Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό
Ίδρυμα Θεσσαλίας Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα #3: Διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων - Κεραίες Γεώργιος Καρέτσος Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Τ.Ε.Ι. Θεσσαλίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες
Σκοποί ενότητας Ο αναγνώστης να μπορεί να: διακρίνει τις πηγές του θορύβου που επηρεάζουν τις τηλεπικοινωνίες, υπολογίζει τον θερμικό θόρυβο στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, συγκρίνει την επίδοση διαφορετικών ηλεκτρονικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ως προς το θόρυβο, υπολογίζει την αθροιστική επίδραση του θορύβου σε εν σειρά συστήματα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Περιεχόμενα ενότητας Βασικές έννοιες Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων Κύματα στον ελεύθερο χώρο Εντάσεις ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου Διάδοση στην επιφάνεια της γης Ιονόσφαιρα και ουράνια κύματα Διάδοση στο χώρο και ραδιοηλεκτρικός ορίζοντας Κεραίες και βασικές παράμετροι χαρακτηρισμού Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εισαγωγή Ένας αγωγός όταν διαρρέετε από ρεύμα υψηλής συχνότητας ακτινοβολεί ενέργεια σε κάποια απόσταση. Αν εντός της απόστασης αυτής, που τη λέμε κανάλι, τοποθετήσουμε άλλη αγώγιμη διάταξη αυτή θα λάβει μέρος της ακτινοβολούμενης ενέργειας. Στις ασύρματες επικοινωνίες το κανάλι είναι ο ελεύθερος χώρος μεταξύ των κεραιών του πομπού και του δέκτη. Η ενέργεια ακτινοβολείται και διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο με μία μορφή που ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Βασικές έννοιες ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (1/3)
Βασικές έννοιες ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (1/3) Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι ταλαντώσεις πού μεταδίδονται στον ελεύθερο χώρο με την ταχύτητα του φωτός. Δημιουργούνται από δονούμενα ηλεκτρικά φορτία. Κάθε δονούμενο ηλεκτρικό φορτίο περιβάλλεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο και από ένα μαγνητικό πεδίο. Ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Βασικές έννοιες ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (2/3) Αντίστοιχα όταν ένα ηλεκτρικό φορτίο δονείται, το ηλεκτρικό πεδίο γύρω από αυτό αλλάζει, δημιουργώντας ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Ένα παράδειγμα είναι ένας μετασχηματιστής που μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια από το ένα κύκλωμα στο άλλο κύκλωμα. Το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο είναι κάθετα μεταξύ τους, και το παραγόμενο Η/Μ κύμα ταξιδεύει σε όλες τις κατευθύνσεις. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Βασικές έννοιες ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (3/3) Όλη η ύλη περιέχει φορτισμένα σωματίδια που είναι πάντα σε κίνηση. Ως εκ τούτου, όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Για την ανάλυσης της διάδοσης των Η/Μ κυμάτων θεωρούμε ότι εκπέμπονται από μία σημειακή πηγή, και διαδίδονται στον ελεύθερο χώρο ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Μία τέτοια πηγή Η/Μ λέγεται ισοτροπική και δεν μπορεί να υπάρξει στην πράξη. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Κάθετα οδεύουσες συνιστώσες ηλεκτρομαγνητικού κύματος
Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μέτωπο κύματος Σε απόσταση Α από την σημειακή πηγή το κύμα έχει μία συγκεκριμένη φάση. Όλα τα σημεία τα οποία έχουν την ίδια φάση σχηματίζουν ένα επίπεδο το οποίο ονομάζεται μέτωπο κύματος. Αν το μήκος της ακτίνας Β είναι διπλάσιο του Α, τότε η νέα σφαίρα που δημιουργείται έχει επιφάνεια 4 φορές μεγαλύτερη της σφαίρας ακτίνας Α. Σε μεγάλες αποστάσεις από την πηγή κάθε μικρή περιοχή του μετώπου του κύματος μπορεί να ληφθεί σαν επίπεδο κύμα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Κύματα στον ελεύθερο χώρο από ισοτροπική πηγή
Κύματα στον ελεύθερο χώρο από ισοτροπική πηγή Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Πυκνότητα ισχύος Αν ορίσουμε την πυκνότητα ισχύος σαν ακτινοβολούμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας, τότε η πυκνότητα ισχύος ελαττώνεται στο ¼ της τιμής της, όταν η απόσταση από την πηγή διπλασιάζεται. Αποδεικνύεται ότι η πυκνότητα ισχύος είναι αντίστροφα ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης από την πηγή: 𝓟= 𝑃 𝑡 4𝜋 𝑟 2 . Ο νόμος αυτός ονομάζεται νόμος του αντίστροφου τετραγώνου, και ισχύει για κάθε μορφή διάδοσης στον ελεύθερο χώρο (και για μη ισοτροπικές πηγές). Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εντάσεις ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (1/2)
Εντάσεις ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (1/2) Για ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ισχύει: 𝓔=𝓩·𝓗 όπου 𝓔 η ενεργός τιμή του ηλεκτρικού πεδίου σε V/m, 𝓗 η ενεργός τιμή του μαγνητικού πεδίου σε Α/m, και 𝓩 η χαρακτηριστική αντίσταση του μέσου. Η χαρακτηριστική αντίσταση του μέσου δίνεται από τη σχέση: 𝓩= 𝜇 𝜀 , όπου μ η μαγνητική διαπερατότητα του μέσου, και ε η διηλεκτρική σταθερά του. Για το κενό ισχύει: 𝜀=854,8 10 −12 𝐹 𝑚 , μ=1, −6 𝐻 𝑚 . H διαπερατότητα είναι ισοδύναμη της επαγωγής, και η διηλεκτρική σταθερά είναι το ισοδύναμο της χωρητικότητας στα ηλεκτρικά κυκλώματα. Συνεπώς, μπορούμε τώρα από την παραπάνω σχέση να υπολογίσουμε την χαρακτηριστική αντίσταση του κενού: 𝓩=120π Ω=377 Ω Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εντάσεις ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (2/2)
Εντάσεις ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου (2/2) Η γνώση της χαρακτηριστικής αντίστασης κάνει δυνατό τον υπολογισμό της έντασης του πεδίου σε απόσταση 𝑟 από την ισοτροπική πηγή. Αν γνωρίζουμε την ισχύ ενός Η/Μ κύματος, το ηλεκτρικό πεδίο θα δίνεται από την σχέση: 𝓔 2 =𝓟×𝓩= (𝑃 𝑡 4𝜋 𝑟 2 )×120𝜋 = 30 𝑃 𝑡 𝑟 . Είναι φανερό ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι αντίστροφα ανάλογη της απόστασης από την πηγή και ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της πυκνότητας ισχύος. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Πόλωση Η/Μ κυμάτων Η πόλωση αναφέρεται στον φυσικό προσανατολισμό του εκπεμπόμενου κύματος στον χώρο. Τα κύματα ονομάζονται γραμμικά πολωμένα αν έχουν τον ίδιο προσανατολισμό στον χώρο. Γενικά ισχύει ότι η κατεύθυνση της πόλωσης είναι ίδια με την κατεύθυνση της κεραίας. Έτσι κατακόρυφες κεραίες ακτινοβολούν κατακόρυφα πολωμένα κύματα, και οριζόντιες κεραίες ακτινοβολούν οριζόντια πολωμένα κύματα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Θεώρημα αμοιβαιότητας
Ένα καλώδιο που εισέρχεται μέσα σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, διαρρέετε από ηλεκτρικό ρεύμα που επάγει σε αυτό το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το καλώδιο λαμβάνει μέρος τις ακτινοβολίας του πεδίου, και συμπεριφέρεται σαν μία κεραία λήψης. Συνεπώς οι κεραίες εκπομπής και λήψης είναι ίδιες! Τα χαρακτηριστικά των κεραιών όπως αντίσταση ακτινοβολίας και διάγραμμα ακτινοβολίας παραμένουν ίδια, ανεξάρτητα από την χρήση της κεραίας σαν κεραία εκπομπής ή λήψης. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εξασθένηση Η/Μ κυμάτων
