειώνεται ότι το μήκος κύματος στον κυματοδηγό είναι

( )=

−g

c

λλ

f f2

1

(10.6)

όπου λ είναι το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο, f είναι η συχνότητα του σήματος

και cf είναι η συχνότητα αποκοπής του κυματοδηγού. Για τον κυματοδηγό −WR 90

είναι =cf . GHz6557 .


Σε αυτή την άσκηση θα μάθετε τη σημασία της θέσης του βραχυκυκλώματος στο

σχεδιασμό μιας στοιχειοκεραίας σχισμών «στασίμου κύματος». Επίσης θα κάνετε

κάποιες μετατροπές στον κυματοδηγό σχισμών ώστε να κατανοήσετε καλύτερα πώς

λειτουργούν οι στοιχειοκεραίες.









ομοαξονικό. Τοποθετήστε τη χοανοκεραία στον ιστό έτσι ώστε να είναι οριζόντια

πολωμένη. Τοποθετήστε το μακρύ καλώδιο SMA στην έξοδο GHz10 Oscillator της

γεννήτριας RF και έπειτα συνδέστε την κεραία.


Antenna Positioner. Εγκαταστήστε τη μικρή χοανοκεραία στον ιστό. Βεβαιωθείτε


133

ότι η κεραία βρίσκεται στην ίδια ευθεία με το κέντρο περιστροφής του Antenna

Positioner και προσανατολίστε τη ώστε να περιστρέφεται στο επίπεδο-Η.

Χρησιμοποιώντας το μεσαίου μήκους καλώδιο SMA, συνδέστε την κεραία λήψης


4. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση . m15 . Ρυθμίστε τις ώστε να είναι στο ίδιο

ύψος και αντικριστά η μία από την άλλη.










ΠΡΟΣΟΧΗ!



7. Βελτιώστε τη λήψη του σήματος (πρέπει να διατηρήσετε αυτό το επίπεδο

εξασθένησης σε όλη τη διάρκεια της άσκησης). Ξεκινήστε την πρώτη λήψη και

αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο (Document1).

Προσανατολίστε το διάγραμμα ώστε το MSP να είναι στις °0 .

8. Απομακρύνετε την κεραία λήψης. Πάρτε την κεραία σχισμών και παρατηρήστε τη

διάταξη των σχισμών κατά μήκος του κυματοδηγού. Η απόσταση μεταξύ του

άκρου του κυματοδηγού και της πρώτης σχισμής είναι πιο κοντά στην μια πλευρά

του κυματοδηγού από ότι στην άλλη. Συνδέστε το βραχυκύκλωμα σε αυτό το άκρο

και τον προσαρμογέα κυματοδηγού-σε-ομοαξονικό στο άλλο άκρο. Στο σχήμα

10.6 φαίνεται η σωστή τοποθέτηση της κεραίας σχισμών.

Σημειώστε την απόσταση d ανάμεσα στο βραχυκύκλωμα και το κέντρο της

πρώτης σχισμής, όπως φαίνεται στο σχήμα 10.6.


134

=d ________cm

Σχήμα 10.6 Εγκατάσταση κεραίας σχισμών.

9. Τοποθετήστε την κεραία σχισμών στον ιστό και προσανατολίστε τη για λήψη στο

επίπεδο-Η όπως φαίνεται στο σχήμα 10.7(α). Προσέξτε ότι η πόλωση είναι

κατακόρυφη ως προς τη διεύθυνση των σχισμών. Βεβαιωθείτε ότι οι κεραίες είναι

τοποθετημένη σε ευθεία γραμμή με το κέντρο περιστροφής του Antenna

Positioner.

Σχήμα 10.7 Κεραία σχισμών (α) κάθετα, (β) οριζόντια πολωμένη.

10. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση . m15 .

11. Ξεκινήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα νέο

αρχείο (Document2), με το MSP στις °0


135

12. Περιστρέψτε τις κεραίες εκπομπής και λήψης ώστε να είναι προσανατολισμένες

για λήψη στο επίπεδο-Ε. Η κεραία σχισμών στο σχήμα 10.7(β) είναι οριζόντια

πολωμένη.

Πραγματοποιήστε άλλη μια λήψη. Αποθηκεύστε το νέο διάγραμμα στο

Document2.

13. Απομακρύνετε τον κυματοδηγό από τον ιστό. Αποσυνδέστε την πλάκα

βραχυκυκλώματος και τον προσαρμογέα κυματοδηγού-σε-ομοαξονικό, και

συνδέστε τα ξανά στο αντίθετο άκρο του κυματοδηγού.

Σημειώστε την απόσταση ′d ανάμεσα στο βραχυκύκλωμα και το κέντρο της

πρώτης σχισμής, όπως φαίνεται στο σχήμα 10.6.

=d ________cm

14. Τοποθετήστε τη νέα κεραία σχισμών στον ιστό λήψης.

Κάνοντας τις κατάλληλες ρυθμίσεις, πραγματοποιήστε τη λήψη των

διαγραμμάτων στα επίπεδα-Ε και Η. Αποθηκεύστε τα διαγράμματα σε ένα νέο

αρχείο (Document3).

15. Συγκρίνετε τα διαγράμματα των Document2 και Document3. Αναφέρετε τη

διαφορά στο μέγιστο επίπεδο σήματος (MSL) των δύο κεραιών που στήσατε.

Εξηγήστε αυτή τη διαφορά.

HPBW και κέρδος της κεραίας σχισμών

16. Χρησιμοποιώντας τα διαγράμματα του Document2 υπολογίστε το εύρος δέσμης

μισής ισχύος της κεραίας σχισμών

= °EHPBW ________ , = °HHPBW ________

17. Χρησιμοποιώντας τη μικρή χοανοκεραία του Document1 και το διάγραμμα του

επιπέδου-Η του Document2 ως αναφορά, μετρήστε το κέρδος της κεραίας

σχισμών (ανατρέξτε στην άσκηση 3 για να βρείτε το κέρδος refG της μικρής

χοανοκεραίας).


136

= + − =slot slot Ref RefG P G P ________dB

18. Εκτυπώστε τα διαγράμματα του Document2 σε μορφή −D3

Παράγοντας στοιχειοκεραίας και διάγραμμα ακτινοβολίας

19. Απομακρύνετε την κεραία σχισμών από τον ιστό και ετοιμάστε μια αποδοτική

κεραία συνδέοντας το βραχυκύκλωμα και τον προσαρμογέα στα σωστά άκρα του

κυματοδηγού σύμφωνα με το σχήμα 10.6.

Τοποθετήστε αυτή την κεραία στον ιστό. Βεβαιωθείτε ότι οι κεραίες εκπομπής και

λήψης είναι προσανατολισμένες για λήψη στο επίπεδο-Η.

20. Χρησιμοποιώντας κομμάτια χάλκινης κολλητικής ταινία, καλύψτε τρεις σχισμές

(δύο στο ένα άκρο και μία στο άλλο) στον κυματοδηγό, όπως φαίνεται στο σχήμα

10.8(a). Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε τη στο Document3.

Συγκρίνετε αυτό το διάγραμμα με το διάγραμμα της κεραίας σχισμών, στο

επίπεδο-Η που αποθηκεύσατε στο Document2. Ποια είναι η διάφορα ανάμεσα στα

MSL τους; Εξηγήστε αυτή τη διαφορά.

21. Καλύψτε και τέταρτη σχισμή, σύμφωνα με το σχήμα 10.8(b), έτσι ώστε να

υπάρχουν μόνο 2 ανοιχτές σχισμές, η μία δίπλα στην άλλη, στο μέσο του

κυματοδηγού. Ξεκινήστε μια νέα λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το

επίπεδο-Η στο Document1.

