Εργαστηριακές μετρήσεις και κατασκευή πεδιόμετρου για ανίχνευση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Transcript

1 Εργαστηριακές μετρήσεις και κατασκευή πεδιόμετρου για ανίχνευση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Διπλωματική Εργασία Ονοματεπώνυμο: Καλούσιος Παναγιώτης, Μιαρίτης Νέστορας Αριθμός Ειδικού Μητρώου : 5359, 6001 Επιβλέπων καθηγητής : Γιούλτσης Σραϊανός Θεσσαλονίκη, Οκτώβρης

2 2

3 Σριμελής Επιτροπή : 1. Γιούλτσης Σραϊανός 2. Κανταρτζής Νικόλαος 3. Κριεζής Εμμανουήλ 3

4 4

5 τον Αλέξανδρο Λιόλιο, στον άνθρωπο που έδειξε πρώτος το δρόμο της ταπείνωσης. 5

6 6

7 Περίληψη Η εργασία αποτελείται απο τρεις ενότητες εργαστηριακών εφαρμογών. την πρώτη γίνονται κάποιες απλές μετρήσεις. Η πρώτη αφορά τον υπολογισμό της διηλεκτρικής σταθεράς με χρήση του network analyzer και ανάλυση των μετρήσεων με το λογισμικό MATLAB χρησιμοποιώντας πίνακες σκέδασης. Η δεύτερη αφορά την μέτρηση της αυτεπαγωγής με χρήση ενός RLC κυκλώματος γνωστών στοιχείων. Σέλος μετρήσαμε τα χαρακτηριστικά της GSM κεραίας μας με σκοπό την βελτίωση των δυνατοτήτων της. Η δεύτερη ενότητα αναφέρεται στην κατασκευή ενός EMF ανιχνευτή στις VHF μπάντες. Αρχικά αναλύεται ο τρόπος κατασκευής του κυκλώματος και στη συνέχεια μετρούμε VHF πομπούς. Οι ενδείξεις που πέρνουμε δεν είναι άλλες από αυτές της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου Σέλος, στην Σρίτη ενότητα κατασκευάζουμε πάλι έναν ανιχνευτή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου αυτή τη φορά όμως, για τις ζώνες συχνοτήτων που αναφέρονται στην κινητή τηλεφωνία (βάση της χρήσης του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στην Ελλάδα). Ο σκοπός του είναι να ανιχνεύει ζεύξεις κινητών τηλεφώνων. 7

8 8

9 Περιεχόμενα 1 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΕ ΜΕΣΡΗΕΙ 1.1 Μέτρηση διηλεκτρικής σταθεράς Μέτρηση αυτεπαγωγής τοιχεία θεωρίας κεραιών χεδιασμός και μέτρηση gsm κεραίας EMF DETECTOR 2.1 Σί είναι ένας emf detector τοιχεία θεωρίας ενισχυτών Ανάλυση κυκλώματος Διαδικασία κατασκευής Εφαρμογή σε πηγές ακτινοβολίας CELLPHONE DETECTOR 3.1 Μπάντες κινητής τηλεφωνίας Ανάλυση κυκλώματος Ανίχνευση κλήσης

10 Κεφάλαιο 1 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΕ ΜΕΣΡΗΕΙ 1.1 Μέτρηση Διηλεκτρικής ταθεράς Η φιλοσοφία που ακολουθήθηκε για τον υπολογισμό της διηλεκτρικής σταθεράς της πλάκας fr4 ήταν να παρεμβάλλουμε ένα μικρό τμήμα της μεταξύ κυματοδηγών γνωστών χαρακτηριστικών. network analyzer 10

11 Σα στοιχεία του υπό μέτρηση κυκλώματος είναι: υνολικό μήκος κυματοδηγού WR90 : 3.76mm Μήκος τμήματος κυματοδηγού με διηλεκτρικό FR4 : 1.515mm Μήκος κενού κυματοδηγού : 2.245mm Οι μετρήσεις που πήραμε από τον network analyzer αφορούν τις S παραμέτρους.για την ακρίβεια έχουμε την S11, την S12,S21 και S22 για το πλάτος και την φάση S11 phase S21 phase x

12 S11 mag S21 mag x er x

13 2πf εr Ισχύει ότι β= C0 1 ( fc )^2 για κυματοδηγό ορθογωνικής διατομής. f Εμείς χρησιμοποιήσαμε τον κυματοδηγό WR90 ο οποίος έχει διαστάσεις a=2.286cm και b=1.016cm.οι συχνότητες που εξετάσαμε είναι η μπάντα Χ(8-12GHz) στην οποία έχουμε διάδοση του ΣΕ 10 ρυθμού.η συχνότητα αποκοπής του είναι fc= c0.η πρώτη συχνότητα αποκοπής είναι 6.56GHz και η επόμενη είναι του 2a ρυθμού ΣΕ 20 και έχει τιμή 13.12GHz. Η μέθοδος υπολογισμού της διηλεκτρικής σταθεράς είναι η εξής: Αρχικά έχοντας τις S παραμέτρους από τον Network Analyzer του συνολικού κυκλώματος ως μέτρο και φάση χωριστά συνθέτουμε τους πίνακες χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB.Tα βήματα που ακολουθήσαμε είναι: 1. Να απολογαριθμίσουμε τους πίνακες με τα πλάτη με σκοπό τελικά να έχουμε τις παραμέτρους σε μιγαδική μορφή του τύπου x+i*y. 2. Μετατροπή μοιρών σε ακτίνια 3. Καταχώρηση σε μιγαδική μορφή 4. Μετατρέπω τις S παραμέτρους σε ABCD 5. Βρίσκω τον ABCD του FR4 6. Εξισώνω τα στοιχεία του πίνακα με τους τύπους των παραμέτρων ABCD 13

14 Ο κώδικας δίνεται παρακάτω: % Basic parameters N = 201; Z0=50; Y0=1/Z0; c0=3*10^8; fmin = 8e9; fmax = 12e9; aa= ;%diastasis tou kimatodigou bb= ; fc=c0./(2*aa); l2=2.245*10^(-3); l1=1.515*10^(-3); h0=120*pi; Filename = '06_04_.txt'; % Initialization %S11 = zeros(n,1); %S21 = zeros(n,1); freq = fmin:((fmax-fmin)/(n-1)):fmax; f=(freq)'; % Read file fid=fopen(filename,'r'); % fgetl reads the title line, fscanf reads data (only first column is kept) %ο πινακας [2 Ν] ειναι οι διαζηαζεις ηοσ πινακα S( 2 γραμμες και Ν ζηηλες). %ο S11 μεηα ειναι μονο η 1η γραμμη ηοσ S ανεζηραμμενη T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S11_l = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S11_p = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S21_l = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S21_p = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S12_l = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S12_p = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S22_l = S(1,:)'; T = fgetl(fid); [S,count] = fscanf(fid,'%f, %f\n',[2 N]); S22_p = S(1,:)'; fclose(fid); %dimiourgia migadikon S parametron %απολογαριθμιζμος S11_logmag S11_m=10.^(S11_l/20); S12_m=10.^(S12_l/20); S21_m=10.^(S21_l/20); S22_m=10.^(S22_l/20); %metatropi moires se rad S11_p_r=S11_p.*(pi/180); S12_p_r=S12_p.*(pi/180); S21_p_r=S21_p.*(pi/180); S22_p_r=S22_p.*(pi/180); 14

15 %kataxorisi tou S11 se migadiki morfi S11=S11_m.*exp(S11_p_r*i); S12=S12_m.*exp(S12_p_r*i); S21=S21_m.*exp(S21_p_r*i); S22=S22_m.*exp(S22_p_r*i); %Metatrepo tis S parametrous se ABCD A=((1.+S11).*(1-S22)+S12.*S21)./(2.*S21); B=Z0.*((1.+S11).*(1+S22)-S12.*S21)./(2.*S21); C=Y0.*((1.-S11).*(1-S22)-S12.*S21)./(2.*S21); D=((1.-S11).*(1+S22)+S12.*S21)./(2.*S21); %O pinakas abcd tou kenou b2=(2*pi*f./c0).*(sqrt((1-fc./f).^2)); A2=(cos(b2*l2)); B2=(Z0*i*sin(b2*l2)); C2=(Y0*i*sin(b2*l2)); D2=A2; sum=[a B;C D]; space=[a2 B2;C2 D2]; %Vrisko ton ABCD tou fr4 %syms AA BB CC DD AA1 BB1 CC1 DD1 AA2 BB2 CC2 DD2; %Q=[AA BB;CC DD]; %W=[AA1 BB1;CC1 DD1]; %R=[AA2 BB2;CC2 DD2]; %T=Q*inv(R) B1=(A2.*B)./(A2.*D2 - B2.*C2) - (A.*B2)./(A2.*D2 - B2.*C2); C1=(C.*D2)./(A2.*D2 - B2.*C2) - (C2.*D)./(A2.*D2 - B2.*C2); %Eksisono ta stoixeia tou pinaka me ta gnosta Z01=sqrt(B1./C1); Zw=(h0./(sqrt(1-(fc./f).^2))); Zw1=(Zw.*Z01)./50; er=((h0./zw1).^2)+((fc./f).^2); % Plot figure('color','w') plot(freq,er,'b'); hold on; % plot(freq,s21_p,'g'); grid on; legend('er',0); 15

