Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/641.pdf · 2006-08-14 · LPDA Log. periodické...

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu

na frekvencii 1300MHz

Michal Furmánek

2006

Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na frekvencii 1300MHz

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Michal Furmánek

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: Telekomunikačná technika

Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec CSc.

Stupeň kvalifikácie: Inžinier (Ing.)

Dátum odovzdania diplomovej práce:19.5.2006

ŽILINA 2006

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA

Katedra telekomunikácii

Školský rok 2005/2006

ZADANIE DIPLOMOVEJ PRÁCE

Meno: Michal Furmánek Študijný odbor: Telekomunikácie Téma diplomovej práce: „Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na frekvencii 1300 MHz Pokyny pre vypracovanie diplomovej práce:

1. Úvod do problematiky šírenia elektromagnetických vlnovej dĺžke kratšej

ako 30 cm.

2. Prehľad antén používaných na tieto frekvencie.

3. Parabolické antény- ich výpočet doporučenia pre praktickú realizáciu.

4. Prehľad ožarovačov parabolických antén a ich výpočet.

5. Realizácia a meranie ožarovača v zmysle zadania.

ABSTRAKT

Furmánek Michal: Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na

frekvencii 1300 MHz. [Diplomová práca] / Furmánek Michal – Žilinská univerzita

v Žiline. Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií. Dátum odovzdania práce

2006-05-19 – Žilinská univerzita v Žiline. KT EFŽU. 2006.

Diplomová práca sa zaoberá návrhom ožarovača pre parabolickú anténu v zadanom

frekvenčnom pásme. Úvodnú časť som venoval šíreniu elektromagnetických vĺn

v zodpovedajúcom VKV pásme. Druhá časť je zameraná na prehľad antén používaných

na tieto frekvencie. Tretia časť tvoria parabolické antény- výpočet, doporučenia pre

praktickú realizáciu. Štvrtá časť je prehľad ožarovačov parabolických antén a ich

výpočet. Záver prace je venovaný realizácii a meraniu ožarovača.

Kľúčové slová:

Rayleighovho kritérium, Freshnelova zóna, anténa, parabolická anténa, parabolické

zrkadlo, ožarovač parabolického zrkadla, pomer stojacích vln, impedančná

prispôsobivosť

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,

Katedra telekomunikácií ________________________________________________________________________

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko, meno: Furmánek Michal.......................školský rok:2005/2006........................

Názov práce: Návrh ožarovača pre parabolickú anténu o priemere 2,4m pracujúcu na

frekvencii 1300 MHz..............................................................................................................

Počet strán:42 Počet obrázkov:34 Počet tabuliek: 3

Počet grafov: 1 Počet príloh: 5 Použitá lit.: 14

Anotácia (slov. resp. český jazyk): Diplomová práca sa zaoberá návrhom ožarovača pre

parabolickú anténu v zadanom frekvenčnom pásme. Úvodnú časť som venoval šíreniu

elektromagnetických vĺn v zodpovedajúcom VKV pásme. Druhá časť je zameraná na

prehľad antén používaných na tieto frekvencie. Tretia časť tvoria parabolické antény-

výpočet, doporučenia pre praktickú realizáciu. Štvrtá časť je prehľad ožarovačov

parabolických antén a ich výpočet. Záver prace je venovaný realizácii a meraniu

ožarovača.

Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): The diploma thesis deals with

design of feed horn of parabolic antenna for selected frequency band. Introductory part is

dedicated to electromagnetic waves spreading in adequate VKV band. Second part is

concerning antennas overview used for these frequencies. Third part is composed by

parabolic antenna calculation and recommendations for practical realization. Forth part is

review of parabolic antennas reflector feeds and their calculation. The final part is

dedicated to realization and of reflector feed measuring.

Kľúčové slová: Rayleighovho kritérium, Freshnelova zóna, anténa, parabolická anténa, parabolické zrkadlo, ožarovač parabolického zrkadla, pomer stojacích vln, impedančná prispôsobivosť

Vedúci práce: doc. Ing. Rudolf Hronec CSc..........................................................................

Recenzent práce : Ing. Branislav Kiša....................................................................................

Dátum odovzdania práce: 19.5.2006

OBSAH ÚVOD..................................................................................................................................1 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY ŠÍRENIA ELEKTROMAGNETICKÝCH VĹN O VLNOVEJ DĹŽKE KRATŠEJ AKO 23 cm...............................................................2

1.1. Vznik žiarenia (elektromagnetických vĺn)...............................................................2 1.2. Šírenie elektromagnetických vĺn..............................................................................3 1.3 Vlnová dĺžka λ....................... ...................................................................................5 1.4 EM vlny v pásme 1300 MHz....................................................................................5 1.5 Vplyv nerovnosti zemského povrchu na šírenie EM vĺn ..........................................7 1.6 Vplyv ojedinelej prekážky na šírenie EM vĺn...........................................................9

2. ANTÉNA A JEJ ZÁKLADNÉ POJMY ....................................................................11 2.1. Základné rozdelenie antén.... .................................................................................12 2.2. Základné vlastnosti antén.......................................................................................14 2.3. Prehľad antén používaných na tieto frekvencie .....................................................15

3. PARABOLICKÉ ANTÉNY (princíp parabol. antény )...........................................18 3.1. Parabolické zrkadlo (rotačný paraboloid) ..............................................................18 3.2. Faktory ovplyvňujúce výber vhodného typu parabolického zrkadla .....................20 3.3. Ožarovač parabolickej antény................................................................................22 3.4. Praktické ožarovacie systémy ................................................................................24 3.5. Prehľad ožarovačov parabolických antén ..............................................................25

4. REALIZÁCIA A MERANIE OŽAROVAČA PARABOLICKEJ ANTÉNY........29 4.1 Výber vhodného materiálu na vyhotovenie daného ožarovača parabol. zrkadla.....29 4.1.1 Návrh ožarovača parabolického zrkadla ..............................................................30 4.1.2 Vlnovod (koaxiálny napájač) ...............................................................................30 4.1.3 Časti v tvare lievika........... ..................................................................................31 4.1.4 Konektor s ožarovačom vlnovodu .......................................................................33 4.2. Výpočty a realizácia ožarovača parabolického zrkadla .........................................34 4.2.1 Výpočty časti lievika v rovine H a E ...................................................................35 4.2.2 Zisk ožarovača................... ..................................................................................36 4.2.3 Konektor a ožarovač vlnovodu ............................................................................36

5. MERANIE ...................................................................................................................39 5.1. Meranie impedančného prispôsobenia PSV (pomer stojatej vlny)........................39 5.2. Meranie útlmu v závislosti na uhle ........................................................................40

ZÁVER..............................................................................................................................41 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY.........................................................................42

ZOZNAM OBRÁZKOV

OBRÁZOK 1 EM pole 2

OBRÁZOK 2 Zmena magnetického poľa 2

OBRÁZOK 3 EM vlny v závislosti od druhu polarizácie 3

OBRÁZOK 4 Prierez zemskou atmosférou 3

OBRÁZOK 5 Šírenie EM vĺn pomocou priamej vlny 6

OBRÁZOK 6 Určenie Rayleighovho kritéria 7

OBRÁZOK 7 Určenie polomeru Freshnelovej zóny 8

OBRÁZOK 8 Šírenie EM vĺn pri prekážke v tvare klina 9

OBRÁZOK 9 Závislosť činiteľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky 10

OBRÁZOK 10 Princíp antény a, b, c, d 11

OBRÁZOK 11 Zobrazenie kmitne a uzla stojatého vlnenia 12

OBRÁZOK 12 LPDA v symetrickom tvare a v tvare V 16

OBRÁZOK 13 Žiarič ako dipól 16

OBRÁZOK 14 Žiarič ako mnohodipólová rada 16

OBRÁZOK 15 Geometria parabolického zrkadla 19

OBRÁZOK 16 Súradnicové sústavy pre parabolické zrkadlo 19

OBRÁZOK 17 a, b, nežiaduce ožiarenie 22

OBRÁZOK 18 Geometria priameho ožiarenia parabolického zrkadla 24

OBRÁZOK 19 Geometria nepriameho ožiarenia parabolického zrkadla, kde Fr – reálne

ohnisko 24

OBRÁZOK 20 Symetricky napájaný dipól s väzobnými štrbinami 25

OBRÁZOK 21 Prehľad jednotlivých žarovačov 27

OBRÁZOK 22 Lievikový ožarovač 27

OBRÁZOK 23 Základný typ lievikového ožarovača 29

OBRÁZOK 24 Ožarovač parabolického zrkadla 30

OBRÁZOK 25 Rozdelenie vlnovodu na tri oblasti, kde λ je vlnová dĺžka 31

OBRÁZOK 26 Náčrt daného vlnovodu kde a, b sú rozmery stien vlnovodu 31

OBRÁZOK 27 Priečny rez lievikového ožarovača v H rovine 31

OBRÁZOK 28 Priečny rez lievikového ožarovača v rovine E 32

OBRÁZOK 29 Ožarovač vlnovodu pre parabolu 2,4m s vyžarovaním uhlom 142 stupňov

33

OBRÁZOK 30 Koaxiálny napájač, kde λ je vlnová dĺžka 34

OBRÁZOK 31 Ožarovač vlnovodu 36

OBRÁZOK 32 Konektor - pohľad z hora 36

OBRÁZOK 33 Pohľad na ožarovač parabolického zrkadla: a, z hora b, c, z boku 37

OBRÁZOK 34 Výsledný pohľad na navrhnutý ožarovač parabolickej antény 38

TABUĽKA č. 1 Jednotlivé frekvenčné pásma

TABUĽKA č. 2 Impedančné prispôsobenie (PSV)

