ANTENY

Antena - urządzenie służące do zamiany fal elektromagnetycznych na sygnał elektryczny i odwrotnie. Jest elementem składowym każdego systemu radiokomunikacji. W XX w. najbardziej znanym typem anteny była antena odbiornika radiowego i antena telewizyjna; w XXI w. częściej kojarzona z elementem bezprzewodowych sieci komputerowych lub z odbiorem sygnałów z satelitów.

W ognisku anteny, jeżeli takowe posiada, umieszczane są detektory promieniowania radiowego, np. mikrofal.

Ze względu na polaryzację fale stosowane w radiolokacji i radioastronomii można podzielić na:

• liniową (pionowa, pozioma, nachylona pod określonym kątem)

• eliptyczną lub kołową

• lewoskrętną

• prawoskrętną

Szczególnym przypadkiem polaryzacji eliptycznej jest polaryzacja kołowa. W takim przypadku współczynnik osiowy wynosi 0 dB.

Ze względu na sposób wykonania anteny dzieli się na:

• dipolowe

• kolinerane

• mikropaskowe

• szczelinowe

• reflektorowe

Niektóre typy anten:

• antena aperturowa

• antena dipolowa

• antena dookólna

• antena falowodowa (zobacz też: falowód)

• antena ferrytowa

• antena izotropowa (model teoretyczny)

• antena kierunkowa

• antena logarytmicznie periodyczna

• antena panelowa

• antena prętowa

• antena paraboliczna

• antena reflektorowa

• antena rombowa

• antena satelitarna (paraboliczna i offsetowa)

• antena sektorowa

• antena śrubowa (inaczej: helikalna, helix, heliax)

• antena tubowa

• antena Yagi-Uda (w skrócie: antena Yagi)

Antena mikrofalowa do horyzontalnej linii radiowej

Antena do sieci bezprzewodowej

Antena dipolowa - to najstarsza, lecz wciąż najbardziej popularna antena. Słowo dipol pochodzi z języka greckiego i oznacza układ dwubiegunowy. Antena dipolowa składa się przeważnie z dwóch symetrycznych ramion zasilanych za pomocą symetrycznej linii transmisyjnej. Tego typu antena jest tzw. anteną symetryczną, ponieważ prądy płynące w obu ramionach anteny są równe co do amplitudy i mają przeciwne zwroty. Można spotkać również anteny dipolowe: o niesymetrycznych ramionach oraz anteny zasilane bocznikowo, optymalizowane, czy załamane. Anteny dipolowe ze względu na słabe parametry (wąskie pasmo pracy, mały zysk kierunkowy) występują rzadziej jako samodzielne, pojedyncze anteny, częściej stosuje się je jako elementy składowe bardziej skomplikowanych i rozbudowanych układów antenowych.

Rodzaje anten dipolowych

• Dipol prosty (a)

• Dipol pętlowy (b)

• Dipol prosty zasilany bocznikowo (c)

• Dipol szerokopasmowy (d)

• Dipol załamany (e)

• Dipol optymalizowany (f)

Zalety anten dipolowych

• prosta budowa

• niskie koszty produkcji

• łatwa adaptacja z innymi rodzajami anten

• możliwość tworzenia dużych układów antenowych, np. kilka połączonych odpowiednio ze sobą anten Yagi-Uda

Antena Yagi-Uda zbudowana jest z wielu elementów, ma charakterystykę kierunkową i polaryzacyjną zgodną z ustawieniami jej elementów (poziomą lub pionową). Głównym elementem anteny jest dipol (wibrator) prosty, pętlowy lub bocznikowy o długości równej połowie długości fali, podłączony do przewodu antenowego. Pozostałe elementy anteny nie są podłączone, dlatego nazywa się je elementami biernymi. Pręty od strony odbiorczej mają mniejszą długość od wibratora i noszą nazwę direktorów (od ang. direct - nadawać kierunek), a pręty z przeciwnej strony, dłuższe od wibratora nazywane są reflektorami (odbija fale). Liczba direktorów ma wpływ na kierunkowość oraz na zysk energetyczny anteny (im więcej direktorów tym większy zysk i większa kierunkowość - czyli węższa wiązka promieniowania). Antena konstrukcji SP6LB o 9 elementach na pasmo 2 m (popularna w Polsce) ma zysk około 12 dBd.

Obecnie anteny te znalazły szerokie zastosowanie głównie do odbioru fal o długościach metrowych, decymetrowych, między innymi w odbiorze telewizji, radiowych sieciach lokalnych, a także w telekomunikacji. Antena stosowana jest m.in do łączenia punktu dostępu oraz anteny głównej w sieciach radiowych. Są także powszechnie stosowane przez krótkofalowców w pasmach 6 m (50-52 MHz), 2 m (144-146 MHz) i 70 cm (430-440 MHz).

• łatwy dostęp

Wady anten dipolowych

• wąskie pasmo pracy (co może być również zaletą)

• mały zysk energetyczny

Charakterystyki promieniowania dipola prostego

Dipol prosty - to najczęściej stosowany typ anten dipolowych. Kształt charakterystyki promieniowania dipola prostego zależy przede wszystkim od jego długości. Na rysunku obok przedstawiono różne kształty charakterystyki promieniowania w zależności od długości dipola. Jak widać wraz ze wzrostem długości dipola charakterystyka promieniowania zwęża się, a więc wzrasta kierunkowość anteny, a co za tym idzie również zysk. Dla długości dipola l=1/4 λ szerokość charakterystyki na poziomie połowy mocy (dla napięcia poziom 0,707) wynosi około 90°. Kolejno dla: l=1/2 λ - 78°, l=λ - 48°. Przy długości dipola większej niż długość fali zaczynają pojawiać się większe ilości wiązek. Przykładowo dla l=3/2 λ jest ich aż sześć. Dzieje się tak dlatego, że dla długości większych niż długość fali prąd płynie w różnych kierunkach i powoduje zmniejszenie wypadkowego pola w kierunku osi y, a wzmacnianie go w innych kierunkach.

Zasilanie dipola

Aby maksymalnie przenieś moc nadajnika na antenę należy odpowiednio połączyć antenę z nadajnikiem. Dokładnie ta sama reguła dotyczy odbiornika i anteny. Typowa konfiguracja to: nadajnik (odbiornik) - linia transmisyjna - antena.

Z reguły nadajnik/odbiornik jest dopasowany impedancyjnie do linii transmisyjnej. Następnie linia transmisyjna musi być dopasowana impedancyjnie do anteny. W przypadku niedopasowania zwiększa się WFS (współczynnik fali stojącej (ang. SWR)), a co za tym idzie zwiększają się straty mocy, gdyż nie część mocy zostaje odbita w kierunku powrotnym do nadajnika. Dopuszczalna wartość WFS zależy od konkretnego systemu radiowego. Np. musi ona być bardzo mała dla systemów telewizyjnych gdyż wielokrotne odbicie w kablu o długości kilkuset metrów może spowodować nieodwracalne zmiany w sygnale, a co za tym idzie pogorszenie jakości obrazu. Podobnie WFS musi być bardzo mały dla systemów o dużej mocy (powyżej 100 W). Np. dla nadajnika o mocy 100kW 1% mocy odbitej to 1kW. Jeśli antena pracuje przez cały rok to straty energii są bardzo duże.

Aby WFS był minimalny należy tak dobrać antenę, aby była dopasowana impedancyjnie do linii transmisyjnej. Jeśli impedancja wejściowa anteny jest różna od impedancji linii transmisyjnej musimy zastosować odpowiednie układy dopasowujące. Można także zmienić impedancje wejściową anteny poprzez zmianę położenia punktów zasilania dipola.

Dipol pętlowy

Charakterystyka promieniowania dipola pętlowego w płaszczyźnie horyzontalnej dla odległości między elementami dipola - 70 mm

Charakterystyka promieniowania dipola pętlowego w płaszczyźnie horyzontalnej dla odległości między elementami dipola - 5 mm

Dipol załamany o kącie rozwarcia ramion γ

Dipol załamany - zwany za względu na kształt anteną typu V jest anteną dipolową stosowaną zamiast dipoli prostych w celu zwiększenia ich kierunkowości.