22. Αφαιρέστε την κολλητική ταινία από μία σχισμή σε κάθε πλευρά του

κυματοδηγού και χρησιμοποιήστε τις για να καλύψετε τις δύο σχισμές στο κέντρο,

όπως φαίνεται στο σχήμα 10.8(c). Και πάλι υπάρχουν δύο ανοιχτές σχισμές, αλλά

απέχουν απόσταση r μεγαλύτερη από ένα μήκος κύματος ( >r λ ).

Πραγματοποιήστε μια λήψη για αυτή τη διάταξη και αποθηκεύστε το διάγραμμα

ως το επίπεδο-Ε στο Document1 (αν και πρόκειται για επίπεδο-Η).


137

Σχήμα 10.8 Κάλυψη των ανοιγμάτων στον κυματοδηγό.

23. Παρατηρήστε τα δύο διαγράμματα στο Document1 και συγκρίνετε τα με το

επίπεδο-Η της αρχικής κεραίας στο Document2.

Αυτά τα τρία διαγράμματα, καθώς και το επίπεδο-Η του Document3,

αποκαλύπτουν κάτι για τη συμπεριφορά των στοιχειοκεραιών. Πρέπει να

παρατηρήσετε

• μείωση της κατευθυντικότητας όταν το πλήθος των στοιχειών περιορίζεται

• αύξηση του κέρδους κατά σχεδόν dB3 όταν το πλήθος των στοιχείων

διπλασιάζεται

• τις επαναλαμβανόμενες δέσμες που εμφανίζονται (στην τελευταία λήψη) όταν

τα στοιχεία της στοιχειοκεραίας απέχουν απόσταση μεγαλύτερη από ένα μήκος

κύματος. Αυτό το φαινόμενο πρέπει να αποφεύγεται.


138





Σε αυτή την άσκηση παρατηρήσατε τη σημασία του σωστού υπολογισμού της θέσης

του βραχυκυκλώματος στον συντονισμό μιας κεραίας σχισμών. Χρησιμοποιώντας το

κέρδος μιας μικρής χοανοκεραίας ως αναφορά, μετρήσατε το κέρδος της κεραίας 6-

σχισμών και είδατε τη σχέση ανάμεσα στο πλήθος των στοιχειών και την

κατευθυντικότητα της στοιχειοκεραίας. Επίσης παρατηρήσατε πως λειτουργούν οι

στοιχειοκεραίες, ανάλογα με τη διάταξη των στοιχειών τους και τη γεωμετρική τους

θέση.


1. Ορίστε σύντομα τον παράγοντα στοιχειοκεραίας.

2. Πως προσδιορίζεται ο παράγοντας στοιχειοκεραίας μιας κεραίας;

3. Θέλετε να αυξήστε το κέρδος μια στοιχειοκεραίας 6 στοιχειών κατά σχεδόν dB6 .

Πόσα στοιχεία πρέπει να προστεθούν και ποιες συνθήκες θα βελτιστοποιήσουν

την κεραία;

4. Εξηγήστε σύντομα πώς λειτουργεί μια κεραία σχισμών.


139

5. Είδατε ότι η κοντινότερη σχισμή πρέπει να είναι σε απόσταση = +g gd λ nλ4 2

από το βραχυκύκλωμα ώστε να επιτευχθεί μέγιστη ακτινοβολία.

Χρησιμοποιώντας τις αποστάσεις d και ′d που σημειώσατε στα βήματα 8 και 13,

εξηγήστε τα αποτελέσματα που πήρατε από αυτές τις δύο διατάξεις.





Κοζάνη, 2009

11. Τεχνολογία μικροταινίας: Η

ορθογωνική ταινία

καλύμματος


Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα έχτε εξοικειωθεί με τις κεραίες καλύμματος και

την τεχνολογία μικροταινίας που χρησιμοποιείται στην εφαρμογή των κεραιών

καλύμματος.


Κεραίες μικροταινίας

Μια κεραία μικροταινίας (microstrip antenna) αποτελείται από ένα κάλυμμα από

αγώγιμο υλικό, συνήθως τετράγωνο ή κυκλικό, που χωρίζεται από το αγώγιμο επίπεδο

με ένα λεπτό (κλάσμα του μήκος κύματος) στρώμα ή υπόστρωμα διηλεκτρικού υλικού.

Η μικροταινία είναι βολική για τη δημιουργία προσαρμοστικών κεραιών. Επίσης έχει τα

πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους, του μικρού βάρους, της εύκολη κατασκευής και

τοποθέτησης, αλλά ο σχεδιασμός της δεν είναι πάντοτε απλός.

Τα σχήματα 11.1 και 11.2 παρουσιάζουν τυπικές ορθογωνικές και κυκλικές

κεραίες μικροταινιωτού καλύμματος (microstrip patch antenna). Αυτές είναι

ουσιαστικά μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος με το κάλυμμα χαραγμένο στη μια

πλευρά και το αγώγιμο επίπεδο στην άλλη. Στο σχήμα 11.1 φαίνεται ένα ορθογωνικό

κάλυμμα στο οποίο το σήμα RF τροφοδοτείται από μια γραμμή τροφοδοσίας που

αποτελείται από μια στενή μεταλλική λωρίδα. Στο σχήμα 11.2 παρουσιάζεται ένα


142

κυκλικό κάλυμμα που τροφοδοτείται από μια τρύπα στο αγώγιμο επίπεδο. Επίσης είναι

δυνατό η τροφοδοσία του σήματος να γίνει με «σύζευξη ανοιγμάτων»μέσω ενός μικρού

ανοίγματος στο αγώγιμο επίπεδο.

Σχήμα 11.1 Μικροκυματικό κάλυμμα με τροφοδοσία γραμμής μικροταινίας.

Σχήμα 11.2 Κυκλικό μικροκυματικό κάλυμμα με ομοαξονικό σημείο τροφοδοσίας.

Στις κεραίες μικροταινίας, η ακρίβεια της διηλεκτρικής σταθεράς του

υποστρώματος είναι εξαιρετικής σημασίας. Είναι η πιο σημαντική παράμετρος στον

καθορισμό της σταθεράς διάδοσης του υλικού και συνεπώς της συχνότητας

συντονισμού και των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας της κεραίας.

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 11 – Κεραίες καλύμματος

143

Χαρακτηριστικά ορθογωνικού καλύμματος

Στο σχήμα 11.3 φαίνονται οι βασικές διαστάσεις μιας ορθογωνικής κεραίας

μικροταινιωτού καλύμματος. Η αγωγιμότητα της κεραίας είναι συνάρτηση του πλάτους

a , ενώ η συχνότητα συντονισμού είναι συνάρτηση του μήκους b . Το μήκος b δίνεται

από τη σχέση

= =dr

λb . λ .

ε

0049 049 (11.1)

όπου dλ είναι το μήκος κύματος στο διηλεκτρικό, λ0

είναι το μήκος κύματος στον

ελεύθερο χώρο και rε είναι η σχετική διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος.

Σχήμα 11.3 Βασική γεωμετρία ορθογωνικής κεραίας μικροταινίας.

Εξαιτίας των διακυμάνσεων της διηλεκτρικής σταθεράς και της αυτεπαγωγής

τροφοδοσίας, συνήθως απαιτούνται δοκιμές για τον ακριβή προσδιορισμό του μήκους

του καλύμματος.

Στο σχήμα 11.4 φαίνεται το ρεύμα και η μορφή του κυρίαρχου ηλεκτρικού πεδίου

μέσα και γύρω από το κάλυμμα. Το ηλεκτρικό πεδίο στην πλευρά του καλύμματος όπου

συνδέεται η τροφοδοσία και στην απέναντι πλευρά είναι στην ουσία αυτά που

καθορίζουν τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της κεραίας.