Τα Η/Μ κύματα εξασθενούνε καθώς απομακρύνονται από την πηγή, και η εξασθένηση είναι ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης που διένυσαν. Η εξασθένηση μετριέται σε dB και συμβαίνει να είναι ίδια αριθμητικά, τόσο για την ένταση του πεδίου όσο και για την πυκνότητα ισχύος. Σε απόσταση 2r από την πηγή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, τόσο η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου όσο και η πυκνότητα ισχύος του μαγνητικού πεδίου, είναι κατά 6dB μικρότερες από την τιμή τους σε απόσταση r. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Απορρόφηση Η/Μ κυμάτων (1/3)
Τα μόρια και τα άτομα της ατμόσφαιρας απορροφούν μέρος της ενέργειας των Η/Μ κυμάτων, κάτι που δεν ισχύει για το κενό. Η απορρόφηση των Η/Μ κυμάτων από την ατμόσφαιρα είναι σημαντική για συχνότητες πάνω από 10GHz. Εξαιτίας των διαφορετικών μοριακών συντονισμών, η απορρόφηση εμφανίζει πολλές αυξομειώσεις ανάλογα με τη συχνότητα. Χωρίζεται σε δύο βασικές κατηγορίες: Οξυγόνου. Υδρατμών. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Η υγρασία, η ομίχλη, η βροχή και το χιόνι, αυξάνουν σημαντικά την απορρόφηση των Η/Μ κυμάτων. Για παράδειγμα, ένα radar που εκπέμπει στα 10GHz καλύπτει 75 Km απόστασης σε ξηρό αέρα, 55 km για σιγανή βροχή, 22 Km για μέτρια βροχή, και μόνο 8 Km για δυνατή βροχή! Ένα μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα, και ένα άλλο μέρος διασπείρεται (scattered) λόγω της διπολικής φύσης των μορίων. Η απορρόφηση των Η/Μ κυμάτων δεν είναι πάντα κακή! Για παράδειγμα, η ατμόσφαιρα απορροφά το μεγαλύτερο μέρος της ακτινοβολίας, από την υπεριώδη περιοχή μέχρι την περιοχή των ακτίνων Χ. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Διάδοση ραδιοκυμάτων κοντά στην επιφάνεια της γης
Διάδοση ραδιοκυμάτων κοντά στην επιφάνεια της γης Ανάκλαση (reflection) των κυμάτων από το έδαφος, τα βουνά, και τα κτίρια. Διάθλαση (refraction) καθώς διαπερνούν διαφορετικά στρώματα της ατμόσφαιρας, τα οποία έχουν διαφορετική πυκνότητα ή διαφορετικό βαθμό ιονισμού. Περίθλαση (diffraction) γύρω από ογκώδη αντικείμενα με ακμές. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Κύματα επιφανείας (1 από 3)
Κατά την διάδοση ενός Η/Μ κύματος κοντά στην επιφάνεια της γης επάγεται ρεύμα στο έδαφος, και μέρος της ενέργειάς του απορροφάται από αυτό. Έτσι, αντί απλά να ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή τα ραδιοκύματα, τείνουν να ακολουθούν την καμπυλότητα της γης και λέγονται κύματα επιφανείας (ground waves). Η δράση αυτή επιβραδύνει το κύμα μπροστά σε αυτήν την περιοχή, προκαλώντας την κλίση του μετώπου του κύματος προς τη γη, κάτι που βοηθά στην διάδοση αλλά... ... όταν η κλίση του ηλεκτρικού πεδίου γίνει οριζόντια με την επιφάνεια της γης το ηλεκτρικό πεδίο απορροφάται, και το σήμα εξασθενεί τελείως. Η απορρόφηση αυτή αυξάνει με τη συχνότητα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ο τύπος της κεραίας και της πόλωσης του, έχει σημαντική επίδραση στη διάδοση των κυμάτων επιφανείας. Η κάθετη πόλωση υπόκειται σε σημαντικά μικρότερη εξασθένηση από τα οριζόντια πολωμένα σήματα. Λόγω των μεγάλων μηκών κύματος τα VLF σήματα ( kHz) μπορούν να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις. Διαπιστώνεται ότι έδαφος με καλή αγωγιμότητα δίνει το καλύτερο αποτέλεσμα. Έτσι, το είδος του εδάφους και η περιεκτικότητα σε υγρασία είναι σημαντική, με το θαλασσινό νερό να είναι το καλύτερο. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ουράνια κύματα Η διάδοση με ουράνια κύματα αναφέρεται στη διάδοση των ραδιο-κυμάτων μέσω της ιονόσφαιρας. Τα σήματα ανακλώνται από την ιονόσφαιρα κάτω στη γη, και κάθε ανάκλαση από την ιονόσφαιρα είναι ένα hop. Ένα σήμα μπορεί να ταξιδέψει για μία σειρά από hops, εμπρός και πίσω, μεταξύ της ιονόσφαιρας και της γήινης επιφάνειας. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ιονόσφαιρα (1 από 4) Η ιονόσφαιρα είναι η περιοχή της ανώτερης ατμόσφαιρας, όπου η υπεριώδης ακτινοβολία του ήλιου μπορεί να ιονίσει τα μόρια του οξυγόνου. Υπάρχουν τρία κύρια στρώματα της ιονόσφαιρας: Στρώμα D: από 50 έως 80 χιλιόμετρα υψόμετρο. Τα ιόντα σε αυτό το στρώμα ανασυνδυάζονται τη νύχτα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ιονόσφαιρα (2 από 4) Στρώμα Ε: από χλμ υψόμετρο. Τα ιόντα και σε αυτό το στρώμα ανασυνδυάζονται τη νύχτα, αλλά διαρκούν περισσότερο μετά τη δύση του ηλίου. Στρώμα F: από 200 έως 400 χλμ υψόμετρο (οι αποστάσεις αυτές εξαρτώνται πολύ από την εποχή, και από το αν είναι μέρα ή νύχτα). Είναι το λιγότερο πυκνό και μπορεί να παραμείνει μερικώς ιονισμένο όλη τη νύχτα. Το στρώμα F χωρίζεται στα F1 και F2 στρώματα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Τα στρώματα συνδυάζονται σε ένα ενιαίο στρώμα F τη νύχτα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ιονόσφαιρα (3 από 4) Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ιονόσφαιρα (4 από 4) Το στρώμα F2 είναι το πιο σημαντικό ανακλαστικό μέσο για τα ραδιοκύματα υψηλών συχνοτήτων. Το πάχος του, κατά προσέγγιση, μπορεί να ανέλθει στα 2000 km και το εύρος ύψους του από τα 250 ως τα 400 km την ημέρα. Τη νύχτα πέφτει σε ένα ύψος 300 km, όπου ενώνεται με το F1 στρώμα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μηχανισμός διάδοσης ουράνιων κυμάτων (1/4)
Μηχανισμός διάδοσης ουράνιων κυμάτων (1/4) Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα επιστρέφουν στη Γη, αφού ανακλαστούν σε ένα από τα στρώματα της ιονόσφαιρας μέσω του μηχανισμού της διάθλασης. Όσο ο βαθμός ιονισμού αυξάνει σε ένα στρώμα της ιονόσφαιρας, τόσο μειώνεται ο δείκτης διάθλασης του στρώματος. Αν η μεταβολή του δείκτη διάθλασης ανά μονάδα ύψους είναι επαρκής, η διαθλώμενη ακτίνα τελικά θα γίνει παράλληλη με το στρώμα, θα κυρτώσει προς τα κάτω για να ανακλαστεί τελικά από το ιονισμένο στρώμα υπό γωνία ίση με τη γωνία προσπτώσεώς της. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μηχανισμός διάδοσης ουράνιων κυμάτων (2/4) Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μηχανισμός διάδοσης ουράνιων κυμάτων (3/4) Όσο πιο κάθετη είναι η προσπίπτουσα σε ένα στρώμα της ιονόσφαιρας ακτίνα, τόσο πιο πολύ πρέπει να κυρτώσει για να επιστρέψει πίσω στη Γη. Αν η ακτίνα είναι σχεδόν κάθετη, το κύμα θα διαφύγει της ιονόσφαιρας και δεν θα επιστρέψει στη γη. Υπάρχει μία μέγιστη συχνότητα επάνω από την οποία οι ακτίνες διαπερνούν την ιονόσφαιρα. Αυτή λέγεται κρίσιμη συχνότητα (critical frequency) fc, και είναι η υψηλότερη συχνότητα ενός κύματος το οποίο θα επιστρέψει στη γη, αφού ανακλαστεί από δεδομένο στρώμα της ιονόσφαιρας. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μηχανισμός διάδοσης ουράνιων κυμάτων (4/4) Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Κύματα χώρου Ο μηχανισμός διάδοσης τους είναι απλός και μεταδίδονται όπως τα Η/Μ κύματα στον ελεύθερο χώρο. Επειδή έχουμε συνθήκες οπτικής επαφής (line-of- sight) η μετάδοσή τους περιορίζεται από την καμπυλότητα της γης. Η μέγιστη απόσταση ραδιοκάλυψης, καθορίζεται από τον λεγόμενο ραδιοηλεκτρικό ορίζοντα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ραδιοηλεκτρικός Ορίζοντας
Ο ραδιοηλεκτρικός ορίζοντας για κύματα χώρου είναι περίπου τα 4/3 σε μήκος του οπτικού ορίζοντα. Προσεγγιστικά, δίνεται από τον εμπειρικό τύπο: 𝑑 𝑡 =4 ℎ 𝑡 . όπου 𝑑 𝑡 η απόσταση από την κεραία μετάδοσης, και ℎ 𝑡 το ύψος της. Ο ίδιος τύπος εφαρμόζεται στις κεραίες λήψης. Οπότε η συνολική απόσταση δίνεται από τη σχέση: 𝑑= 𝑑 𝑡 + 𝑑 𝑟 =4 ℎ 𝑡 ℎ 𝑟 Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ζητήματα μικροκυματικής διάδοσης (1/2)