16 1.2 Μέτρηση Αυτεπαγωγής Σο πηνίο κατασκευάζεται πάνω σε καλούπι(κατσαβίδι) διαμέτρου 3mm όπως φαίνεται στις εικόνες. 16

17 Για την μέτρηση της αυτεπαγωγής των πηνίων των 13 ων και 15 στροφών χρησιμοποίησα την εξής μέθοδο: ε ένα κύκλωμα RLC χρησιμοποιώντας μία γεννήτρια συχνοτήτων και έναν παλμογράφο μέτρησα την τάση στα άκρα της αντάστασης και έψαξα να βρω την συχνότητα συντονισμού(μέγιστο πλάτος).σέλος χρησιμοποίησα την γνωστή σχέση ω 0 =1/ LC Σελικαά οι τιμεές των αυτεπαγωγών είναι: 15 στροφών πηνίο:135nf 13 στροφών πηνίο:125nf 17

18 1.3 τοιχεία Θεωρίας Κεραιών Διάγραμμα ακτινοβολίας Ως διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας ορίζεται «μια μαθηματική συνάρτηση ή μια γραφική αναπαράσταση των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας της κεραίας, συναρτήσει των χωρικών συντεταγμένων. την πλειονότητα των περιπτώσεων, το διάγραμμα ακτινοβολίας καθορίζεται στην περιοχή μακρινού πεδίου και αναπαρίσταται συναρτήσει των πολικών συντεταγμένων. Σα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας μπορεί να περιλαμβάνουν την ένταση ακτινοβολίας (ανεξάρτητη απόστασης από την κεραία), ένταση πεδίου και πυκνότητα ακτινοβολούμενης ισχύος. Σο γράφημα της χωρικής μεταβολής του ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου για σταθερή απόσταση από την κεραία, ονομάζεται διάγραμμα πεδίου. Παρότι το τρισδιάστατο διάγραμμα περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες, μερικά σχεδιάσεις του διαγράμματος σαν συνάρτηση της γωνίας θ για συγκεκριμένες τιμές του φ, και μερικές σχεδιάσεις του διαγράμματος συναρτήσει του φ για συγκεκριμένες τιμές της θ, δίνουν άμεσα και περιεκτικά τις περισσότερες πληροφορίες που χρειαζόμαστε. Για γραμμικά πολωμένες κεραίες, η επίδοση συνήθως περιγράφεται σε σχέση με τα βασικά διαγράμματα Ε- και Η-επιπέδου. Σο Ε-επίπεδο καθορίζεται ως το «επίπεδο που περιλαμβάνει το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου και την κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας», ενώ το Η-επίπεδο ως το «επίπεδο που περιλαμβάνει το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου και την κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας». Είναι συνήθης πρακτική να προσανατολίζουμε τις περισσότερες κεραίες έτσι ώστε τουλάχιστον ένα από τα βασικά διαγράμματα να συμπίπτει με ένα από τα γεωμετρικά βασικά επίπεδα. Πυκνότητα ισχύος Η ποσότητα αυτή χρησιμοποιείται για να εκφράσει τη μέση πυκνότητα ακτινοβολούμενης ισχύος σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου που περιβάλει τον ακτινοβολητή. υγκεκριμένα ορίζεται ως 1 * Pav r Re 2 E r H r Ένταση ακτινοβολίας και υνολική ακτινοβολούμενη ισχύς Η ένταση ακτινοβολίας είναι μέγεθος που χαρακτηρίζει την μακρινή περιοχή μιας κεραίας και εκφράζει την ισχύ που ακτινοβολείται ανά μονάδα στερεάς γωνία και ορίζεται από τη σχέση: U 2, r Pr 18

19 Η συνολική ακτινοβολούμενη ισχύς που ακτινοβολεί μια κεραία προκύπτει συναρτήσει τόσο της πυκνότητας ισχύος όσο και της έντασης ακτινοβολίας, μεγέθη αλληλένδετα. Επομένως αν επιλέξουμε να την εκφράσουμε συναρτήσει της έντασης ακτινοβολίας, προκύπτει η σχέση: 2 Wrad U, d d d U, sin 0 0 υντελεστής ανάκλασης και λόγος στάσιμου κύματος Ο συντελεστής ανάκλασης ρ σε κάποιο σημείο μιας γραμμής μεταφοράς είναι το πηλίκο των φασιθετών του ανακλώμενου και του προσπίπτοντος κύματος τάσης στο σημείο εκείνο. Ειδικά στο σημείο τερματισμού μιας γραμμής μεταφοράς σε μια κεραία, ο συντελεστής ανάκλασης δίνεται από τη σχέση: όπου η μιγαδική αντίσταση εισόδου της κεραίας και Z η χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής μεταφοράς. Εάν θεωρηθεί η κεραία ως πολύθυρο (ή καλύτερα ως μονόθυρο αφού έχει μόνο μια είσοδο), τότε ο συντελεστής ανάκλασης στην είσοδό της, ισούται με την S-παράμετρο S 11 με επίπεδο αναφοράς την είσοδο της κεραίας. Όταν η γίνει ίση με την Z, τότε έχει επιτευχθεί προσαρμογή (matching) οπότε και ο συντελεστής ανάκλασης μηδενίζεται. Η επίτευξη προσαρμογής είναι πρωταρχικός στόχος κατά των σχεδιασμό κεραιών που συνδέονται σε γραμμές τροφοδοσίας. Αντίστοιχα το πηλίκο Z L Z Z Z Z 0 Z 0 V max V min 0 0 της μέγιστης και ελάχιστης τιμής του στάσιμου κύματος τάσης που δημιουργείται σε έναν τερματισμό (εδώ την κεραία), ονομάζεται Λόγος στάσιμου κύματος ή VSWR και ισχύει: 1 L 1 S VSWR 1 1 S L Απόδοση ακτινοβολίας κεραίας Η απόδοση ακτινοβολίας μιας κεραίας ορίζεται ως το πηλίκο της ακτινοβολούμενης ισχύος προς την ισχύ που τροφοδοτεί την κεραία. Εάν επίσης θεωρήσουμε ότι το πραγματικό μέρος της αντίστασης 19

20 εισόδου της κεραίας είναι ίσο με Ra Rr RL, όπου ο όρος RL είναι υπεύθυνος για τις ωμικές απώλειες της κεραίας ενώ ο R r για την ακτινοβολούμενη ισχύ, τότε ισχύει η σχέση: n r Wrad Rr W R R in r L υνολική απόδοση κεραίας Η ολική απόδοση μιας κεραίας λαμβάνει υπόψη απώλειες στην είσοδο της κεραίας καθώς και στο εσωτερικό της. Η σχέση που δίνει την ολική απόδοση είναι: όπου L, ο συντελεστής ανάκλασης στην είσοδο της κεραίας. Σότε, η σχέση μεταξύ της ακτινοβολούμενης ισχύος και της ισχύος W α που φτάνει στην είσοδο της κεραίας είναι Wrad nt W. n n 1 t r L 2 Κατευθυντικότητα και Κέρδος κεραίας Η Κατευθυντικότητα μιας μη ισοτροπικής πηγής είναι ίση με το πηλίκο της έντασης ακτινοβολίας της ιδίας, προς την ένταση ακτινοβολίας ισοτροπικής πηγής που εκπέμπει όμως την ίδια ισχύ ακτινοβολίας, δηλαδή: Μια ακόμη χρήσιμη ποσότητα που περιγράφει την επίδοση μιας κεραίας είναι το Κέρδος. Παρότι το κέρδος είναι στενά συνδεδεμένο με την κατευθυντικότητα, εντούτοις είναι μια ποσότητα που λαμβάνει υπόψη τόσο τις κατευθυντικές ικανότητες όσο και την απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας. Σο κέρδος ορίζεται ως: όπου n r D η απόδοση ακτινοβολίας της κεραίας. g, U, U, 4 U 0 W, U, U Gg, 4 4 nr nr Dg, W W in rad rad 20