Charakterystyka promieniowania anteny typu V jest superpozycją promieniowań pochodzących od obu ramion. Przy odpowiednim kącie rozwarcia można wytłumić listki boczne i zwiększyć moc na kierunku maksymalnego promieniowania. Kolejną zaletą anteny typu V w porównaniu do dipola prostego jest przewaga listka głównego nad wstecznym.

Maksymalna kierunkowość anteny V wynosi:

Kierunkowość określoną powyższym wzorem osiąga się dla kąta rozwarcia ramion określonego następująco:

,

gdzie h - długość ramienia, λ - długość fali, γ - kąt rozwarcia ramion.

Antena kolinearna - jest to rodzaj anteny dookólnej będący najczęściej liniowym złożeniem dipoli półfalowych zasilanych przeciwfazowo. A. k. znalazły zastosowanie m. in. jako anteny nadawcze w małych sieciach osiedlowych pokrywających swym zasięgiem obszary (o promieniu do 5 km). Przykładowe parametry:

• Rodzaj anteny: kolinearna 2 x 7/8 λ (długości fali)

• Częstotliwość środkowa: 434 MHz

• Polaryzacja: pionowa

• Charakterystyka: dookólna

• Zysk energetyczny ok. 6,7 dBi [1]

• Impedancja wejściowa: 50 Ω

• WFS na częstotliwości środkowej: < 1,5

• Maksymalna moc wejściowa: 100 W

Antena mikropaskowa - rodzaj anteny, wykonana poprzez naniesienie odpowiednio ukształtowanych pasków przewodnika na powierzchnię izolującą, w jednej lub kilku warstwach.

Paski, które są dipolami odbiorczymi, są połączone paskami łączącymi. Długości pasków łączących dobiera się tak, by sygnały z poszczególnych dipoli docierały do punktów wspólnych w fazie a przez to wzmacniały się. Czas dotarcia sygnału oraz własnosci dipola zależą od długości fali. Dlatego dobierając odpowiednio długości dipoli i pasków łączących można ukształtować zależność czułości anteny od częstotliwości.

Antena ta jest w ostatnim czasie stosowana w niemal wszystkich działach radioelektroniki nadawania i odbioru fal o długości mniejszej od decymetra.

Zalety:

• małe wymiary, waga i objętość;

• niskie koszty produkcji;

• łatwa integracja z układami elektronicznymi, jest często elementem obwodu drukowanego;

• możliwość umieszczenia nie tylko na płaskiej powierzchni, ale również na powierzchniach cylindrycznych, kulistych;

• prostota wykonania,

• 
  możliwość tworzenia dużych układów antenowych.

Anteny mikropaskowe występują w dwóch strukturach: jednowarstowej i wielowarstwowej. Zastosowanie poszczególych struktur zależy od zastosowania anteny oraz możliwości konstrukcyjnych i technicznych.

Antena szczelinowa - antena zbudowana z płaszczyzny przewodzącej i wyciętych w niej szczelin.

Antena taka promieniuje energię po obu stronach płaszczyzny przewodzącej. Ograniczenie promieniowania od jednej strony płaszczyzny można osiągnąć poprzez umieszczenie, z tej strony szczeliny w którą energia ma nie promieniować, wnęki metalowej o głębokości d=λ/4. Polaryzacja fali wytwarzanej przez szczeliny poziome jest pionowa, a przez szczeliny pionowe-pozioma.

Antena reflektorowa

Typy reflektorów

Antena reflektorowa - jest to antena składająca się z dwóch podstawowych elementów:

- reflektora, który stanowi powierzchnię odbijącą dla fal elektromagnetycznych,

- źródła oświetlającego (promiennika), który w odpowiedni sposób oświetla reflektor.

Typy stosowanych reflektorów.

• reflektor płaski(a) - ogranicza promieniowanie do jednej przestrzeni.

• reflektor prostokątny(b) - ma taką samą budowę jak reflektor kątowy z tą jednak różnicą, że nie występuje tu promiennik. Pełni on po prostu rolę anteny pasywnej.

• reflektor paraboliczny(c) - najbardziej rozpowszechniony typ anteny reflektorowej, często stosowony w telewizji satelitarnej. Fale elektromagnetyczne padające równolegle do reflektora po odbiciu przecinają się w jednym punkcie zwanym ogniskiem. Umieszczając w tym punkcie promiennik odbieramy prawie całą moc padającą na reflektor. Promiennik również może wysyłać fale, których droga będzie analogiczna jak w przypadku odbioru.

• reflektor kątowy(d) - powstaje przez złożenie dwóch reflektorów płaskich i zapewnia zwiększenie zysku energetycznego.

Antena aperturowa - są to anteny charakteryzujące się pewną wyróżnioną powierzchnią zwaną aperturą, czyli powierzchnią, przez którą przechodzą fale z i do przestrzeni. Najczęściej stosowanymi aperturami są: apertura prostokątna, apertura kołowa.

Wzór na kierunkowość(zysk kierunkowy) anten aperurowych:

gdzie:

• λ- długość fali,

• A_max - apertura maksymalna,

Typy anten aperturowych

• antena tubowa

• antena paraboliczna

Antena tubowa - rodzaj anteny.

W najprostszym wykonaniu antena tubowa to falowód prostokątny. Koniec falowodu nie jest optymalnym przejściem fali elektromagnetycznej do wolnej przestrzeni. Niestety na końcu falowodu pojawia się duża fala odbita. Odpowiednie przekształcenia konstrukcyjne dokonane na końcu falowodu prowadzą do stworzenia anteny tubowej, która posiada już lepsze parametry (mniejszy WFS)

Na rysunku przedstawiono typy antan tubowych.

• 
  tuba sektorowa typu H(a) - zwiększenie rozmiarów falowodu następuje wzdłuż dłuższej ścianki falowodu (płaszczyzna H),

• tuba sektorowa typu E(b) - zwiększenie rozmiarów falowdu następuje wzdłuż krótszej ścianki falowodu (płaszczyzna E),

• tuba piramidalna(c) - w której występuje rozszerzenie wymiarów w obu płaszczyznach.

Zalety anten tubowych

• duży zysk kierunkow,

• mały współczynnik fali stojącej (WFS),

• dość duże pasmo pracy,

• prostota budowy.

Zastosowanie

• jako anteny ośwetlające inne anteny (anteny paraboliczne),

• jako anteny wzorcowe.

Antena paraboliczna

Antena paraboliczna o podwyższonym zysku (nie mniejszym niż 21 dBi), przeznaczona do zastosowania w dalekozasięgowych połączeniach typu punkt-punkt lub punkt-wielopunkt. Idealnie nadaje się do przekazywania sygnału pomiędzy stacjami bazowymi lub lokalnymi sieciami kablowymi, pozwalając na tworzenie złożonych sieci oraz zwielokrotnienie liczby abonentów korzystających z jednego punktu dystrybucji usług sieciowych.

Spis treści

5.1. Zasada działania anten satelitarnych 

      5.1.1. Antena jako figura geometryczna

      5.1.2. Materiał z jakiego jest wykonana antena

      5.1.3. Zysk energetyczny anteny

      5.1.4. Charakterystyka odbiorcza anteny

      5.1.5. Zakłócenia w odbiorze satelitarnym

      5.1.5.1. Tłumienie atmosfery ziemskiej

      5.1.5.2. Radiolinie

      5.1.5.3. Antena silnie zabrudzona

      5.1.5.4. Deszcz, śnieg i oblodzenie

      5.1.6. Obciążenie anteny na wiatr

Z chwilą nastania epoki satelitów do rodziny anten radiowych i telewizyjnych doszły anteny satelitarne, których wygląd mocno odbiega od wyglądu starych anten. Słabe nadajniki satelitarne i duża odległość anteny odbiorczej od anteny nadawczej, zmusiły konstruktorów do skonstruowania anteny na innych zasadach. I tutaj pomogły stare, znane od wielu set lat fizyczne prawa, które rządzą światłem.