TABUĽKA č. 3 Meranie útlmu v závislosti na uhle

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV EM Elektromagnetické

VKV Veľmi krátke vlny

VA Vysielacia anténa

PA Prijímacia anténa

Pvyž Skutočne vyžiarený výkon

Pstrat Stratový výkon

LPA Logaritmicko periodická anténa

LPDA Log. periodické pole dipólov

D Koeficient smerovosti

D Priemer zrkadla

D, E, F1, F2 Označenie jednotlivých vrstiev

E Vektor intenzity elektrického poľa

E Intenzita elektrického poľa od žiariča

F Smerová funkcia žiariča

Fv Virtuálne ohnisko

G Zisk antény, ožarovača

H Výška antény nad terénom

H Vektor intenzity magnetického poľa

Ke Lineárna hustota povrchového prúdu

L0 Rovinná vlna

R0 Dĺžka λ/4

S Plocha zrkadla

Z Vstupná impedancia

b I, II, III Vzdialenosť od vrcholu prekážky po rovinu deliacu Fresnelovu zónu na

polovicu v horizontálnom smere

c Rýchlosť svetla (299 792 458 metrov za sekundu)

f Frekvencia elektromagnetickej vlny

f Ohnisková vzdialenosť

fkr Kritická frekvencia ionosféry

h Rayleighovo kritérium

l Hĺbka paraboly v jej strede

r Vzdialenosť od začiatku súradnicovej sústavy

n Index lomu ionosféry, počet výsečí

x, y, z Súradnice v karteziánskej sústave

β Fázová konštanta vedenia

γ Elevačný uhol

ϕ Fázové uhly, uhol odčítajúci sa od smernice predeľujúcej uhol ψ na

polovicu

λ Vlnová dĺžka

χ Azimutálny uhol, uhol otvorenia zväzku

ν Šírka zväzku vertikálneho lúča

η Účinnosť

SLOVNÍK TERMÍNOV

Freshnelova zóna Freshnelova zóna predstavuje objem medzi vysielačom(V) a prijímačom(P). Hlavná časť

šíriacich sa EM vĺn je obsiahnutá 1. Freshnelovou zónou.

Vstupná impedancia Z Ak vstupná impedancia nie je zhodná charakteristickou impedanciou napájača, je nutné

jej impedanciu prispôsobiť- transformovať na impedanciu napájača. To samé platí aj pre

spojenie napájača a vstupu príjmača. Samozrejmosťou sú odpovedajúce konektory.

V opačnom prípade, ak sú impedancie na ktoromkoľvek rozhraní rozdielne, dochádza na

rozhraní k odrazu energie naspäť k zdroju a výsledná energia, ktorá sa dostáva na vstup

prijímača je nižšia , prípadne žiadna.

Zisk antény G Zisk antény slúži k porovnaniu smerových vlastností rôznych antén. Jednotkový zisk

(0dB) má všesmerový dipól. Smerová anténa so ziskom väčším než 0dB vyžaruje viac do

jedného smeru na úkor ostatných. Zisk je taktiež možné ako merítko, koľko krát vyšší

výkon by musel byť privedený do všesmerovej antény, aby v žiadanom smere vytvoril

elektromagnetické pole takej istej intenzity.

Účinnosť antény η Je pomer výkonu, ktorý anténa skutočne vyžiari, k výkonu, ktorý sa do antény

privádza(pri vysielacej anténe), alebo ako pomer zachytenej energie EM poľa ku skutočne

dodanej energii na vstup prijímača (pri prijímacej anténe).

Smerovosť F Schopnosť ant. sústrediť vyžarovanie do určitého smeru prípadne prijať požadovaný

signál z určitého smeru.

Selektivita Schopnosť antény vybrať z priestoru požadovaný signál a ostatné signály potlačiť.

Širokopásmovosť Schopnosť antény prijímať signál v požadovanom frekvenčnom pásme.

Pomer medzi ohniskovou vzdialenosťou a priemerom zrkadla Všetky parabolické zrkadlá majú rovnaký oblúk, ale niektoré sú plytké zatiaľ, čo iné sú

veľmi hlboké, alebo nadobúdajú tvar misy. Vhodný spôsob, ktorým môžeme opísať aká

veľká časť paraboly je vlastne využívaná, je pomer f/D. To znamená, pomer ohniskovej

vzdialenosti f k priemeru D parabolického zrkadla. Všetky parabolické zrkadlá

s rovnakým pomerom f/D požadujú rovnakú vyžarovaciu konfiguráciu v pomere

k priemeru parabolického zrkadla. Ak pomer f/D je menší, ožarovač parabolickej antény

ožaruje parabolické zrkadlo širšie, čiže sú potrebné rozdielne typy lievikových

ožarovačov(feed horn), ktoré sú potrebné nato, aby správne ožiarili parabolické zrkadlá

s rôznym pomerom f/D.

Priame ožarovanie V tejto metóde je fázový stred ožarovača umiestnený v ohnisku parabolického zrkadla.

Vyžiarená energia z ožarovača parabolickej antény v tvare guľovej vlny odrazí

v parabolickom zrkadle a následne sa zmení na rovinnú vlnu. Hlavnou výhodou tejto

metódy je jednoduchá montáž ožarovača a konštrukcia. Hlavne pri montáži na zadnú časť

zrkadla parabolickej antény, ktorá je účinne použiteľná pri samotnom uchytení na stĺp

alebo trojnožku.

Vlnovod(koaxiálny napájač) Dĺžka vlny vo vlnovode je dôležitým faktorom ako aj nutným pri výpočte vhodného

diagonálneho vlnovodového napájača. Vlna vo vlnovode sa šíri takým spôsobom, že jej

zdanlivá rýchlosť presahuje rýchlosť svetla.

–––––––––––––––––––––––––––Žilinská Univerzita v Žiline –––––––––––––––––––––

1

ÚVOD V mojej diplomovej práci sa budem venovať popisu metodiky návrhu a praktickej

realizácii ožarovača parabolickej antény. Rovnaké zrkadlo parabolickej antény umožňuje

výmenou ožarovača prevádzku antény v širokom frekvenčnom spektre. Samotná

konštrukcia ožarovača parabolického zrkadla umožní funkčnosť antény s horizontálnou,

vertikálnou, ako aj kruhovou polarizáciou. V mojej diplomovej práci sa budem venovať

ožarovaču parabolickej antény s jednou polarizáciou na frekvencii 1300MHz. Uvediem

základné poznatky o šírení elektromagnetických vĺn o vlnovej dĺžke kratšej ako 23cm,

ako aj vplyv nerovnosti zemského povrchu na šírenie EM vĺn. Ďalej stručne opíšem

základne typy antén, ktoré sa používajú na danú frekvenciu. Opíšem základné vlastnosti

parabolickej antény , jej rozdelenie a hlavné faktory ovplyvňujúce výber vhodného typu

parabolického zrkadla. Pri samotnej realizácii daného ožarovača parabolického zrkadla

vysvetlím postup výpočtov a návrh konštrukcie ožarovača, ktorý nakoniec prevediem do

výkresovej formy. Nakoniec prevediem samotné meranie impedančného

prispôsobenia(PSV), meranie predpokladanej šírky vyžarovania vlnenia z ústia ožarovača

a následne zhodnotím, a porovnám hodnoty s hodnotami, ktoré sú uvedené v odbornej

literatúre.


2

1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY ŠÍRENIA ELEKTROMAGNETICKÝCH VĹN O VLNOVEJ DĹŽKE KRATŠEJ AKO 23 cm 1.1. Vznik žiarenia (elektromagnetických vĺn)

Pokiaľ je elektricky nabitá častica v kľude, vznikne okolo nej elektrostatické pole.

Toto pole sa rozprestiera v podstate do nekonečnej vzdialenosti od častice. Pokiaľ teraz

s časticou pohneme z pôvodnej polohy, musí elektrostatické pole sledovať posun častice.

Ak sa elektricky nabitá častica pohybuje, vzniká okolo nej magnetické pole. Toto pole sa

rozprestiera od pohybujúcej sa častice v podstate do nekonečna obr. 1.1. Akékoľvek

zmeny smeru, či rýchlosti častice sa okamžite prejavia v zmene magnetického poľa obr.

1.2. Zmena sa šíri od častice maximálnou možnou rýchlosťou (rýchlosťou svetla).

obr.1.1 EM pole obr.1.2 Zmena magnetického poľa

Obidve zložky žiarenia elektrická (elektrostatická) a magnetická sú spolu

neoddeliteľne spojené a nazývame ich elektromagnetickým (EM) žiarením. Elektrická

zložka sa značí E a magnetická H. Z popisu vzniku je zrejmé, že obidve zložky sú na seba

kolmé a elektrická zložka sa vyžaruje rovnobežne s vodičom, ktorým preteká striedavý

prúd.

Anténa vysiela polarizované žiarenie- u takéhoto žiarenia môžeme určiť rovinu, v

ktorej kmitá elektrická zložka. Pokiaľ je rovina kmitov elektrickej zložky rovnobežná so

zemou, potom hovoríme o horizontálnej (vodorovnej polarizácii), pokiaľ je táto rovina

kolmá k zemskému povrchu hovoríme o polarizácii vertikálnej (zvislej). Pri vhodnej

konštrukcii vyžarovacej antény dokážeme polarizačnú rovinu otáčať, vtedy hovoríme

o kruhovej polarizácii. Tu rozoznávame pravotočivú a ľavotočivú polarizáciu podľa

smeru otáčania obr.1.3. [1]


3

obr.1.3 EM vlny v závislosti od druhu polarizácie

1.2. Šírenie elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlnenie sa šíri od zdroja (vysielača) priamočiaro a to v guľových

vlnoplochách. Toto šírenie je však výrazne ovplyvňované zemskou atmosférou, ktorej

prierez je znázornený na obr. 1.4.

obr.1.4 Prierez zemskou atmosférou

Najvyššia vrstva zemskej atmosféry je dnes delená na vrstvy D, E, F1, F2, ktoré zohrávajú

významnú úlohu v šírení rozhlasových a vo výnimočných prípadoch tiež niektorých

televíznych signálov.


