ANTENY.
PROPAGACJA FAL RADIOWYCH.
SYSTEMY RADIOKOMUNIKACYJNE.
Z przesyłaniem informacji na odległość
związane są takie zagadnienia jak
rozchodzenie się fal radiowych,
wypromieniowanie i odbiór tych fal,
konstrukcja nadajników i odbiorników,
systemy modulacji i wielodostępności,
problem szumów i zniekształceń
intermodulacyjnych, bilansu mocy w
kanale transmisyjnym i wiele, wiele
innych.
Badania teoretyczne Maxwella i
doświadczalne Hertza w IXX stuleciu nad
falami elektromagnetycznymi utorowały
drogę do rozwoju telekomunikacji  bez
drutu czyli radiokomunikacji. Pod koniec
IXX wieku Guglielmo Marconi
przeprowadził pierwsze transmisje
telegraficzne i radiowe.
Szybki rozwój radiofonii i radiotelegrafii po
I wojnie światowej był mo\
liwy dzięki
wynalezieniu lampy elektronowej
umo\
liwiającej generację fal oraz
wzmacnianie i przetwarzanie (modulację,
detekcję i przemianę ) sygnałów.
Telewizja rozpoczyna swoją karierę w
latach 30 tych XX wieku, z początku jako
czarno-biała. Era telewizji kolorowej
rozpoczyna się w latach 60 tych XX wieku
( w Polsce w latach 70 tych).
Po II wojnie światowej rozpoczyna się
gwałtowny rozwój elektroniki spowodowany
wynalezieniem tranzystora a następnie
układów scalonych o coraz większym
stopniu integracji.
W latach 70 tych rozpoczyna się równie\
era
mikroprocesorów. Ten rozwój elektroniki
umo\
liwia rozwój ró\
norodnych systemów
telekomunikacyjnych a w tym systemów
radiokomunikacyjnych.
Gwałtowne przyspieszenie rozwoju
cywilnych systemów radiokomunikacyjnych
nastąpiło w latach 90 ubiegłego stulecia po
zakończeniu okresu  zimnej wojny kiedy to
wiele firm zajmująca się do tej pory
problematyką wojskową rozpoczęła badania
i produkcję na rzecz elektroniki  cywilnej . W
tym czasie następuje gwałtowny rozwój
systemów z modulacją cyfrową.
Ka\
dy systemu radiokomunikacyjny składa
się z nadajnika i odbiornika informacji oraz
układu dwóch anten przedzielonych
przestrzenią.
Za pomocą fal radiowych przesyłane są
informacje na odległości od pojedynczych
centymetrów do wielu milionów kilometrów (
łączność z sondami kosmicznymi).
Antena to urządzenie do wypromieniowania lub odbioru fali elektromagnetycznej.
Najwa\
niejszymi parametrami anten są: Charakterystyka promieniowania, szerokość ch-ki
promieniowania, zysk kierunkowy i energetyczny, zakres częstotliwości, impedancja. Zgodnie z
zasada odwracalności parametry te są identyczne zarówno dla procesu nadawania jak i odbioru.
Charakterystyka promieniowania określa zdolność promieniowania energii przez antenę w
ró\
nych kierunkach i jest zdefiniowana jako względny rozkład wartości pola elektrycznego fali na
powierzchni kuli której środek pokrywa się ze środkiem anteny. Charakterystyka anteny jest
trójwymiarowa lecz zwykle przedstawia się ją w odpowiednio dobranych płaszczyznach w układzie
współrzędnych biegunowych lub prostokątnych. Charakterystyki prostokątne mogą być
prezentowane w mierze liniowej lub logarytmicznej. Na charakterystyce promieniowania
wyró\
niamy wiązkę (wstęgę) główną oraz wstęgi (listki) boczne i wsteczne.
Szerokość wiązki określa kąt dla którego gęstość promieniowanej mocy zmniejszy się do połowy
(o 3 dB) . Dlatego te\
kąt ten nazywany jest często kątem połowy mocy.
Tłumienie listków bocznych i wstecznych  określa stosunek gęstości mocy promieniowanej
przez wiązkę główną do gęstości mocy promieniowanej przez listki boczne lub wsteczne. W mierze
decybelowej będzie to ró\
nica odpowiednich gęstości mocy wyra\
onych w dB .
