Kulmaheijastinantenni

Transkriptio

1 Kulmaheijastinantenni Asettamalla syö ttö an ten n i jo h d elev yjen k u lmaan k u v an mu k aisesti, saad aan n o stettu a v ah v istu sta d B p u o liaalto d ip o lin taso sta. S en an alyso in ti o n h elp p o a k äyttäen k u v aläh d emen etelmää ja ryh mäan ten n ien teo riaa k u v an tap aan. K u v assa k u lmah eijastin an ten n in säteilyk u v io k ah d ella p äätaso lla, eri syö ttäan ten n in etäisyyk sillä s k u lmasta. U sein syö ttö an ten n in a k äytetään laajak aistaista b o w -tie -an ten n ia d ip o lian ten n in sijasta k aistan lev eyd en k asv attamisek si.

2 Isot silmukka-antennit Sähköisesti pienille silmukoille suuntakuvio ja muut parametrit eivät riippuneet silmukan muodosta, ainoastaan sen pinta-alasta. Säteilyn maksimi on silmukan tasossa ja nolla kohtisuorassa tasossa. Kun silmukan koko on aallonpituuden luokkaa, virran amplitudi ja vaihe eivät ole enää vakioita silmukassa. Kun taajuutta muutetaan, antennin käytös muuttuu, eli kyseessä on resonanssiantenni. R esonoivissa silmukka-antenneissa virtajakauma on lähes sinimuotoista. T avallisimmin silmukka on joko ympyrän tai neliön mallinen, ja molempissa tapauksissa käyttäytyminen on samantyyppistä.

3 Isot silmukka-antennit Silmukat toimivat normaalisti ensimmäisessä resonanssipisteessään, jolloin niiden kehä on hieman yhtä aallonpituutta pidempi. Tarkastellaan kuvan 5-51 mukaista neliösilmukkaa, jonka kehän pituus on λ. H uomataan, että tarkka numeerisesti ratkaistu virtajakauma (katkoviiva) on hyvin lähellä sinimuotoista approksimaatiota. Säteilykuvio saadaan tuttuun tapaan virtajakaumasta integ roimalla. Kuvassa 5-52 on neliösilmukan säteilykuvio päätasoissa. Säteily on suurinta silmukan tasolle kohtisuoraan suuntaan (z-suunta). Silmukan tasossa säteily on suurinta syöttösivulle kohtisuoraan suuntaan (y-suunta).

4 Isot silmukka-antennit Kuvassa 5-53 neliösilmukan syöttöimpedanssi silmukan (johdon halkaisija 0.001λ) kehän pituuden funktiona. E nsimmäinen resonanssi esiintyy, kun kehä on 1.09 λ. Syöttöresistanssi R A on tällöin noin 100 Ω. Y hden aallonpituuden neliösilmukan suuntaavuus on 3.09 db, joka on huonompi kuin λ-pituisen dipolin db. Tämä seuraa luonnollisesti silmukan vähemmän suuntaavasta säteilykuviosta.

5 Mikroliuska-antennit Usein käytetään eristeen (substraatin) päälle painettuja tasomaisia antenneja. N iistä suosituin, mikroliuskaantenni, koostuu mikroliuska-patch:istä. Yksinkertaisimmillaan mikroliuska koostuu kahdesta johdetasosta ja niiden välisestä eristeestä. Alempi johdetaso toimii maatasona. J os ylempi johde muodostaa eristeaineen aallonpituuden puolikkaan kokoluokkaa olevan tilkun (patch), jota syötetään mikroliuskasiirtolinjalla, rakenne alkaa toimimaan resonanssiantennina (kuva 5-54a). J ohdetasojen väli vastaa päistään avointa ontelovärähtelijää, jossa syntyy seisova aalto kuvan 5-54b

6 Mikroliuska-antennit mukaisesti. Suurin osa kentästä pysyy levyjen välillä, mutta levyjen päissä kentät tunkeutuva myös eristeen ulkopuolelle kuvien 5-54b ja c mukaisesti. Nämä hajakentät aiheuttavat antennin säteilyn. 180 vaihesiirron vuoksi molemmilla puolilla tilkkua kentän x-komponentit ovat samanvaiheisia sekä myös sama-amplitudisia, jolloin säteily on rintama- eli z-suuntaista. Tarkempi tarkastelu tapahtuu aukko-antennien teorian mukaisesti. Kuvassa 5-56 on neliömikroliuska-antennin säteilykuvio ja kuvassa 5-55 erilaisia antennin syöttörakenteita.