Στις μικροκυματικές συχνότητες η ατμοσφαιρική απορρόφηση πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη. Νέα φαινόμενα που μπορεί να εμφανιστούν στις υψηλές συχνότητες είναι η υπερδιάθλαση (superrefraction), και η κυματοδήγηση (ducting). Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία με το ύψος, αντί της συνηθισμένης μείωσης, εμφανίζεται το φαινόμενο της υπερδιάθλασης. Τότε τα Η/Μ κύματα κυρτώνουν περισσότερο από το κανονικό, συντομεύοντας έτσι το ραδιοφωνικό ορίζοντα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ζητήματα μικροκυματικής διάδοσης (2/2)
Επίσης, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες ένα επίπεδο ζεστού αέρα μπορεί να παγιδευτεί επάνω από ψυχρότερο στρώμα αέρα. Η ξαφνική αλλαγή της πυκνότητας όταν ένα Η/Μ κύμα μπαίνει στο θερμό αέρα, προκαλεί το κύμα να διαθλάται πίσω προς τη Γη. Όταν το κύμα χτυπά τη γη, ή ένα άλλο ζεστό στρώμα θα ανακλάται, ή διαθλάται πάλι προς τα πάνω και τελικά θα προχωρεί μέσω πολλαπλών αναπηδήσεων σαν να βρίσκεται σε κυματοδηγό. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εισαγωγή στις κεραίες Για τη μετάδοση των ραδιοκυμάτων στον περιβάλλοντα χώρο, καθώς επίσης και για τη λήψη τους από τον δέκτη, είναι αναγκαία η ύπαρξη κατάλληλου μηχανισμού. Αυτός ο μηχανισμός είναι η κεραία, και απαραίτητη προϋπόθεση για την αναλυτική μελέτη της θεωρίας των κεραιών, αποτελεί η κατανόηση της θεωρίας των συντονισμένων κυκλωμάτων και των φαινομένων προσαρμογής σύνθετης αντίστασης. Αποτελεί μία μεταλλική κατασκευή, η λειτουργία της οποίας εστιάζεται στη μετατροπή των υψίσυχνων ρευμάτων σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα, και αντίστροφα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Βασικές θεωρήσεις Η κεραία είναι η διεπαφή μεταξύ της γραμμής μεταφοράς και του περιβάλλοντα χώρου. Θα πρέπει να είναι προσαρμοσμένη τόσο στη γραμμή μεταφοράς όσο και στο φορτίο (την ατμόσφαιρα - περιβάλλοντα χώρο). Οι κεραίες είναι παθητικές συσκευές. Η ισχύς που ακτινοβολείται δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την ισχύ που παρέχεται από τον πομπό. Όταν μιλάμε για κέρδος κεραίας, αναφερόμαστε στο γεγονός ότι σε ορισμένες κατευθύνσεις, ακτινοβολεί καλύτερα από κάποιες άλλες. Στις κεραίες ισχύει οι αμοιβαιότητα - ο ίδιος σχεδιασμός λειτουργεί τόσο για την λήψη όσο και για την μετάδοση. Παρόλα αυτά, οι κεραίες συνήθως έχουν βελτιστοποιηθεί για λήψη ή για μετάδοση, όχι και για τα δύο. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων
Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Σε μία γραμμή μεταφοράς που τερματίζει σε ανοιχτό κύκλωμα δημιουργούνται στάσιμα κύματα. Ιδανικά, όλη η προσπίπτουσα ενέργειας πρέπει να αντανακλάται. Αλλά πρακτικά, ένα μικρό μέρος διαφεύγει από το σύστημα και ακτινοβολείται. Όσο μεγαλύτερη η ελεύθερη επιφάνειά της στο χώρο, τόσο περισσότερο διευκολύνεται η διαδικασία ακτινοβολίας της ενέργειας, οπότε και περισσότερη ενέργεια εκπέμπεται στον περιβάλλοντα χώρο. Η απόδοση ακτινοβολίας (radiation efficiency), μεγιστοποιείται στην περίπτωση που τα άκρα της έχουν καμφθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να εμφανίζονται κάθετα στη γραμμή μεταφοράς. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Από την γραμμή μεταφοράς στην κεραία