Kierunkowość D (Zysk kierunkowy)  określa kierunkowe właściwości anteny w stosunku do
anteny odniesienia. Tą antena odniesienia mo\
e być dipol półfalowy lub hipotetyczna antena
izotropowa (promieniująca jednakowo we wszystkich kierunkach). Zysk anteny podajemy w mierze
liniowej w watach na wat [W/W], lub w mierze logarytmicznej [dB]. Ró\
nica kierunkowości (w dB)
odniesionej do anteny dipolowej i odniesionej do anteny izotropowej jest równa kierunkowości
anteny dipolowej odniesionej do anteny izotropowej (2,15 dB).
Sprawność anteny jest miarą względnych strat mocy w jej odwodach. Sprawność anteny
wyra\
ana jest w procentach [%].
Zysk energetyczny anteny to zysk kierunkowy z uwzględnieniem sprawności . Analogicznie jak
kierunkowość zysk energetyczny mo\
e się odnosić do anteny izotropowej lub dipola . Je\
eli
zysk wynosi 10 W/W (10dB) , to znaczy \
e antena wysyła w kierunku maksymalnego
promieniowania 10 razy więcej energii ni\
antena izotropowa. Zysk tej anteny będzie mniejszy i
będzie wynosił 7,85 dB.
Powierzchnia skuteczna anteny - jest parametrem anteny odbiorczej opisującym relacje
między gęstością mocy fali , a mocą odbierana przez antenę odbiorczą .
Powierzchnię skuteczną mo\
na wyliczyć mając wartość zysku energetycznego i długości fali.
Częstotliwość pracy anteny jest parametrem określającym zakres częstotliwości w którym
parametry anteny spełniają określone wymagania.
Impedancja anteny jest impedancją widzianą na wrotach (zaciskach) anteny.
Do najstarszych anten nale\
ą anteny przewodowe (liniowe).
Najprostsze konstrukcje to dipol prosty i dipol pętlowy. Są to konstrukcje symetryczne o długości
najczęściej równej połowie długości fali. . W płaszczyz
nie prostopadłej do osi anteny antena
promieniuję równomiernie (charakterystyka promieniowania jest kołowa - ) .
W funkcji kąta antena wykazuje ju\
pewną kierunkowość. Maksymalne promieniowanie występuje
w płaszczyz
nie prostopadłej do osi anteny ( ) ,a minimalne w kierunku osi z ( i
). Zysk kierunkowy dipola półfalowego odniesiony do anteny izotropowej wynosi 2,15 dB.
Ulepszona konstrukcją jest dipol pętlowy. Zaletą tej konstrukcji jest mo\
liwość mocowania tej
anteny do masztu metalowego w połowie jej długości, poniewa\
w tej płaszczyz
nie napięcie na
radiatorze wynosi 0V.
Chyba najczęściej stosowaną anteną jest antena przewodowa  monopolowa (stosowana
powszechnie w telefonach komórkowych). Antenę tworzy odcinek (najczęściej ) pręta
umieszczonego nad płaszczyzną przewodzącą (Ziemią), lub tzw. przeciwwagą zło\
oną z kilku 
kilkunastu prętów (przewodów). Przeciwwagą dla anteny w telefonie komórkowym jest masa
elektryczna komórki.
Proste anteny przewodowe stosowane są tam gdzie kierunkowość nie jest wskazana
(telekomunikacja ruchoma). Kiedy wymagana jest kierunkowość stosowane są konstrukcje zło\
one
z wielu elementów przewodowych. Do najbardziej popularnych konstrukcji nale\
ą anteny typu
Yagi.
Antena Yagi składa się z dipola pętlowego W (wibratora , radiatora) stanowiącego część aktywną
anteny (zasilaną przez linię). Za dipolem umieszczony jest jeden lub kilka biernych reflektorów , a
w kierunku promieniowania znajdują się pewna liczba biernych direktorów , , . Większa
liczba reflektorów i direktorów pozwala uzyskać większą kierunkowość (do kilkunastu dB).
Impedancja anteny Yagi wynosi około . Do zasilania anteny stosuje się linię symetryczną
. lub linię współosiową oraz transformator impedancji o przekładni napięciowej co
daje czterokrotną zmianę impedancji. Antena tego typu jest stosowana powszechnie w systemach
telewizyjnych.
Antena logarytmiczna jest odmiana anteny Yagi w której wszystkie jej elementy są podłączone
synfazowo (w tej samej fazie) do linii zasilającej. Anteny tego typu odznaczają się dobra
kierunkowością (do kilkunastu dB) i szerokopasmowością (mo\
na osiągnąć szerokość pasma
pracy pond 2 oktawy). Du\
ą ich zaletą jest mo\
liwość uzyskania impedancji anteny o wartości
, co bardzo ułatwia ich zasilanie i eliminuję konieczność stosowania transformatorów
dopasowujących.
Anteny aperturowe promieniują przez
aperturę czyli otwarcie anteny. Stosuje się
je głównie w zakresie mikrofal dla fal
centymetrowych i milimetrowych.
Do najprostszych konstrukcji nale\
ą
anteny tubowe związane z techniką
falowodową, gdy\
są one naturalnym
zakończeniem falowodu prostokątnego
lub kołowego. Anteny tubowe pozwalają
uzyskać kierunkowości rzędu 10 dB. Są
stosowane w systemach nie
wymagających du\
ych kierunkowości (np.
w układach pomiarowych). W systemach
radiokomunikacyjnych stosowane głównie
jako promienniki do anten reflektorowych.
Anteny aperturowe  reflektorowe
składają się z reflektora oraz
promiennika (wibratora), który go
oświetla. Anteny takie pozwalają uzyskać
bardzo du\
e wartości kierunkowości (do
50 dB).i bardzo wąskie ch-ki
promieniowania. Stosowane są
powszechnie w systemach
radiokomunikacji naziemnej (radiolinie) i
satelitarnej.
Do odbioru telewizji satelitarnej stosuję
się antenę reflektorową podświetlaną
(ofsetową) w której promiennik
umieszczony jest z dołu anteny. Taka
konstrukcja powoduje \
e reflektor anteny
ustawiona jest bardziej pionowo co
zapobiega zbieraniu się wody w jego
zagłębieniu, co mogłoby spowodować
pogorszenie jej parametrów.
Największe mo\
liwości w kształtowaniu
charakterystyki promieniowania dają
anteny zło\
one z wielu elementów
promieniujących uło\
onych w szyki i
matryce antenowe. Zasilanie
synfazowe wszystkich elementów
promieniujących zapewnia kierunek
promieniowania prostopadły do
płaszczyzny anteny.
W miarę wzrostu liczby elementów
wzrasta kierunkowość a maleje kąt
promieniowania. Konstrukcja umo\
liwia
minimalizację poziomu listków
bocznych poprzez odpowiedni rozkład
mocy zasilania poszczególnych
radiatorów.
Tą metodą mo\
na równie\
wpływać na
kształt promieniowanej wiązki. Tą
właściwość wykorzystuje się np. w
antenach umieszczonych na satelitach
do dystrybucji sygnału telewizyjnego.
Do przesyłania informacji
wykorzystywane są fale radiowe o
bardzo szerokim spektrum
częstotliwości :od kilku kHz do
kilkudziesięciu GHz. Fale bardzo
długie wykorzystywane są do
łączności na bardzo du\
e odległości
(równie\
w wodzie). Fale długie,
średnie i krótkie wykorzystywane są
do radiofonii oraz komunikacji na du\
e
odległości. Fale bardzo krótkie
wykorzystywane są w radiofonii FM i
telewizji. Pasma UHF to domena
telewizji, radionawigacji, telefonii
komórkowej, radarów dalekiego
zasięgu i wielu systemów przesyłania
danych (pasmo 2,4 i 5,8 GHz). Pasma
mikrofalowe centymetrowe i
milimetrowe wykorzystywane są w
radioliniach, telewizji satelitarnej,
radarach i nawigacji satelitarnej.
W wolnej przestrzeni fale radiowe
rozchodzą się po liniach prostych
podobnie jak fale świetlne.
Wraz z odległością natę\
enie pola
elektrycznego fali zmniejsza się
proporcjonalnie do odległości a
gęstość mocy do jej kwadratu. Moc
odebrana przez odbiornik jest funkcja
mocy nadajnika, odległości i długości
fali oraz zysku energetycznego anteny
nadawczej i odbiorczej.
