Antennák és hullámterjedés 6 óra

Átírás

1 Antennák és ullámtejeés 6 óa. Antennák óa.a. Antennák alapfogalmak aás, vétel, szóás.b. Antennák elektomos tulajonságai bemeneti ill. sugázási jellemzők. Antennák típusai uzalantennák, apetua antennák, eflekto,lencse antennák.0 óa 3. Antennák közel- és távoltee 0.5 óa 4. Mikosztip antennák sugázó és tápláló álózat felépítése, elektomos jellemzők 0.5 óa 5. Hullámtejeés óa Szabatéi tejeés gömbullámok és lokális síkullámok Reflexió közegek atáán Szóóás egyenetlen felületen Többutas tejeés Hullámok tejeése nemomogén közegben csapaék atása Diffakció és atása

2 A áióspektum Az elektomágneses ullámok eig megismet fekvenciatatománya közel zéustól mintegy 0 3 Hz-ig teje. Ebben az igen széles tatományban elyezkenek el többek között a áióullámok és a fény is. Az elektomágneses ullámok jelenléte a föli élet feltétele. Ezáltal ékezik Fölünke a fény, a ő és számos létfontosságú biológiai folyamatban játszik fontos szeepet az elektomágneses ullám és az anyag kölcsünatása. Ebben az ételemben, az elektomágneses spektum temészeti eőfoás és az elektomágneses sugázások könyezetünköz tatoznak. A áióspektum az elektomágneses spektumnak az a észe, amely mesteséges úton viszonylag jó atásfokkal előállítató, kisugáozató és felfogató, és ezáltal különféle áiószolgálatok számáa felasználató. Jelenlegi ismeeteink szeint ez a tatomány 9 khz és mintegy 300 GHz között elyezkeik el. Ebben a fekvenciatatományban temészetesen felasználonk vezetett ullámokat is, e az ilyen alkalmazásokkal ebben a tágyban nem foglalkozunk. A áióullámoka az jellemző, ogy mesteséges vezetés nélkül tejenek. Más temészeti eőfoásoktól eltéően a áióspektumnak az alábbi fontosabb tulajonságai vannak. a.) A spektum asznosítása nem jelenti annak végleges elfogyasztását. Ha egy sávban a áiószolgálat megszűnik, a sáv további felasználása eeeti minőségében felszabaul. b.) Az eőfoás tében, iőben és fekvenciatatományban beatáolt. c.) Mivel a áióullámok tejeését az aminisztativ atáok (oszág, megye stb.) nem befolyásolják, ezét a áióspektum nemzetközi eőfoás..) A spektumot pazaoljuk, a olyan céla asználjuk, amely más móon vagy atékonyabban is megvalósítató. e.) A áiózavaok a spektumot szennyezik. Más temészeti eőfoásokoz asonlóan a áióspektum a közösségi javakoz tatozik. Étékét keeskeelmi asznosítás (pl. távközlés) esetén a spektum felasználásával létejött ensze jöveelem temelő képessége atáozza meg. Ha a áióspektumot biztonsági szolgálatok (aseeg, enőség, mentők, tűzoltók stb.) asználják, akko étékét, vagy fontosságát azzal méjük, ogy milyen métékben jául ozzá e szolgálatok atékonyságának növeléséez. Ráiószolgálatok A fekvencagazálkoási felaatok megolása céljából a áiófekvenciás spektumot a Nemzetközi Távközlési Egyesület (ITU Intenational Telecommunication Union) a különféle áiószolgálatok között felosztotta és a Nemzetközi áiószabályzatban (IRR Intenational Raio Regulations) közzétette. A jelenlegi felosztás a 0 khz és 300 GHz közötti fekvenciáka teje ki. A felosztásokat enszeesen felülvizsgálják, és a tecnika fejlőésének megfelelően móosítják. A felülvizsgálatok fóumai az Igazgatási Ráió Világétekezletek (WARC Wol Aministative Raio Confeence). Az utóbbi 0 évben a nagyközönség számáa a WARC-77 és a WARC-9 vált ismetté. Az előbbin 977-ben a műolas TV műsoszóó szolgálatok bevezetésée teemtették meg a feltételeket, az utóbbin 99-ben a személyi áió fekvencia sávjának kijelölése volt a legjelentősebb esemény. A különféle áiószolgálatok teát olyan áióenszeek gyűjtőnevei, melyek a fekvenciaasználat szabályozása szempontjából azonos móon kezeletők. A klasszikus felosztás szeint a következő áiószolgálatokat különböztetjük meg: a.) Műsoszóó szolgálatok (Boacast Sevices) b.) Állanóelyű szolgálatok (Fixe Sevices) c.) Mozgó szolgálatok (Mobile Sevices).) Műolas szolgálatok ( Satellite Sevices) e.) Hiteles fekvencia és óajel szolgálatok (Stana Fequency an Time Signals Sevices) f.) Ráiónavigációs szolgálatok (Raio Navigation Sevices) g.) Ráiólokációs szolgálatok (Raio Location Sevices).) Ráiócsillagászati szolgálatok (Raio Astonomy Sevices) i.) Amatő szolgálatok (Amateu Sevices) j.) Ipai, tuományos és ovosi szolgálatok (ISM Inustial, Scientific an Meical Sevices)..a. Antennák alapfogalmak aás, vétel, szóás Aás és vétel Az antenna elektomágneses ullámok kisugázásáa és vételée szolgáló eszköz. A áióenszeekben (aa, íközlő enszeek) betöltött szeepe alapján az antenna a tápvonal és szaba té közötti tanszfomáto, mely a tápvonalon ozzávezetett enegiát kisugázott elektomágneses ullámokká (aóantenna) az antennáa beeső elektomágneses ullámot peig vezetett ullámmá alakítja (vevőantenna). Fontos, ogy az antennák min a tápvonalakoz, min a szaba téez jól illeszkejenek. (. ába)

3 Szabatéi ullám ~ Tápvonal Z g Refeencia sík P be P s U g Halaó ullám az antennán Reflektált ullám az antennán Γ a Antenna. ába Aóantenna műköése és elyettesítő képe Az aási és vételi funkció külön antennával, egy antennával felváltva, vagy egy antennával egyiőben is ealizálató. Szóás Az antenna más áamköi elemek csatlakoztatásáa szolgáló végzőésekkel (tápvonal csatlakozó) ellátott fémtest (a tisztán fém antennák mellett léteznek más, pl. kombinált fém-ielektikum típusú antennák). Az antennán kívüli téészből ékező ullámok tébeli eloszlását és intenzitását az antenna jelenléte megváltoztatja. Az iegen testnek ezt a atását szóásnak nevezzük. Szóás minen külső tébe elyezett antennán kialakul. A szóási tulajonságok az antenna alakjával és lezáásával változtatatóak. Egyes enszeekben az antenna felaata kizáólag szóás, vagyis a beeső té megatáozott móon való visszasugázása. Így műkönek pl. a mesteséges aa céltágyak és a áióíközlő enszeek passzív ismétlő állomása. A szóás az antenna amaik alapfunkciója..b. Antennák elektomos tulajonságai bemeneti ill. sugázási jellemzők Az antennát aóantennaként üzemeltetve egyik fontos jellemzője a atásfoka, mely kapcsolatot teemt az antennába betáplált ill. az antenna által a szaba tébe kisugázott teljesítmény között. Ps ηspbe () Ps Ps ηs Pbe Ps + Pveszt () aol P s az antenna által a szaba tébe kisugázott teljesítmény, P be az antennába betáplált teljesítmény, η az antenna sugázási atásfoka. s P veszt Pveszt, fém + Pveszt, iel a fém ill. ielektomos veszteség összege. Az antenna tápvonaloz való illesztettségét a eflexiós tényezővel efiniáljuk. P η P η s s be s ( Γa ) Pg,max aol P g,max az aóbeenezésből maximálisan kiveető teljesítmény, Z ant az antenna bemeneti impeanciája, Zant Z g Γ a az antenna eflexiós tényezője az aóbeenezés geneátoimpeanciájáoz Zant + Z g viszonyítva. Az antennák ecipok eszközök, aási és vételi jellemzőik azonosak, így bemeneti impeanciájuk is. Az antennák elyettesítő képe aási ill. vételi alkalmazása a. ábán látatjuk. (Az aóantenna passzív, a vevőantenna aktív kétpólus.) (3)

