POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI PRZEMYSŁOWEJ Zakład Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej |
|---|
Laboratorium Podstaw Telekomunikacji Ćwiczenie nr 3 Temat:. Badanie anten dipolowej i Yagi-Uda |
Rok akademicki: 2010/2011 Wydział Elektryczny Kierunek Elektrotechnika Studia niestacjonarne Grupa: UE |
| Uwagi: |
1. Wiadomości teoretyczne
Antena – urządzenie zamieniające fale elektromagnetyczne na sygnał elektryczny i odwrotnie. Jest niezbędnym elementem składowym każdego systemu radiokomunikacji. Jednymi z najbardziej popularnych są: anteny dipolowe (nadajniki radiowe, CB i krótkofalarstwo), anteny typu Yagi (bardzo popularne w całym zakresie częstotliwości), anteny pętlowe (niegdyś odbiór TV naziemnej) i anteny helikalne (anteny samochodowe).
Antena dipolowa składa się z dwóch symetrycznych ramion zasilanych za pomocą symetrycznej linii transmisyjnej. Tego typu antena jest tzw. anteną symetryczną, ponieważ wartości prądów płynących w obu ramionach anteny są równe co do amplitudy i mają przeciwne zwroty. Ze względu na niskie parametry (wąskie pasmo pracy, mały zysk kierunkowy) występują rzadko jako samodzielne anteny, częściej stosuje się je jako elementy składowe bardziej skomplikowanych i rozbudowanych układów antenowych.
Antena Yagi-Uda jest anteną kierunkową. Minimalna ilość elementów, z których składa się ta antena to wibrator – dipol, direktor i reflektor, rys.1. Polaryzacja anteny może być pionowa lub pozioma, zależy to od ustawienia elementów. Dipol (wibrator) jest aktywnym elementem anteny (dipol może być prosty lub pętlowy) i połączony jest z przewodem antenowym. Długość dipola równa jest połowie długości fali.
Pozostałe elementy anteny nie są podłączone do przewodu antenowego, dlatego nazywa się je elementami biernymi. Element (pręt) od strony odbiorczej ma mniejszą długość od dipola i nosi nazwę direktora, a element (pręt) od strony przeciwnej, dłuższe od dipola nazywany jest reflektorem (odbijającym fale). Direktorów może być więcej niż jeden. Ich liczba ma wpływ na kierunkowość oraz na zysk anteny. Im więcej direktorów tym większy zysk i większa kierunkowość.
Rys. 1. Trzyelementowa antena typu Yagi-Uda.
Zysk energetyczny anteny określany jest jako stosunek gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę w danym kierunku do gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę wzorcową, najczęściej antenę izotropową. Do obu anten musi być doprowadzona taka sama moc.
2. Przebieg ćwiczenia
2.1. Wyznaczenie długości fali
Na podstawie częstotliwości wyznaczyliśmy długość fali, a następnie wyznaczone zostały długości poszczególnych elementów dla dipola i Yagi-Uda.
$\Lambda = \frac{c}{f}$ po podstawieniu $\text{\ Λ} = \frac{3 {10\ }^{8}m/s}{0,5 \bullet 10^{9\ \frac{1}{s}}} = 0,6\text{\ m}$
Dla dipola długość całkowita wyniesie 30 cm.