144

Το ακτινοβολούμενο κύμα από την κεραία στο σχήμα 11.4 είναι οριζόντια

πολωμένο, δηλαδή το επίπεδο-Ε (επίπεδο- xy ) είναι στην οριζόντια διεύθυνση και το

επίπεδο-Η (επίπεδο- yz ) στην κάθετη.

Σχήμα 11.4 Ηλεκτρικό ρεύμα και μορφή του κυρίαρχου ηλεκτρικού πεδίου.

Η απόσταση b ανάμεσα στις δύο πλευρές του καλύμματος είναι σχεδόν μισό

μήκος κύματος στο διηλεκτρικό ( d. λ049 ). Αυτό προκαλεί τη διέγερση εκτός φάσης των

απέναντι πλευρών. Ωστόσο, τα δύο παράλληλα ακτινοβολούμενα ηλεκτρικά πεδία

προστίθενται σε φάση κατά τη διεύθυνση που είναι κάθετη στα στοιχείο (ευρύπλευρη ή

διεύθυνση y ).

Διάγραμμα ακτινοβολίας στοιχειοκεραίας δύο σχισμών σε κυματοδηγό

Ο ακριβής υπολογισμός των χαρακτηριστικών μιας κεραίας ορθογωνικού καλύμματος,

μπορεί γίνει συγκρίνοντας την κεραία καλύμματος του σχήματος 11.3 με τη


145

στοιχειοκεραία δύο σχισμών που φαίνεται στο σχήμα 11.5. Επειδή οι δύο κεραίες είναι

ισοδύναμες, θα έχουν το ίδιο διάγραμμα ακτινοβολίας.

Σχήμα 11.5 Δύο παράλληλες σχισμές σε κυματοδηγό.

Για να γίνει κατανοητό το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας σχισμών, πρέπει

να επισημανθεί ότι η απόσταση b έχει επιλεγεί έτσι ώστε τα ακτινοβολούμενα

ηλεκτρικά πεδία να είναι σε φάση. Αυτή η περίπτωση φαίνεται στο σχήμα 11.6. Κάθε

σημείο του άξονα- y απέχει το ίδιο από κάθε σχισμή, συνεπώς τα πεδία από τις σχισμές

προστίθενται σε φάση στο μακρινό πεδίο δίνοντας τη μέγιστη ακτινοβολία. Στις άλλες

διευθύνσεις η απόσταση από τις σχισμές είναι διαφορετική, οπότε τα πεδία δεν

προστίθενται σε φάση. Για το λόγο αυτό, το διάγραμμα ακτινοβολίας θα έχει έναν

κεντρικό λοβό με μέγιστο κατά τη διεύθυνση του άξονα- y .

Στο σχήμα 11.7 φαίνεται η τρισδιάστατη αναπαράσταση μια σχισμής. Οι άξονες

και οι γωνίες θ και φ σε αυτό το σχήμα αποτελούν αναφορά για τις επόμενες

εξισώσεις.


146

Οι διαστάσεις a και b στις εξισώσεις (11.2) και (11.3) αντιστοιχούν στο πλάτος a

και το μήκος b του καλύμματος στο σχήμα 11.3. Το πλάτος h της σχισμής στο σχήμα

11.7 αντιστοιχεί στο πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος που χωρίζει το κάλυμμα

από το αγώγιμο επίπεδο στα σχήματα 11.1 και 11.2.

Σχήμα 11.6 Εξήγηση του διαγράμματος ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε ορθογωνικού καλύμματος.

Σχήμα 11.7 Γεωμετρία για τον υπολογισμό του διαγράμματος ακτινοβολίας στα επίπεδα-Ε και Η μιας

ακτινοβολούμενης σχισμής.


147

Το διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε, δύο σχισμών που διεγείρονται σε

φάση με ίσο πλάτος δίνεται από την εξίσωση

( )

=

patch

βhsin cosφ

βbF φ cos cosφ

βhcosφ

2

2

2

(11.2)

όπου h είναι το πλάτος της σχισμής (ίσο με το πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος

στην ισοδύναμη κεραία καλύμματος), b είναι η απόσταση μεταξύ των δύο σχισμών (ίση

με το μήκος το καλύμματος) και =β π λ2 .

Το διάγραμμα στο επίπεδο-Η δίνεται από την εξίσωση

( )

=patch

βasin cosθ

F θ sinθβa

cosθ

2

2

(11.3)

όπου a είναι το μήκος των σχισμών.

Τα θεωρητικά διαγράμματα ακτινοβολίας φαίνονται στο σχήμα 11.8.

Σχήμα 11.8 Θεωρητικά διαγράμματα ακτινοβολίας στα επίπεδα-Ε και Η δύο σχισμών που διεγείρονται

σε φάση με ίσα πλάτη ( =b λd 2 , όπου <λ λd ).


148

Αντίσταση κεραίας μικροταινίας

Η αντίσταση εισόδου μια στοιχειοκεραίας δύο σχισμών και του ισοδύναμου

ορθογωνικού καλύμματος λ 2 δίνει καλά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας σε αυτές τις

κεραίες. Η αντίσταση εισόδου δίνεται προσεγγιστικά από τη σχέση

= = =in

λ λR Ω

a λ0 0

0

60 60120

2 (11.4)

όπου a είναι το μήκος της κεραίας και 0λ είναι το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο.

Ιδανικά, επειδή η αντίσταση εισόδου του καλύμματος είναι σχεδόν Ω120 , η

αντίσταση της μικροταινίας τροφοδοσίας και του ομοαξονικού καλωδίου σύνδεσης

πρέπει επίσης να είναι Ω120 . Ωστόσο, για τη σύνδεση του ομοαξονικού καλωδίου Ω50 ,

στο εργαστήριο, χρησιμοποιείται μια γραμμή μικροταινίας Ω50 . Για να προσαρμοσθεί η

μικροταινία με το κάλυμμα, χρησιμοποιείται ένα στέλεχος (stub) λ 4 , όπως φαίνεται

στο σχήμα 11.9. Η χρήση στελέχους λ 4 είναι μια απλή τεχνική για την επίτευξη

προσαρμογής σε μια στενή ζώνη συχνοτήτων. Η εξίσωση που σχετίζει τις αντιστάσεις

Z1

και Z2

που πρέπει να προσαρμοσθούν με την αντίσταση LZ του στελέχους είναι

=LZ Z Z1 2

(11.5)

Σχήμα 11.9 Στέλεχος λ/4 με αντίσταση ΖL για την προσαρμογή των αντιστάσεων Z1

και Z2

.

Εάν Z1

είναι η αντίσταση Ω50 του ομοαξονικού καλωδίου ή της γραμμής

μικροταινίας και Z2

είναι η αντίσταση Ω120 του ορθογωνικού μικροταινιωτού

καλύμματος, η αντίσταση του στελέχους λ 4 πρέπει να είναι

= = ⋅ =LZ Z Z Ω1 2

50 120 78 . (11.6)


149

Στο σχήμα 11.10 φαίνεται η διάταξη της κεραίας καλύμματος του εργαστηρίου

καθώς και το στέλεχος λ 4 των Ω78 .

Σχήμα 11.10 Κεραία καλύμματος του εργαστηρίου.

Διηλεκτρικά υλικά για προστασία και ενίσχυση της κεραίας

Σε ορισμένες περιπτώσεις οι κεραίες χρειάζονται προστασία ή ενίσχυση. Ανάλογα με

τον τύπο της κεραίας και τις απαιτήσεις της εφαρμογής, διάφορα υλικά μπορούν να

χρησιμοποιηθούν. Τα radomes, για παράδειγμα, απαιτούν τη χρήση υλικών που έχουν

μεγάλη αντοχή ενώ επιτρέπουν την αποδοτική διάδοση των σημάτων RF.

Σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να είναι απαραίτητη η εξαιρετική διαφάνεια στα

ηλεκτρομαγνητικά κύματα ενώ η φυσική αντοχή να έχει μικρότερη σημασία. Το

Styrofoam για παράδειγμα είναι πολύ καλό για την ενίσχυση της βάσης της ελικοειδούς

κεραίας GHz10 , εξαιτίας της μεγάλης του διαφάνειας στα σήματα RF, αν και

υπολείπεται σε σκληρότητα.

Όταν επιλέγεται ένα υλικό για την προστασία ή την ενίσχυση μιας κεραίας, πρέπει

να λαμβάνεται υπόψη η διηλεκτρική σταθερά, η εφαπτομένη απωλειών συναρτήσει της

συχνότητας και η πυκνότητα του υλικού. Η επιλογή του υλικού γίνεται έτσι ώστε να

εξασφαλίζεται βέλτιστη λειτουργία και ικανοποιητική προστασία. Στον πίνακα 11.1

φαίνονται διάφορα υλικά και η διηλεκτρική τους σταθερά.


150

Πίνακας 11.1 Διηλεκτρικές σταθερές διαφόρων υλικών ( =f GHz10 ).

Υλικό Διηλεκτρική σταθερά

Πορσελάνη 4.74

Ε γυαλί 6.11

Νερό ( )°C24 80

Styrofoam 103.7 1.03

Βακελίτης 3.52

Duroid 5650 2.65

Υποξειδική ρητίνη RN-48 2.91

Fiberglass, στρωματοποιημένο BK-174 4.37

Lexan 2.86

Πλεξιγκλάς 2.59

Τεφλόν 2.08

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ανακλάσεις μπορεί να μεταβάλλουν τη συμπεριφορά

της προστατευόμενης κεραίας. Ανάλογα με την απόσταση του υλικού και της κεραίας,

μπορεί να συμβούν ανακλάσεις με τέτοιο τρόπο που το λαμβανόμενο σήμα είτε να

υποβιβάζεται μερικώς είτε να ενισχύεται. Το φαινόμενο εξαρτάται από τη σχετική φάση

του σήματος και των ανακλάσεων.


Σε αυτή την άσκηση θα υπολογίσετε το HPBW και το κέρδος μιας ορθογωνικής

κεραίας καλύμματος. Θα παρατηρήσετε την επίδραση των διαστάσεων του καλύμματος

στην απόδοση της κεραίας. Τέλος, θα δείτε πως η παρουσία ενός radome επηρεάζει το

διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας.


151









ομοαξονικό. Χρησιμοποιώντας το πλαστικό στήριγμα τοποθετήστε την κεραία

στον ιστό έτσι ώστε να είναι κάθετα πολωμένη.


Antenna Positioner. Εγκαταστήστε τη μικρή χοανοκεραία στον ιστό,

προσανατολισμένη έτσι ώστε να περιστρέφεται στο επίπεδο-Η και στην ίδια

ευθεία με το κέντρο περιστροφής του Antenna Positioner.

4. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση . m15 . Ρυθμίστε τις ώστε να είναι στο ίδιο

ύψος και αντικριστά η μία από την άλλη.








Κέρδος και HPBW ορθογωνικής κεραίας καλύμματος


ΠΡΟΣΟΧΗ!




152

7. Χρησιμοποιώντας τον έλεγχο εξασθένησης, βελτιώστε τη λήψη του σήματος

(πρέπει να διατηρήσετε αυτό το επίπεδο εξασθένησης σε όλη τη διάρκεια της

άσκησης). Ξεκινήστε την πρώτη λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα

ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο (Document1).

8. Απομακρύνετε την κεραία λήψης και αντικαταστήστε τον ιστό με εκείνο που έχει

κάθετα στηρίγματα.

Ακολουθώντας το σχήμα 11.11 συναρμολογήστε την κεραία καλύμματος και

τοποθετήστε τη στον ιστό. Βεβαιωθείτε ότι είναι κάθετα τοποθετημένη στη

διεύθυνση διάδοσης του σήματος. Συνδέστε την κεραία με το μεσαίου μήκους

καλώδιο SMA. Η κεραία είναι έτσι προσανατολισμένη για περιστροφή στο

επίπεδο-Η.

Σχήμα 11.11 Διάταξη της κεραίας καλύμματος στο επίπεδο-Η.


153

Βεβαιωθείτε ότι η κεραία μικροταινίας είναι στην ίδια ευθεία με το κέντρο

περιστροφής του Antenna Positioner.

9. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση . m15 . Ξεκινήστε μια λήψη και

αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο (Document2).

10. Απομακρύνετε την κεραία καλύμματος και επαναλάβετε τη συναρμολόγηση

σύμφωνα με το σχήμα 11.12 έτσι ώστε η κεραία να είναι προσανατολισμένη στο

επίπεδο-Ε.

Σχήμα 11.12 Κεραία καλύμματος στο επίπεδο-Ε.

11. Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας στο

Document2. Προσανατολίστε και τα δύο διαγράμματα ώστε το MSP να είναι στις

°0 .

12. Χρησιμοποιώντας το κέρδος της μικρής χοανοκεραίας (σύμφωνα με την άσκηση

3), υπολογίστε το κέρδος της κεραίας ορθογωνικού καλύμματος.

= + − =patch patch Ref RefG P G P ________dB


154

13. Υπολογίστε το εύρος δέσμης μισής ισχύος της κεραίας καλύμματος στο επίπεδο-Η.

= °HHPBW ________

14. Εκτυπώστε και τα δύο διαγράμματα ακτινοβολίας της κεραίας ορθογωνικού

καλύμματος. Εξετάστε την τρισδιάστατη απεικόνιση της ακτινοβολίας αυτής της

κεραίας.

15. Χρησιμοποιώντας ένα μικρό κομμάτι χάλκινης κολλητικής ταινίας, αυξήστε το

ύψος του καλύμματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 11.13(α). Η ταινία πρέπει να έχει

το ίδιο πλάτος με το κάλυμμα.

Τοποθετήστε τις κεραίες εκπομπής και λήψης στο επίπεδο-Ε και

πραγματοποιήστε μια λήψη. Αποθηκεύστε το διάγραμμα σε ένα νέο αρχείο

(Document3).

(α) (β)

Σχήμα 11.13 Αύξηση (α) του ύψους και (β) του πλάτους του καλύμματος.

16. Αφαιρέστε την ταινία που χρησιμοποιήθηκε στο παραπάνω βήμα και

τοποθετήστε δύο κομμάτια μεταλλικής ταινίας σε κάθε πλευρά του καλύμματος

όπως φαίνεται στο σχήμα 11.13(β). Η ταινία πρέπει να είναι ελαφρώς μικρότερη

από το ύψος του καλύμματος.

Λάβετε το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας και αποθηκεύστε το ως το

επίπεδο-Η στο Document1.

17. Συγκρίνετε τα δύο τελευταία διαγράμματα ακτινοβολίας με το διάγραμμα στο

επίπεδο-Η της αρχικής κεραίας καλύμματος. Υπολογίστε την απώλεια που

παρατηρείται και στις δύο περιπτώσεις. Μπορείτε να εξηγήσετε αυτά τα

αποτελέσματα;


155

Διάδοση σήματος σε διηλεκτρικό υλικό

18. Απομακρύνετε τη μεταλλική ταινία από την κεραία καλύμματος. Τοποθετήστε το

στήριγμα ολίσθησης στο τέλος του διαδρόμου ολίσθησης, όπως φαίνεται στο

σχήμα 11.14. Η κεραία πρέπει να είναι ακόμη προσανατολισμένη στο επίπεδο-Η.

Σχήμα 11.14 Διάταξη με το radome από πλεξιγκλάς.

Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το επίπεδο-Η στο

Document3.

19. Τοποθετήστε στο άλλο στήριγμα ολίσθηση έναν ιστό με δακτύλιο στήριξης.

