Johdantoa antenneihin

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

Ideaalinen dipoliantenni

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Scanned by CamScanner

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Säh k ö isesti pien i an ten n ik in v o i o lla m atalilla taaju u k silla fy y sisesti h y v in su u ri.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

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

SMG-5450 Antennit ja ohjatut aallot

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

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

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

Elektrodynamiikka, kevät 2008

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

Häiriöt kaukokentässä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

Onteloresonaattorit. Onteloresonaattori saadaan aikaan, kun metallisen aaltop utken molemmat suljetaan metalliseinällä ja sen

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

Luku 14. z L/2 y L/2. J(r,t)=I(t)δ(x)δ(y)θ(L/2 z)θ(z + L/2) e z (14.1) Kuva 14.1: Yksinkertainen dipoliantenni.

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

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

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

EMC Säteilevä häiriö

Shrödingerin yhtälön johto

1. Erään piirin impedanssimittauksissa saatiin seuraavat tulokset:

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Kulmaheijastinantenni

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /6 Laskuharjoitus 6 / Siirtojohdot ja transientit häviöttömissä siirtojohdoissa

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

a P en.pdf KOKEET;

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Kvanttifysiikan perusteet 2017

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA


Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

EMC: Electromagnetic Compatibility Sähkömagneettinen yhteensopivuus

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

Antennit ja syöttöjohdot

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

Elektrodynamiikka, kevät 2002

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Suoran yhtälöt. Suoran ratkaistu ja yleinen muoto: Suoran yhtälö ratkaistussa, eli eksplisiittisessä muodossa, on

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Antennit Radioaaltojen eteneminen

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Valon sironta - ilmiöt ja mallinnus. Jouni Mäkitalo Fysiikan seminaari 2014

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

17. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /8 Laskuharjoitus 7 / Smithin-kartan käyttö siirtojohtojen sovituksessa

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

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

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

(a) Potentiaali ja virtafunktiot saadaan suoraan summaamalla lähteen ja pyörteen funktiot. Potentiaalifunktioksi

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Derivoimalla kerran saadaan nopeus ja toisen kerran saadaan kiihtyvyys Ña r

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Transkriptio:

Johdantoa antenneihin A ntenni Laite, jonka avulla säh köm ag neettia aaltoja void aan (tarkoituksella) läh ettää tai vastaanottaa. E li se m uuntaa oh jatun aallon (aaltop utki/ siirtolinja) vap aan tilan aalloksi tai p äinvastoin. A ntenni välittää inform aatiota ilm an läh ety sp aikan ja vastaanottop aikan välisiä rakenteita. A ntenni v s. siirtolinja S iirtolinja vaatii oh jaavan rakenteen T eh oh äviö 1 R 2 antennilla ja (e α R ) 2 siirtolinjalla 25. h e lm ik u u ta 20 0 8

Johdantoa antenneihin Tehohäviöt kasvavat siirtolinjalla voimakkaasti taajuuden kasvaessa M atalat taajuudet ja lyhyet etäisyydet: siirtolinja K orkeat taajuudet ja pitkät etäisyydet: antenni R ajalliset taajuuskaistat antenneilla R adiosysteemeissä suurempi häiriöalttius ja huonompi turvallisuus Luotettavuustekijät H istorialliset syyt (esim nykyiset puhelinverkot)

Johdantoa antenneihin Antenneja on pakko käyttää: Liikkuviin kohteisiin, eli kun kiinteä yhteys ei mahdollinen Y ksi lähetin monta (liikkuvaa) vastaanottajaa Kaukokartoitus (remote sensing): tutka (aktiivinen) ja radiometria (passiivinen) Teolliset sovellukset (mikroaalloilla kuumennus ja kuivaus) Antenneilla on jokin minimikoko, eikä niitä voi korvata pienellä sirulla/komponentillä, kuten elektroniikassa usein käy

Säteily n p eru steita Säteily on smg-häiriön etenemistä poispäin häiriölähteestä, siten että aallon kokonaisenergia on vakio kaikilla etäisyyksillä lähteestä. Häiriölähde: virtalähde, jossa varaukset kiihtyvässä liikkeessä. E sim erk k i: V akionopeudella etenevän pistevarauksen kiihdytys, s. 5-6. J atkuvan säteilyn tuottamiseksi pitää varauksien olla koko ajan kiihtyvässä liikkeessa edestakaisin liikkuva varaus sinimuotoinen lähdevirta.

