Resonanssiantennit. Resonanssiantenni on antenni, jossa esiintyy seisova aalto ja syöttöreak tanssi on nolla resonanssissa.

Transkriptio

1 Resonanssiantennit Resonanssiantenni on antenni, jossa esiintyy seisova aalto ja syöttöreak tanssi on nolla resonanssissa. E sim erk k ejä: S u orat lank ad ip olit V -d ip olit T aittod ip olit (folded dipole) Y ag i-u d a-antenni Isot silm u k k a-antennit M ik roliu sk a-antennit (p atch -antennit)

2 Suorat lankadipolit Tarkastellaan nyt mielivaltaisen mittaista suoraa keskeltä syötettyä lankadipolia (kuva 5-1 ). O letetaan, että virtajakauma on sinimuotoinen, [ ( ) ] L I(z) = I m sin β 2 z L, z 2. (1 9 9 ) Tämä on hyvä approksimaatio ohuille antenneille, tarkat virtajakaumat saadaan mittaamalla tai laskemalla numeerisesti. Tilanne vastaa avointa siirtolinjaa, jonka päät ovat käännetty ulospäin, ja virtajakauman oletetaan säilyvän samana kuin siirtolinjalla.

3 Suorat lankadipolit Kuvassa 5-2 on esitetty virtajakauma, kun L < λ/2. N yt I m ei ole virran maksimiarvo, vaan se on I m sin(βl/2) syöttöpisteessä. Kuvassa 5-3 on virtajakauma suuntineen eri pituisille dipoleille (L λ/2). Virroista on esitetty maksimiarvot, hetkellinen virta on I(z) cos ω t. D ipolin säteilykuvio saadaan integroitua samalla tapaa kuin λ 2 -dipolille. Saadaan f u n = L 2 L 2 = 2I m β I m sin [ β ( )] L 2 z e j β z co s θ dz cos[(βl/2) cos θ] cos(βl/2) sin 2. (20 0 ) θ

4 Suorat lankadipolit Sähkökenttä kaukokentässä on E θ = jη ejβr 2πr I cos[(βl/2) cos θ] cos(βl/2) m sin θ Kun L = λ/2, normalisoiduksi säteilykuvioksi saadaan ennestään tuttu (kuva 5-4 ) (201) F (θ) = Kun L = λ, F (θ) = cos[(π/2) cos θ] sin θ cos(π cos θ) sin θ, H P = 7 8. (202), H P = 4 7. (203)

5 Suorat lankadipolit Kun L = 3 2 λ, F (θ) = cos( 3 2π cos θ). (204) 2 sin θ Kun L > λ, kaikki antennin virrat eivät kulje samaan suuntaan (kuva 5-3). Tällöin säteilykuvio jakautuu useisiin keiloihin (kuva 5-4c ja d), koska eri osista antennia lähtevät aallot kumoavat toisensa joissain suunnissa. Kun L/λ menee hyvin pieneksi, (201):n säteilykuvio lähestyy sin θ:tä, kuten olemme jo aiemmin todenneet lyhyen dipolin tapauksessa.

6 Suorat lankadipolit Antennin säteilyteho saadaan laskemalla P = 1 2η 2π 0 π 0 E θ 2 r 2 sin θ dθdφ, (205) Yleisessä tapauksessa päädytään erikoisfunktioihin, mutta harjoitustehtävässä päädyttiin λ 2 -dipolin tapauksessa tulokseen P = η 8π I2 m(2.44), jolloin säteilyresistanssi on R r = 2P Im 2 = 73 Ω. (206 ) Muun pituisille ja äärellisen paksuisille dipoleille syöttöresistanssi ja -reaktanssi saadaan laskettua numeerisesti. Tällöin virtajakauman muotoa ei tarvitse olettaa etukäteen.

7 Suorat lankadipolit Kuvissa 5-5 ja 5-6 on esitetty numeerisesti laskettu ohuen keskeltä syötetyn dipolin syöttöresistanssi ja -reaktanssi, dipolin pituuden funktiona. R esonanssissa reaktanssi menee nollaksi, lyhyillä dipoleilla reaktanssi on kapasitiivinen, ja yleisesti X A riippuu dipolin pituudesta. Säteilyresistanssi voidaan määritellä usealla eri tapaa käyttäen eri virran referenssipisteitä. Käytännössä tärkein on antennin kytkentäpisteen virtaan I A liittyvä resistanssi R ri. J os ohmisia häviöitä ei ole, R ri on sama kuin antennin syöttöresistanssi R A.

8 Suorat lankadipolit Myös antennin virtajakauman maksimiin I m liittyvää resistanssia R rm käytetään. Virtaa I m ei esiinny missään kohtaa antennia, jos L < λ/2 (kuva 5-2). Edellä mainitulle resistanssille saadaan suhde, sillä säteilyteho on sama molemmilla resistansseilla ilmaistuna, P = 1 2 I2 mr rm = 1 2 I2 AR ri R ri = I2 m I 2 A R rm = R rm sin 2 (βl/2) Kun antennin pituus on aallonpituuden monikerta, R ri menee edellisen mukaan äärettömäksi.

9 Suorat lankadipolit Todellisilla antenneilla syöttöresistanssi on tällöin iso mutta äärellinen (kuva 5-5). Kuvan 5-3 mukaan syöttöpisteen virta on nolla näillä pituuksilla, todellisuudessa virta ei ole täysin sinimuotoinen ja syötössä esiintyy pieni virta. Muilla pituuksilla sinimuotoinen virtajakauma on hyvä approksimaatio. L isäksi kuvasta 5-5 huomataan, että reaktanssi menee nollaksi hieman alle λ/2-pituiselle dipolille. Taulukossa 5-2 on resonanssipituuksia eri paksuisille antenneille; resonanssipituus lyhenee johdon paksuuntuessa.

10 Suorat lankadipolit Koska dipolit ovat resonanssityyppisiä rakenteita, niiden kaistanleveys on matala. Kaistanleveys kasvaa johtimien paksuuntuessa (kuva 5-7). Harjoituksissa laskettiin myös, että λ 2 -dipolin suuntaavuus on D = 1.64, eli hieman parempi kuin lyhyen dipolin 1.5. Dipolia pidennettäessä suuntaavuus edelleen kasvaa, ollen λ-pituiselle Yli 5λ/4-pituisille säteilykuvio hajoaa kuvan 5-4 mukaisesti, jolloin suuntaavuus putoaa jyrkästi.

11 V-dipoli Lanka-antennin ei tarvitse olla suora, esimerkkkinä kuvan 5-9 V-dipoli. Siinä avoimen siirtolinjan päitä taitetaan ulospäin kulman γ verran. V-dipolin suuntaavuus voidaan saada suuremmaksi kuin saman mittaisen suoran dipolin. Kuvassa 5-10 (päiden pituus h = 0.75λ) V-dipolin säteilykuvio. Säteilykeila on 2 db suurempi φ = 90 -suuntaan kuin 270 -suuntaan, samoin sivukeilojen taso on pudonnut merkittävästi suoraan dipoliin verrattuna (kuva 5-4d). Suuntaavuus on D = 5.26 db, kun samanpituisen suoran dipolin on 3.4 db. V-dipolin syöttöimpedanssi on yleisesti pienempi kuin samanmittaisen suoran dipolin.

12 Taittodipoli Taittodipoli koostuu kahdesta samansuuntaisesta lähekkäisestä (d L, d λ) dipolista, jotka on yhdistetty päistään, jolloin ne muodostavat kapean silmukan (kuva 5-11). Syöttö on toisen sivun keskellä. Taittodipolin toiminnan voi ymmärtää, kun tarkastellaan erikseen sen toimintaa siirtolinjatilassa ja antennitilassa kuvien 5-12 ja 5-13 mukaisesti. Antennin kokonaisvirta saadaan näiden kahden moodin virtojen summana. Antennimoodissa syöttö on kuvan 5-13b mukaisesti symmetrinen, jolloin taittodipolia voi mallintaa kahdella lähekkäisellä dipolilla, joissa V 2 = (Z Z 1 2 ) I a 2.

13 Taittodipoli Pienillä d:n arvoilla Z 12 Z 11 Z d, eli sama kuin yksittäisen dipolin syöttöimpedanssi. Siirtolinjamoodissa syöttö on epäsymmetrinen (kuva 5-13a), jolloin kumpikin pää muodostaa L/2-mittaisen oikosuljetun siirtolinjan, jonka syöttöimpedanssi on Z t = Z 0 tan(βl/2). Jos L = λ/2, kyseisen tapauksen Z t = Z 0 tan(π/2) =, jolloin I t = 0. Kokonaisuudessaan λ/2-mittaisessa taittodipolissa kulkee virta I a /2 + I t = I a /2, jolloin sen syöttöimpedanssi on Z A = V I A /2 = 4Z d, (207) eli nelinkertainen suoraan λ 2 -dipoliin verrattuna.

14 Taittodipoli λ 2 -taittodipolin syöttöimpedanssi on siten Z A = 4(70) = 280 Ω, joka on hyvin lähellä kaksijohtimisen nauhajohdon (twin-lead, parijohto, lapamato ) ominaisimpedanssia (300 Ω). Kuvan 5-15 mukaisesti λ 2 -taittodipolin molemmissa johtimissa kulkee sama virta. Jos syöttöteho on sama, taittodipolin johtimissa kulkee yhteensä sama virta kuin suorassa λ 2 -dipolissa. Siten myös säteilykuvio on sama kuin dipolilla. Kuvassa 5-16 on yleisen mittaisen taittodipolin syöttöresistanssi ja -reaktanssi pituuden L funktiona.

15 Taittodipoli Taittodipoli on hyvin suosittu antenni, koska sen syöttöimpedanssi on lähellä parijohdon ominaisimpedanssia sen taajuuskaista on leveämpi kuin suoran dipolin ne ovat rakenteeltaan helppoja ja tukevia Taittodipolia käytetään F M-vastaanottoantennina ja Yagi-Uda-antenniryhmän syöttöantennina.

16 Yagi-Uda-antenni Antenniryhmien ideana on, että elementtiantenneja lisäämällä saadaan lisättyä suuntaavuutta. Ryhmien yhteydessä oletimme, että kaikkia elementtiantenneja syötetään, jolloin tarvitaan joka elementille kytkentä syöttöpiiriin. Antennin syöttöpiiri yksinkertaistuu huomattavasti, jos vain yhtä tai muutamaan elementtiä syötetään suoraan. Tällöin kyseessä on parasiittinen ryhmä. Elementtejä, joita ei suoraan syötetä, saavat virtansa lähikenttien kytkeytymisen kautta syötetyiltä elementeiltä. Niitä kutsutaan parasiiteik si.

17 Yagi-Uda-antenni Parasiittistä lineaarista ryhmää, joka koostuu rinnakkaisista dipoleista, kutsutaan Yagi-Uda-antenniksi, lyhyesti Yagi-antenniksi. Tarkastellaan λ 2 -dipolia ja hyvin lähelle sitä sijoitettua saman mittaista parasiittiä. Koska parasiitti on lähellä, sille tulevan aallon sähkökenttä on karkeasti arvioiden sama kuin säteilijän pinnassa oleva kenttä, E incid ent = E d riv er. Koska rajapintaehtojen mukaan parasiitin pinnalla sähkökentän tangentiaalikomponentin pitää olla nolla, parasiitin säteilykentän pitää kumota tulevan aallon kenttä, E p a ra site = E incid ent = E d riv er.

18 Yagi-Uda-antenni Kyseessä on siis kahden sama-amplitudisen, mutta vastakkaisvaiheisen elementin ryhmä päätysäteilijä (kuva 5-30). Kun tätä parasiittiä pidennetään hiukan, säteilijän puoleinen päätykeila kasvaa ja parasiitin puoleinen vastaavasti pienenee yksi pääkeila (kuva 5-31). Tällöin parasiittiä kutsutaan heijastajaksi. Jos parasiitti on lyhyempi kuin säteilijä ja toisella puolella säteilijää kuin edellä, pääkeila kasvaa parasiitin suuntaan, eli se toimii su u ntaajana (kuva 5-32).

19 Yagi-Uda-antenni Kolmielementtinen Yagi sisältää säteilijän lisäksi heijastajan ja suuntaajan sen vastakkaisilla puolilla (kuva 5-33). Suuntaavuusominaisuudet paranevat entisestään kaksielementtisiin tapauksiin nähden. Kuvassa 5-34 on yleinen useampielementtinen Yagi-Uda. Tyypilliset arvot parasiittien etäisyyksille ovat S R = ( )λ heijastajalle (kuva 5-35) ja S D = ( )λ suuntaajalle. Heijastajan pituus L R = 0.5λ, säteilijän pituus on resonanssipituus ilman parasiittejä, ja suuntaaja 80-90% resonanssipituudesta.

20 Yagi-Uda-antenni Heijastajia tavallisesti vain yksi, suuntaajiakaan ei kannata käyttää liikaa, koska niiden lisääminen ei enää kasvata merkittävästi vahvistusta kuvan 5-36 mukaisesti. Kuvassa 5-39 mitatut elementtivirrat Yagi-Uda:sta. Taulukossa 5-4 ja kuvassa 5-37 tarkemmat mittauksien kautta saadut optimaaliset mitat erikokoisille Yagi-Uda-antenneille. Kuvassa 5-41 numeerisesti laskettu optimaalisesti mitoitetun 12-elementtisen Yagi-Uda-antennin säteilykuvio sekä E- että H-tasoissa.

21 Yagi-Uda-antenni Yagi-Uda on yksi yleisimmistä HF-VHF-UHF alueen (3 MHz 3 G Hz) antenneista. Sillä on suhteellisen hyvä vahvistus sekä se on kevyt ja halpa. Yagi-Uda:n suurin haittapuoli on sen kapea kaistanleveys. Säteilijänä käytetään usein taittodipolia nostamaan syöttöimpedanssia ja parantamaan kaistanleveyttä. Jos sovelluskohteessa ei tarvita isoa kaistanleveyttä, Yagi-Udalla saavutetaan 9-12 db vahvistus pienillä kustannuksilla.