Τοποθετήστε την πλάκα πλεξιγκλάς στον ιστό παράλληλα με την κεραία.

Τοποθετήστε αυτό το στήριγμα ολίσθησης κοντά στο κέντρο περιστροφής του

Antenna Positioner.

Χρησιμοποιώντας το πλήκτρο εκκίνησης (start) τοποθετήστε τη διάταξη ακριβώς

απέναντι από την κεραία εκπομπής όπως φαίνεται στο σχήμα 11.14.


156

20. Μετακινήστε αργά το στήριγμα ολίσθηση επάνω στο διάδρομο και παρατηρήστε

πως η απόσταση μεταξύ της κεραίας και του πλεξιγκλάς επηρεάζει το

λαμβανόμενο σήμα.

21. Τοποθετήστε το πλεξιγκλάς εκεί που μεγιστοποιείται το λαμβανόμενο σήμα και

πραγματοποιήστε μια λήψη. Αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το επίπεδο-Ε του

Document1.

Τοποθετήστε το πλεξιγκλάς εκεί που ελαχιστοποιείται το λαμβανόμενο σήμα και

πραγματοποιήστε μια λήψη. Αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το επίπεδο-Η του

Document1.

Εκτυπώστε στο ίδιο χαρτί τα τελευταία τρία διαγράμματα που λάβατε.

22. Συγκρίνοντας τα διαγράμματα του Document1 με αυτά του Document3 μπορείτε

να δείτε πως ένα radome επηρεάζει το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας.

Σημειώστε ωστόσο ότι ο τρόπος που επηρεάζεται η διάδοση διαφέρει ανάλογα με

τη θέση του radome , που είναι φτιαγμένο από διηλεκτρικό υλικό.





Σε αυτή την άσκηση σχεδιάσατε το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας ορθογωνικού

καλύμματος και μετρήσατε το κέρδος της. Παρατηρήσατε ότι ο συντονισμός και η

προσαρμογή αντιστάσεων μιας κεραίας ορθογωνικού καλύμματος είναι αποτέλεσμα

κατάλληλης ρύθμισης του ύψους και του πλάτους του καλύμματος. Τέλος

παρατηρήσατε την επίδραση ενός radome στη λήψη του σήματος.


1. Ποιες παράμετροι πρέπει να ληφθούν υπόψη με μεγάλη ακρίβεια ώστε να

υπολογισθεί σωστά η συχνότητα συντονισμού και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας

μια κεραίας μικροταινία;


157

2. Ποια αναλογία χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών μιας

κεραίας ορθογωνικού μικροταινιωτού καλύμματος;

3. Εξηγήστε τη μορφή της ακτινοβολίας μιας κεραίας ορθογωνικού καλύμματος.

4. Με ποιο τρόπο πρέπει να συνδεθεί μια κεραία καλύμματος Ω120 με μια γραμμή

μικροταινίας Ω72 ;

5. Εξηγήστε τη διακύμανση του λαμβανόμενου σήματος που οφείλεται στη μεταβολή

της απόστασης της κεραίας και του radome από πλεξιγκλάς, όπως παρατηρήθηκε

στο βήμα 20.





Κοζάνη, 2009

12. Επίπεδες στοιχειοκεραίες

μικροταινίας


Με την ολοκλήρωση της άσκησης θα έχετε εξοικειωθεί με τις επίπεδες στοιχειοκεραίες

μικροταινίας. Θα μάθετε πώς να σχεδιάζετε τον παράγοντα στοιχειοκεραίας μιας

ομοιόμορφης γραμμικής στοιχειοκεραίας και πως προκύπτει από αυτόν το πολικό

διάγραμμα ακτινοβολίας. Επίσης θα εξοικειωθείτε με τα χαρακτηριστικά λειτουργίας

τόσο των «παράλληλα» τροφοδοτούμενων στοιχειοκεραιών μικροταινίας όσο και

αυτών που τροφοδοτούνται «σε σειρά».


Στην άσκηση 10 παρουσιάσθηκε η έννοια του παράγοντα στοιχειοκεραίας, που είναι η

επίδραση στο διάγραμμα ακτινοβολίας της διάταξης της στοιχειοκεραίας. Επίσης είδαμε

ότι το συνολικό διάγραμμα ακτινοβολίας μπορεί να προβλεφθεί με πολλαπλασιασμό

διαγραμμάτων, δηλαδή πολλαπλασιάζοντας το διάγραμμα ακτινοβολίας του

μεμονωμένου στοιχείου με τον παράγοντα στοιχειοκεραίας.

Στην άσκηση 11, συγκρίναμε μια ορθογωνική κεραία μικροταινίας με έναν

κυματοδηγό με δύο σχισμές. Επειδή οι δύο κεραίες είναι ουσιαστικά ισοδύναμες, τα

διαγράμματα ακτινοβολίας τους είναι ίδια.

Το διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε δύο σχισμών που διεγείρονται σε φάση

με ίσα πλάτη είναι ίσο με το διάγραμμα ακτινοβολίας στο επίπεδο-Ε μιας σχισμής

πολλαπλασιασμένο με τον παράγοντα στοιχειοκεραίας δύο στοιχείων. Αυτό

περιγράφεται με την παρακάτω εξίσωση


160

( )

=

��

��

patch

παράγονταςστοιχειοκεραίαςδιάγραμμα ακτινοβολίας

μίας σχισμής

βhsin cosφ

βhF φ cos cosφ

βhcosφ

2

2

2

(12.1)

όπου h είναι το πλάτος σχισμής (ίσο με το πάχος του διηλεκτρικού υποστρώματος της

ισοδύναμης κεραίας καλύμματος), b είναι η απόσταση μεταξύ των σχισμών και

=β π λ2 .

Παράγοντας στοιχειοκεραίας

Προκειμένου να γίνει καλύτερα κατανοητός ο υπολογισμός του παράγοντα

στοιχειοκεραίας θεωρείστε μια γραμμική στοιχειοκεραία της οποίας τα στοιχεία

ισαπέχουν απόσταση d , όπως φαίνεται στο σχήμα 12.1. Όταν λαμβάνει ένα σήμα που

προέρχεται από το μακρινό πεδίο και από = °θ 0 η απόσταση κάθε στοιχείου από την

πηγή είναι ουσιαστικά η ίδια. Συνεπώς τα ρεύματα από τα στοιχεία προστίθενται σε

φάση.

Σχήμα 12.1 Γραμμική στοιχειοκεραία τεσσάρων στοιχείων.

Όταν > °θ 0 , οι αποστάσεις δεν είναι ίδιες. Πηγαίνοντας από τα δεξιά προς τα

αριστερά στο σχήμα 12.1, κάθε διαδοχικό στοιχείο βρίσκεται μακρύτερα από την πηγή

κατά d sinθ σε σχέση με το προηγούμενό του. Αυτό έχει ως συνέπεια μια διαφορά φάση

στα ρεύματα διαδοχικών στοιχείων. Η διαφορά φάσης ψ είναι

ψ βd sinθ= (12.2)

Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Άσκηση 12 – Στοιχειοκεραίες μικροταινίας

161

Ο παράγοντας στοιχειοκεραίας AF μιας γραμμικής στοιχειοκεραίας N στοιχείων

μπορεί να γραφεί ως εξής

( ) ( )

( )−= j N ψ sin Nψ

AF esin ψ

1 2 2

2 (12.3)

Ο παράγοντας ( )−j N ψe

1 2 περιγράφει τη στροφή του διαγράμματος της στοιχειοκεραίας

σε σχέση με την αρχή των αξόνων. Αυτός ο παράγοντας φάσης μπορεί να παραληφθεί,

οπότε

( )( )

=sin Nψ

AF Asin ψ

0

2

2 (12.4)

Για =ψ 0 η εξίσωση (12.4) έχει μέγιστη τιμή A N0

. Διαιρώντας την (12.4) με το

μέγιστο, προκύπτει ο κανονικοποιημένος παράγοντας στοιχειοκεραία ( )f ψ μιας

ομοιόμορφης στοιχειοκεραίας N -στοιχείων, με το κέντρο της τοποθετημένο στην αρχή

του συστήματος συντεταγμένων

( ) ( )( )

=sin Nψ

f ψΝ sin ψ

2

2 (12.5)

Το κανονικοποιημένο διάγραμμα της στοιχειοκεραίας φαίνεται στο σχήμα 12.2(α).

