ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ
Κεραίες - Η ισχύς στην έξοδο του ενισχυτή RF του πομπού πρέπει να ακτινοβοληθεί στο χώρο ως Η/Μ κύμα. - Οι διατάξεις που ακτινοβολούν Η/Μ κύματα στο χώρο ή συλλαμβάνουν Η/Μ από τον χώρο λέγονται κεραίες.
Γραμμές μεταφοράς - Μεταφέρουν την Η/Μ ενέργεια μεταξύ κεραιών και πομπών ή δεκτών. - Τα κατανεμημένα στοιχεία τους οφείλονται για τις απώλειες μεταφοράς, τον περιορισμό της μέγιστης συχνότητας και την χαρακτηριστική αντίσταση της κάθε γραμμής.
Τρέχοντα κύματα λ=u/f, όπου u 300.000 km/sec
Στάσιμα κύματα σε ανοικτή γραμμή
Στάσιμα κύματα σε βραχυκυκλωμένη γραμμή Επειδή το τέρμα της γραμμής είναι βραχυκυκλωμένο η τάση στο τέρμα είναι πάντα μηδέν και το ρεύμα μέγιστο. Η ενέργεια του Η/Μ κύματος γυρίζει πίσω και δημιουργεί στάσιμα κύματα (δεσμοί και κοιλίες) κατά μήκος της γραμμής.
Συντονισμένες γραμμές Σαν κύκλωμα LC συντονισμού σειράς (ελάχιστη αντίσταση, μέγιστο ρεύμα) συμπεριφέρονται: - οι ανοιχτές γραμμές μήκους λ/4 και - οι βραχυκυκλωμένες γραμμές μήκους λ/2 Σαν κύκλωμα LC παράλληλου συντονισμού (μέγιστη αντίσταση, ελάχιστο ρεύμα) λειτουργούν: - οι ανοιχτές γραμμές μήκους λ/2 και - οι βραχυκυκλωμένες γραμμές μήκους λ/4
Ισοδύναμα ανοιχτών γραμμών
Ισοδύναμα βραχυκυκλωμένων γραμμών
Γραμμές με ωμικό φορτίο Όταν στο τέρμα της γραμμής υπάρχει ωμικό φορτίο ίσο με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής, τότε η γραμμή συμπεριφέρεται σαν άπειρη και διατρέχεται μόνο από τρέχοντα κύματα. Όταν στο τέρμα της γραμμής το ωμικό φορτίο δεν είναι ίσο με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής, τότε ένα μέρος της ενέργειας ανακλάται και δημιουργούνται μικτά κύματα (τρέχοντα + στάσιμα).
Κατανομή τάσης-ρεύματος σε γραμμή με ωμικό φορτίο
Λόγος στάσιμων κυμάτων SWR (Standing Wave Ratio) Όταν στο τέρμα της γραμμής το φορτίο δεν είναι ίσο με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής ή έχει και χωρητικό ή επαγωγικό μέρος, τότε εμφανίζονται μικτά κύματα που μετρώνται με τις γέφυρες στάσιμων κυμάτων. Τιμές του SWR: SWR = 1 (ιδανική τιμή) SWR = άπειρο (ανοιχτή ή βραχυκυκλωμένη) SWR = 1,5 έως 1,2 (πρακτικά πολύ καλή)
Προσαρμογή Για να πετύχουμε τη μέγιστη δυνατή μεταφορά ισχύος από μια πηγή σε ένα φορτίο, θα πρέπει να υπάρχει προσαρμογή, δηλαδή: - η αντίσταση εξόδου της πηγής να είναι ίση με την αντίσταση εισόδου της γραμμής και - η αντίσταση εξόδου της γραμμής να είναι ίση με την αντίσταση του φορτίου. Έτσι οι απώλειες ισχύος μειώνονται στο ελάχιστο.
Μερική προσαρμογή Όταν η αντίσταση φορτίου είναι διαφορετική από τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής, τότε ένα τμήμα λ/4 της γραμμής μεταφοράς μπορεί να λειτουργήσει ως μετασχηματιστής αντιστάσεων και να πετύχουμε μερική προσαρμογή. Στο κομμάτι αυτό θα υπάρχουν μικτά κύματα, αλλά δεν δημιουργεί πρόβλημα λόγω του μικρού μήκους.
Κεραία - Μια κεραία εκπομπής μπορεί να κάνει και λήψη (και αντιστρόφως). - Μια κεραία θεωρείται κύκλωμα συντονισμού LC σε σειρά.
Κεραία - Αν πάρουμε μια γραμμή μεταφοράς μήκους λ/4 και απομακρύνουμε τους αγωγούς μεταξύ τους θα προκύψει μια κεραία λ/2 (δίπολο). - Πεδίο ακτινοβολίας της κεραίας είναι οι περιοχές που διαδίδεται η ενέργεια της κεραίας ως Η/Μ κύμα.
Συντονισμένες κεραίες Οι συντονισμένες κεραίες έχουν μήκος προσαρμοσμένο στη συχνότητα της πηγής και δε λειτουργούν ικανοποιητικά σε διαφορετικές συχνότητες. Διακρίνονται σε: - συμμετρικές (κεραίες μήκους λ/2 ή κεραίες Hertz) και - ασύμμετρες (κεραίες μήκους λ/4 ή κεραίες Μαρκόνι).
Κεραίες Hertz (λ/2) Ο συντονισμός των κεραιών λ/2 γίνεται με βάση του μήκους τους: με u = 285.000.000 m/s
Κεραίες Marconi (λ/4) Το αγώγιμο έδαφος λειτουργεί ως καθρέφτης δημιουργώντας ηλεκτρικό είδωλο. Ο συντονισμός των κεραιών λ/4 γίνεται με βάση του μήκους τους: με u = 285.000.000 m/s
Χαρακτηριστικά κεραιών - Ιδιοσυχνότητα fo (συχνότητα συντονισμού) (κεραία λ/2) (κεραία λ/4) - Ενεργό ύψος hεν=60% γεωμετρικού ύψους
Χαρακτηριστικά κεραιών - Αντίσταση εισόδου Rin Η Rin είναι το άθροισμα της αντίστασης ακτινοβολίας (Rr) και των αντίστασης απωλειών (Rα). Για κεραία λ/2: Rin = Rr + Rα = 73Ω + 7Ω = 80Ω Για κεραία λ/4: Rin = Rr + Rα = 36,5Ω + 3,5Ω = 40Ω - Βαθμός απόδοσης n Ο βαθμός απόδοσης της κεραίας είναι καλύτερος όσο μικρότερη είναι η αντίσταση απωλειών της κεραίας.
Χαρακτηριστικά κεραιών - Κατευθυντικότητα Κεραία λ/4 (πανκατευθυντική) Κεραία λ/2 (διπλοκατευθυντική)
Διάγραμμα κατευθυντικότητας Απολαβή ή Κέρδος G (db) = 10*log(D*n) Όπου D: συντελεστής κατευθυντικότητας n: βαθμός απόδοσης κεραίας
Τύποι κεραιών εκπομπής λ/4 Η χωρητικότητα κορυφής ή η αυτεπαγωγή στη βάση της κεραίας προκαλεί αύξηση του ηλεκτρικού μήκους της κεραίας.
Τύποι κεραιών εκπομπής λ/4 - Η αντίσταση εισόδου της κεραίας Ground Plane είναι 50Ω και η απολαβή της είναι 1,5db. Η εκπομπή γίνεται μόνο από το κατακόρυφο τμήμα της κεραίας.
Οριζόντια κεραία δίπολο λ/2 Τοποθετούνται σε ύψος λ/2 ή λ/4 πάνω από το έδαφος. Η αντίσταση εισόδου τους είναι 75Ω και η απολαβή τους είναι 1,2db.
Κατακόρυφη κεραία Όσο αυξάνουμε το πάχος των αγωγών, τόσο περισσότερο ικανή γίνεται η κεραία να εκπέμψει και σε γειτονικές συχνότητες. Στα υπερβραχέα οι αγωγοί κατασκευάζονται από σωλήνα αλουμινίου.
Αναδιπλωμένο δίπολο λ/2 Χρησιμοποιείται στις κεραίες λήψης τηλεόρασης. Η αντίσταση εισόδου της είναι 240Ω έως 300Ω.
Κεραία Yagi Αποτελείται από ένα τροφοδοτούμενο στοιχείο και μια παρασιτική συστοιχία που δε συνδέεται στη γραμμή μεταφοράς. Είναι μονοκατευθυντική με υψηλή απολαβή (8 έως 17db).
Συγγραμική τροφοδοτούμενη συστοιχία - Δύο ή περισσότερα δίπολα παράγουν μια δέσμη εστιασμένη με μεγάλη κατευθυντικότητα και κέρδος.