4 Z g Z ant U g ~ U a ~ Z ant Z L. ába Aó-, és vevőantenna ekvivalens áamköi moellje Hatásos ossz, atásos felület Az antennák vételi jellemzőiként gyakan a atásos osszat és atásos felületet asználják. Az antenna atásos ossza A vevőantenna atásos ossza ( l eff ) kapcsolatot teemt a beeső elektomágneses ullám eletomos téeőssége ( E ) és az antenna kapcsain méető üesjáási feszültség ( U ü ) között. U ü i * eff E l (4) Az antenna atásos felülete A vevőantenna atásos felülete ( A ) kapcsolatot teemt a beeső elektomágneses ullám teljesítmény sűűsége ( S ) és az antennából kiveető maximális atásos teljesítmény ( P, max ) között és teljesítményszemléletmóot tüköz. P, max S A (5) Az (5) efiníciónál feltételezzük; ogy a vevőantenna és a beeső ullám között polaizációillesztés van, vagyis egyszeűen szólva az antenna olyan ullámot vesz, mint amelyet aóantennaként is kisugáozna. Az antenna atásos felülete m imenziójú jellemző, melynek általában nincs köze az antenna fizikai felületéez. Ez alól az apetúa-antennák kivételt jelentenek, ezeknél ugyanis a atásos felület és a fizikai felület ányaosa az apetúaatásfok, azaz A η A Ageom aol A geom az apetúa fizikai felülete vagy nyílásfelülete. A gyakolatban η A A ecipocitás tételével bizonyítató, ogy egy antenna nyeesége és atásos felülete között az alábbi összefüggés áll fenn G 4π, A λ mely képlet ismeetében egy (ecipok) antennát elegenő az egyik paaméteel leíni és ez enszeint az antennanyeeség. A szabatéi és üzemi iánykaakteisztika A gyakolatban enszeint az antenna távoltee éekes, ezét az iánykaakteisztikával az antenna távolteének iányfüggését ajuk meg. Az iánykaakteisztika megatáozásánál feltételezzük, ogy az antenna akaálymentes szaba tébe sugáoz. Az így kapott iánykaakteisztikát az antenna szabatéi iánykaakteisztikájának nevezzük. Az akaálymentes szaba teet úgy is tekintetjük, mint az antenna áiócsatona felé néző kapujának illesztett lezáását. Ezt enszeint csak laboatóiumi köülmények között, eflexiómentesítő (elnyelő) anyaggal bukolt méőszobában, vagy speciális antenna méőteepen leet biztosítani. Aott enszeben a telepített antenna iánykaakteisztikáját üzemi iánykaakteisztikának nevezzük, mely a könyezet atása miatt jelentősen eltéet a szabatéitől. Az antenna teljesítmény- és amplituó iánykaakteisztikája Az antenna távoltéi téeőssége ϑ és ϕ iányú lineáisan polaizált komponensekkel felíva egy aott elyen a következő E E e + E e (6) ( ) ϑ ϑ ϕ ϕ aol E ϑ és E ϕ komplex skalákomponensek,

5 e ϑ és e ϕ otogonális egységvektook. A továbbiakban bennünket elsősoban a teljesítménysűűség éekel, ezét íjuk fel a (3.6) képletet egy valós skaláamplituó és egy egységnyi abszolutétékű vekto szozataként. Ez utóbbi a teljesítménysűűséget nem befolyásolja, e tatalmazza a ullám polaizációját. E E ϑ ϕ E( ) Eϑ + Eϕ eϑ + eϕ Eo( ) p( ) (7) E + E E + E ϑ ϕ ϑ ϕ aol E o ϑ ϑ ϕ ϕ a téeősség skalá amplituója p p e + p e a polaizációs vekto E E és a polaizációs vekto komplex komponensei ϑ ϕ ϑ pϕ Eo E o p p a polaizációs vekto abszolút étéke Az antenna sugázása a távoltében az oigóból kifelé alaó gömbullámmal íató le. Ennek amplituója és j β fázisa a távolsággal az ismet e tövényszeűség szeint változik, melyet a (7) képlet jobbolalán kiemelve a megmaaó feszültségimenziójú mennyiség má csak a szögkooináták függvénye lesz. jβ e E(, ϑ, Uo ( ϑ, p( ϑ, (8) Most íjuk fel a teljesítménysűűséget a (8) képlet segítségével: o U ( ϑ, S(, ϑ, (9) 40π U ( ϑ, A (9) képletben S (, ϑ, métékegysége W / m, métékegysége W/szteaián. 40 Emeljük ki a (9) képlet jobbolalán a maximális teljesítménysűűséget, vagyis vezessük be a nomalizált teljesítménykaakteisztikát S(, ϑ, Smax ( ) P( ϑ, (0) aol o U ( ϑ, max Smax ( ) 40π () S(, ϑ, P( ϑ, a nomalizált teljesítmény iánykaakteisztika S max ( ) () A () efinícióból következik, ogy F ( ϑ, P( ϑ, (3) valós függvény, melyet nomalizált feszültségiánykaakteisztikának, vagy másnéven amplituó iánykaakteisztikának nevezünk. A komplex vekto iánykaakteisztika Az amplituó iánykaakteisztika bevezetésével a (8) képlet az alábbi alaka ozató. jβ e E(, ϑ, U max F( ϑ, p( ϑ, (4) aol F ( ϑ, p( ϑ, az antenna komplex vekto iánykaakteisztikája. Az antenna polaizációs iánykaakteisztikája a polaizációs vektoból levezetető, valamelyik polaizációs jellemző iányfüggése. A gyakolatban enszeint az antenna keesztpolaizációs csillapítását aják meg, mely efiníciószeűen a következő pn ( ϑ, a p ( ϑ, 0lg [ B] (5) px ( ϑ, A téeősség (4) képlet szeinti felíásából következik, ogy a téeősség fázisát is a polaizációs vekto tatalmazza. Komponens iánykaakteisztikák

6 A polaizációs komponenseke vonatkozó (komplex-skalá) iánykaakteisztikák efiníciója a következő En ( ϑ, j Φn ( ϑ, Fn ( ϑ, Fn ( ϑ, e (6) Enmax aol F n ( ϑ, a főpolaizációs komponens amplituó iánykaakteisztikája Φ n ( ϑ, a főpolaizációs komponens fázis iánykaakteisztikája és az amplituó iánykaakteisztikáa igaz, ogy F( ϑ, pn ( ϑ, F n ( ϑ, (7) { F( ϑ, pn ( ϑ, } max és Ex ( ϑ, j Φ x ( ϑ, Fx Fx ( ϑ, e (8) Exmax aol F x ( ϑ, a keesztpolaizációs komponens amplituó iánykaakteisztikája Φ ( ϑ, a keesztpolaizációs komponens fázis iánykaakteisztikája x F( ϑ, px ( ϑ, F ( ϑ, (9) x { F( ϑ, px ( ϑ, } max Megjegyezzük, ogy a különféle áióenszeekben asznált antennák keesztpolaizációs csillapítása a főiányban 0-40 B, ezét F ( ϑ, és F n ( ϑ, között csak a főiánytól távolabb van számottevő különbség. Az is igaz viszont, ogy az antennát tébeli szűőnek tekintve F n ( ϑ, "záósávi" (vagyis főnyalábon kívüli) csillapítását leontatja F ( ϑ, nem megfelelő viselkeése. x Az iánykaakteisztika ábázolása Távolól nézve az antenna pontszeű és gömbullámot sugáoz, ezét az iánykaakteisztikát legszemléletesebben gömbi kooinátaenszeben ábázolatjuk (3. ába) 3. ába Iánykaakteisztika ábázolása A kooinátaenszet úgy vesszük fel, ogy a fő sugázási iány a z tengelybe essen, az x-z tengely peig az E és H vekto iányába (lineáis polaizáció esetén). A 3. ába szeint tetszőleges ( ϑ, iányban a elatív amplituó a tébeli iánykaakteisztikát leíó felület P pontjáig úzott áiuszvekto ossza. A fázis- és polaizációs kaakteisztika ilyen, a teljes 4π tészögtatományt felölelő ábázolásáa enszeint nincs szükség, ezét ezeknél a főnyaláboz közeli szögeke a eékszögű ábázolás szokásos. Az antenna tébeli iánykaakteisztikája igen szemléletes képet mutat az antenna sugázásáól, e előállítása elég mukaigényes, ezét csak itkán alkalmazzák. Régen fontosabb esetekben gipszből maketteket készítettek, ma áomimenziós számítógépes ábázolást alkalmaznak. A gyakolatban a tébeli iánykaakteisztika metszeteit alkalmazzák, mely má síkban ábázolató. Az ilyen ábázolásokat iányiagamoknak nevezzük. Leginkább a tébeli iányiagam z tengelyen átmenő metszetei asználatosak. Lineáis polaizáció esetén a o ϕ 0 és 90 -oz tatozó tengelymetszetek az E-síkú és H-síkú iányiagamokat aják, ilyet mutat a 4. ába.

