POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Laboratorium

Anten

Ć w i c z e n i e

4

Badanie właściwości propagacyjnych fal

elektromagnetycznych

Instrukcja

w trakcie pisania

v.1.0

opracowali:

dr inż. Eugeniusz Jaszczyszyn

mgr inż. Henryk Chaciński

Instytut Radioelektroniki

Warszawa 2003

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Podstawowym celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z wybranymi zagadnieniami

propagacji fal.

Zakres ćwiczenia:

Pomiar natężenia pola elektrycznego odbieranych fal. Obserwacja stałości natężenia pola

elektrycznego dla fal o różnych częstotliwościach. Symulacyjne badanie propagacji fal.

2. WYMAGANE WIADOMOŚCI

Do poprawnego wykonania ćwiczenia konieczne jest wykonanie pracy domowej oraz

znajomość następujących zagadnień:

a) podstawowe właściwości fali TEM rozchodzącej się w nieograniczonej przestrzeni,
b) znajomość właściwości propagacyjnych fal o różnych częstotliwościach,
c) metody pomiaru natężenia pola elektrycznego odbieranych fal.

3. PODSTAWY TEORETYCZNE

2

3

4

5

Fala jonosferyczna na falach średnich

6

7

Łączność krótkofalowa

Rys. 8.24. Typowy przebieg MUF w grudniu

8

4. POMIARY
Opis działania programu SWRCA

Narzędziem pracy jest program SWRCA (System of Wireless Radio Channel

Analysis). Jest on aplikacją napisaną w języku C++ w obiektowym środowisku C++ Borland

Builder.

Program pozwala na:

- obliczenie

rozkładu pola elektromagnetycznego wokół nadajnika

- przedstawienie

rozkładu pola w zadanym przekroju liniowym

- obliczenie odpowiedzi impulsowej kanału radiowego

- graficzne przedstawienie w/w wyników symulacji

- zapisanie wyników w formacie pozwalającym na dalszą obróbkę

- uzyskanie wyników quasi-trójwymiarowych poprzez złożenie wyników symulacji w

płaszczyźnie V i H.

Skrócony opis działania programu SWRCA

:

Okno główne programu

W pierwszej kolejności tworzymy obszar, na którym będą wykonywane symulacje:

- z

menu

File wybieramy opcję New

9

W okienku wpisujemy wymiary obszaru x i y w metrach oraz wielkość jednego z punktów, z

których będzie utworzony obszar.

Następnie wprowadzamy obiekty odwzorowujące rzeczywiste środowisko:

- naciskamy przycisk Object i w okienku Parameters wpisujemy parametry obiektu

przenikalność dielektryczną (permittivity) oraz przewodność (conductivity).

10

Następnie wykreślamy kształt obiektu

Możemy również na mapę nanieść kolejne obiekty

Zapisujemy stworzony obszar na dysku, menu File polecanie Save As, nadając mu odpowiednią

nazwę.

Naciskamy przycisk Transmitter i umieszczamy na mapie nadajnik wcześniej określając jego

parametry wpisując je w okienku “Parameters of the Transmitter”.

11

Okno „Parameters of the Transmitter” pozwala na modyfikację następujących parametrów

nadajnika:

- moc

nadajnika

- częstotliwość pracy

- polaryzacja

- typ nadajnika :dookólny lub sektorowy

- szerokość i azymut sektora

- krok

skanowania

- próg

(składowe odbieranych przez odbiornik poniżej ustalonego progu nie będą

rejestrowane)

Zakończyliśmy przygotowywanie obszaru do wykonywania symulacji. W tym momencie

możemy wybrać jedną z dwóch opcji:

- obliczyć rozkład pola elektromagnetycznego, wybierając przycisk Calculation

- obliczyć charakterystykę impulsową kanału radiowego (przycisk Impuls characteristic),

wymaga to umieszczenia na mapie nadajnika.

W celu umieszczenia na mapie nadajnika naciskamy przycisk Receiver i określamy położenie

odbiornika.

12

Punkt czerwony to nadajnik, niebieski to odbiornik.

Wykonywanie symulacji

A. Obliczenie charakterystyki impulsowej:

Po umieszczeniu na mapie odbiornika naciskamy przycisk Impuls characteristic, pojawia się

informacja o zasobach systemu, naciskamy OK.