Από την γραμμή μεταφοράς στην κεραία Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Δίπολο λ/2 (1 από 2) Όταν το συνολικό μήκος των δύο κάθετων καλωδίων είναι ίσο με το μισό του μήκους κύματος του εκπεμπόμενου κύματος, η κεραία καλείται δίπολο μισού κύματος (half- wave dipole). Η διπολική κεραία είναι η βάση για τα περισσότερα σχέδια κεραιών, είναι μία ισορροπημένη κατασκευή, με ίσες αλλά αντίθετες τάσεις και ρεύματα που εφαρμόζονται στους δύο ακροδέκτες του, μέσω μίας ισορροπημένης γραμμής μετάδοσης. Το δίπολο μισού κύματος έχει μία αντίσταση περίπου 73 Ω στο σημείο τροφοδοσίας του. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Δίπολο λ/2 (2 από 2) Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Κατανομή τάσης και ρεύματος
Η σύνθετη αντίσταση λαμβάνει μικρή τιμή στο κέντρο της, στο σημείο όπου πραγματοποιείται η σύνδεσή της µε την γραμμή μεταφοράς. Συνεπώς, η ένταση του ρεύματος είναι μεγάλη στο κέντρο της κεραίας και μικρή στα άκρα της, γεγονός που οδηγεί στη μέγιστη ακτινοβολούμενη ενέργεια. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Διάγραμμα ακτινοβολίας (1 από 2)
Διάγραμμα ακτινοβολίας (1 από 2) Το διάγραμμα ακτινοβολίας μιας κεραίας, είναι μία γραφική παράσταση της σχετικής έντασης του πεδίου των ραδιοκυμάτων, που εκπέμπονται από την κεραία σε διαφορετικές γωνίες. Συνήθως είναι ένα τρισδιάστατο γράφημα, ή ένα πολικό διάγραμμα των οριζόντιων και κάθετων διατομών της έντασης του πεδίου σε V/m, έναντι της γωνίας σε μοίρες. Το διάγραμμα ακτινοβολίας πολλών κεραιών, είναι ένα μοτίβο με μέγιστα ή «λοβούς» σε διάφορες γωνίες, που χωρίζονται από «μηδενισμούς» όπου η ακτινοβολία πέφτει στο μηδέν. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Διάγραμμα ακτινοβολίας (2 από 2)
Διάγραμμα ακτινοβολίας (2 από 2) Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Συντονισμένες κεραίες
Μία κεραία RF είναι μία μορφή συντονισμένου κυκλώματος που αποτελείται από επαγωγή και χωρητικότητα, και ως εκ τούτου έχει μία συχνότητα συντονισμού. Αυτή είναι η συχνότητα όπου η χωρητική και επαγωγική εμπέδηση αλληλοεξουδετερώνονται. Τότε η αντίσταση εισόδου της είναι καθαρά πραγματική. Οι συντονισμένες κεραίες (resonant antennas) εμφανίζουν πολύ μικρό εύρος ζώνης. Όσο μεγαλύτερη σε μήκος είναι μία κεραία, τόσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα συντονισμού. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Διάγραμμα ακτινοβολίας ακτινοβολητή αγωγού
Το διάγραμμα ακτινοβολίας (στον ελεύθερο χώρο) ενός οποιουδήποτε ακτινοβολητή αγωγού (wire antenna), εξαρτάται κυρίως από το μήκος του. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Ισοτροπική κεραία Μία ισοτροπική κεραία είναι μία ιδανική κεραία που ακτινοβολεί ομοιόμορφα σε όλες τις κατευθύνσεις. Το διάγραμμα ακτινοβολίας της είναι σφαίρα, με κέντρο που συμπίπτει με την τοποθεσία της ισοτροπικής κεραίας, και δεν μπορεί να υπάρξει στην πραγματικότητα. Παρόλα αυτά, χρησιμοποιείται σαν κεραία αναφοράς για τον προσδιορισμό του κέρδους όλων των πραγματοποιήσιμων κεραιών. Αυτό το κέρδος είναι ένα μέτρο για την κατευθυντικότητα μιας δεδομένης κεραίας, και μετράται σε dBi (decibels σε σχέση με την ισοτροπική). Μία ισοτροπική κεραία έχει ένα υποθετικό κατευθυντικό κέρδος ίσο με τη μονάδα προς όλες τις κατευθύνσεις. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μη συντονισμένες κεραίες (1 από 2)
Μη συντονισμένες κεραίες (1 από 2) Μία κεραία έχει κύματα που κινούνται πάνω-κάτω. Εάν τερματίσουμε το ένα άκρο με μία αντίσταση ενώ τροφοδοτούμε το άλλο, τα κύματα θα ταξιδέψουν μόνο προς την κατεύθυνση της αντίστασης. Αυτό το είδος κεραίας ακτινοβολεί αποτελεσματικά σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, και ονομάζεται μη συντονισμένη (non resonant) κεραία. Οι μη συντονισμένες κεραίες είναι κατευθυντικές (directional), δηλαδή εκπέμπουν προς μόνο μία κατεύθυνση. Το διάγραμμα ακτινοβολίας μοιάζει με αυτό των συντονισμένων κεραιών, μόνο που στην συγκεκριμένη περίπτωση υφίστανται μόνο οι μισοί λοβοί. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Μη συντονισμένες κεραίες (2 από 2)