Siirtolinjasta antenniksi? Tarkastellaan avointa siirtolinjaa, jossa seisova aalto: J ohtimien aiheuttamat ken tät v ahv istav at toisiaan lin jojen v älissä ja kumoav at toisen sa muualla (johtojen v äli aallon pituus ) siirtolin jan tuottama säteily v ähäistä. λ 4 J os johtimien päistä kään n etään λ -pituiset 4 pätkät, py sty suorassa osassa v irrat ov at y hd en - suun taiset, eiv ätkä n iid en ken tät en ää kumoa toisiaan. (K uv assa aalto ajan hetkellä, jolloin v irta maksimissaan.) J ohtimien tuottama häiriö v aihtelee ajan fun ktion a sin imuotoisesti. Pystysuorat johtimenpätk ät aiheuttav at etenev än aallon k uv an 1-4 muk aisesti. V astaa puoliaaltod ipolia palataan niihin tark emmin myöhemmin.

Antennien peruskäsitteitä R esiprookkisuus (Reciprocity) Antennin ominaisuudet (esim suuntakuvio ja impedanssi) ovat samanlaiset antennin toimiessa lähetettimenä ja sen toimiessa vastaanottimena. Tämä vaatii tiettyjä ominaisuuksia antennimateriaaleilta, mutta lähes kaikki käytännön antennit ovat resiprookkisia. Resiprookkista antennia on mahdollista käsitellä lähettävänä systeeminä tai vastaanottavana systeeminä sen mukaan kumpi on tarkoituksenmukaisinta. Esim. vastaanottavan antennin kuormalle antamaa tehoa voidaan arvioida sen lähetysominaisuuksista.

Antennien peruskäsitteitä Säteilykuvio F (θ, ϕ ) (Radiation pattern) kertoo antennin tuottaman (ja vastaanottaman) säteilyn suuntariippuvuuden (kuva 1-5). Suuntaavuus D (D irectiv ity) Säteilyn maksimisuunnan tehotiheyden suhde keskimääräiseen tehotiheyteen (kuva 1-5). V ahvistus G (G ain) Suuntaavuus, kun on olettu huomioon tehohäviöt antennissa. P olarisaatio (P olarization) Antennin säteilemän aallon polarisaatio on se kuvio, jonka sähkökenttävektorin kärki piirtää ajan funktiona yhdessä tarkastelupisteessä.

Antennien peruskäsitteitä Impedanssi Z A (Impedance) Jännitteen ja virran suhde antennin syötössä. Tavoitteena on sovittaa Z A siirtolinjan kanssa. K aistanleveys (B andw idth ) Taajuusalue, jolla antenni toimii hyväksyttävästi jonkin suorituskykyparametrin mukaan. S canning, K eilanohjaus Säteilykuvion tarkoituksellinen liikuttaminen, joko sähköisesti tai mekaanisesti.

Antennien peruskäsitteitä Antennin valitaan edellä olevien ominaisuuksien perusteella. Antennin suunnittelu on kompromissien hakemista, sillä jos antennilla jokin parametri on erityisen hyvä, se tapahtuu jonkin muun parametrin kustannuksella. Kaikkia hyviä ominaisuuksia ei voi saada yhteen antenniin, joten käytännössä tarvitaan erilaisia antenneja, ja valinta niiden välillä riippuu sovelluskohteesta. Edellisten ominaisuuksien lisäksi on otettava huomioon sovelluskohteesta riippuen: koko, paino, tehonsyöttö, tutkapinta-ala (radar c ross sec tion), EMC.