Wszyscy znamy skutki promieniowania słonecznego w godzinach południowych. Grzeją wprawdzie bardzo mocno, czasami tak mocno, że możemy dostać porażenia słonecznego, ale nie są jednak w stanie zapalić niczego. Jeżeli jednak promienie słoneczne skierujemy przy pomocy soczewki lub lustra wklęsłego na kawałek papieru i jeżeli papier znajdzie się w ognisku tego lustra nastąpi zapłon. Energia promieni słonecznych zostaje skoncentrowana przez lustro wklęsłe do tego stopnia, że w krajach południowych stosuje się ją do gotowania a nawet do spawania metali.

Antena paraboliczna to nic innego jak lustro wklęsłe, które pozwala słaby sygnał dochodzący z satelity odebrać i wraz urządzeniami towarzyszącymi, przetworzyć na obraz i dźwięk. By pobudzić wyobraźnię czytelników powiem, że antena o średnicy 120 cm posiada zysk energetyczny ponad 40 dB, tłumacząc to na prosty język, „wzmacnia” sygnał przychodzący z satelity ponad 100 razy. Dodajmy do tego wzmocnienie konwertera, które wynosi ponad 55 dB to wspólne „wzmocnienie” dochodzi do 100 dB czyli sygnał wzmocniony jest 100.000 razy (patrz rozdział „Decybele”).

5.2. Zasada działania anten satelitarnych

5.1.1. Antena jako figura geometryczna
Najważniejszym czynnikiem decydującym o jakości anteny i zgodności z jej parametrami jest jej geometria i dokładność powierzchni. Antena nie może być „zwichrowana” to znaczy łuki muszą być prawie idealne z wyliczeniami matematycznymi. Powierzchnia nie może być odkształcona i musi być gładka. Jednym słowem, produkt wychodzący od producenta musi być odzwierciedleniem jego rysunków technicznych. Nie wielu producentów regularnie sprawdza geometrię i jakość anteny, co pociąga za sobą pogorszenie parametrów, które nie zgadzają się z katalogowymi.   Anteny satelitarne produkowane są przeróżnymi metodami uzależnionymi od konstrukcji i materiału. Do najpopularniejszych metod należą:  obrotowe walcowane, stosowane przeważnie dla anten typu parabola (stal i stopy aluminium),  wytłaczanie na zimno (stal i stopy aluminium),  wytłaczanie na ciepło, (stal),  wytłaczanie wtryskowe z tworzyw sztucznych,  warstwowe klejenie włókien  szklanych żywicami epoxydowymi,  metodą wybuchową w wypadku dużych anten,  łączenia mechanicznego elementów anteny przy bardzo dużych antenach i antena na środkach ruchomych. Każda metoda ma swoje zalety i wady, które opiszę przy poszczególnych typach anten.
Na przytoczonych grafikach przedstawione są dwie wersje anteny parabolicznej. Grafika na lewej stronie to idealna antena, w której zgodnie z matematycznym prawem „KĄT PADANIA RÓWNA SIĘ KĄTOWI ODBICIA”, sygnał przychodzący z satelity zostaje w 100 % skoncentrowany w ognisku gdzie znajduje się nasz konwertor.   Na grafice po prawej stronie mamy do czynienia z anteną, której geometria nie zgadza się z matematycznie wyliczoną. Duży procent przychodzącego sygnału mija ognisko anteny i nie trafia do konwertera. Zysk energetyczny jest o wiele mniejszy od podanego przez producenta.
Przyczyną takiego stanu mogą być: zmiany geometryczne w procesie produkcyjnym (stare maszyny, nieodpowiedni materiał), złe opakowanie będące przyczyną uszkodzeń w transporcie, nieprawidłowy i nieumiejętny montaż anteny, antena zamontowana jest w miejscu, w którym istnieje cień jakiejś przeszkody. Słońce oświetla tylko część anteny i  nagrzewa ją nierównomiernie powodując naprężenia w materiale a zarazem odkształcenia geometryczne. Powierzchnia anteny, w zależności od jej materiału pokryta jest warstwą ochronną. Warstwa ta nie ma decydującego wpływu na jej parametry techniczne i jest tylko zabezpieczeniem przed wpływem środowiska, korozją. Jednak przy złym przygotowaniu powierzchni anten z blachy stalowej może nastąpić rdzewienie pod powierzchnią warstwy ochronnej tworząc poduszkę rdzy, powietrza i wody co ma ujemny wpływ na ich parametry techniczne.   Często musimy zastosować antenę o większej średnicy zamiast mniejszą o wysokiej jakości.

5.1.2. Materiał z jakiego jest wykonana antena
Materiał z jakiego jest wykonana antena nie ma specjalnego wpływu na jej parametry techniczne. Ma jednak wpływ na żywotność i stabilność, co wcale nie jest sprawą drugorzędną.   Do materiałów  z jakich produkuje się anteny satelitarne należą:  > blacha stalowa pokryta cynkiem, miedzią lub tworzywem sztucznym. Powierzchnia blachy stalowej musi być  jednak bardzo dobrze przygotowana przed jej pokryciem, gdyż w przeciwnym razie po krótkim czasie zostaje skorodowana i stwarza duże niebezpieczeństwo dla ludzi, > blacha aluminiowa, która jest bardziej odporna na warunki atmosferyczne. Niemniej   jednak, przy chemicznie agresywnej atmosferze, wymaga dodatkowej powierzchni ochronnej w postaci lakierów zabezpieczających lub tworzywa sztucznego, > tworzywo sztuczne, które jest najbardziej odporne na warunki zewnętrzne, żeliwo i kompozycje (stopy metali) to materiał stosowany przez niektórych producentów w krajach skandynawskich. Anteny te odznaczają się bardzo dobrymi parametrami i długowiecznością.

5.1.3. Zysk energetyczny anteny
Zysk energetyczny, często błędnie nazywany wzmocnieniem, podaje, jaka jest wielokrotność zwiększenia dochodzącego do anteny sygnału. Antena satelitarna wykorzystuje fizyczne prawo mówiące, że kąt padania równa się kątowi odbicia. Jeżeli zastosujemy powierzchnię o takim kształcie, która padającą wiązkę promieni na nią, zgodnie z przytoczonym prawem skieruje do jednego punku, to możemy spokojnie powiedzieć, że wiązka została skoncentrowana i jej moc zwielokrotniona. Na tej zasadzie działa lustro wklęsłe dla światła lub antena paraboliczna dla promieni elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości.   Tym punktem jest ognisko anteny, w którym znajduje się konwerter, element, który odbiera tą energię, przetwarza i kieruje do odbiornika satelitarnego. Z uwagi na kolejne prawa fizyki nie da się wykorzystać odbieranej przez antenę SYGNAŁU w 100%. Mówimy w tym momencie o dobroci anteny, nazywanej przez fachowców apreturą, która mieści się w granicach 60…70%.	Grafika 5.2.3a. Apretura anteny parabolicznej
Kiedy latarką oświetlimy ścianę można zauważyć, że światło maleje w kierunku obrzeża. To widać na grafice 5.2.3a. Moc sygnału maleje oddalając się od centrum anteny, przy czym to zjawisko ma duży wpływ na jej zysk energetyczny.   Zysk energetyczne zależy od wielu czynników, takich jak: średnica anteny, częstotliwości, apretura, dokładności geometrycznej anteny, dokładności powierzchni, jej stabilności, poziomu sygnału bocznych wiązek. Poszczególne czynniki omówione będą w dalszej części, w punkcie 5.4. Techniczne parametry anteny.   Na grafice 5.2.3b. pokazane są zależności zysku energetycznego, średnicy anteny i kąta widzenia anteny parabolicznej.   Linia czerwona: wraz ze wzrostem średnicy anteny, wzrasta zysk energetyczny anteny.   Linia zielona: wraz ze wzrostem średnicy anteny, maleje kąt jej widzenia.	Grafika 5.2.3b. Zależności zysku energetycznego, średnicy anteny i kąta widzenia anteny parabolicznej

Charakterystyka wyznacza przede wszystkim kąt widzenia anteny, który mierzy się na wysokości -3 dB lub współczynniku 0,72 wysokości od punktu zerowego do maksimum poziomu sygnału.

