docdB - ACAD
download 
Report Transcription
dB - ACAD
.2פרמטרים עיקריים רוחב אלומה כיווניות שטח אפקטיבי הארת המיפתח ויעילות האנטנה שבח מערכת קואורדינטות ועקומי קרינה אונות צד קיטוב והפסדי קיטוב תיאום אימפדנסים ויחס גלים עומדים רוחב סרט טמפרטורת האנטנה סיכום 1 רוחב אלומה האנטנה היא למעשה "עדשה" אלקטרומגנטית אשר ממקדת את הקרינה לכוון מסוים במרחב .בהיבט אחר היא גם "סדק רחב" שממנו הקרינה מתאבכת לגזרה זוויתית מוגדרת. התכונה הבסיסית ביותר של עדשה ושל סדק רחב היא עקרון העקיפה ) (diffractionהקובע את הקשר בין גודל המפתח ,dאורך הגל λוזווית הקרינה :θ )θ ≈ λ / d (radian 2 רוחב אלומה מקובל לתכנן ,לחשב ולמדוד את רוחב האלומה במעלות לא ברדיאנים: )θ ≈ 57 λ/d (degrees נדייק יותר אם נגדיר את רוחב האלומה בין הזויות שבהן ההספק יורד למחצית ) .(3 dBרוחב האלומה תלוי גם במידת האחידות של הארת האנטנה או ב"-משקול המפתח": מפתח מואר אחיד: מפתח מואר עם משקול חלש: מפתח מואר עם משקול חזק: 3 θ = 50 λ/d θ = 55-60 λ/d θ = 65-75 λ/d רוחב אלומה לעיתים יש עניין לדעת את רוחב האלומה בין האפסים הראשונים ) .(Beam Width Between Nullsהערכה סבירה לקשר בין רוחבי האלומה הנ"ל היא: )θ(nulls) ≈ 2 – 2.2 θ(3 dB לרוחב אלומה בין האפסים יש משמעות בקשר לכושר ההפרדה הזוויתי של האנטנה. 4 תיאור האלומה הראשית עבור רוב הצרכים המעשיים ניתן לקרב את אלומת הקרינה הראשית כדלקמן: P(θ θ) = exp²[- k (θ ]θ / θ3dB)² P(θהוא עקום הקרינה להספק כאשרθ) : פרמטר ידוע הקשור לאלומת הקרינה k של האנטנה )ניקח (k=1.38 זווית הסטייה מן הכיוון המכסימלי θ רוחב האלומה בנקודות חצי הספק θ3dB 5 הפסד אלומה אם האנטנה אינה מכוונת בדיוק למטרה ,ניתן להגדיר הפסד אלומה עקב סטייה בין האנטנה לבין המטרה: 6 Pattern Loss )θ / θ(3dB 0.05 dB 0.05 0.1 dB 0.10 0.3 dB 0.15 0.5 dB 0.20 0.8 dB 0.25 1.1 dB 0.3 2 dB 0.4 3 dB 0.5 8 dB 0.8 רוחב אלומה מרחבי כאשר נתון מפתח דו-ממדי ,אפשר להגדיר את הרוחב הזוויתי של האלומה )ביחידות סטרדיאן( ע"י מכפלה של שני רוחבי האלומה θH ,θEבשני החתכים הראשיים הנקראים חתך Eוחתך :H ΩA = θE θH 7 כיווניות המקרן האיזוטרופי Isotropic Radiator - יציר מתימטי )לא קיים במציאות( המייצג מקור זרם קטן לאינסוף המקרין לכל הכוונים במידה שווה .נוח לטיפול מתימטי .מהווה בסיס לכיול ולהשוואה. המקרן הכלל כיווני Omni Directional - אנטנה מעשית המקרינה באופן אחיד בחתך אחד )בדרך כלל בצידוד(. המקרן הכיווני Directional - אנטנה מעשית המקרינה לגזרה צרה ,עם חתך אלומה עגול )"אלומת עפרון"( או חתך אליפטי. 