RF-tekniikan perusteet BL50A0301. 5. Luento 5.10.2015 Antennit Radioaaltojen eteneminen



Samankaltaiset tiedostot
RF-tekniikan perusteet BL50A0300

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

Häiriöt kaukokentässä

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

Radioamatöörikurssi 2014

Radioamatöörikurssi 2014

Radioastronomian käsitteitä

Heijastuminen ionosfääristä

Häiriöt, siirtojohdot, antennit, eteneminen

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

CT30A2600 Langaton tietoliikenne Luento 3 Signaalien eteneminen

Antennit ja syöttöjohdot

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

Siirtotiet - johtimeton (Siirtomedia)

Radioaaltojen eteneminen. Marjo Yli-Paavola, OH3HOC

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Radiokurssi. Modulaatiot, arkkitehtuurit, modulaattorit, ilmaisimet ja muut

Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Ulkoisen antennin hyödyt mobiililaajakaistassa

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

LIITTEET. Leena Korpinen, Jarmo Elovaara, Lauri Puranen

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

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

TAAJUUSMAKSULASKENNAN ESIMERKIT

Antenni ja säteilykuvio

1 Määrittele seuraavat langattoman tiedonsiirron käsitteet.

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

Scanned by CamScanner

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

Radioamatöörikurssi 2016

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

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

Ohjelmoitava päävahvistin WWK-951LTE

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

Mikä muuttuu 2015? WRC2015. Pasi Toivonen

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

2. Erittäin laajakaistaiset laitteet (UWB) ja laajakaistaiset datasiirtolaitteet (WAS/RLAN) GHz:llä

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

TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA. Tietotekniikka. Tietoliikennetekniikka INSINÖÖRITYÖ TIETOKONEOHJATTU ANTENNIMITTAUSJÄRJESTELMÄ

Tiedote tuulivoimapuiston rakentajille

Lisäosa 1: Verkkojen yleiset perusteet

Sami Mustonen WLAN-ANTENNI AJONEUVOKÄYTTÖÖN

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA

Siirtolinjat - Sisältö

Tv-jakeluverkot mitä säädellään ja miksi

EMC Säteilevä häiriö

Radioamatööriviestinnän taajuusalueet ja suurimmat sallitut lähetystehot

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

RADIOTIETOLIIKENNEKANAVAT

SATELCOM OY DI Leif Saarela. Esiselvitys

ÄÄNTÄ VAHVISTAVAT OLOSUHDETEKIJÄT. Erkki Björk. Kuopion yliopisto PL 1627, Kuopion 1 JOHDANTO

80m antenneista kotimaan työskentelyssä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Sähkömagneettisista kentistä ja aalloista

Suunta-antennin valinta

Ohjelmoitava päävahvistin WWK-951. Anvia TV Oy Rengastie Seinäjoki

Radioamatööritoimintaa ja radioyhteyksien pitoa partiolaisille. Janne Strang OH6LSL

Radioamatöörikurssi 2014

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

SISÄVERKKOMÄÄRÄYS 65 A/2014 M ASETTAA VAATIMUKSIA ANTENNIURAKOINNILLE

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

RAPORTTI ISOVERIN ERISTEIDEN RADIOTAAJUISTEN SIGNAALIEN VAIMENNUKSISTA

1 Perussuureiden kertausta ja esimerkkejä

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

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

Antennitarvikkeet. Antennit haaroittimet jaottimet kaapelit liittimet vahvistimet

Radiohäiriöiden selvittämisestä ja taajuusuunnittelusta Viestintäviraston terveiset radioamatööreille

KANDIDAATINTYÖ. Pyry Salonpää ELEKTRONIIKAN JA TIETOLIIKENNETEKNIIKAN TUTKINTO-OHJELMA

Antennitarvikkeet. Antennit haaroittimet jaottimet kaapelit liittimet vahvistimet

