Κεραίες. Ενότητα 4: Τύποι κεραιών. Δημήτρης Βαρουτάς, Αριστείδης Τσίπουρας Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Transcript

1 Κεραίες Ενότητα 4: Τύποι κεραιών Δημήτρης Βαρουτάς, Αριστείδης Τσίπουρας Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

2 Τύποι κεραιών

3 ΚΕΡΑΙΕΣ ΜΑΘΗΜΑ 7o- 8o- 9ο Τύποι κεραιών Μ Ε Ρ/Η Βαρουτάς Α. Τσίπουρας

4 Περιεχόμενα ε ε ενότητας εόηας Ανασκόπηση προηγουμένων... Kατηγορίες κεραιών Ασφάλεια 2

5 Ανασκόπηση Βασικών Παραμέτρων Για όλες τις κεραίες: 1. Πυκνότητα ισχύος w = Re{S} 2.Ολική ακτινοβολούμενη ισχύς P r 3. Αντίσταση ακτινοβολίας R r 4. Εμπέδηση κεραίας Z A 5. Ισοδύναμο κύκλωμα 6. Προσαρμογή φορτίου 7. Ενεργό ύψος l e 8. Ενεργός επιφάνεια A e 9. Ένταση ακτινοβολίας U(θ,φ) 10. HPBW / Bandwidth B 11. Κατευθυντική απολαβή g(θ,φ) 13. Απόδοση ακτινοβολίας e 14. (Power in) Απολαβή G 15. Τ Α Θερμοκρασία 12. κατευθυντικότητα D, Ω Α θορύβου κεραίας 3

6 Αρχή Αντιστοιχίας Reciprocity it Theorem with Consequences Tx = Rx Antenna Friis Transmission Formula P P received transmitted G A G B 4 r 2 4

7 Κατηγορίες κεραιών ιάγραμμα Ακτινοβολίας Wire Antennas Θεώρημα Aperture Antennas Ισοδυναμίας Στοιχειώδεις κεραίες Σύνθετες κεραίες - Dipole, Loop, Helix - Arrays (linear, planar, Yagi) - Slot, Horn, Frequ. Indep. - Reflectors (corner, parab.) 5

8 Στοιχειώδεις κεραίες κές Συμπλ ληρωματι ομές υαδικές ομές b) Βρογχοκεραίες (Circular Loop) a) Dipole - Equivalence to Dipole - Pattern as Dipole, just E and H interchanged - Dipole patterns (very short, half-wave, one wave, 1.5 wave) - Αναδιπλωμένο δίπολο - μονόπολα c) Σχισμοκεραίες (Slot) - Equivalence to Dipole - Pattern as Dipole, just E and H interchanged 6

9 Γραμμικές κεραίες -Wire Structures a) Dipole b) Cross Dipole (any polarisation) c) Loop Antenna d) Helix Antenna (circular polarisation) e) Frequency Independent Antenna (high bandwidth) f) Uda-Yagi Antenna (parasitic elements) g) Linear Antenna Array h) Planar Antenna Array

10 κεραίες Επιφανείας - Aperture Structures a) Slot Antenna b) Horn Antenna (efficient at microwaves) c) Reflector Antennas d) Micro Strip Antenna (patch on substrate)

11 ίπολα Χρησιμοποιούνται για f< 1GHz Χαμηλό κόστος εύκολη κατασκευή 9

12 Στοιχειώδες δίπολο Ν(θ, φ) V' J(r',θ',φ')dV' ẑ h h Idz 2Ihẑ ιάγραμμα Ακτινοβολίας Κατανομή ρεύματος

13 ιπολικές κεραίες τυχαίου μήκος Σε διπολική κεραία, πεπερασμένου μήκους 2h, η ρευματική κατανομή δεν είναι σταθερή. για λεπτές κεραίες (αγωγοί μικρής διαμέτρου π.χ. λ/100), η ρευματική κατανομή έχει ημιτονοειδή μορφή : I (z) ημ[k(h z )], - h z h h h Im z I(z) θ z=z r z=0 (r,θ,φ) Συνεπώς το διάνυσμα ακτινοβολίας θα είναι: N N N(θ, φ) με z ẑ N φ 0, V' J(r', θ, φ)e z συνψ jkrσυνψ dv ẑ h Ie jk z συνψ h zσυνθ 0 z h zσυν(π θ) zσυνθ - h z 0 ημ[k(h r ( kh ) ( kh) N (, ) 4 I z 2 ˆ k Ν θ Ν z συν(khσυνθ) συνkh ημθ ẑ4i kημθ z )]dz 11

14 Παράμετροι: j I jkr ( kh ) kh jni jkr ( kh ) kh E n e e 2 k r 2r n ( kh ) kh (, ) rp av 2 U n ( kh ) kh P r U(, ) dd Με τη χρήση των ημιτονικών και συνημιτονικών ολοκληρωμάτων, Si(x) και Ci(x), x n 2 n1 ημy ( 1) x συνy S i (x) dy Ci (x) dy C ln x S1 (x) y (2n 1)!(2n 1) y 0 n 0 S (x) 1 Με C=0, σταθερά x του Euler x 1 συνy dy y n 1 2n ( 1) x (2n)!(2n) 0 n 11 ) 2 n 1 Pr C ln(2 kh) Ci(2 kh) (2 kh) Si(4 kh) 2 Si(2 kh) συν(2kh) C ln(kh) Ci (4kh) 2Ci (2kh)

15 To Short Dipole Μήκος λ/50<l< /10. self impedance: χωρητική radiation resistance: αρκετά μικρή και οι ωμικές απώλειες ες μεγάλες ες R r 2 P I 0 rad 2 20π 2 λ 2 SWR bandwidth :~ 2% της συχνότητας σχεδίασης f 0 D 0 ~1.8 dbi. (1,5) 13

16 ίπολο λ/2 Εμπέδηση εισόδου:73+j42,5 5 Ω D 0 = W HPBW=78.08 o ακτ 2 R 30S1 (2π) 2 Ι A 2 em m 4 D λ/2α ακτ ,09 Ω R r SWR bandwidth :~ 5% της συχνότητας σχεδίασης f 0 Μήκος ~0.48-0,49 0,49 καλή προσαρμογή με coax 14

17 Μήκος ~ The Extended Double Zepp self impedance: 150 -j800 ohms Antenna can be matched to 50 ohm coax with a series matching section D 0 ~ 5.0 dbi. maximum broadside directivity for a center-fed wire antenna 15

18 Harmonic Operation of /2 Dipoles A /2 dipole is also resonant at integral multiples of its resonant frequency. The self impedance of a /2 dipole at odd multiples of the resonant frequency is ohms. The self impedance at even multiples is > 1000 ohms The directivity is never greater than the extended double Zepp. The pattern is very complex, with many side lobes. 16

19 17

20 κέρδος σε σχέση με το μήκος της κεραίας ΑΠΟ ΟΛΑΒΗ (db) Η κλίση της καμπύλης είναι μικρή, με αποτέλεσμα, για μεγάλα μήκη κεραιών πετυχαίνουμε μικρή αύξηση της Απολαβής της κεραίας Για μεγάλα κέρδη κεραιών επιλέγουμε άλλους τύπους κεραιών λ/4 λ/2 Μήκος Γραμμικής Κεραίας (λ)

21 ιαγράμματα α α αα ακτινοβολίας Η αύξηση του μήκους του δίπολου οδηγεί σε λοβούς μικρότερου εύρους ημιουργεί δευτερεύοντες λοβούς 19

22 ίπολο μη τροφοδοτούμενο στο κέντρο Off-Center Fed Dipole (OCD) Αν η τροφοδοσία του διπολου δεν γίνεται στο κέντρο, είναι δυνατόν να επιτύχουμε στο σημείο τροφοδοσίας χαμηλή εμπέδηση σε συχνότητες διαφορετικές από τα περιττά πολ/σια της resonant frequency Ζin > 100 ohms, χρήση μετασ/στη στο σημείο τροφοδοσίας Γενικά Γ ά καθώς το σημείο τροφοδοσίας μετατοπίζεται προς τα άκρα η εμπεδηση εδηση αυξάνει 20

23 Image Theory Antenna above perfectly conducting plane surface Tangential electrical field component = 0 vertical components: the same direction horizontal components: opposite directions The field (above the ground) is the same as if the ground is replaced by an mirror image of the antenna

24 Μονόπολα Το είδωλο λόγω της γείωσης, διπλασιάζει το ηλεκτρικό μήκος της κεραίας. Ιδιαίτερα, σε χαμηλές συχνότητες, όπου το μήκος κύματος είναι μεγάλο, η επιλογή της γειωμένης κατακόρυφης κεραίας είναι ένας τρόπος να διατηρηθεί το φυσικό μέγεθος της κεραίας σε αποδεκτές διαστάσεις. Η πόλωση μιας κατακόρυφης γραμμικής κεραίας (κατακόρυφη πόλωση) χαρακτηρίζεται από μικρότερη εξασθένηση για διάδοση κοντά στο έδαφος. Χρήση: ΑΜ ραδιοφωνία, σταθμοί βάσης κινητών τα διαγράμματα ακτινοβολίας και τα πεδιακά μεγέθη τους, θα είναι ταυτόσημα με αυτά,, που ήδη έχουν υπολογιστεί για τα δίπολα τυχαίου μήκους. Προφανώς, η ισοδυναμία έχει νόημα για το χώρο πάνω από το επίπεδο της γης (0<θ<90) Tool of Analysis: Image Theory. half power = half radiation resistance: L=/4 : R r = 36.5 D = 3.28 η σύνθετη αντίσταση εισόδου θα είναι και αυτή υποδιπλάσια της σύνθετης αντίστασης του αντίστοιχου δίπολου ενώ η D 0 διπλασιάζεται.

25 Μονόπολα στην πράξη λ/2 above the ground 23

26 Μονόπολα. ιαγραμμα ακτινοβολίας 24

27 25

28 Αύξηση μήκους ήος κεραιών λ/4 26

29 Αναδιπλωμένο ίπολο Το αναδιπλωμένο δίπολο έχει όμοια κατευθυντικά χαρακτηριστικά με το κανονικό δίπολο αλλά τετραπλάσια αντίσταση εισόδου L 0.05λ double strength = double amplitude = four-fold power = four-fold resistance L=/2 : R r =4*73 = 292

30 Εμπέδηση εισόδου- Γραμμικές κεραίες Θεώρημα αμοιβαιότητας Ιδιοεμπέδηση λεπτής Γραμμικής κεραίας I 1 E z L V 1 l 11 Z11 I 2 zezdz I1 I J j kai dv A dv 4 r 4 r 0 0 L=ν λ/2 Z11 30[ Cin(2 ) jsi(2 )] 30[0.577 ln(2 v ) Ci (2 v ) jsi (2 )] 28

31 Αμοιβαία Εμπέδηση η δυο Γραμμικών κεραιών V V I I E z E z = E I 1 V 21 Z Z V 21 1 l Z 21 I2z E21z dz I I I Z Z R jx R jx Επομένως η εμπέδηση μια κεραίας παρουσία άλλης θα είναι: Z Z Z R R j( X X )

32 Αρχή πολ/σμου παράγοντα διαγράμματος Constant (similar to all structures) H j 1 e 2 r jkr sin P 0 f 2 1 E H Individual Pattern (of 1 antenna element) ARRAY FACTOR (different for each Array) f I e jkdn 1 n 1 N 1 n0 n 30

33 Linear Antenna Array z P(r,, ) d y x cos 1 sin cos mixed elevation & azimuth cos 2 pure elevation

34 Uniform Array f N 1 jkdn 1 I n e 1 n0 I n 1e jn Array f N 1 u e j n u kd Factor 1 n0 Maximum (Main Beam) for u = 0 : u cos kdcos kd Broadside Array Endfire Array 90 0 kd 0

35 Εγκάρσιος συνδυασμός διπόλων (turnstile antenna) Τα δύο δίπολα τροφοδοτούνται με φ =π/2: I2 ji 1 I 1 I 2

36 πανκατευθυντική κεραία z Small Cross-Dipole dl A B r E r E A r E r B P y with quadrature current feeding: x I 0 I z jix ^ jkr k e E A r j I dl sin z θ 4 r E B r k e j 4 r jkr I x dl cos cos θ ^ ^ sin φ

37 Radiation Pattern 3-D Pattern z Radiation in all directions! y x 2-D x-z plane z Infinitesimal Finite Length z x x

38 Εφαρμογές 1. Circular polarisation in Broadside direction: Satellite Communication Radar Application 2. Communication of unstabilised space-crafts crafts due to radiation property in all directions. 3. In x-z plane almost circular radiation pattern: TV-broadcast transmit antenna

39 Αρχή δυαδικότητας όηας(babinet Babinet) υαδικά στοιχεία Κύκλωμα RC και κύκλωμα RL ίπολο και βρόχος 37

40 Loop Fundamentals A large loop antenna is composed of a single loop of wire, greater than a half wavelength long. The loop does not have to be any particular shape. RF power can be fed anywhere on the loop. 38

41 Κεραίες βρόχου (Loop antennas) Οι κεραίες βρόχου είναι το μαγνητικό ισοδύναμο του ηλεκτρικού διπόλου. Χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν για εντοπισμό σταθμών

42 Loop Antennas (rectangular, loop) Circular Loop z Loop coefficients B 0, B n see graph. a r P y I V j B 0 2 Bn cos n n1 x Radius of wire: b Small Circular Loop a H r I 2 r E r 2 2 jkr e sin 0 H r The Loop pattern has exactly the same shape as that of a Hertzian Dipole, where the electric and magnetic fields are interchanged.

43 Parameters of the Loop Radiation intensity U Radiation Power P U P 4 k a 2 I sin k a 2 I 0 Radiation Resistance R r R r 2 2 k 2 20 a Directive Gain g g 1.5 sin 2 Radiation Efficiency e 2 2 Rr 10 k a e Rr RL a k a b 2 2

44 The Rectangular Loop The total length is approximately 1.02 The self impedance is depending on height The Aspect Ratio (A/B) should be between 0.5 and 2 in order to have Z s ~ 120 SWR bandwidth is ~ 4.5% of design frequency Directivity is ~2.7 dbi. Note that the radiation pattern has no nulls. Max radiation is broadside to loop Antenna can be matched to 50 coax with 75 /4 matching section. 42

45 Εφαρμογές 1. Bad transmitter, but spatially very compact: Low Frequency AM receiver (HiFi) Connection to high impedance to give high induced voltage. Ferrite as kernel will give even better performance. Multiple loop turns to increase radiation resistance suitable for the frequency range 3MHz to 30MHz 2. Directional z Finder (combined with dipole): y Dipole Resultant Pattern x y Loop - + x

46 Loop Antenna: application Used in radio direction finding (RDF) tune the antenna until null in the signal is obtained, the transmitting station is at right angles to the plane of the loop (See radiation pattern below) Null LOOP 44

47 Κεραίες ευρείας ζώνης Εύρος ζώνης κεραίας: fu fl fu BW ό ύ ή BW ύ ύ fc f L Μια κεραία είναι ευρείας ζώνης όταν οι παράμετροί της δεν αλλάζουν τουλάχιστον μέσα σε μια οκτάβα: f u /f L =2 45

48 Λογαριθμικές κεραίες (Log Log periodic) Οι λογαριθμικές κεραίες είναι κεραίες συστοιχίας διπόλων. Έχουν το πλεονέκτημα ότι λειτουργούν εξίσου καλά σε πολύ ευρύ φάσμα συχνοτήτων (independence of radiation resistance and radiation pattern to frequency) Έχουν γραμμική πόλωση Χρήση: κεραίες λήψης UHF Σχεδίαση: d2/d1=d3/d2=d4/d3 d3/d2 d4/d3 =L2/L1=L3/L2=L4/L3 L3/L2 L4/L3 = fl/fu Rr = Ω kai fu/fl=10

49 Ελικοειδής κεραία Diameter D z Number of turns N Turn spacing S Pitch Angle Είναι συνδυασμός γραμμικής κεραίας και βρόχου The Helical Antenna was invented by John Kraus in x Circumference C Ground Plane > /2 Operational Modes Normal Mode Radiation Axial Mode Radiation

50 Normal Mode Radiation Diameter D z y x Entire Helix Length L Normal Mode Radiation (broadside) appears if: D<< entire L << Πόλωση : κυκλική Συνιστώσες πεδίου: Εθ και Εφ με φ=π/2

51 Axial Mode Radiation (preferred ) Axial Mode Radiation (endfire) appears if: 3/4 < C/ <4/3 1. Narrow Mainbeam with minor sidelobes z 2. HPBW 1/(Number of turns) 3. Circular Polarisation (orientation helix orientation) y 4. Wide Bandwidth 5. No coupling between elements x Circumference C 6. Supergain Endfire Array

52 Parameter of Axial Mode Radiation HPBW HPBW 65 C 3 N S Gain G 5 N S C 3 2 Input Impedance Z in 140 Z i C Axial Ratio (Polarisation) AR 2N 1 2N

53 Εφαρμογές 1. High gain, large bandwidth, simplicity, circular polarisation in AXIAL MODE: Space Communication ( MHz) 2. Arrays of Helixes with higher gain (they hardly couple!)

54 Yagi Fundamentals A Yagi-Uda array consists of 2 or more simple antennas (elements) arranged in a line. The RF power is fed into only one of the antennas (elements), called the driver. Oh Other elements get their RF power from the driver through mutual impedance. The largest element in the array is called the reflector. There may be one or more elements located on the opposite side of the driver from the reflector. These are directors. 52

55 Κεραίες Uda-Yagi Κεραίες αυξημένης κατευθυντικότητας z d 2 Endfire d 1 y x Director Reflector Driver reflector 5% longer director 5% shorter d=d1=d2:

56 ιάγραμμα ακτινοβολίας Reflector 240 Driver Director 54

57 Application of Uda-Yagi The Uda-Yagi is the most popular receiving antenna in VHF-UHF due to: 1. Simple feeding system design 2. Low cost 3. Light weight 4. Relatively high gain

58 Application of Uda-Yagi Higher frequencies cause higher propagation losses. Thus higher gains with more directors are required. VHF FM-Radio (88MHz-108MHz) 3 element UY TV (low) (54MHz-88MHz) 3 element UY TV (high) (174MHz-216MHz) 5-6 element UY UHF TV (470MHz-890MHz) element UY

59 Πρακτικές αρχές σχεδίασης 1. Closer spacing between elements a broader main beam. 2. Wider spacing greater bandwidth. 3. Uda-Yagi has broader bandwidth if reflector is longer than optimum and director shorter. 4. Folded dipole as driven element to gain more radiation power and broader bandwidth. 5. To broaden bandwidth, reflector should be replaced by flat sheet (or wire grid). 6. Tilted fan dipole for broader bandwidth. 7. G=2.5n όπου n o αριθμός των κατευθυντήρων (n<8-10)

60 VHF TV κεραία (λήψης) Man-made noise was found to be preferably vertical polarised! TV broadcast is horizontally polarised! Sheet Reflector Folded Dipole Driver Feeding Mast 5-6Directors

61 Συνεπώς μια κεραία yagi... (~40 Ω για απλό δίπολο) 59

62 Σχεδιασμός κεραίας Yagi Εστω ότι η ευαισθησία ενός έκτη Τηλεόρασης είναι 200 μvolt και η ένταση του πεδίου στο σημείο λήψης είναι 100 μv/m. Ζητείται η κατασκευή της κατάλληλης λ κεραίας ώστε να διασφαλισθεί αξιόπιστη λήψη. Η χαρακτηριστική αντίσταση εισόδου του δέκτη είναι 240 Ohms. Η απαιτούμενη ισχύς εισόδου στον δέκτη της τηλεόρασης, λό θα πρέπει να είναι: P ό V R 2 ό 200 V Watts 240 2

63 Η κεραία θα πρέπει να συνδεθεί με την Τηλεόραση με ένα ομοαξονικό καλώδιο μήκους 100 m. Οι απώλειες που εμφανίζει το καλώδιο αυτό, είναι: 3 db/100m. Επομένως: 3 db Συνολικές απώλειες καλωδίου: 3 db ΔΕΚΤΗΣ 3 db Κεραία P εισόδου P 10 ό W P Κεραίας P 10 ί W 3dB 10log 10 P ί P ί P ό Watts

64 Η Πυκνότητα ακτινοβολίας S είναι: S E Z 2 0 W m 2 W V / m Ohms m Επομένως, η Ενεργός Επιφάνεια, είναι: P ί A ό S W W 2 m m 2

65 174MHz 181MHz Θεωρώ ότι η περιοχή των συχνοτήτων λειτουργίας, είναι: fώ f ί f f 177,5MHz ώ fί και 8 m c 310 sec 6 f 177,5 10 Hz 1.7m Η απολαβή της κεραίας θα πρέπει να είναι: Aό 4 G G db log db 10 10

66 Υπολογισμός συνολικού μήκους της κεραίας G 10 db 7. 3 db ή Αρα: L m L

67 Υπολογισμός του αριθμού των Κατευθυντήρων Από πειραματικές μετρήσεις προκύπτει ότι για απόσταση Ενεργού Διπόλου -1ου Κατευθυντήρα, 0.2 λ, η κεραία εμφανίζει την μέγιστη απόδοση από πλευράς απολαβής. Αρα: l E cm Επομένως, ο αριθμός των Κατευθυντήρων, είναι: n ί l L E 215cm 34cm 6 Ενεργό Δίπολο: 1 Κατευθυντήρες: 5

68 Το μήκος L K του κάθε κατευθυντήρα είναι: L K 2 L K m 76cm Το μήκος L EΔ είναι: L E m L 85cm 2

69 Υπολογισμός της απόστασης L A-EΔ του Ανακλαστήρα από το Ενεργό Δίπολο Z 85cm 2 : W 90cm z w W 85cm 2 :W 90cm L A E 4 1.7m L A 42cm 4

70 ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΙΑΜΕΤΡΟΣ Κράμα AlMgSi ΠΑΧΟΣ ΜΟΝΑ ΕΣ MHz MHz MHz mm 12 1 mm 10 1 mm mm MHz

71 Yagi Array of Loops (quad array) This Yagi-Uda array uses rectangular loops as elements. The reflector s perimeter is ~ 3% larger than the driver s. The driver s perimeter is ~ 1 The first director s perimeter is ~ 3% smaller than the driver s, and additional directors are progressively smaller. Interelement spacings are 0.1 to 0.2 λ. 69

72 Advantages of a Quad Array Fewer elements are needed - gain of a 2-el quad is almost equal to a 3 el yagi in terms of FB and G Quad loops can be nested to make a multiband antenna. The input Z of quads are much higher than yagis, simplifying matching (50 90 vs ). Quads can be constructed from readily available materials (bamboo poles, wire). 70

73 Συλλογή κεραιών UHF 71

74 Application of Corner Reflector Tilted Dipole in the Corner Reflector produces an elliptically polarised wave. Application - Communication through ionosphere (Faraday Rotation) - Minimises clutter echoes from raindrops

75 Κεραίες χοάνης -Horn Antennas TE 10 E-Plane H-Plane Pyramidal sectoral horn sectoral horn horn Excitation: TE 10 mode Impedance Matching through flare Gradual Transmission with minimised reflection

76 Horn antennas are very popular at UHF (300 MHz-3 GHz) and higher frequencies (horn antennas operating as high as 140 GHz) Horn antennas often have a directional radiation pattern with a high antenna gain, which can range up to 25 db in some cases, with db being typical Horn antennas as have a wide impedance bandwidth, dt implying that the input impedance is slowly varying over a wide frequency range (which also implies low values for S11 or VSWR) The bandwidth for practical horn antennas can be on the order of 20:1 (for instance, operating from 1 GHz-20 GHz), with a 10:1 bandwidth not being uncommon. 74

77 Specifications 1. Directive Radiator 2. Primary feed for parabolic reflectors 3. High gain, wide bandwidth and simple 4. Particularly used in microwave region (>1GHz) 5. Fan radiation patterns 6. Φ 3dB (rad)=1.2λ/α 7. Θ 3dB (rad)=1.2λ/b

78 Σχισμοκεραίες - Slot antennas Slot antennas are used typically at frequencies between 300 MHz and 24 GHz The slot antenna is popular because they can be cut out of whatever surface they are to be mounted on, and have radiation pattern that are roughly omnidirectional (similar il to a linear wire antenna) The polarization of the slot antenna is linear. The slot size, shape and what is behind it (the cavity) offer design variables that can be used to tune performance Τhe polarization of the two antennas are reversed. That is, since the dipole antenna on the right in Figure 2 is vertically polarized, the slot antenna on the left will be horizontally polarized. Συμπληρωματικό στοιχείο μιας σχισμοκεραίας είναι το δίπολο Z dipole 73 j42.5 Z slot ( / 2) 363 j211 76

79 Slot Antennas z L V 1 EA sin k L z e w 2 -x x y S: slot C: συμπληρωματικό w 1 1 jkr cos klcos cos kl V e E 2 2 ( r ) j ee φ r sin

80 Slot on Waveguide Walls TE 10 mode Radiation is maximum at maximal interrupted current Radiation No Radiation

81 Applications 1. Slot Antennas are used in fast-moving vehicles, radar, sector antennas for cell phones. 2. The slot-length is usually /2 3. Particularly used in microwave region (>1GHz)

82 Μικροταινιακές (microstrip) i κεραίες Ι Στη βασική μορφή μια μικροταινιακη κεραία αποτελείται από διηλεκτρικό υλικό εr, πάχους h, επιμεταλλωμένου και από τις δυο πλευρές. Το κάτω μέρος αποτελεί το επίπεδο γείωσης (ground plane) και το πάνω αποτέλεσμα της διαδικασίας χημ. ιάβρωσηςαποτελεί το ενεργό στοιχείο της κεραίας

83 Microstrip ( ) Microstrip (Patch) Antennae Feed Patch Substrate L r t d The size of the microstrip antenna is inversely proportional to its frequency. That means the larger the antenna, the lower the frequency it is able to detect. For this reason, microstripantennas are generally used for ultra-high frequency signals. A microstrip antenna capable of sensing frequencies lower than microwave would be too large to use.

84 Μικροταινιακές (microstrip) i κεραίες ΙΙ

85 Patch Shapes Rectangular Dipole Elliptical Circular Ring Triangular -Transmission Line Analysing Methods - Cavity - Maxwell Equations

86 Application & Performance 1. It is applied where small antennas are required: aircrafts, mobiles, etc A microstrip ip antenna can also be printed directly onto a circuit c it board. Since the microstripantenna requires few materials, it is low cost, easy to manufacture and light weight. These characteristics make microstrip antennas ideal for use in cell phones and other small electronic devices. 2. Due to shape variations they are versatile in polarisation, pattern, impedance, etc. 3. They have a low efficiency, spurious feed radiation and a narrow bandwidth 4. They usually operate in broadside regime 5. /3 < L < /2 and 2 < r < 12

87 Κεραίες μεγάλης μγ απολαβής 1. Uda-Yagi: 15dB 2. Helical Antenna: 15dB Complicated Feeding 3. Antenna Arrays high gains many elements 4. Horn: high gains large size Aperture increasing Reflector Artificially increase size - (re-) transmitted waves are in phase - (re-) transmitted waves are as parallel as possible

88 Κεραίες με παραβολικό ανακλαστήρα Σε αυτές τις κεραίες το ραδιοκύμα που εκπέμπεται προέρχεται από ανάκλαση σε κάποιου είδους ανακλαστήρα και όχι από κατευθείαν εκπομπή Χαρακτηριστικά τους είναι η μεγάλη κατευθυντικότητα που επιτυγχάνουν και το πολύ καλό διάγραμμα ακτινοβολίας που έχουν εν επιτρέπουμε στο ραδιοκύμα να διαδοθεί προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά το συγκεντρώνουμε - εστιάζουμε την ακτινοβολία προς μια κατεύθυνση 86

89 Αρχή λειτουργίας Η μικροκυματική πηγή (στοιχειο κεραία) τοποθετείται στο σημείο εστίασης (focal point) Το κύμα που προκαλείται έχει τη μορφή ενός σφαιρικού κύματος. Όταν συναντήσει την επιφάνεια του ανακλαστήρα, ανακλάται αλλάζοντας φάση κατά 180 μοίρες. Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίδια με την γωνία ανάκλασης,, σύμφωνα με τον νόμο του Snell Εξαιτίας της ιδαίτερης γεωμετρίας του ανακλαστήρα, όλα τα ανακλώμενα κύματα θα είναι παράλληλα και η απόσταση από το σημείο εστίασης F μέχρι το επίπεδο x, είναι η ίδια ανεξάρτητα της διαδρομής, και όλες οι συνιστώσες της δέσμης φεύγουν 87

90 Τύποι ανακλαστήρα Truncated Paraboloid Ο ανακλαστήρας είναι παραβολοειδούς μορφής στο οριζόντιο επίπεδο Η μικροκυματική ακτινοβολία εστιάζεται σε οριζόντιο επίπεδο Επειδή ο ανακλαστήρας είναι κομμένος στην κάθετη διεύθυνση, η ακτινοβολία στο κάθετο επίπεδο σκορπίζεται αντί να εστιάζεται Cylindrical Paraboloid Ο ανακλαστήρας είναι παραβολοειδούςδ ύ μορφής μόνο στην μία κατεύθυνση. Στην άλλη κατεύθυνση είναι περίπου σαν ορθογώνιο. Έτσι η εκπεμπόμενη δέσμη είναι κατευθυντική στο ένα επίπεδο μόνο Ο τύπος του feeder που χρησιμοποιείται είναι μια γραμμική σειρά διπόλων, ένας κυματοδηγός με σχισμές ή μια κεραία τύπου κυματοδηγού με τη μία διάσταση αρκετά μεγαλύτερη από την άλλη Τα σημεία εστίασης σχηματίζουν μια ευθεία γραμμή. Αλλάζοντας το πλάτος του παραβολοειδούς, η κύρια δέσμη αλλάζει σχήμα Εφαρμογές υπάρχουν σε radar και επίγεια συστήματα ελέγχου προσέγγισης. 88

91 Τύποι παραβολικών κεραιών Prime focus (PF) Όταν ο τροφοδότης τοποθετείται στον άξονα που περνά από το κέντρο του κατόπτρου Offset fed (OF) Ο τροφοδότης δεν τοποθετείται στον άξονα που περνά από το κέντρο το κατόπτρου Για κεραίες διαμέτρου μέχρι ένα μέτρο ο συγκεκριμένος τύπος προσφέρει μεγαλύτερο κέρδος Για μεγαλύτερη διάμετρο είναι δύσκολο να γίνει μια σταθερή, χαμηλού κόστους κατασκευή, οπότε χρησιμοποιείται ο τύπος PF Η διεύθυνση όπου εμφανίζεται ο κύριος λοβός δεν ταυτίζεται με τον άξονα που περνά από το έ ό Dual reflector κέντρο του κατόπτρου Έχει δύο κάτοπτρα έτσι ώστε να επιτυγχάνει μεγαλύτερο κέρδος. Τα κάτοπτρα με δύο ανακλαστήρες χρησιμοποιούνται πολύ λίγο σε μικρής 89 διαμέτρου κεραίες

92 Επιλογή του τροφοδότη - feeder Η μορφή του feeder έχει καθοριστική σημασία για την επίδοση της κεραίας. πχ αν χρησιμοποιήσουμε σαν πηγή ένα δίπολο η μικροκυματική ακτινοβολία θα διαδίδεται και προς άλλες κατευθύνσεις και όχι μόνο προς τον ανακλαστήρα Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα: Μικρότερο κέρδος και φαρδύτερο κύριο λοβό, Σημαντική εκπομπή προς άλλες κατευθύνσεις εκτός της κύριας (πλευρικούς λοβούς) Με χρήση ασπίδας ώστε να κατευθύνει την περισσότερη ακτινοβολία προς την ανακλαστική επιφάνεια, η κατευθείαν θί ακτινοβολία από τον τροφοδότη αποτρέπεται, ο κύριος λοβός γίνεται στενότερος και το κέρδος της κεραίας μεγαλύτερο Η επιλογή του τροφοδότη επηρεάζει: Τη Θερμοκρασία της κεραίας Την Απόδοση Τους πλευρικούς λοβούς Το κέρδος και το εύρος του κυρίως λοβού 90

93 Κεραίες με παραβολικό ανακλαστήρα - Parabolic Reflector. Χαρακτηριστικά Parabolic Dish Parallel and in-phase waves D 4 2 A e Feed D 4 2 r 2 - Dish has to be 100% parabolic - Feeder shouldn t block too much Non-uniform fields due to aperture blocking etc A e ap A ph ap Aperture Efficiency = 80% Όσο μεγαλώνει το μέγεθος του κατόπτρου (>2,4μ) γίνεται αδύνατο να κατασκευαστεί το κάτοπτρο από ένα ενιαίο σώμα. Έτσι γίνεται αρκετά πιο δύσκολο να επιτύχουμε μεγάλη απόδοση σε μεγαλύτερα

94 ιαγράμματα α ακτινοβολίας ας Πρώτος μηδενισμός κύριου λοβού: Θ FN = 35/r θ 3dB db=κ κ λ/(2r), ) κ=[ ] r : η ακτίνα του κατόπτρου 4 2 ap 2 Κατευθυντικότητα: D ap r Σε γωνίες μακρυά από τους άξονες του κυρίως λοβού, το διάγραμμα ακτινοβολίας έχει πλευρικούς λοβούς Τα χαρακτηριστικά των πλευρικών λοβών επηρεάζονται από τον τύπο του τροφοδότη, την τοποθέτηση του, την παρουσία του τροφοδότη και του στηρίγματος του 2 92

95 Εφαρμογές 1. Used where high gains are required: Cosmic Radiation, etc. 2. Navigation 3. ορυφορικές επικοινωνίες Deviation from perfect surface can be made <1mm Diameters are usually 1m-300m Η παραβολοειδής κεραία είναι πολύ αποτελεσματική στο να απορρίπτει ενεπιθύμητα σήματα και ηλεκτρικό θόρυβο Σήματα από άλλες κατευθύνσεις ανακλώνται στην ανακλαστική επιφάνεια σε κατευθύνσεις τέτοιες που δεν χτυπούν το σημείο εστίασης και έτσι δεν γίνονται αντιληπτά.

