1. מ בוא ורקע תיאורטי? מבוא: מהי אנטנה? מה תפקיד האנטנה סוגי האנטנות אנטנות בסיסיות דוגמאות יישומים עיקריים רקע מדעי רקע היסטורי 1
מהי אנטנה? אנטנה היא רכיב בתוך מערכת קליטה וש י דור רדיו המחבר בין מהוד סגו ר או קו ת מסורת לב ין המרחב החופשי. לאנטנה יש אפוא שני ממשקים: (1) חיבור פיזי לקו תמסורת כגון קואכס או גלבו (2) שטח מגע עם המרחב החופשי. מתייחסים בד"כ לא נ טנה כאל ר כיב פסיבי והפיך, כלומר פ וע ל באו פן זה ה בכניסה וביציאה. ל כן האנטנה זהה בשידור ובקליטה. 2
מהי אנטנה? הדרגתי מעבר תהודה סגורה מתיבת החופשי למרחב 3
מהי אנטנה? תמסורת קו קצה פתוח עם המרחב החופשי מול 4
מה תפקיד האנטנה? לאנטנה ש נ י תפקידי ם עיקריי ם: (1) לתאם את האימפ דנס בין קו התמסורת או החל ל הסגור לבי ן אימפדנס הקרינה ולהבטיח ש רמת הגלים החוזרים תהיה נמוכה. 5
מה תפקיד האנטנה? (2) לרכז את הקרינה במרחב (בשידור ובקליטה) לכוון הרצוי. אנטנה כלל-כיוונית מיועדת לשדר ולקלוט מכל המרחב. אנטנה כיוונית פועלת בגזרה זוויתית. 6
סוגי האנטנות סוגי האנטנות רבים ומגוונים. ניתן לחלק את סוגי האנטנות למשפחות העיקריות הבאות: חוט) העשויות מתיל מתכת (חוט תיל אנטנות מלא או חלול בתצורות גיאומטריות שונות מפתח העשויות ממוליך גלים (גלבו) אנטנות ההולך ונפתח באופן הדרגתי (שופר) או מחריץ פתוח בתוך מישור מוליך שימוש במשטחים רפלקטור אנטנות מחזירים גדולים לריכוז הקרינה מודפסות העשויות מקווי מתכת אנטנות מודפסים על מצע דיאלקטרי (PCB) אנטנות (סריג של אלמנטים) מערכי 7
אנטנות בסיסיות אלמנט בסיסי: לולאה תיל ישר חריץ 8
אנטנות בסיסיות אלמנט עם אדמה: "עשן וולקני" קונוס מעל אדמה מונופול מעל אדמה 9
אנטנות בסיסיות אנטנות רפ לקטור: דיפו ל מ ע ל מחזיר מיש ורי 2 ד יפו לי ם מע ל מחזיר מישורי דיפו ל מ ע ל מחזיר פ ינתי 10
אנטנות בסיסיות אנטנות מ פ תח: שו פר מ ל בני שו פר מ עג לי צלחת פר בולית 11
אנטנות בסיסיות END FIRE דיאלקטרי מוט יאגי מערך סליל 12
13 דוגמאות
14 דוגמאות
15 דוגמא ות
16 דוגמאות
17 דוגמאות
18 דוגמאות
19 דוגמאות
יישומים עיקריים האנטנה היא מרכיב בסיסי ומשמעותי בכל מערכת המיועדת לשדר ולקלוט גלי רדיו: קרקעית מנקודה לנקודה תקשורת (עורקי טלפון, תחנות ממסר) קרקעית רב כיוונית תקשורת (רדיו, טלויזיה, קשר טקטי) תאית ואלחוטית תקשורת (תחנות בסיס, מכשירים ניידים, (WLAN מוטסת ולווינית תקשורת (רדיו-טלסקופים) חלל תקשורת ול"אאאא מכ"ם מערכות 20
רקע היסטורי פיזיקלית אופטיקה עקיפה מסדק צר ורחב, התאבכות מסריג, עקרון הויגינס (קרינה ראשונית ומשנית) גיאומטרית אופטיקה החזרה ומיקוד על ידי מראות ועדשות החשמל עקרונות חוק אמפר, חוק ביו-סבר, חוק פאראדיי חוק גאוס, חוק פואסון, משוואת לפלס מכסוול משוואות פתרונות אנליטיים למקרים נדירים בלבד. פתרונות נומריים לרוב המקרים הקיימים בשיטות GTD,FE,MOM ואחרות. 21
רקע היסטורי 1881 לולאה אנטנת 1886 הרץ) (הרץ דיפול אנטנת 1905 מרקוני) (מרקוני מוטות 50 מערך 20s יאגי-אודה אנטנת WWII מערכים, מכככ""""םםםםכ צלחות, שופרים, RWP King לעומק אנטנות חוט חקר JD Kraus לעומק אנטנות סליל חקר מתמטית שלמה SK Schelkunoff תיאוריה 60s המומנטים ו- GTD שיטות 70s האנטנות המודפסות הופעת 80s אלמנטים סופיים שיטות 22