Antennit. Säteilyn syntyminen antennissa

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

Määräys LUVASTA VAPAIDEN RADIOLÄHETTIMIEN YHTEISTAAJUUKSISTA JA KÄYTÖSTÄ. Annettu Helsingissä 26. päivänä maaliskuuta 2013

Parikaapeli. Siirtomedia. Sähkömagneettinen spektri. EIA/TIA kategoriat

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

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

CAVEL CAVEL DKTCOMEGA:n tehtävä

Infrapunaspektroskopia

MAA (4 OP) JOHDANTO VALOKUVAUKSEEN,FOTOGRAM- METRIAAN JA KAUKOKARTOITUKSEEN Kevät 2006

SOTILASSOVELLUKSISSA KÄYTETTÄVÄT VAIMENEMISMALLIT VHF-TAAJUUSALUEELLA

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Sisäverkon peittotuotteet

IFF-OMATUNNISTUSJÄRJESTELMÄ OSANA ILMATORJUNNAN ILMATILANNEKUVAN LUOMISPROSESSIA

STUK OPASTAA / HUHTIKUU Tukiasema-antennien asentaminen. Säteilyturvakeskus Strålsäkerhetscentralen Radiation and Nuclear Safety Authority

-Langaton tekniikka on tietoliikennetekniikan osa-alueista nopeimmin kehittyvä.

SOLUKKORADIOJÄRJESTELMÄT A Tietoliikennetekniikka II Osa 17 Kari Kärkkäinen Syksy 2015

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

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

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

Transkriptio:

RF-tekniikan perusteet BL50A0301 5. Luento 5.10.2015 Antennit Radioaaltojen eteneminen

Antennit

Antennit Antenni muuttaa siirtojohdolla kulkevan aallon vapaassa tilassa eteneväksi aalloksi ja päinvastoin Yleensä resiprookkisia (toimivat lähetyksessä ja vastaanotossa) Säteilykuvio, vahvistus

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

Säteilyhyötysuhde Antennin säteilemän tehon suhde syötettyyn tehoon h 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, i=isotrooppinen), suuntakuvio on pallo Vahvistus ottaa huomioon säteilyhyötysuhteen G = P rad,pääkeila P in

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 D = max 4p A 2 l Apertuurihyötysuhde η ap ilmoittaa aukon käyttöasteen (A e on efektiivinen aukko) A e = h Efektiivinen aukko ottaa huomioon epätasaisen kentänjakauman aukossa ap A

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 4p A l 2

Polarisaatio Polarisaatio on sähkökentän suunta säteilykuviossa Antennien polarisaatioiden on oltava sama, jotta vastaanotto tapahtuu parhaalla mahdollisella sovituksella

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

Pienen dipolilähteen impedanssikuvaaja 700 Kentän impedanssi Z [W] 650 600 550 500 450 400 350 300 r 250 200 0 0,5 1 1,5 2 r [l]

Reaktiivisen lähikentän rajalle voidaan lausua r rnf = l 2p Tällä rajalla antennin reaktiivisesti varastoitunut energia ja kaukaisuuteen säteilty energia ovat yhtä suuret

Tehon siirtyminen antennien välillä Antennin säteilemä tehotiheys Toisen antennin vastaanottama teho Saadaan Friisin siirtoyhtälö 2 2 4, 4 l p p et t t t er r r A G r G P A S P = = = 2 4 ø ö ç è æ = R G G P P r t t r p l 2 4 r G P S t t r p =

Tehonsiirtoyhtälön käyttö P t G t λ R G r P r

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

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

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 ilmakehässä KR on 8760 km eli K=1,375. Usein käytetään K:n arvoa 4/3.

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

Radioaaltojen eteneminen 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.

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

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

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

Radioyhteyksien etenemismekanismit Eteneminen näköyhteysreittiä pitkin Aalto vaatii riittävän suuren vapaan tilan edetäkseen vaimentumatta Vapaaksi esteistä jätettävä 1. Fresnelin ellipsoidi r + - = l r r / 2 1 2 0 r 0 h f = lr r r 1 1 + 2 r 2 r h f 1 r 2

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

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

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