Αυτό το διάγραμμα εκφράζει την απόκριση μιας στοιχειοκεραίας συναρτήσει της

διαφοράς φάσης ψ μεταξύ των διαδοχικών στοιχείων της στοιχειοκεραίας. Η απόκριση

είναι μέγιστη όταν η διαφορά φάσης είναι μηδέν, δηλαδή όταν η πηγή του σήματος

βρίσκεται ακριβώς ευρύπλερα ( = °θ 0 ).

Η πολική μορφή του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας μπορεί να προκύψει

με γραφική μέθοδο. Αυτό φαίνεται στο σχήμα 12.2(β), και γίνεται σχεδιάζοντας ένα

ημικύκλιο ακτίνας βd κάτω από το διάγραμμα του παράγοντα στοιχειοκεραίας. Αν, για

παράδειγμα, η απόσταση των στοιχείων είναι μισό μήκος κύματος η ακτίνα του

ημικυκλίου είναι ( )( )= =βd π λ λ π2 2 .

Μετά τη χάραξη του ημικυκλίου, σημειώνονται κάθετες γραμμές από διάφορα

σημεία του διαγράμματος της στοιχειοκεραίας στην περίμετρο του ημικυκλίου. Από την

τομή κάθε κάθετης γραμμής με την περίμετρο χαράζεται μια ακτίνα μέχρι το κέντρο του


162

κύκλου. Το πλάτος του παράγοντα στοιχειοκεραίας σε εκείνη τη θέση σημειώνεται

επάνω στην ακτίνα σε ίση απόσταση από το κέντρο του κύκλου.

Σχήμα 12.2 (α) Παράγοντας στοιχειοκεραίας 4 στοιχείων, (β) διάγραμμα ακτινοβολίας για d=λ/2.

Για παράδειγμα, στο =ψ π 2 , ο παράγοντας στοιχειοκεραίας είναι μηδέν,

επομένως το αντίστοιχο σημείο στο πολικό διάγραμμα είναι το κέντρο. Ανάμεσα στο

=ψ π 2 και το =ψ π , υπάρχει ένα μέγιστο στον παράγοντα στοιχειοκεραίας. Αυτό

αντιστοιχεί σε μέγιστο στο πολικό διάγραμμα.

Παράλληλες και σε σειρά στοιχειοκεραίες

Το απλό κάλυμμα (patch) αποτελεί το δομικό των στοιχειοκεραιών μικροταινίας. Σε

αυτή την άσκηση θα μελετηθούν δύο τύποι επίπεδων στοιχειοκεραιών μικροταινίας οι

«παράλληλης» και οι «σειριακής» τροφοδοσίας.

Μια στοιχειοκεραία μικροταινίας περιλαμβάνει διάφορα εξαρτήματα μικροταινίας

και ένα μικροταινιωτό δίκτυο τροφοδοσίας. Το δίκτυο τροφοδοσίας περιλαμβάνει

παθητικά στοιχεία όπως διαιρέτες ισχύος και γραμμές μεταφοράς καθώς και ενεργά


163

στοιχεία όπως στροφείς φάσης, ενισχυτές, ταλαντωτές και μεικτές. Οι γραμμές

τροφοδοσίας συνδέονται απευθείας στα ακτινοβολούντα στοιχεία και δεν επηρεάζουν

το διάγραμμα ακτινοβολίας.

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των κεραιών μικροταινίας είναι ότι όλα τα στοιχεία,

καθώς και το δίκτυο τροφοδοσίας, μπορούν να χαραχθούν στην πλευρά μιας πλακέτας

τυπωμένων κυκλωμάτων. Αυτό επιτρέπει την ύπαρξη εκατοντάδων εξαρτημάτων με

μικρό κόστος. Η στοιχειοκεραία μπορεί να είναι πολύ λεπτή και να έχει πολύ υψηλή

απόδοση, εξαιτίας του μεγάλου πλήθους των στοιχείων που μπορούν να

συμπεριληφθούν.

Ένα άλλο πλεονέκτημα των στοιχειοκεραιών είναι η αξιοπιστία τους. Επειδή

ολόκληρη η στοιχειοκεραία κατασκευάζεται από ένα ενιαίο κομμάτι χαλκού,

ελαχιστοποιούνται τα προβλήματα λόγω αστοχίας στις συνδέσεις. Ωστόσο, όπως και με

τις απλές κεραίες καλύμματος, οι στοιχειοκεραίες μικροταινίας είναι εξαιρετικά στενής

ζώνης, δηλαδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συγκεκριμένες συχνότητες.

Σε μια στοιχειοκεραία μικροταινίας παράλληλης τροφοδοσίας, τα στοιχεία

τροφοδοτούνται παράλληλα, εξασφαλίζοντας ότι διεγείρονται με κατάλληλα σχέση

φάσης. Συνήθως διεγείρονται σε φάση ώστε να δημιουργείται ένας κύριος λοβός

κάθετα στο επίπεδο της στοιχειοκεραίας.

Για να αποφευχθούν διαφορές φάσης μεταξύ των στοιχείων, πρέπει να υπάρχει

συμμετρία μεταξύ των γραμμών τροφοδοσίας των στοιχείων. Συνήθως χρησιμοποιείται

μια δομή δένδρου που αποκαλείται εταιρική τροφοδοσία (corporate feed) και

επιτρέπει την ομοιόμορφη κατανομή της ισχύος σε φάση. Με αυτό τον τρόπο ωστόσο

παρουσιάζονται προβλήματα χώρου, όταν το πλήθος των στοιχειών είναι πολύ μεγάλο.

Ένας αριθμός στοιχειών προσαρμογής που ονομάζονται μετατροπείς ενός τετάρτου

μήκους κύματος (quarter-wavelength transformers) επιτρέπουν σε όλα τα

ακτινοβολούντα στοιχεία να προσαρμοσθούν κατάλληλα στη γραμμή τροφοδοσίας

Ω50 της κεραίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 12.3.

Η τροφοδοσία των στοιχειών της κεραίας μπορεί επίσης να γίνει σε σειρά. Αν και

αποδοτική, η σειριακή τροφοδοσία είναι πιο πολύπλοκη στο σχεδιασμό από την

παράλληλη τροφοδοσία, εξαιτίας της εξάρτησης των στοιχείων. Κάθε κάλυμμα πρέπει

να θεωρηθεί ως το ισοδύναμο δύο σχισμών και πρέπει να ληφθούν υπόψη τα

φαινόμενα σύζευξης μεταξύ των σχισμών κατά τον υπολογισμό της διακύμανσης της

αντίστασης.


164

Στις στοιχειοκεραίες παράλληλης τροφοδοσίας, οι απώλειες τροφοδοσίας

περιορίζουν την αύξηση του κέρδους που αναμένεται όταν διπλασιάζονται τα στοιχεία.

Αυτές οι απώλειες οφείλονται σε χωρητικές και επαγωγικές συζεύξεις μεταξύ των

πολλών γραμμών τροφοδοσίας. Όταν τα καλύμματα είναι σε σειρά, η σύνδεση μεταξύ

τους είναι γραμμική και δημιουργεί λιγότερα προβλήματα.

Σχήμα 12.3 Μικροταινιωτή στοιχειοκεραία καλύμματος.

