Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku ) E a 2 ds

Transkriptio

1 Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku ) Täm ä olettaa, että D = 4π λ 2 S a E a ds 2. (2 40 ) S a E a 2 ds Pääkeila aukon tasoa koh tisuoraan suuntaan Aukko iso aallonpituuteen näh den K entät aukossa ovat (läh es) tasoaallon kenttiä V aikka kaksi viim eistä eh toa eivät tarkasti pitäisikään paikkansa, saadaan y h tälöllä h y viä tuloksia.

2 Suuntaavuus ja vahvistus Vakioamplitudiselle aukolle tämä saa muodon D u = 4π λ 2 A p, (241) jossa A p on aukon koko. Tämä on samalla suurin mahdollinen suuntaavuus, joka voidaan vakiovaiheisella aukkoantennilla saavuttaa. E simerkki: TE 1 0 -aaltoputken pään suuntaavuus kertainen maksimiarvoon verrattuna, D = 4π λ 2 (0.8 1)A p. J os kenttäjakauma on separoituva, suuntaavuus on myös separoituva, D = πd x D y cos θ 0, (242) jossa D x on E a (x)-virtajakaumalla varustetun

3 Suuntaavuus ja vahvistus viivalähteen suuntaavuus (vastaavasti D y ) ja θ 0 pääkeilan suunta rintamasuuntaan nähden. Vakioamplitudisella aukolla saadaan sama tulos kuin edellä käyttämällä viivalähteen suuntaavuutta (189 ), D u = π 2L x λ 2L y λ = 4π λ 2 L xl y. (243) Vahvistus saa aukkoantennien tapauksessa muodon G = 4π λ 2 A e = 4π λ 2 ε apa p = ε ap D u. (244) Tehollisen pinta-alan A e ja fyysisen pinta-alan A p suhde, aukkotehokkuus ε ap, kertoo kuinka hyvin antenni käyttää pinta-alaansa hyväksi.

4 Suuntaavuus ja vahvistus Aukkotehokkuus voidaan jakaa edelleen osatekijöihinsä ε ap = e r ε t ε s ε a (245 ) e r säteilytehokkuus, aukkoantenneilla useimmiten e r 1 ε t ε s ε a amplitudijakaumasta johtuva tehokkuus tehokkuuskerroin sille, että osa syöttöantennin tehosta ei osu säteilevään aukkoon. M uut pienemmät vaikutukset, kuten: ristipolarisaatiotehokkuus (polarisaatio eri kuin haluttu), vaihevirheen tehokkuuskerroin, aukon eteen tulevien rakenteiden varjostusvaikutus,...

5 Suorakulmaiset torviantennit Aaltoputken pään suuntaavuutta voidaan parantaa suurentamalla putken päätä torven avulla (kuva 7-11). Torviantennit ovat hyvin suosittuja mikroaaltotaajuuksilla (1 G H z-), koska niillä on korkea vahvistus, matala VS W R, suhteellisen leveä kaistanleveys ja ne ovat kevyitä ja helppoja rakentaa. N iitä käytetään myös heijastinantennien syöttöantenneina. Aaltoputken alimmassa moodissa (TE 10 ), H -taso on leveämmän sivun suuntainen (kuvassa 7-11 vaakasuora) ja E-taso lyhyemmän sivun suuntainen.

6 Suorakulmaiset torviantennit Jos torvi leviää vain H-tason suuntaan, sitä kutsutaan H -tason torviantenniksi (kuva 7-11a), vastaavasti E-tason suuntaan leviävää E-tason torviantenniksi (kuva 7-11b ). Jos torvi leviää molempiin suuntiin, se on p y ramid itorviantenni (kuva 7-11c). Torvi toimii siirtymäalueena aallolle aaltojohtomoodista vapaan tilan moodiin, vähentäen heijastuksia. Koska torven aukon reuna-alueelle on pidempi matka syöttävästä aaltoputkesta kuin keskelle, reuna-alueilla vaihe on jäljessä keskipisteeseen nähden, aiheuttaen vaihevirhettä.