4

Ionosféru tvorí najväčšia časť atmosféry, kde vzhľadom k veľmi nízkemu tlaku sa

podľa stupňa ožiarenia slnečnými lúčmi uvoľňuje väčšie množstvo elektrónov, ktoré

spôsobujú väčšiu, či menšiu elektrickú vodivosť príslušnej vrstvy. Podľa stupňa vodivosti

dochádza potom k odrazom elektromagnetického vlnenia v danom mieste. Stupeň

ionizácie jednotlivých vrstiev ionosféry závisí na stupni a druhu slnečnej činnosti, obecne

však vzrastá stupeň ionizácie od najmenej ionizovanej spodnej vrstvy (D) k najviac

ionizovanej vrchnej vrstve (F2). Podľa stupňa ionizácie sa však mení tiež obrazivosť pre

elektromagnetické vlnenie, takže s pravidla dolná vrstva odráža veľmi dlhé vlnenie,

pričom vyššie frekvencie sa odrážajú postupne od vyšších vrstiev. Všeobecne to môžme

vyjadriť pomocou frekvencie fkr.

Toto je frekvencia, pri ktorej sa ešte odrazí elektromagnetická vlna pri uvažovanom uhle

dopadu na spodný okraj ionizovanej vrstvy. Pre ϕd = 0 je

max8,80 Nfkr =

kde Nmax je maximálna hustota elektrónov (hustota ionizácie).[2]

S využitím uvedeného vzťahu platí pre vrstvu D, že kritická frekvencia je 0,5 MHz

pre strednú zemepisnú šírku a poludňajšie hodiny. Pre vrstvu E je kritická frekvencia

rovná približne 3 až 4 MHz taktiež pre popoludňajšie hodiny. Ale po západe slnka klesne

táto hodnota asi o 0,9 MHz a po celú noc ostáva takmer stála. Kritická frekvencia vrstvy

F2 je v rozmedzí 4 až 8 MHz a počas dňa a noci je takmer stála. Pre veľmi veľké

frekvencie nestačí však v obecnom prípade ani odrazivosť najvyšších vrstiev a tieto

prenikajú do voľného priestoru. Len pri výnimočne intenzívnej slnečnej činnosti sa stáva

za určitých okolností najvyššia vrstva F2 odrazivá aj pre nižšie frekvenčné spektrum

VKV. Odrazivosť ionosféry je teda rôzna podľa frekvencie elektromagnetického vlnenia.

Elektromagnetické vlnenie odrazené od ionosféry dopadá na zem s takou veľkou

intenzitou a to i od značnej vzdialenosti od vysielača, že veľmi často prehluší aj silné

miestne vysielače. Odraz, lom a čiastočný pohyb elektromagnetického vlnenia v blízkosti

zemského povrchu spôsobujú značné nerovnosti v šírení užitočných signálov.

V pásme VKV sa za normálnych okolností ionosféra pri šírení neuplatňuje

a priestorová vlna uniká mimo zemskú atmosféru. Hlavným nositeľom

elektromagnetického vlnenia v pásme VKV je priama vlna. Priama vlna sa však v teréne

odráža od každej prekážky, hlavne od vodivých predmetov, čím vznikajú ostré „tiene“,


5

teda priestory, ktoré aj keď sú v blízkosti vysielača, majú príjem veľmi zlý. Tento jav sa

so zvyšujúcou frekvenciou zhoršuje. Ďalej tu pôsobí ohyb elektromagnetických vĺn na

horských hrebeňoch, tým sú podmienky príjmu v blízkych a vzdialených oblastiach veľmi

rôzne.[2], [3]

1.3 Vlnová dĺžka λ Je to vzdialenosť medzi dvomi miestami v priestore, kde má EM pole rovnakú fázu.

Je priamo úmerná rýchlosti šírenia c EM vlny a perióde prúdu T, ktorý vyvolal EM pole:

fcTc == .λ

Podľa vlnovej dĺžky λ sa EM vlny delia:

Tab. 1 Jednotlivé frekvenčné pásma

Na základe zadania diplomovej práce sa obmedzím na pásmo 1300 MHz.[4]

1.4 EM vlny v pásme 1300 MHz Frekvenčné pásmo 1300 MHz spadá pod označenie ako VKV(VHF, UHF) pásmo.

Veľmi krátke vlny sa šíria priamymi priestorovými vlnami. S ionosférickými odrazmi sa

môžeme stretnúť len veľmi zriedka. Pri prenose signálov s frekvenciami nad 100 MHz sa

s ionosférickými odrazmi nestretávame vôbec. Dráhy rádiovej vlny sa zakrivujú len na

takých prekážkach, ktorých rozmery sú menšie ako vlnová dĺžka EM poľa. Nerovnosti

zemského povrchu majú rozmery vždy porovnateľné alebo väčšie, ako je vlnová dĺžka

VKV. Preto k zakriveniu dráh týchto vĺn pozdĺž zemského povrchu nedochádza, takže ich


6

dosah je najčastejšie v oblasti priamej viditeľnosti medzi vysielacou a prijímacou anténou

obr. 1.5.

obr.1.5 Šírenie EM vĺn pomocou priamej vlny

Za určitých meteorologických podmienok sa môžu v ovzduší vytvoriť súvislé

inverzné vrstvy, t.j. vrstvy vzduchu, v ktorých teplota vzduchu s výškou stúpa, alebo

vlhkosť vzduchu klesá omnoho rýchlejšie, ako je to bežné v štandardnej atmosfére.

Obidva tieto javy spôsobujú zvýšenie lámavosti atmosféry, takže sa dráha rádiových vĺn

značne zakrivuje k zemskému povrchu. Tento jav sa nazýva superrefrakcia. Oblasť

troposféry, v ktorej najčastejšie superrefrakcia nastáva sa nazýva atmosférický vlnovod.

Keď sa rádiové vlny do takého vlnovodu, môžu sa nimi šíriť i na vzdialenosti značne

presahujúce vzdialenosť priamej viditeľnosti.

VKV(VHF) od 30 MHz po 300 MHz. Dosah zväčša len na priamu vzdialenosť,

málokedy viacej ako 80 km. od vysielača. Vyznačujú sa stabilnými podmienkami šírenia

a malým rušením. Využívajú sa na vysielanie FM rozhlasu, TV, dátové a ďalekopisné

služby, letecké a pozemné služby a rádiolokáciu.

VKV(UHF) od 300 MHz do 3GHZ dosah len na priamu viditeľnosť. Vyššie

frekvencie sú citlivé na obsah vodných par v atmosfére(vyšší útlm za dažďa a hmly). Pri

šírení cez prekážky, však vznikajú ostré tiene prakticky bez signálu. Použitie k TV

vysielaniu, dátové prenosy, mobilnej telefónii, letecké, kozmické a pozemné dopravné

služby, satelitné vysielanie, rádiolokácia. [5]


7

1.5 Vplyv nerovnosti zemského povrchu na šírenie EM vĺn

Doteraz sme predpokladali, že EM vlny sa šíria nad hladkou rovinou alebo guľou.

V skutočnosti je zemský povrch drsný, drsnosť posudzujeme vždy v porovnaní s vlnovou

dĺžkou šíriacich sa EM vĺn.

Pri šírení vĺn v danom (VKV) pásme sa do miesta príjmača dostáva vlna nielen

priamou, ale aj odrazenou cestou. Odrazený lúč pôsobí v mieste príjmu nežiaduco na

celkovú výslednú intenzitu EM poľa. Keďže v mieste odrazu nie je zemský povrch

hladký, nedochádza tu k tzv. zrkadlovému odrazu, ale dochádza k rozptylu EM vĺn. Pre

metrové vlny môžeme malé nerovnosti a drsnosti zemského povrchu zanedbať, ale

v pásme dm a cm vĺn sú tieto nerovnosti už porovnateľné s vlnovou dĺžkou. Pri šírení EM

žiarenia posudzujeme drsnosť povrchu Rayleighovým kritériom. Pre jednoduchosť

predpokladáme, že všetky nerovnosti majú rovnakú výšku h, rovnajúcu sa strednej výške

zvlnenia terénu. V takomto prípade najväčší fázový posun medzi odrazenými vlnami

daný rozdielom dráh, možno určiť z obr. 1.6

obr.1.6 Určenie Rayleighovho kritéria

Dráha EM vĺn odrážaných dolnou rovinou je dlhšia ako dráha EM vĺn odrážaných

hornou rovinou o úsek BAC. Z obr. 1.5 je vidieť, že :

BAC=2h.sin γ

Fázový posun medzi lúčom 1 a 2 :

γλπγ

λπϕ sin...4sin.2.2 hh ==

Odraz možno považovať za difúzny alebo zemský povrch za drsný, keď fázový posun

bude : 2πϕ ≤


8

Potom z nerovnosti : 2

sin.4 πγλπ

≤h

dostaneme Rayleighovo kritérium drsnosti povrchu : γ

λsin8

≤h

Keď je splnená táto podmienka, zemský povrch možno považovať za hladký a na

výpočet intenzity elektrického poľa možno použiť odvodené odrazové vzťahy. Pri

hladkých povrchoch medzi lúčmi nenastáva interferencia. Pri drsnom povrchu sa môže

stať, že fázový rozdiel je rovný π, potom interferenciou lúčov sa tieto navzájom vyrušia

a k odrazu nedôjde. Praxou sa prišlo na to, že najvýhodnejšou voľbou je fázový posun

rovný π/8. Ak bude fázový rozdiel menší ako π/8, daný povrch budeme považovať za

hladký, ak bude väčší ako π/8 považujeme ho za drsný. Pri vodorovných lúčoch nie je

rozptyl pri odraze tak badateľný ako u lúčov šikmých. Pre vertikálne polarizované vlny sa

rozptyl pri odraze prejavuje menej ako u horizontálne polarizovaných vĺn. Odraz medzi

vysielačom (V) a prijímačom (P) nenastáva len v jednom mieste, ale prispievajú k nemu

všetky body roviny medzi V a P. Každý tento bod prispieva inou mierou, takže

nedochádza k zrkadlovému odrazu. Ak by sme chceli charakterizovať objem priestoru

medzi V a P, v ktorom sa prenos EM energie prevažne uskutočňuje, môžeme uskutočniť

nasledujúce meranie. Medzi V a P, vo vzdialenosti r1 od V a r2 od P umiestnime clonu

s meniteľným priemerom.