Linie poprowadzone z punktu zerowego do przegięcia linii charakterystyki na wysokości poziomu -3 dB wyznaczają rzeczywisty kąt widzenia anteny. W wypadku podanej grafiki wynosi on ± 1,6° czyli antena ma kąt widzenia 3,2°.

 

Kąt ten uzależniony jest przede wszystkim od wielkości anteny, ale także od geometrii lustra anteny. Poniższa tabela przedstawia anteny o różnych gabarytach i związanych z tym kątach widzenia.

5.1.4. Charakterystyka odbiorcza anteny
Grafika nr 5.2.4a. Charakterystyka anteny satelirtarnej	Grafika nr 5.2.4a. przedstawia charakterystykę anteny satelitarnej w formie dwuwymiarowej. W rzeczywistości wygląda to trochę inaczej, przestrzenniej. Na grafice widzimy wiązkę główną i wiązki boczne. Mimo, że są one słabsze o 12...15 dB mogą być przyczyną zakłóceń, zwłaszcza przez sąsiadujące satelity. Przy odpowiednim ukształtowaniu lustra anteny, wiązki boczne można mocno wytłumić. Do takich anten należą romboidalne i eliptyczne, często widziane na samochodach retransmisyjnych.   Dolna oś jest odnośnikiem całego kąta charakterystyki anteny. Druga wiązka boczna sięga standartowej odległości między satelitami, która wynosi 6°. Przy niezbyt precyzyjnym ustawieniu anteny w kierunku satelity, niebezpieczeństwo jego odbioru jest bardzo duże, stąd precyzyjne jej ukierunkowanie jest odpowiedzialne za jakość odbioru.
Grafika nr 5.2.4b. Kąt widzenia anteny

Poniższa tabela pokazuje różnice między gabarytami anteny a jej kątem widzenia.

Typ anteny

firmy TRIAX

TD 54

TD 64

TD 78

TD 88

TD 110

Gabaryty

56 x 50 cm

66 x 60 cm

78 x 70 cm

95 x 85 cm

100 cm

Kąt widzenia 

3,7°

3,1°

2,6°

2,0°

1,8°

Zysk energetyczny
F - 11,30 GHz

34.1 dBi

35.7 dBi

37.0 dBi

38.7 dBi

40.1 dBi

 

Czym większa antena tym mniejszy kąt widzenia. ale także większy zysk energetyczny.

 

5.1.5. Zakłócenia w odbiorze satelitarnym

Odbiór satelitarny, mimo swych charakterystycznych cech, takich jak słaby sygnał, wysoka częstotliwość, stosunkowo duży kąt nachylenia anteny, jest najpewniejszym i najbardziej odpornym na zakłócenia systemem komunikacyjnym. Napisałem "stosunkowo“, bo istnieją problemy zakłócające odbiór satelitarny. Do nich należą; tłumienie atmosfery ziemskiej, warunki propagacyjne (pogoda) i różnego rodzaju radiolinie, których sygnał, oprócz satelitarnego, trafia do anteny. Kilka z przyczyn zakłócania odbioru satelitarnego opiszę w następnych punktach.

5.1.5.1. Tłumienie atmosfery ziemskiej

Sygnały emitowane przez satelity, na swej drodze do naszej anteny, trafiają na atmosferę ziemską, która tworzy powłokę wypełnioną gazami. Powłoka ta ma grubość 20...60 km. Takie czynniki jak, temperatura, ciśnienie i wilgotność są czynnikami, które zdecydowanie wpływają na jakość sygnału.   Jak wykazały badanie ESA (European Space Agency), tłumienność w Europie środkowej, w ciągu roku (99% czasu), przy częstotliwości 12,1 GHz i w zależności od kąta elewacyjnego nie przekracza 6,8 dB (5° El.) i 1,5 dB (45° El.), a przy idealnie czystym niebie nawet 0,12 dB (30° El.)   Drugim czynnikiem jest kąt elewacyjny anteny. Satelity "ustawione" są na orbicie geostacjonarnej, znajdującej się 36.000 km ponad równikiem. Oddalając się od równika w kierunkach północno-wschodnim i północno-zachodnim, zwiększamy kąt elewacyjny a zarazem odległość od satelity.

Problemem mniej znanym to zakłócenie spowodowane kroplami deszczu, które w pierwszym momencie tworzą bardzo dużą ilość małych soczewek na powierzchni anteny. Zdjęcie nr 8.2.5.1a. pokazuje wycinek anteny z małymi kropelkami.   Zjawisko to jest odwrotnością zasady działania anteny parabolicznej. Antena paraboliczna, zgodnie z prawem fizyki koncentruje sygnał w ognisku, w którym znajduje się konwerter. Krople wody na powierzchni anteny rozpraszają sygnał w różnych kierunkach, co powoduje, że do konwertera dochodzi tylko minimalna część sygnału. Przy małych antenach może to spowodować całkowity zanik sygnału. W momencie, kiedy opad deszczu się zwiększy, kropelki zostają zamienione w jednolitą mokrą powierzchnię, opisane zjawisko przestaje istnieć.

Wśród wielu instalatorów anten, zwłaszcza starszej generacji, utarło się pojęcie, że antena, wszystko jedno jaka, musi być zainstalowana na dachu i to najlepiej na wysokim maszcie. Pojęcie to jest uzasadnione w wypadku anten dla radia i telewizji naziemnej, zgodnie z zasadą; antena odbiorcza musi „widzieć” antenę nadawczą. W wypadku anten satelitarnych, ich instalacja na dachu jest nie tylko nieuzasadniona, ale wręcz szkodliwa dla odbioru. Wrogiem nr 1. są radiolinie, a jest ich coraz więcej. Anteny radiolinii emitują częstotliwości, których harmoniczne mogą znaleźć się w zakresie pasma satelitarnego (10,7…12,75 GHz). Ich sygnał przesyłany jest w sieci między antenami poziomo, równolegle do powierzchni ziemi. Antena satelitarna, która znajdzie się na linii dwóch takich anten odbierze ten sygnał, a ponieważ jest on bardzo silny nastąpi zakłócenie pracy konwertera z jego zablokowaniem włącznie. Niespodzianka, która często prowadzi do błędnej diagnozy.

 

Satelity znajdują się na orbicie geostacjonarnej, na wysokości 36.000 km ponad równikiem. Jeżeli antena zainstalowana jest na ziemi i nie ma przeszkód takich jak drzewa lub budynki „widzi” satelitę i jest poza zasięgiem radiolinii.