7 Mikroliuska-antennit Mikroliuska-antennien hyvänä puolena on halpa valmistustekniikka ja se, että syöttöpiiri ja muu elektroniikka voidaan tehdä samalle mikroliuskalle. L isäksi antenneista on mahdollista saada pieniä, koska antennin koko määräytyy aallonpituudesta eristemateriaalissa, joka on pienempi kuin ilman aallonpituus. Mikroliuska-antennien haittapuolena on kapea taajuuskaista ja vaatimaton vahvistus. V ahvistusta saadaan kuitenkin parannettua tekemällä samalle liuskalle ryhmä mikroliuska-antenneja, jolloin saadaan terävä säteilykeila. Myös ryhmän syöttöpiiri voidaan integroida mikroliuskalle.

8 Lanka-antennien syöttö Jos antennia ei ole sovitettu siirtolinjaan, aiheutuu korkea VSW R, jolloin Tehoa hukkuu heijastuksiin (taulukko 5-3) Tietyissä kohtaa siirtolinjaa korkeita jännitteitä läpilyönti Siirtolinjassa impedanssi muuttuu paikan funktiona ja kiinteässä pisteessä taajuuden funktiona Voimakas epäsovitus voi muuttaa lähettimen taajuutta (frequency pulling)

9 Lanka-antennien syöttö Impedanssia voidaan sovittaa (kuva 5-18) Siirtolinjan neljännesaaltomuuntimella Virityslaitteilla, kuten stubivirittimellä Matalilla taajuuksilla säätökondensaattoreilla ja -keloilla Siirtämällä antennin syöttökohtaa (kuva 5-19) Levittämällä syöttökohtaa (shunt feed) (kuva 5-21) Näistä kolme ensimmäistä ovat eri tyyppisiä so v ituspiirejä ja ne toimivat hyvin vain yhdellä taajuudella kapea taajuuskaista. Syötön siirto saattaa muuttaa virran jakaumaa (kuva 5-20) ja shunt-syöttö aiheuttaa säteilyä.

10 Lanka-antennien syöttö Koaksiaalisiirtolinjan rakenne on epäsymmetrinen, siksi antennia syöttäessä sen virtakin voi olla epäsymmetrinen (5-22). O sa syöttävirrasta palaa koaksiaalin ulkojohtimen ulkopintaa pitkin (kuva 5-23), aiheuttaen häiritsevää säteilyä siirtolinjasta ja muutoksia antennin säteilykuviossa. Ilmiötä yritetään poistaa symmetriointimuuntajalla eli b alunilla (balanced to unbanlanced). Esimerkiksi oikosuljetulla λ/4-siirtolinjalla (kuvat 5-24 ja 5-25) saadaan koaksiaalijohtimen ulkopinnan virtatiehen suuri impedanssi, ja näin ehkäistään virta. Balun-rakenteita voidaan käyttää myös impedanssimuuntajina (kuva 5-29).

11 Ei-täyd ellisen maatason v aikutus Varsinkin matalilla taajuuksilla antennin toimintaan vaikuttaa niiden ympäristö, kuten esimerkiksi maanpinta ja rakennukset. Tarkastellaan nyt maatasoa, joka ei ole täydellisen johtavaa, esimerkiksi maapallon pintaa. Maapallon pinta voidaan olettaa tasomaiseksi, mutta se on huonoa johdetta. Kentät tunkeutuvat maahan, jolloin maaperään syntyy virtoja ja sitä kautta ohmisia häviöitä (σ E 2 ). Reaalista maatasoa voidaan mallintaa kuvalähdemenetelmällä vastaavasti kuin täydellistä maatasoa, nyt vain kuvalähteet eivät ole yhtä voimakkaita kuin alkuperäiset

12 Ei-täydellisen maatason vaikutus lähteet. Kuvalähteen voimakkuus saadaan kertomalla lähteen voimakkuus maatason heijastuskertoimella. Heijastuskerroin riippuu aallon polarisaatiosta tasoon nähden. Kuvissa 5-48 ja 5-49 on pystysuoran lyhyen dipolin säteilykuvio sekä täydellisen että reaalisen maatason päällä. Reaalinen maatason tapauksessa pääkeila kääntyy ylöspäin, eikä maanpinnan suuntaan säteile laisinkaan häviöistä johtuen. Lisäämällä maatasoon säteen suuntaisia johtimia, saadaan maatason häviöt pienenemään lähelle täydellisen maatason tapausta.