Najskôr necháme clonu plne otvorenú, potom postupne zmenšujeme priemer až do

okamihu, kým výraznejšie neklesne hodnota EM poľa. Tým získame v danom mieste

priemer oblasti, ktorá sa uplatňuje pri prenose EM energie. Ak pokus opakujeme pre

rôzne vzdialenosti r od V a P, získame veľkosť (objem) rozhodujúcej oblasti pre príjem

EM energie- Freshnelovú zónu. Freshnelova zóna predstavuje objem medzi V a P. Hlavná

časť šíriacich sa EM vĺn je obsiahnutá 1. Freshnelovou zónou obr. 1.7. Potom polomer 1.

Freshnelovej zóny určíme takto : 21

21 ..1

rrrr

b+

=λ

obr.1.7 Určenie polomeru Freshnelovej zóny


9

Veľmi často sú v praxi V a P antény (v pásme VHF a UHF) umiestňované

v kopcovitom teréne. Aj keď sú umiestnené v priamej viditeľnosti, príjem môžu výrazne

narušovať zasahujúce do 1. Freshnelovej zóny. Plochy vrcholov kopcov sú obyčajne

rozmerovo omnoho menšie ako plocha určená 1. Freshnelovou zónou, a teda v takomto

prípade sa EM vlny vôbec nebudú zrkadlovo odrážať.

Z toho potom vyplýva, že sa musíme pri návrhu rádioreléovej trasy zaujímať, aj

o výšky antén v danom teréne tak, aby nám 1. Freshnelovú zónu prekážky (nerovnosti

terénu) nerušili. [6]

1.6 Vplyv ojedinelej prekážky na šírenie EM vĺn

Elektromagnetické vlny sa v kopcovitom teréne nebudú šíriť len priamočiaro, ale

majú aj schopnosť ohýbať sa okolo prekážky. Vďaka tomu môžeme prijímať signály aj

v tieni prekážky. Toto nastáva napríklad, ak je v trase EM vĺn ostrý horský hrebeň, na

ktorom vznikne ohyb alebo difrakcia EM vĺn.

Keď prekážka prevyšuje svojim vrcholom alebo sa sním blíži k spojnici VA a PA,

budeme hovoriť o efektívnej výške prekážky h. Je to výška nad spojnicou alebo pod

spojnicou VA – PA. Ak sa nachádza PA v tieni, bude mať efektívna výška kladnú

hodnotu a naopak, keď je ožiarená, vtedy má hodnotu h zápornú obr. 1.8.

Obr. 1.8 Šírenie EM vĺn pri prekážke v tvare klina

Na obrázku obr. 1.9 je znázornená závislosť činiteľa tlmenia F od efektívnej výšky

prekážky h pre vzdialenosť medzi VA a PA rovnajúcou sa 80 km(výšky antén sú h1=h2=

30m a frekvencia f= 100 MHz). Na tomto obrázku je súčasne vyznačený činiteľ tlmenia

(oblasť tieňa), vypočítaný zjednodušenou metódou (Fokovou- difrakcia okolo hladkej

gule).


10

Obr. 1.9 Závislosť činiteľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky

Z tejto závislosti vidno, že pre takúto dĺžku trasy (r= 80 km) a efektívnu výšku

prekážky h= 500m bude pre rovnakú vzdialenosť intenzita elektrického poľa o 23 dB

väčšia ako pri šírení EM vĺn okolo hladkého guľového povrchu zeme. Toto zväčšenie

elektromagnetického poľa sa nazýva zisk prekážky. Takže pri šírení EM vĺn v mestách

môžu jednotlivé objekty pôsobiť ako difrakčné prekážky. [6]


11

2. ANTÉNA A JEJ ZÁKLADNÉ POJMY

Antény môžeme považovať za jeden z najdôležitejších článkov rádiokomunikačného

reťazca na bezdrôtový prenos informácií obr. 2.1. Možno ich definovať ako prvok, ktorý

transformuje EM vlny vedené napájačom (vedením) na EM vlny šíriace sa voľným

priestorom vysielacia anténa – VA a príjímacia anténa – PA.

Ako prvý anténu použil v roku 1887 Henrich Hertz pri prvom rádiovom spojení. Pri

tomto pokuse boli overené všetky Maxvelové predpoklady (o rovnakej podstate svetla

a EM vĺn) a pri tom v činnosti boli všetky základné časti rádiokomunikačného reťazca.

Zaujímavosťou je, že antény od svojho vzniku ostali vo svojej podstate bez zmeny, ale

ostatné časti rádiokomunikačného reťazca sa značne zmenili.

Správy sa šíria pomocou EM vĺn z vysielača ku prijímaču. Aby mohlo nastať šírenie

EM vĺn, je potrebné, aby v priestore bolo také miesto, kde sa mení hustota elektrického

prúdu. Takéto miesto sa nazýva žiarič EM poľa alebo anténa. Anténu predstavuje vodič,

v ktorom sa elektrický prúd s časom mení. Aj keď anténa predstavuje navonok vodič

pripojený ku zdroju striedavého prúdu len jedným koncom, ide v skutočnosti

o rezonančný obvod. Ten je tvorený indukčnosťou samotného vodiča a kapacitou tohto

vodiča k okoliu, vzhľadom k zemi, k ostatným okolitým vodičom atď.. Pre jednoduchosť

si predstavme sériový rezonančný obvod zložený z cievky L a kondenzátora C. Ak dosky

kondenzátora C od seba vzdialime (obr. 2.1 a), elektrické pole sa bude šíriť medzi

doskami kondenzátora prostredím a bude znázornené siločiarami (obr. 2.1 b, c). Keďže

anténa je rovný vodič a nie vinutá cievka, siločiary magnetického poľa sa šíria od vodiča

do okolitého prostredia (obr. 2.1 d).

obr. 2.1 Princíp antény a, b, c, d


12

Ak je pripojený vodič na zdroj striedavého prúdu, bude sa prúd vo vodiči šíriť

konečnou rýchlosťou. A ak vodič nie je na konci zaťažený určitou impedanciou (vodič na

prázdno), vznikne na ňom stojaté vlnenie, ktoré má na konci vodiča prúdový uzol

a napäťovú kmitňu ako je to znázornené na obr. 2.2, vzdialenosť dvoch uzlov ( kmitmi) je

l/2.

Anténa je teda také usporiadanie vodičov, ktoré sú schopné premieňať energiu

vysokofrekvenčného prúdu na energiu voľného EM poľa naopak.

obr. 2.2 Zobrazenie kmitne a uzla stojatého vlnenia 2.1. Základné rozdelenie antén

Antény patria obyčajne k pasívnym prvkom rádiokomunikačného reťazca a možno

ich rozdeliť do skupín podľa rôznych hľadísk. K zásadnému triedeniu však patrí

predovšetkým rozdelenie antén podľa charakteru zdroja EM vĺn.

Rozoznávame tieto základné druhy antén :

- vodičové antény : EM pole vzniká v dôsledku striedavého prúdu pretekajúceho cez

relatívne tenký vodič.

- plošné antény: Vyžarujú EM vlny z veľkej plochy – apretúry ( nazývajú sa aj

sekundárne zdroje EM poľa).


13

- anténne rady a polia : Vytvorené usporiadaním jednotlivých žiaričov p priestore,

ploche alebo v rade.

- reflektorové antény : Používajú špeciálne tvarované reflektory k formovaniu

smerových charakteristík.

- anténne šošovky : Sú podobné ako reflektorové antény. Na veľmi vysokých

frekvenciách je možné dosiahnuť s ich použitím menších rozmerov.

Podľa rozloženia vf napätia (a prúdu ) na anténe ich delíme :

- so stojatou vlnou : V tomto prípade sa prúdová vlna odráža na konci anténneho

vodiča (vedenia), ktorý je vlastne na prázdno alebo na krátko a vytvára na vodiči

stojaté vlnenie.

- antény s postupujúcou vlnou(nerezonančné) : V tomto prípade je anténa vodič na

konci zakončený vlastnou vlnovou impedanciou a na vodiči vzniká len postupná

prúdová vlna. [7]

Podľa smeru vyžarovania alebo citlivosti antény :

- všesmerové antény

- antény so smerovými účinkami

Podľa šírky pásma :

- úzkopásmové antény

- širokopásmové antény

Podľa frekvenčného pásma :

- pre dlhé vlny

- pre stredné vlny


14

- pre krátke vlny

- pre veľmi krátke vlny

Podľa funkcie na antény :

- prijímacie

- vysielacie

2.2. Základné vlastnosti antén

Vstupná impedancia Z a jej závislosť na frekvencii.

- ak vstupná impedancia nie je zhodná charakteristickou impedanciou napájača, je

nutné jej impedanciu prispôsobiť- transformovať na impedanciu napájača. To

samé platí aj pre spojenie napájača a vstupu príjmača. Samozrejmosťou sú

odpovedajúce konektory. V opačnom prípade, ak sú impedancie na ktoromkoľvek

rozhraní rozdielne, dochádza na rozhraní k odrazu energie naspäť k zdroju

a výsledná energia, ktorá sa dostáva na vstup prijímača je nižšia , prípadne žiadna.

Zisk antény G

- zisk antény slúži k porovnaniu smerových vlastností rôznych antén. Jednotkový

zisk (0dB) má všesmerový dipól. Smerová anténa so ziskom väčším než 0dB

vyžaruje viac do jedného smeru na úkor ostatných. Zisk je taktiež možné ako

merítko, koľko krát vyšší výkon by musel byť privedený do všesmerovej antény,

aby v žiadanom smere vytvoril elektromagnetické pole takej istej intenzity.

Účinnosť antény η

- je pomer výkonu, ktorý anténa skutočne vyžiari k výkonu, ktorý sa do antény

privádza(pri vysielacej anténe), alebo ako pomer zachytenej energie EM poľa ku

skutočne dodanej energii na vstup prijímača (pri prijímacej anténe)

Pvyž – skutočne vyžiarený výkon

Pstrat – stratový výkon stratvyž

vyž

PPP+

=η


15

Smerovosť F

- schopnosť antény sústrediť vyžarovanie do určitého smeru prípadne prijať

požadovaný signál z určitého smeru.

Es – hustota výkonu skúmanej antény ref

s

EEF 2

2

=

Eref – hustota výkonu referenčnej antény

Selektivita

- schopnosť antény vybrať z priestoru požadovaný signál a ostatné signály

potlačiť.

