Helix-antenni Helix-antenni (kierukka-antenni) saadaan, kun johdin kierretään heliksille (kuv a 6-9 ). A ntennin koosta riip p uen helix v oi toim ia

Transkriptio

1 Helix-antenni Helix-antenni (kierukka-antenni) saadaan, kun johdin kierretään heliksille (kuv a 6-9 ). A ntennin koosta riip p uen helix v oi toim ia kahdessa eri m oodissa: norm aalim oodi ja aksiaalim oodi. Normaalimoodissa se on y m p ärisäteilev ä rintam asäteilijä helixin akseliin nähden ja on kooltaan sähköisesti p ieni (D λ,l λ), jolloin sen v irta on v akio. Y htä kierrosta v oidaan ap p roksim oida p ienen silm ukan ja ideaalidip olin y hdistelm änä (kuv a ). Helix-antennilla norm aalim oodissa käy tetään/ käy tettiin p aljon känny köissä ja m uissa p ienissä lähetin-v astaanottim issa. S itä sy ötetään usein m aatason p äällä m onop olina.

2 Helix-antenni Etuna muihin lyhyisiin antenneihin verrattuna + K ierre tuo induktiivista komponenttia, kumoaa osan suoran lang an kapasitiivisesta vaikutuksesta + Säteilyresistanssi isompi kuin ideaalimonopolilla + P äästään ympyräpolarisoituneisiin aaltoihin Aksiaalimoodissa helix-antenni toimii päätysäteilijänä, jolla on yksi keila helixin akselin suuntaan. N iillä saavutetaan jopa 15 db :n vahvistus ja niiden säteily ympyräpolarisoitunutta.

3 Helix-antenni Suhteellisen pienestä poikkipinnastaan johtuen aksiaalimoodin helix-antennia käytetään yleisesti U HF -taajuuksilla satelliittilinkeissä. Yhden silmukan ympärysmitta on aallonpituuden luokkaa. Antennissa kulkee sinimuotoinen etenevä aalto, jonka sähkökentät ympyräpolarisoituneita. Helixin vastakkaisilla puolilla virta on 18 0 vaihesiirrossa ja vastakkaissuuntainen, joten kokonaisuudessaan virrat ovat samanvaiheisia ja vahvistavat siten toisiaan akselin suuntaan.

4 Helix-antenni Sitä voidaan mallintaa antenniryhmänä, jonka elementtiantennit ovat silmukoita, joilla kehän pituus on λ. O ikeankätinen helix tuottaa oikeakätisesti ympyräpolarisoituneen aallon, vastaava vasenkätisille. L yhyt helix on suhteellisen leveäkaistainen, f U / f L on hieman alle kaksi. Aksiaalimoodissa toimivan helix-antennin keilanleveys pienenee (vahvistus kasvaa) kierroksia lisättäessä. Syöttöresistanssi lähes reaalinen etenevistä aalloista johtuen.

5 Kaksoiskartiodipoli Tavallisten dipoleiden kaistanleveyttä voi parantaa käyttämällä paksumpia johtimia. Kaistaleveyttä saadaan kasvatettua vielä enemmän, kun tehdään johtimista kartion mallisia (kuva 6-15). J os kartiot ovat äärettömän pitkiä ja niillä on äärellinen väli syöttöpisteessä, kyseessä on ääretön kaksoiskartiodipoli. Sitä voidaan approksimoida siirtolinjana, jossa etenee TEM -aalto Eteneviä aaltoja reaalinen impedanssi Säteilykuvio kuvassa 6-16

6 Kaksoiskartiodipoli Käytännössä kartiot eivät voi olla äärettömiä, vaan ne pitää katkaista kuvan 6-17 mukaisesti. Tällöin antenniin syntyy seisovia aaltoja, jotka aiheuttavat syöttöimpedanssiin reaktiivisen komponentin. Lisäämällä kartioiden kulmaa, saadaan reaktiivinen osa minimoitua ja reaaliosa vähemmän herkäksi taajuuden muutoksille, jolloin saavutetaan 2 :1 impedanssin kaistanleveys. (kuva 6-18) Kaksoiskartiodipolin toiminta riippuu enemmän sen kartioiden kulmasta kuin niiden koosta. Taajuuskaistan alapäässä kartion koko on λ/4 :n luokkaa, yläpäässä λ/2 :ta suurempi.

7 Kaksoiskartiodipoli Kaksoiskartiodipolin tasomainen vastine on kuvan 6-32 b ow -tie -antenni. Jos toinen kartio korvataan kiekon mallisella maatasolla, saadaan lev y kartioantenni (discone, kuva 6-19). Kuvassa 6-20 on esitetty levykartioantennin säteilykuvio 3:1 kaistanleveydellä. Taajuuskaistan alapäässä se säteilee kuten lyhyt dipoli, yläpäässä kuten ääretön kartiodipoli.