Antennien neljä päätyyppiä Antennit voidaan jakaa neljään ryhmään sen mukaan, miten niiden toiminta muuttuu taajuuden funktiona. Sähköisesti pienet antennit Antennin koko aallonpituus, jolla toimitaan. + P ieni koko matalillakin taajuuksilla, edullinen Resonanssiantennit Antenni toimii yksittäisellä taajuudella tai kapealla taajuuskaistalla. + Kohtalainen vahvistus ja reaalinen impedanssi, edullinen Kapea taajuuskaista

Antennien neljä päätyyppiä L aajakaista-antennit Suuntakuvio, suuntaavuus, vahvistus ja impedanssi pysyvät hyväksyttävissä rajoissa laajalla taajuusalueella. Säteilyn tuottaa antennissa aktiivinen alue (pieni osa koko antennista, aallonpituuden tai sen puolikkaan kokoa), joka vaihtaa paikkaa antennissa, kun taajuus muuttuu. + Leveä kaistanleveys Aukkoantennit Antennissa on fyysinen aukko, jonka läpi aalto kulkee. + Suuri vahvistus Katso kuva 1-6.

Sähkömag neettisen teorian kertausta..? M ax w ellin yhtälöt (aikaharmonisille kentille) E = jωb (1) H = jωd + J T (2 ) D = ρ T (3 ) B = 0 (4 ) Väliaineyhtälöt J T = σe + J (5) D = εe (6) B = µh (7 )

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? J T ja ρ T ovat kokonaisvirrantiheys ja -varaustiheys. J on tunnettu lähdevirta, eli syötön aiheuttama virrantiheys antennissa. Virratiheydelle ja varaukselle saadaan johdettua Max w ellin yhtälöistä virran jatkuvuusyhtälö: J T = jωρ T. (8 ) Häviölliselle johteelle voidaan (2) kirjoittaa muodossa: ( H = jω ε + σ ) E + J = jωε E + J, jω missä ε on kompleksinen dielektrisyysvakio.

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? Roottoriyhtälöistä (1) ja (2) saadaan samanmuotoisia, kun lisätään (2):een kuvitteellisen magneettinen virrantiheys M: E = jωµh M. M:ää voidaan käyttää ekvivalenttisena lähteenä korvaamaan monimutkainen E-kenttä ja helpottamaan näin tehtävää.

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? Tehtävällä on yksikäsitteinen ratkaisu vasta, kun tiedetään rajapinta- ja reunaehdot (katso kuva 1-7), ˆn (H 2 H 1 ) = J s (E 2 E 1 ) ˆn = M s, Missä J s, M s ovat pintavirtojen tiheydet. Täydelliselle johteelle ehdot saadaan muotoon H ta n = J s ja E ta n = 0.

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? Poyntingin yhtälö Tilavuudessa V lähteestä otettu teho on yhtä suuri kuin tilavuudesta pois virtaavan tehon, tilavuudessa lämmöksi muuttuvan tehon sekä magneettiseksi ja sähköiseksi energiaksi varastoituneen tehon summa, P s = P f + P dav + j2ω(w mav W eav ).

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? Tilavuuden reunan S läpi virtaava kompleksinen teho saadaan yhtälöstä P f = 1 E H ˆnds = S ˆnds, 2 S missä S on nk. Poyntingin vektori (tehotiheys yksiköissä W/ m 2 ). Kerroin 1 2 juontuu siitä, että E ja H ovat huippuarvoja ja P f :n reaaliosa on alueesta poistuvan tehon aik ak esk iarvo. Lämpöhäviötehon aikakeskiarvo, P dav = 1 σ E 2 dv. 2 V