8 כיווניות כיווניות אנטנה היא המידה שבה הקרינה מרוכזת לגזרה זוויתית צרה. U(θ θ,φ הקרינה המכסימלית לכיוון מסוים היאφ) max : U(θ θ,φ והקרינה הממוצעת היאφ) average : ההגדרה הבסיסית ביותר לכיווניות אנטנה Directivity D = U(θ θ,φ φ) max / U(θ θ,φ) average 9 כיווניות הקרינה הממוצעת היא סך ההספק המוקרן מחולק לזווית המרחבית של כדור שלם ,כלומר U(θ θ,φ φ) average = Prad / 4π π כיווניות האנטנה היא אפוא: D = 4π π U(θ θ,φ φ) max / Prad 10 כיווניות באנטנה כיוונית ניתן להגדיר את הגזרה הזוויתית שאליה מקרינה האנטנה ע"י: ΩA = ∫∫ U(θ θ,φ φ) sinθ θ dθ θ dφ φ = θE x θH נרשום את הגדרת הכיווניות בצורה אחרת: D = 4π π / ΩA = 4π π / θE θH ונכניס את ערכי רוחבי האלומה לפי עקרון העקיפה: )λ/d2 D = 4π π / (λ λ/d1)(λ d1, d2הם ממדי המפתח של האנטנה )נניח מלבן(. 11 שטח אפקטיבי נוכל לרשום את שטח האנטנה Aבאמצעות שני הממדים )אורך ורוחב( של המפתח: A = d1 x d2 לכן מקבלים שהכיווניות קשורה לשטח האנטנה: D = 4π πA / λ² באופן מעשי הארת האנטנה אינה מושלמת עקב שגיאות פאזה ואמפליטודה של ההארה ועקב "בריחת" אנרגיה לכוונים לא רצויים .מגדירים אפוא שטח אפקטיבי של אנטנה לפי: D = 4π πAeff / λ² 12 הארת המפתח ונצילות האנטנה בדרך כלל הארת המפתח אינה אחידה ולכן נוכל להגדיר את נצילות המפתח לפי המידה שבה ההארה אחידה ומושלמת )או ביחס למיפתח אחיד(: η aperture = Aeff / A בנוסף לכך לכל אנטנה יש הפסדים שונים הפוגעים ביעילות שלה כרכיב אלקטרוני .יעילות של אנטנה מוגדרת לפי היחס בין ההספק שהיא מקרינה לחלל Pradלבין ההספק שנכנס לתוכה :Pin η physical = Prad / Pin 13 יעילות האנטנה בתקשורת אלחוטית ניידת מעוניינים בדרך כלל באנטנות כלל כיווניות ככל האפשר כדי שאיכות הקליטה לא תהיה תלויה בהצבה ובכיוון אנטנה. באנטנות כלל כיווניות אין אפוא משמעות רבה לעקומי הקרינה של האנטנה אלא יש לקחת בחשבון בעיקר את יעילות האנטנה η physical = Prad / Pin 14 שבח שבח האנטנה הוא המדד המעשי ביותר המאפיין את התכונה הבסיסית של האנטנה לרכז את הקרינה לגזרה מסוימת .השבח מוגדר לפי: G = 4π π U(θ θ,φ φ)max / Pin וממילא גם: G=Dη מרכיבי ההפסדים באנטנה הם :הפסד נצילות המפתח )בד"כ נלקח בתוך הכיווניות( ,הפסדי החזרה ,הפסדים אוהמיים ,הפסדים דיאלקטריים והפסדי קיטוב: )η= η(aperture) η(mismatch) η(ohmic) η(dielectric) η(polarization 15 שבח נוח לבטא את השבח במונחים של רוחבי אלומה בשני החתכים הראשיים של אלומת הקרינה: G = K / θE θH ערכי kמבטאים בתוכם גם את נצילות המפתח וגם את יעילות האנטנה כולה .באנטנה מושלמת: K = 4π π x 57 x 57 x ( π/4) = 32,000 אבל בפועל יש להתחשב בנצילות המפתח ובנצילות הפיסיקלית .לכן באנטנה מעשית אפשר לאמוד את K K ≈ 18,000 to 32,000 בתחום: 16 שבח דוגמאות לשבח של אנטנות: דיפול דיפול אופקי מעל אדמה מערך לוג פריודי מערך יאגי-אודה קצה פתוח של גלבו שופר פירמידלי אלמנט מיקרוסטריפ מערך מיקרוסטריפ קטן מערך מיקרוסטריפ גדול רפלקטור פרבולי 17 2.14 dBi 6-8 dBi 6-12 dBi 8-16 dBi 5-7 dBi 10-25 dBi 6-8 dBi 14-25 dBi 25-35 dBi 20-50 dBi שבח לפעמים מבטאים את השבח ביחס לדיפול לפי dBd = dBi - G(dipole) = dBi - 2.14 dB המונח EIRP Effective Isotropic Radiated Power מבטא הספק שידור כפול שבח האנטנה EIRP = Power (Watt) x Gain לפעמים משתמשים במונח ERP Effective Radiated Power שבו שבח האנטנה הוא ביחס לדיפול ואז: EIRP(dB) = ERP(dB) + 2 dB 18 שבח מוחלט במערכות אלחוטיות הפועלות ללא קו ראיה ,הקיטוב המגיע לאחר ריבוי החזרות הוא אקראי. באנטנות קטנות המיועדות לתקשורת אלחוטית ,משתמשים במונח "שבח מוחלט" או "שבח אבסולוטי" המבטא את כלל ההספק המוקרן ולאו דווקא בקיטוב לינארי יחיד. )P(total) = P(vertical) + P(horizontal )G(absolute) = G(vertical) + G(horizontal כדי לחבר את עקומי הקרינה בשני הקיטובים הניצבים צריך לסכם את ההספקים אבל בסקלה לינארית )לא (dB 19 שבח מוחלט 6 dB G absolute 5 4 3 G horizontal 2 1 0 12- G vertical 3 ANGLE 20 שבח מוחלט 21 הפרש בין קיטוב אחד לקיטוב שני תוספת שצריך לתת לקיטוב החזק יותר 0 dB 1 dB 2 dB 3 dB 4 dB 5 dB 6 dB 7 dB 8 dB 9 dB 10 dB 3.0 dB 2.6 dB 2.1 dB 1.8 dB 1.5 dB 1.2 dB 1.0 dB 0.8 dB 0.6 dB 0.5 dB 0.4 dB מערכת קואורדינטות הערה: מקור הזרם בד"כ מוצב במישור x-y 22 מערכת קואורדינטות הערה: כוון הקרינה הוא r 23 מערכת קואורדינטות הערה: חתכים בהגבהה: בתלות בזוית θ חתכים בצידוד: בתלות בזוית φ 24 עקומי קרינה עקום קרינה Radiation Patternהיא פונקציה המתארת את הקרינה בתלות בקואורדינטות של המרחב .נהוג לתאר את הממוצע בזמן של שטף הספק הקרינה כפונקציה של הזויות .θ,φ עקומי קרינה מוצגים באופן גרפי בצורה לינארית או פולרית .כמו כן ניתן לבנות גרף דו-ממדי. ברוב המקרים ולרוב הצרכים אפשר לתאר את עיקר ביצועי האנטנה בעזרת שני חתכי קרינה עיקריים מאונכים זה לזה .נתייחס אליהם בדרך כלל כחתכי הגבהה ) (Elevationו-צידוד ).(Azimuth 25 עקומי קרינה מגדירים E planeכמישור המכיל את וקטור השדה E ואת כיוון הקרינה .מגדירים H planeכמישור המכיל את וקטור השדה Hואת כיוון הקרינה. חתכי הקרינה הראשיים בהגבהה H-plane ,E-plane cuts ניצבים זה לזה ותלויים בהצבת האנטנה במישור :XY עבור אלמנט זרם בכוון E plane - yהוא מישור zy חתך Eנתון ע"י θכאשר φ=90° חתך Hנתון ע"י θכאשר φ=0° עבור אלמנט זרם בכוון E plane - xהוא מישור ZX חתך Eנתון ע"י θכאשר φ=0° חתך Hנתון ע"י θכאשר φ=90° 26 עקומי קרינה חתכים ראשיים E Plane H Plane 27 עקומי קרינה חתכי הקרינה הראשיים בצידוד מתאימים לתיאור ביצועי אנטנה כלל כיוונית ,אשר אלמנט הזרם שלה מוצב בכוון .Z חתכים אלה ניתנים כפונקציה של φעבור הגבהות שונות מעל ומתחת לאופק. 28 עקומי קרינה בכל חתך קרינה ,הפרמטרים העיקריים הם: 29 • רוחב האלומה )בנקודות חצי ההספק (3 dB • רמת אונת הצד הראשונה )נמדדת ב(dB- • רמת אונות הצד הרחוקות )שיאית או ממוצעת( • רמת אונות הצד האחוריות )(F/B ratio עקומי קרינה 30 אונות צד פרמטר קריטי במערכות צבאיות ולצורך רישוי אזרחי במפתח מלבני אחיד: אונת צד ראשונה אונות צד רחוקות -13 dB -20 dB במפתח עגול אחיד: אונת צד ראשונה אונות צד רחוקות -17 dB -23 dB במפתח מלבני עם משקול :אונת צד ראשונה אונות צד רחוקות -17 to -25 dB -25 to -40 dB אונות אחוריות )(backlobesתלויות במבנה ,בד"כ נמוכות מאונות הצד הרחוקות. 31 קיטוב הקיטוב הוא כיוון השדה החשמלי Eהמוקרן מן האנטנה .השדה החשמלי מתקדם במרחב )במהירות האור( ולכן הקיטוב הוא קו במרחב המוכתב ע"י קצה הווקטור החשמלי .הקיטוב מאונך לכיוון השדה המגנטי ולכוון ההתפשטות. למעשה הקיטוב הוא תמיד אליפטי והיחס בין הצירים נקרא יחס צירי ) .(Axial Ratioאם ציר אחד הוא אפס או קרוב מאד לאפס ,הקיטוב הוא לינארי .אם שני הצירים שווים הקיטוב הוא מעגלי. 32 קיטוב כוון ההתפשטות ואליפסת הקיטוב 33 קיטוב סוגי קיטובים נפוצים: • • • • • לינארי אנכי לינארי אופקי לינארי אלכסוני מעגלי ימני מעגלי שמאלי קיטוב מעגלי מושג על ידי שני אלמנטי זרם שווים בגודלם עם הפרש פאזה קבוע של ) 90°השדה החשמלי מתקדם במרחב כמו ספירלה(. 34 קיטוב קיטוב מעגלי ימני וקיטוב מעגלי שמאלי הם מקור לאי הבנות .יש לדייק בהגדרות ולהיזהר היטב. קיטוב ימני – RHCPיש לקחת יד ימין כאשר הבוהן מכוונת לכיוון ההתפשטות 4 .rהאצבעות המכופפות מסמנות את כיוון השדה החשמלי עם השעון. קיטוב שמאלי – LHCPכנ"ל אבל נגד כיוון השעון ,כפי שמתקבל ביד שמאל. כדי לדעת מהו כוון הסיבוב נשתמש במונחים של True Delay Lineבין שני אלמנטי הזרם היוצרים את הקיטוב ונחשוב מי יוצא למרחב ראשון. 35 קיטוב באנטנות גדולות מגדירים את ערב-הקיטוב Cross Polarizationכעקום הקרינה בקיטוב הניצב לקיטוב הרצוי .מתעניינים בערך של הקיטוב הניצב בתוך האלומה הראשית. ערכים רצויים הם בד"כ-25 to -35 dB : באנטנות קטנות משתמשים בהגדרה של יחס צירי Axial Ratioשהוא כאמור היחס בין הקיטובים כאשר מסובבים את האנטנה ביחס לציר . rמתעניינים ביחס הצירי במרחב הכיסוי הנדרש של האנטנה. AR = 0 to 6 dB ערכים רצויים הם בד"כ: 36 הפסדי קיטוב לקיטוב האנטנה יש משמעות קריטית בתכנון ערוצי תקשורת .שני מכשירי רדיו עם קיטובים ניצבים לא יעבירו ביניהם כמעט שום אות. יעילות קיטוב בין שתי אנטנות מקוטבות לינארית היא )Polarization Efficiency = cos²(ψ יעילות הקיטוב בין שתי אנטנות מקוטבות מעגלית קשורה ליחס הצירי )היחס בין הציר הראשי לבין הציר המשני באליפסת הקיטוב(. 37 יחס צירי בקיטוב מעגלי או קרוב למעגלי מגדירים את היחס הצירי ARלפי יחס הקרינה בין שני הצירים הראשיים כמו כן ניתן למדוד את הקיטוב הניצב שהוא היחס בין קיטוב מעגלי ראשי לקיטוב מעגלי משני קיים קשר בין שני הפרמטרים _______ ______ √( = Cross pol √( √AR – 1)² / √AR +1)² דוגמהAR = 3dB : 38 ⇔ cross = 15 dB הקשר בין יחס צירי לקיטוב הפוך Variation of Axial Ratio with Cross Polar signal level 12 11 Axial Ratio 10 9 Axial Ratio/dB 8 7 Axial Ratio/dB 6 (Axial Ratio/dB) .פולי 5 4 3 2 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Cross Polar Signal Level/dB Cross polarization 39 הפסדי קיטוב בקיטוב לינארי יעילות הקיטוב היא: )Polarization Efficiency = cos ² (ψ בקיטוב מעגלי יעילות הקיטוב היא: √(Polarization Efficiency=1/[1+ √(√AR–1)²/ ]√AR+1)² 40 הפסדי קיטוב 41 תיאום אימפדנסים לאנטנה המחוברת לקו תמסורת כלשהו יש אימפדנס כניסה מרוכב שהוא פונקציה של התדר. )Zin = Zr (real) + Zi (imaginary בתדר התהודה החלק המדומה מתאפס ואימפדנס הכניסה הוא ממשי .אימפדנס ממשי זה ניתן לייצוג על ידי נגד שמפזר אנרגיה הנקרא "התנגדות הקרינה" .Rr האנרגיה המפוזרת היא הקרינה למרחב. אין קשר בין התנגדות הקרינה של האנטנה לבין "אימפדנס הגלים" במרחבE/H = 120 π = 377 Ω : 42 תיאום אימפדנסים האנטנה מחוברת לקו תמסורת עם אימפדנס אופייני של Zoולכן מקדם ההחזרה הוא: )Γ = (Zin – Zo) / (Zin + Zo מקדם ההחזרה להספק או הפסד ההחזרה הוא: RL = Return Loss = |Γ|² אנטנה מתואמת היא אנטנה שבה הפסד ההחזרה נמוך .בד"כ מסתפקים ברמת תיאום של -10 dB ) 10%מן האנרגיה המשודרת מוחזרת למקור או 10%מן האנרגיה הנקלטת מוחזרת לאוויר( 43 תיאום אימפדנסים 44 יחס גלים עומדים יחס גלים עומדים Voltage Standing Wave Ratio מבטא את מקדם ההחזרה בצורה אחרת: )|VSWR = (1 + |Γ|) / (1 – |Γ בדרך כלל מבטאים את רמת הגלים החוזרים VSWR הנדרשת בכל תחום העבודה של האנטנה: אנטנה עם תיאום גבוה VSWR = 1.2 – 2 אנטנה עם תיאום בינוני VSWR = 2 – 3 אנטנה עם תיאום חלש VSWR = 3 – 4 נשים לב שהפסד החזרה כרוך גם בהפסד העברה. 45 יחס גלים עומדים Return Transmission Loss (dB) Rho VSWR Loss (dB) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------40 30 25 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9.5 9 8 7.4 7 6 3 0.01 0.0316 1.02 1.07 0 0 0.0562 0.0891 0.1 0.1122 0.1259 0.1413 0.1585 0.1778 0.2 0.2239 0.2512 0.2818 0.3162 0.3333 0.3548 0.3981 0.4286 0.4467 0.5 0.7079 1.12 1.2 1.22 1.25 1.3 1.33 1.38 1.43 1.5 1.58 1.67 1.78 1.92 2.0 2.10 2.32 2.5 2.61 3.0 5.85 0.01 0.03 0.04 0.06 0.07 0.09 0.11 0.14 0.18 0.22 0.28 0.36 0.46 0.51 0.58 0.75 0.88 0.97 1.25 3.0 46 רוחב סרט רוחב סרט יחסי של אנטנה: Bandwidth = ∆f / f0 = (f2 – f1) / (f2 +f1) / 2 או לפי היחס בין התדר הגבוה לתדר הנמוך: Bandwidth = f(high) : f(low) = f2 / f1 גורם האיכות Qהפוך לרוחב הסרט: Q = 1 / Bandwidth 47 רוחב סרט רוחב סרט במונחים של :VSWR VSWR - 1 BW (VSWR) = -----------------)Q √(VSWR למשל עבור :VSWR=2 √BW (VSWR=2) = 1 / Q √2 רוחב סרט יכול להתייחס גם לשבח ,לרוחב אלומה או לקיטוב .למשל עבור קיטוב מעגלי הנוצר על ידי שני אלמנטים ,רוחב הסרט לקיטוב מעגלי ביחס :AR = 3 dB BW (AR=3dB) ≈ 0.3/Q 48 טמפרטורת האנטנה שמש עננים גשם קרקע חדירת מקורות רעש חיצוניים 49 טמפרטורת האנטנה טמפרטורת השמיים של האנטנה: 2π π ∫ ∫ T (θ , φ )G(θ , φ )sin(θ )dθdφ B 0 0 2π π = TA ∫ ∫ G(θ , φ )sin(θ )dθdφ טמפרטורת המיפתח היא: 0 0 TAP = [(1/eA) - 1]Tp טמפרטורת הרעש האפקטיבי של האנטנה המועברת למקלט היא: )Ta = TA efficiency + TAP efficiency + To (1-efficiency 50 טמפרטורת האנטנה כאשר: 10מעלות קלווין( = TBטמפרטורת בהירות השמים )בדרך כלל 10-20 טמפרטורה פיזיקלית של האנטנה במעלות קלווין = Tp יעילות תרמית של האנטנה )בדרך כלל קרובה לeA = (1- טמפרטורת ייחוס 300מעלות קלווין = To יעילות מעבר בין האנטנה והמקלט = efficiency אין הפסדים efficiency = 1 הפסד מלא 51 efficiency = 0 טמפרטורת האנטנה טמפרטורת המערכת מוגדרת על ידי: Tsys = Ta + Tr טמפרטורת המקלט = Tr והיא הבסיס לחישוב הרעש התרמי הנכנס למקלט: Noise = K Tsys B קבוע בולצמן K = 1.38 x 10^(-23) Watt /°Kelvin / Hz רוחב סרט של המקלט )הרץ( = B 52 טמפרטורת האנטנה שמים TB אנטנה מגבר LNA קו תמסורת TA + TAP la Ta טמפרטורות הרעש מהשמים עד המקלט 53 סיכום 54 סיכום 55