7 4. ába Poláis, lineáis léptékű iagam Mint a 4. ábából látató, az iánykaakteisztika itt viszonylag széles főnyalábból és áom melléknyalábból áll. A nyalábok között az amplituó közel zéus, ezek elyét nullaiányoknak nevezzük. A tébeli szűő analógiát követve a főnyaláb az áteesztő sávnak, az ezen kívüli tatomány a záósávnak felel meg. A nulliányok a szűő zéusainak felelnek meg. A 4. ábán F (ϑ ) léptéke lineáis. Ez gyengén iányított antennák esetén kis amplituókülönbségek kimutatásáa előnyös. Nem asználató viszont az élesen iányított mikoullámú antennáknál, aol az amplituó a főnyalábon kívül több nagyságenel is kisebb. Ilyenko a logaitmikus léptéket (B skála) kell választanunk. Ilyet mutat a 5. ába. 5. ába Poláis, logaitmikus léptékű iagam Mint az 5. ábából látató az antenna átasugázása ( tatomány ) legalább 40 B-lel kisebb mint a főiányban, vagyis az iánykaakteisztika előe-áta aánya 40 B. Megemlítjük, ogy egyes mikoullámú áióelé összeköttetések antennáitól B előe-áta aányt kívánnak meg. A főnyaláb és könyezete az iánykaakteisztika legfontosabb észe. Ennek észletes ábázolása "kinagyítása" eékszögű kooinátaenszeben célszeű. Ilyet mutat a 6. ába. o 6. ába Deékszögű, logaitmikus léptékű iagam Az antenna iányítottságát egyes esetekben elegenő a főnyaláb fokokban mét szélességével jellemezni. Mint a 6. ábán is látató, ee szolgál Θ 3B ; a 3 B-es (vagy félteljesítményű) iányélességi szög, valamint főleg

8 mikoullámú antennák esetében a Θ 0B ; a 0 B-es iányélességi szög, és Θ o a főnyaláb kúpszöge, melyet a főnyalábot atáoló nullaiányok között méünk. Mint a 6. ábából látató, a melléknyalábszint a főnyalábtól távolova fokozatosan csökken, vagyis nő a melléknyaláb elnyomás. Iányatás és nyeeség Iányatás Az antenna iányítottságát egyetlen méőszámmal az iányatással is jellemezetjük. Ez a főiányban kisugázott teljesítménysűűség és az azonos teljesítményt kisugázó izotóp antenna teljesítménysűűségének ányaosa. Smax D (0) S o aol PS So () 4π P S a kisugázott teljesítmény. A kisugázott teljesítményt felíatjuk az amplituó iánykaakteisztikával az alábbi móon P S(, ϑ, A S F ( ϑ, ϕ A () S max ) A A Beelyettesítve a () képletbe és áttéve a tészög szeinti integálása 4π D (3) F ( ϑ, Ω aol 4π A Ω A (3) képlet azt jelenti, ogy az antenna iányatása csak az iánykaakteisztikától függ. Ha teát az antennát áamköi asonlattal négypólusnak tekintjük, akko az iányatás a sugázó kapu kapocspái jellemzője, és valójában aó- és vevőantennáa egyaánt ételmezető. Ételemszeűen étéke nem függ az antenna veszteségétől. A (3) képlet nevezőjének métékegysége szteaián. Ez úgy is felfogató, mint egy ieális antennanyaláb által elfoglalt tészögtatomány (7. ába) Ω A E tészögtatomány aol 7. ába Antenna iánykaakteisztikája és ieális elfoglalt tészögtatománya Ω A F ( ϑ, Ω (4) 4π Ω A az ekvivalens antennanyaláb tészöge. A gyakolatban Ω A közel egyenlő a főnyaláb 3 B-es kontúja által elfoglalt tészögtatománnyal. Ez leetővé teszi, ogy az iányatást jó közelítéssel kiszámoljuk az iányélességi szögből. Ugyanis ieális tűnyaláb esetén

9 Θ3B π Ω A 4 (5) aol Θ 3B a 3 B-es iányélességi szög aiánban. Átszámítva foka és beelyettesítva a (3) képletbe az iányatás közelítőleg 550 D Θ 3 B (6) Kösugázó antennánál 5 D Θ 3B (7) Nyeeség Az antennanyeeség a főiányban kisugázott teljesítménysűűség és az azonos bemenő teljesítményű izotóp antenna teljesítménysűűségének ányaosa. Smax G So (8) aol Pbe So 4π (9) Az áamköi asonlatnál maava a nyeeség teát "tanszfejellemző", vagyis függ az antenna veszteségétől. A fenti efinícióból következik, ogy az antenna omos veszteségeit kifejező atásfok a következő: G η D (30) Aóantennáknál minig töekszünk a maximális atásfoka, így ezeknél a nyeeség és az iányatás enszeint egyenlő.

10 . Antennák típusai uzalantennák, apetua antennák, eflekto, lencse antennák.. HUZALANTENNÁK A uzalantennák típusai A gyakolatban nagyon sok olyan antenna van, amely egyszeű alakú, egyenletes keesztmetszetű vezetőkből épül fel. (.. ába) Ilyen az egyenes ipólantenna, monopólantenna, ajlított ipól, ajlított monopól, ombuszantenna, V-antenna, keetantenna, tekecs antenna (vagy elix antenna)... ába Egyenes ipól Hajlított ipól Rombuszantenna Egyenes monopól Hajlított monopól V-antenna A felsoolt antennák közös jellemzője, ogy az egyenletes keesztmetszetű vezeték osszméete jóval nagyobb a keesztmetszeti méeténél, ezét jó fizikai moellt kapunk, a valamennyit uzalantennának tekintjük. A uzalantennák közös jellemzője, ogy a keesztmetszeti méet enszeint a ullámossznál is jóval kisebb, ezét a sugázási té kiszámítása általában olyan egyimenziós felaat, aol az áam osszmenti eloszlása egyszeű fizikai meggonolások alapján jól közelítető. Az áameloszlás szempontjából két esetnek van nagyobb jelentősége. Ha a vezeték a végén nyitott, és ossza a ullámossznál nem sokkal nagyobb, akko az áameloszlás jó közelítéssel állóullámú. Ilyenek a lineáis antennák (ipól, monopól). Ha a vezeték a végén ellenállással van lezáva, vagy ossza a ullámossznál sokkal nagyobb, akko az áameloszlás alaóullámú. Ie tatozik a ombuszantenna, V-antenna és egyes elix antennák. Huzalantennák távolteének kiszámítása A uzalantennák távolteének kiszámításáoz asználjuk fel a Hetz féle ipólus távolteének kifejezését. (Függelék) Legyen antennánk egyenes vezeték, ekko célszeű a z tengelyben elelyezni. Ekko a távoltéi elektomos téeősségnek csak ϑ, a távoltéi mágneses téeősségnek peig csak ϕ összetevője van. A ullámtejeés fejezetben megállapítjuk, ogy a távoltéi elektomos és mágneses téeősség összetevők között kapcsolat van, ezét elég az elektomos téeősséget felíni a.. ába alapján.

