docמ בוא ורקע תיאורטי 1 .
download 
Report Transcription
מ בוא ורקע תיאורטי 1 .
.1מבוא ורקע תיאורטי מבוא: 1 מהי אנטנה ? מה תפקיד האנטנה ? סוגי האנטנות אנטנות בסיסיות דוגמאות יישומים עיקריים רקע מדעי רקע היסטורי מהי אנטנה ? אנטנה היא רכיב בתוך מערכת קליטה ושידור רדיו המחבר בין מהוד סגור או קו תמסורת לבין המרחב החופשי. לאנטנה יש אפוא שני ממשקים (1) :חיבור פיזי לקו תמסורת כגון קואכס או גלבו ) (2שטח מגע עם המרחב החופשי. מתייחסים בד"כ לאנטנה כאל רכיב פסיבי והפיך, כלומר פועל באופן זהה בכניסה וביציאה .לכן האנטנה זהה בשידור ובקליטה. 2 מהי אנטנה ? מעבר הדרגתי מתיבת תהודה סגורה למרחב החופשי 3 מהי אנטנה? קו תמסורת עם קצה פתוח מול המרחב החופשי 4 מה תפקיד האנטנה ? לאנטנה שני תפקידים עיקריים: ) (1לתאם את האימפדנס בין קו התמסורת או החלל הסגור לבין אימפדנס הקרינה ולהבטיח שרמת הגלים החוזרים תהיה נמוכה. 5 מה תפקיד האנטנה ? ) (2לרכז את הקרינה במרחב )בשידור ובקליטה( לכוון הרצוי .אנטנה כלל-כיוונית מיועדת לשדר ולקלוט מכל המרחב .אנטנה כיוונית פועלת בגזרה זוויתית. 6 סוגי האנטנות סוגי האנטנות רבים ומגוונים .ניתן לחלק את סוגי האנטנות למשפחות העיקריות הבאות: • • • • • 7 אנטנות תיל )חוט( העשויות מתיל מתכת מלא או חלול בתצורות גיאומטריות שונות אנטנות מפתח העשויות ממוליך גלים )גלבו( ההולך ונפתח באופן הדרגתי )שופר( או מחריץ פתוח בתוך מישור מוליך אנטנות רפלקטור – שימוש במשטחים מחזירים גדולים לריכוז הקרינה אנטנות מודפסות העשויות מקווי מתכת מודפסים על מצע דיאלקטרי )(PCB מערכי אנטנות )סריג של אלמנטים( אנטנות בסיסיות אלמנט בסיסי: • לולאה • תיל ישר • חריץ 8 אנטנות בסיסיות אלמנט עם אדמה: • "עשן וולקני" • קונוס מעל אדמה • מונופול מעל אדמה 9 אנטנות בסיסיות אנטנות רפלקטור: • דיפול מעל מחזיר מישורי • 2דיפולים מעל מחזיר מישורי • דיפול מעל מחזיר פינתי 10 אנטנות בסיסיות אנטנות מפתח: • שופר מלבני • שופר מעגלי • צלחת פרבולית 11 אנטנות בסיסיות END FIRE • מוט דיאלקטרי • מערך יאגי • סליל 12 דוגמאות 13 דוגמאות 14 דוגמאות 15 דוגמאות 16 דוגמאות 17 דוגמאות 18 דוגמאות 19 יישומים עיקריים האנטנה היא מרכיב בסיסי ומשמעותי בכל מערכת המיועדת לשדר ולקלוט גלי רדיו: • תקשורת קרקעית מנקודה לנקודה )עורקי טלפון ,תחנות ממסר( • תקשורת קרקעית רב כיוונית )רדיו ,טלויזיה ,קשר טקטי( • תקשורת תאית ואלחוטית )תחנות בסיס ,מכשירים ניידים(WLAN , • תקשורת מוטסת ולווינית • תקשורת חלל )רדיו-טלסקופים( • מערכות מכ"ם ול"א 20 רקע היסטורי • • • • 21 אופטיקה פיזיקלית עקיפה מסדק צר ורחב ,התאבכות מסריג, עקרון הויגינס )קרינה ראשונית ומשנית( אופטיקה גיאומטרית החזרה ומיקוד על ידי מראות ועדשות עקרונות החשמל חוק אמפר ,חוק ביו-סבר ,חוק פאראדיי חוק גאוס ,חוק פואסון ,משוואת לפלס משוואות מכסוול פתרונות אנליטיים למקרים נדירים בלבד. פתרונות נומריים לרוב המקרים הקיימים בשיטות GTD ,FE ,MOMואחרות. רקע היסטורי אנטנת לולאה אנטנת דיפול )הרץ( מערך 50מוטות )מרקוני( אנטנת יאגי-אודה שופרים ,צלחות ,מערכים ,מכ"ם חקר לעומק אנטנות חוט חקר לעומק אנטנות סליל תיאוריה מתמטית שלמה שיטות המומנטים וGTD- הופעת האנטנות המודפסות שיטות אלמנטים סופיים 22 1881 1886 1905 20s 20 WWII RWP King JD Kraus SK Schelkunoff 