7 Suorakulmaiset torviantennit Kuvan 7-12 H-tason torvessa R= [ ] R1 2+x2 R x 2 2 R 1, jolloin vaihevirhe on β(r R 1 ) β x 2 2 R 1. Tällöin säteilyinteg raali saa muodon P y = A 2 A 2 b cos πx β A e j 2R x 2 1 e jβux dx 2 b 2 e jβv y dy. (246 ) Ensimmäinen integ raali johtaa erikoisfunktioihin, toinen on vakioamplitudisen viivalähteen muotokerroin. Kuvassa 7-13 on esitetty säteilykuvio E- ja H-tasoissa eri maksimivaihevirheen arvoilla (t = δ m ax 2π ). Torven pituuden pysyessä vakiona R 1, suuntaavuus H-tasossa kasvaa torven pään levetessä (A kasvaa) optimipisteeseen (t o p = 3/8) saakka (kuva 7-14).

8 Suorakulmaiset torviantennit Optimipisteen jälkeen vaihevirhe on niin suuri, että se aiheuttaa kenttien kumoutumista kaukokentissa ja pudottaa suuntaavuutta. E-tason torven käyttäytyminen on samantyyppistä kuin H-tason torven. Pyramiditorvi tuottaa terävän kynämäisen pääkeilan. Pyramiditorven ominaisuudet saadaan pääteltyä edellisistä tuloksista, koska sen käyttäytyminen E-tasossa on samanlaista kuin E-tason torven ja H-tasossa samanlaista kuin H-tason torven. Myös pyramiditorvella on jokin optimimuoto, jolla suuntaavuus saa maksimiarvonsa.

9 Suorakulmaiset torviantennit Tällöin G = π AB (247) λ2 Optimimuoto riippuu kuitenkin taajuudesta, eikä vahvistus kasva neliöllisesti taajuuden funktiona, kuten edellisestä yhtälöstä voisi päätellä. Kuvan 7-20 mukaisesti aukkohyötysuhde putoaa taajuuden kasvaessa, jolloin yhtälön (244) mukaisesti suuntaavuus kasvaa hitaammin kuin f 2 -riippuvaisesti taajuuden funktiona. Kuvassa 7-21 on optimaalisen pyramiditorven yhdistetty E- ja H-tason säteilykyvio.

10 Heijastinantennit Heijastinantennit ovat ehkä yleisimmin käytettyjä korkean vahvistuksen antenneja, ja niillä saavutetaan yleisesti yli 30 db vahvistuksia mikroaaltotaajuuksilla. Korkeita vahvistuksia tarvitaan pitkän välimatkan radioviestinnässä ja korkearesoluutioisissa tutkissa. Heijastinantenni koostuu yksinkertaisimmillaan kahdesta osasta: paljon aallonpituutta suuremmasta heijastavasta pinnasta ja paljon sitä pienemmästä syöttöantennista. Y leisin on parab oloidi heijastinantenni, jonka heijastinpinnan muoto on paraabelin pyörähdyspinta (kuva 7-25). Pinnan muodon määrää polttovälin suhde halkaisijaan, F/D.

11 Heijastinantennit Paraboloidipinnan ominaisuutena on se, että kaikki polttopisteestä lähtevät säteet heijastuvat antennin akselin suuntaisiksi, eli se muuntaa palloaallon tasoaalloksi (ja päinvastoin vastaanotossa). L isäksi aallon kulkema matka polttopisteen syöttöantennista aukkotasolle (heijastinpinnan reunan tasolle) on yhtä pitkä kaikilla reiteillä. Siten aukkotasolla aallolla on vakiovaihe. Amplitudi ei tosin välttämättä ole vakio. Heijastinantenneja voi analysoida integroimmalla kaukokentät aukkotason kentistä, jotka on taas saatu sädeoptiikkaa käyttäen. Toisena vaihtoehtona kentät voidaan myös integroida heijastinpinnan pintavirroista.

12 Heijastinantennit Heijastinantennit ovat yleisesti hyvin leveäkaistaisia, taajuuskaistan alarajalla heijastimen pitää olla usean aallonpituuden luokkaa, ylärajalla heijastinpinnan epätasaisuudet pitää olla paljon aallonpituutta pienempiä. Tavallisimmin kaistaleveyttä rajoittaa syöttöantenni. Yleisin heijastinantenni on aksiaalisymmetrinen polttopisteestä syötetty paraboloidi. Tällöin kuitenkin syöttöantenni ja sen tukirakenteet tulevat esteeksi heijastuneen aallon tielle. Tätä voidaan vähentää kuvan 7-31 mukaisella epäaksiaalisella off set-paraboloidiantennilla.