Μετωπική τροφοδοτούμενη συστοιχία - Δύο ή περισσότερα δίπολα λ/2 συνδέονται μεταξύ τους και εκπέμπουν μετωπικά με μεγάλη κατευθυντικότητα και υψηλό κέρδος.
Ακμοπυροδοτική τροφοδοτούμενη συστοιχία - Δύο ή περισσότερα δίπολα λ/2 συνδέονται μεταξύ τους και εκπέμπουν μονοκατευθυντικά με υψηλή κατευθυντικότητα και υψηλό κέρδος.
Ακμοπυροδοτική τροφοδοτούμενη συστοιχία - Δύο ή περισσότερα δίπολα λ/2 συνδέονται μεταξύ τους και εκπέμπουν μονοκατευθυντικά με υψηλή κατευθυντικότητα και υψηλό κέρδος.
Παραβολικά κάτοπτρα με χοανοκεραία - Στην περιοχή των μικροκυμάτων τα Η/Μ κύματα συμπεριφέρονται σαν ακτίνες φωτός και ανακλώνται σε μεταλλικές επιφάνειες. (κέρδος 30-60 db)
Ακτινοβολούμενη ισχύς κεραίας - Το ποσό της ισχύος Pr που θα εκπεμφθεί καθορίζεται από την ισχύ εξόδου του πομπού και τον συντελεστή απόδοσης της κεραίας. Για κεραία λ/2: Για κεραία λ/4: Όπου Ιm είναι η ενεργός ένταση ρεύματος στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας.
Μαγνητική κεραία - Χρησιμοποιείται για λήψη μακρών, μεσαίων ή βραχέων κυμάτων στους δέκτες ραδιοφώνου. Είναι πηνίο τυλιγμένο σε φερρίτη μήκους 10-30 cm. Τοποθετείται στο εσωτερικό των δεκτών και πρέπει να βρίσκεται κάθετα προς τη διάδοση του κύματος.
Τηλεσκοπική κεραία - Στους δέκτες AM/FM χρησιμοποιείται και η τηλεσκοπική κεραία. Είναι ένα κομμάτι αγωγού που λειτουργεί σαν ασυντόνιστη κεραία τυχαίου μήκους. Χρειάζεται μεγάλη ένταση πεδίου για να λειτουργήσει ικανοποιητικά.
Είδωλα εικόνων - Όταν η κεραία εκτός από το κύριο σήμα του πομπού λαμβάνει και αντανακλάσεις αυτού, τότε εμφανίζονται πολλαπλές εικόνες (είδωλα). Αυτό μειώνεται κάνοντας την κεραία μονοκατευθυντική με χρήση πολλών κατευθυντήρων (κεραία Yagi) ή χρήση ανακλαστήρα (συρμάτινο πλέγμα μετωπικής κεραίας).
Δορυφόροι εκπομπής δορυφορικών προγραμμάτων - Οι γεωστατικοί δορυφόροι DBS (Digital Broadcasting Satellites) εκπέμπουν μόλις 50W έκαστος από ύψος 36.000 km. Γι'αυτό οι δορυφορικές κεραίες πρέπει να έχουν εξαιρετικά υψηλό κέρδος και πολύ στενή δέσμη λήψης. Η σκόπευση του δορυφόρου είναι πολύ κρίσιμη για την ποιότητα και ποσότητα του λαμβανόμενου σήματος.
Μονάδα LNB (Low Noise Block) - Η χοανοκεραία τοποθετείται έκκεντρα στο παραβολικό κάτοπρο. Μετά τη χοανοκεραία υπάρχει ο μετατροπέας χαμηλού θορύβου (LNB) που ενισχύει το σήμα και το μετατρέπει από τα 11GHz στο 1GHz. Στην έξοδό του LNB συνδέεται ομοαξονικό καλώδιο με F-connector.
Δορυφορικός αποκωδικοποιητής - Το σήμα του 1GHz από το LNB οδηγείται στην εσωτερική μονάδα (In Door Unit) για την ενίσχυση, αποδιαμόρφωση και αποκωδικοποίηση (μέσω κατάλληλης κάρτας) του δορυφορικού σήματος.
Ενεργοποιητής (Actuator) - Ο μηχανισμός του ενεργοποιητή επιτρέπει τη μετακίνηση της κεραίας σε προγραμματισμένες θέσεις για τη λήψη προγραμμάτων από άλλους δορυφόρους.