21 Συπωμένο μονόπολο Η κεραία μονόπολο αποτελεί μια ελκυστική σχεδίαση στο χώρο των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, εξαιτίας της απλότητας κατασκευής της, της ευρυζωνικής λειτουργίας της και της σχεδόν ομοιοκατευθυντικής συμπεριφοράς της. Σο οριζόντια τοποθετημένο μονόπολο πάνω από επίπεδο γείωσης έχει σημαντικά αυξημένο εύρος ζώνης σε σχέση με το απλό μονόπολο, κάνοντάς το ιδανικό για χρήση σε ευρυζωνικές εφαρμογές ασύρματων επικοινωνιών. Παρόλα αυτά, το μέγεθος και ο προσανατολισμός του επίπεδου γείωσης σε σχέση με το ακτινοβολούν στοιχείο θέτουν φυσικούς περιορισμούς στη χρήση τέτοιων κεραιών. Μια εφαρμογή που επιχειρεί να προσεγγίσει και να ενταχθεί στα όρια λειτουργίας ηλεκτρικά κεραιών αποτελεί το τυπωμένο μονόπολο με το επίπεδο γείωσης τυπωμένο στο ίδιο διηλεκτρικό υπόστρωμα και παράλληλα προς το ακτινοβολούν στοιχείο. Με αυτό τον τρόπο, η κεραία έχει αποκτήσει χαμηλό προφίλ, χαμηλή σε φυσικό όγκο, ευκολότερη στην κατασκευή και κατάλληλη για ενσωμάτωση σε τυπωμένα κυκλώματα ως τερματική κεραία. Ένα απλό μοντέλο του τυπωμένου μονοπόλου φαίνεται στο σχήμα. Η μια πλευρά του υποστρώματος έχει καλυφθεί με λεπτό μεταλλικό φύλλο που εκπροσωπεί το επίπεδο γείωσης, ενώ στην άλλη πλευρά έχει τυπωθεί λεπτή μεταλλική ταινία που αντιπροσωπεύει το μονόπολο. Σο τυπωμένο μονόπολο εξέχει του επιπέδου γείωσης, ενώ η συγκεκριμένη τοποθέτηση του επιπέδου γείωσης κάνει εύκολη την εφαρμογή μικροταινίας για την τροφοδοσία του μονοπόλου. Εποπτική εικόνα τυπωμένου μονοπόλου Η χρήση διηλεκτρικού υποστρώματος με διηλεκτρική σταθερά 1, κάνει ικανή την κατασκευή 0 μονοπόλου με μήκος L, όπου 0 το μήκος κύματος της συχνότητας λειτουργίας της κεραίας, στον 4 ελεύθερο χώρο. Επιτυγχάνεται έτσι η σμίκρυνση της κεραίας με αρνητικές επιπτώσεις όμως στο εύρος ζώνης της και το κέρδος της. r 21

22 Μικροταινία Η χρήση της μικροταινία αποτέλεσε βήμα σταθμό στην προσπάθεια σμίκρυνσης των RF συσκευών και μείωσης του κόστους κατασκευής. Η μικροταινία είναι γραμμή μεταφοράς δύο απομακρυσμένων αγωγών, αποτελούμενη από έναν λεπτό μεταλλικό αγωγό πλάτους w ο οποίος βρίσκεται στην πάνω επιφάνεια διηλεκτρικής πλάκας πάχους h που ονομάζεται υπόστρωμα, ενώ η κάτω πλευρά του υποστρώματος είναι εξολοκλήρου καλυμμένη με αγωγό που έχει το ρόλο επιπέδου γείωσης. Ο χώρος γύρω από το υπόστρωμα είναι αέρας (ή κενό) χωρίς αυτό να είναι δεσμευτική συνθήκη. Η διάταξη φαίνεται στο σχήμα Μικροταινία Οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του διηλεκτρικού μέσου ορίζονται με τη σχετική διηλεκτρική επιτρεπτότητα. Σο υπόστρωμα επιλέγεται συνήθως να είναι μαγνητικά αδρανές δηλαδή. Σα r 0 πεδία που αναπτύσσονται μεταξύ του αγωγού και του επιπέδου γείωσης, υφίστανται τόσο στο διηλεκτρικό υλικό όσο και στον αέρα πάνω από τη διάταξη. Αυτό το διηλεκτρικά ανομοιογενές περιβάλλον οδηγεί στην κυματοδήγηση ημι-σεμ ρυθμών (quasi-tem) και περιπλέκει σε μεγάλο βαθμό την θεωρητική ανάλυση της μικροταινίας. Με τη χρήση του όρου ημι-σεμ ρυθμών, υπονοείται ότι υπάρχει πάντοτε μια μικρή αλλά όχι αμελητέα διαμήκης συνιστώσα των πεδίων που κυματοδηγούνται. Οι γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου συγκεντρώνονται κυρίως στο υπόστρωμα. Η θυσάνωση που εμφανίζεται στα άκρα του αγωγού, κάνει τη μικροταινία να φαίνεται ηλεκτρικά μεγαλύτερη σε σχέση με τις φυσικές της διαστάσεις, όπως φαίνεται παρακάτω. 22

23 Θυσάνωση ηλεκτρικού πεδίου σε μικροταινία Από τη στιγμή που κάποια από τα κύματα οδεύουν στο υπόστρωμα και κάποια άλλα στον αέρα, οφείλουμε να εισάγουμε τον ορισμό της ενεργού σταθεράς reff που λαμβάνει υπόψη της τα φαινόμενα της θυσάνωσης και της μη ομοιογενούς διάταξης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. ε χαμηλές συχνότητες η ενεργός διηλεκτρική σταθερά είναι ουσιαστικά σταθερή. τις ενδιάμεσες συχνότητες η τιμή της αρχίζει να αυξάνεται γνησίως μονότονα και τελικά καταλήγει να προσεγγίσει τη διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος. Η αρχική τιμή (στις χαμηλές συχνότητες) του reff προσεγγίζεται από τη σχέση reff r 1 r 1 h w 1 2 Η χαρακτηριστική αντίσταση της μικροταινίας αν και είναι δύσκολο να οριστεί σε κλειστή μορφή, εντούτοις μπορεί να βρεθεί με τη χρήση αριθμητικών μεθόδων όπως η μέθοδος των μεταβολών και η μέθοδος Galerkin, με τις οποίες υπολογίζεται η χωρητικότητα μικροταινίας και προκύπτει μετά εύκολα η τιμή της χαρακτηριστικής αντίστασης. ανά μονάδα μήκους της Για την κατασκευή της κεραίας μας τυπώσαμε τα σχέδια σε διαφάνειες Α4 στις πραγματικές τους διαστάσεις και τυπώθηκαν σε πλακέτα διηλεκτρικού υποστρώματος FR4 με την εξής διαδικασία: α.ευθυγραμμίσαμε τα σχέδια με την πλακέτα β.εκθέσαμε την πλακέτα σε UV ακτινοβολία για 125 sec γ. το φωτοευαίσθητο υλικό που υπάρχει επάνω από τα αγώγιμα φύλλα της πλακέτας καίγεται στις περιοχές όπου δεν καλύπτεται από τα σχήματα. Δηλαδή, τα τυπωμένα στις διαφάνειες σχήματα προστατεύουν τις περιοχές στις οποίες είναι επιθυμητό να παραμείνει το φωτοευαίσθητο υλικό και ο αγωγός (τελικά). C C, w, h r 23

24 δ. Έπειτα, απομακρύνεται το καμένο φωτοευαίσθητο υλικό από την πλακέτα με τη διαδικασία του developing: Η πλακέτα εμποτίζεται για περίπου ένα λεπτό σε ειδικό διάλυμα. ε. το επόμενο στάδιο, με τη διαδικασία του etching, απομακρύνεται το ανεπιθύμητο αγώγιμο μέρος ούτως ώστε να παραμείνουν μόνο τα αγώγιμα σχέδια των κεραιών. ε διάλυμα NaPS με νερό, το οποίο έχει ρυθμιστεί να βρίσκεται σε θερμοκρασία γύρω στους 50 οc, τοποθετείται η πλακέτα για περίπου 15 λεπτά. το τέλος της διαδικασίας, έχει απομακρυνθεί πλήρως το υπόλοιπο αγώγιμο μέρος και έχουν παραμείνει μόνο τα αγώγιμα φύλλα των κεραιών. ζ. Η τελευταία διαδικασία απαιτεί το κόψιμο της πλακέτας. Έπειτα, γίνεται η κόλληση των SMA connectors. 24