13 Heijastinantennit Syöttö voidaan myös siirtää parempaan paikkaan käyttämällä apuheijastinta, kuten kuvan 7-32 C asseg rain- ja G reg orian-heijastinantenneissa. Kuvassa 7-40 on esitetty muita heijastintyyppejä. Jos syöttöantennin säteilykuvio ei ole pyörähdysymmetrinen heijastinantennin akselin suhteen, seuraa tästä aallon ristipolarisaatiota (kuvat 7-28 ja 7-29). Syöttöantenni pitää suunnitella siten, että sen säteily on mahdollisimman tasaista koko heijastinpinnalle ja mahdollisimman vähän säteilystä menee heijastimen ohi. Nämä vaatimukset ovat ristiriitaiset, toisen parantaminen huonontaa toista. Optimi aukkohyötysuhde saavutetaan,

14 Heijastinantennit kun kenttien amplitudi heijastimen reunalla on 11 db alle pääkeilan maksimin (kuva 7-39). Syöttöantenneina käytetään U HF -taajuuksilla dipoleita, korkeammilla taajuuksilla aaltoputkien päitä ja pieniä torviantenneja. Keilaa saadaan ohjattua siirtämällä syöttöantennia pois polttopisteestä, esimerkiksi tekemällä useammasta syöttöantennista ryhmä polttopisteen ympärille. Kaistanleveyden rajoittavana tekijänä on tavallisesti syöttöantenni. Käyttämällä korrugoitua kartiotorvea syöttöantennina (kuva 7-46), saadaan kaistanleveyttä kasvatettua arvoon 1.6:1 tai parempaan.

15 Tutkat Antenneja käytetään viestilinkkien lisäksi esimerkiksi tutkissa. Tarkastellaan tutkasysteemiä, missä lähettävä ja vastaanottava antenni ovat samassa pisteessä, tyypillisesti ne ovat sama antenni (kuva 9-3). Oletetaan, että antennin säteilykeilan maksimi osoittaa kohdetta päin, jolloin tehotiheys kohteeseen tulevalla säteilyllä on S i = yhtälöiden (122) ja (125) mukaisesti. P t 4πR 2 G t = P ta et λ 2 R 2 (248)

16 Tutkat Osa tästä tulevasta aallosta heijastuu takaisin kohti tutkaa. Tutkapinta-alaksi (radar cross section) kutsutaan pinta-alaa, jolla kohde kerää säteilyä ja uudelleensäteilee sen isotroop p isesti ympärilleen, P i = σs i. (249) Todellisuudessa kohde ei säteile isotrooppisesti. Tällöin σ vastaa sitä pinta-alaa, jolla kohde keräisi säteilyä, että se pysyisi säteilemään isotrooppisesti samalla intensiteetillä, jolla se todellisuudessa säteilee kohti tutkaa.

17 Tutkat Tutkan etäisyydellä takaisin palanneen säteilyn tehotiheys on S s = P i 4πR 2, (250) jolloin tutkan vastaanottama teho on Yhdistämällä nämä tulokset, saadaan P r = A er S s. (251) P r = A er σs i 4πR 2 = P A er A et σ t 4πR 4 λ 2 = P t λ 2 G r G t σ (4π) 3 R 4. (252) Tätä yhtälöä kutsutaan tutkayhtälöksi. Usein lähetys ja vastaanotto ovat identtiset, G r G t = G 2.

18 Tutkat Tutkapinta-ala voidaan kirjoittaa muodossa σ = 4πR2 S s S i, (253) joka on 4π kertaa tutkan suuntaan palaavan säteilyintensiteetin R 2 S s suhde kohdetta kohti lähetettyyn säteilytiheyteen. Tutkapinta-ala riippuu (esimerkiksi) kohteen muodosta kohteen materiaalista taajuudesta lähetetyn aallon polarisaatiosta kohteen asennosta