רקע תיאורטי תיאורטי: רקע גלי ם א לק טרומגנטיי ם מקורות קרינה משוואות מכסוול עקרון השקילות ועקרון השיקוף שדה קרוב ושדה רחוק 23
גלים אלק טרומגנטיים אלקטרומגנטיים הם סוג של הפרעה המתפשטת גלים במרחב במהירות האור. c = f λ הם מורכבים משדה חשמלי ומשדה מגנטי ניצבים זה לזה, וניצבים גם לכיוון התקדמות ההפרעה. גלים אלקטרומגנטיים נוצרים בנקודה מסוימת על ידי שדה חשמלי מפתח זרם חילופין או על ידי מקור אקויולנטי (שאפשר לדמות אותו לזרם מגנטי וירטואלי) והם מתפשטים לאינסוף. לא ידוע עדיין על גלים שהגיעו מאינסוף ויצרו זרם מקומי. 24
גלים אלק טרומגנטיים גלים אלקטרומגנטיים המתפשטים במרחב החופשי (להבדיל מגלים אלקטרומגנטיים מונחים בתוך חלל סגור או בתוך קו תמסורת) הם גלים אשר חזיתם (משטח שווה פאזה) היא מישורית. במישור זה קיימים רק שדה חשמלי בכוון Eθ ושדה מגנטי בכוון.Hφ הגלים במרחב החופשי הוא: אימפדנס Eθ/Hφ = 120 π = 377 Ω פוינטינג מבטא את כיוון זרימת ההספק וקטור במרחב והוא ניצב לשדה החשמלי ולשדה המגנטי. 25
מקורות קרינה אלקטרו-מגנטי גל שני סוגי ע"י נוצר מקורות: הראשוני המקור הוא ביותר מוליך שזורם תיל זרם חילופין. בו 26
מקורות קרינה מכל קט ע של קו תמ סורת שיש בו עי קול, כיפ וף, אי רציפות, ק צה פתוח ו אפיל ו קצה מתוא ם נוצרים ג לים אלקטרומג נטיים שח ל קם עשוי לקרו ן כל פי המ רחב וחלקם עש וי להתקד ם בתוך קו התמסו רת כגלי ם לא רצויים. 27
מקורות קרינה המקור השני של מפתח גלים הוא מוגבל שיש עליו שדה חשמלי. השדה הרחוק הנוצר כתוצאה מן המפתח מתנהג כמו עקיפה אופטית רחב. מסדק 28
מקורות קרינה יש להזכיר כי השדה הרחוק ניתן מתמטית ע"י פורייה התמרת של השדה במפתח. למשל: אחיד יוצר מפתח עקומת קרינה של F(θ) = Sinθ/θ 29
עוצמ ה וצפיפות קרינה הקרינה עוצמת Radiation Intensity הספק הקרינה ליחידת זווית מרחבית U(θ,φ) ביחידות [Watt/steradian] מבוטא מהווה משתנה שימושי לחישובי אנטנות הקרינה צפיפות Radiation Density הספק הקרינה ליחידת שטח S(θ,φ) מבוטא ביחידות [Watt/m²] מהווה משתנה שימושי לחישובי בטיחות והפרעות 30
עוצמ ה וצפיפות קרינה דוגמה: באנטנה מסוימת עוצמת הקרינה היא אחידה בתחום זוויתי של 1 radian X 1 radian ואפס בכל יתר המרחב. נוכל לומר כי הקרינה מרוכזת על פני 1/4π מן המרחב. דוגמה: באתר מסוים קיימת צפיפות קרינה של 0.1 Watt/m² לכן אנטנה ששטחה A = 2 m² תקלוט הספק של P = S(θ,φ) x A = 0.2 Watt 31
משוואות מכסוול משוואות מכסוול הן מערכת ש ל 4 משו וא ות דיפרנציא ל יות הקושר ות בין מקו רות הקרינה לבין שדו ת הקרינה באופן של ם וסגור. E D H B ρ J המשתנים הבסיסיים הם: השדה החשמלי ההעתקה החשמלית השדה המגנטי ההעתקה המגנטית צפיפות המטענים צפיפות הזרם 32
משוואות מכסוול D = ε E B = µ H div J + ρ/ t בתווך לינ ארי חשמל י קיים: היכן ש- ε הוא המקדם הדיאלקטרי בתווך לינ ארי מגנטי קיים: היכן ש- µ הוא המקדם הפרמיא בילי כמו כן מש וואת הרצי פות קוב עת: 33
משוואות מכסוול (1) curl E = - B / t (2) curl H = J + D / t (3) div D = ρ (4) div B = 0 משוואות מכסוול הן: בהנחה של תלות הרמ ונית בזמן ובתווך לי נ ארי קיים: (1) curl E = -jωµ H (2) curl H = J + jωε E (3) div E = ρ/ε (4) div H = 0 34
