Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku 7.3.1 ) E a 2 ds



Samankaltaiset tiedostot
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

Yleisen antennin säteily k enttien ratk aisem isen v aih eet:

Antennit ja syöttöjohdot

Radioastronomian käsitteitä

Huygensin periaate Jos kuvan 7-3a mukaisessa tilanteessa tehtävää muutetaan siten, että alueen V pinnalla S reunaehdot pysyvät samoina, ja lähteet V

Häiriöt kaukokentässä

SMG-5450 Antennit ja ohjatut aallot

LIITTEET. Leena Korpinen, Jarmo Elovaara, Lauri Puranen

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Antennit Radioaaltojen eteneminen

Scanned by CamScanner

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Maarit Vesapuisto SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA. Opetusmoniste: Antennit

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

Antennit ja. syöttöjohdot. OH3TR:n radioamatöörikurssi Tiiti Kellomäki, OH3HNY

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN

Antennin impedanssi. Z A = R A + jx A, (7 2 ) jossa R A on sy öttöresistanssi ja X A sy öttöreak tanssi. 6. maaliskuuta 2008

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

LUT, Sähkötekniikan osasto. 1. Ilmassa etenevällä tasoaallolla on sähkökentän voimakkuus z. d) vaihekerroin

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

TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA. Tietotekniikka. Tietoliikennetekniikka INSINÖÖRITYÖ TIETOKONEOHJATTU ANTENNIMITTAUSJÄRJESTELMÄ

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Desibeli. OH3TR radioamatöörikurssi 2009 OH3HNY 1. Aallonpituus Siirtojohdot, SWR eli SAS Antennien ominaisuuksia.

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

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

Häiriöt, siirtojohdot, antennit, eteneminen

Radioamatöörikurssi 2014

Antennit ja syöttöjohdot. OH3NE:n radioamatöörikurssi Tiiti Kellomäki, OH3HNY

Mustan kappaleen säteily

Desibeli. Desibeliasteikko. Desibelilaskentaa. Desibeliyksiköitä. Peukalosääntöjä. Desibeli Siirtojohdot, SWR Antennien ominaisuuksia

SWR eli SAS Antennien ominaisuuksia. Tiiti Kellomäki, OH3HNY. antenneja

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Idesco EPC. Ajoneuvontunnistus Idesco Oy C00442F 1.01

Radioamatöörikurssi 2014

Antenni ja säteilykuvio

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

Määritetään vääntökuormitetun sauvan kiertymä kimmoisella kuormitusalueella Tutkitaan staattisesti määräämättömiä vääntösauvoja

Laske relaksaatiotaajuus 7 µm (halk.) solulle ja 100 µm solulle.

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

π( f (x)) 2 dx π(x 2 + 1) 2 dx π(x 4 + 2x 2 + 1)dx ) = 1016π 15

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

AALTO-OPAS H-BEND VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Juhana Kankainen j82081 Teemu Lahti l82636 Henrik Tarkkanen l84319

EMC Suojan epäjatkuvuudet

3. Optiikka. 1. Geometrinen optiikka. 2. Aalto-optiikka. 3. Stokesin parametrit. 4. Perussuureita. 5. Kuvausvirheet. 6. Optiikan suunnittelu

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

Kulmaheijastinantenni

Elektroniikka, kierros 3

Muodonmuutostila hum

AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA

MIKROAALTOUUNI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Tuomas Karri i78953 Jussi Luopajärvi i80712 Juhani Tammi o83312

1 PID-taajuusvastesuunnittelun esimerkki

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Integrointi ja sovellukset

3.32. On tärkeätä muistaa, että tehosta desibeleissä puhuttaessa käytetään kerrointa 10 ja kentänvoimakkuuden yhteydessä kerrointa 20.

Lämpöoppia. Haarto & Karhunen.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

Luvun 10 laskuesimerkit

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Fysiikan perusteet. Liikkeet. Antti Haarto

VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

on hidastuvaa. Hidastuvuus eli negatiivinen kiihtyvyys saadaan laskevan suoran kulmakertoimesta, joka on siis

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

Pythagoraan polku

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

TEKNIIKKA JA LIIKENNE. Tietotekniikka. Tietoliikennetekniikka INSINÖÖRITYÖ AKTIIVISEN PERHOSDIPOLIANTENNIN SUUNNITTELU JA TOTEUTUS

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

Lujuusopin jatkokurssi IV.1 IV. KUORIEN KALVOTEORIAA

Infrapunaspektroskopia

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

Maan laadun, antennin korkeuden ja polarisaation vaikutus HF-antennin suorituskykyyn

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

Ideaalinen dipoliantenni

Radioyhteys: Tehtävien ratkaisuja. 4π r. L v. a) Kiinteä päätelaite. Iso antennivahvistus, radioaaltojen vapaa eteneminen.