25 25

26 Μια κεραία ελλειπτικού μονοπόλου. 26

27 1.3.1 χεδιασμός Και Μέτρηση Gsm Κεραίας τα πλαίσια της έρευνας μας προκειμένου να κατασκευάσουμε μία κεραία για τις GSM μπάντες ξεκινήσαμε από το εμπορικό πρότυπο SmartWing. Η εν λόγω κεραία χρησιμοποιείται στα αυτοκίνητα για λήψη σε συχνότητες GSM αλλά και GPS.Οι GSM συχνότητες στις οποίες λειτουργεί είναι : ΜΗz και MHz.Σα δύο της "φτερά" είναι εκατέρωθεν του διηλεκτρικού στρώματος στο οποίο στηρίζεται. Σο κυκλικό μέρος είναι το GPS patch. 27

28 Παρακάτω παρουσιάζονται κάποιες σταδιακές τροποποιήσεις με σκοπό την προσαρμογή της κεραίας μας στις επιθυμητές συχνότητες που αναφέρονται στις ελληνικές κινητές επικοινωνίες. 1.Έτσι βελτιώθηκε η προσαρμογή και ο SWR στις υψηλές συχνότητες. 2.Επιπλέον βελτίωση της προσαρμογής αφού μικραίνοντας τους αγωγούς τροφοδοσίας μειώνουμε τις χωρητικές ζεύξεις 3.Με τις γωνίες μεγαλώνουμε το εύρως της πάνω μπάντας. 4.Δραματική διεύρυνση του εύρους και στις δύο μπάντες με μικρό κόστος στην προσαρμογή. 5.Προσαρμογή μηκών για μεγαλύτερη ακρίβεια στις επιθυμητές συχνότητες. 28

29 6.Σελικά τοποθετώντας στο πάνω στρώμα και τα δύο φτερά βελτιώσαμε την ακρίβεια στην χαμηλή μπάντα. Κάποιες αλλαγές που χειροτέρεψαν τις επιδόσεις της κεραίας είναι: 1.φέραμε τα φτερά πολύ κοντά το ένα στο άλλο 2.μειώσαμε κατά το ένα τρίτο το πλάτος των φτερών Οι διαστάσεις φαίνονται παρακάτω: 29

30 Οι μετρήσεις SWR με network analyzer φαίνονται παρακάτω: Από τις προσομοιώσεις παίρνουμε: 30

31 31

32 Κεφάλαιο 2 EMF DETECTOR 2.1 Σί Είναι Ένας Emf Detector Ορισμός: Ένας ανιχνευτής ηλεκτρομαγνητικού πεδίου(emf Detector) είναι ένα επιστημονικό όργανο μέτρησης ηλεκτρομαγνητικών πεδίων.οι περισσότεροι ανιχνευτές μετρούν την συνεχή συνιστώσα της ακτινοβολίας(dc fields) ή την αλλαγή του πεδίου με την πάροδο του χρόνου(ac fields), χρησιμοποιώντας την ίδια κεραία αλλά διαφορετικά χαρακτηριστικά ανίχνευσης. Σύποι: Τπάρχουν κατά κύριο λόγο δύο τύποι, ο μονού άξονα ανιχνευτής και ο τριπλού.οι single-axis ανιχνευτές είναι φθηνότεροι αλλά χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να ολοκληρώσουν τις μετρήσεις.για μια ολοκληρωμένη μέτρηση χρειάζεται να τους γέρνεις στους τρεις άξονες.αντίθετα οι tri-axis ανιχνευτές μετρούν αυτόματα και τους τρεις άξονες αλλά είναι πιο ακριβοί. Σα ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορούν να παραχθούν απο AC ή DC ρεύματα. Ένας ανιχνευτής μπορεί να μετρήσει AC πεδία, που συνήθως εκπέμπονται απο man-made πηγές όπως η ηλεκτρική καλλωδίωση.απο την άλλη τα γκαουσόμετρα και τα μαγνητόμετρα μετρούν DC πεδία. Ικανότητα μετρήσεων: Σα περισσότερα η/μ πεδία που συνηθίζουμε να μετρούμε στις μέρες μας είναι αυτά που προέρχονται απο τα νοικοκυριά και τις βιομηχανίες. Γι αυτο και οι ανιχνευτές στην πλειονότητά τους μετρούν συχνότητες δικτύου,δηλαδή 50 και 60 Hz.Για ειδικούς ερευνητικούς σκοπούς μετρούν εναλλακτικά και στα 20 Hz.Σα σύγχρονα πεδιόμετρα μπορούν να καλύψουν ένα μεγάλο φάσμα.πιο συγκεκριμένα μπορούν να μετρήσουν από 20Ηz ως και 2.1GHz(δορυφορικά και επίγεια σήματα). Σέλος μπορούν να μετρήσουν BER, QPSK και SΝR. 32

33 Μετρήσεις: Μια εναλλακτική επιλογή στους ανιχνευτές είναι η αντικατάσταση της κεραίας με κατάλληλο αισθητήρα(probe) για καλύτερες μετρήσεις.οι αισθητήρες μπορούν γενικά να θεωρούνται ως κεραίες με διαφορετικά χαρακτηριστικά.τις μέρες μας οι μετρήσεις η/μ πεδίων είναι ευρέως διαδεδομένες σε διάφορους τομείς και γι αυτό είναι πολύ σημαντική η προστασία των ανθρώπων απο τις ιονίζουσες ακτινοβολίες. Τπάρχουν δυο κύριοι τύποι μετρήσεων: 1.Μετρήσεις ευρέως φάσματος, όπου χρησιμοποιείται ένας ευρυζωνικός αισθητήρας(πρόκειται για τρεις ανεξάρτητες διόδους-ανιχνευτές που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων.) 2.Μετρήσεις με επιλογή συχνότητας όπου το μετρητικό σύστημα αποτελείται απο μια κεραία ευρυζωνική και απο έναν αναλυτή φάσματος.ο αναλυτής φάσματος επιτρέπει την εξέταση των συχνοτήτων που μας ενδιαφέρουν. Ιδανικές ισοτροπικές μετρήσεις: Προβλέψεις ηλεκτρικού πεδίου σε ορθογώνιο πλαίσιο αναφοράς. Οι μετρήσεις η/μ πεδίων που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα ηλεκτρικού πεδίου ή έναν μαγνητικού πεδίου μπορούν να γίνουν ισοτροπικά ή μονοαξονικά,ενεργητικά ή παθητικά. Ένας μονοαξονικός-κατευθυντικός αισθητήρας είναι μια διάταξη που αντιλαμβάνεται το γραμμικά πολομένο ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Η χρήση μονοαξονικού αισθητήρα συνεπάγεται τρεις μετρήσεις,μια σε κάθε άξονα του καρτεσιανού συστήματος.για παράδειγμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας αισθητήρας που να μετράει το ηλεκτρικό πεδίο παράλληλα με τον άξονα συμμετρίας.ε είναι το πλάτος ενός τυχαίου ηλεκτρικού πεδίου και θ είναι το εύρως της γωνίας μεταξύ του άξονα του αισθήτηρα και της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου Ε.Σο σήμα που ανιχνεύεται είναι ανάλογο της σχέσης Ε cosθ. Σο συνολικό πλάτος του πεδίου είναι: 33

34 Ένας ισοτροπικός ανιχνευτής απλοποιεί την διαδικασία μέτρησης επειδή το πεδίο προσδιορίζεται από τρεις μετρήσεις χωρίς να αλλάζει η θέση του αισθητήρα.αυτό προκύπτει απο τη γεωμετρία της συσκευής η οποία αποτελείται απο τρία ευρυζωνικά αισθητήρια που τοποθετούνται ορθογώνια μεταξύ τους.την πράξη η τιμή της εξόδου του κάθε στοιχείου μετράται σε τρία διαδοχικά διαστήματα υποθέτοντας ότι οι συνιστώσες του πεδίου είναι χρονικά ανεξάρτητες. Ενεργητικοί και παθητικοί αισθητήρες: Οι ενεργοί αισθητήρες περιέχουν ενεργά στοιχεία.υνήθως οι τελευταίοι επιτρέπουν πιο ακριβής μετρήσεις σε σχέση με τους παθητικούς αισθητήρες.την πραγματικότητα μια παθητική κεραία λήψης συλλέγει ενέργεια από το η/μ πεδίο που μετράει και την καθιστά διαθέσιμη σε μια υποδοχή καλλωδίου RF.Αυτό το σήμα πηγαίνει στην συνέχεια στον αναλυτή φάσματος, με πιθανότητα μεγάλη να τροποποιηθούν τα χαρακτηριστικά του πεδίου λόγω της παρουσίας του καλλωδίου,ειδικά σε συνθήκες κοντινού πεδίου.μια εναλλακτική λύση είναι η μεταφορά του σήματος με ένα οπτικό φέρον.σα βασικά στοιχεία του συστήματος αυτού είναι μια ηλεκτρο-οπτική κεραία λήψης που μεταφέρει το φέρον και το οδηγεί σε μια θύρα οπτικοηλεκτρικού μετατροπέα.σο διαμορφωμένο οπτικό φέρων μεταφέρεται μέσω μιας οπτικής ίνας σε έναν μετατροπέα που εξάγει το διαμορφωμένο σήμα και το μετατρέπει τελικά σε ηλεκτρικό.σέλος το ηλεκτρικό σήμα μεταφέρεται σε έναν αναλυτή φάσματος μέσω ενός κοινού καλλωδίου RF των 50Ω. 34