Zasady propagacji fali w wolnej
przestrzeni dotyczą transmisji
sygnału między satelitami oraz
między satelitami a ziemią
(przypadek1). W otoczeniu Ziemi
warunki propagacji zale\
ą silnie od
częstotliwości. Dla fal długich
osiągamy du\
e i stabilne zasięgi
transmisji dzięki ugięciu fali ( przyp
4). Du\
e zasięgi osiągane są
równie\
na falach krótkich dzięki
odbiciu fali od jonosfery (przyp 3).
Jednak warunki propagacji na
falach krótkich są niestabilne i
zmieniają się z porą dnia. Dla fal
ultrakrótkich i mikrofalowych zasięg
transmisji pokrywa się w
przybli\
eniu z zasięgiem optycznym
(antena nadawcza i odbiorcza
muszą się wzajemnie widzieć).
Większe zasięgi od zasięgu
optycznego mo\
na uzyskać dla tych
częstotliwości wykorzystując odbicia
fal od turbulencji (zaburzeń
troposfery) (przyp 2).
W warunkach transmisji fal UHF nad
powierzchnia Ziemi obliczanie
zasięgów transmisji musi
uwzględniać odbicie fal od
powierzchni Ziemi. W tych
warunkach wartość natę\
enia pola
maleje z kwadratem odległości a
wartość gęstości mocy maleje z
odległością do czwartej potęgi. W
warunkach miejskich sygnał mo\
e
dochodzić do anteny odbiorczej z
wielu dróg. Mówimy o zjawisku i
problemie wielodro\
ności. Zjawisko
to powoduje zmniejszenie poziomu
sygnału, wzrost szumów fazowych, a
nawet zaniki transmisji. Mo\
na
przeciwdziałać temu zjawisku
zwiększając moc nadajnika, stosując
odbiór zbiorczy (wiele anten), oraz
odpowiednie systemy modulacji
(modulacje szerokopasmowe).
Najstarsze systemy
radiokomunikacyjne to systemy
radiowe i telewizyjne (systemy
radiodyfuzji). Dz
więki i obrazy
transmitowane są w tych systemach z
wykorzystaniem modulacji
analogowych. Pierwsze radiolinie
zbudowano w latach pięćdziesiątych
ubiegłego wieku i słu\
yły do
przesyłania wielkiej liczby kanałów
telefonicznych (stosując
zwielokrotnienie FDM). Od lat
osiemdziesiątych rozwijane są
systemy telefonii komórkowej
naziemnej (obecnie rozwijana jest ju\

trzecia generacja telefonii komórkowej
- UMTS). Rozwijane są tak\
e systemy
satelitarnych komunikacji oraz
satelitarnej telewizji.
Od lat osiemdziesiątych rozwijane są
cyfrowe linie radiowe o ró\
norodnej
przepływności (od kilku do kilkuset
Mbit/s). Radiolinie wykorzystują
zjawisko prostoliniowego
rozchodzenia się fal i zasięg do
bezpośredniej widoczności anten
(zasięg optyczny). Wymagają
stosowania wysokich masztów
antenowych i anten o du\
ych
kierunkowościach (anteny
reflektorowe). Do wa\
nych
parametrów łącza nale\
y
współczynnik gotowości określający
procent czasu (najczęściej w skali
roku) kiedy system jest w pełni
sprawny i zapewnia wymaganą stopę
błędu BER ( ). W ostatnich latach
gwałtowny rozwój łącz
światłowodowych zmniejszył
znaczenie radiolinii.
Po II wojnie światowej następuje
rozwój systemów radiokomunikacji
ruchomej dla takich słu\
b jak policja
czy stra\
po\
arna. W systemach tych
stosowano nadajniki o du\
ej mocy
obejmujące obszar całego miasta.
Pojemność takich systemów była
bardzo mała ( mała liczba
u\
ytkowników) z uwagi na
ograniczone pasmo częstotliwości.
Przełom nastąpił w latach 80 kiedy
wprowadzono system komórkowy.
Cały obszar podzielony jest na
komórki o kształcie sześciokąta. W
centrum komórki znajduje się stacja
bazowa obsługująca u\
ytkowników
znajdujących się na ich terenie.
Pojemność systemu rośnie gdy
wielkość komórki maleje. Pojemności
nowych systemów są coraz większe
przez stosowanie coraz mniejszych
komórek oraz zło\
onych systemów
wielodostępności (FDMA/TDMA i
CDMA). Nowsze systemy dostarczają
równie\
coraz większą gamę usług
począwszy od transmisji telefonicznej
a skończywszy na wideo konferencji.