Širokopásmovosť

- schopnosť antény prijímať signál v požadovanom frekvenčnom pásme. [4], [6]

2.3. Prehľad antén používaných na tieto frekvencie

Pre pásma VKV a UKV bolo navrhnuté množstvo antén. Spomeniem len:

- Logaritmicko periodickú anténu (LPA)

- Uhlový reflektor

- Yagi anténa

- Parabolické antény

Logaritmicko periodická anténa (LPA)

LPA je vlastne prvou anténou , ktorej pracovné pásmo je teoreticky

neobmedzené. LPA je systém budený prvkami navrhnutý pre prácu v širokom rozsahu

frekvencií. Značná pracovná šírka pásma je dosiahnutá tým, že dipóly rezonujúce každý

v určitom frekvenčnom pásme a sú umiestnené tak, aby rezonovali postupne. Jednotlivé

dipóly rezonujú na frekvenciách opakujúcich sa s periódou prirodzeného logaritmu.

Ich výhodou je to, že sú flexibilné s konštantnými charakteristikami v celom

frekvenčnom pásme, to je, že majú rovnaký vyžarovací odpor, rovnaké základné


16

charakteristiky(približne rovnaké zosilnenie). Nie všetky prvky v systéme antény pracujú

na jednej frekvencii. Návrh poľa je taký, že aktívna oblasť sa posúva pozdĺž prvkov, ktoré

sa menia vzhľadom na pracovnú frekvenciu.

Medzi ich nevýhody patri hlavne relatívne malý zisk. Existuje niekoľko obmien

logaritmicko periodických antén a to sú: zig- zag, planárne trapezoidálne, slot

a V dipólové antény. Typ antény, uprednostňovaný amatérmi, je logaritmicko periodické

pole dipólov, v skratke nazývané ako LPDA, ktorá je znázornená na obr . 2.3. [8]

obr. 2.3 LPDA v symetrickom tvare a v tvare V

Uhlový reflektor

V pásme decimetrových a centimetrových vĺn sa v praxi využíva uhlový reflektor,

zostrojený z dvoch plošných rovín a lineárneho žiariča uloženého medzi nimi. V procese

žiarenia sa využíva ako žiarič, buď samotný dipól(obr. 2.4), alebo žiarič tvorení

mnohodipólovou radou(obr2.5).

obr.2.4 Žiarič ako dipól obr.2.5 Žiarič ako mnohodipólová rada


17

Obyčajne sa os žiarenia delí vo vertikálnej rovine. Vhodným uhlom medzi rovinami

ψ a vzdialenosťou S od osi dipólu do vrcholu uhla je možné zabezpečiť prijateľné

rozloženie poľa vĺn odrazených od reflektorových rovín s poľom vĺn vytvorených priamo

dipólom. V praxi sa výška h vyberá niekoľko krát väčšia ako dĺžka žiariča a šírka

reflektora je nie menšia ako λ.

Jeho výhodami sú hlavne pomerne jednoduchá konštrukcia, dobré smerové

vyžarovacie vlastnosti pre pásmo UHF a zisk od 8 do 12 dB. Má výhodnú šírku pásma od

5% do 20% z použitej strednej frekvencie podľa hrúbky použitého dipólu. Ako hlavnú

nevýhodu by som spomenul menší zisk oproti parabolickým anténam. [6]

YAGI anténa

V pozdĺžnej sústave, nazývanej Yagi, sú jednotlivé prvky (žiarič, reflektor a direktor)

umiestnené na nosnú tyč. Yagi anténa sa skladá žiariča (polvlnný skladaný dipól), ktorý

je spojený s napájačom, je aktívnym prvkom antény. V určitých vzdialenostiach sú

umiestnené pasívne prvky reflektor a direktory, ktorý zväčšujú výkon prijatý žiaričom. Za

žiaričom (v smere príjmu) je reflektor, ktorý je dlhší ako žiarič. Je umiestnený vo

vzdialenosti 0,25λ - 0,20λ od žiariča. Slúži na zoslabenie signálu prichádzajúceho z

opačného smeru. Kratšie prvky tzv. direktory sú umiestnené (v počte 3 - 20) pred

žiaričom v pravidelných intervaloch 0,1λ výnimku tvorí prvý direktor pri žiariči tzv.

širokopásmový, ktorý je u anténach s väčším počtom prvkov. Impedanciu antény určuje

nielen žiarič, ale aj reflektor a direktory (prevažne 300Ω). Zisk antény sa zväčšuje s

počtom direktorov po určitú hranicu a je závislí na frekvencii. Diagram žiarenia sa s

väčším počtom direktorov zužuje a predlžuje. Ohľadne výhod tejto antény snaď

spomeniem jednoduchú konštrukciu. Čo sa týka nevýhod, tak musí disponovať vysokou

presnosťou rozmerov a je náchylná na zmenu počasia(dážď, sneh).

Parabolické antény

Daným parabolickým anténam sa budem podrobnejšie venovať v nasledujúcej

kapitole. Spomeniem len, že daná parabolická anténa sa skladá z dvoch častí a to:

parabolické zrkadlo a ožarovač parabolického zrkadla.


18

3. PARABOLICKÉ ANTÉNY (princíp parabol. antény )

Parabolická anténa môže poskytnúť mimoriadne veľký zisk na mikrovlnnej

frekvencii. Tento zisk je limitovaný hlavne veľkosťou daného parabolického zrkadla.

Pracuje na rovnakým spôsobom ako zrkadlový optický teleskop.

Reflektorové (zrkadlové) antény – sú to také antény, u ktorých elektromagnetické

pole v ústí vznikne odrazom primárneho vlnenia od zrkadla špeciálneho tvaru. Ako zdroj

žiarenia slúži anténa nazývaná primárny ožarovač. Elektromagnetická vlna, vyžarovaná

primárnym ožarovačom, dopadá na povrch reflektoru a indukuje v ňom prúdy, ktoré

vytvárajú odrazené elektromagnetické pole. EM pole vyžiarené reflektorovou anténou

môžeme nájsť dvoma spôsobmi.

Prvý spôsob spočíva vtom, že z dopadajúceho poľa priameho žiariča najskôr určíme

prúdy na povrchu zrkadla podľa vzťahu Η×=Κ ne 2 , kde eΚ je lineárna hustota

povrchového prúdu, H je vektor intenzity magnetického poľa dopadajúcej vlny na

povrchu zrkadla. Tento vzťah platí len pri dopade vlny na nekonečnú vodivú rovinu.

Druhý spôsob spočíva v tom, že najskôr nájdeme rozloženie poľa v ústi zrkadla

a potom na základe vyžarovacích vlastností ožiarenej plochy určíme vyžarované pole.

Pole v ústi zrkadla sa obvykle zisťuje pomocou zákonov geometrickej optiky. Tieto

zákony platia v prípade, že 0→λ . V anténnej technike sa táto podmienka prevedie na

podmienku vlnovej dĺžky zanedbateľne malej vzhľadom k rozmerom reflektoru

a v našom prípade ešte vzhľadom k polomeru krivosti zrkadlovej plochy.

Hlavné časti parabolickej antény : - parabolické zrkadlo (rotačný paraboloid)

- ožarovač

3.1. Parabolické zrkadlo (rotačný paraboloid) Základnou vlastnosťou parabolického zrkadla je, že konvertuje guľovú vlnu

vychádzajúcu z bodového zdroja, ktorý je umiestnený v ohnisku paraboly, do rovinnej

vlny. To znamená, že odraz zo zdroja je sústredený v nekonečnej vzdialenosti od zrkadla.

Obrátene, celá prijatá energia zo vzdialeného zdroja sa odrazí pomocou zrkadla do

jedného bodu v ohnisku zrkadla.


19

Geometria parabolického zrkadla:

obr. 3.1Geometria parabolického zrkadla

Na obr 3.1 je bodový zdroj guľovej vlny označený F, S je obrazná plocha, L0 rovinná

vlna, ktorá vznikla odrazom guľovej vlny od zrkadla. Táto vlna bude rovinná ak bude

dĺžka optickej dráhy všetkých lúčov idúcich z bodu F k zrkadlu a po odraze k ploche L0

rovnaká. Aby sme mohli nájsť profil zrkadla, zrovnáme dĺžku optickej dráhy z F do L0

prvého lúča, idúceho pozdĺž osi z, a druhého lúča , idúceho pod uhlom ψ. Plocha zrkadla

musí byť rotačný paraboloid, ktorý vznikne rotáciou paraboly okolo osi z. Bodový zdroj

guľovej vlny musí byť v ohnisku paraboly. Podobne profil zrkadla premieňajúceho

dopadom valcovú vlnu na rovinnú je parabolický valec a priamkový primárny žiarič leží

v ohniskovej priamke parabolického valca.

Geometrické vlastnosti paraboloidu:

obr. 3.2 Súradnicové sústavy pre parabolické zrkadlo


20

1. Kolmica v bode M k povrchu paraboloidu leží v rovine prechádzajúcou osou

z a bodom M a zviera so sprievodičom uhol ψ/2.

2. Ľubovoľný rez rotačným paraboloidom rovinou prechádzajúcou rovinou

rovnobežnou s osou z je opäť parabola s rovnakou ohniskovou vzdialenosťou.

Z prvej vlastnosti vyplýva, že keď umiestime bodový zdroj do ohniska, všetky

odrazené lúče budú rovnobežné. Z druhej vlastnosti plynie, že pre analýzu odrazu

vĺn od povrchu zrkadla a vybudených prúdov sa stačí zaujímať len o ľubovoľný

rez zrkadla rovinou prechádzajúcou osou z alebo rovinou rovnobežnou s osou z.

Táto druhá vlastnosť je dôležitá i pri kontrole presnosti a výrobe zrkadla.