Οι δύο τύποι μπορούν να συνδυαστούν σε μια παράλληλη-σε σειρά στοιχειοκεραία

που παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και των δύο τύπων. Συνδέοντας παράλληλα ένα

πλήθος μικρών σειριακών στοιχειοκεραιών, είναι δυνατό να σχεδιαστούν μεγάλες

στοιχειοκεραίες περιορίζοντας την πολυπλοκότητα του δικτύου τροφοδοσίας και

μειώνοντας τις απώλειες διάδοσης.








165



ομοαξονικό. Χρησιμοποιώντας το πλαστικό στήριγμα τοποθετήστε την κεραία

στον ιστό έτσι ώστε να είναι προσανατολισμένη στο επίπεδο-Ε.

Τοποθετήστε το μακρύ καλώδιο SMA στην έξοδο GHz10 OSCILLATOR OUTPUT

στη γεννήτρια RF και συνδέστε την κεραία

3. Τοποθετήστε τον ιστό με κάθετα στηρίγματα στο στήριγμα ολίσθησης του

Antenna Positioner. Τοποθετήστε την επίπεδη μικροταινιωτή στοιχειοκεραία

παράλληλης τροφοδοσίας όπως φαίνεται στο σχήμα 12.4. Στερεώστε την κεραία

στον ιστό και βεβαιωθείτε ότι βρίσκεται στην ίδια ευθεία με το κέντρο

περιστροφής του Antenna Positioner.

Σχήμα 12.4 Διάταξη της «παράλληλα» τροφοδοτούμενης επίπεδης στοιχειοκεραίας μικροταινίας.

Χρησιμοποιώντας το μεσαίου μήκους καλώδιο SMA, συνδέστε την κεραία στην

είσοδο RF στο επάνω μέρος του Antenna Positioner.


166

4. Τοποθετήστε τις κεραίες σε απόσταση =r . m08 . Προσαρμόστε τις ώστε να

βρίσκονται στο ίδιο ύψος και αντικριστά η μία στην άλλη.








Πόλωση και απώλειες διάδοσης των επίπεδων στοιχειοκεραιών

μικροταινίας.


ΠΡΟΣΟΧΗ!



7. Βελτιώστε τη λήψη του σήματος και πραγματοποιήστε την πρώτη λήψη και

διαγράμματος ακτινοβολίας. Αποθηκεύστε το διάγραμμα σε ένα νέο αρχείο

(Document1).

8. Προσανατολίστε την κεραία εκπομπής στο επίπεδο-Η. Βελτιστοποιήστε τη λήψη

του σήματος, πραγματοποιήστε άλλη μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα

στο Document1.

Παρατηρώντας τα διαγράμματα ακτινοβολίας που λάβατε καθορίστε την πόλωση

της παράλληλα-τροφοδοτούμενης στοιχειοκεραίας μικροταινίας. Αναμένατε αυτό

το αποτέλεσμα; Εξηγείστε την απάντηση σας.

9. Τοποθετήστε αντικριστά τις κεραίες σε απόσταση =r . m16 . Βελτιστοποιήστε τη

λήψη του σήματος (πρέπει να διατηρήσετε το επίπεδο εξασθένησης ίδιο σε όλη

την άσκηση). Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ως το

επίπεδο-Η σε ένα νέο αρχείο (Document2).


167

Σε ότι αφορά στις απώλειες διάδοσης, η στοιχειοκεραία συμπεριφέρεται όπως η

κεραία ενός στοιχείου;


Σημείωση: Μεταξύ των στοιχείων μιας στοιχειοκεραίας μπορεί να

εμφανίζονται μικρές διαφορές φάσης, καταλήγοντας σε μια μικρή

παρέκκλιση του κυρίως λοβού από την κανονική διεύθυνση.

Περιστρέφοντας ελαφρώς την κεραία θα μπορέσετε να βρείτε τον

προσανατολισμό βέλτιστης λήψης (ή εκπομπής) του σήματος.

10. Τοποθετήστε την κεραία λήψης έτσι ώστε να αντικρίζει την κεραία εκπομπής.

Απασφαλίστε το στήριγμα της κεραίας λήψης και περιστρέψτε την αργά προς

όλες τις κατευθύνσεις. Παρατηρήστε τη στάθμη του σήματος καθώς περιστρέφετε

την κεραία. Προσαρμόστε τον προσανατολισμό της στοιχειοκεραίας παράλληλης

τροφοδοσίας έτσι ώστε να βελτιστοποιείται η λήψη του σήματος

Πραγματοποιήστε μια λήψη και αντικαταστήστε με αυτό το διάγραμμα

ακτινοβολίας του επιπέδου-Η του Document2.

11. Προσανατολίστε τη στοιχειοκεραία για λήψη στο επίπεδο-Ε όπως φαίνεται στο

σχήμα 12.5. Προσανατολίστε τη χοανοκεραία εκπομπής στο επίπεδο-Ε.

Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας στο

Document2.

Σημείωση: Μπορεί να παρατηρήσετε ότι το διάγραμμα ακτινοβολίας στο

επίπεδο-Ε δεν είναι συμμετρικό γύρω από το μέγιστο. Αυτό το φαινόμενο

οφείλεται στη σύζευξη ανάμεσα στις μικροταινιωτές γραμμές μεταφοράς

που τροφοδοτούν την κεραία και την πρώτη σειρά των καλυμμάτων.

12. Απομακρύνετε την κεραία λήψης και τοποθετήστε στον ιστό τη σειριακή

στοιχειοκεραία μικροταινίας, προσανατολισμένη στο επίπεδο-Η, όπως φαίνεται

στο σχήμα 12.6. Προσανατολίστε την κεραίας εκπομπής στο επίπεδο-Η.

Βελτιστοποιήστε τον προσανατολισμό της σειριακής κεραίας σύμφωνα με το

βήμα 10. Πραγματοποιήστε μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα

ακτινοβολίας σε ένα νέο αρχείο (Document3).


168

Σχήμα 12.5 Τοποθέτηση της κεραίας μικροταινίας παράλληλης τροφοδοσίας στο επίπεδο-Ε.

Σχήμα 12.6 Τοποθέτηση της σειριακής κεραίας μικροταινίας στο επίπεδο-Η.


169

13. Αφού προσανατολίσετε κατάλληλα τις κεραίες στο επίπεδο-Ε, πραγματοποιήστε

μια λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα ακτινοβολίας επίσης στο Document3.

14. Παρατηρήστε τα διαγράμματα στα Document2 και Document3. Ποιο επίπεδο είναι

πιο κατευθυντικό για κάθε μια από αυτές τις κεραίες; Εξηγήστε αυτή τη

συμπεριφορά.

15. Αποθηκεύστε τα δεδομένα των Document2 και Document3.

16. Χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι μεταλλικής ταινίας, αυξήστε κατά περίπου mm5 το

ύψος του τελευταίου καλύμματος της σειριακής κεραίας, όπως φαίνεται στο

σχήμα 12.7. Βεβαιωθείτε ότι το πλάτος της ταινίας είναι το ίδιο με αυτό του

καλύμματος. Λάβετε το διάγραμμα και αποθηκεύστε το ως το επίπεδο-Ε του

Document1.

Σχήμα 12.7 Αύξηση του ύψους του τελευταίου καλύμματος της σειριακής στοιχειοκεραίας.

17. Αντικαταστήστε την κεραία λήψης με την στοιχειοκεραία παράλληλης

τροφοδοσίας, τοποθετημένη στο επίπεδο-Η και προσανατολισμένη για βέλτιστη

λήψη. Χρησιμοποιώντας μεταλλική ταινία, αυξήστε κατά mm5 το ύψος δύο


170

καλυμμάτων (χωρίς να μεταβάλλεται το μήκος τους) της παράλληλης

στοιχειοκεραίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 12.8.