משוואות מכסוול לפני שמנסים לפתור את משוואות מכסוול יש לקחת השפה. עבור תווך מוליך קיים: תנאי בחשבון את J = σ E היכן ש- החשמלית (מספר גבוה). המוליכות σ היא בתוך חלל מוליך (גם אם הוא חלול) אין שום שדות חשמליים או מגנטיים. על שטח המוליך, השדה החשמלי המשיקי מתאפס ואילו השדה המגנטי ניצב לכיוון הזרם המשטחי.Js 35
משוואות מכסוול הדרך המקובלת לפתו ר את משוו אות מכסוו ל היא : לרשום את פילוג הזרמים הנפחיים או המשטחיים עד כמה שנוכל לדעת אותם בהתאם לתנאי השפה. וקטורי A שהוא בעיקרון פוטנציאל לרשום אינטגרל נפחי (תלת ממדי) של הזרמים. לגזור את השדה המגנטי הרחוק מן הפוטנציאל H = (1/µ) curl (A) הוקטורי A לפי: לגזור את השדה החשמלי הרחוק מן השדה המגנטי E = (1/jωε) curl (H) לפי: לעדכן באופן איטרטיבי את הזרמים שהנחנו. (1) (2) (3) (4) (5) 36
37 משוואות מכסוול שלם ועקבי של משוואות מכסוול מניח את פתרון קיומו של ערור כלשהו (באזור קטן לאינסוף) ומוצא השדות, והן את התפלגות המקורות הן את התפלגות בהתאמה לתנאי השפה באופן.self consistent אנליטיים כאלה קיימים במספר קטן של פתרונות מקרים שבהם פישטו את המבנה בצורה קיצונית (למשל: אלמנט זרם נקודתי, תיל ישר דק, לולאה וחריץ קטן מאד). למקרים השימושיים בחיי היום יום אין פתרונות אנליטיים כי האינטגרלים בלתי פתירים. לכל היותר אפשר להניח שפילוג הזרם נתון וממנו לחשב את שדות הקרינה.
משוואות מכסוול 38 לעזרתנו באים כמה עקרונות בסיסיים של קרינה המסייעים לקבל פתרונות מקורבים, לפחות באופן השקילות (אקויולנטיות) בין עקרון איכותי, כגון השיקוף ועקרון מקורות זרם חשמליים ומגנטיים המאפשר להחליף משטחים מתכתיים מסוימים באלמנטי קרינה שקולים. הרוב המכריע של תכנוני אנטנות נעשים בעזרת נומריים ע"י תוכנות מדף מסחריות. פתרונות בסימולציות אלה פותרים את משוואות מכסוול על פני סריג מסוים (ממשי או מדומה) תוך שימוש בעקרונות השקילות והשיקוף ואחרים.
עקרון השקילות תצורה של זרם חשמלי Jl ו"זרם מגנטי" נפחיים שקולה לזרם חשמלי Js וזרם מגנטי Ms משטחיים הערה: זרם מגנטי הו א יציר מת מט י שעדיי ן לא נתגלה במצי או ת. Ml 39
עקרון השקילות לכל תצורת קרינה של זרם חשמלי ו/או זרם מגנטי ניתן בעיקרון לייצר שקולה תצורה עם תנאי שפה וזרמים משטחיים כך שהזרם החשמלי המשטחי יתאפס או הזרם המגנטי המשטחי יתאפס. 40
עקרון השקילות מקרה פרט י: כשנתון א ל מנט זרם מגנטי מ על משטח אדמה ניתן להחליף את משטח באלמנט זרם בגודל כפול. 41
עקרון השיקוף כשנתון א ל מנט מע ל משטח אדמה ניתן ל החליף את משטח האדמה באלמ נט זהה, סימטרי ביחס לאדמה. יש לקחת בחשבון שאם האדמה גדולה, הקרינה תצא רק לחצי המרחב. לכן נזכור שאם השבח של דיפול מבודד הוא 2 dbi אז השבח של דיפול מעל משטח אדמה הוא בערך 6-8 dbi (פקטור 2 בגלל השיקוף ועוד פקטור 2 בגלל שהקרינה יוצאת לחצי מרחב. 42
שדה קרוב ושדה רחוק בקרבת האנטנה מבחינים בשני א זורים קרו בים שבהם עדיין אי ן התפשטות של גל אלק טרומגנטי מישורי: הריאקטיבי שבו האנטנה מתנהגת כמו מהוד אזור 0 < R < λ/2π קרינתי קרוב (נקרא על שם פרנל) שבו השדה אזור אמנם מתפשט אבל קרוב יותר לגל כדורי: 0.6 D³/λ < R < 2D²/λ (1 (2 הקרינה הרחוק שבו הגלים מישוריים שדה שם פראונהופר) מתחיל במרחק: R > 2D²/λ (נקרא על 43
44 שדה קרוב ושדה רחוק
שדה קרוב ושדה רחוק קרינה עבור עקומי מדידה שונים מרחקי המפתח. מן לראות כי ניתן הרחוק" "השדה חד משמעי ותלוי אינו בדיוק הדרוש למעשה אונות הצד. של 45