 

Zalecenie: NIE INSTALOWAĆ ANTENY NA DACHU

 

5.1.5.2. Radiolinie

5.1.5.3. Antena silnie zabrudzona
Zdjęcie 5.2.5.3a	Bród i rdza na powierzchni anteny to następny problem z odbiorem satelitarnym. Przy głównych drogach z ruchem pojazdów mechanicznych, gdzie  samochody zwłaszcza ciężarowe powodują, że pył i tłuste spaliny osiadają nie tylko na ścianach budynków, ale także na antenach satelitarnych. Tłuszcz nie pozwala na spłukanie zabrudzeń przez deszcz, co jest przyczyną powstania warstwy tłumiącej sygnał satelitarny. Miałem okazję oglądać antenę, która po pięciu latach pokryta była 5 milimetrową warstwą brudu o olbrzymiej ilości różnych składników. Po jej oczyszczeniu sygnał na mierniku wzrósł o ponad 20%. Należy zatem, przynajmniej raz do roku umyć antenę wodą z dodatkiem płynu do zmywania, to się opłaca. Należy także usunąć wszelkie nalepki firmowe, które nie sprzyjają dobremu odbiorowi.   Innym problemem jest rdza. Anteny wykonane z blachy stalowej, źle przygotowane przed malowaniem, są wcześniej lub później skazane na przedwczesny „zgon”. Takie anteny nie tylko tracą swój pierwotny zysk energetyczny, ale są dużym niebezpieczeństwem dla ludzi. Nie trzeba mieć dużej fantazji by wyobrazić sobie zerwanej przez wiatr, szybującej anteny w kierunku grupy ludzi. Tutaj należałoby zwrócić uwagę władzom i policji by częściej zwracała uwagę na zardzewiałe anteny, a instalatorzy powinni swoim fachowym okiem, dostrzegać takie anteny i zaproponować właścicielowi nową, zanim dojdzie do nieszczęścia.

Problemem mniej znanym to zakłócenie spowodowane kroplami deszczu. W pierwszym momencie opadu, na powierzchni lustra anteny tworzy się bardzo duża ilość małych kropelek, które działają jak małe soczewki. Zdjęcie nr 8.2.5.1a. pokazuje wycinek anteny z małymi kropelkami.

 

Zjawisko to jest odwrotnością zasady działania anteny parabolicznej. Antena paraboliczna, zgodnie z prawem fizyki koncentruje sygnał w ognisku, w którym znajduje się konwerter. Krople wody na powierzchni anteny rozpraszają sygnał w różnych kierunkach, co powoduje, że do konwertera dochodzi tylko minimalna część sygnału. Przy małych antenach może to spowodować całkowity zanik sygnału. W momencie, kiedy opad deszczu się zwiększy kropelki zostają zamienione w jednolitą, mokrą powierzchnię, opisane zjawisko przestaje istnieć.

 

Problem ten zwiększa się, kiedy antena jest pokryta cienką warstwą tłuszczu (zabezpieczenie przed korozją lub sąsiedztwo wyciągu z kuchni). Powoduje to, że napięcie powierzchniowe wody jest duże, powodujące tworzeniu się dużych kropel. By temu zapobiec należy pokryć antenę płynem zmniejszającym napięcie powierzchniowe wody do minimum. W sklepach z akcesoriami samochodowymi można kupić taki płyn do szyb, powodujący całkowite zlikwidowanie kropel i szybkie ich spływanie. Drugim sposobem jest pokrycie dużych anten silikonem.

 

Trudniejszym problemem jest śnieg i oblodzenie anteny. Przy zadymkach śnieżnych z reguły następuje zanik obrazu i dźwięku a warstwa śniegu na antenie i konwerterze całkowicie uniemożliwia odbiór. Duże profesjonalne anteny stosowane przez operatorów telewizji kablowej wyposażone są w ogrzewanie, które sterowane jest przez dwa czujniki. Czujnik na śnieg, jest diodą lub opornikiem optycznym, który po zasłonięciu go włącza ogrzewanie. Czujnik na oblodzenie to najczęściej kontakty bimetalowe lub oporniki typu tyrystor, włączające ogrzewanie, gdy temperatura spadnie poniżej „0”, przy czym także czujnik optyczny musi zadziałać. Sama temperatura poniżej 0°C bez śniegu lub oblodzenia nie przeszkadza w odbiorze.

 

5.1.5.4. Deszcz, śnieg i oblodzenie

Zdjęcie nr 8.2.5.1a.

5.1.6. Obciążenie anteny na wiatr
Oszacowanie obciążeń wiatrem czaszy anteny satelitarnej możemy wykonać wg algorytmu przedstawionego poniżej. Rozważania zawężamy do 2 podstawowych typów anten w zależności od typu (geometrii) czaszy anteny: - okrągła (fragment czaszy kuli) - eliptyczna (fragment czaszy elipsoidy obrotowej). Obliczenie obciążeń wiatrem innych typów anten może być wykonywane wg tego samego algorytmu, pod warunkiem uwzględnienia ich osobliwości geometrycznych.   1. Pomiar i wyznaczenie podstawowych parametrów charakteryzujących geometrię czaszy anteny. - średnica (ew. promień) - dla anten okrągłych - długości półosi dużej i małej - dla anten eliptycznych. Ponieważ powierzchnia czaszy standardowej anteny satelitarnej jest wielokrotnie większa niż pozostałe elementy zestawu, (np. uchwyty i elementy mocujące), które mają znikomy udział w generowaniu oporu zakładamy, że całe obciążenie wiatrem jest przejmowane przez czaszę anteny.   2. Wyznaczenie powierzchni obliczeniowej czaszy anteny.   Czasza anteny satelitarnej jest profilowana jako fragment powierzchni zorientowanej w przestrzeni trójwymiarowej: fragment czaszy kuli lub elipsoidy obrotowej. Wielkość obciążenia od wiatru zależy od kierunku ustawienia anteny względem wiatru. Największe obciążenie będzie oddziaływać w kierunku normalnej do płaszczyzny, w której da się wyodrębnić największą powierzchnię będącą rzutem płata czaszy antenowej na tą płaszczyznę. Nieistotna jest powierzchnia wycinka kuli czy elipsoidy, ale powierzchnia powstała z rzutowania ich na płaszczyznę. Czyli dla najbardziej niekorzystnego kierunku obciążenia będzie to okrąg lub elipsa leżąca w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzn symetrii anteny. Obciążenie działające w tym właśnie kierunku będzie najniekorzystniejszym przypadkiem ze względu na wytrzymałość czaszy anteny. Powierzchnię obliczeniową czaszy anteny wyznaczamy ze wzoru:   - dla anten okrągłych   - dla anten eliptycznych   w których: D - średnica okręgu, a - półoś wielka elipsy, b - półoś mała elipsy. 3. Wyznaczenie obciążenia wiatrem   Dla wyznaczenia siły oddziaływania wiatru na czaszę anteny satelitarnej bazujemy na normie PN-77/B-02011 "Obciążenia w obliczeniach statycznych". Obciążenie wiatrem, oraz na pomiarach i wynikach badań doświadczalnych.   Wiatr oddziaływujący na czaszę anteny będzie wywierał na nią ciśnienie, które obliczamy ze wzoru:   q = k v2 w którym: q - obciążenie w jednostkach ciśnienia N/m2, v - prędkość wiatru w m/s, k - współczynnik proporcjonalności pomiędzy prędkością wiatru a ciśnieniem parcia uwzględniający efekty aerodynamiczne, N×s^2/m4. Jak możemy zauważyć powyżej, ciśnienie prędkości zależy tylko od prędkości wiatru i jest wprost proporcjonalne do kwadratu jego prędkości. Wartość współczynnika aerodynamicznego k = 0,89 przyjmujemy na podstawie badań doświadczalnych różnych czasz anten satelitarnych, w czasie których dokonano pomiarów obciążeń czaszy przy różnych prędkościach wiatru. Znając wartość ciśnienia pochodzącą od prędkości wiatru możemy wyznaczyć wartość charakterystyczną obciążenia wiatrem, którą wyznaczamy ze wzoru:   Q = q × S w którym: Q - wartość charakterystyczna obciążenia [ N ], S - powierzchnia obliczeniowa [m2] q - obciążenie w jednostkach ciśnienia [ N/m2]   Opracował:  mgr inż.  Janusz Dudek / 03.06.2006 /
Przykładowe wartości obciążeń wiatrem anteny COR 700 firmy CORAB”      W wyniku przeprowadzonej analizy wytrzymałościowej ustalono: 1. Prędkość operacyjna wiatru, równa maksymalnej prędkości, przy której nie wystąpią trwałe odkształcenia czaszy anteny - 138 km/h. 2. Dopuszczalna prędkość wiatru, przy której następuje odkształcenie anteny nie powodujące utraty jej właściwości użytkowych -187 km/h. 3. Prędkość wiatru, przy której następuje zniszczenie, zerwanie konstrukcji- 253 km/h Na podstawie wyników obliczeń wytrzymałościowych można uznać, że dla przedmiotowej anteny satelitarnej zapewniona jest geometryczna niezmienność oraz spełnione są warunki wytrzymałościowe do wartości prędkości operacyjnej wiatru. Ponadto stwierdzona, że przy zakładanych obciążeniach eksploatacyjnych konstrukcja czaszy anteny powinna gwarantować prawidłowe działanie (odbiór sygnału TV) do wartości prędkości dopuszczalnej.

Antena dookólna - antena, której spadek mocy promieniowania wzdłuż wektora H jest nie większy niż 3 dB (połowa mocy) (maksymalny spadek mocy w stosunku do szczytowego zysku jest mniejszy od 3 dB).

Najważniejszą cechą tej anteny jest charakterystyka promieniowania, która w tym przypadku jest dookólna. Oznacza to, że fala elektromagnetyczna wytworzona przez taką antenę, rozchodzi się z jednakowym natężeniem we wszystkich kierunkach w płaszczyźnie poziomej. Pretenduje to takie anteny do zastosowań w radiokomunikacji pomiędzy obiektami ruchomymi oraz stałymi.

Anteny dookólne ze względu na budowę dzielą się na:

• anteny ćwierćfalowe (długość promiennika jest równa 1/4 długości fali roboczej, przy czym antena taka wymaga zastosowania przeciwwag),

• anteny półfalowe - anteny o długości promiennika równej 1/2 długości fali roboczej i jeżeli pracują jako dookólne to zasilane są "od dołu", tzn. linia zasilająca (tzw. fider) jest podłączony do dolnej części anteny poprzez transformator impedancji. Anteny tego typu nie wymagają przeciwwag do prawidłowej pracy.

• anteny 5/8 długości fali roboczej - nie wymagają transformatora impedancji, jednak powinny być wyposażone w przeciwwagi, zazwyczaj o długości λ/4. Charakteryzuje je korzystna charakterystyka promieniowania (kąt elewacji) oraz dość dobry zysk w stosunku do ww. anten.

Typowymi antenami dookólnymi są anteny prętowe i masztowe.

Antena Falowodowa (antena falowodowa w sieciach WiFi *.PDF)

Antena ferrytowa - rodzaj anteny działającej na zasadzie sprzężenia z polem magnetycznym fali elektromagnetycznej. Wykonana jest w postaci cewki nawiniętej na wydłużonym rdzeniu ferrytowym. Cewka ta może być sprzężona z obwodem rezonansowym odbiornika lub stanowić jego część.

Anteny ferrytowe stosowane są zwykle w zakresie fal długich, średnich i krótkich. Są to anteny kierunkowe, a największa skuteczność mają one z kierunku prostopadłego do osi pręta ferrytowego.

Wysokość skuteczną anteny ferrytowej (wyrażoną w metrach) można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

N - liczba zwojów cewki

A - powierzchnia przekroju cewki [m²]

μ_w - efektywna przenikalność magnetyczna rdzenia

λ - długość fali [m]

Radiowa antena ferrytowa na

fale długie, średnie i krótkie

Radiowa antena ferrytowa na

fale długie, średnie i krótkie

Antena izotropowa jest to teoretyczna antena o następujących cechach:

• emituje sygnał równomiernie (izotropowo) we wszystkich kierunkach,

• cały sygnał, którym zasilana jest antena, jest wysyłany bez strat i odbić.

Zysk energetyczny anteny izotropowej wynosi 0 dBi. Pojęcie anteny izotropowej jest stosowane przy określaniu EIRP i jest modelem teoretycznym, gdyż antena taka w rzeczywistości nie istnieje.

Antena ta jest szczególnym przypadkiem anteny dookólnej, jej charakterystyka promieniowania jest idealną kulą.

Moc wypromieniowywana przez antenę jest definiowana przez zależność:

gdzie:

kąt charakterystyki promieniowania w płaszczyźnie poziomej

kąt charakterystyki promieniowania w płaszczyźnie pionowej

średnia gęstość promieniowania (która może być interpretowana jako gęstość promieniowania anteny izotropowej, wypromieniowującej moc równą mocy badanej anteny rzeczywistej), definiowana jako:

gęstość promieniowania anteny

Antena kierunkowa - jest to antena promieniująca prawie całą moc, w jednym wyróżnionym kierunku. Zysk kierunkowy może wynosić nawet kilkadziesiąt dBi. Kształt charakterystyki promieniowania anteny jest przeważnie szpilkowy. Szerokość wiązki na poziomie połowy mocy (kąt połowy mocy) wynosi kilka-kilkanaście stopni. Dla porównania szerokość wiązki dipola pól-falowego, na poziomie połowy moc wynosi 78°.

Przykłady anten kierunkowych [edytuj]

• antena ferrytowa

• antena ramowa

• antena tubowa

• antena Yagi-Uda

• antena śrubowa

• antena reflektorowa

• antena mikropaskowa Charakterystyka szpilkowa

Antena mikropaskowa - rodzaj anteny, wykonana poprzez naniesienie odpowiednio ukształtowanych pasków przewodnika na powierzchnię izolującą, w jednej lub kilku warstwach.

Paski, które są dipolami odbiorczymi, są połączone paskami łączącymi. Długości pasków łączących dobiera się tak, by sygnały z poszczególnych dipoli docierały do punktów wspólnych w fazie a przez to wzmacniały się. Czas dotarcia sygnału oraz własnosci dipola zależą od długości fali. Dlatego dobierając odpowiednio długości dipoli i pasków łączących można ukształtować zależność czułości anteny od częstotliwości.

Antena ta jest w ostatnim czasie stosowana w niemal wszystkich działach radioelektroniki nadawania i odbioru fal o długości mniejszej od decymetra.

Zalety:

• małe wymiary, waga i objętość;

• niskie koszty produkcji;

• łatwa integracja z układami elektronicznymi, jest często elementem obwodu drukowanego;

• możliwość umieszczenia nie tylko na płaskiej powierzchni, ale również na powierzchniach cylindrycznych, kulistych;

• prostota wykonania,

• możliwość tworzenia dużych układów antenowych.

Anteny mikropaskowe występują w dwóch strukturach: jednowarstowej i wielowarstwowej. Zastosowanie poszczególych struktur zależy od zastosowania anteny oraz możliwości konstrukcyjnych i technicznych.

Antena śrubowa

Antena śrubowa używana w sieciach WLAN, pracująca przy częstotliwości około 2,5 GHz

B - centralny wspornik
C - kabel koncentryczny
E - dystanse/wsporniki dla helisy
R - reflektor/podstawa
S - śrubowy element powietrzny

Antena śrubowa (helikalna) jest zbudowana z odcinka przewodnika zwiniętego w kształt helisy. Została wynaleziona i opisana w 1947 roku przez Johna Daniela Krausa.

Ten typ anten jest stosowany przede wszystkim w zakresie mikrofal. Anteny śrubowe mogą pracować w dwóch trybach: normalnym i osiowym.

Tryb normalny charakteryzuje się tym, że średnica anteny jest mała w porównaniu z długością fali. W tym trybie maksimum promieniowania występuje na kierunku prostopadłym do osi anteny, zaś wytwarzana fala ma polaryzację eliptyczną. Sprawność energetyczna tej anteny jest niska, ponieważ antena pracująca w trybie normalnym jest elektrycznie krótka. Charakterystyka promieniowania nie zależy od liczby zwojów.

W trybie osiowym wymiary pojedynczego zwoju są porównywalne lub większe od długości fali. Kierunek maksymalnego promieniowania w tym przypadku pokrywa się z osią anteny, a polaryzacja fali jest zbliżona do kołowej. Anteny śrubowe w trybie osiowym mogą mieć polaryzację zgodną lub przeciwną do ruchu wskazówek zegara. Jeśli odbierany sygnał jest spolaryzowany liniowo (poziomo lub pionowo), nie sprawia to problemów. Jednak odbieranie sygnału spolaryzowanego zgodnie z ruchem wskazówek zegara przez antenę spolaryzowaną przeciwnie (lub na odwrót) powoduje znaczną stratę mocy.

