DSC03957

160 WSTĘP DO TECHNIKI ANTENOWEJ

Zwykle wyjście nadajnika lub wejście odbiornika ma charakter rezystancyjny. Jeśli więc antena reprezentuje sobą impedancję zespoloną, to musimy za pomocą odpowiedniego obwodu dopasować obie rezystancje. Powoduje to dodatkowe straty energii. Układy dopasowujące są zwykle wąskopasmowe, co dodatkowo może ograniczyć pasmo pracy całego systemu. Anteny projektowane współcześnie i przeznaczone do systemów rozsiewczych, trankingowych i komórkowych oraz na zakres mikrofalowy nie wymagają dostrojenia.

Dopasowanie anteny do linii transmisyjnej jest w katalogach określane poprzez podanie wykresu WFS lub strat odbicia. Oba parametry są równoważne i jednoznacznie charakteryzują dopasowanie anteny do linii. Czasami podaje się też wykres impedancji wejściowej na wykresie Smitha w funkcji częstotliwości: Im bliżej środka wykresu (punkt 1,0) przebiega linia, tym lepsze dopasowanie anteny. Z wykresu możemy się również zorientować o charakterze reaktancji wejściowej. Poziom dopasowania jest różny w zależności od systemu radiokomunikacyjnego. Nadawcze anteny telewizyjne muszą mieć WFS nie większy niż

1.05,    dla systemów porozumiewawczych przyjmujemy zwykle RL > 20 dB (WFS < 1,2), choć często dopuszcza się WFS około 1,4-1,5 (np. systemy trankingowe).

7.4.5.    Szerokość pasma pracy

Pasmo pracy anteny jest definiowane jako przedział częstotliwości, w którym jej pewne parametry odpowiadają założonej charakterystyce. Brane są pod uwagę takie parametry jak WFS (RL), zysk energetyczny, poziom listków niepożądanych, szerokość wiązki, polaryzacja czy sprawność energetyczna. Dla anten szerokopasmowych pasmo pracy jest definiowane jako stosunek górnej częstotliwości pasma do dolnej i wyrażany w postaci stosunku liczbowego (np. 10:1):

(7.126)

Dla anten wąskopasmowych pasmo jest różnicą między górną i dolną częstotliwością odniesioną do częstotliwości środkowej pasma:

B =    100%)

tc

^[c

(7.127)

Mówimy, że antena jest szerokopasmowa, gdy impedancja wejściowa i charakterystyka promieniowania nie zmieniają się zbytnio przy przestrojeniu częstotliwości co najmniej o oktawę (fu/f_L = 2). Obecnie można spotkać anteny szerokopasmowe o paśmie rzędu 40:1.

Ponieważ parametry anteny nie zmieniają się w tym samym stopniu ze zmianą częstotliwości, więc pasmo pracy określamy według najbardziej krytycznego w danym systemie parametru. Najczęściej jest to zmiana impedancji wejściowej anteny, która znajduje odbicie w WFS lub RL. W niektórych przypadkach korzystniejsze może okazać się zdefiniowanie pasma za pomocą zysku energetycznego (pasmo, w którym G nie spada poniżej pewnej wartości) lub poziomu listków bocznych lub wstecznych. Czasami zmiana częstotliwości pracy wymaga strojenia anteny. Jest to rozwiązanie dość kłopotliwe i chociaż rozszerza pasmo pracy anteny, nie jest spotykane w większości systemów profesjonalnych za wyjątkiem radiofonii na falach krótkich. Pasmo pracy może być ponadto ograniczone przez układy dopasowujące impedancję anteny do impedancji kabla transmisyjnego. Oprócz tego układy dopasowujące powodują straty energii.

7.4.6. Apertura maksymalna i powierzchnia skuteczna

Rozważmy teraz przypadek użycia anteny w łączu radiowym (rys. 7.19). Załóżmy, że do zacisków anteny nadawczej doprowadzono moc P_T. Interesuje nas, jaka część z mocy wypromieniowanej przez tę antenę wydzieli się na zaciskach anteny odbiorczej. Fala w pobliżu odbiornika ma charakter fali płaskiej. Ponieważ antena odbiorcza zajmuje pewną powierzchnię, więc moc fali docierającej do anteny możemy obliczyć sumując wektor Poyntinga po tej powierzchni. Załóżmy, że antena odbiorcza jest optymalnie dopasowana do anteny nadawczej (kierunki maksymalnego promieniowania pokrywają się, występuje dopasowanie polaryzacyjne anten). Zakładamy również, że antena odbiorcza jest dopasowana impedancyjnie do odbiornika, aby przesłać maksimum mocy. Zdefiniujmy aperturą maksymalną A_cm anteny za pomocą równania

Pr = ŚA™    (7.128)

gdzie P_R jest uśrednioną mocą wydzielaną na zaciskach anteny, a S uśrednionym wektorem Poyntinga fali padającej. A_cm (wyrażana w nr) jest miarą tego, jak skutecznie antena zamienia moc przenoszoną przez falę na moc wydzielaną w obciążeniu Z_L = R_L+jX_L. Układ antena — odbiornik możemy zastąpić obwodowym schematem zastępczym (rys. 7.20). Antena jest przedstawiona za pomocą siły elektromotorycznej U (amplituda napięcia na rozwartych zaciskach anteny) oraz impedancji wejściowej anteny Z**. Prąd płynący w obwodzie wynosi (dla uproszczenia zapisu pomijamy podkreślanie wielkości zespolonych)

a I ■=—rII    H I^: (7 .129)

Ł_we + Z._L

Rys. 7.19. Łącze radiowe z parametrami anteny nadawczej i odbiorczej

1 — Fale i anicny...