8 Vaippa-antenni Dipolin (tai monopolin) kaistanleveyttä voidaan parantaa lisäämällä siihen erityyppisiä vaipparakenteita (kuvat 6-21, 6-22). Kuvassa 6-21 vaipan avulla saadaan virta monopoli virtuaalisessa syöttöpisteessä pysymään samansuuruisena sekä λ/2- että λ/4-pituudella, jolloin myös impedanssi ja säteilykeila pysyvät samana, ja saavutetaan jopa 4:1 kaistanleveys.

9 Taajuusriippumattomat antennit Jos antennin säteilykuvio pysyy vakiona vähintään 10:1 kaistanleveyden, sitä kutsutaan taajuusriippumattomaksi antenniksi. Äärettömän pitkä kaksoiskartiodipoli täyttää tämän ehdon. Se on myös esimerkki siitä yleisestä taajuusriippumattomien antennien ominaisuudesta, että sen toimintaan eivät vaikuta mitkään fyysiset mitat, ainoastaan geometriassa esiintyvät kulmat. Taajuusriippumattomuuteen päästään välttämällä antennin toimintaan vaikuttavia kiinteitä äärellisiä mittoja ja maksimoimalla ominaisuuksien riippuvuus geometrian kulmista.

10 Taajuusriippumattomat antennit Tarkastellaan kuvan 6-25a nauhadipolia, ja samanmuotoista aukkoantennia 6-25b. Aukkoantenni saadaan dipolista korvaamalla tasossa metallinauha ilmalla ja ilma metallilevyllä, eli nämä rakenteet ovat komplementaarisia. Yleisesti komplementaarisille antenneille pätee B abinet n periaate, joka sanoo, että metallisen antennin syöttöimpedanssi Z metal ja sille komplementaarisen aukkoantennin impedanssi Z air toteuttavat Z metal Z air = η2 4, (211) jossa η on ympäröivän aineen aaltoimpedanssi.

11 Taajuusriippumattomat antennit Jos antenni on itsensä komplementti (eli komplementista päädytään rotaatiolla tai translaatiolla alkuperäiseen antenniin), sen impedanssi on Z metal = Z air = η Ω, (212) eli sen impedanssi on taajuudesta riippumaton. Tästä saadaan toinen taajuusriippumattomien antennien suunnitteluperiaate: antenneista pyritään tekemään itsekomplementaarisia. Myös ei-itsekomplementaarisia laajakaista-antenneja on olemassa.

12 Taajuusriippumattomat antennit Taajuusriippumattomien antenneille tyypilliset ominaisuudet voi tiivistää seuraavasti: Painotus kulmilla pituuksien sijasta Suositaan itsekomplementaarisia rakenteita Käytetään paksuja metallirakenteita Kaikki taajuusriippumattomat antennit eivät kuitenkaan toteuta kaikkia näitä ehtoja. Taajuusriippumattomille ominaista on itseskaalautuvuus. Suurin osa säteilystä syntyy alueella, jonka pituus on λ/2:n tai kehä λ:n luokkaa, ns. aktiivisella alueella. Taajuuden laskiessa aktiivinen alue siirtyy kohti fyysisesti isompaa osaa antennia.

13 Spiraaliantenni Esimerkkejä itseskaalautuvuudesta ja aktiivisesta alueesta ovat spiraaliantennit, jotka ovat lisäksi (tarkasti tai lähes) itsekomplementaarisia. Niillä saavutetaan parhaimmillaan 40:1 kaistanleveys. Tarkastellaan kuvan 6-27 samakulmaista tasospiraaliantennia, jonka reunaviivat toteuttavat yhtälön r =r 0 e aφ. Taajuuden laskiessa aktiivinen alue siirtyy ulommas spiraalirakenteessa, jolloin impedanssi, säteilykuvio ja polarisaatio pysyvät lähes vakioina isolla taajuusalueella. Syötön mitat määräävät taajuuskaistan ylärajan; ylärajan aallonpituus λ U syötön ympärysmitan kokoluokkaa, eli syötön säde on noin λ U /4.

14 Spiraaliantenni Taajuuskaistan alarajan määrää antennin säde R, alarajalla antennin kehä C = 2π R on λ L :n luokkaa. Samakulmaista tasospiraaliantennin säteilykuvio koostuu kahdesta tasolle kohtisuorasta vastakkaissuuntaisesta keilasta. Toinen yleinen tasospiraaliantennin on kuvan 6-28 A rkimeden spiraaliantenni, joka on muotoa r = r 0 φ. Syöttöpisteen ja aktiivisen alueen välillä virrat kulkevat siirtolinjamoodissa, eivätkä säteile. Aktiivisella alueella ympärysmitta on aallonpituuden suuruinen. Aktiivisen alueen säteilyhäviöiden vuoksi tämän ulkopuolella virrat ovat pieniä. Antenni toimii kuin se olisi äärettömän iso.