35 Ισοτροπική απόκλιση: Η ισοτροπική απόκλιση είναι μία παράμετρος που περιγράφει την ακρίβεια στις μετρήσεις της έντασης του πεδίου ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό του αισθητήρα. Εάν το πεδίο υπακούει στον κανόνα τότε,μία επαρκή προϋπόθεση ώστε ο κανόνας να είναι αληθινός για κάθε ορθογωνική συντεταγμένη είναι,για το μοντέλο ακτινοβολίας του αισθητήρα να είναι όσο πιο κοντά είναι δυνατόν στο ιδανικό μοντέλο μικρού διπόλου.η διαφορά ενός μοντέλου ακτινοβολίας ιδανικού διπόλου και ενός μοντέλου πραγματικού αισθητήρα καλείται ισοτροπική απόκλιση. 35

36 2.2 τοιχεία θεωρίας ενισχυτών Γενικά Ένας από τους λόγους που χρησιμοποιούνται περισσότερο τα τρανζίστορ είναι η ενίσχυση. Ο ενισχυτής είναι ένα κύκλωμα που παίρνει ένα σήμα στην είσοδό του και το αποδίδει ενισχυμένο κατά πλάτος στην έξοδό του. το κεφάλαιο αυτό θα ασχοληθούμε με τη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (C.E.). Μια τέτοια συνδεσμολογία φαίνεται στο χ. 1. Σην ανάλυση του κυκλώματος θα την εξετάσουμε σε δύο μέρη: α) D.C. ανάλυση β) A.C. ανάλυση την ανάλυση των. συνθηκών λειτουργίας στο D.C. εξετάζουμε τα συνεχή ρεύματα στο συλλέκτη και τη βάση και τη συνεχή τάση μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού. Αυτές οι ποσότητες καθορίζουν το σημείο λειτουργίας Q. την ανάλυση των συνθηκών λειτουργίας στο A.C. τοποθετούμε στην είσοδο ένα ημιτονικό σήμα, ρεύμα ή τάση και μετράμε το σήμα στην έξοδο. Ανάλυση συνθηκών D.C. την ανάλυση αυτή μπορούμε να λύσουμε τις μαθηματικέ ς εξισώσεις και να περιγράψουμε έτσι τη συμπεριφορά του τρανζίστορ. Επειδή όμως το τρανζίστορ είναι ένα μη γραμμικό στοιχείο, ο ακριβής υπολογισμός γίνεται αρκετά δύσκολος. Είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιήσουμε τις χαρακτηριστικές για την επίλυση του κυκλώματος. Ο κατασκευαστής δίνει συνήθως τις χαρακτηριστικές εξόδου αλλά ακόμα και εάν δεν υπάρχουν μπορούμε να τις πάρουμε εργαστηριακά. Πάνω σ αυτές τις χαρακτηριστικές θα χαράξουμε την γραμμή φορτίου όπως φαίνεται στο χ. 2, για το D.C. Σο.φορτίο στο κύκλωμα του χ. 2 είναι η ωμική αντίσταση RL. 36

37 Για το κύκλωμα εξόδου έχουμε: Ορίζουμε τα δύο σημεία απ' τα οποία περνάει η γραμμή φορτίου: Θα πρέπει να σημειώσουμε ότι η γραμμή φορτίου δεν εξαρτάται από το τρανζίστορ αλλά από το φορτίο και την τροφοδοσία. Σο σημείο λειτουργίας που εκλέγεται από τη μελέτη της βαθμίδας θα βρίσκεται πάνω στην ευθεία φόρτου και η θέση του θα καθορίζεται από το ρεύμα βάσης. τις χαρακτηριστικές που φαίνονται στο χ. 2, το Q1 είναι το σημείο λειτουργίας για ρεύμα βάσης 40 μα. Αν εκλέξουμε IΒ = 60μA το σημείο λειτουργίας είναι το Q2. υνήθως όταν το τρανζίστορ λειτουργεί σαν ενισχυτής προσπαθούμε να τοποθετήσουμε το σημείο λειτουργίας στη μέση της ενεργής περιοχής, με σκοπό να πάρουμε μέγιστο σήμα στην έξοδο, χωρίς παραμόρφωση. Σο σημείο λειτουργίας επίσης καθορίζει το IcQ και το VCEQ (D.C. συνιστώσες). Αυτές οι ποσότητες περιγράφουν τη λειτουργία του κυκλώματος χωρίς σήμα A.C. στην είσοδο. ημειώστε ότι στις χαρακτηριστικές του χ. 2 υπάρχει η γραμμή μέγιστης κατανάλωσης ισχύος Po(max). Η γραμμή φορτίου θα πρέπει πάντοτε να είναι πιο κάτω από αυτή την καμπύλη διαφορετικά το τρανζίστορ κινδυνεύει να καταστραφεί. Η καμπύλη αυτή χαράζεται από την εξίσωση: 37

38 Ανάλυση συνθηκών στο A.C. Σο τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού είναι ενισχυτής A.C. σήματος. Αν τροφοδοτήσουμε την είσοδο με ημιτονικό σήμα, θα πάρουμε στην έξοδο ημιτονικό με μεγαλύτερο πλάτος. Ο λόγος του σήματος εξόδου προς το σήμα εισόδου ονομάζεται ενίσχυση και συμβολίζεται με το γράμμα Α. το χ. 3 φαίνονται οι χαρακτηριστικές εξόδου ενός ΝΡΝ τρανζίστορ πάνω στις οποίες είναι χαραγμένες οι κυματομορφές εισόδου και εξόδου. Σ ο σημείο λειτουργίας είναι το Q. Εάν συνδέσουμε μια ημιτονική τάση Us στην είσοδο, που προκαλεί μια ημιτονική μεταβολή του ρεύματος ib με πλάτος 0,2mA. Η UCE θα μεταβάλλεται και αυτή, με πλάτος περίπου 2,25V. Η ενίσχυση ρεύματος είναι λοιπόν : Αν η αντίσταση εισόδου είναι 1 ΚΩ, τότε για να πάρουμε μεταβολή ρεύματος 0,2 ma η τάση Us θα πρέπει να είναι : και η ενίσχυση τάσης είναι : 38

39 Η ενίσχυση ισχύος είναι : Ποιοτικά η Λειτουργία του τρανζίστορ είναι η παρακάτω : Με την απουσία. εναλλασσόμενης τάσης, το επίπεδο της τάσης εξόδου θα καθορίζεται από το σημείο Λειτουργίας, στην περίπτωσή μας 4,75V. Αν βάλουμε θετική τάση στην είσοδο, το τρανζίστορ θα γίνει περισσότερο αγώγιμο. Αυτό προκαλεί αύξηση του ib ενώ η UCE μειώνεται επειδή VCC=iC RL +UCE. Σο αντίθετο συμβαίνει όταν το σήμα εισόδου πάει προς τα αρνητικά. ΑΡΑ : Τ π ά ρ χ ε ι δ ι α φ ο ρ ά φ ά σ η ς 180º μ ε τ α ξ ύ τάσεων εισόδου και εξόδου. Σην ενίσχυση ρεύματος ενός τρανζίστορ την χαρακτηρίζουμε β και είναι ο λόγος : Αν και το β εξαρτάται από τη θερμοκρασία είναι πολύ μεγαλύτερο της μονάδας. Γι' αυτό το τρανζίστορ μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν ενισχυτής ρεύματος στη διάταξη κοινού εκπομπού C.E. Γι' αυτό το Λόγο το τρανζίστορ μπορεί να περιγραφεί σαν ένα εξάρτημα που έχει αντίσταση εισόδου Rin και ένα κύκλωμα εξόδου που αποτελείται από μια πηγή ρεύματος βib και την αντίσταση εξόδου RΟ. 39

40 Σο πλήρες ισοδύναμο κύκλωμα για όλο τον ενισχυτή φαίνεται στο χ. 5. Σο ρεύμα εισόδου θα είναι : Άρα η πηγή ρεύματος : Η τάση εςόδου : συνήθως RL «RO,, οπότε η (10) γίνεται : Η ενίσχυση τάσης είναι : Όμως RO» RL, οπότε η (12) γίνεται : 40