Προσανατολίστε τη χοανοκεραία εκπομπής στο επίπεδο-Η, πραγματοποιήστε μια

λήψη και αποθηκεύστε το διάγραμμα στο Document1.

Σχήμα 12.8 Αύξηση του ύψους δύο καλυμμάτων της παράλληλης στοιχειοκεραίας.

18. Συγκρίνετε το διάγραμμα στο επίπεδο-Ε του Document1 με το αντίστοιχο

διάγραμμα της αρχικής σειριακής στοιχειοκεραίας. Κάντε το ίδιο για το διάγραμμα

στο επίπεδο-Η του Document1 και της παράλληλης στοιχειοκεραίας. Οι

μετατροπές στις δύο περιπτώσεις είναι συγκρίσιμες (1 4 των καλυμμάτων

υπέστη μετατροπή σε κάθε στοιχειοκεραία). Οι απώλειες κέρδους που οφείλονται

σε αυτές τις μετατροπές είναι παρόμοιες στις δύο περιπτώσεις; Εξηγήστε την


HPBW και κέρδος

19. Κάντε τις κατάλληλες αλλαγές και αποκτήστε το διάγραμμα στο επίπεδο-Η του

μεμονωμένου καλύμματος. Διαγράψτε τα διαγράμματα του Document1 και

αποθηκεύστε εκεί την τελευταία σας λήψη.

20. Υπολογίστε το εύρος δέσμης μισής ισχύος στο επίπεδο-Η τόσο για την κεραία

καλύμματος όσο και για την παράλληλη στοιχειοκεραία.


171

− = °H καλύμματοςHPBW ________

− = °H παράλληληςHPBW ________

21. Συγκρίνετε το εύρος δέσμης μισής ισχύος του μεμονωμένου καλύμματος και της

στοιχειοκεραίας παράλληλης τροφοδοσίας. Πρέπει να παρατηρείτε μια σημαντική

αύξηση της κατευθυντικότητας που οφείλεται στο σχεδιασμό της στοιχειοκεραίας

8-στοιχειών.

Οι κεραίες στενής δέσμης πρέπει να είναι κατάλληλα προσανατολισμένες ώστε να

επιτυγχάνεται αποδοτική εκπομπή (ή λήψη) του σήματος. Υπολογίστε πόσες

μοίρες μπορεί να παρεκκλίνει η κεραία από το βέλτιστο προσανατολισμό της (ο

προσανατολισμός όπου επιτυγχάνεται το μεγαλύτερο κέρδος) πριν οι απώλειες

ξεπεράσουν τη μισή εκπεμπόμενη (ή λαμβανόμενη) ισχύ

για τη μεμονωμένη κεραία καλύμματος

για την παράλληλη στοιχειοκεραία

22. Χρησιμοποιώντας ως αναφορά το κέρδος της κεραίας καλύμματος (σύμφωνα με

την άσκηση 11) υπολογίστε το κέρδος της παράλληλα τροφοδοτούμενης (στο

επίπεδο-Η) και της σειριακά τροφοδοτούμενης (στο επίπεδο-Ε) στοιχειοκεραίας.

=παράλληληςG ________dB

=σειριακήςG ________dB

Η αύξηση του κέρδους που οφείλεται στην αύξηση του πλήθους των στοιχείων

συμβαδίζει με τη θεωρία;





172


Σε αυτή τη άσκηση σχεδιάσατε το διάγραμμα ακτινοβολίας τόσο της σειριακά όσο και

της παράλληλα τροφοδοτούμενης επίπεδης στοιχειοκεραίας μικροταινίας.

Παρατηρήσατε ότι είναι ευκολότερο να συντονιστεί η παράλληλη στοιχειοκεραία από

τη σειριακή. Είδατε ότι οι κεραίες στενής δέσμης πρέπει να είναι προσανατολισμένες με

ακρίβεια για να αποφεύγεται σημαντική απώλεια ισχύος. Τέλος μετρήσατε το κέρδος

τόσο της παράλληλης όσο και της σειριακής στοιχειοκεραίας και παρατηρήσατε ότι οι

γραμμές τροφοδοσίας μπορεί να είναι πηγή απωλειών που περιορίζει την αναμενόμενη

αύξηση του κέρδους λόγω της αύξησης του πλήθους των στοιχειών.


1. Εξηγήστε την πόλωση της επίπεδης στοιχειοκεραίας μικροταινίας που

χρησιμοποιήσατε σε αυτή την άσκηση.

2. Εξηγήστε τι πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό μιας

στοιχειοκεραίας ώστε να εξασφαλίζεται ότι η δέσμη ακτινοβολίας κατευθύνεται

κάθετα προς το επίπεδο της στοιχειοκεραίας.

3. Ποια είναι τα βασικά πλεονεκτήματα των στοιχειοκεραιών μικροταινίας;

4. Τι είναι η εταιρική τροφοδοσία και γιατί χρησιμοποιείται σε παράλληλα

τροφοδοτούμενες στοιχειοκεραίας μικροταινίας;


173

5. Πιοι παράγοντες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ώστε να προσαρμοσθεί σωστά

μια σειριακά τροφοδοτούμενη στοιχειοκεραία μικροταινίας;



Παράρτημα Α

Πίνακας χρήσης εξοπλισμού

Για την πραγματοποίηση των ασκήσεων απαιτείται η χρήση του παρακάτω εξοπλισμού

Εργαστηριακή άσκηση Μοντέλο Περιγραφή

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

9505 Γεννήτρια RF � � � � � � � � � � � �

9506 Antenna Positioner � � � � � � � � � � � �

9507 Σύστημα λήψης δεδομένων/ Τροφοδοτικό � � � � � � � � � � � �

9535-Α Χοανοκεραία μικρής διατομής � �

9550 Χοανοκεραία μεγάλης διατομής � � � � � �

9551 Ελικοειδής κεραία δεξιόστροφης πόλωσης �

9552 Ελικοειδής κεραία αριστερόστροφης πόλωσης �

9553 Κεραίες καλύμματος � �

9554 Κεραία κυματοδηγού με σχισμές �

9555 Κεραία ανοιχτού κυματοδηγού �

9560 Κεραία Yagi � � � � � �

9561 Κεραίες σύρματος � � � � � � �

9594-1 Καλώδια και αξεσουάρ � � � � � � � � � � � �

9594-Α Αξεσουάρ κυματοδηγών � � � � � �

9595 Στηρίγματα κεραιών � � � � � � � � � � � �

9520 Κατευθυντικό ζεύκτης GHz1 � �



Βιβλιογραφία

[1] G.R. Jessop, VHF UHF Manual, 4th Edition, Hertfordshire, Great Britain, Radio Society

of Great Britain, 1983. ISBN 0-900612-92-4

[2] A. Kumar, Fixed and Mobile Terminal Antennas, Norwood, MA, Artech House, 1991.

ISBN 0-89006-438-5

[3] R.C. Johnson, Antenna Engineering Handbook, 3rd Edition, New York, USA, McGraw-

Hill, Inc, 1993. ISBN 0-07-032381-X

[4] W.L. Stutzman and G.A. Thiele, Antenna Theory and Design, New York, N.Y., John

Wiley & Sons, 1981. ISBN 0-471-04458-X

[5] W.L. Weeks, Antenna Engineering, New York, McGraw Hill, 1968. ISBN 07-068970-9

[6] The ARRL Antenna Book, Newington, CT (USA), The American Radio Relay League,

1994. ISBN 0-87259-473-4

Lab Volt - Antenna Fundamentals - Student Manual GR 5 · Lab Volt Antenna Fundamentals 10 3....

Documents

Transcript of Lab Volt - Antenna Fundamentals - Student Manual GR 5 · Lab Volt Antenna Fundamentals 10 3....