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

1 2 x2 + 1 dx. (2p) x + 2dx. Kummankin integraalin laskeminen oikein (vastaukset 12 ja 20 ) antaa erikseen (2p) (integraalifunktiot

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

5. SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY JA ANTENNIT

2 Pistejoukko koordinaatistossa

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit ILMAVIRTAUKSEN ENERGIA JA TEHO. Ilmavirtauksen energia on ilmamolekyylien liike-energiaa.

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

Pieni silmukka-antenni duaalisuus. Ratkaistaan pienen silmukka-antennin kentät v ielä käy ttämällä d uaalisuud en periaatetta.

S Laskennallinen Neurotiede

1 Perussuureiden kertausta ja esimerkkejä

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

Transkriptio:

Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku 7.3.1 ) Täm ä olettaa, että D = 4π λ 2 S a E a ds 2. (2 40 ) S a E a 2 ds Pääkeila aukon tasoa koh tisuoraan suuntaan Aukko iso aallonpituuteen näh den K entät aukossa ovat (läh es) tasoaallon kenttiä V aikka kaksi viim eistä eh toa eivät tarkasti pitäisikään paikkansa, saadaan y h tälöllä h y viä tuloksia.

Suuntaavuus ja vahvistus Vakioamplitudiselle aukolle tämä saa muodon D u = 4π λ 2 A p, (241) jossa A p on aukon koko. Tämä on samalla suurin mahdollinen suuntaavuus, joka voidaan vakiovaiheisella aukkoantennilla saavuttaa. E simerkki: TE 1 0 -aaltoputken pään suuntaavuus 0.8 1 kertainen maksimiarvoon verrattuna, D = 4π λ 2 (0.8 1)A p. J os kenttäjakauma on separoituva, suuntaavuus on myös separoituva, D = πd x D y cos θ 0, (242) jossa D x on E a (x)-virtajakaumalla varustetun

Suuntaavuus ja vahvistus viivalähteen suuntaavuus (vastaavasti D y ) ja θ 0 pääkeilan suunta rintamasuuntaan nähden. Vakioamplitudisella aukolla saadaan sama tulos kuin edellä käyttämällä viivalähteen suuntaavuutta (189 ), D u = π 2L x λ 2L y λ = 4π λ 2 L xl y. (243) Vahvistus saa aukkoantennien tapauksessa muodon G = 4π λ 2 A e = 4π λ 2 ε apa p = ε ap D u. (244) Tehollisen pinta-alan A e ja fyysisen pinta-alan A p suhde, aukkotehokkuus ε ap, kertoo kuinka hyvin antenni käyttää pinta-alaansa hyväksi.

Suuntaavuus ja vahvistus Aukkotehokkuus voidaan jakaa edelleen osatekijöihinsä ε ap = e r ε t ε s ε a (245 ) e r säteilytehokkuus, aukkoantenneilla useimmiten e r 1 ε t ε s ε a amplitudijakaumasta johtuva tehokkuus tehokkuuskerroin sille, että osa syöttöantennin tehosta ei osu säteilevään aukkoon. M uut pienemmät vaikutukset, kuten: ristipolarisaatiotehokkuus (polarisaatio eri kuin haluttu), vaihevirheen tehokkuuskerroin, aukon eteen tulevien rakenteiden varjostusvaikutus,...

Suorakulmaiset torviantennit Aaltoputken pään suuntaavuutta voidaan parantaa suurentamalla putken päätä torven avulla (kuva 7-11). Torviantennit ovat hyvin suosittuja mikroaaltotaajuuksilla (1 G H z-), koska niillä on korkea vahvistus, matala VS W R, suhteellisen leveä kaistanleveys ja ne ovat kevyitä ja helppoja rakentaa. N iitä käytetään myös heijastinantennien syöttöantenneina. Aaltoputken alimmassa moodissa (TE 10 ), H -taso on leveämmän sivun suuntainen (kuvassa 7-11 vaakasuora) ja E-taso lyhyemmän sivun suuntainen.