15 Spiraaliantenni Koska syötöt ovat 180 vaihesiirrossa ja matka syöttöpisteistä aktiiviselle alueelle on sama molemmissa johtimissa, virrat ovat samassa vaiheessa vastakkaisilla puolilla spiraalia (esim kuvan 6-28 pisteissä A 1 ja A 2 ). Lisäksi virrat ovat aktiivisella alueella samassa vaiheessa rinnakkaisissa johtimissa (esim pisteissä A 1 ja A 2) johtuen kehän λ/2-matkalla tapahtuvasta 180 vaihesiirrosta. Samavaiheisuudesta johtuen sähkökentät vahvistavat toisiaan rintamasuuntaan. Spiraaliantenni tuottaa ympyräpolarisoitunutta aaltoa ja spiraalin kätisyys määrää polarisaation kätisyyden.

16 Spiraaliantenni Tasospiraaliantenneja voidaan valmistaa edullisesti painotekniikalla, kuten piirejä ja mikroliuska-antenneja. Pääkeilalle vastakkaisen keila saadaan poistettua lisäämällä tasospiraalin taakse johdelevy. Tällöin antennin ja metallitason etäisyys tuo kuitenkin antenniin kiinteän fyysisen mitan, jolloin taajuusriippumattomuus menetetään. Takakeilan suurutta voidaan vähentää myös ilman johdinlevyä käyttämällä kuvan 6-30 mukaista kartiospiraaliantennia.

17 Log-periodiset antennit Spiraaliantennien rakenne painottaa kulmia dimensioiden asemesta, kuten haluttiinkin. Mutta haluaisimme geometrisesti yksinkertaisemman muotoisia rakenteita (suoria, ympyröitä), joita olisi helpompi valmistaa. Log-periodisten antennien geometria on sellainen, että niiden impedanssi ja säteilyominaisuudet muuttuvat periodisesti taajuuden logaritmin funktiona. Muutokset taajuuden funktiona ovat tavallisesti pieniä lähes taajuusriippumaton antenni. Log-peridinen käytös saadaan aikaan sillä, että myös antennin geometriset mitat tehdään log-periodisiksi.

18 Log-periodiset antennit Esimerkki: kuvan 6-33 log-periodisesti h ammastettu tasoantenni, joka on lisäksi itsekomplementaarinen. Hammasrakenne estää antennista säteen suuntaisesti kulkevia virtoja ja kullakin taajuudella λ/4-pituisten hampaiden poikkisuuntaiset virrat tuottavat säteilyn. Peräkkäisten hampaiden ulkosäteiden suhde on aina sama, τ = R n+1 /R n, jolloin säteilykuviossa ja impedanssissakin on taajuuden suhteen sama jakso, f n /f n+1 = τ. Kun tästä otetaan logaritmi puolittain, saadaan log f n+1 = log f n + log 1 τ. (213) Siten antennin toiminta logaritmisesti jaksollinen; tästä seuraa log-periodisten antennien nimi.

19 Log-periodiset antennit Muita esimerkkejä ovat log-pediodinen kiila-antenni (kuva 6-34) + vain yksi pääkeila +z-suuntaan log-periodisesti hammastettu puolisuunnikasantenni (kuva 6-35) + Suorat särmät, helpompi valmistaa Toiminta samanlaista kuin käyrällä versiolla Metallilevystä tehdyt antennit ovat matalilla taajuuksilla usein epäkäytännöllisen kokoisia, siksi levyt korvataankin usein hampaiden ulkopinnan muotoisilla metallilangoilla (kuva 6-36).

20 Log-periodiset antennit Yksinkertaisin ja samalla yleisin log-periodinen antenni on log-periodinen dipoliryhmä (kuvat 6-37 ja 6-38). R akenne jäljittelee kaksinkerroin taitettua kuvan 6-35 hammastettua puolisuunnikasantennia. Kullakin taajuudella jotkut dipoleista on lähellä λ/2-pituutta ja toimivat lähettiminä, viereisten pidempien ja lyhyempien dipolien toimiessa heijastajina ja suuntaajina Yagi-Uda-antennien tapaan. Taajuuskaistan ylä- ja alarajalla lyhin tai pisin dipoli on (karkeasti) λ/2 luokkaa. Elementtien määrä, paikat ja pituudet määräytyvät kuvan 6-39 optimaalisista arvoista.

21 Log-periodiset antennit Antennin runko-osa toimii siirtolinjana, joka syöttää aktiivisen alueen dipoleita. Kuvassa 6-40 on esimerkki siitä, miten eri elementtien virrat ja jännitteet muuttuvat taajuuden muuttuessa. Kuvassa 6-41 säteilykuvio usealla eri taajuudella. Huomataan, että säteilykeila ja impedanssi pysyvät lähes vakiona isolla taajuusalueella. Log-periodinen dipoliryhmä on todella yleinen laajakaista-antenni, koska se on yksinkertainen ja halpa valmistaa sekä kevyt. Log-periodisilla antenneilla saavutetaan usein 10:1 kaistanleveyksiä.