Pripravil: Bruno Lubec, S51M ANTENE. Osnovni pojmi in vrste anten Predavanja za tečaj radioamaterjev, 20 ur

Transcript

1 Pripravil: Bruno Lubec, S51M ANTENE Osnovni pojmi in vrste anten Predavanja za tečaj radioamaterjev, 20 ur

2 Valovanje 1. Mehansko: zvok, valovanje vode, valovanje nihala. Širi se počasneje od radijskih valov. Zvok v zraku: 320 m/s 2. Elektromagnetno: radijski valovi, svetloba: širi se s svetlobno hitrostjo: približno km/s.

3 Frekvenca Je število dejanj (nihajev) v časovni enoti. Kot enota časa se vzame največkrat kar čas 1 sekunde. Od tod ime Hertz: 1Hz = 1 nihaj/sekundo. Primer: Če udarite s kladivom 2-krat v sekundi, je vaša frekvenca udarcev 2 Hz (2 Hertza). Če prepelje skozi Cirkulane 5 avtomobilov v eni minutu, je frekvenca5 avtomobilov na minuto. Nas pa zanimajo radijski valovi: tu pa gre za to, kolikokrat zaniha električno in magnetno polje v času 1 sekunde. To frekvenco radijskih valov povemo v Hertzih.

4 Primer: Radio Ptuj ima frekvenco 98,4 MHz (MegaHertza), to pomeni, da tu preko anten nihajo radijski valovi s frekvenco f = krat v sekundi

5 Delitev frekvenc: 1. ZELO NIZKE FREKVENCE ( VLF VERY LOW FREQUENCY): 3 KHz do 30 KHz. 2. NIZKE FREKVENCE ALI DOLGI VAL ( LF LOW FREQUENCY): 30 KHz do 300 KHz 3. SREDNJE FREKVENCE ALI SREDNJI VAL ( MF MEDIUM FR.): 300 KHz do 3 MHz 4. VISOKE FREKVENCE ALI KRATKI VAL ( HF - HIGH FR.): 3 MHz do 30 MHz. 5. ZELO VISOKE FREKVENCE ali UKV ( VHF VERY HIGH FR.): 30 MHz do 300 MHz. 6. ULTRA VISOKE FREKVENCE ( UHF ULTRA HIGH FR.): 300 MHz do 3 GHz. 7. SUPER VISOKE FREKVENCE ( SHF SUPER HIGH FR.): 3 GHz do 30 GHz. 8. EKSTREMNO VISOKE FREKVENCE ( EHF-EXTREMELYI HIGH FR.) 30GHz DO 300 GHz. Valovna dolžina Valovno dolžino dobimo preko naslednje enačbe: λ = c f λ = c f c je svetlobna hitrost= m/s, f pa frekvenca signala. Primer: kolika je valovna dolžina Radia Ptuj, ki oddaja na 89.3 MHZ? m / s = 89,3 10 Hz 6 = 3,35m Frekvenca in valovna dolžina sta obratno odvisni Na enak način si izračunaš valovno dolžino za posamezna fr. področja. Od tod izraz valovne dolžine v metrih, centimetrih, kilometrih, milimetrih. f Hz λ m

6 Valovna dolžina λ pa nam tudi pove, kako velike antene rabimo. Večja je valovna dolžina, večje antene moramo imeti. Ker sta frekvenca in valovna dolžina obratno odvisni, pomeni,da so pri nizkih frekvencah, velike valovne dolžine oziroma potrebujemo večje antene. Naši mobilni telefoni delujejo na zelo visokih frekvencah (gigahertzih), tu so torej male valovne dolžine, zato imajo moiblni telefoni majhne antene, ki so že vgrajene v ohišju in jih ne vidimo. Srednjevalovni oddajniki in sprejemkniki pa imajo nižje frekvence, zato tu potrebujejo velike antene: na primer 90 metrov veliko anteno.

7 Visoke frekvence: male antene Nizke frekvence: velike antene Iz pojma valove dolžine (v metrih) pa dobimo ustrezne velikosti anten. Če antena nima pravilne velikosti, lahko uničimo oddajnik.

8 Električno in magnetno polje Če teče skozi žico ali cev električni tok, se v okolici pojavi električno polje E ( čutimo električno silo ). Dokaz: dvigne nam lase, če je velika napetost. pojavi pa se tudi magnetno polje H- dokaz: kompas, igla se odkloni.

9 Na anteni gre dejansko za nihanje: nenehno izmenjavo električnega polja v magnetno in obratno. To je ELEKTROMAGNENTO VALOVANJE.

10 In kaj mi z antenami počnemo? Nizkofrekvenčno informacijo (na primer glasbo) nekako obesimo na visokofrekvenčne elektromagnetne (radijske) valove in to spustimo na anteno, ta pa te valove oddaja v prostor. Na drugi strani pa jih sprejemna antena sprejema in iz teh visokofrekvenčnih elektromagetnih valov nam sprejemnik izlušči nizkofrekvenčno informacijo v našem primeru glasbo.