11 .. ába Egyenes ipól Az egyenes uzalantennát osszuk fel Hetz féle ipólusoka és íjuk fel egy, a z' elyen lévő elem elektomos téeősségét. I(z')z' - jβ -' Eϑ j60π e sinϑ (.) λ - ' Az egyenes antenna távoltéi elektomos téeősségét az elemi téeősség L, teljes antennaossza elvégzett integáljából kapjuk. -jβ -' 60π e Eϑ j sinϑ I(z') z' λ (.) - ' L A (.) kifejezésben az - ' közelítését íjuk fel a. ába alapján. Ha a Q megfigyelési pont az antennától elegenően távol van, akko a (.) integanusz kitevőjében - ' - ' cosϑ - ' cosϑ (.3) a nevezőjében peig - ' (.4) Az elektomos téeősség (.) kifejezése a (.3) és (.4) felasználásával - jβ 60π e E j sin I(z') jβ ' cosϑ ϑ ϑ e z' λ (.5) L A továbbiakban a uzalantennák távoltéi téeősségét a (.5) képletből kiinulva vezetjük le. Lineáis antennák téeőssége és iánykaakteisztikája A távoltéi téeősség levezetése Lineáis antennáknak az egyenes állóullámú antennákat nevezzük, melyek a.. ába szeint ipóloka és monopóloka osztatók. A közöttük fennálló tüközési összefüggést kiasználva, az ekvivalens monopól jellemzői a ipóléból megatáozatók, ezét egyelőe elegenő a ipóllal foglalkozni. A ipólantenna áameloszlása felíató, a az antennát a.3. ába szeint végén nyitott tápvonalnak tekintjük. Homogén tápvonal Inomogén tápvonalak.3. ába Végén nyitott tápvonal moell Ha a betáplálási pontok távolsága elegenően kicsi, akko a ipól áameloszlása

12 [ ( l - z' )] [ β ( l - z' )] [ β ( l + z' )] Imsin z'> 0 I(z') Imsin β (.6) Imsin z'< 0 A szimmetikus ipólantennát elyezzük el a.. ába kooinátaenszeében úgy, ogy a betálálási pont az oigóba essen. Az antenna téeőssége a (.) képlet és (.6) áameloszlás felasználásával - jβ 0 l 60π e jβ z'cosϑ jβ z'cosϑ Eϑ j Im sinϑ [ ] [ ] sin β (l + z') e z'+ l sin β (l - z') e z' (.7) λ 0 Változó tanszfomációval az első integál is átíató (0, ) közötti integálása, így E -jβ l 0π e ϑ j Im sinϑ sin[ β (l - z') ] cos( β z'cosϑ ) z' (.8) λ 0 A (.8) kifejezésben az integálást elvégezve a ipólus elektomos téeőssége -jβ e cos( β l cosϑ) - cos( β l ) Eϑ j60im (.9) sinϑ Az iánykaakteisztika Az antenna amplituó iánykaakteisztikájának megatáozásáoz ismenünk kell E ϑ maximumát. Eez előszö a fő sugázási iányt ( ϑ ) kell megatáoznunk. Bebizonyítató a (.9) képlet alapján, ogy a l / λ 0.65, akko van. Eszeint a (. 9) képletből max o max 90 ϑ, azaz a fő sugázási iány az antennáa meőleges síkban - a meiián síkban - -jβ e Emax j60im (- cos β l ) így az amplituó iánykaakteisztika: cos( β l cosϑ ) - cos β l F( ϑ ) (- cos β l )sinϑ a l/ λ 0.65 Az iánykaakteisztikát néány jellemző ossza a.4. ába mutatja. (.0) (.)

13 .4. ába Dipólus iánykaakteisztikái Mint a.4.a ába mutatja, a ullámosszoz képest övi antenna iánykaakteisztikája megegyezik a Hetz féle ipóluséval. Az antennaossz növelésével az iánykaakteisztika, az antennáa meőleges iányban megnyúlik (.4.b és.4.c ába). Mint a.4. ábán látató, az l / λ 0.65 antennaosszt eléve a főukok mellett megjelennek a mellékukok is, amelyek az antennaossz növelésével együtt nőnek (.4.e és.4.f ába). Ezekben az esetekben gyakolati céloka az antenna má nem nagyon asználató. Iányatás A lineáis antenna iányatásának képletét az alapefinícióból kiinulva vezetjük le Smax Smax D S P o S 4π A (.9) képlet felasználásával D π 0 (- cosβ l ) [ cos( β l cosϑ ) - cosβ l ] sinϑ ϑ Az iányatást l /λ függvényében a.5. ába tünteti fel. (.) (.3).5. ába Iányatás l /λ függvényében

14 Mint a.5. ábából látató, az iányatás a meiiánsíkban l /λ -nél zéus, ami összangban van az áameloszlás alapján kialakított képpel. Az ábából az is látató, ogy az iányatás maximuma l /λ nél van. Ezt a tényt asznosítjuk az olyan áiószolgálatoknál, amelyek vetikális antennát alkalmaznak és az ellenállomások a meiiánsík közelében vannak. Így pélául a föli mozgó URH áiótelefonok és a CB áiósok kevelt antennatípusa az 5/8λ 0.65λ osszuságú botantenna. Az egyenes ipólantenna egzakt áameloszlása Az egyenes ipólantenna egzakt áameloszlását az antenna áameloszlásáa felít integálegyenlet (Hallen vagy Pocklington) megolásaként kapjuk. A.6. ábákon bemutatjuk az antenna áamát néány jellemző antennaossza. Az ábákat az l Ω ln (.4) a kacsúsági tényezővel paaméteeztük, aol l a ipólantenna fél ossza, a a vezeték sugaa..6. ába Egyenes ipól áameloszlása

15 Az antenna bemeneti áamából a bemeneti impeanciája is kiszámítató. (.7. ába).7. ába Egyenes ipól bemeneti impeanciája A.7. ábán megfigyelető, ogy minen göbe átmegy a Z73.+j4.5 Ω ponton, aol az antenna ossza β l.57, vagyis l /λ 0.5. Ez alatt az impeancia nem nagyon függ a kacsúságtól, míg e fölött a függés igen jelentős. A göbék metszéspontja a valós tengellyel kis impeanciájú (ezonancia) illetve nagy impeanciájú (antiezonancia) állapotot jelent. A ezonancia- és antiezonancia ellenállást a kacsúság függvényében a.8. ába mutatja..8. ába Rezonancia- és antiezonancia ellenállás a kacsúság függvényében A ábán R -gyel jelült pontban az antenna ossza l 0.5λ (-δ ) (.5) Az R -vel jelölt pontban peig l 0.5λ (-δ ) (.6) aol a a l és l az antenna ezonáns-, illetve antiezonáns ossza a δ és a ezonáns-, illetve antiezonáns öviülés δ a

16 R és R a ezonancia-, illetve antiezonancia ellenállás. Mint látató, a ezonancia ellenállás kevésbé, az antiezonancia ellenállás viszont számottevően függ az antenna kacsúságától. A ezonancia ellenállást Ω függvényében a könnyebb kiétékeletőség éekében a.9. ábán külön is feltüntettük:.9. ába Rezonancia ellenállás A ezonáns és antiezonáns öviülés a kacsúság függvénye, melyet a.0. ába is mutat..0. ába Rezonáns és antiezonáns öviülés Mint látató, a ezonáns öviülés mintegy 3-0%, az antiezonáns peig 6-30%. A ezonancia ellenállás a öviülés függvényében, közelítőleg a következő R 73.(-3δ ) (.7).. APERTURAANTENNÁK Az apetuaantennák főbb típusai Paaboloi-eflekto antenna Az ismet otikai eflektooz asonlóan ez az antenna paabola vezégöbéjű eflektoból és a fókuszában elelyezett pimesugázóból vagy tápfejből áll. (.. ába)