W tablicy zestawiono najwa\
niejsze
parametry systemu pierwszej
generacji NMT 450 oraz parametry
systemów 2 generacji (GSM 900 i
GSM 1800). Ostatnio operatorzy
wprowadzają do eksploatacji system 3
generacji - UMTS. System ma działać
w ró\
nych środowiskach, od terenów
wiejskich do wnętrz budynków. Ma
być równie\
uzupełniony o segment
satelitarny do łączności z obszarami o
małej gęstości ruchu. UMTS ma
zapewniać szeroką gamę usług takich
jak transmisja mowy, wideo telefonia i
szybka transmisja danych do 2 Mbit/s.
Częstotliwość pracy UMTS le\
y w
pasmach 1900-2200 MHz przy czym
zakresy 1980-2010 i 2170-2200 MHz
przeznaczono do połączeń
satelitarnych.
Powszechna globalizacja wymusza
globalne rozwiązania przekazywania
informacji. Takie rozwiązania mo\
e
zapewnić jedynie radiokomunikacja
satelitarna. Podstawowym problemem
przy projektowaniu satelitarnych
systemów jest wybór orbity. Niskie
orbity mają takie zalety jak niewielkie
opóz
nienie propagacyjne, korzystny
bilans energetyczny, a przede
wszystkim mo\
liwość zapewnienia
zasięgu dla całego globu łącznie z
obszarami podbiegunowymi.
Podstawowe wady niskich orbit to
potrzeba du\
ej liczby satelitów do
zapewnienia łączności globalnej.
Najwięcej zalet posiada orbita
geostacjonarna w której satelita okrą\
a
Ziemię w odległości 35786 km. dzięki
czemu prędkość kątowa satelity jest
taka sama jak prędkość kątowa Ziemi i
w efekcie satelita jest pozornie
nieruchomy dla obserwatora z Ziemi.
Stanowi to największa zaletę tej orbity
poniewa\
eliminuje konieczność
stosowania kosztownych i
skomplikowanych urządzeń do jego
śledzenia. Wady tej orbity wynikają z
du\
ej odległości satelity od Ziemi co
powoduje: du\
e opóz
nienie i tłumienie
sygnału. Wadą jest równie\

niemo\
ność komunikacji z obszarami
podbiegunowymi (powy\
ej
szerokości geograficznej).
Współczesne systemy telewizji
satelitarnej wykorzystują satelity
geostacjonarne.
Do satelity dosyłany jest sygnał z Ziemi i
po przemianie częstotliwości i
wzmocnieniu (około 100 dB)
transmitowany jest na wybrany obszar.
Nadawanie odbywa się w paśmie 10,7
do 1275 GHz ( w USA i w Rosji w
paśmie 4 GHz). Nadajniki posiadają moc
rzędu kilkudziesięciu Wat co zapewnia
na Ziemi gęstość mocy od 10 do ponad
100 .
Energii do urządzeń satelity dostarczają
baterie słoneczne. Obecnie stosowane
są fotoogniwa krzemowe o napięciu 0,5V
i sprawności ponad 10 %.
Antena nadawcza satelity składa się z
reflektora parabolicznego oświetlanego
przez układ z
ródeł znajdujących się w
jego ognisku. Podział mocy między
poszczególnymi elementami układu
oświetlającego umo\
liwia odpowiednie
kształtowanie wiązki fal na rozkaz z
Ziemi w zale\
ności od potrzeb. W
systemie TV satelitarnej wykorzystuje się
modulację częstotliwości FM. Do odbioru
sygnału na Ziemi wykorzystuje się
anteny reflektorowe podświetlane
(anteny ofsetowe). W ognisku anteny
znajduje się jeden lub więcej
konwerterów. W konwerterze następuje
wzmocnienie i obni\
enie częstotliwości
sygnału do zakresu 950-2150 MHz.
Tuner wybiera sygnał z \
ądanego kanału
i demoduluje go tak aby był mo\
liwy jego
odbiór przez odbiornik TV.
W opracowaniu wykorzystano materiały Studiów Informatycznych z http://osilek.mimuw.edu.pl/ i (http://wazniak.mimuw.edu.pl