promiennik - 15 cm
przeciwwaga - 15 cm
Dla anteny typu Yagi-Uda: direktor - 27 cm
wibrator - 30 cm
reflektor - 33 cm
2.2. Pomiar mocy odbieranej
Układ pomiarowy składał się z dwóch anten. Antena nadawcza umieszczona była nieruchomo na trójnogu, natomiast antena odbiorcza (dipol oraz Yagi-Uda) umieszczona była na tej samej wysokości w odległości ok 1,5 m i obracana o kąt 10°. Przy każdym ustawieniu anteny dokonany został pomiar co przedstawia tabela na następnej stronie
| Kąt ustawienia |
antena badana Yagi-Uda |
antena badana dipol 1/2 |
antena wzorcowa dookólna 1/2 |
|---|---|---|---|
| 0 | 77,6 | 77,9 | 75 |
| 10 | 77,6 | 77,9 | 75 |
| 20 | 77,6 | 77,9 | 75 |
| 30 | 77,6 | 77,9 | 75 |
| 40 | 77,6 | 77,9 | 75 |
| 50 | 77,3 | 77,6 | 75 |
| 60 | 77,7 | 77,4 | 75 |
| 70 | 77,6 | 74,8 | 75 |
| 80 | 76,6 | 73,1 | 75 |
| 90 | 77,3 | 73,2 | 75 |
| 100 | 77 | 77,3 | 75 |
| 110 | 76,8 | 77,4 | 75 |
| 120 | 76,9 | 77,7 | 75 |
| 130 | 76,5 | 77,9 | 75 |
| 140 | 76,7 | 77,9 | 75 |
| 150 | 77,1 | 77,9 | 75 |
| 160 | 77 | 77,9 | 75 |
| 170 | 77,4 | 77,9 | 75 |
| 180 | 77,4 | 77,9 | 75 |
| 190 | 77,2 | 77,9 | 75 |
| 200 | 76,9 | 77,9 | 75 |
| 210 | 76,6 | 77,9 | 75 |
| 220 | 76,2 | 77,5 | 75 |
| 230 | 75,5 | 77,2 | 75 |
| 240 | 75,4 | 77 | 75 |
| 250 | 77,3 | 75 | 75 |
| 260 | 77,2 | 73,4 | 75 |
| 270 | 77,3 | 73,2 | 75 |
| 280 | 77,6 | 76,7 | 75 |
| 290 | 77,5 | 77,1 | 75 |
| 300 | 77,8 | 77,7 | 75 |
| 310 | 77,8 | 77,9 | 75 |
| 320 | 77,8 | 77,9 | 75 |
| 330 | 77,8 | 77,9 | 75 |
| 340 | 77,8 | 77,9 | 75 |
| 350 | 77,8 | 77,9 | 75 |
| 360 | 77,8 | 77,9 | 75 |
3. Sprawozdanie
3.1. Wykres biegunowy
Poniższy wykres biegunowy przedstawia wartość sygnału odebraną przez antenę dipolową i Yagi-Uda w porównaniu do anteny wzorcowej w funkcji kąta.
3.2. Wykres liniowy w układzie kartezjańskim
Poniższy wykres liniowy przedstawia wartość sygnału odebraną przez antenę dipolową i Yagi-Uda w porównaniu do anteny wzorcowej w funkcji kąta.
3.3. Wyznaczenie zysku energetycznego
Maksymalny zysk energetyczny badanego dipola w porównaniu do anteny wzorcowej wyniósł 0,164 dB
77, 9 ÷ 75 = 1, 03866
1, 03866 = 100, 016475
100, 016475 = 0, 164 dB
Na podstawie analogicznych obliczeń zysk anteny Yagi-Uda wynosi 0,159 dB.
Obie te wartości dotyczą kąta 0° - czyli maksymalnego zysku (kierunku odbioru). Przy pozostałych kątach ustawienia zysk jest równy, lub mniejszy.
4. Wnioski i uwagi końcowe
Przeprowadzone ćwiczenie pozwoliło nam zapoznać się z różnymi typami anten oraz ich właściwościami nadawczo-odbiorczymi. Mogliśmy porównać kierunkowość anten typu Yagi-Uda i dipolu półfalowego. Poznaliśmy także ich zysk energetyczny.
Otrzymane wyniki i wykresy prezentujące wartość sygnału odebranego w zależności od kąta ustawienia anteny zbliżone są do teoretycznych.
Nieprawidłości mogły być spowodowane:
- złym ustawieniem długości elementów anteny
- odbiciami fali w laboratorium