Výpočet konštrukcie parabolického zrkadla

Vychádzame z obr. 3.1 :

xfy ××= 42 y- má tak ako záporné aj kladné hodnoty (rovnica paraboly)

( )DfxDy /42 ×××= D- priemer príslušného zrkadla, x- premenná(vzdialenosť od

0)

Kde: l

Df×

=16

2

f- ohnisková vzdialenosť, l- hĺbka paraboly v jej strede

fDl×

=16

2

alebo ( )DfDl

/16×= [9]

3.2. Faktory ovplyvňujúce výber vhodného typu parabolického zrkadla

Veľkosť zrkadla

Je to dôležitý faktor rozhodujúci o čo najväčšom zisku , ktorý môžeme dosiahnuť na

danej frekvencii, vyplývajúc zo šírky lúča. Zisk je daný vzťahom :

ηλπ

×××

= 2

4 AG alebo ( ) ηλ

π×

×=

2DG , kde 2rA ⋅= π

kde A je projektovaná oblasť parabolického zrkadla( štrbina zrkadla), r je polomer a η je

účinnosť, ktorú zistíme z ožiarenia zrkadla. Poznáme dva faktory, ktoré limitujú čo


21

najväčší zisk. Pri nižších mikrovlnných pásmach je jedným z faktorov veľkosť zrkadla.

Preto pri 30 dB parabolickej anténe s frekvenciou 1296MHz bude mať priemer do 3,2

metra, čo môže zapríčiniť problémy pri výrobe ako aj montáži. Pri vyšších mikrovlnných

pásmach je veľkosť antény menším problémom. Ako príklad uvediem parabolické

zrkadlo s priemerom 0,9m používané pri 24GHz, ktoré bude mať zisk nad 44 dB a šírka

lúča 01 .

Pomer medzi ohniskovou vzdialenosťou a priemerom zrkadla

Všetky parabolické zrkadlá majú rovnaký oblúk, ale niektoré sú plytké zatiaľ, čo iné

sú veľmi hlboké alebo nadobúdajú tvar misy. Vhodný spôsob, ktorým môžeme opísať aká

veľká časť paraboly je vlastne využívaná, je pomer f/D. To znamená, pomer ohniskovej

vzdialenosti f k priemeru D parabolického zrkadla. Všetky parabolické zrkadlá

s rovnakým pomerom f/D požadujú rovnakú vyžarovaciu konfiguráciu v pomere

k priemeru parabolického zrkadla. Ak pomer f/D je menší, ožarovač parabolickej antény

ožaruje parabolické zrkadlo širšie, čiže sú potrebné rozdielne typy lievikových

ožarovačov(feed horn), ktoré sú potrebné nato, aby správne ožiarili parabolické zrkadlá

s rôznym pomerom f/D.

Vychádzame z obr.3.1. Tento pomer je základným činiteľom pri návrhu ožarovača

parabolického zrkadla. Pomer sa priamo týka protiľahlého uhlu od okraja zrkadla v jeho

ohnisku, a tiež šírky lúča z ožarovača, z dôvodu efektívneho ožiarenia parabolického

zrkadla. Hodnoty pre pomer f/D sú v rozsahu okolo 0,2 až 1,0. Hodnota od 0,25 odpovedá

všeobecnej ohniskovej rovine, pričom ohnisko je v tej istej rovine ako okraj

parabolického zrkadla.

Konštrukčné materiály

Parabolické zrkadla do veľkosti jedného metra sú obvykle vyhotovené z tuhého

materiálu. Často používaným materiálom je hliník, pre jeho hmotnostné vlastnosti ako aj

životnosť a dobré elektrické vlastnosti. Problémom pri veľkosti zrkadla sa stávajú

poveternostné podmienky. Napríklad, s rýchlosťou verta 50 mph je sila na plochu

parabolického zrkadla približne 44kg/sq m. Štruktúra 1,2m parabolického zrkadla

podlieha zaťaženiu sile verta 45 kg. Technická prax požaduje, aby bol zachovaný stupeň

bezpečnosti, čo predstavuje 5 násobok tejto váhy. Výsledkom toho je, že štruktúra musí


22

vydržať zaťaženie 227 kg. Z tohto dôvodu sa používajú parabolické zrkadlá nielen

s odrazovou plochou, ale aj tzv. sieťovou plochou.

Meď, hliník, mosadz, pozinkovaná alebo pocínovaná oceľ a železo. Materiály ako je

železo a oceľ sú náchylné na koróziu a časom sa stávajú viac stratovými. Praktické

parabolické zrkadlá môžu byť vyhotovené z niekoľkých kusov (plátkov) tvrdého kovu

alebo sieťoviny.

3.3. Ožarovač parabolickej antény Návrh ožarovača

Pri dokonalom ožarovacom systéme pre parabolické zrkadlo sa celá energia vyšle

z bodového zdroja umiestneného v ohnisku na celý povrch parabolického zrkadla. Táto

energia sa potom odrazí od zrkadla vo forme rovinnej vlny. Tento ideálny stav je

komplikovaný z viacero faktorov:

- praktické ožarovače veľmi výrazne neizolujú. Obvykle hustota energie je v

maxime na osiach ožarovača a následne potom energia po oboch stranách klesá.

Nedá sa presne určiť šírka lúča ožarovača parabolickej antény. Avšak šírka lúča

je špecifikovaná pričom hustota energie je polovica alebo desatina z hodnoty

maxima. Z tohto dôvodu sa urobí test optimálnej šírky lúča pre ožarovač daného

parabolického zrkadla. Tak ako je ilustrované na obr. 3.3a, väčšia časť energie

z ožarovača je vyžiarená na parabolické zrkadlo, ale sústreďuje ju do stredu

tohto zrkadla, čím sa celkový zisk zhorší. Ak šírka lúča ožarovača parabolickej

antény je príliš vysoká ako je to znázornené na obr. 3.3b, tak veľká časť energie

sa vyžiari mimo parabolického zrkadla a následné sa stratí.


23

obr. 3.3 a, b, nežiaduce ožiarenie

- pretože kraj každého parabolického zrkadla je vzdialenejší od ožarovača

parabolickej antény a tým vznikajú straty. Tieto straty nazývame priestorové

straty a menia sa v závislosti pomeru f/D parabolického zrkadla. Pre ohniskovú

rovinu to je 6 dB. Pre parabolické zrkadlo s dlhšou ohniskovou vzdialenosťou je

priestorová strata menšia. Napríklad, parabolické zrkadlo, ktoré ma polomer f/D

rovný 0,6 má priestorovú stratu 1,5 dB na okraji parabolického zrkadla. Z toho

dôvodu odpovedajúci ožarovač by mal mať 8,5 dB a optimálnu šírku lúča 088 .

- ak chceme docieliť vysokú účinnosť, tak parabolické zrkadlo musí byť ožiarené

celou jeho plochou a to docielime pomocou správneho nastavenia šírky lúča zo

samotného ožarovača parabolickej antény a to vo vodorovnej ako aj kolmej

rovine. Žiaľ, bežne používaný dipól a parabolické zrkadlo i plechové ožarovače

nie vždy vyhovujú po tejto stránke.

- fázový stred ožarovača parabolickej antény je definovaný ako bod z ktorého sa

energia vyžaruje. U praktických ožarovačov je fázový stred len zriedka jeden

bod od tej doby, čo veľkosť ožarovača je závislá od pomeru vlnovej dĺžky.

Situácia je ešte komplikovanou tým, že fázový stred môže byť odlišný vo

vodorovnej rovine( E ) ako v rovine kolmej(H). Mnohopásmové ožarovače, ako

napríklad logaritmicko periodické anténne systémy sú preto stratové.


24

3.4. Praktické ožarovacie systémy

Priame ožarovanie

V tejto metóde, ktorá je znázornená na obr. 3.4 je fázový stred ožarovača umiestnený

v ohnisku parabolického zrkadla. Vyžiarená energia z ožarovača parabolickej antény

v tvare guľovej vlny odrazí v parabolickom zrkadle a následne sa zmení na rovinnú vlnu.

Hlavnou výhodou tejto metódy je jednoduchá montáž ožarovača a konštrukcia. Hlavne

pri montáži na zadnú časť zrkadla parabolickej antény, ktorá je účinne použiteľná pri

samotnom uchytení na stĺp alebo trojnožku.

obr.3.4 Geometria priameho ožiarenia parabolického zrkadla

Nepriama metóda

Vyžiarená energia z ožarovača je odrazená rovinným sub zrkadlom do hlavného

zrkadla. Guľová vlna vytvorená ožarovačom sa vyšle sub zrkadlom do rovnakého

guľovitého polomeru zakrivenia, ale pohybom k zrkadlu. Táto metóda je znázornená na

obr.3.5. Sub zrkadlo by malo mať pokiaľ možno minimum nových vlnových dĺžok

v priemere, ale nemalo by presahovať tretinu priemeru hlavného parabolického zrkadla,

podľa poradia nevytvoriť 1 dB straty z prekročeného výkonu. Ak je veľkosť sub zrkadla

vopred zvolená, potom je jeho poloha fixne daná.


25

Obr. 3.5 Geometria nepriameho ožiarenia parabolického zrkadla, kde Fr – reálne ohnisko

parabolického zrkadla, Fv – virtuálne ohnisko, m – je dĺžka ohniska ku sub zrkadlu.

Ožarovač parabolickej antény je umiestnený na virtuálnom ohnisku, ktorý je pred sub

zrkadlom, pretože reálne ohnisko je oneskorené, dôležité je, že obe dĺžky m sú rovnaké.