Program przystępuje do skanowania obszaru poprzez emisję z nadajnika pojedyńczych promieni

13

z odstępem podanym w parametrach nadajnika jako krok skanowania.

Po zakończeniu charakterystyka przedstawiona jest na wykresie po lewej stronie. Wykres

pokazuje liczbę odebranych składowych, czas po którym dana składowa została odebrana, oraz

moc poszczególnych składowych.

Charakterystykę impulsową można zapisać w postaci pliku tekstowego pozwalającej na dalszą

obróbkę.

Naciskając prawym przyciskiem myszy na obszarze wykresu wybieramy opcję Save to file i w

okienku wpisujemy nazwę pliku tekstowego.

14

postać pliku tekstowego

W pliku tekstowym zapisywane są następujące dane : czas po którym dotarła dana składowa,

wartość modułu składowej oraz jej wartość rzeczywista i urojona. Te ostatnie wartości są bardzo

pomocne przy zestawianiu składowych o tym samym czasie opóźnienia dla uzyskania efektu

trójwymiarowości. Plik w takiej postaci łatwo jest zaimportować do arkusza kalkulacyjnego w

celu przeprowadzenia dalszych obliczeń.

B. Obliczenie rozkładu pola elektromagnetycznego

Po umieszczeniu na mapie nadajnika i podaniu jego parametrów należy nacisnąć przycisk

Calculation. Komputer wyświetli informacje o systemie i po naciśnięciu OK. przystąpi do

skanowania mapy. Wynik obliczeń przedstawiony jest poniżej. Kolory obszarów oznaczają

odpowiedni poziom mocy odbieranej w danym miejscu zgodny z legendą umieszczoną po lewej

stronie.

15

Kolor czerwony odpowiada obszarom o największym natężeniu pola a kolor ciemnonebieski o

najmniejszym.

Możliwe jest również przedstawienie rozkładu pola elektromagnetycznego w dowolnie

wybranym przekroju. W tym celu należy prawym klawiszem myszy kliknąć w miejscu

odpowiadającym początkowi przekroju a następnie w miejscu gdzie ma być jego koniec.

Zostanie wtedy narysowana czarna linia oznaczająca wybrany przekrój. Rozkład pola pokazany

jest na wykresie z lewej strony ekranu.

16

C. Przykład badania

Celem symulacji wykonywanych w czasie pracy jest analiza komputerowa średniej odpowiedzi

impulsowej kanału radiowego, na podstawie danych z kilku położeń odbiornika, i porównano te

wyniki ze sobą. Obszarem, którego mapę wprowadzono do programu, jest jedno z pomieszczeń

Instytutu Radioelektroniki. Rzut pomieszczenia “z góry” przedstawiony jest na poniższej

ilustracji:

Obiekty przedstawione na rysunku odzwierciedlają położenie ścian, okien, drzwi i szafek w

pomieszczeniu. Każdy z elementów wykonany jest z innego materiału: beton, drewno, szkło i

opisany został przy wprowadzaniu do programu poprzez odpowiednie parametry przenikalności

i przewodności elektrycznej.

Poniższa tabela przedstawia wartości zespolone przenikalności dielektrycznej wybranych

materiałów budowlanych używanych wewnątrz budynków, w zależności od częstotliwości:

17

1 GHz

57,5 GHz

78,5 GHz

95,9 GHz

Beton

7,0 – j0,85

6,50 – j0,43

-

6,20 – j0,34

Lekki beton

2,0 – j0,50

-

-

-

Drewno

-

3,91 – j0,033

3,64 – j0,37

3,16 – j0,39

Gips

-

2,24 – j0,03

2,37 – j0,10

2,25 – j0,06

Szkło

7,0 – j0,10

6,81 – j0,17

-

-

Przenikalność zespolona ma w tej tabeli postać:

ε = ε’ − jε’’

i w takiej postaci jest stosowana dla pól szybko zmiennych o sinusoidalnej zależności od czasu.

Liczby zaznaczone grubszą kreską zostały użyte przy wprowadzaniu mapy pomieszczenia. Na

ich podstawie obliczono wartości przenikalności i przewodności elektrycznej .