41 Σο αρνητικό πρόσημο δείχνει την αναστροφή φάσης κατά 180º. Επίσης η ενίσχυση ρεύματος είναι: επειδή RO» RL η (14) γίνεται : Η ενίσχυση ισχύος είναι : Άρα Όπως φαίνεται από τις εξισώσεις (13) και (17) μπορούμε να αυξήσουμε την ενίσχυση τάσης ή της ισχύος όσο θέλουμε, αυξάνοντας την τιμή της RL. Αυτό δεν γίνεται όμως διότι μας περιορίζει η περιοχή αποκοπής και κόρου του τρανζίστορ. Πρακτικός ενισχυτής κοινού εκπομπού Ένα πρακτικό κύκλωμα για τον ενισχυτή που περιγράφουμε φαίνεται στο χ

42 Σο πλεονέκτημα του παραπάνω κυκλώματος είναι ότι απαιτεί μία πηγή τροφοδοσίας. Εκλέγοντας κατάλληλα τις R1 και R2 πολώνουμε ορθά τη δίοδο βάσης-εκπομπού και ανάστροφα τη δίοδο συλλέκτη-βάσης. την πραγματικότητα ο διαιρέτης τάσης R1 αντικαθιστά τη VΒΒ του χ. 1. Η συνολική τώρα αντίσταση εισόδου του ενισχυτή στο εναλλασσόμενο σήμα γίνεται: Οι εξισώσεις ενίσχυσης δεν αλλάζουν Ανάλυση Κυκλώματος Αυτός ο ανιχνευτής έχει σχεδιαστεί για τον εντοπισμό πομπών στις FM συχνότητες(σίγουρα εντοπίζει από 87.7ΜΗz ως 105.8ΜΗz).Είναι ικανός να ανιχνεύσει πολύ χαμηλής ισχύος πομπούς ειδικά αυτούς που έχουν ένα πηνίο στο στάδιο εξόδου τους. Μέχρι τώρα οι ανιχνευτές η/μ πεδίου ήταν ικανοί να ανιχνεύουν πομπούς με ισχύ 100mW η υψυλότερη. Για μία έξοδο τέτοιου πλάτους ένα απλό κύκλωμα όπως ένας μετρητής και ένα πηνίο ήταν επαρκή.αλλά όταν πρόκειται για μια συσκευή χαμηλής ισχύος τότε ένα απλό κύκλωμα χωρίς ενίσχυση δεν είναι κατάλληλο.μετά από κατασκευή 5 διαφορετικών κυκλωμάτων για αυτό το σκοπό,κατέληξα σε αυτό αφού τα άλλα δεν είχαν επιτυχία. 42

43 Σο κύκλωμα στο οποίο τελικά κατέληξα ενσωματώνει έναν ενισχυτή RF,έναν ανορθωτή διόδου και έναν ενισχυτή DC.Σις ενδείξεις μας τις διαβάζουμε από ένα πολύμετρο.η καρδιά του σχεδιασμού είναι ένα ζευγάρι διόδων που «ανοίγουν» εν μέρει μέσω μιας αντίστασης,με έλεγχο ευαισθησίας τα100κω,ξεπερνώντας έτσι το όριο των 0.6V της διόδου. Ίσως να θεωρηθεί οτι 0.6 Volt είναι πολλά.ωστόσο όταν μιλάμε με mv τότε για να άγει η δίοδος θέλουμε 600mV.Σο σήμα που προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε παράγει 1 η 2mV στην κεραία του δέκτη οπότε αν για να άγει η δίοδος χρειάζεται 600mV τότε μιλάμε για έναν όχι και τόσο ευαίσθητο ανιχνευτή. Οι πιο συνηθισμένοι ανιχνευτές έχουν ένα LED για ένδειξη ύπαρξης πεδίου χωρίς όμως να λαμβάνουν υπόψη τους τα επίπεδα φόρτωσης της κεραίας(ένταση πεδίου).το παρόν κύκλωμα η κεραία διεγείρεται από το στάδιο εξόδου οποιουδήποτε FM πομπού κι όταν πρόκειται για συσκευή χαμηλής ισχύος η κεραία τείνει να επανασυντονιστεί ελαφρώς στη συχνότητα ώστε τελικά να είναι απαραίτητο να επανακορυφωθεί το σήμα για μέγιστες επιδόσεις. Σο κύκλωμα αποτελειται βασικά από έναν ενισχυτή RF(3KHz-300GHz),έναν ανορθωτή διόδων, έναν DC ενισχυτή και μια κεραία.η κεραία είναι ένα μονόπολο λ/4 από πηνιόσυρμα 25cm. Σο πρώτο χαρακτηριστικό που φαίνεται καινούργιο είναι το πηνίο στο κύκλωμα κεραίας.ίσως να φαίνεται να είναι ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ της κεραίας και της γης,ωστόσο η αυτεπαγωγή του πηνίου 15 στροφών δημιουργεί μία τάση στα άκρα της όταν η κεραία λαμβάνει ένα σήμα.αυτή η τάση τροφοδοτεί τη βάση του πρώτου τρανζίστορ μέσω ενός πυκνωτή 47pF και από τη στιγμή που το τρανζίστορ αρχίζει να άγει μέσω της αντίστασης των 220kΩ κάθε σήμα που περνά από τον πυκνωτή ενισχύεται στο τρανζίστορ. 43

44 Ο ενισχυτής RF έχει σχεδιαστεί για να έχει κέρδος μόνο στις υψηλές συχνότητες.την περίπτωση μας μιλάμε για ένα εύρως συχνοτήτων απο 100 ως 300ΜΗz.Σα 300MHz είναι το ανώτατο όριο λόγω της απόκρισης του RF τρανζίστορ και η χαμηλότερη συχνότητα ρυθμίζεται από τον 100pF πυκνωτή του εκπομπού.η αντίσταση του στα 100MHz είναι 16Ω δίνοντας ένα κέρδος γύρω στα 12.τα 10MHz η αντίσταση του πυκνωτή είναι στα 160Ω και το κέρδος πέφτει στο 2.Αυτό αποτρέπει την ενίσχυση χαμηλών συχνοτήτων.αυξάνοντας την τιμή του πυκνωτή του εκπομπού το κέρδος του 1 ου σταδίου θα αυξηθεί χωρίς ωστόσο αυτό να είναι επιθυμιτό καθώς μπορεί να προκαλέσει υπερβολική αύξηση του κέρδους και τελικά να εμφανιστεί αυτοταλάντωση. Η χαμηλή τιμή του πυκνωτή ζεύξης(100pf) μεταξύ του RF σταδίου και του ζεύγους των διόδων είναι επαρκής για να μεταφέρει την ενέργεια,αφού ας μην ξεχνάμε οτι έχουμε να κάνουμε με πολύ υψηλές συχνότητες(vhf).οι δύο δίοδοι στο στάδιο των διόδων απλά λειτουργούν σαν ανορθωτής και είναι μερικώς πολωμένες από 2 αντιστάσεις, η μία είναι 47κΩ και η άλλη 100κΩ.Ωστόσο δεν άγουν στον βρόχο μεταξύ βάσης-εκπομπού του τρανζίστορ του DC σταδίου επιτρέποντας μόνο 0.6 Volt να εμφανίζονται στα άκρα τους. Όταν ένα σήμα περνάει στο ζευγάρι των διόδων τότε το σήμα που πάει στην κάθοδο(negative excursion) μειώνει την τάση στα άκρα των διόδων και αυτό ξεκινά την απενεργοποίηση του τρανζίστορ του DC ενισχυτή και επιπλέον η βελόνα του πολύμετρου πέφτει.για να ξεκινήσει η διαδικασία επεξεργασίας του σήματος από το κύκλωμα απαιτούνται περίπου 300mV,και με κέρδος περίπου 12, στο RF τρανζίστορ, χρειαζόμαστε περίπου 30mV στο κύκλωμα της κεραίας ώστε να έχουμε ανίχνευση.αυτό πρακτικά σημαίνει ότι ο ανιχνευτής μας είναι ευαίσθητος μόνο σε σήματα που βρίσκονται πολύ κοντά του και ταυτόχρονα αποτρέπει παρεμβολές στις μετρήσεις από αδύναμα σήματα. 44