17 .. ába Paaboloi eflekto Ha a paabola vezégöbét a fókuszon átmenő szimmetiatengely köül megfogatjuk, akko fogáspaaboloi eflektot kapunk. Ha a vezégöbét egy vonal mentén végiguzzuk, akko az engepaaboloi eflektot eeményez. Az előbbit a fókuszpontból az utóbbit fókuszvonalból kell megvilágítani. (.. ába)..a. ába Fogáspaaboloi eflekto..b. ába Hengepaabola eflekto Az eemény minkét esetben egy - a eflekto szélei által atáolt - nagyméetű nyílásfelület, vagyis apetua, melyen megatáozott téeősségeloszlású síkullám lép ki. A paaboloi eflekto teát a fókuszából kilépő gömbullámot (fogáspaaboloi) vagy engeullámot (engepaabola) síkullámmá alakítja át. Ez a paabolának abból a tulajonságából következik, ogy a fókuszponttól az apetua síkjáig az egyes sugaak ossza azonos. Gömbullámon vagy engeullámon itt azt étjük, ogy a pimesugázóból kilépő ullám fázisa egy gömb, illetve egy enge felületén állanó. A paaboloi eflekto antenna máig a legeltejetebb mikoullámú antennatípus. Népszeűségét olcsóságának és obosztusságának köszöneti. Hátánya, ogy a tápfejez vezető tápvonal osszú, valamint az, ogy a tápfej és tatószekezete a kilépő ullámfont útjában van, ami nemkívánatos jelenségeke vezet. Cassegain eflekto antenna A fókuszból táplált antenna néány kevezőtlen tulajonságán javít a kéteflektoos vagy Cassegain antenna. (.3. ába).3. ába Cassegain eflekto antenna

18 Mint a.3. ábán látató, a tápfej a paaboloi főeflekto közepén vágott nyíláson keesztül nyúlik be és a segéeflektot világítja meg. Ez ipebola vezégöbéjű és a ullámot a főeflektoa teeli. A kéteflektoos elenezés vituális fókusza a főeflektotól távolabb van, mint a főeflekto tényleges fókusza. Ennek eeménye, ogy a főeflekto megvilágítása egyenletesebb, mint a fókuszból táplált megolásnál. A Cassegain eflekto további előnye, ogy a tápfej elelyezése a ozzáféés szempontjából sokkal kevezőbb. Megmaa viszont az a átány, ogy a segéeflekto a kilépő ullámfont utjában van, vagyis az apetua egy észét takaja. Eltolt fókuszú táplálás Az apetua takaása jóészt megszüntetető, a a tápfejet a.4. ába szeint elyezzük el..4. ába Eltolt fókuszú táplálás A pimesugázó ekko is a paabola fókuszában van, e a fogáspaaboloi felületből csak akkoa észt agynak meg, ogy a pimesugázó a kilépő ullámfontot ne takaja. Az ilyen eltolt fókuszból táplált eflekto antennákat eltejeten asználják. Hátányuk, ogy az aszimmetikus geometia miatt nagy a keesztpolaizációs teük. Lencseantennák Egy pontból kiinuló széles gömbullámfont nyalábolásáa (aás) vagy a beeső síkullám fókuszálásáa (vétel) a lencsék is alkalmasak. A mikoullámú ielektomos lencseantenna (.5. ába) felépítése és műköése azonos a fénytani lencsékével..5. ába Dielektomos lencse Mint a.5. ábán látató, aol a fókuszpont és az apetua síkja között a geometiai utossz öviebb, ott a lencse vastagabb, ezét a lencsében kialakuló kisebb fázissebesség az utosszkülönbségeket kompenzálja. A gyakolatban ielektomos lencseantennákat önállóan mégis igen itkán alkalmaznak, met a szükséges nagy apetuaméetek nagy és neézkes lencséket eeményeznének. Mint látni fogjuk, kiegészítő eszközként tölcséantennák szájnyílásában a ielektomos lencse gyakan asználatos. A ielektomos lencse neézkességén segít a fémlemez lencse, mely tipikus mikoullámú eszköz. (.6. ába).6. ába Fémlemez lencse

19 A fémlemez lencse lineáisan polaizált ullámok fókuszálásáa alkalmas. Az egymástól a távolsága elelyezett páuzamos fémlemezek között a téeősség eloszlása a négyszög csőtápvonal TE no móusának megfelelő lesz. Ha 0.5 a/ λ.0 akko csak a TE 0 móus tu tejeni és a ullámossz a lemezek között a következő λ λ (.8) g 0 λ0 a Mivel ielektomos közegben λ o λ ε, ezét a fémlemezek közötti közeg "töésmutatója" egynél kisebb. Ilyen töésmutatóval a.6. ába szeinti lencsepofil nyalábol. Vagyis aol a geometiai útossz nagyobb, ott a lencse vastagabb, met a nagyobb fázissebesség igy kompenzálja az útossz-különbséget. A mikoullámú fémlemez-lencsék önállóan vagy tölcséel kombinálva széles köben asználatosak. Előnyük az olcsóság, a obosztus kivitel és a viszonylag kis súly. Tölcséantennák Aogy a ipólantennát a végén nyitott Lece vezetékből levezettük, úgy vezetetők le a mikoullámú tölcséantennák a csőtápvonalakból. Mivel az antenna átalakitó a tápvonal és a szaba té között, ezét az átalakitás annál tökéletesebb, minél simább az átmenet a vezetett ullám és a kisugázott ullám között. Ezt a sima átmenetet valósítják meg a tölcséek (.7. ába)..7.a. ába Kúpos tölcsé.7.b. ába E-síkú szektoiális tölcsé.7.c ába H-síkú szektoiális tölcsé.7.. ába Piamiális tölcsé A.7.a. ába kökeesztmetszetű csőtápvonalból kialakitott kúpos tölcsét mutat. A kökeesztmeteszetű csőtápvonalat és a kúpos tölcsét főleg ott asználják, aol köösen polaizált ullámot, vagy kettős otogonális lineáis polaizációt kell átvinni. Kevelt tipus űtávközlő enszeek föli állomásainak paabola antennáinál, mint tápfej. A.7.b. ábán olyan tölcsé látató, mely a négyszögletes csőtápvonal elektomos eővonalait nyújtja meg, ez az E-síkú szektoiális tölcsé. A.7.c. ába H-síkú szektoiális tölcsét mutat. Ezekben a csatlakozó

20 csőtápvonaloz képest a mágneses eővonalak nyúlnak meg. Ha a négyszögletes csőtápvonal minkét méetét egyszee kitejesztjük, akko a.7.. ábán látató piamiális tölcsét kapjuk. A tölcséek szájnyílásában kialakuló teet vizsgálva első közelítésben úgy veetjük, ogy ez a tápvonal keesztmetszetében lévő téeloszlás kinagyított mása, azzal a különbséggel, ogy a fázisfont göbült (szektoiális tölcsénél engees, piamiálisnál és kúposnál gömbüvegszeű) és nem sík (.8. ába)..8. ába A tölcséantennából kilépő ullámfont A göbült fázisfont azt jelenti, ogy az apetua síkjában a téeősség fázisa nem állanó, anem az elemi ullámfontok a szélek felé fokozatosan növekvő fáziskésést szenvenek. Mivel az apetúa távoltéi téeőssége az apetúáa meőleges iányban akko maximális, a a fázisfont sík, met ekko összegzőnek a észullámfontok azonos fázisban, ezét a göbült fázisfont fázisibát jelent. A fázisiba teát nyeeségcsökkentést okoz. A tölcséantenna fázisibáját a szájnyílásba elyezett lencsével koigálni leet. E céla ielektomos- és fémlemez lencse egyaánt asználatos. A.9. ába ielektomos lencsés megolást mutat..9. ába A tölcséantenna fázisibájának kompenzálása ielektomos lencsével A.9. ába szeinti ielektomos lencse egyúttal megolja a tölcsé szájnyilásának lezáását is, ami a nevesség, po, stb. beatolása ellen minenképpen szükséges. A lencsével koigált tölcséek átánya a kis sávszélesség, amely abból aóik, ogy a lencséől a ullámok egy észe visszaveőik, és ezt a eflexiót egyszeű eszközökkel csak keskeny sávban leet kiangolni. Tölcsé-paaboloi antenna A koigált tölcséek emlitett átányát kiküszöböli a tölcsé és a paaboloi eflekto összeázasításából született kissé szokatlan szekezet, melyet a.0. ába mutat..0. ába Tölcsé-paaboloi antenna A.0. ába szeint a tölcsé szájáoz egy paaboloi eflekto szegmensét egesztik, úgy, ogy a tölcsé fázisközéppontja - ami a gömbullámok kiinulási pontjának tekintető - egybeessen a paaboloi

21 fókuszpontjával. Mivel a fogáspaaboloi éppen gömbullám és síkullám közötti átalakító, ezét a kilépő ullámfont má sík lesz. A tölcsépaaboloi antenna jellegzetessége, ogy igen kicsi a átasugázása (az előe-áta aány B), és elfogaató a keesztpolaizációs csillapítása is (35-40 B). E tulajonságok ezt az antennát nagy méetei ellenée különösen alkalmassá tették analóg mikoullámú áióelé enszeekez. Az antenna nyilása egy kisveszteségű szigetelő lemezzel viszonylag egyszeűen lezáató, így az iőjáás elleni véelem is megolató. Apetúák sugázási teének kiszámítása Az apetúa, mint fizikai moell Mint az előző pontból látató, az ismetetett antennák közös jellemzője, ogy a sugázás jól efiniált nyílásfelületen - az apetúán - lép ki. Az itt következő tágyalás soán célunk az iánykaakteisztika, és az ezzel összefüggő jellemzők (nyeeség stb.) megatáozása. Az egyes antennákat külön-külön szemlélve a sugázási té kiszámitásáa többféle megolás is kinálkozik. Paabola antennák esetén pélául a teet a paaboloi felületén folyó áameloszlásból is megatáozatnánk. Mi itt most az ismetetett antennák közös tulajonságát kiemelve az apetúa-moellt választjuk, met az ebből következő egységes tágyalásmó jó áttekintési leetőséget a. Az apetua-antennák analizise ezekután két fázisban töténik. Előszö megatáozzuk az E (') téeősségeloszlást az apetúa síkjában az antennatípusa legalkalmasabb mószeel. Tölcsé antenna esetén pélául a csatlakozó csőtápvonal móusai segitségével, eflekto- és lencseantennák esetén peig optikai analógiák felasználásával, geometiai optikai mószeekkel. Ez az un. "belső pobléma" melynek megolása után a sugázási té kiszámitása következik, mostmá az antennatipustól függetlenül az apetua-té mószeével. Mivel nem célunk az antennák méetezése, anem beéjük általános tulajonságaik megatáozásával, ezét itt csak a sugázási té kiszámításával foglalkozunk. A sugázási té kiszámítása Vegyük fel az apetuát a.. ába szeinti koinátaenszeben. Bontsuk fel az apetuát A elemi felületeke és egy elemi A felületű apetua - a Huygens féle felületelem - tee ismet... ába Az apetua kooinátaenszee A felületelem teét a.. ába szeinti kooinátaenszeben ajuk meg. -jβ.. ába Huygens féle felületelem A e + cosϑ Eϑ Ex cosϕ (.9) λ -jβ A e + cosϑ Eϕ Ex sinϕ (.0) λ A távoltéi téeősség amplituója

22 / -jβ A e + cosϑ E Eϑ + E ϕ Ex (.) λ + cosϑ Az függvény a jól ismet kaioi göbét (.3. ába) íja le. Ennek mintegy o ± 30 -os szakasza jó közelítéssel egységnyi.3. ába Kaioi göbe Mivel az apetua antenna olyan fizikai moell, amelyet az ismetetett antennatípusokból, számos (fizikai) közelítéssel alakítottunk ki, ezét e közelítések miatt nem váató, ogy a sugázást a Z tengelytől nagyon távol is pontosan leíja. Különösen nagy a moell ibája a átasugázás leíásában (pl. eflekto antennáknál a tápfej a eflekto mellett elsugáozva a főiánnyal ellenkező iányba sugáoz). Nincs teát ételme a matematikai o + cosϑ pontosságot kb. ± 30 -on túl is megkívánni, ezét az közelítéssel élünk. E közelítéssel egy tetszőleges ' elyen lévő felületelem sugázási tee a következő -jβ -' A e E Ex (.) λ - ' Az apetua teljes sugázási tee teát a következő -jβ -' e E( ) E( ') A' λ (.3) - ' A'

23 3. Antennák közel- és távoltee Apetuaantennák közeli és távoli tee Ha a Q() megfigyelési pont az apetuától elegenően távol van, akko nevezőben - ', a kitevőben - ' - ' e veető. A távoltéi téeősség teát a következő -jβ - ' közelítető. Mégpeig a e jβ ' e E( ) E( ')e A' λ (3.) A' A (3.) képlet alkalmazatósága szempontjából fontos tuni, ogy ol van az antenna közeltee és távoltee. Az apetuát köülvevő azon téészt, aol ez a közelítés évényes távoltének vagy Faunoffe zónának nevezzük. Ezen belül van közelté vagy Fesnel zóna. A Fesnel zóna az antennáoz olyan közel van, ogy a megfigyelési pontba az apetua különböző pontjaiból nagy fáziskülönbséggel jutnak a ullámok. (3.. ába) 3.. ába Apetua fázisviszonyai Ezét az R távolság változtatásával a téeősség gyosan változik, az intefeenciaképnek megfelelően és nem / szeint. Ha Δ R λ/ 6, akko e gyos változás kisimul és a téeősség távolságfüggése / szeinti lesz. A közelté és távolté atáát az apetua legnagyobb (D) lineáis méetéből a ΔR λ/ 6 kitéiummal atáozzuk meg, eszeint D R min (3.) λ A (3.) képlet szeinti előíás betatása különösen antennamééseknél nagyon fontos, bá nem könnyű. Gyakoló felaat Egy D 4 m átméőjű paabolaantennát f 7.5 GHz fekvencián akaunk beméni. Számítsuk ki a minimális méési távolságot. Megolás f 7.5 GHz-nek λ 4 cm ullámossz felel meg. A (3.) képlet alapján a minimális méési távolság R min *6/ m.

24 4. Mikosztip antennák sugázó és tápláló álózat felépítése, elektomos jellemzők A mikoszalagvonal (micostip antennas - MSA) antennákat a 70-es évektől alkalmazzák egye eltejetebben a mikoullámú antennák gyakolatában. Alkalmazásuk kisméetű mobil eszközökben, aaokban gyakoi. Az MSA lapos felépítésű, obusztus, kis méetű, könnyű, kis gyátási költségű antenna, mely egyszeűen integálató min a nyomtatott, min az integált áamköökben. Alkalmazatóságuk néány kolátja ill. átánya: Alacsony antenna atásfok (ielektomos és vezető veszteség miatt) Kis teljesítményű alkalmazások, Táplálás is sugáoz, Kis sávszélesség (5-0% elatív), Kis keesztpolaizációs csillapítás, A ullámosszal növekvő méetek miatt alkalmazása f>0.5ghz fölötti fekvenciáka kivitelezető (alacsonyabb fekvenciákon jelentős méetek aónak). Felépítés és geometia Az MSA lényegében apetua jellegű antenna, mely két ésen keesztül sugáoz. 4. ába MSA metszete Az antenna L méetének megfelelő megválasztásával a ések fáziselyes táplálását biztosítjuk, melynek eeményeként az antenna fő sugázási iánya a síkjáa meőleges. A méet és a oozó ielektomos állanója az antenna sávszélességét atáozza meg, a W méet peig észben a sávszélességet, észben a megfelelő tápvonal iányú illesztettséget befolyásolja. A tápvonal felé töténő illesztettséget továbbá a betáplálási pont megfelelő megválasztásával biztosítjuk. 4.. ába MSA antenna felépítése 4.3. ába MSA táplálása (szalagvonalas ill. koaxiális táplálás)

25 4.4. ába MSA elyettesítő áamköi képe 4.5. ába MSA tipikus iányiagammjai 4.6. ába MSA sávszélesség-oozó magasság függése 4.7. ába MSA atásfok-oozó magasság függése

26 4.8. ába MSA ensze és tápláló álózat

27 5. Hullámtejeés Az aó- és vevőantenna között az elektomágneses ullám többféle fizikai mecanizmus utján teje, ezeket ullámtejeési móoknak nevezzük. A továbbiakban az alábbi ullámtejeési móokat vizsgáljuk meg észletesen. Közvetlen ullám, vagy iekt ullám Fölől eflektált ullám Felületi ullám Diffakciós tejeés Toposzféikus szóás Ionoszféikus ullám, vagy téullám A látóatáon belüli tejeésnél a közvetlen- és fölől eflektált ullám minig együtt van jelen. Az URH és mikoullámú sávban ilyenko a többi ullámtejeési mó atását enszeint el leet anyagolni. Aoz, ogy elöntsük egy-egy összeköttetésnél mely mó a omináns előszö a fizikai képeket vázoljuk fel. Szabatéi tejeés gömbullámok és lokális síkullámok 5.. Közvetlen ullám Az antenna által a szaba tébe kisugázott ullám vizsgálatáoz előszö íjuk fel a teljesítménysűűséget a vevőantenna elyén. Ha az aóantenna a té minen iányába egyenlő intenzitással sugáoz (izotóp antenna), akko akaálymentes szaba tében (szabatéi tejeés) a teljesítménysűűség az aóantennától R távolsága a következő PA So (5.) 4π R aol P A az aóantennába betáplált teljesítmény. Az antennák azonban a kívánt iányba nagyobb itenzitással sugáoznak. Ezt a tulajonságukat az antenna nyeeségével fejezzük ki. Smax GA (5.) So aol G A az antenna nyeesége S max a fő sugázási iányban előállított teljesítménysűűség S o az izotóp antenna által előállított teljesítménysűűség. A (5.) képlet felasználásával a teljesítménysűűség a fő sugázási iányban a következő: PA GA Smax (5.3) 4π R Kialakulásának feltétele, ogy az aó- és vevőantenna között a tejeés akaálytalanul, szaba tében jöjjön léte. Akaálytalannak tekintjük a tejeést, a a ullámfontnak az a észe teje akaálytalanul, amely az enegia nagyobb észét (98-99%-át) szállítja. (Fesnel zónák) A G A nyeeségű aóantennába P A teljesítményt betáplálva az antenna által a szaba tében előállított teljesítménysűűség az antennától távolságban PA GA So (5.4) 4π Mivel az antenna távolteében a ullám síkullámnak tekintető, ezét az elektomos és mágneses téeősség vektoai itt egymása és a tejeés iányáa meőlegesek és fázisban vannak. Ekko a teljesítménysűűség a következőképpen íató fel Ecsúcs S (5.5) 40π A (5.4) és (5.5) képletekből az elektomos téeősség amplituója 60PA GA Ecsúcs (5.6) A szabatéi csillapítás 4π B B a o 0 lg ( GA + GV ) (5.7) λ Mint a (5.6) és (5.7) képletekből látszik, az elektomos téeősség amplituója az aóantennától mét távolsággal foítottan, a szakaszcsillapítás peig a távolság négyzetével egyenesen aányos.

28 Reflexió közegek atáán Fölől eflektált ullám A fölől eflektált ullám amplituóját, fázisát és polaizációját a föl anyaga és felületének egyenetlensége atáozza meg. Ha a föl felszíne sík és tökéletesen síma, akko spekuláis eflexió alakul ki. Ha a beeső ullám síkullám, akko a visszavet ullám is az lesz és az enegia egyetlen iszkét iányba teje. Ez az ieális eset elméletileg jól leíató, a a veszteségmentes ielektikuma vonatkozó Snell-Descates tövényt a komplex ε és komplex μ bevezetésével veszteséges ielektikumoka általánosítjuk. Egyetlen felületől töténő eflexió esetén a spekuláis és iffúz eflexió együtt jelenik meg. A iffúz eflexió a eflektált ullámfont síktól való eltéésével van összefüggésben, és az enegiának a té minen iányába töténő szóóását jelenti. A továbbiakban a talajeflexiós tényezőt vizsgáljuk meg az alábbi két polaizációa. (5.. ába) E i E E i E ϑ ϑ ϑ ϑ 5.. ába Hoizontális polaizáció Vetikális polaizáció A föleflexiós tényezőt mint a eflektált és beeső ullám elektomos téeőssége amplituóaánya. E Γ (5.8) Ei A talajeflexiós tényező oizontális polaizációa sinϑ ε cos ϑ Γ (5.9) sinϑ + ε cos ϑ A talajeflexiós tényező vetikális polaizációa ε sinϑ ε cos ϑ Γv (5.0) ε sinϑ + ε cos ϑ Ábázoljuk a talajeflexió abszolút étékét és fázisát két fekvenciáa 5.. ába A föleflexiós tényező abszolút étéke és fázisa ϑ B beesési szögnél vetikális polaizációnál a Γ minimumot é el.

29 Ha σ0, akko tgϑb ε (5.) Ennél a szögnél Γ v 0 és ϑ B a Bewste szög. Ha σ 0 akko tgϑb ε (5.) és ϑ B a pszeuo Bewste szög. Szóóás egyenetlen felületen A szóóást lényegében egyenetlen felületen töténő enezetlen eflexiók együtteseként kezeletjük. A vizsgálataink föleg a felületi egyenetlenség jellemzésével foglalkoznak és a Rayleig kitéiumot alkalmazzuk a felület síma ill. egyenetlen voltának elöntésée. Ha a felület egyes pontjaiból eflexióval számazó ullámösszetevők közötti maximális fáziseltéés π/-nél kisebb, akko a felület síknak tekintető, ellenkező esetben egyenetlen. A fáziseltéésből az útosszkülönbségeke λ/4 aóik. ϑ i ϑ i Δ Δl 5.3. ába Talajegyenetlenség moellje A talajegyenetlenségből következő ullámösszetevők útosszkülönbsége az 5.3. ábából Δ l Δ sinϑ, így λ a Rayleig kitéiumból következő maximális megengeett talajegyenetlenség Δ. i 8sinϑ Egyenetlen felületeke a felület magassági eloszlását Gauss eloszlásként moellezik, a szóási veszteség ρ s megaató i πσ s sinϑ ρ s exp 8 (5.3) λ aol σ s a felület magasságának szóása. Így az egyenetlen felületől töténő szóás eflexiós tényezője Γ ρ Γ (5.4) egyenetlen s sík Többutas tejeés Kétutas ullámtejeés sík föl fölött Az aóantennát és a vevőantennát a sík föltől A és V magasságban elelyezve az elektomágneses ullámok a két antenna között a 5.4. ába alapján közvetlen és a fölfelszínől eflektált úton jutnak el. A vételi téeősség a két komplex amplituó összege a vevőantenna elyén. i R A R V ϑ ϑ 5.4. ába Kétutas tejeés Mivel a gyakolatban előfouló összeköttetéseknél ϑ 5, ezét a 5.4. ábák alapján a föleflexiós tényező étéke bámely polaizáció mellett, tetszőleges üzemi fekvencián jó közelítéssel - étékűnek tekintető, így a továbbiakban o

30 Γ f (5.5) A vételi téeősség a közvetlen és fölől eflektált ullám téeősségösszegeként íató fel R j f o o V e E E E E E Δ Γ + + β (5.6) aol R R R Δ a közvetlen és eflektált ullám útosszának különbsége Az útosszak a tüközési tétel ételmében a 5.5. ába alapján ( ) A V R + (5.7) ( ) A V R + + (5.8) R R A V R V 5.5. ába Közvetlen és eflektált utak A (5.7 és (5.8) képleteket az x x + + ; x (5.9) sofejtés első két tagjának felasználásával az alábbi alakban íatjuk fel. + + R V A V A (5.0) R V A V A (5.) Innen az útosszkülönbség R R R V A Δ (5.) A (5.0), (5.) képleteket az (5.)-ba elyettesítve a vételi téeősség ( ) ( ) j o R j o V V A e E e E E / β β Δ (5.3) j e E E V A j o V V A sin / β β (5.4) Mivel a téeősség abszolut étékét méjük és a felasználás szempontjából ez a fontos, ezét a fázistényezőket a továbbiakban nem vesszük figyelembe. E E V A o V sin λ π (5.5) Vizsgáljuk meg a továbbiakban a téeősség változását mozgó és állanóelyű összeköttetéseke. Mozgó áióösszeköttetés téeőssége Az V E téeősséget ábázoljuk a szakasztávolság függvényében.

31 5.6. ába Kétutas áióösszeköttetés téeőssége A áiósszakasznak az állanóelyű antenna és int távolság közötti észét intefeencia zónának nevezzük, aol mint az a 5.6. ábán jól látató, a téeősség minimum és maximumelyei váltva követik egymást. Az intefeencia zónán kívül a téeősség / -tel aányos, szemben a szabatéi áióösszeköttetés /-vel aányos téeősségével. Ennek látatóvá tételée nagyítsuk ki a 5.6. ába jobb olali tatományát. (5.7. ába) 5.7. ába Kétutas áióösszeköttetés téeőssége Az intefeencia zóna atáának kiszámításáoz vizsgáljuk meg a (5.5) kifejezés szinusz függvényének agumentumát. Az intefeencia zóna atáát az aja, aol az agumentum π/-vel egyenlő. π A V π (5.6) λ int 4 A V int (5.7) λ Állanóelyű áióösszeköttetés Állanóelyű áióösszeköttetéseknél a cél az optimális vevőantenna magasság megatáozása ába Állanóelyű áióösszeköttetés téeőssége

32 Az optimális vevőantenna magasságot ugyancsak a (5.6) összefüggésből kapjuk, innen λ Vopt (5.8) 4 A Hullámok tejeése nemomogén közegben csapaék atása Az antenna által léteozott teljesítménysűűség két különböző fizikai atás következtében csökken a ullám atmoszféában töténő tejeése közben: az antenna által a tébe kisugázott ullám ivegál a tejeést biztosító közeg elnyeli vagy szétszója a ullámokat, melynek eeete -az atmoszféikus gázok molekuláis abszopciója; -az atmoszféában lévő folyaék vagy szilá észecskék álta okozott abszopció vagy szóóás (esőcseppek, ó, jég észecskék). Ezek a atások néány GHz feletti fekvencián kezenek jelentkezni és atásuk nagyon gyosan növekszik a növekvő fekvenciával. Az előzőeken túl az atmoszféában lebegő észecskék az atmoszféán keesztülalaó ullám polaizációjának megváltozását is okozatják. A légköi abszopció Mivel a nitogénnek nincsen elnyelési sávja a áiófekvenciás tatományban, ezét a molekuláis abszopciót főképpen az oxigén és vízgőz molekulák elnyelő atása okozza. A 350 GHz alatti fekvenciákon az oxigénnek egy izolált elnyelési fekvenciavonala van 8,74 GHz-en és nagyon sok egymásoz közeli elnyelési vonala 50 és 70 GHz között. Az atmoszféa alsó észében ezek a vonalak folytonos sávvá szélesenek. A 350 GHz alatti fekvenciatatományon a vízgőznek áom elnyelési vonala van,.3 GHz, 83.3 GHz és 33,8 GHz-en. Magasabb fekvencián, a szubmillimétees és infavöös sávban további intenzív elnyelési vonal jelentkezik. A vízgőz alacsony koncentációja mellett a vízgőz csillapítása a koncentációjával aányosnak tekintető. A 5.9. ábán a fajlagos csillapítást mutatjuk be. A vízgőz koncentáció egyenlő 7.5 g/m 3 -el, mely megfelel % vízgőz molekula és 99% száaz levegő molekula keveékének. Ezen éték egy átlagos, talajszint magasságában, 50% elatív páatatalmat jelent 6.5 o C levegő őméséklet mellett, vagy 75% elatív páatatalmat 0 o C levegő őméséklet mellett. Specific attenuation,00e+0,00e+0 Specific attenuation (B/km),00E+00,00E-0,00E-0,00E-03 O spec. att. HO spec. att.,00e feq (GHz) 5.9. ába Az atmoszféikus gázok által okozott csillapítás A csapaék csillapítása Általában az eső által okozott csillapítás az elsőlegesen vizsgált jelenség. A gyakolatban enszeint az esőintenzitás R (csapaék milliméteben óánként) méető egyszeűen. A csenes szemekélő eső megfelel R0.5 mm/óa intenzitásnak, könnyű zápo megfelel mm/óa, közepes eső 4 mm/óa, eős zápo 6 mm/óa, és felőszakaás több cm/óa esőintenzitásnak. A cseppméet eloszlás az esőintenzitás függvénye, nagyobb esőcseppekkel a nagyobb esőintenzitásokko. Masal és Palme a következő empiikus fomulát állapította meg: Λa N( a) N e (5.9) 0

33 aol N0.6 0 mm m és Λ 8.R mm, a a cseppek sugaa mm-ben. Ezt a moellt asználják a legtöbb elméleti esőcsillapítás számításnál. A kifejezés jó egyezést mutat a Laws és Pasons által mét eloszlásokkal. A áióösszeköttetések méetezéséez egyszeű csillapításképletek a keveltek, melyek az esőintenzitás, fekvencia és őméséklet függvényében megaják a fajlagos csillapítást. Ilyen a méésekkel jól egyező kifejezés a következő: b A cr [ B / km] (5.30) aol c és b fekvenciától és az eső őmésékletétől függő konstansok. A őméséklettől való csillapításfüggés a víz ielektomos állanójának őmésékletfüggésével magyaázató. Az (5.30) kifejezés felasználásával az 5.0. ábán néány fajlagos csillapítás eeményt mutatunk be, 3.5 és 0 GHz-e az esőintenzitás függvényében..00e+00.00e-0 0 GHz A, B/km.00E-0.00E GHz GHz.00E-04.00E esőintenzitás R, mm/óa 5.0. ába Fajlagos esőcsillapítás, 3.5 és 0 GHz-en az esőintenzitás függvényében Az eső további atása a kettős polaizációval műköő áióenszeeknél jelentkezik, ez a áióullámok epolaizációja. A jelenség lényegében a névleges polaizációból az otogonális polaizációba töténő enegia tanszfomáció. A aaelmélet szeint az esőcseppek bisztatikus szóást is okoznak. Mikoullámú és milliméte ullámú sávban a kö által okozott csillapítás asonló tövényszeűségekkel és egyenletekkel íató le, mint az eső által okozott csillapítás. A lényeges különbség az, ogy a kö jóval kisebb észecskékből tevőik össze, ezen észecskék méettatománya 0.0 to 0.05 mm sugaat jelent. 300 GHz alatti fekvenciákon a kö által okozott csillapítás a vízgőztatalom függvényében lényegében lineáisnak tekintető egy aott fekvencián. A vízgőz tatalom felső atáa g/m 3 köülie teető, a legtöbb temészetben előfouló kö vízgőztatalma ennél lényegesen kisebb g/m 3 vízgőztatalom megfelel a 600 m látótávolsággal jellemezető könek, 0.3 g/m 3 vízgőztatalom peig köülbelül 0 m látótávolságúnak. A kö által okozott fajlagos csillapítást a fekvencia függvényében a 5.. ábán mutatjuk be az előző két vízgőztataloma. fajlagos csillapítás, B/km g/m 3 HO g/m 3 HO fekvencia, GHz 5.. ába A kö csillapítása a fekvencia függvényében két koncentációa