Μη συντονισμένες κεραίες (2 από 2) Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Κέρδος κεραίας Κέρδος είναι μία παράμετρος που μετρά το βαθμό της κατευθυντικότητας του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας. Μία κεραία υψηλής απολαβής θα ακτινοβολεί κυρίως προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος ανά μονάδα επιφανείας που ακτινοβολείται από την κεραία προς την κατεύθυνση της μέγιστης παραγωγής της, σε μία αυθαίρετη απόσταση, διαιρούμενο με την ένταση που ακτινοβολείται στην ίδια απόσταση από μία υποθετική ισοτροπική κεραία. Το κέρδος δεν προστίθεται από την κεραία. Γίνεται απλά αναδιανομή της ακτινοβολούμενης ισχύος, σε μία ορισμένη κατεύθυνση από την ισχύ που θα μεταδιδόταν από μία ισοτροπική κεραία. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Τυπικές τιμές κέρδους κεραιών
Tο κέρδος του δίπολου Hertz, αναφορικά πάντοτε με μία πανκατευθυντική κεραία, υπολογίζεται σε 1.76 dBi. H αντίστοιχη τιμή του κέρδους της διπολικής κεραίας μισού κύματος υπολογίζεται 2.15 dBi. Στην περίπτωση της διπολικής κεραίας μήκους l = 8λ το κέρδος είναι dBi. Στην περίπτωση δε των παρόμοιων (ως προς το μήκος) μη συντονισμένων κεραιών, οι τιμές κέρδους των είναι 5.05 dBi έως dBi αντίστοιχα. Συμπεραίνουμε ότι αυξανόμενου του μήκους της κεραίας, αυξάνεται η τιμή του κέρδους της, ενώ τα κέρδη των συντονισμένων κεραιών είναι μικρότερα από τα αντίστοιχα των μη συντονισμένων. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Αντίσταση ακτινοβολίας κεραίας
Πρόκειται για ένα υποθετικό μέγεθος με θεωρητική μόνο σημασία. Ως αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας (antenna radiation resistance), ορίζεται η ωμική αντίσταση ενός κυκλώματος, στην οποία θα απελευθερώνονταν το ίδιο ποσό ενέργειας με το αντίστοιχο ακτινοβολούμενο από την κεραία. Προσδιορίζεται από το λόγο της μέσης ακτινοβολούμενης ισχύος της κεραίας, προς το τετράγωνο της έντασης του επαγόμενου ρεύματος που αναπτύσσεται σε συγκεκριμένο απομακρυσμένο σημείο. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Απώλειες Απώλειες ισχύος κατά την εκπομπή μιας κεραίας οφείλονται μεταξύ άλλων: στην αντίσταση του εδάφους, στον ιονισμό των μορίων του αέρα γύρω από την κεραία (corona effect), στο μη τέλειο διηλεκτρικό στον περιβάλλοντα χώρο της κεραίας, σε επαγωγή ρευμάτων eddy σε μεταλλικά αντικείμενα τα οποία βρίσκονται κοντά στην κεραία, σε θερμικές απώλειες κατά μήκος της. Οπότε για την συνολική ισχύ τροφοδοσίας της κεραίας θα ισχύει: 𝑃 𝑖𝑛 = 𝑃 𝑑 + 𝑃 𝑟𝑎𝑑 Όπου Pd η ισχύς απωλειών και Prad η ισχύς ακτινοβολίας. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Βαθμός απόδοσης (1 από 2) Αν στην σχέση με τις ισχύς, αντικαταστήσουμε καθ’ έναν από τους τρείς όρους µε Ι2R, προκύπτει η ισοδύναμη σχέση: 𝑅 𝑖𝑛 = 𝑅 𝑑 + 𝑅 𝑟𝑎𝑑 Όπου Rd η αντίσταση της κεραίας (antenna resistance) και Rrad η αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας. Ο βαθμός απόδοσης της κεραίας, μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της ακτινοβολούμενης ισχύος από την κεραία, προς τη συνολική ισχύ τροφοδοσίας της κεραίας. 