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? Varastoituneen magneettisen energian aikakeskiarvo, W mav = 1 1 2 2 µ H 2 dv, ja sähköenergian aikakeskiarvo W eav = 1 1 2 2 ε E 2 dv. Jos syöttötehoa ei ole annettu, se voidaan laskea virrantiheyden avulla, P s = 1 E J dv. 2 V V V

Sähkömagneettisen teorian kertausta..? Mitä tehon kompleksuus tarkoittaa käytännössä? O tetaan P f esimerkiksi: P f :n reaaliosa on pinnan S läpi menevät tehon aikakeskiarvo. P f :n imaginaariosa vastaa pinnan S läpi edestakaisin kulkevaa tehoa, jonka aikakeskiarvo on nolla.

Antennitehtävän ratkaiseminen T yypillisessä antennitehtävässä oletetaan, virtajakauma antennissa tiedetään ennalta, ja halutaan ratkaista annetun virrantiheyden aikaansaamat kentät E ja H. N ämä saadaan ratkaisemalla yhtälöt (1) ja (2) yhdessä. Ratkaisun helpottamiseksi käytetään usein potentiaalifunktioita A ja Φ, H = 0 H = 1 µ A (9 ) (E + jωa) = 0 E + jωa = Φ. (10)

Antennitehtävän ratkaiseminen Kun kentät E ja H ilmaistaan potentiaalien avulla saadaan aaltoyhtälö vektoripotentiaalille A (Kun käytetään Lorentz in (gauge-)ehtoa A = jωµεφ), 2 A + ω 2 µεa = µj. (11) (11) on diff erentiaaliyhtälö, josta voidaan ratkaista A tunnetulla virrantiheydellä J. Kentät saa sitten kätevästi yhtälöstä (9) ja E = jωa j ( A) ωµε. (12)

Antennitehtävän ratkaiseminen Huom. Yhtälö (11) on vektoriaaltoyhtälö. Suorakulmaisessa koordinaatistossa se sisältää kolme skalaarista aaltoyhtälöä 2 A x + β 2 A x = µj x 2 A y + β 2 A y = µj y, 2 A z + β 2 A z = µj z missä β = ω µε on tasoaallon etenemiskerroin. Huomaa, että z-suuntainen virta aiheuttaa A:n, jolla on pelkästään z-komponentti.

Antennitehtävän ratkaiseminen Esimerkki: Ratkaistaan z-suuntaisen pistelähteen aiheuttama kenttä. Virrantiheys on nolla kaikkialla paitsi yhdessä pisteessä (origossa), missä virta on z-suuntainen, ts. µj z = δ(x)δ(y)δ(z). Vaikka tapaus onkin epäfysikaalinen, yleinen virtajakauma voidaan ajatella pistelähteiden kokoelmana (summana). Ratkaistava yhtälö on Lähteen ulkopuolella 2 A z + β 2 A z = δ(x)δ(y)δ(z). (13) 2 A z + β 2 A z = 0. (14)

Antennitehtävän ratkaiseminen Yhtälön (14) ratkaisut ovat e jβr r ja ejβr r, joista vain ensimmäinen on fysikaalisesti järkevä esittäen lähteestä poispäin kulkevaa palloaaltoa. Ratkaisuksi saadaan A z (r, φ, θ) = e jβ r 4π r. Mielivaltaisen virrantiheyden aiheuttama aalto saadaan summaamalla eri paikoissa sijaitsevien pistelähdeiden aiheuttamat palloaallot virrantiheyden suuduudella painotettuna, A(r, φ, θ) = V µj e jβ R 4π R dv, (15)

Antennitehtävän ratkaiseminen missä R on lähteen etäisyys tarkastelupisteeseen (katso kuva 1-8). Kun H on saatu ratkaisua vektoripotentiaalin avulla, E:n voi ratkaista joko yhtälöstä (12) tai ehkä vielä helpommin ratkaisemalla E yhtälöstä (2), E = 1 jωε ( H J). (16) Kun ollaan lähteen ulkopuolella, J = 0.