Suorakulmaiset torviantennit Jos torvi leviää vain H-tason suuntaan, sitä kutsutaan H -tason torviantenniksi (kuva 7-11a), vastaavasti E-tason suuntaan leviävää E-tason torviantenniksi (kuva 7-11b ). Jos torvi leviää molempiin suuntiin, se on p y ramid itorviantenni (kuva 7-11c). Torvi toimii siirtymäalueena aallolle aaltojohtomoodista vapaan tilan moodiin, vähentäen heijastuksia. Koska torven aukon reuna-alueelle on pidempi matka syöttävästä aaltoputkesta kuin keskelle, reuna-alueilla vaihe on jäljessä keskipisteeseen nähden, aiheuttaen vaihevirhettä.

Suorakulmaiset torviantennit Kuvan 7-12 H-tason torvessa R= [ ] R1 2+x2 R 1 1+ 1 x 2 2 R 1, jolloin vaihevirhe on β(r R 1 ) β x 2 2 R 1. Tällöin säteilyinteg raali saa muodon P y = A 2 A 2 b cos πx β A e j 2R x 2 1 e jβux dx 2 b 2 e jβv y dy. (246 ) Ensimmäinen integ raali johtaa erikoisfunktioihin, toinen on vakioamplitudisen viivalähteen muotokerroin. Kuvassa 7-13 on esitetty säteilykuvio E- ja H-tasoissa eri maksimivaihevirheen arvoilla (t = δ m ax 2π ). Torven pituuden pysyessä vakiona R 1, suuntaavuus H-tasossa kasvaa torven pään levetessä (A kasvaa) optimipisteeseen (t o p = 3/8) saakka (kuva 7-14).

Suorakulmaiset torviantennit Optimipisteen jälkeen vaihevirhe on niin suuri, että se aiheuttaa kenttien kumoutumista kaukokentissa ja pudottaa suuntaavuutta. E-tason torven käyttäytyminen on samantyyppistä kuin H-tason torven. Pyramiditorvi tuottaa terävän kynämäisen pääkeilan. Pyramiditorven ominaisuudet saadaan pääteltyä edellisistä tuloksista, koska sen käyttäytyminen E-tasossa on samanlaista kuin E-tason torven ja H-tasossa samanlaista kuin H-tason torven. Myös pyramiditorvella on jokin optimimuoto, jolla suuntaavuus saa maksimiarvonsa.

Suorakulmaiset torviantennit Tällöin G = 0.51 4π AB (247) λ2 Optimimuoto riippuu kuitenkin taajuudesta, eikä vahvistus kasva neliöllisesti taajuuden funktiona, kuten edellisestä yhtälöstä voisi päätellä. Kuvan 7-20 mukaisesti aukkohyötysuhde putoaa taajuuden kasvaessa, jolloin yhtälön (244) mukaisesti suuntaavuus kasvaa hitaammin kuin f 2 -riippuvaisesti taajuuden funktiona. Kuvassa 7-21 on optimaalisen pyramiditorven yhdistetty E- ja H-tason säteilykyvio.

Heijastinantennit Heijastinantennit ovat ehkä yleisimmin käytettyjä korkean vahvistuksen antenneja, ja niillä saavutetaan yleisesti yli 30 db vahvistuksia mikroaaltotaajuuksilla. Korkeita vahvistuksia tarvitaan pitkän välimatkan radioviestinnässä ja korkearesoluutioisissa tutkissa. Heijastinantenni koostuu yksinkertaisimmillaan kahdesta osasta: paljon aallonpituutta suuremmasta heijastavasta pinnasta ja paljon sitä pienemmästä syöttöantennista. Y leisin on parab oloidi heijastinantenni, jonka heijastinpinnan muoto on paraabelin pyörähdyspinta (kuva 7-25). Pinnan muodon määrää polttovälin suhde halkaisijaan, F/D.

Heijastinantennit Paraboloidipinnan ominaisuutena on se, että kaikki polttopisteestä lähtevät säteet heijastuvat antennin akselin suuntaisiksi, eli se muuntaa palloaallon tasoaalloksi (ja päinvastoin vastaanotossa). L isäksi aallon kulkema matka polttopisteen syöttöantennista aukkotasolle (heijastinpinnan reunan tasolle) on yhtä pitkä kaikilla reiteillä. Siten aukkotasolla aallolla on vakiovaihe. Amplitudi ei tosin välttämättä ole vakio. Heijastinantenneja voi analysoida integroimmalla kaukokentät aukkotason kentistä, jotka on taas saatu sädeoptiikkaa käyttäen. Toisena vaihtoehtona kentät voidaan myös integroida heijastinpinnan pintavirroista.

