Anteny – cw2 – przygotowanie teoretyczne

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 kilkusetmetrów 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 antene aby była dopasowana
impedancyjnie do lini 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.

Współczynnik fali stojącej jest miarą niedopasowania impedancyjnego
falowodu do obciążenia.

Jeśli falowód jest zakończony obciążeniem dopasowanym (czyli o
impedancji równej impedancji charakterystycznej falowodu), to cała
energia przechodzi z falowodu do obciążenia. Jeśli impedancja obciążenia
różni się od impedancji charakterystycznej falowodu, to część energii
odbija się od niego i wraca falowodem w kierunku źródła zasilania. Jest
to sytuacja niekorzystna, gdyż odbita energia nie zostaje spożytkowana w
obciążeniu (np. wypromieniowana przez antenę), lecz pozostaje w
falowodzie zamieniając się na ciepło, lub dociera do źródła zasilania
również je dodatkowo grzejąc, a w skrajnym wypadku uszkadzając.

W wyniku nakładania się (superpozycji) fali wychodzącej i fali
powrotnej, w falowodzie powstaje fala stojąca objawiająca się tym, że
amplituda fali biegnącej przez falowód zmienia się sinusoidalnie wraz z
jego długością.

Współczynnik fali stojącej WFS (ang. Standing Wave Ratio - SWR)
definiuje się jako stosunek maksymalnej do minimalnej wartości amplitudy
fali w falowodzie:

WFS = Umax / Umin

Przy idealnym dopasowaniu fala stojąca nie występuje - napięcie wzdłuż
całego falowodu jest jednakowe (oczywiście nie uwzględniając strat) i
WFS=1. Przy całkowitym niedopasowaniu (fala biegnąca równa fali odbitej)
Umax będzie równe dwukrotnej amplitudzie fali, Umin będzie równe zeru i
WFS będzie nieskończony.

Jak WFS przekłada się na utratę mocy sygnału?

Oznaczmy amplitudę fali biegnącej przez Uf, fali odbitej przez Ur. Wtedy

Umax = Uf + Ur
Umin = Uf - Ur

i oczywiście

WFS = (Uf + Ur) / (Uf - Ur)

Stąd możemy obliczyć stosunek amplitud fali odbitej do fali biegnącej

Ur / Uf = (WFS - 1) / (WFS + 1)

Stosunek mocy fali odbitej do biegnącej Pr / Pf - określający ile mocy
"zostaje" w falowodzie zamiast np. trafić do anteny - jest oczywiście
kwadratem stosunku amplitud.

Praktyczne wartości:

WFS Stosunek amplitud Ur/Uf Strata mocy Pr/Pf

1 0 0

1,1 0,048 0,002

1,5 0,2 0,04

2 0,333 0,111

3 0,5 0,25

5,83 0,707 0,500

Jak widać, dopiero przy WFS bliskim 6 strata mocy osiąga 3dB.

Popularne mierniki WFS (powszechnie zwane reflektometrami) mierzą
stosunek amplitudy fali odbitej do biegnącej: najpierw kalibrujemy
przyrząd tak, by fala biegnąca odpowiadała wskazaniu "1" (czyli pełnej
skali), a potem mierzymy, jakim ułamkiem jest fala odbita. Że miernik
mierzy napięcia a nie moce możemy wnioskować z tego, że wartość WFS = 3
jest umieszczona w połowie skali.