11 Radijski valovi se odbijajo tudi od stavb, hribov

12 Širjenje radijskih valov

13 Sloji ionov podnevi in ponoči tudi od njih se odbijajo radijski valovi

14 Definicija antene ANTENA JE NAPRAVA, KI NAM SPREMINJA ELEKTROMAGNENTO VALOVANJE V ELEKTRIČNO NAPETOST ALI PA OBRATNO. EMV U

15 Oddajna antena pretvori električno moč iz oddajnika v elektromagnetne valove (EMV) in jih izseva v prostor. Sprejemna antena sprejema elektromagnetne valove iz prostora in jih spremeni v napetost ali tok.

16 Oprema za vzpostavljanje zvez 5. Antena 3. SWR meter Koaksialni kabel 2. Ant. Tuner: impedančna prilagoditev 4. Balun: prilagoditev nesimetrično/s imetrično 1. Radijska postaja: sprejemnik in oddajnik

17 Impedanca antene Z Je upornost antene v točki, kjer se napaja s kablom. Z = U Ω Zaželena je le ohmska upornost, tedaj pravimo,da je antena v resnonanci. I Če antena ni v resnonanci, lahko uničimo oddajnik in imamo pa tudi slabši sprejem signalov.

18 Impedanca antene v napajalni točki koaksialnega kabla: vidimo, da imamo lahko prisotno tudi lastnost kapacitivnosti C in induktivnosti L, kar pa ni zaželeno. Neresonančna antena vsebuje lastnosti poleg ohmske upornosti, še upornost tuljave (+j Ω) in upornost kondenzatorja (-j Ω).

19 Impedanca antene Z =R+jX Na impedanco antene vpliva več dejavnikov: velikost antene, frekvenca, zemljišče dimenzije antene, način postavitve. Antena mora biti resonančna, tedaj se obnaša kot ohmski upor in je primerna za oddajanje. Primer: Zant=50 Ω. Neresonančna antena vsebuje še lastnosti tuljave XL (+j Ω) in kondenzatorja Xc (-j Ω). Primer 1:Impedanca antene Z = 57 + j171 Ω. Antena ima ohmski značaj 57 Ω in induktivni značaj XL=10 Ω. Skupna impedanca Z je tedaj: Z 2 2 = = 180, 2Ω Primer 2: Impedanca antene Zant=75 - j18 Ω. Antena ima ohmski značaj 75 ohmov in kapacitivni značaj XC=18 Ω.

20 Reaktivna upornost X tuljave in X kondenzatorja in skupna impedanca Z X L = 2 Π f L TULJAVA značaj +j X c = 1 2 Π f C KONDENZATOR značaj -j X = X L + X C Tuljava in kondenzator Z = R 2 + X 2 Skupna impedanca Z

21 Vrste in osnovne lastnosti ANTEN Pogledali si bomo dipol antene, vertikalne antene, yagi antene, quad antene

22 ODPRTI POLVALNI DIPOL ANTENA

23 ODPRTI POLVALNI DIPOL Dolžino odprte polvalne antene v metrih lahko izračunamo po enačbah: d(m) = λ 2 k Ali pa po enačbi: d(m) = 150 f (MHz) k K je skrajševalni faktor in je 0,93 do 0,98. Mehanska in električna dolžina antene sta namreč enaki le pri neskončno tanki žici in v praznem prostoru. Antena iz debelejše žice ima večjo kapacitivnost (-j). V praksi pustimo raje malodaljšo žico (cev), in nato krajšamo ob merjenju na SWR instrumentu,

24 Razporeditev toka in napetosti na polvalni dipol anteni Na vsakem predelu antene lahko izračunamo impedanco (upornost) antene po Ohmovem zakonu R=U/I. Impedanca se podaja v točki napajanja antene (kjer priključimo koaks kabel). Za polvalno dipol anteno znaša od Z=50 do 80Ω, mi pa ravno uporabljamo koaksialne kable 50Ω (najpogosteje, saj je izhod oddajnika 50 Ω ) ali 75 Ω. Lahko bi napajali dipol na koncu, vendar prilagoditveno vezje 1:2. je tu U/I večje (100 Ω), zato bi rabili

25 Dipol antena postavljena v obliki obrnjene črke V ( Inverted V antena) izolator Izolatorji na koncu so vsaj 3m nad zemljo Za več frekvenčnih obsegov

26 Zaprti polvalni dipol antena zvijemo žico ali cev dolžine λ in priključimo gor koaksialni kabel to je potrebna še impedančna prilagoditev (več o tem kasneje) Je boljši od odprtega dipola, vendar ga je mehansko težje narediti. Za koaksialni kabel 50 ohmov potrebujemo balun 4:1,saj ima ta antena okrog 200 ohmov impedance.

27 Sevanje antene 3D SEVALNI DIAGRAMI EMV

28 Sevalna diagrama antene VODORAVNI sevalni diagram: v katero smer antena seva oziroma sprejema. To določa električna poljska jakosti E. NAVPIČNI: kako oddaja oziroma sprejema od ionosfere. Tega določa magnetna poljska jakost H:

29 Vodoravni sevalni diagram antene Lahko si predstavljamo, kot da je antena izvor svetlobe. V smeri, kjer svetilka najbolj sveti, antena najbolj seva (ali sprejema).

30 Vodoravni sevalni diagram dipol antene postavljene v smeri Z-V nad ravnim zemljiščem s Z v J

31 Vodoravni sevalni diagram Yagi antene: 10 elementov

32 Dipol antena, vodoravni sevalni diagram Rumena barva: sevanje antene naprej FORWARD Zelena barva: antene nazaj BACKWARD IZ tega dobimo F/B razmerje (naprej/nazaj), ki ga podajamo v decibelih db. Večje je F/B razmerje, bolj je usmerjena antena. Poznamo tudi razmerje naprej/stran (F/S).

33

34 Dipol antena, vodoravna smer sevanja

35 Vodoravni sevalni diagram neuglašene dipol antene- ni v resonanci

36 Vertikalna dipol antena na ravni zemlji sevalni diagram

37 Sevalni diagram Inverted V antene

38 NAVPIČNI DIAGRAM SEVANJA DOSLEJ SMO SI OGLEDALI VODORAVNO SEVANJE ANTENE. KAJ PA NAVPIČNO SEVANJE ANTENE? KAKO SE VENDAR RADIJSKI VAL SE ODBIJA OD PLASTI IONOSFERE? IN S TEM RAZDALJA NAŠE ZVEZE?

39 ELEVACIJA-NAVPIČNI KOT SEVANJA VPLIVA NA RAZDALJO VZPOSTAVLJENE ZVEZE Antene sevajo vodoravno in navpično. Za dolge zveze na kratkem valu je posebno pomemben sevalni kot, saj se valovi odbijajo od plasti ionosfere (D, E, F1, F2).

40 α Navpični sevalni diagram vodoravne dipol antene.

41 Navpični sevalni diagram dipol antene postavljene na višino λ/2

42 Polvalni dipol lahko postavljamo tudi tako: Če nimamo dovolj prostora, lahko dipol anteno tudi zvijamo po svoje, vendar se s tem njeno sevanje spremeni- smer ni več enaka kot pri običajno postavljenem dipolu (postane bolj usmerjena), pa tudi njena resonanca se spremeni..

43 Vpliv debeline žice na impedanco antene, primer Zalo tanka žica Z gre od do ohmov Debelejša žica (boljše) Impedanca gre od do ohmov

44 Vpliv debeline žice na impedanco antene, primer

45 DIPOL ANTENE ZA VEČ FREKVENČNIH OBSEGOV MULTIBAND DIPOLI Prednosti: več frekvenčnih območij ( npr. 3,5MHz, 7MHz, 14MHz..), nizka cena. Slabosti: problemi prilagoditve impedance, izgube. Spoznali bomo Zepp antene, Windom anteno in trap dipol. 1. Zepp multiband dipol End feed Zepp Center feed Zepp-boljša Dimenzioniramo jo za 3,5 MHz, deluje pa tudi na 7, 14, 21 in 28MHz.

46 DIPOL ANTENE ZA VEČ FREKVENČNIH OBSEGOV MULTIBAND DIPOLI 2. Windom multiband dipol antena (tudi FD4 ali D4B antena) Z=300 Ω 3,5MHz=80m, 7MHz=40m, 14MHz=20m, 18MHz=17m, 21MHz=15m, 24MHZ=12m, 28MHz=10m, 50MHz=6m.

47 DIPOL ANTENE ZA VEČ FREKVENČNIH OBSEGOV MULTIBAND DIPOLI 3. TRAP dipol Na potrebni dolžini antene vgradimo nihajne kroge-trape, ki imajo visoko impedanco v svoji resonanci. Tako se antena obnaša, kot da je od trapa dalje več ni. Posebna izvedba je W3DZZ, ki ima le en trap preraučnan na resonančno frekvenco 7,1MHz in deluje na vseh ostalih.

48 YAGI usmerjena antena So najbolj uporabljane usmerjene antene. Enostavno se dajo narediti doma.

49 YAGI usmerjena antena Sevalni element je odprt ali zaprt dipol. Za njim damo nekoliko daljši element-reflektor, rped njim pa karjše elemente-direktorje.

50 YAGI usmerjena antena 4-elementna

51

52 Vodoravni sevalni diagram Yagi antene: 10 elementov

53 YAGI usmerjena antena-sevalni diagrami Vodoravni sevalni diagram Navpični sevalni diagram

54 YAGI usmerjena antena za več frekvenčnih območij Vgradijo se trapi-slabša kvaliteta, je pa zato za 3 območja

55 STEKIRAN YAGI SISTEM

56 28 MHz, radioamterske zveze iz Bostona v Evropo s 4 ele Yagi, visoko 90, 60 in 30 čevljev.

57

58 Mehanika yagi anten

59 KV Yagi antene so velike. Tako dolgih cevi za elemente ne dobimo, zato na boom montiramo najprej debele cevi, v te pa potem vtaknemo tanjše cevi in jih pritrdimo z objemkami.

60 Drugi del zančne antene, kabli, baluni, antenski tunerji SWR