Maksymalny zysk kierunkowy wynosi:

Kąt połowy mocy (w stopniach) określony jest wzorem:

gdzie

• C - obwód pojedynczego zwoju,

• S - odstęp pomiędzy zwojami,

• N - liczba zwojów,

• λ - długość fali.

Impedancja końcowa w trybie osiowym wynosi od 100 do 200 Ω. Rezystancja wynosi w przybliżeniu:

Gdzie :

• R - rezystancja,

• C - obwód pojedynczego zwoju,

• λ - długość fali.

• C.3.2. Anteny dipolowe logarytmicznie-periodyczne (LOG-PER)

•  Anteny logarytmicznie-periodyczne są najbardziej popularnymi przedstawicielami grupy anten, których właściwości - teoretycznie niezależne od częstotliwości - są określane przez kąty. Są one szczególnie chętnie stosowane w radiodyfuzji jako profesjonalne anteny odbiorcze i anteny pomiarowe, np. w stacjach kontroli emisji radiowych. Decyduje o tym duża stałość charakterystyk promieniowania anten log-per w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, mały poziom wiązek bocznych i mała wrażliwość anten na zmienne warunki atmosferyczne, w tym szczególnie mała wrażliwość na oblodzenie.

 Budowa dipolowych anten log-per

• Rys. 20. Szkic wymiarowy dipolowej anteny log-per

Dipolowa antena typu log-per jest zbudowana z płaskiej struktury zasilanych, równoległych dipoli (rys. 20). Końce wszystkich dipoli leżą na dwóch prostych, które przecinają się pod kątem  nazywanym kątem rozwarcia anteny log-per. Długość dipola l_i i jego odległość R_i od punktu przecięcia prostych zmieniają się w postępie geometrycznym z ilorazem   < 1. Jest on nazywany współczynnikiem zbieżności, a kolejne wymiary można wyznaczyć przy pomocy proporcji

W realizacjach praktycznych współczynnik zbieżności powinno się wybierać w granicach 0,7 <   < 1. Jeżeli z najniższej częstotliwości zakresu roboczego anteny wyznaczymy wymiar najdłuższego radiatora l₀ i współrzędną jego położenia R₀, to możemy wyznaczyć długości i położenie wszystkich pozostałych radiatorów. Z kąta rozwarcia  i współczynnika zbieżności  można wyznaczyć parametr σ nazywany współczynnikiem periodyczności elektrycznej. Wyznacza go zależność

Współczynnik σ wyznacza względną odległość mierzoną w długości fali pomiędzy kolejnym dipolem a najbliższym krótszym, czyli wielkość (R_i - R_i+1)/ . Wymiar najdłuższego radiatora l₀ powinien być równy  _max/2 natomiast najkrótszy powinien mieć długość  _min/3.

• Rys. 21. Zasilanie anteny log-per za pomocą przewodu współosiowego

Dipole pobudza się za pomocą dwuprzewodowego toru symetrycznego o stałej impedancji falowej w sposób naprzemienny, tak że pomiędzy sąsiednimi dipolami występuje dodatkowe przesunięcie fazowe równe 180o (rys. 21). Energia do toru pobudzającego może być doprowadzona za pomocą przewodu symetrycznego lub za pomocą przewodu współosiowego umieszczonego wewnątrz jednego z przewodników toru pobudzającego. Oplot zasilającego przewodu współosiowego dołącza się do końca jednego przewodnika toru pobudzającego, a żyłę wewnętrzną do drugiego, tak jak to pokazano na rys. 21. Antena odgrywa wówczas jednocześnie rolę urządzenia symetryzującego. W zakresie pasma roboczego, prawidłowo zaprojektowana antena wiązkuje energię w kierunku krótszych dipoli.

•  Sposób działania i parametry dipolowych anten log-per

Dla zrozumienia sposobu działania anteny logarytmicznie-periodycznej, prześledzimy transport energii w antenie. Od punktu zasilania znajdującego się na wąskim końcu anteny energia jest transportowana linią pobudzającą bez większych strat na promieniowanie w region gdzie dipole są najbliższe rezonansu półfalowego. Tam energia jest odpromieniowana najsilniej, przy czym tłumienie mocy na promieniowanie może dochodzić do 20 dB. Ponieważ zazwyczaj kilka dipoli w otoczeniu dipola aktualnie półfalowego jest silnie pobudzonych, wprowadza się pojęcie szerokości czynnej strefy anteny B_ar , zdefiniowanej jako stosunek odległości, dla których amplituda prądów pobudzających dipole maleje o 10 dB w stosunku do pobudzenia maksymalnego. Zależność szerokości czynnej strefy anteny od parametrów  i  dla Z_f = 100  i stosunku h/a = 125 przedstawiona została na rys. 22.

• Rys. 22. Zależność szerokości czynnej części anteny od parametrów  i 

Podstawowymi parametrami mającymi wpływ na wiązkowanie energii i kierunkowość dipolowej anteny logarytmicznie-periodycznej są współczynnik zbieżności  i współczynnik periodyczności σ . W sensie fizycznym oznacza to, że kierunkowość anteny jest przede wszystkim proporcjonalna do szerokości strefy czynnej anteny B_ar, w małym natomiast stopniu do całkowitej długości struktury. Przy małym kącie rozwarcia  i współczynniku zbieżności  bliskim jedności, kierunkowość anteny może osiągać 10 dB. Przy dużym kącie rozwarcia i współczynniku zbieżności znacznie mniejszym od jedności, kierunkowość może spadać poniżej 6 dB. Kierunkowość anteny log-per można określić na podstawie charakterystyki promieniowania z zależności przybliżonej

gdzie  _E i  _H są szerokościami (w stopniach) głównej wiązki promieniowania na poziomie połowy mocy odpowiednio w płaszczyźnie E i H. Charakterystykę promieniowania należy wyznaczyć pomiarowo lub na podstawie bardzo zazwyczaj skomplikowanych obliczeń.

Moduł impedancji wejściowej anteny zależy od impedancji charakterystycznej toru pobudzającego Z_f poprzez zależność

przy czym:

, natomiast
 - średnia impedancja falowa dipola, gdzie a oznacza średnią średnicę, a h średnią długość ramienia dipola. Długość anteny L mierzona między skrajnymi dipolami wyraża się wzorem

natomiast liczbę dipoli N , można wyznaczyć ze wzoru

W powyższych wzorach B_s jest obliczeniową względną szerokością pasma roboczego wyrażaną wzorem

• C.3.3. Anteny panelowe

 Większość profesjonalnych anten radiofonicznych i telewizyjnych dużej mocy jest zabudowywana wzdłuż centralnie umieszczonego masztu lub wieży jako wspornika. Przy budowie tego typu złożonych anten są powszechnie wykorzystywane specjalnie dla tego celu opracowane jednostki promieniujące nazywane antenami panelowymi.

• Budowa anten panelowych

Antena panelowa zbudowana jest przeważnie z zespołu dipoli umieszczonych przed płaskim ekranem (reflektorem). Zwraca się tutaj szczególną uwagę na uzyskanie dużej stabilności konstrukcji i minimalizację sił od naporu wiatru przy możliwie niewielkim ciężarze.

W antenach panelowych stosuje się na ogół kilka radiatorów umieszczanych nad sobą lub obok siebie przed wspólnym reflektorem. Konieczne do działania anteny elementy układu zasilania radiatorów i człony dopasowujące są integralnie związane z panelem. Reflektory anten panelowych są wykonywane w postaci sieci przewodzących rur lub zamkniętej powierzchni, tak aby parametry elektryczne anteny w minimalnym stopniu zależały od tego co znajduje się poza ekranem. Zwraca się również szczególną uwagę na niski poziom promieniowania wstecznego (co najmniej -20 dB w stosunku do poziomu promieniowania głównego). W przeciwnym przypadku, promieniowanie to przenikając w sposób niekontrolowany przez masz interferuje z promieniowaniem głównym sąsiednich jednostek zniekształcając wypadkową charakterystykę promieniowania.