Jak przenikalność (permittivity) wpisywaną jako parametr obiektu przyjętą część rzeczywistą

przenikalności zespolonej. Natomiast przewodność (conductivity) wyznaczono z następującej

zależności:

σ = ε’’ω ε

0

(4)

gdzie:

ε’’ – część urojona przenikalności zespolonej

ω - pulsacja; ω=2πf, f – częstotliwość fali

ε

0

- przenikalność elektryczna próżni

ε

0

=8,85∗10

−12

[F/m]

Przykład:

W przypadku okien (szkło) jako parametry obiektów podawane były następujące dane:

permittivity

:

ε = 7

conductivity:

σ = 0,0105

ponieważ :

σ = ε’’ωε

0

= ε’’2πfε

0

= 0,10 * 2 * 3,14 * 1,9 GHz * 8,85 * 10

-12

= 0,0105.

18

Symulacje dokonywane były przy częstotliwości 1900 MHz.

Moc nadajnika ustawiona była na 1 W.

Dla ustalonego położenia nadajnika zmieniano położenie odbiornika w odstępach co 10 cm w

linii prostej w kierunku „do góry ekranu”.

Nadajnik

Kierunek
przesuwu
odbiornika

Odbiornik

Dla każdego położenia odbiornika wyznaczana i zapisywana była odpowiedź impulsowa kanału

radiowego.

Bardziej skomplikowanym problemem jest przeprowadzenie symulacji dla polaryzacji poziomej.

W tym przypadku dla każdego położenia odbiornika należy stworzyć jeden przekrój

pomieszczenia wzdłuż linii bezpośredniej widoczności między nadajnikiem a odbiornikiem. W

ten sposób stworzono dziesięć map pomieszczeń i taką samą ilość plików zawierających dane

map. Oto przykład tworzenia profilu i efekt końcowy:

19

(tworzenie jednego z profilów dla wybranego położenia odbiornika)

Nadajnik

Odbiornik

(przekrój w płaszczyźnie pionowej z zachowanymi odległościami a,b ic)

Dla każdego z przekrojów obliczono odpowiedź impulsową kanału radiowego i zapisano w pliku

tekstowym.

W ten sposób otrzymano wyniki symulacji w płaszczyżnie poziomej i pionowej. Następnym

krokiem jest złożenie wyników z obu polaryzacji nadajnika.

20

5. PRACA DOMOWA

1. Obliczyć natężenie pola elektrycznego w odległości L od anteny

nadawczej ,do której doprowadzono sygnał o mocy 50kW i częstotliwości
100MHz. Antena nadawcza ma charakterystykę dookólną o zysku
kierunkowym 2dB. Odległość od anteny nadawczej jest określona wzorem
L = 10 + N[km]. „N” jest numerem kolejnym studenta na liście.

Uwaga! Wykonanie pracy domowej jest warunkiem koniecznym do pisania sprawdzianu (ok. 15
min.) i realizacji części pomiarowej ćwiczenia.

6. POMIARY I BADANIA
6.1. Opis stanowiska pomiarowego

Schemat blokowy stanowiska do badania zmian natężenia pola elektrycznego odbieranych

fal radiowych. jest przedstawiony na rys. 6.1.

Odbiornik

komunikacyjny

Antena

Rys. 6.1. Schemat blokowy stanowiska do badania zmian natężenia pola elektrycznego

Zmiany natężenia pola odbieranych fal elektromagnetycznych są badane przy pomocy

odbiornika komunikacyjnego typu ICOM IC-8500.

21

22

23

24

25

26

6.2. Pomiary natężenia pola odbieranych fal elektromagnetycznych

Wykonać pomiary natężenia pola dla różnych częstotliwości odbieranych fal
elektromagnetycznych. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli podanej poniżej.


Tabela nr 1

T

min 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

U/

225kHz

dBmV

U/........

MHz

dBmV

U/........

MHz

dBmV

U/

............MHz

dBmV

Narysować przebieg natężenia pola w funkcji czasu dla mierzonych częstotliwości. Otrzymane
wyniki skomentować.

7. LITERATURA

1. W. Lisiecki "Propagacja fal radiowych", WKiŁ, Warszawa 1962.

27