Pretože sub zrkadlo je planárne (rovinné), skutočné zrkadlo má výzor ožarovača, ktorý je

rovnaký ako u priamej metódy. Sub zrkadlo je obyčajne vyrobené z tuhého materiálu, ale

aj pletivo alebo drôty majú rovnakú analógiu polarizačnej roviny a sú tiež vhodné pre

núdzovú konštrukciu. Hlavnou výhodou tejto metódy je, že ožarovač môže byť uložený

zo stredu zrkadla.[10]

3.5. Prehľad ožarovačov parabolických antén Dipól

Najpoužívanejším primárnym ožarovačom sú dipóly. Väčšina znalosti, ktoré o nich

máme, sú buď empirické, alebo pochádzajú z analógie dlhovlnných dipólov. Majú

spoločné vlastnosti, ale napriek tomu sa od seba líšia. Hlavný rozdiel vyplýva z veľkého

priemeru ramien dipólu, čo spôsobuje fázové rozdiely medzi príspevkami elektrického

poľa z rôznych miest na povrchu dipólu. Ďalej stredná medzera v mieste napájania nie je

už zanedbateľne malá vzhľadom k celému ramenu dipóla. To spôsobuje, že rozloženie

prúdu pozdĺž dipóla sa líši od sínusovky. Dipóly môžeme napájať i symetricky, ak sú obe

ramena pripojené k vnútornému plášťu koaxiálneho kábla. Aby sa mohla vybudiť štrbina

v koaxiálnom kábli s vidom TEM, vkladá sa do oblasti štrbiny podlhovacia zkratovacia


26

prepážka. Prítomnosť prepážky vybudí vyššie vidy, obzvlášť vid TE11. Samotné vidy

vlnovody môžeme použiť ako primárne ožarovače pre paraboloidy len veľmi zriedkavých

prípadoch.[9]

Obr. 3.6 Symetricky napájaný dipól s väzobnými štrbinami

Cassegrain ožarovače

Tento ožarovač je podobný nepriamej metóde. Líši sa tým, že rovinné sub zrkadlo je

nahradené tzv. ostrým zrkadlom vo forme paraboloidu. Hlavnou zmenou je to, že

virtuálne zrkadlo s ožarovačom má dlhšiu ohniskovú vzdialenosť ako skutočné zrkadlo.

Takéto zrkadlo kratšej ohniskovej vzdialenosti môže len ťažko efektívne ožiarené.

Druhou črtou je to, že je viac flexibilný pri umiestnení. A používa sa hlavne pri

optických ďalekohľadoch.

Lievikové ožarovače v tvare pyramídy

Lievikové ožarovače v tomto tvare majú významne výhody oproti iným druhom

ožarovačov. Napríklad veľké rozmerové chyby nepôsobia na kvalitu, ale len na

efektívnosť ožiarenia parabolického zrkadla. Druhou výhodou je tá skutočnosť, že sú

navrhnuté nato, aby vytvárali optimálne ožiarenie parabolického zrkadla v obidvoch

rovinách. Skladá sa z časti vlnovodu, tvorený jednou, alebo dvomi časťami, ktoré

vytvárajú požadovanú šírku lúča. Pri vyšších mikrovlnných frekvenciách je tento

ožarovač spravidla napájaný vlnovodom. Na nižších frekvenciách je napájaný pomocou

koaxiálneho kábla.


27

Kruhový ožarovač

Tento typ ožarovača sa všeobecne používa na pre nižšie mikrovlnné pásma a jeho

hlavnou výhodou je, že môže byť vyrobený z bežne dostupných materiálov. Má veľmi

vysokú účinnosť, ale vyžaduje určité nastavenia. Ožarovač pozostáva z krátkeho kruhu,

kruhového vlnovodu, často vyrobeného z plechoviek.

Konštrukčné faktory:

- priemer D ožarovača musí presahovať 0,58 vlnovej dĺžky vo vzduchu pri danej

frekvencii. Ak je menší vlnovod, potom pracuje v jeho prerušenej oblasti

a samotná prevádzka sa tak sťaží. Primeraný odhad D je medzi 0,65 do 0,7

vlnovej dĺžky.

- správny rozstup medzi snímačom a krátkym kruhom sa robí formou

experimentu. Poloha medzi sondou a krátkym kruhom sa dá polohovať alebo

ľubovoľne nastaviť. Ak zvýšime priemer ožarovača, následne môžeme

zredukovať jeho dĺžku, ale taktiež poklesne šírka lúča daného ožarovača.

Obr. 3.7 Prehľad jednotlivých žarovačov

Lievikové ožarovače

Tento ožarovač sa tvarom podobá na pyramídový ožarovač, ale žiari signál len

v jednej rovine. Výsledkom toho je, že širšia šírka lúča vytvorí v plochej rovine. Tento

typ ožarovača je znázornený na obr. 3.8


28

obr. 3.8 Lievikový ožarovač

Na malom ožarovači s rozmerom B, ktorý je fixný na šírke úzkej hrany vlnovodu

vytvára frekvenčnú charakteristiku s nízkym ziskom. Ale, ak je stena rozšírená a má tvar

obdĺžnika(lievika), tak takýmto nesúmerným tvarom dosiahneme vyšší zisk. Tento druh

ožarovača je polarizovaný horizontálne, čiže stena by mala byť vertikálna. Mimoriadny

zisk dosiahneme komprimovaním vertikálnej vzorky. Aby správne ožarovač fungoval,

musí byť zaručený minimálna veľkosť vlnovej dĺžky vstupného alebo výstupného

elektromagnetického poľa. Ak je lievik veľmi malý alebo vlnová dĺžka veľmi veľká

(alebo frekvencia príliš nízka) anténa nebude pracovať efektívne. Lievikový ožarovač je

používaný bežne ako aktívny prvok v parabolickej anténe. Ožarovač je k centru

parabolického zrkadla zaostrený. Tento typ ožarovača sa používa častejšie ako dipól,

alebo ako iný typ antény, pretože na ohnisku parabolického zrkadla minimalizuje stratu

energie vyžiarenou dookola krajov parabolického zrkadla. Taktiež minimalizuje odrazy

antény ako rušiaci signál v nežiaducom smere. Je využívaný pre všetky radarové systémy

krátkeho rozsahu, hlavne využívaný policajnými zložkami pri meraní rýchlosti. [10]


29

4. REALIZÁCIA A MERANIE OŽAROVAČA PARABOLICKEJ ANTÉNY Úvod

Pre 2,4 metrovú Ku- Band anténu som zvolil ožarovač tvaru lievika. Pri výbere som

vychádzal zo základných vlastnosti parabolických antén, pričom ako hlavnou

podmienkou je pomer medzi ohniskovou vzdialenosťou a priemerom zrkadla f/d.

Obdĺžnikový lievikový ožarovač

Poskytujú veľký zisk, pomerne širokú šírku pásma a dajú sa ľahko konštruovať. Daný

lievikový ožarovač je znázornený na obr. 4.1.

obr. 4.1 Základný typ lievikového ožarovača

Ožarovač pôsobí ako stupňovitý prechod z vlnovodného módu do módu voľného

priestoru EM vlny. Ak je napájaný v tvare valcového vlnovodu, potom má tvar

lievika.

4.1 Výber vhodného materiálu na vyhotovenie daného ožarovača parabol. zrkadla

Okrem elektrických vlastností musia materiály použité na výrobu ožarovača spĺňať aj

určité mechanické vlastnosti. Čiže životnosť ožarovača je závislá od použitého materiálu.

Na realizáciu tohto ožarovača som použil ako materiál hliník s hrúbkou 2 mm. Hliník je

dobre elektricky vodivý, mechanicky stabilný a odolný voči zmenám prostredia.


30

4.1.1 Návrh ožarovača parabolického zrkadla Daný ožarovač tvaru lievika bude mať výslednú podobu ako je znázornené na obr. 4.2

obr. 4.2 Ožarovač parabolického zrkadla

Pri návrhu rozdelím ožarovač na tri časti :

- koaxiálny napájač

- časť v tvare lievika

- konektor s konkrétnym ožarovačom

4.1.2 Vlnovod (koaxiálny napájač)

Dĺžka vlny vo vlnovode je dôležitým faktorom ako aj nutným pri výpočte vhodného

diagonálneho vlnovodového napájača. Vlna vo vlnovode sa šíri takým spôsobom, že jej

zdanlivá rýchlosť presahuje rýchlosť svetla. Daný vlnovodový napájač je znázornený na

obr.4.3 a, b, .


31

Náčrt vlnovodového napájača

obr.4.3 a, Rozdelenie vlnovodu na tri oblasti, kde λ je vlnová dĺžka

obr.4.3 b Náčrt daného vlnovodu kde a, b sú rozmery stien vlnovodu [11],[12]

4.1.3 Časti v tvare lievika Lievikový ožarovač v H rovine

Následná geometria parametrov bude často používaná v ďalších analýzach.

obr. 4.4 Priečny rez lievikového ožarovača v H rovine


32

Dané výpočty lievika:

( )41.

2

.5,02

20

2

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

=

AlaAR

ARl

a

HH

H

λ

Základné rozmery na skonštruovanie daného lievika sú A a RH. Optimálnu smerovosť

získame ak vzťah medzi A a R0 je :

03 RA λ=

Lievikový ožarovač v E rovine

obr. 4.5 Priečny rez lievikového ožarovača v rovine E

Geometria tohto lievika je analogická ako u lievika v rovine H. Mení sa len optimálna

smerovosť, ktorá je znázornená výpočtom:


33

( )41.

2

.25,02

20

2

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

=

BlbBR

BRl

b

EH

E

λ

02 RB λ=

[13]

4.1.4 Konektor s ožarovačom vlnovodu Do ožarovača paraboly je signál privádzaný pomocou koaxiálneho kábla. Prechod medzi

koaxiálnym káblom a časťou vlnovodu, kde podľa obr.4.3 dochádza k formovaniu vlny,

je realizovaný pomocou žiariča dĺžky lambda štvrť. Vzhľadom na hrúbku materiálu,

z ktorého je žiarič vyrobený, je treba jeho skutočnú dĺžku zmenšiť o hodnotu danú

skracovacim činiteľom.

Náčrt daného ožarovača vlnovodu je znázornený na obr. 4.6 [14]

obr.4.6 Ožarovač vlnovodu pre parabolu 2,4m s vyžarovaním uhlom 142 stupňov.


34

4.2. Výpočty a realizácia ožarovača parabolického zrkadla

Koaxiálny napájač

Pri návrhu koaxiálneho napájača ako aj samotného ožarovača vychádzame

z parametrov danej parabolickej antény, ktoré sú nasledovné:

- priemer paraboly je 2,4m

- pracuje na frekvencii 1300 MHz

- vlnová dĺžka je 23cm

cmHz

smfcTc 23

10.1300/299792458. 3 ====λ

- pomer f/D ( ) m

lDf 9,0

4,0.164,2

.16

22

=== kde mDf 375,0

4,29,0

=

Diagonálny vlnovod(v našom prípade koaxiálny) ako aj celý ožarovač parabolickej

antény bude zhotovený u hliníkového plechu o priemere 2 mm. Je ľahký, dá sa pomerne

dobre tvarovať, je odolný do určitej miery voči poveternostným podmienkam. [11], [12]

obr. 4.7 Koaxiálny napájač, kde λ je vlnová dĺžka


35

4.2.1 Výpočty časti lievika v rovine H a E Rovina H :

( )

( ) ( )

cmRA

cmAlaAR

cmARl

cma

HH

H

75,181,5.23.3..3

2,441

75,1867,10.5,1175,18

41.