•  Parametry elektryczne anten panelowych

Poziome charakterystyki promieniowania anten panelowych są optymalizowane pod kątem składania anten o dookólnych charakterystykach poziomych. Optymalna byłaby sektorowa charakterystyka panelu, tzn. taka aby w określonym przedziale kąta azymutu (90^o lub 120^o) charakterystyka miała wartość stałą, natomiast poza nim promieniowanie powinno całkowicie zanikać. Ponieważ realizacja takich charakterystyk jest niemożliwa, dąży się tutaj do kompromisów jak to przedstawiono na rys. 23. Zależność kształtu charakterystyki od częstotliwości powinna być minimalna.

idealnej anteny sektorowej

rzeczywistej anteny panelowej

• Rys. 23. Pozioma charakterystyki promieniowania anteny panelowej

Stosując anteny panelowe uzyskuje się wielorakie korzyści, które przedstawiają się następująco:

kierunkowe charakterystyki promieniowania panelu, a szczególnie wiązkowanie charakterystyki w przekroju pionowym powoduje z jednej strony zwiększanie zysku całej anteny, z drugiej strony zmniejsza poziom powstających w systemie wiązek niepożądanych skierowanych w kierunku Ziemi lub w kierunku zenitu;

anteny panelowe charakteryzują się znaczną obciążalnością energią w.cz. (10 kW i więcej), ponieważ moc doprowadzona do panelu rozdziela się na szereg radiatorów;

zintegrowane wewnątrz panelu układy zasilania zmniejszają ilość koniecznych stopni podziału mocy w.cz. w zestawach antenowych, upraszczając i obniżając koszty wykonania zewnętrznych układów zasilania;

zintegrowane wewnątrz panelu układy zasilania są opracowywane z uwzględnieniem sprzężeń pomiędzy radiatorami, co powoduje, że impedancja wejściowa anten panelowych jest mało wrażliwa na sąsiedztwo innych paneli w zestawach antenowych.

Na rys. 24 przedstawiono przykład wykonania anteny panelowej firmy ELTI-Elrad, a na rys. 25 jej charakterystyki promieniowania wyznaczone dla płaszczyzny E i płaszczyzny H. Szczególnie charakterystyka promieniowania w płaszczyźnie wektora E jest bliska optymalnej dla anten dookólnych, w których panele są rozmieszone na bokach kwadratu.

• Rys. 24. 2-dipolowa antena panelowa na zakres radiofoniczny UKF/FM

 

a) płaszczyzna wektora E

d) płaszczyzna wektora H

• Rys. 25. Charakterystyki promieniowania anteny panelowej z rys. 24

 

Antena panelowa - potoczna nazwa anteny radiowej o płaskiej budowie.

Najczęściej w hermetycznej obudowie umieszczony jest w tylnej części anteny płaski ekran pozwalający na maksymalne skupienie odbitej fali radiowej. W przedniej części obudowy umieszczony jest dipol lub zespół dipoli, które połączone są z urządzeniem radiowym za pomocą kabla koncentrycznego. Zysk energetyczny anteny panelowej (zależy od jej złożoności oraz dokładności wykonania) osiąga od kilku do kilkunastu dBi.

Antena panelowa firmy Interline 8 dBi na pasmo 2,4 GHz

Antena satelitarna - antena do odbioru lub nadawania sygnału z satelitów telekomunikacyjnych. Anteny satelitarne wykonywane są jako: paraboliczne, offsetowe, panelowe lub wieloogniskowe w układzie pojedynczego, podwójnego zwierciadła lub bezzwierciadłowym.

Najpopularniejsze obecnie anteny przydomowe mają czasze o średnicach od 45.72 cm (18") do 90 cm (35") i są ustawiane na jednego satelitę. Jest to tak zwany DBS (direct broadcast satellite). Większe czasze pozwalają uzyskać większy sygnał kompensując część sygnału zasłoniętego przez drzewa, zapewnić odbiór przy złych warunkach atmosferycznych czy umożliwić instalację więcej niż jednego konwertera (odbiór sygnału kilku satelitów).

W przeszłości instalowane były anteny z siłownikiem pozwalającym obracać anteną, obecnie ukłądy takie są rzadko spotykane w zastosowaniach domowych.

Większość anten przydomowych to anteny offsetowe, w których konwerter i elementy mocujące go nie zasłaniają sygnału. Skupienie promieni poza obszarem promieni padających na antenę uzyskuje się poprzez ukośne ustawienie anteny do padającego promieniowania. Skośne ustawienie anteny zmniejsza powierzchnię z której antena skupia promienie. W przypadku dużych anten powierzchnia utracona przez skośne ustawienie jest większa niż zasłonięta przez konwerter, dlatego anteny o duzych rozmiarach konstruuje się w dalszym ciągu głównie z centralnie położonym konwerterem lub kolejnym zwierciadłem.

Typy anten

• offsetowe - nie skierowane bezpośrednio na obiekt - stosowane w celu wyeliminowania zjawiska blokady apertury. Blokowanie apertury to zjawisko zasłaniania przez promiennik i jego podpory reflektora, a co za tym idzie zmniejszenie powierzchni skutecznej, a w konsekwencji zmniejszenie zysku energetycznego,

• paraboliczne - starszy typ anten kierowany wprost na satelitę,

• w układzie Cassegraina (naśladujące przypisywaną mu konstrukcję teleskopu zwierciadlanego) - antena wykorzystująca podwójne odbicie (dwureflektorowa) - układ wykorzystywany przy dużych czaszach, a zastosowany w celu wyeliminowania osadzaniu się śniegu w czaszy anteny, co ma wpływ na fazę fal padających, a tym samym zysk anteny,

• w układzie Gregoriana - (podobnie jak w układzie Cassegraina) antena wykorzystująca dwukrotne odbicie (dwureflektorowa). Różnica polega na tym, że zastosowano reflektor pomocniczy o kształcie eliptyczym, posiadający dwa ogniska rzeczywiste (pierwsze pokrywa się z ogniskiem rzeczywistym reflektora głównego, w drugim umieszczony jest promiennik).

Budowa układu Cassegraina jest następująca:

• reflektor główny : reflektor paraboliczny,

• reflektor pomocniczy : reflektor hiperboliczny posiadający dwa ogniska: rzeczywiste, w którym umieszczony jest promiennik, oraz pozorne, które pokrywa się z ogniskiem rzeczywistym reflektora parabolicznego.

Antena rombowa - szerokopasmowa antena kierunkowa wynaleziona przez Edmonda Bruce'a i używana głównie dla wysokich częstotliwości (fale krótkie).

Nazywana jest rombową ze względu na swój czworoboczny kształt - typowo każdy bok ma długość równą lub większą od długości fali. Antena jest zasilana w jednym z kątów ostrych, a w drugim jest obciążona rezystorem terminującym. Kierunek maksymalnego promieniowania pokrywa się z osią anteny (zawierającą rezystor).

Antena rombowa może być traktowana jako linia transmisyjna, której przewody rozsunięto na pewną odległość. Konsekwencją tego jest zwiększenie impedancji charakterystycznej, która wynosi typowo 600-800 Ω. Jest to antena z falą bieżącą, zatem impedancja ma charakter rzeczywisty (podobnie jak impedancja linii transmisyjnej).

Wiązki promieniowania anteny rombowej mogą być wąskie lub szerokie w zależności od długości boków. Odpowiednia kombinacja rozmiaru anteny, wysokości i częstotliwości pracy pozwala używać anten tego typu w komunikacji punkt-punkt na bardzo duże odległości.

13

---