𝑛= 𝑅 𝑖𝑛 𝑅 𝑑 + 𝑅 𝑟𝑎𝑑 % Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Βαθμός απόδοσης (2 από 2) Οι LF (Low Frequency) και MF (Medium Frequency) κεραίες είναι οι λιγότερο αποδοτικές δεδομένων των δυσκολιών που απαντώνται στην επίτευξη του κατάλληλου μήκους τους. Ο βαθμός απόδοσης των εν λόγω κεραιών δεν ξεπερνά την τιμή 0.95, ενώ είναι δυνατό στη χειρότερη περίπτωση ο βαθμός απόδοσης τους να μην ξεπερνά την τιμή 0.75. Η αντίσταση ακτινοβολίας είναι δυνατό να λαμβάνει τιμή σε ένα εύρος λίγων Ohm, μέχρι αρκετές εκατοντάδες Ohm. Η επιλογή του σημείου τροφοδοσίας, τα φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της κεραίας, είναι ορισμένοι παράγοντες που καθορίζουν την τιμή της αντίστασης ακτινοβολίας της κεραίας. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Εύρος ζώνης συχνοτήτων και εύρος δέσμης κεραίας
Εύρος ζώνης συχνοτήτων και εύρος δέσμης κεραίας Το εύρος ζώνης συχνοτήτων (bandwidth) καθορίζει το συχνοτικό εύρος στο οποίο η κεραία μπορεί να λειτουργεί αποδοτικά. Το εύρος δέσμης (beam width) της κεραίας που καθορίζει το βαθμό συρρίκνωσης/συγκέντρωσης του διαγράμματος ακτινοβολίας, γύρω από τον κεντρικό άξονα. Η ικανότητα συρρίκνωσης ή όχι της ακτινοβολούμενης δέσμης γύρω από τον κύριο άξονα ακτινοβολίας, καθορίζεται από τη γωνία που σχηματίζεται από τα σημεία ημίσεως ισχύος (half power points). Στα σημεία αυτά, η ένταση του πεδίου της κεραίας μειώνεται στο της μέγιστης τιμής του κυρίως λοβού του διαγράμματος ακτινοβολίας. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Πολικότητα κεραίας (1 από 2)
Πρόκειται για τη παράμετρο που προσδιορίζει τον προσανατολισμό (στο χώρο) των πεδίων του εκπεμπόμενου ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Στην περίπτωση που η διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι κάθετη, η κεραία εμφανίζεται κάθετα πολωμένη ενώ αντιθέτως, όποτε η διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι οριζόντια η κεραία χαρακτηρίζεται ως οριζόντια πολωμένη. Μία απλή κεραία σύρμα, θα έχει διαφορετική πόλωση όταν τοποθετείται κατακόρυφα, και διαφορετική πολικότητα όταν τοποθετείται οριζόντια. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Πολικότητα κεραίας (2 από 2)
Οι ανακλάσεις επηρεάζουν την πολικότητα . Για τα ραδιοκύματα ο πιο σημαντικός ανακλαστήρας είναι η ιονόσφαιρα. Τα σήματα που αντανακλούν σε αυτή, συνήθως υπόκεινται αλλαγές στην πολικότητα τους. Οι LF κεραίες εμφανίζουν συνήθως κάθετη πολικότητα, ενώ οι HF κεραίες εμφανίζουν συνήθως οριζόντια πολικότητα. Διάδοση Η/Μ κυμάτων - Κεραίες

Επεξεργασία: Σοφιανίδου Γεωργία
Τέλος Ενότητας Επεξεργασία: Σοφιανίδου Γεωργία

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Θεσσαλίας, Γεώργιος Καρέτσος Γεώργιος Καρέτσος. «Κινητές Επικοινωνίες». Έκδοση: 1.0. Λάρισα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 20/11/2015.

Σημείωμα Αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons: Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή, 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λπ., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο, που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο, που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Διατήρηση Σημειωμάτων
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς, το Σημείωμα Αδειοδότησης, τη Δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων, το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχουν). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων
Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνα 3: E.E. Altshuler and R.A. Marr, A comparison of experimental and theoretical values of atmospheric absorption at the longer millimeter wavelengths, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 36:1471, 1988. Πηγή: Εικόνα 9: Schwarzbeck Mess-Elektronik. Πηγή: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια