Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas)

Transcript

1 19 Απριλίου 2010 Συστήματα Κεραιών & Ασύρματη Διάδοση Κεραίες Χοάνης, Ανακλαστήρα & Μικροταινίας Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες κεραίες στις μικροκυματικές επικοινωνίες. Χρησιμοποιείται στη ράδιο αστρονομία, στις δορυφορικές επικοινωνίες καθώς και ως στοιχείο τροφοδοσίας σε κεραίες ανακλαστήρα και σε μικροκυματικούς φακούς, ενώ αποτελεί πρότυπο για τη ρύθμιση και τον υπολογισμό του κέρδους για άλλες κεραίες. Έχει απλή κατασκευή, εύκολη διέγερση, μεγάλο κέρδος και επιθυμητή λειτουργία για πολλές εφαρμογές. Αγγελική Μονέδα 2

2 Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Διατομής επιπέδου-ε(e-plane sectoral) Το μεγαλύτερο άνοιγμα της κεραίας είναι παράλληλο προς το διάνυσμα Ε. Καθώς το άνοιγμα της κεραίας αυξάνει το διάγραμμα ακτινοβολίας γίνεται πιοπλατύκαιγιακάποιατιμήτηςγωνίαςψ 1 τομέγιστοεμφανίζεταιεκτός του άξονα της κεραίας. Πέρα από αυτή την τιμή το διάγραμμα εξακολουθεί ναγίνεταιπιοπλατύκαιτομέγιστοεπιστρέφειεπάνωστονάξονα. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρείται και για το μήκος της κεραίας. Αγγελική Μονέδα 3 Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Διατομής επιπέδου-ε(e-plane sectoral) Κατευθυντικότητα b1 50 ΥπολογίζεταιοόροςΒ: B= λ ρe λ ΥπολογίζεταιητιμήG E : ΓιαΒ<2: G Ε =32B/π ΓιαΒ 2: Απότοσχήμα13.9 Υπολογίζεται η κατευθυντικότητα: a 50 ab1 G D E E = GE = λ ρ λ 2 λ B e Αγγελική Μονέδα 4

3 Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Διατομής επιπέδου-η(η-plane sectoral) Το μεγαλύτερο άνοιγμα της κεραίας είναι παράλληλο προς το διάνυσμα Η. Καθώς το άνοιγμα της κεραίας αυξάνει το διάγραμμα ακτινοβολίας γίνεται πιοστενόμέχρικάποιοάνοιγμα. Απότοσημείοεκείνοκαιμετάτο διάγραμμα γίνεται πιο πλατύ λόγω του σφάλματος φάσης στο άνοιγμα της κεραίας. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρείται και για το μήκος της κεραίας. Αγγελική Μονέδα 5 Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Διατομής επιπέδου-η(η-plane sectoral) Κατευθυντικότητα a1 50 ΥπολογίζεταιοόροςΑ: A= λ ρh λ ΥπολογίζεταιητιμήG Η : ΓιαΑ<2: G Η =32Α/π ΓιαΑ 2: Απότοσχήμα13.17 Υπολογίζεται η κατευθυντικότητα: D H b 50 ba1 G = G H H = λ ρ λ 2 λ A h Αγγελική Μονέδα 6

4 Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Πυραμιδοειδής χοάνη Η πιο συνηθισμένη μορφή κεραίας χοάνης. Συνδυάζει τα χαρακτηριστικά των χοανώνεκαιη. ΤοδιάγραμμαακτινοβολίαςείναιπολύστενόκαισταδύοεπίπεδαΕ, Η. Λόγω σφαλμάτων φάσης το μέγιστο δεν εμφανίζεται απαραίτητα κατά μήκος του άξονα της κεραίας. Αγγελική Μονέδα 7 Κεραίες Χοάνης(Horn Antennas) Πυραμιδοειδής χοάνη Κατευθυντικότητα a ΥπολογίζονταιοιόροιΑ,Β: 1 50 b1 50 A =,B= λ ρh λ λ ρe λ ΥπολογίζονταιοιτιμέςG Η,G Ε : ΓιαΑ<2: G Η =32Α/π ΓιαΒ<2: G Ε =32B/π ΓιαΑ 2: Απότοσχήμα13.17 ΓιαΒ 2: Απότοσχήμα13.9 Υπολογίζεται η κατευθυντικότητα: GHGE λ π Dp= = D D ab π ρ λ ρ λ h e 2 H E Αγγελική Μονέδα 8

5 Είναι ο κυρίαρχος τύπος κεραίας για δορυφορικές επικοινωνίες. Οι συνηθέστεροι τύποι κατόπτρων περιλαμβάνουν επίπεδους, γωνιακούς και παραβολικούς ανακλαστήρες Επίπεδο κάτοπτρο Επιτυγχάνει να κατευθύνει την ακτινοβολία προς την επιθυμητή διεύθυνση. Ηπόλωσητηςπηγήςακτινοβολίαςκαιηθέσητηςσεσχέσημετοκάτοπτροκαθορίζουν τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας του συστήματος(διάγραμμα ακτινοβολίας, αντίσταση εισόδου, κατευθυντικότητα). Ηανάλυσητωνχαρακτηριστικώνλειτουργίαςγίνεταιμετημέθοδοτωνειδώλων. Η προσέγγιση του επιπέδου άπειρου μήκους είναι ικανοποιητική για ηλεκτρικά μεγάλες επιφάνειες. Αγγελική Μονέδα 9 Γωνιακό κάτοπτρο Επιτυγχάνει καλύτερη συσσώρευση της ακτινοβολίας προς την επιθυμητή διεύθυνση σε σχέση με το επίπεδο κάτοπτρο. Επιπλέον περιορίζει την ακτινοβολία προς τα πίσω και προς πλευρικές διευθύνσεις. Αποτελείται από δύο ενωμένους επίπεδους ανακλαστήρες που σχηματίζουν μεταξύ τους κάποια γωνία α. Είναι εξαιρετικά απλής κατασκευής και γι αυτό έχει ορισμένες χαρακτηριστικές εφαρμογές Όταν η γωνία α είναι 90, και χρησιμοποιείται ως παθητικός στόχος σε εφαρμογές επικοινωνιών ή ραντάρ, επιστρέφει το προσπίπτον σήμα ακριβώς προς τη διεύθυνση από την οποία έγινε η λήψη. Εξαιτίας αυτής της ιδιότητας τα στρατιωτικά οχήματα σχεδιάζονται με όσο το δυνατόν λιγότερες οξείες γωνίες ώστε να αποτρέπεται η ανίχνευση τους από εχθρικά ραντάρ. Αγγελική Μονέδα 10

6 Γωνιακό κάτοπτρο Στις περισσότερες εφαρμογές η περιεχόμενη γωνία είναι 90. Για να διατηρείται η αποδοτικότητα του συστήματος η απόσταση μεταξύ της ακμής και του στοιχείου τροφοδοσίας πρέπει να αυξάνει καθώς μειώνεται η περιεχόμενη γωνία. Το στοιχείο τροφοδοσίας είναι σχεδόν πάντοτε ένα δίπολο ή μια συστοιχία από συγγραμμικά δίπολα παράλληλα τοποθετημένα προς την ακμή σε απόσταση s. Η απόσταση s συνήθως επιλέγεται μεταξύ λ/3 και 2λ/3 (λ/3<s<2λ/3). Γιακάθεκάτοπτρουπάρχειμιαιδανικήαπόστασηs γιατηνοποίαηκεραίαείναι αποδοτική, με μεγάλη κατευθυντικότητα και ασθενής πλευρικούς λοβούς. ΤοάνοιγμαD a τουγωνιακούανακλαστήρασυνήθωςείναιμεταξύενόςκαιδύο μηκώνκύματος(λ<d a <2λ). Το μήκος l των πλευρών ενός γωνιακού ανακλαστήρα 90 συνήθως επιλέγεται διπλάσιο από την απόσταση s(l 2s). Ηαύξησητουμήκουςτωνπλευρώνδενεπηρεάζειτοεύροςδέσμηςήτην κατευθυντικότητα άλλα αυξάνει το εύρος ζώνης και την αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας. Τούψοςhτουανακλαστήρασυνήθωςεπιλέγεταιμεταξύ1.2 και1.5 του μήκους του στοιχείου τροφοδοσίας, ώστε να περιορίζεται η ακτινοβολία προς τα πίσω. Η ανάλυση της ακτινοβολίας του συστήματος γίνεται με τη μέθοδο των ειδώλων. Αγγελική Μονέδα 11 Γωνιακό κάτοπτρο α=90 α=45 Αγγελική Μονέδα 12

7 Παραβολικό κάτοπτρο Όταν μια δέσμη παράλληλων ακτίνων προσπίπτει σε έναν ανακλαστήρα με σχήμα παραβολής, η ακτινοβολία θα συγκλίνει(συγκεντρωθεί) σε ένα σημείο που ονομάζεται εστιακό σημείο. Εάν μια σημειακά πηγή τοποθετηθεί στο εστιακό σημείο οι εκπεμπόμενη ακτινοβολία που ανακλάται από το κάτοπτρο θα σχηματίσει μια δέσμη παράλληλων ακτίνων. Ότανοεκπομπόςήοδέκτηςτοποθετούνταιστοεστιακόσημείοτης παραβολής η διάταξη είναι τροφοδοτούμενη από μπροστά(front fed). Αγγελική Μονέδα 13 Παραβολικό κάτοπτρο Το μεγάλο μειονέκτημα των τροφοδοτούμενων από μπροστά κατόπτρων είναι ότι απαιτούνται μεγάλες γραμμές μεταφοράς από το σημείο τροφοδοσίας στον κεντρικό εξοπλισμό του πομπού ή του δέκτη. Σε αυτή την περίπτωση αυξάνουν σημαντικά οι απώλειες. Σε ορισμένες περιπτώσεις ολόκληρος ο εξοπλισμός τοποθετείται στο εστιακό σημείο. Σε αυτή την περίπτωση μπορεί να δημιουργηθεί ανεπιθύμητη παρεμπόδιση της ακτινοβολίας. Το σημείο τροφοδοσία μπορεί να τοποθετηθεί εκτός του εστιακού σημείου με τη γεωμετρία Cassegrain, που συνδυάζει ένα παραβολικό και ένα υπερβολικό κάτοπτρο. Μεαυτότοντρόποτοσημείοτροφοδοσίαμπορείνατοποθετηθείπίσωαπότον παραβολικό ανακλαστήρα, κάνοντας την πρόσβαση στο σύστημα πιο εύκολη για επισκευή και ρυθμίσεις. Αγγελική Μονέδα 14

8 Παραβολικό κάτοπτρο Εκτός από τον παραβολικό κύλινδρο και το παραβολοειδές, άλλος συνηθισμένος τύπος παραβολικού κάτοπτρου είναι το σφαιρικό, που χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην αστρονομία. Στο σφαιρικό κάτοπτρο η δέσμη μπορεί να μετακινηθεί μετακινώντας την τροφοδοσία. Σφαιρικό κάτοπτρο με διάμετρο 305m χρησιμοποιείται στο αστεροσκοπείο του Arecibo του Puerto Rico. Στα σφαιρικά κάτοπτρα σημαντική παρεμπόδιση μπορεί να υπάρξει από την τροφοδοσία, οδηγώντας σε υψηλό SLL και μείωση του κέρδους. Αγγελική Μονέδα 15 Παραβολικό κάτοπτρο Τα συνηθέστερα κάτοπτρα είναι τα παραβολοειδή. Το μεγαλύτερο πλήρως κινούμενο παραβολοειδές κάτοπτρο στην Ευρώπη είναι διαμέτρου 100m και βρίσκεται στο ινστιτούτο ραδιοαστρονομίας Max Planck στο Effelsberg της Γερμανίας. Με κατάλληλη τροφοδοσία από το εστιακό σημείο αυτά τα κάτοπτρα δημιουργούν μια στενή δέσμη με χαμηλό SLL και καλό διαχωρισμό crosspolarization. Χρησιμοποιούνται κυρίως στην αστρονομία και θεωρούνται καλή επιλογή παρά το μεγάλο κόστος και τις δυσκολίες κατασκευής. Αγγελική Μονέδα 16

9 Κεραίες μικροταινίας Ικανοποιούν τις απαιτήσεις σύγχρονων εφαρμογών για μικρές, ελαφριές φθηνές κεραίες με εύκολη εγκατάσταση και αξιόπιστη απόδοση. Είναι επίπεδες κεραίες που κατασκευάζονται σε τυπωμένα κυκλώματα και μπορεί να είναι μέρος ενός MMIC. Μεκατάλληλοσχεδιασμόρυθμίζονταιησυχνότητασυντονισμού, ηπόλωση, το διάγραμμα ακτινοβολίας και η αντίσταση εισόδου τους. ΜετηχρήσηκατάλληλωνφορτίωνόπωςοιδίοδοιPIN καιvaractorμπορούν νακατασκευαστούνκεραίεςμεμεταβλητήσυχνότητασυντονισμού, πόλωση, διάγραμμα ακτινοβολίας και αντίσταση εισόδου. Μετηχρήσηοπώνήσχισμώνείναιδυνατώνναρυθμιστούνπεραιτέρωτα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους. Βασικά μειονεκτήματα των κεραιών μικροταινίας είναι η μικρή αποδοτικότητα, η χαμηλή ισχύς, χαμηλή καθαρότητα πόλωσης, μικρή ικανότητα σάρωσης, η ακτινοβολία στο σημείο τροφοδοσίας και το εξαιρετικά μικρό εύρος ζώνης. Αγγελική Μονέδα 17 Κεραίες μικροταινίας Αποτελούνται από ένα πολύ λεπτό μεταλλικό κάλυμμα(patch) τοποθετημένο σεαπόστασηh(h λ 0 ) πάνωαπότοεπίπεδογείωσης. Μεταξύτουςυπάρχει ένα διηλεκτρικό υπόστρωμα. Το υπόστρωμα είναι επιθυμητό να είναι παχύ με διηλεκτρική σταθερά στο χαμηλό άκροτηςπεριοχής2.2 ε r 12ώστεηκεραίαναέχεικαλύτερηαποδοτικότητα, μεγαλύτερο εύρος ζώνης και καλύτερα ακτινοβολούμενο πεδίο. Το σχήμα του καλύμματος είναι τέτοιο ώστε το μέγιστο του διαγράμματος να είναι κάθετο στο επίπεδο του καλύμματος(ευρύπλευρη ακτινοβολία). Αυτό επιτυγχάνεται επιλέγοντας κατάλληλο ρυθμό διέγερσης. Είναι δυνατή και η ακροπυροδοτική λειτουργία. Η τροφοδοσία τους γίνεται συνήθως με γραμμή μικροταινίας, ομοαξονική σύνδεση, σύζευξη μέσω ανοιγμάτων ή σύζευξη λόγω εγγύτητας. Κάθε μία από τα μεθόδους τροφοδοσίας χαρακτηρίζεται από τις δυσκολίες υλοποίησης και το εύρος ζώνης που προσφέρει. Αγγελική Μονέδα 18

10 Κεραίες μικροταινίας Ορθογωνικό κάλυμμα Είναι η πιο συνηθισμένη γεωμετρία Γιακαθορισμέναε r, f r καιhηδιαδικασίασχεδιασμού(w, L) είναιηεξής: c Καθορίζεται το πλάτος: 0 2 W= 2 f r ε r + 1 εr + 1 εr 1 h Υπολογίζεται η ενεργός διηλεκτρική σταθερά: εr,eff = W W ( ε r,eff ) h Υπολογίζεται η επέκταση μήκους: ΔL = h W ( ε r,eff ) h c0 Καθορίζεται το πραγματικό μήκος του καλύμματος: L= 2ΔL f ε 2 r r,eff Αγγελική Μονέδα 19 Κεραίες μικροταινίας ΔιάγραμμαακτινοβολίαςορθογωνικούκαλύμματοςμεL=0.906cm, W=1.186cm, h=0.1588cm, ε r =2.2, f 0 =10GHz. Επίπεδο-Ε Επίπεδο-Η Αγγελική Μονέδα 20