V astaano ttav aa antennia m allinnetaan k u v an m u k aisella piirillä, jo ssa o n jänniteläh d e V sarjassa

Transkriptio

1 Antennit osana viestintäjärjestelm ää Antennien pääk äy ttö tark o itu s o n to im inta v iestintäjärjestelm issä. V astaano ttav aa antennia m allinnetaan k u v an m u k aisella piirillä, jo ssa o n jänniteläh d e V sarjassa antenni-im ped anssin Z A k anssa, k y tk etty nä sy ö ttäm ään teh o a k u o rm aan Z L. Antennin k erääm ä teh o riippu u antennity y pistä, antennin su u ntau k sesta ja po larisaatio sta. Antennin v astaano ttam aa teh o a k u v ataan pinta-alalla, jo lta antenni k erää säteily ä.

2 Viestintäjärjestelmät teh ollinen p inta-ala Suurinta mahdollista antennin vastaanottamaa tehoa kuvaa suurin tehollinen pinta-ala (max imum eff ec tive aperture) A em, P Am = SA em, (114 ) jossa S = 1 2 E H on säteilyteho pinta-alayksikköä kohden ja P Am on suurin mahdollinen antennin vastaanottama teho. T ehon maksimi saavutetaan, kun ei ole ohmisia häviöitä, antenni on suunnattu kohti maksimisäteilyä, antenni on polarisaatiosovitettu aaltoon ja impedanssisovitettu kuormaan.

3 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala Ideaalisen dipolin tapauksessa maksimiteho saavutetaan, kun dipoli on tulevan aallon sähkökentän E i suuntainen. Silloin dipolin tyhjäkäyntijännite on V = E i z. (115 ) K uormalle välittyvä teho on (R ohmic = 0 ) P D = 1 2 I A 2 R L = 1 2 V 2 (R r + R L ) 2 + (X A + X L ) 2 R L. (116 ) O n helppo nähdä, että kuormaan saatava teho on suurimmillaan silloin, kun antennin impedanssi on sovitettu kuorman kanssa, eli Z L = Z A = R r jx A.

4 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala Tällöin P D = P Am = 1 8 V 2 R r = 1 8 E i 2 R r ( z) 2 (117 ) Saamme ideaaliselle dipolille (käyttämällä (7 9 ):ä) A em = P 1 Am S = 8 = 1 4 E i 2 R r ( z) E i 2 η = 1 4 η R r ( z) 2 η( z) 2 η 2 3 π ( ) z 2 = 3 8π λ λ 2 λ Ideaalisen dipolin suurin tehollinen pintaa-ala ei riipu pituudesta z, vaan ainoastaan aallonpituudesta.

5 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala Kuitenkaan pituus ei ole merkityksetön, koska R r on verrannollinen ( z/ λ) 2 :een, joten antennin lyhentyessä konjukaatti-impedanssisovituksen toteuttaminen vaikeutuu. Kaikilla resiprookkisilla antenneilla suuntaavuuden ja suurimman tehollisen pinta-alan suhde on sama D A em vakio. Koska suhde on sama kaikilla antenneilla, se on sama kuin ideaalidipolilla: D = 3 2 = 4π λ 2 3 8π λ2,

6 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala joten kaikilla antenneilla Koska D = 4π/Ω A, yleisesti pätee myös D = 4π λ 2 A em. (118) λ 2 = A em Ω A. (119) Käytännössä antennit eivät ole häviöttömiä. Antennin vastaanottama teho on pienempi kuin häviöttömässä tapauksessa, ja häviökertoimena on säteilytehokkuus, A e = e r A em, (120)

7 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala jossa A e on tehollinen pinta-ala (tai sieppau spinta-ala, effective aperture). Antennista saatava teho häviöt huomioiden on P A = SA e. (121) Antenni kerää siis tehoa pinta-alalta A e, aallon tehotiheyden ollessa S (W / m 2 ). A e ei ota huomioon häviöitä, jotka liittyvät aallon ja antennin huonoon polarisaatiosovitukseen ja antenni-impedanssin huonoon sovitukseen kuorman kanssa.

8 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala Nämä häviöt eivät johdu antennista, vaan siitä miten sitä käytetään järjestelmässä. Kerrotaan yhtälö (118) puolittain e r :llä, jolloin saadaan lauseke vahvistukselle, G = e r D = 4π λ 2 e ra em = 4π λ 2 A e. (122) Isoissa (aukko)antenneissa tehollinen pinta-ala on yhtäsuuri tai pienempi kuin antennin fyysinen pinta-ala A p. Näiden pinta-alojen suhdetta kuvaa auk k ohy öty suhd e (aperture efficiency) ε a p, A e = ε a p A p. (123)

9 Viestintäjärjestelmät tehollinen pinta-ala Vaikka johdimme edellä yhtälöt (118), (119) ja (122) juuri vastaanottavalle antennille, ne ovat voimassa myös lähettävällä antennilla.

10 Viestintäjärjestelmät Tarkastellaan kuvan 2-17 mukaista viestintälinkkiä. J os lähettävä antenni olisi häviötön ja isotrooppinen, tehotiheys etäisyydellä R olisi S = U ave R 2 = P t 4πR 2, (124) jossa P t on lähettävän antennin ottaman tehon aikakeskiarvo. J os lähettävä antenni onkin häviöllinen ja sen vahvistus on G t ja maksimivahvistus on suunnattu kohti vastaanottoantennia, tehotiheys vastaanottoantennin suuntaan on S = G tu ave R 2 = G tp t 4πR 2. (125)

11 Viestintäjärjestelmät Jos vastaanottavan antennin tehollinen pinta-ala on A er, vastaanottoantennilta saatava teho on P r = SA er = G tp t A er 4πR 2. (126) Kun nyt käytetään yhtälöä (122), eli A er = G r λ 2 /4π, saadaan P r = P t G t G r λ 2 (4πR) 2. (127) Jos taas käytetään yhtälöä G t = 4πA et /λ 2, saadaan P r = P t A et A er R 2 λ 2. (128) E dellistä yhtälöä kutsutaan Friisin kaavaksi.

12 Viestintäjärjestelmät Edellisessä yhtälöissä on oletettu, että vastaanotto- ja lähetysantennien vahvistuksen maksimisuunnat on suunnattu kohti toisiaan antennit on impedanssisovitettu niihin liitettyihin siirtolinjoihin antenneissa on identtiset polarisaatiot, ja niiden polarisaatiot on sovitettu keskenään Jos jokin näistä ehdoista ei toteudu, aiheutuu häviöitä, jotka pitää ottaa huomioon. H uono suuntaus voidaan ottaa huomioon käyttämällä tehovahvistuksen arvoa kyseiseen suuntaan maksimiarvon sijasta.

13 Viestintäjärjestelmät Polarisaation ja impedanssin huonot sovitukset otetaan huomioon kertoimilla p ja q, P D = antennin ulos antama teho P D = pqp r. (129) P r = vastaanottoantennilta saatavilla oleva teho p = polarisaatiotehokkuuskerroin, 0 p 1 q = impedanssin epäsovituskerroin, 0 q 1

14 Desibeleinä ilmaistuna Viestintäjärjestelmät P D (db m) = 10 log p + 10 log q + P r (db m), (130) jossa db m on desibelejä suhteessa milliw attiin, esim 30 db m = 1 W. Antennin impedanssia ei usein ole mahdollista sovittaa täysin kuormaan, eli q < 1. Epäsovituskerroin q on kuormalle annetun tehon P D suhde maksimitehoon P Dmax, joka saataisiin syötettyä sovitetulle kuormalle, q = P D P Dmax, (131)

15 Viestintäjärjestelmät jossa P D = 1 2 I A 2 R L = 1 V 2 2 (R A + R L ) 2 + (X A + X L ) 2 R L, (132) ja se maksimiarvo konjugaattisovituksen (Z L = ZA ) tapauksessa P Dmax = 1 V 2. (133) 8 R A Tällöin q = P D P Dmax = 4R A R L (R A + R L ) 2 + (X A + X L ) 2 (134)

16 Viestintäjärjestelmät Usein vastaanottava antenni kytketään siirtolinjaan, jolla on reaalinen impedanssi Z o. Tällöin q = 4R A Z o (R A + Z o ) 2 + X 2 A. (135) Antennin impedanssia ei usein tiedetä, vaan tunnetaan ainoastaan mitattu jännitteen seisovan aallon suhd e (VSWR ), q = 1 Γ 2 = 1 Z o Z A Z o + Z A 2 [ ] 2 VSWR 1 = 1. (136) VSWR + 1

17 Viestintäjärjestelmät Polarisaatiotehokkuuskerroin saadaan usein säädettyä lähelle ykköstä. p = 1: täysi sovitus; tulevan aallon ja vastaanottavan antennin polarisaatiot ovat identtiset p = 0: täysi epäsovitus; aalto ja antenni ristipolarisoituja Antennin tyhjäkäyntijännite V A saadaan tulevan aallon sähkökentän E i ja antennin tehollisen pituusvektorin h sisätulona, V A = E i h, (137)

18 Nyt Viestintäjärjestelmät p = Ei h 2 E i 2 h 2 = êi ĥ 2. (138) Tarkemmin ristipolarisaatiosta ja tehollisesta pituusvektorista luvussa 9.1 ja harjoituksissa. EIR P (effective/equivalent isotropically radiated power) EIRP = P t G t, (139) jossa G t on antennin vahvistus lähetyssuuntaan, tavallisesti maksimisuuntaan. Jos haluttaisiin tuottaa häviöttömällä isotrooppisella antennilla sama säteilyintensiteetti, pitäisi isotrooppiseen antenniin syöttää tehoa P t G t, eli syötettävä teho G t -kertaistuisi (kuva 2-19).

19 Antenniryhmät Antenniryhmässä (array antenna) useampi yhteen liitetty antenni toimii yhtenä kokonaisuutena tuottaen suuntaavan säteilykuvion. Usean pienen antennin ryhmällä saadaan samanlainen kapea säteilykuvio kuin yhdellä isolla antennilla. Ryhmän pääkeilan suunta saadaan kääntymään muuttamalla elementtiantennien syöttövirtojen vaiheita. Tätä kutsutaan vaiheistetuksi ryhmäksi (phased array). G eometrisesti antenniryhmä voi olla L ineaarinen ryhmä, antennit samalla suoralla Tasoryhmä, antennit samassa tasossa C onform al array, antennit ei-tasomaisella pinnalla

20 Antenniryhmät Antenniryhmiä käytetään usein vaihtoehtona aukkoantenneille. Etuna antenniryhmissä on se, että pääkeilan suuntaa voidaan muuttaa sähköisesti, kun taas paraboloidilla heijastinantenneilla mekaanisesti. yhdellä antenniryhmällä voi hoitaa useampia kohteita ryhmä voidaan sijoittaa kaarevalle pinnalle Antenniryhmien ongelmana on taas elementtiantennien syöttöjen monimutkaisuus sekä kaistanleveyden rajoittuneisuus ja elementtien keskenäinen kytkeytyminen.

21 Antenniryhmät Ryhmän säteilykuvio riippuu elementtiantennien tyypistä niiden suunnista ja sijainneista syöttövirtojen suuruudesta ja vaiheista Tavallisesti ryhmän analysointi aloitetaan olettamalla elementtiantennien olevan isotrooppisia, jolloin ryhmän säteilykuviota kutsutaan ryhmätekijäksi (array factor). Y leisemmässä tapauksessa antenniryhmän säteilykuvio on ryhmätekijän ja yksittäisen elementtiantennin säteilykuvion tulo.

22 Antenniryhmät Kuvassa 3-1 on tyypillinen lineaarinen antenniryhmä vastaanotossa. Yksittäisten antennien vastaanottamat signaalit menevät vaihemuuntimien ja vaimentimien läpi. Amplitudin ja vaiheen muutoksilla saadaan muutettua ryhmän säteilykuvion muotoa ja keilan suuntaa. Isotrooppiset elementtiantennit vastaanottavat säteilyä yhtä hyvin joka suunnasta, mutta kun niiden vastaanotot summataan, ilmenee suuntariippuva vaste. Antenniryhmät ovat useimmiten resiprookkisia, eli niiden säteilykuviota voidaan tarkastella yhtä hyvin lähetys- tai vastaanottotilanteessa, kumpi vain on helpompaa.

23 Kaksi samanvaiheista lähdettä λ/2-etäisyydellä Aloitetaan parilla esimerkillä. Kuvassa 3-3a on kaksi isotrooppista sama-amplitudista ja -vaiheista säteilijää etäisyydellä λ/2 toisistaan z-akselilla. x-akselilla etäisyys kumpaankin säteilijään on sama, joten antennien kentät ovat samanvaiheiset ja -amplitudiset ja ne vahvistavat toisiaan. +z-suuntaan vastaavasti vasemman antennin tuottama aallon pitää kulkea matka λ/2 päästäkseen oikeanpuoleisen antennin kohdalle. Tämä tarkoittaa 180 vaihejättämää. Aaltojen edetessä kohti +z-suuntaa, sama 180 vaihesiirto säilyy, joten antennien kentät kumoavat toisensa. Vastaavasti käy myös z-suuntaan.

24 Kaksi samanvaiheista lähdettä λ/2-etäisyydellä Valitaan kuvan 3-3d mukaisesti origo θ-suuntaan lähtevien aaltojen vaiheen nollakohdaksi. Nyt vasemmasta antennista lähtevä aalto on vaiheeltaan d 2 cos θ jäljessä ja oikea saman verran edellä origoon nähden. Yhdessä näiden kahden isotrooppisen antennin (normalisoimaton) säteilykuvio on ( AF = 1e jβ d 2 cos θ + 1e jβ d π ) 2 cos θ = 2 cos 2 cos θ, (140) Ryhmän säteilykuvio on tässä tapauksessa sama kuin ryhmätekijä, koska elementtiantennit ovat isotrooppisia, katso kuvat 3-3b ja 3-3c.