96 Εφαρμογές τηλεπικοινωνιών Στην πράξη, στις κεραίες με παραβολικό ανακλαστήρα, υπολογίζεται η απαιτούμενη διάμετρος για να επιτευχθεί συγκεκριμένη κατευθυντικότητα άρα συγκεκριμένο γωνιακό άνοιγμα δέσμης (Θ, Ф). Συχνότητες: Μικροκύματα (f > 300 MHz) Ενεργό στοιχείο: Δίπολο (400 ΜΗz 2 GHz) Χοανοκεραία (> 2 GHz) Κατασκευή: f<1ghz:επιφάνεια συνεχής ή διάτρητη f>1ghz:επιφάνειαφ ανακλαστήρα συνεχής και λεία (ανοχή λ/32) ) Διάμετρος D: Συνήθως 1 3m Ενεργός επιφάνεια: Α eff = κ.(πd( 2 /4) (κ 0,8) ) Χρήση: Επίγειες μικροκυματικές ζεύξεις 94

97 Τύπος κεραίας μορφή Gi [db] HPBW[ o ]U( U(θ,φ) ισοτροπική ίπολο(hertz) Turnstile βρόχος Υagi Ελικοειδής Παραβολική Horn Horn δικωνική x200 95

98 Ασφάλεια Ι Ακτινοβολώντας πάνω σε ανθρώπινα ομοιώματα και μετρώντας την άνοδο της θερμοκρασίας που η ακτινοβολία προκαλούσε βρέθηκαν τα ακόλουθα νούμερα για την ένταση του πεδίου: 1 to 10 Shorter exposure of about a mw/cm 2 few hours every 24 hours is tolerated Above 10 DANGEROUS RADIATION. mw/cm 2 Personnel should not be exposed to radiation of this magnitude. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι αν υπερβούμε το 10mW/cm 2 η άνοδος της θερμοκρασίας θα μας προκαλέσει μη αντιστρεπτή μεταβολή στα κύτταρα μας 96

99 Ασφάλεια ΙΙ Η ένταση του πεδίου συσχετίζεται με την ισχύ του πομπού, το κέρδος της κεραίας και την απόσταση Ελάχιστη απόσταση ασφαλείας : R min = N10 (G-L)/10 P 4 π S where: G antenna gain P power delivered to antenna L total loss (db) between transmitter antenna N number of transmitters combined to the antenna S maximum allowed power density in air (W/m 2 ) 97

100 Ασφάλεια ΙΙΙ Αντικαθιστώντας Α θ ώ και με την υπόθεση ότι το κέρδος κεραίας είναι 0dB έχουμε: Power (W) Dangerous Safe Distance (m) Distance (m) Τα νούμερα αυτά υπολογίστηκαν πειραματικά με βάση τα άμεσα αποτελέσματα της ακτινοβολίας Πειραματικά αποτελέσματα για την μακροχρόνια έκθεση δεν υπάρχουν (χρειάζεται επιδημιολογική μελέτη μετά από χρόνια έκθεσης σε ακτινοβολία), όμως αποτελούν ένα καλό μέτρο σύγκρισης 98

101 Παραδείγματα Ένα κινητό GSM εκπέμπει 1 με 2 watt (όταν είναι μακριά από το σταθμό βάσης του), άρα η απόσταση ασφαλείας είναι 30cm Μία κεραία κινητής τηλεφωνίας στη χειρότερη περίπτωση έχει 40watt ισχύ, με κέρδος κεραίας 10db, άρα EIRP=400watt, άρα η ελάχιστη απόσταση είναι 6 μέτρα Ένας Έ πομπός ραδιοφώνου ή τηλεόρασης με ισχύ 30000watt έχει ελάχιστη απόσταση 30μέτρα Ένα WiFi τερματικό, όπου η EIRP περιορίζεται εκ του νόμου στα 100mW, έχει απόσταση ασφαλείας τα 10cm 99

102 Τέλος Ενότητας Τύποι κεραιών

103 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Τύποι κεραιών 4

104 Σημειώματα

105 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Τύποι κεραιών 6

106 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών, Δημήτρης Βαρουτάς, Αριστείδης Τσίπουρας. «Κεραίες, Τύποι κεραιών». Έκδοση: 1.0. Αθήνα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: Τύποι κεραιών 7

107 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Τύποι κεραιών 8

108 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Τύποι κεραιών 9

109 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες Τύποι κεραιών 10