45 Σο ποτενσιόμετρο των 10κΩ συνδέεται στο ένα άκρο του βολτόμετρου.το πολύμετρο τοποθετούμε την κλίμακα στο εύρως των 0-10V.Σο κύκλωμα συνολικά καταναλώνει περίπου 3.5mA και με μία μπαταρία 50mAH(μιλι-Αμπερώρια) το κύκλωμα θα λειτουργεί για περισσότερες απο 12 ώρες. Ένας διακόπτης παρέχεται ώστε να διατηρείται η μπαταρία όταν δεν χρησιμοποιείται το κύκλωμα.σο κύκλωμα μας συνδέεται με το πολύμετρο μέσω συνδετήρων που έχουν καμφθεί κατάλληλα ώστε να κάνουν επαφή στις μπανάνες του πολυμέτρου. Οποιοδήποτε παλιό πολύμετρο κάνει αρκεί να έχει ευαισθησία από 1 ως 50κΩ/V.Σο εύρως που χρησιμοποιούμε στο πρωτότυπο είναι 10V-DC κλίμακα σε ένα πολύμετρο 30κΩ/V.Ωστόσο 12,15 η ακόμη και 25V κλίμακα θα είναι εντάξει. Ευαισθησία Πολυμέτρου: ε ένα πολύμετρο επειδή η αντίσταση του πηνίου είναι μικρή, μπορεί να μετρήσει μόνο μικρές τάσεις. Για να αυξήσουμε το εύρος, συνδέουμε σε σειρά με το όργανο μιαν αντίσταση RS, που αποκαλείται πολλαπλασιαστική αντίσταση. Μια πολλαπλασιαστική αντίσταση ίση με 9 φορές την αντίσταση του οργάνου Rm θα αυξήσει το εύρος τής κλίμακας κατά 10 φορές. χετικά τωρα με την ευαισθησία, εαν ενα βολτόμετρο έχει μιαν αντίσταση Rs= 1 ΜΩ στην κλίμακα των 100 V τοτε η ευαισθησια η = 1 ΜΩ / 100 V = 10 kω/v. Η τιμή αυτή είναι χαμηλή. 45

46 2.3 Διαδικασία Κατασκευής Σα υλικά όλα μαζί του πρότυπου έργου: 46

47 Σα υλικά που εγώ συγκέντρωσα: Οδηγίες λειτουργίας: Όλα τα στοιχεία συμπεριλαμβανομένης της 12-βολτης μπαταρίας και του διακόπτη, τοποθετούνται στην πλακέτα.όλα τα στοιχεία έχουν τοποθετηθεί πάνω στην πλακέτα στα κατάλληλα σημεία ώστε να αποφύγουμε την υπερθέρμανση των διόδων και των τρανζίστορ γιατί διαφορετικά χάνουν την μέγιστη απόδοση τους. Σα πηνία έχουν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ένα κατσαβίδι διαμέτρου 3mm,ως καλούπι και το μέγεθος του καλλωδίου δεν είναι και τόσο σημαντικό αφού τα πηνία προορίζονται για ευρυζωνική χρήση.σο καλλώδιο της κεραίας είναι επισμαλτωμένο για να μην «αγγίζει» τα ενεργά στοιχεία του πομπού που εξετάζουμε. 47

48 Αρχικά γυρίζουμε το τρίμερ των 100κΩ στην μικρότερη αντίσταση και θέτουμε το διακόπτη στη θέση ΟΝ.Σοποθετούμε το πολύμετρο μας στην κλίμακα μέγιστης απόκλισης ελέγχοντας προς αυτόν τον σκοπό το ποτενσιόμετρο των 10κΩ.Σώρα γυρνάμε αργά το ποτενσιόμετρο των 100κΩ μέχρι η βελόνα να αρχίσει να κινείται. ε αυτό το σημείο το κύκλωμα είναι πολύ ευαίσθητο αφού το τρανζίστορ του DC ενισχυτή έχει αρχίσει να άγει και κάθε σήμα που εμφανίζεται στις διόδους θα μειώσει την τάση που βρίσκεται στα άκρα τους και το τρανζίστορ θα σταματήσει να άγει.παράλληλα και η βελόνα του πολυμέτρου θα αρχίσει να πέφτει.σώρα ο ανιχνευτής μας είναι έτοιμος για χρήση. Σο πεδιόμετρο μας κανονικά θα δώσει μια ακριβή μέτρηση και μάλιστα από απόσταση.για να πάρουμε την καλύτερη ένδειξη που γίνεται τοποθετούμε την κεραία του ανιχνευτή στο ίδιο επίπεδο με την κεραία του πομπού.κατά τις μετρήσεις ας είμαστε προσεκτικοί με την τοποθέτηση των χεριών μας να είναι το δυνατόν μακρύτερα από την κεραία ώστε να μην επηρεάσουν.αν όλα έχουν τοποθετηθεί σωστά τότε καλές DC δοκιμές! Ενδεχόμενα προβλήματα: Αν κατά την εκίνηση της συσκευής η βελόνα του πολυμέτρου «τρεμοπαίζει» σε όλη την κλίμακα τότε θα πρέπει να βραχυκυκλώσουμε την βάση με τον εκπομπό του BC547 και να δούμε την βελόνα να πηγαίνει στο 0.Αυτή είναι η ένδειξη οτι το τρανζίστορ λειτουργεί σωστά.διαφορετικά ίσως το τρανζίστορ να είναι βραχυκυκλωμένο. Μια άλλη επιλογή για να πάρουμε ένδειξη καλής λειτουργίας είναι να απομονώσουμε την αντίσταση των 47κΩ των διόδων.και πάλι η βελόνα «πέφτει». Calibration(βαθμονόμηση): Σο καλιμπράρισμα είναι μια διαδικασία στην οποία συγκρίνουμε κάποιες μετρήσεις μεταξύ τους προκειμένου το όργανο μέτρησης μας να έχει κάποιες αναφορές ώστε στις μετρήσεις που μας ενδιαφέρουν να πάρουμε σωστά αποτελέσματα.πιο συγκεκριμένα το καλιμπράρισμα γίνεται με γνωστά μεγέθη ώστε το όργανο μέτρησης να έχει κάποια αναφορά.για παράδειγμα σε έναν network analyzer πρώτα θα συνδέσουμε στα 2 κανάλια ένα βραχυκύκλωμα, θα είναι γνωστό σε μας οτι είναι βραχυκύκλωμα, και θα το δηλώσουμε στο μηχάνημα ως βραχυκύκλωμα.μετά θα συνδέσουμε ένα ανοιχτό κύκλωμα και μετά θα μπορούσαμε να συνδέσουμε ένα γνωστό φορτίο με τιμή γνωστή σε μας (πχ 50Ω). 48

49 49

50 50

51 Κόλληση μπαταρίας και διακόπτη πάνω στην πλακέτα με σιλικόνη Calibration με το trimmer των 10κΩ στα 4V και έλεγχος ευαισθησίας με το trimmer των 100κΩ 51

52 2.4 Εφαρμογή ε Πηγές Ακτινοβολίας Οι γνωστοί πομποί στα VHF είναι κυρίως(f:30-300μηz λ:1-10m): 1.Ραδιοφωνικοί πομποί 2.Ασύρματες ενδοεπικοινωνίες 3.Ασύρματοι εμβέλειας απο 5km μέχρι και 32km σε ανοιχτό χώρο 4.Κάποιοι τηλεοπτικοί πομποί(συγκεκριμένα mega,εσ1,εσ3) Για πομπό στα πλαίσια της εργασίας χρησιμοποίησα έναν ασύρματο (walkie-takie) telco AL-3CT.Αυτό που έχει ενδιαφέρον είναι οτι χρησιμοποιώντας διαφορετικό κανάλι ο ανιχνευτής αντιδρούσε διαφορετικά.για παράδειγμα υπήρξαν φορές που το πεδίο έχει απόκλιση μέχρι και 1 V και άλλες φορές που είχε απόκλιση 0.1V η και λιγότερο.μία άλλη σημαντική παρατήρηση είναι ότι οι μετρήσεις μας είχαν σημαντικές διαφορές ανάλογα με το αν οι κεραίες ήταν παράλληλα,κάθετα η σε τυχαία γωνία μεταξύ τους.οι πιο υψηλές μετρήσεις λήφθηκαν όταν οι κεραίες ήταν παράλληλα μεταξύ τους όπως στο σχήμα. 52

53 Προκειμένου να καλιμπράρουμε τον ανιχνευτή μας χρειάστηκε να δημιουργήσουμε μια ζεύξη μεταξύ του κυκλώματος μας και μιας κεραίας γνωστού κέρδους σε απόσταση ενός μέτρου(μακρινό πεδίο αφού d 2D 2 /λ - για την δική μας κεραία d>1m.) Η κεραία που χρησιμοποιήθηκε είναι μια Biconical Loq- Periodic της εταιρίας ElectroMetrics. Η κεραία συνδέθηκε με μια γεννήτρια συχνοτήτων της agilent(100kh-3ghz). Παρατηρήσαμε οτι στα 250MHz η ζεύξη μας έχει τις ελάχιστες απώλειες. Η ζεύξη πραγματοποιήθηκε ως εξής: υνδέσαμε την γεννήτρια με την κεραία και τοποθετήσαμε σε απόσταση ενός μέτρου τον ανιχνευτή. 53