60s 60 70s 70 80s 80 • • • • • • • • • • • רקע תיאורטי רקע תיאורטי: גלים אלקטרומגנטיים מקורות קרינה משוואות מכסוול עקרון השקילות ועקרון השיקוף שדה קרוב ושדה רחוק 23 גלים אלקטרומגנטיים גלים אלקטרומגנטיים הם סוג של הפרעה המתפשטת במרחב במהירות האור. c = fλ הם מורכבים משדה חשמלי ומשדה מגנטי ניצבים זה לזה ,וניצבים גם לכיוון התקדמות ההפרעה. גלים אלקטרומגנטיים נוצרים בנקודה מסוימת על ידי מקור זרם חילופין או על ידי מפתח שדה חשמלי אקויולנטי )שאפשר לדמות אותו לזרם מגנטי וירטואלי( והם מתפשטים לאינסוף .לא ידוע עדיין על גלים שהגיעו מאינסוף ויצרו זרם מקומי. 24 גלים אלקטרומגנטיים גלים אלקטרומגנטיים המתפשטים במרחב החופשי )להבדיל מגלים אלקטרומגנטיים מונחים בתוך חלל סגור או בתוך קו תמסורת( הם גלים אשר חזיתם )משטח שווה פאזה( היא מישורית .במישור זה קיימים רק שדה חשמלי בכוון Eθושדה מגנטי בכוון .Hφ אימפדנס הגלים במרחב החופשי הוא: Eθ/Hφ = 120 π = 377 Ω וקטור פוינטינג מבטא את כיוון זרימת ההספק במרחב והוא ניצב לשדה החשמלי ולשדה המגנטי. 25 מקורות קרינה גל אלקטרו-מגנטי נוצר ע"י שני סוגי מקורות: המקור הראשוני ביותר הוא תיל מוליך שזורם בו זרם חילופין. 26 מקורות קרינה מכל קטע של קו תמסורת שיש בו עיקול ,כיפוף ,אי רציפות ,קצה פתוח ואפילו קצה מתואם נוצרים גלים אלקטרומגנטיים שחלקם עשוי לקרון כלפי המרחב וחלקם עשוי להתקדם בתוך קו התמסורת כגלים לא רצויים. 27 מקורות קרינה המקור השני של גלים הוא מפתח מוגבל שיש עליו שדה חשמלי. השדה הרחוק הנוצר כתוצאה מן המפתח מתנהג כמו עקיפה אופטית מסדק רחב. 28 מקורות קרינה יש להזכיר כי השדה הרחוק ניתן מתמטית ע"י התמרת פורייה של השדה במפתח. למשל: מפתח אחיד יוצר עקומת קרינה של F(θ θ) = Sinθ θ/θ θ 29 עוצמה וצפיפות קרינה עוצמת הקרינה Radiation Intensity U(θ הספק הקרינה ליחידת זווית מרחבית )θ,φ מבוטא ביחידות ][Watt/steradian מהווה משתנה שימושי לחישובי אנטנות צפיפות הקרינה Radiation Density S(θ הספק הקרינה ליחידת שטח )θ,φ מבוטא ביחידות ][Watt/m² מהווה משתנה שימושי לחישובי בטיחות והפרעות 30 עוצמה וצפיפות קרינה דוגמה: באנטנה מסוימת עוצמת הקרינה היא אחידה בתחום זוויתי של 1 radian X 1 radianואפס בכל יתר המרחב. נוכל לומר כי הקרינה מרוכזת על פני 1/4πמן המרחב. דוגמה: באתר מסוים קיימת צפיפות קרינה של 0.1 Watt/m² לכן אנטנה ששטחה A = 2 m²תקלוט הספק של P = S(θ,φ) x A = 0.2 Watt 31 משוואות מכסוול משוואות מכסוול הן מערכת של 4משוואות דיפרנציאליות הקושרות בין מקורות הקרינה לבין שדות הקרינה באופן שלם וסגור. המשתנים הבסיסיים הם: השדה החשמלי ההעתקה החשמלית השדה המגנטי ההעתקה המגנטית צפיפות המטענים צפיפות הזרם 32 E D H B ρ J משוואות מכסוול בתווך לינארי חשמלי קיים: D=εE היכן ש ε -הוא המקדם הדיאלקטרי בתווך לינארי מגנטי קיים: B=µH היכן ש µ -הוא המקדם הפרמיאבילי כמו כן משוואת הרציפות קובעת: div J + ∂ρ/∂t 33 משוואות מכסוול משוואות מכסוול הן: (1) curl E = - ∂B / ∂t (2) curl H = J + ∂D / ∂t (3) div D = ρ (4) div B = 0 בהנחה של תלות הרמונית בזמן ובתווך לינארי קיים: curl E = -jωµ H curl H = J + jωε E div E = ρ/ε div H = 0 34 )(1 )(2 )(3 )(4 משוואות מכסוול לפני שמנסים לפתור את משוואות מכסוול יש לקחת בחשבון את תנאי השפה .עבור תווך מוליך קיים: J=σE היכן ש σ -היא המוליכות החשמלית )מספר גבוה(. בתוך חלל מוליך )גם אם הוא חלול( אין שום שדות חשמליים או מגנטיים .על שטח המוליך ,השדה החשמלי המשיקי מתאפס ואילו השדה המגנטי ניצב לכיוון הזרם המשטחי .Js 35 משוואות מכסוול הדרך המקובלת לפתור את משוואות מכסוול היא : ) (1לרשום את פילוג הזרמים הנפחיים או המשטחיים עד כמה שנוכל לדעת אותם בהתאם לתנאי השפה. ) (2לרשום פוטנציאל וקטורי Aשהוא בעיקרון אינטגרל נפחי )תלת ממדי( של הזרמים. ) (3לגזור את השדה המגנטי הרחוק מן הפוטנציאל )H = (1/µ) curl (A הוקטורי Aלפי: ) (4לגזור את השדה החשמלי הרחוק מן השדה המגנטי )E = (1/jωε) curl (H לפי: ) (5לעדכן באופן איטרטיבי את הזרמים שהנחנו. 36 משוואות מכסוול פתרון שלם ועקבי של משוואות מכסוול מניח את קיומו של ערור כלשהו )באזור קטן לאינסוף( ומוצא הן את התפלגות המקורות והן את התפלגות השדות, בהתאמה לתנאי השפה באופן .self consistent פתרונות אנליטיים כאלה קיימים במספר קטן של מקרים שבהם פישטו את המבנה בצורה קיצונית )למשל :אלמנט זרם נקודתי ,תיל ישר דק ,לולאה וחריץ קטן מאד( .למקרים השימושיים בחיי היום יום אין פתרונות אנליטיים כי האינטגרלים בלתי פתירים .לכל היותר אפשר להניח שפילוג הזרם נתון וממנו לחשב את שדות הקרינה. 37 משוואות מכסוול לעזרתנו באים כמה עקרונות בסיסיים של קרינה המסייעים לקבל פתרונות מקורבים ,לפחות באופן איכותי ,כגון עקרון השקילות )אקויולנטיות( בין מקורות זרם חשמליים ומגנטיים ועקרון השיקוף המאפשר להחליף משטחים מתכתיים מסוימים באלמנטי קרינה שקולים. הרוב המכריע של תכנוני אנטנות נעשים בעזרת פתרונות נומריים ע"י תוכנות מדף מסחריות. בסימולציות אלה פותרים את משוואות מכסוול על פני סריג מסוים )ממשי או מדומה( תוך שימוש בעקרונות השקילות והשיקוף ואחרים. 38 עקרון השקילות תצורה של זרם חשמלי Jl ו"זרם מגנטי" Ml נפחיים שקולה לזרם חשמלי Js וזרם מגנטי Ms משטחיים הערה: זרם מגנטי הוא יציר מתמטי שעדיין לא נתגלה במציאות. 39 עקרון השקילות לכל תצורת קרינה של זרם חשמלי ו/או זרם מגנטי ניתן בעיקרון לייצר תצורה שקולה עם תנאי שפה וזרמים משטחיים כך שהזרם החשמלי המשטחי יתאפס או הזרם המגנטי המשטחי יתאפס. 40 עקרון השקילות מקרה פרטי: כשנתון אלמנט זרם מגנטי מעל משטח אדמה ניתן להחליף את משטח באלמנט זרם בגודל כפול. 41 עקרון השיקוף כשנתון אלמנט מעל משטח אדמה ניתן להחליף את משטח האדמה באלמנט זהה ,סימטרי ביחס לאדמה. יש לקחת בחשבון שאם האדמה גדולה ,הקרינה תצא רק לחצי המרחב .לכן נזכור שאם השבח של דיפול מבודד הוא 2 dBiאז השבח של דיפול מעל משטח אדמה הוא בערך ) 6-8 dBiפקטור 2בגלל השיקוף ועוד פקטור 2בגלל שהקרינה יוצאת לחצי מרחב. 42 שדה קרוב ושדה רחוק בקרבת האנטנה מבחינים בשני אזורים קרובים שבהם עדיין אין התפשטות של גל אלקטרומגנטי מישורי: (1אזור הריאקטיבי שבו האנטנה מתנהגת כמו מהוד 0 < R < λ/2π π (2אזור קרינתי קרוב )נקרא על שם פרנל( שבו השדה אמנם מתפשט אבל קרוב יותר לגל כדורי: 0.6 √D³/λ λ < R < 2D²/λ λ שדה הקרינה הרחוק שבו הגלים מישוריים )נקרא על שם פראונהופר( מתחיל במרחק: R > 2D²/λ λ 43 שדה קרוב ושדה רחוק 44 שדה קרוב ושדה רחוק עקומי קרינה עבור מרחקי מדידה שונים מן המפתח. ניתן לראות כי "השדה הרחוק" אינו חד משמעי ותלוי למעשה בדיוק הדרוש של אונות הצד. 45