67,109,113275,181,5

2

5,1123.5,0.5,0

0

22

220

2

===

=−⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=

===

λ

λ

Rovina E :

( )

( ) ( )

cmRB

cmBlbBR

cmBRl

cmb

EE

E

31,151,5.23.2..2

91,541

31,152,9.75,531,15

41.

2,960,84231,151,5

2

75,523.25,0.25,0

0

22

220

2

===

=−⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−=−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=

===

λ

λ

Poznámka: Tieto výpočty elektrických parametrov sú uvedené pre šírenie vo vákuu.

Preto treba brať do úvahy skracovací činiteľ 0,95 (ktorý udáva odborná literatúra).


36

4.2.2 Zisk ožarovača

Graf č. 1 Určenie zisku v závislosti na pomere a1/λ.

Zisk určíme takým spôsobom, že vypočítame λ/A a následné odčítame z grafu..

05,17,21

23==

cmcm

Aλ

,čiže po odčítaní je z grafu je zisk ožarovača cca 10 dB.

Poznámka: dané označenie v grafe je prevzaté z literatúry, kde a1= A , ρΗ= Rh

4.2.3 Konektor a ožarovač vlnovodu Dané hodnoty som použil z odbornej literatúry, ktoré sú zakreslené v náčrte.


37

21

7

2 3 3

1 8 2 5 1

2

1 4 9

23

1

18

05

1

14

2°

1 4 2

2

4 0 6 9 4 0

42

13

44

2

1 4 9

21

7

42

13

44

2

4 06 94 0

53

.5Ø 1 5

POH LAD Z H ORA

POH LAD Z BOKU

4 6 .3

M4

5 3 .5

65

POH LAD Z BOKU

N KON EKTOR

47

.51

21

21 TECH N OLOGICKY

OTVOR Ø 1 2

Obr.4.8 Ožarovač vlnovodu

obr. 4.9 Konektor - pohľad z hora

4.2.4 Celkový náčrt daného lievikového ožarovača:

c,

obr. 4.10 Pohľad na ožarovač parabolického zrkadla


38

obr. 4.11 Výsledný pohľad na navrhnutý ožarovač parabolickej antény


39

5. MERANIE 5.1. Meranie impedančného prispôsobenia PSV (pomer stojatej vlny)

Prispôsobovať je nutné antény, ak ich impedancia je odlišná od impedancie napájača,

ktorým býva najčastejšie koaxiálny kábel. Dokonalé prispôsobené vedenie je zakončené

odporom, ktorého hodnota je rovnaká ako charakteristická impedancia vedenia.

Pre širšie frekvenčné pásmo je veľmi obtiažne túto podmienku splniť, pretože sa

impedancia záťaže s frekvenciou mení. Ak nie je vf vedenie „prispôsobené“, časť vlnenia

sa od záťaže odrazí a vracia sa späť ku zdroju a pritom sa sčíta s vlnením postupujúcim,

čo do amplitúdy aj fázy. V miestach, kde sa amplitúdy napätia alebo prúdu stretávajú vo

fáze a sčítajú sa, vzniká maximum, keď sa stretnú v protifáze a odčítajú sa vzniká

minimum. Na vedení dochádza k stojatému vlneniu. V závislosti od rozdielu medzi

charakteristickou impedanciu vedenia a impedanciou záťaže prevláda buď vlna postupná

alebo vlna stojatá. Toto nám charakterizuje pomer stojatého vlnenia PSV. Je definovaný

vzťahom:

min

max

min

max

II

UUPSV ==

Meranie som robil pomocou smerovacej väzby. Bol pritom použitý signálový

generátor od firmy ANRITSU model MG 3692A a merač výkonu. Meranie som potom

previedol vo frekvenčnom pásme 1290 – 1299 MHz. Výsledky som zaznamenal do

tabuľky 2.

Za priaznivú hodnotu sa považuje PSV ≤ 1,5 (0,18 dB = 4% strát). Čiže po zmeraní

impedančného prispôsobenia PSV, ktorého hodnoty sú uvedené v tabuľke 2 vyhovujú

podmienkam PSV a nepresahujú hodnotu 1,5.

Tabuľka 2 Impedančné prispôsobenie PSV

MHZ 1290 1291 1292 1293 1294 1295 1296 1297 1298 1299PSV 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,2


40

5.2. Meranie útlmu v závislosti na uhle

Tabuľka 3 Meranie útlmu v závislosti na uhle

UHOL ÚTLM STUPNE ÚTLM 0 0 0

10 o 1,3 -10 o 0,2

20 o 2 -20 o 2

30 o 3 -30 o 4

40 o 4 -40 o 6

50 o 6 -50 o 7

60 o 8 -60 o 7,5

70 o 8,5 -70 o 8

Po odmeraní daného útlmu ožarovač parabolického zrkadla spĺňa teoretické predpoklady

z teórie v kapitole 3.3

Pri meraní bol ako meracia anténa použitý nesymetrický dipól dĺžky λ/2, generátor MG

3692A, spektrálny analyzátor MS 2667C ANRITSU.


41

ZÁVER Cieľom mojej diplomovej práce bolo navrhnúť, realizovať a popísať ožarovač

parabolického zrkadla pre frekvenčné pásmo 1300 MHz.

Začiatok práce bol venovaný zákonitostiam šírenia rádiového signálu v uvedenom

frekvenčnom pásme. Zohľadňuje sa aj šírenie v rôznych vrstvách ionosféry a aj prípadný

prechod signálu ionosférou. Je tu popísané šírenie lúča v členitom teréne a tiež šírenie za

ojedinelou prekážkou, pričom sa uplatňuje aj odraz signálu. Druhá kapitola oboznámi

čitateľa s teóriou problematiky samotných antén, ich základnými vlastnosťami a typmi

antén, ktoré sa používajú na dané frekvenčné pásmo.

V tretej kapitole je podrobne opísaný princíp parabolickej antény. Jej dôležité časti

ako aj faktory ovplyvňujúce správny výber parabolickej antény. Ako je vidieť z poslednej

kapitoly („Realizácia a meranie ožarovača parabolickej antény“), výsledkom diplomovej

práce je ožarovač parabolickej antény. Snažil som sa vytvoriť akýsi návod, ktorý by

čitateľa oboznámil nielen s problematikou daného ožarovača, ale aj s samotnou

konštrukciou, kde je potrebné dodržať parametre hlavne vlnovodovej časti, ako aj uhol

otvorenia samotného lievika. Po zhodnotení merania impedančného prispôsobenia PSV,

ako aj merania útlmu v závislosti na uhle som overil správnu funkčnosť daného ožarovača

pre predpísané rozmery parabolického zrkadla.


42

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY [1] Kenneth Macleish : Proč anténa vyžaruje

Praktická elektronika A Radio, 7/1996, 8/1996, 9/1996

[2] www.souenel.pilsedu.cz/dilna/pripravy/anteny/ant0 3.htm

- Šíření elektromagnetického záření

[3] Milan Český : Antény pro příjem rozhlasu a televize,

SNTL – Nakladatelství technickém literatúry, Praha, 197

[4] www.spse/ke.fei.tuke.sk/elektro/Radiote/elmag/elmag.htm

- Bezdrôtový prenos správ

[5] www.spse/ke.fei.tuke.sk/elektro/Radiote/elmag/dv sv kv/dv sv kv

- Spôsoby šírenia DV, SV, KV, VKV

[6] Štefan Vávra, Ján Turán : Antény a šírenie elektromagnetických vĺn, ALFA,

Bratislava, 1989

[7] doc. Ing. HHRudolf Hronec, CSc. : Šírenie elektromagnetických vĺn a antény

- prednášky, ŽU v Žiline, šk. rok 2005/2006

[8] R. Dean Straw : The Arrl Antenna Book,

The American Radio Relay League, Inc., Newington, 1998

[9] J. Prokop, J. Vokurka : Šiření elektromagnetických vln a antény,

SNTL/ALFA 04-521-80

[10] Andy Barter GBATD: International Microwave handbook

[11] Love : Elektromagnetic Horn Antennas,

New York IEEE Press, 1976

[12] Dick Turrin W2IMU : Parabolic reflektor Antennas and Feeds,

P 9-29 ARRL UHF Experimenters Manual 1991

[13] http://www.ece.mcmaster.ca/faculty/nikolova/antenna_dload/Antennas_L13.pdf

[14] P. Šír : Rádioamatérske konstrukce pro mikrovlná pásma


ČESTNÉ PREHLÁSENIE

Prehlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným

vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca CSc. a používal som literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičaním diplomovej práce. V Žiline, dňa........................ Podpis: ...................................................


POĎAKOVANIE

Touto cestou vyslovujem poďakovanie pánovi doc. Rudolfovi Hroncovi CSc. a Ing.

Branislavovi Kišovi, za pomoc, odborné vedenie, cenné rady a pripomienky pri

vypracovaní mojej diplomovej práce.


ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Prílohová časť

2006 Michal Furmánek


Zoznam Príloh Príloha č .1 Meranie impedančného prispôsobenia (PSV) Príloha č. 2 Meranie útlmu v závislosti na uhle Príloha č .3 Názorná ukážka merania útlmu v závislosti na uhle Príloha č. 4 Názorná ukážka ožarovača vlnovodu Príloha č. 5 Dokumentácia a parametre parabolickej antény (parabolického zrkadla) o priemere 2,4m.


Príloha č 1

Meranie impedančného prispôsobenia (PSV)


Príloha č. 2

Meranie útlmu v závislosti na uhle


Príloha č. 3

Názorná ukážka merania útlmu v závislosti na uhle


Príloha č. 4

Názorná ukážka ožarovača vlnovodu

Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/641.pdf · 2006-08-14 · LPDA Log. periodické...

Documents

Transcript of Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/641.pdf · 2006-08-14 · LPDA Log. periodické...