RF-tekniikan perusteet BL50A0300 5. Luento 30.9.2013 Antennit Radioaaltojen eteneminen DI Juho Tyster Antennit Antenni muuttaa siirtojohdolla kulkevan aallon vapaassa tilassa eteneväksi aalloksi ja päinvastoin Yleensä resiprookkisia (toimivat lähetyksessä ja vastaanotossa) Säteilykuvio, vahvistus 1
Säteilykuvio Antennin säteilemä kenttä voidaan kuvailla pallokoordinaatistossa Säteilykuvio on kolmiulotteinen Kuvio koostuu pääkeilasta ja sivukeiloista Pääkeila voimakkain säteily, -3 db leveys Sivukeilat säteilyteholtaan pienempiä Pääkeilan tasossa esitetty leikkaus usein käyttökelpoisin esitystapa Pääkeila -3 db Sivukeilat Takakeila 2
Säteilyhyötysuhde Antennin säteilemän tehon suhde syötettyyn tehoon η rad = P P rad in Lisäksi otettava mahdollinen epäsovitus huomioon Suuntaavuus, antennin vahvistus Suuntaavuus on antennin kyky säteillä pääkeilan suuntaan Prad,pääkeila D= Prad Kuvitteellisen isotrooppisen antennin suuntaavuus on 0 db (tästä vertailuyksikkö dbi), suuntakuvio on pallo Vahvistus ottaa huomioon säteilyhyötysuhteen P G= rad,pääkeila P in 3
Suuntaavuus ja antennin aukko Antennin aukko A on se pinta-ala, josta tehoa kuljettava tasoaalto näyttää säteilevän Tai jonka läpi vastaanottoantenni sieppaa saapuvan tasoaallon E H Avaruuskulma Ω r Kentän teho, Poyntingin vektori E P 2 Z 0 A r Apertuuri ja sen hyötysuhde Apertuuri eli antennin aukko A, josta suuntaavuus 4πA D max = 2 λ Apertuurihyötysuhde η ap ilmoittaa aukon käyttöasteen (A e on efektiivinen aukko) Ae = ηap Efektiivinen aukko ottaa huomioon epätasaisen kentänjakauman aukossa A 4
Apertuuri ja suuntaavuus Eli suuntaavuus voidaan ajatella siten, että antenni on musta laatikko, ja teho näyttää säteilevän siinä olevasta aukosta eli apertuurista Mitä suurempi aukko suhteessa aallonpituuteen, sitä suurempi suuntaavuus D = max 4πA 2 λ Polarisaatio Polarisaatio on sähkökentän suunta säteilykuviossa Antennien polarisaatioiden on oltava sama, jotta vastaanotto tapahtuu parhaalla mahdollisella sovituksella 5
Kaistanleveys Lisäksi antennin kaistanleveys on rajoittunut Kauko- ja lähikenttä Lähellä antennia ei vielä esiinny vapaassa tilassa kulkevaa aaltoa Aalto ei ole irronnut antennista, käyttäytyy pikemminkin kuin kelan ja kondensaattorin varastoituneet kentät Reaktiivinen lähikenttä Kenttien, aaltoimpedanssin tai aallon vaihekäyttäytymisen muutos 6
Pienen dipolilähteen impedanssikuvaaja 700 650 Kentän impedanssi Z [Ω] 600 550 500 450 400 350 300 250 200 0 0,5 1 1,5 2 r [λ] r Reaktiivisen lähikentän rajalle voidaan lausua λ r rnf = 2π Tällä rajalla antennin reaktiivisesti varastoitunut energia ja kaukaisuuteen säteilty energia ovat yhtä suuret 7
Tehon siirtyminen antennien välillä Antennin säteilemä tehotiheys GP t t Sr = 2 4πr Toisen antennin vastaanottama teho GP t t Pr = SrAer =, 2 4πr 4πAet Gt = 2 λ Saadaan Friisin siirtoyhtälö Pr P t = GG t r 2 λ 4πR Tehonsiirtoyhtälön käyttö P t G t λ R G r P r 8
Radioaaltojen eteneminen Radioaaltojen taajuusallokointi Maailmanlaajuisesti ITU, International Telecommunication Union koordinoi ITU:ssa BR, Radiocommunication Bureau Päätökset vahvistetaan joka toinen vuosi järjestettävässä WRC:ssä, World Radio Conference Maapallo jaettu alueisiin Radio-ohjesääntö sisältää radiotaajuuksien jakotaulukon Suomessa taajuusalueiden käytöstä vastaa Viestintävirasto Taajuusalueiden käyttö radioliikenteen taajuusjakotaulukossa http://www.ficora.fi/suomi/radio/taulu.htm 9
Radioaaltojen eteneminen Vapaassa tilassa radioaallot etenevät suoraan heijastumatta ja vaimentumatta Vapaa tila = approksimaatio Radioaaltojen etenemiseen vaikuttavat mm. sironta, heijastuminen ja vaimeneminen etenemisreitillä olevien esteiden ja väliaineiden ominaisuuksien seurauksena Radioaaltojen eteneminen Ilmakehän permittiivisyys on arvoltaan lähellä tyhjiön permittiivisyyttä Permittiivisyys riippuvainen ilmanpaineesta, lämpötilasta ja kosteudesta Permittiivisyyden arvo muuttuu korkeuden mukaan ja yleensä laskee korkeammalle noustaessa Ilmanpaine ja kosteus laskevat nopeammin kuin lämpötila Tämän ilmiön seurauksena radioaalto taipuu takaisin kohti maanpintaa 10
Radioaaltojen eteneminen Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 2004 John Wiley & Sons, Inc. Muunnettu maanpinta Radioaalto taipuu, mutta myös maanpinta kaartuu Usein laskemissa maanpinnan sädettä muunnetaan siten, että voidaan olettaa aallon etenevän suoraviivaisesti Maan säde muunnetaan arvosta R (6370 km) arvoon KR Keskimääräisessä ilmakehässäkr on 8760 km eli K=1,375. Usein käytetään K:n arvoa 4/3. 11
Radioaaltojen eteneminen Seuraavassa kuvassa on esitetty radioaaltojen vaimeneminen ilmakehässä sekä merenpinnan korkeudella että 9150 m:n korkeudella Hapen määrä ilmakehässä lähes vakio, mutta vesihöyryn määrä vaihtelee huomattavasti Vesihöyryn vaimennuskerroin suoraan verrannollinen vesihöyryn absoluuttiseen määrään, joka on lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktio Huomioitavaa Vesihöyryn ja hapen resonanssipiikit Taajuusikkunat, joilla pieni vaimennus suunnilleen taajuuksien 35, 95, 140 ja 220 GHz:n lähellä (käytetään tutka- ja viestintäyhteyksiin) Resonanssitaajuuksia voidaan hyödyntää esim. ilmakehän mittaamisessa, lyhyen kantaman radiolinkeissä tai satelliittien välisissä yhteyksissä Alle 10 GHz taajuuksilla vaimennus ilmakehässä on hyvin pientä Radioaaltojen eteneminen Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 2004 John Wiley & Sons, Inc. 12
Radioaaltojen eteneminen Ilmakehä voidaan jakaa radioaaltojen etenemisen kannalta kahteen eri kerrokseen Troposfääri Ilmakehän alimmainen kerros, joka ulottuu sijainnista riippuen noin 10-20 km korkeuteen maanpinnasta katsoen Sääilmiöt Jatkuvasti muuttuva, gradientti Signaalin amplitudi, vaihe ja polarisaatio voivat vaihdella satunnaisesti Ilmakehä aiheuttaa kohinaa Ionosfääri Ilmakehän kerros, joka ulottuu noin 50 km:sta 1000 km:iin maanpinnasta katsoen Radioaaltojen eteneminen VLF- (10 30 khz) ja LF-taajuuksilla (30 300 khz) ionosfääri on erittäin johtava ja se heijastaa radioaallot takaisin maahan pienin häviöin 13
Radioaaltojen eteneminen HF-taajuuksilla (3 30 MHz) aallot taipuvat takaisin maahan, jos olosuhteet ovat sopivat. VHF- (30 300 MHz), UHF- (0,3 3 GHz) ja SHFtaajuiset (3 30GHz) aallot läpäisevät normaalisti ionosfäärin. Ionosfääri saattaa kuitenkin kääntää niiden polarisaatiota Radioaaltojen eteneminen Lähde: Radio Communication, 2nd ed. Green, D. C. 2000 Pearson Education 14
Radioyhteyksien etenemismekanismit Matalilla taajuuksilla (VLF ja LF) radioaalto voi edetä maanpintaa pitkin maanpinta-aaltona Antennit lähellä maanpintaa Pieni vaimennus matalilla taajuuksilla Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden kasvaessa Eteneminen rajoittuu alle 10 MHz:n taajuuksille Pitkillä yhteyksillä maanpinta-aalto on hallitseva noin 150 khz:n taajuuteen asti Maanpinnan sähkönjohtavuus ja dielektrisyysvakio vaikuttavat pinta-aallon etenemiseen Aalto voi edetä horisontin taakse tuhansia kilometrejä Etenee erityisen hyvin merien yli (johtavuus) Radioyhteyksien etenemismekanismit Eteneminen näköyhteysreittiä pitkin Muistuttaa vapaan tilan etenemistä Aallon kaartumisesta johtuen radiohorisontti on geometrista horisonttia kauempana Tärkein etenemismekanismi UHF-, SHF- ja EHF-alueilla Vastaanottoasema lähetysaseman radiohorisontin yläpuolella Tyypillisesti Kahden maanpäällisen aseman Maapäällisen ja satelliittiaseman Kahden satelliitin väliset yhteydet 15
Radioyhteyksien etenemismekanismit Eteneminen näköyhteysreittiä pitkin Aalto vaatii riittävän suuren vapaan tilan edetäkseen vaimentumatta Vapaaksi esteistä jätettävä 1. Fresnelin ellipsoidi r1 + r2 r0 = λ / 2 h f = λrr 1 2 r + r 1 2 r 1 h f r 0 r2 Monitie-eteneminen Yhdestä pisteestä lähetetty radioaalto kulkee useita eri reittejä aiheuttaen ongelmia vastaanottopäässä. Eri reittejä kulkevien aaltojen interferoidessa vastaanotetun signaalin taso saattaa vaihdella ajan funktiona voimakkaasti (häipyminen) Lähde: Radio Communication, 2nd ed. Green, D. C. 2000 Pearson Education 16
Radioyhteyksien etenemismekanismit Eteneminen ilmakehän epähomogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla Osa tasoaallon koherentista muodosta muuttuu epäkoherenttiin muotoon ja säteilee laajaan avaruuskulmaan Lisää yleensä yhteysvälin vaimennusta Ilmiötä voidaan myös hyödyntää Radioyhteyksien etenemismekanismit Eteneminen ionosfäärin kautta Aalto voi heijastua ionosfäärin kautta alle 30 MHz:n taajuuksilla Heijastumalla uudelleen maanpinnasta radioaalto voi edetä ympäri maapalloa Ionosfäärin kautta tulevan aalto on vallitseva pitkien yhteysvälien etenemismuoto taajuusalueella 1,5-30 MHz 17
Signaalin voimakkuus vastaanottopäässä Vastaanotettavan radiosignaalin tehoa on vaikea ennustaa luotettavasti Samalla etenemisreitillä signaalin teho saattaa vaihdella ajan funktiona huomattavasti, jopa kymmeniä desibelejä Radioaaltojen etenemisen tarkastelu jollakin etenemisvälillä tulee perustua myös tilastoituun tietoon 18