Heijastinantennit Heijastinantennit ovat yleisesti hyvin leveäkaistaisia, taajuuskaistan alarajalla heijastimen pitää olla usean aallonpituuden luokkaa, ylärajalla heijastinpinnan epätasaisuudet pitää olla paljon aallonpituutta pienempiä. Tavallisimmin kaistaleveyttä rajoittaa syöttöantenni. Yleisin heijastinantenni on aksiaalisymmetrinen polttopisteestä syötetty paraboloidi. Tällöin kuitenkin syöttöantenni ja sen tukirakenteet tulevat esteeksi heijastuneen aallon tielle. Tätä voidaan vähentää kuvan 7-31 mukaisella epäaksiaalisella off set-paraboloidiantennilla.

Heijastinantennit Syöttö voidaan myös siirtää parempaan paikkaan käyttämällä apuheijastinta, kuten kuvan 7-32 C asseg rain- ja G reg orian-heijastinantenneissa. Kuvassa 7-40 on esitetty muita heijastintyyppejä. Jos syöttöantennin säteilykuvio ei ole pyörähdysymmetrinen heijastinantennin akselin suhteen, seuraa tästä aallon ristipolarisaatiota (kuvat 7-28 ja 7-29). Syöttöantenni pitää suunnitella siten, että sen säteily on mahdollisimman tasaista koko heijastinpinnalle ja mahdollisimman vähän säteilystä menee heijastimen ohi. Nämä vaatimukset ovat ristiriitaiset, toisen parantaminen huonontaa toista. Optimi aukkohyötysuhde saavutetaan,

Heijastinantennit kun kenttien amplitudi heijastimen reunalla on 11 db alle pääkeilan maksimin (kuva 7-39). Syöttöantenneina käytetään U HF -taajuuksilla dipoleita, korkeammilla taajuuksilla aaltoputkien päitä ja pieniä torviantenneja. Keilaa saadaan ohjattua siirtämällä syöttöantennia pois polttopisteestä, esimerkiksi tekemällä useammasta syöttöantennista ryhmä polttopisteen ympärille. Kaistanleveyden rajoittavana tekijänä on tavallisesti syöttöantenni. Käyttämällä korrugoitua kartiotorvea syöttöantennina (kuva 7-46), saadaan kaistanleveyttä kasvatettua arvoon 1.6:1 tai parempaan.

Tutkat Antenneja käytetään viestilinkkien lisäksi esimerkiksi tutkissa. Tarkastellaan tutkasysteemiä, missä lähettävä ja vastaanottava antenni ovat samassa pisteessä, tyypillisesti ne ovat sama antenni (kuva 9-3). Oletetaan, että antennin säteilykeilan maksimi osoittaa kohdetta päin, jolloin tehotiheys kohteeseen tulevalla säteilyllä on S i = yhtälöiden (122) ja (125) mukaisesti. P t 4πR 2 G t = P ta et λ 2 R 2 (248)

Tutkat Osa tästä tulevasta aallosta heijastuu takaisin kohti tutkaa. Tutkapinta-alaksi (radar cross section) kutsutaan pinta-alaa, jolla kohde kerää säteilyä ja uudelleensäteilee sen isotroop p isesti ympärilleen, P i = σs i. (249) Todellisuudessa kohde ei säteile isotrooppisesti. Tällöin σ vastaa sitä pinta-alaa, jolla kohde keräisi säteilyä, että se pysyisi säteilemään isotrooppisesti samalla intensiteetillä, jolla se todellisuudessa säteilee kohti tutkaa.

Tutkat Tutkan etäisyydellä takaisin palanneen säteilyn tehotiheys on S s = P i 4πR 2, (250) jolloin tutkan vastaanottama teho on Yhdistämällä nämä tulokset, saadaan P r = A er S s. (251) P r = A er σs i 4πR 2 = P A er A et σ t 4πR 4 λ 2 = P t λ 2 G r G t σ (4π) 3 R 4. (252) Tätä yhtälöä kutsutaan tutkayhtälöksi. Usein lähetys ja vastaanotto ovat identtiset, G r G t = G 2.

Tutkat Tutkapinta-ala voidaan kirjoittaa muodossa σ = 4πR2 S s S i, (253) joka on 4π kertaa tutkan suuntaan palaavan säteilyintensiteetin R 2 S s suhde kohdetta kohti lähetettyyn säteilytiheyteen. Tutkapinta-ala riippuu (esimerkiksi) kohteen muodosta kohteen materiaalista taajuudesta lähetetyn aallon polarisaatiosta kohteen asennosta