13 Laajakaista-antennit Monissa sovelluskohteissa antennin pitää toimia tehokkaasti isolla taajuusalueella. Olkoon f U ja f L sen taajuusalueen ylä- ja alarajat, jossa antenni toimii hyväksyttävästi, ja f C taajuusalueen keskikohta. Kapeakaistaisille antenneille käytetään kaistaleveytenä prosenttilukua leveäkaistaisille taas suhdetta B p = f U f L f C 100%, (208) B r = f U f L. (209)

14 Laajakaista-antennit Laajakaista-antenniksi kutsutaan antennia, jolla imp edanssi ja säteilykuvio eivät muutu merkittävästi oktaavin alueella (f U /f L = 2). Laajakaista-antenneissa ei ole selkeitä (aallonpituuden suuruusluokkaa) olevia mittoja, vaan niiden rakenteessa on pehmeitä muutoksia materiaalien rajapinnoilla. Tällöin antennin toiminta muuttuu myös taajuuden funktiona sileästi. Antennit, jossa on eteneviä aaltoja resonanssiantennien seisovien aaltojen sijasta, toimivat laajemmalla taajuuskaistalla.

15 Kulkuaaltoantennit Tähän asti käsitellyissä lanka-antenneissa virta on muodostanut seisovan aallon, eli kyseessä on ollut resonanssirakenne. Tällöin syötöstä lähtevä aalto heijastuu takaisin langan päästä, [ ( ) ] L I(z) = I m sin β 2 z = I m 2j ej β L/ 2 (e j β z e j β z ). (210) Ensimmäinen termi esittää + z-suuntaan etenevää aaltoa, toinen heijastunutta aaltoa. Jos heijastusta ei tapahdu (merkittävästi), kyseessä on kulkuaaltoantenni, jossa esiintyy vain eteneviä aaltoja.

16 Kulkuaaltoantennit Näin tapahtuu, kun Antennin päässä on sovitettu kuorma P itkä antennirakenne suurin osa tehosta ehtii säteillä, ennen kuin aalto ehtii antennin päähän Kulkuaaltoantennien kaistanleveys on luokkaa 2:1.

17 Pitkä kulkuaaltoantenni Pitkä kulkuaaltoantenni (kuva 6-1, L > λ/2) on suora johdin, jossa kulkee vain etenevä aalto, koska sen päässä on sovitettu kuorma. Sen kenttien ratkaisemiseksi unohdetaan maataso (ei-täydellinen maataso Beveragen antenni) unohdetaan syötön vaikutukset oletetaan, että aalto ei vaimene johtimessa Tällöin virta on I t (z) = I m e jβz, eli kyseessä on vakioamplitudinen viivalähde, jolla β 0 = β θ 0 = 0, eli kyseessä on päätysäteilijä.

18 Pitkä kulkuaaltoantenni Kuvassa 6-2 on esitetty sen säteilykuvio tapauksessa L = 6λ. Pääkeila on pyörähdyssymmetrinen kartio, jonka maksimikulma θ m riippuu antennin pituudesta kuvan 6-3 mukaisesti. Saman mittaisessa dipoliantennissa esiintyy yhtälön (210) mukaisesti eteenpäin etenevän virta-aallon lisäksi myös heijastuva aalto. Etenevä aalto tuottaa kuvan 6-2 säteilykuvion ja heijastunut aalto muodostaa samanlaisen säteilykuvion vastakkaiseen suuntaan (vrt. kuva 5-4).

19 Pitkä kulkuaaltoantenni Kulkuaaltoantennin syöttöimpedanssi on reaalinen, kuten etenevää aaltoa kuljettavalla siirtolinjalla. Kuormaresistanssin R L pitää olla samansuuruinen kuin säteilyresistanssin. Se osa tehosta, joka ei säteile, absorboituu kuormaresistanssiin pienentäen antennin tehokkuutta. Toisaalta, ilman kuormaa tämä teho tuottaisi vain suuren tarpeettoman takakeilan. Kulkuaallot siis parantavat antennin säteilykuviota ja samalla parantavat syöttöimpedanssin kaistanleveyttä.

20 Kulkuaalto V-antenni, rombinen antenni,... Kulkuaalto V-antenni on samanlainen rakenne kuin V-dipoli, mutta nyt lankojen päissä on sovitettu kuorma. V-antenni toimii kuten kaksi pitkää kulkuaaltoantennia. V:n kulma määräytyy kuvan 6-4 mukaisesti siten, että molempien haarojen toiset toiset maksimit ovat tasossa samansuuntaiset. R ombinen antenni saadaan kytkemällä kaksi V-antennia peräkkäin kuvan 6-5 mukaisesti. Häviöllisen maatason päällä olevaa pitkää kulkuaaltoantennia kutsutaan B everag en antenniksi (kuva 6-6). Kuvassa 6-8 sen säteilykuvio.