54 October 16, Αλλάζοντας την ισχύ της γεννήτριας ανά 1dBm κάθε φορά, κοιτώντας την αλλαγή των Volt στο πολύμετρο και υπολογίζοντας (για κέρδος κεραίας G=3.9dB=2.454 στο ένα μέτρο) απο τον τύπο Ε= ηwg 4πd^2 την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, συγκεντρώσαμε τα παρακάτω στοιχεία: W(mW) W(dBm) E(V/m) V(Volt) V(Volt) E(V/m) 54

55 Κεφάλαιο 3 CELLPHONE DETECTOR 3.1 Μπάντες Κινητής Σηλεφωνίας Γενικά οι υπάρχουσες GSM μπάντες κινητής τηλεφωνίας φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Εκτός από τις GSM έχουμε επιπλέον τις DCS,UMTS και PCS.Όλες αυτές είναι περίπου στην διπλάσια συχνότητα από τις GSM(δηλαδή κοντά στα 2 GHz). 55

56 Ειδικότερα στην Ελλάδα χρησιμοποιούνται οι παρακάτω συγκεκριμένες μπάντες συχνοτήτων: 3.2 Ανάλυση Κυκλώματος 56

57 Ο Cellphone detector είναι ένα κύκλωμα ανίχνευσης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας των κινητών τηλεφώνων.έχει την δυνατότητα να εντοπίζει την ζεύξη μεταξύ της κεραίας του τηλεφώνου και της κεραίας του δικτύου.άρα ανιχνεύει ένα ενεργό κινητό από απόσταση έως 1.5 μέτρο χωρίς κάποια ειδική κεραία. Έχει μικρές διαστάσεις και μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα και γρήγορα για έλεγχο ύπαρξης κινητών τηλεφώνων σε εξεταστικά κέντρα, σε απόρρητες συσκέψεις και γενικότερα για περιπτώσεις κατασκοπίας και παράνομης χρήσης του τηλεφώνου.βεβαίως το σημαντικότερο είναι η ανίχνευση των επιπέδων ηλεκτρομαγνητικής εκπομπής των κεραιών που έχουν τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας για την προστασία της υγείας των ανθρώπων. Πιο συγκεκριμένα το κύκλωμα μπορεί να εντοπίσει τόσο εισερχόμενες όσο και εξερχόμενες κλήσεις SMS,μετάδοση βίντεο,ακόμη κι αν το κινητό βρίσκετε σε αθόρυβη λειτουργία.χάρη στο (buzzer) σύστημα συναγερμού που διαθέτει μόλις βρεθεί εντός της εμβέλειας κάποιο ενεργό κινητό ειδοποιεί όχι μόνο ηχητικά αλλά και με ένα LED που αναβοσβήνει.ο συναγερμός σταματά μόνο όταν σταματήσει η ζεύξη. Ένας συνηθισμένος RF ανιχνευτής που χρησιμοποιεί συντονισμένα LC κυκλώματα δεν είναι κατάλληλος για την μπάντα της κινητής τηλεφωνίας.η συχνότητα λειτουργίας των κινητών τηλεφώνων ποικίλει απο 0.8-3GHz και αντίστοιχα κυμαίνεται το μήκος κύματος απο cm.Έτσι χρειάζετε να χρησιμοποιηθεί ένα κατάλληλο κύκλωμα. Σο κύκλωμα μας χρησιμοποιεί έναν πυκνωτή 0.22μF (C3)για να βρει τα RF σήματα από το κινητό.σα άκρα του πυκνωτή έχουν μήκος 18mm ενώ απέχουν μεταξύ τους 8mm το οποίο και μας δίνει την επιθυμιτή συχνότητα.ο πυκνωτής μαζί με τα άκρα του συμπεριφέρεται σαν μια μικρή κεραία βρόγχου η οποία συλλέγει τα RF σήματα. Ο τελεστικός ενισχυτής(ic1)χρησιμοποιείται από το κύκλωμα ως μετατροπέας ρεύματος σε τάση με τον πυκνωτή C3 συνδεδεμένο μεταξύ της αναστρέφουσας και μη αναστρέφουσας εισόδου.είναι ένας CMOS ενισχυτής που χρησιμοποιεί τρανζίστορ IG- MOSFET καναλιού p στην είσοδο έτσι ώστε να έχουμε πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου, πολύ χαμηλό ρεύμα και πολύ γρήγορη απόκριση. Η έξοδος του ενισχυτή μπορεί να έχει διακύμανση 10mV ανεξαρτήτως της παροχής ισχύος.ο πυκνωτής C3 σε συνδιασμό με την δημιουργούμενη επαγωγή στο αρχικό στάδιο του κυκλώματος παρεμβάλλει τα σήματα από το κινητό τηλέφωνο λειτουργώντας σαν μία γραμμή μεταφοράς. Ο πυκνωτής δημιουργεί πεδίο, αποθηκεύει ενέργεια την οποία και μεταφέρει σαν στιγμιαίο ρεύμα στις εισόδους του τελεστικού.αυτό χαλάει την ισορροπία στην είσοδο του και μετατρέπει το ρεύμα στην αντίστοιχη διακύμανση της τάσης εξόδου του IC1. Ο πυκνωτής C4 μαζί με την μεγάλη αντίσταση R1 σταθεροποιεί τη μη αναστρέφουσα είσοδο έτσι ώστε να έχουμε καλή ευαισθησία στην έξοδο του.η αντίσταση R2 προκαλεί αποφόρτιση στον πυκνωτή C4.Η αντίσταση ανατροφοδότισης R3 θέτει την αναστρέφουσα είσοδο σε υψηλό δυναμικό οταν και η έξοδος έχει υψηλό δυναμικό. Ο πυκνωτής C5 (47pF) συνδέεται μεταξύ των ακροδεκτών 1 και 8 του τελεστικού για αντιστάθμιση της φάσης και έλεγχο του κέρδους ώστε να έχουμε βελτιστοποίηση στην απόκριση συχνότητας.όταν ο ανιχνευτής μας βρίσκει σήμα με τον πυκνωτή C3 η έξοδος του τελεστικού εναλλάσεται μεταξύ υψηλού και χαμηλού δυναμικού σύμφωνα με τη συχνότητα του σήματος που δείχνει το LED. 57

58 Έτσι ενεργοποιείται το μονοσταθές χρονοκύκλωμα IC2 μέσω του πυκνωτή C7.O πυκνωτής C6 διατηρεί την πόλωση της πύλης του τρανζίστορ T1 με σκοπό τη γρήγορη διακοπτική λειτουργία.η μικρή αντίσταση R6 και ο πυκνωτής C9 παράγουν μια μικρή χρονική καθυστέρηση για να αποφευχθεί περαιτέρω ηχητική ενόχληση. 3.3 Ανίχνευση Κλήσης 58

59 59

60 60

61 χόλια: 1.Με την επιιπρόσθετη κεραία ο ανιχνευτής ενεργοποιεί τον συναγερμό από 20 cm περίπου πιο μακριά. 2.υνδέσαμε το ένα φτερό με τον πυκνωτή C1 και το ground με το ground του κυκλώματος για ακόμη καλύτερη λειτουργία της κεραίας. 61

62 ΑΝΑΦΟΡΕ [1] Ν.Μάργαρης,Ηλεκτρικά Κυκλώματα Εργαστηριακές ασκήσεις,θεσσαλονίκη 2000 [2] Β.Πετρίδης,Ηλεκτρικές Μετρήσεις,Θεσσαλονίκη 1997 [3] Ν.Μάργαρης,Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων,Θεσσαλονίκη 2000 [4] S. King (May 2005). "Making Better Electric Field Measurements" [5] Χ.Καψάλης,Π.Κωττής, Κεραίες-Ασύρματες ζεύξεις,2008 [6] Σ. Γιούλτσης,Ε. Κριεζής,Μικροκύματα(Σόμος 1,2),Θεσσαλονίκη 2008 [7] M. Karlsson, S. Gong, Designing a GSM dipole antenna [8] Ι.Κοντολέοντος,Ηλεκτρονική(Σομος 2,3),Θεσσαλονίκη 2006 [9] S.Smith,Μικροηλεκτρονικά κυκλώματα,αθήνα 2011 [10] J.Quinet,Πειράματα και μετρήσεις ηλεκτρονικών,θεσσαλονίκη

63 Διαδικτυακοί τόποι: