MÉRÉSI SEGÉDLET ANTENNA IRÁNYKARAKTERISZTIKA méréshez (ANT) V1 épület, C szárny Antenna Labor BUDAPESTI MŰSZAKI és GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék H-1111 Budapest, Egry József u. 18. V1 épület II. emelet tel.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 3 89 Készítette : Szommer Viktor Marozsák Tamás dr.lénárt Ferenc 1998
Tartalomjegyzék 1. Az antennák feladatai... 3. Az antenna iránykarakterisztikái... 3.1. Szabadtéri és üzemi iránykarakterisztika... 3.. A teljesítmény és amplitúdó iránykarakterisztika... 4.3. A komplex vektor iránykarakterisztika és komponensei... 4.4. Az iránykarakterisztika ábrázolása, fontosabb jellemzői... 5 3. Irányhatás, nyereség... 8 4. Az iránykarakterisztika mérése... 8 4.1. A mérés körülményei... 8 4.. A mérési összeállítás... 10 5. Biztonsági szabályok a mérés során... 1 6. Mérési feladatok... 13 6.1 Kötelezően elvégzendő feladatok... 13 6. Szorgalmi feladatok... 13 7. Ellenőrző kérdések... 13 Melléklet... 14
1. Az antennák feladatai Az antenna alapvető feladata, hogy transzformátorként működjön egy hullámvezető és a szabad tér (általánosabb esetben: ismert jellemzőkkel leírható, de pontosan körül nem határolható terjedési közeg) között. A rádiórendszerekben betöltött két fő funkció szerint adó- és vevőantennáról beszélhetünk. A két feladatot egyszerre tölti be a szóró antenna, mely az elektromágneses tér eloszlását a felhasználó számára kedvezően módosítja. (Pl. síkreflektor árnyékban lévő területek rádió- és TV műsorral történő besugárzására; sarokreflektor lokátorok hitelesítéséhez, stb.) Adás és vétel során a tér különböző irányaiba az antenna rendszerint eltérő intenzitással sugároz, illetve eltérő érzékenységet mutat. Ez hasonló egy sáváteresztő szűrő frekvenciafüggő viselkedéséhez. Ezért az antennát egy térbeli szűrőnek is tekinthetjük. Egy antenna maximális hatásfokkal csak egyetlen polarizáció kisugárzására, vagy vételére alkalmas. Az ettől eltérő polarizációs szög függvényében a hatásfok csökken, ortogonális polarizáció esetén teljes elnyomás érvényesül. Az antenna polarizációja szintén irányfüggő lehet.a polarizációs elnyomás is tekinthető egyfajta szűrésnek. Az antenna szűrő tulajdonságai jó szelektivitást biztosíthatnak zsúfolt elektromágneses környezetben. Az antenna, mint transzformátor impedancia-viszonyaival, reflexiós tulajdonságaival jellemezhető. Ha az irányfüggő viselkedést akarjuk leírni, ezt az irányhatás és az iránykarakterisztikák segítségével tehetjük meg.. Az antenna iránykarakterisztikái A reciprocitási tétel értelmében egy antenna adás- és vételi iránykarakterisztikája megegyezik, ezért elég az egyikkel foglalkozni. Az antenna leírása szemléletesebb, ha adóantennaként kezeljük. Iránykarakterisztika mérés során viszont a mérés körülményei jobban kézben tarthatók, ha vevőantenna iránykarakterisztikáját vizsgáljuk..1. SZABADTÉRI ÉS ÜZEMI IRÁNYKARAKTERISZTIKA Az esetek túlnyomó többségében a távoltéri iránykarakterisztikára van szükségünk. Előfordulhat, hogy a közeltéri karakterisztikára is kíváncsiak vagyunk, ennek kiszámítása, vagy megmérése azonban sokkal bonyolultabb és körülményesebb. Az antennára jellemző távoltéri iránykarakterisztika felvételekor az adóantennát akadálymentes szabad térben egy képzeletbeli gömb középpontjába helyezzük. A gömbfelületen vizsgálva a térerősség amplitúdójának, fázisának és irányának változását a szabadtéri iránykarakterisztikát kapjuk. A gömb sugara elegendően nagy legyen ahhoz, hogy gömbfelület éppen vizsgált részén a középpontból kifelé terjedő gömbhullámot már az előírtnál kisebb fázishibával síkhullámnak tekinthessük. 3
Ha egy telepített antennát az üzemi környezetében vizsgálunk, az üzemi iránykarakterisztikához jutunk. Ennek megmérése általában nagyon nehézkes és drága. Manapság inkább számitással határozzák meg valamilyen numerikus módszer segítségével... A TELJESÍTMÉNY ÉS AMPLITÚDÓ IRÁNYKARAKTERISZTIKA Ha egy antenna a távolterében E( r,, ) elektromos térerősséget állít elő, akkor a teljesítménysűrűség a (.1.) összefüggéssel adható meg. E( r,, ) S( r,, ) 40 (.1.) Ha ezt egy r sugarú gömbfelületen vizsgáljuk és bevezetjük az S max E ( r) max ( r,, ) 40 (..) maximális teljesítménysűrűséget, a normalizált teljesítmény iránykarakterisztikát a következők szerint kapjuk: S( r,, ) P (, ) (.3) S ( r) max Ebből az amplitúdó iránykarakterisztika (.4.)-nek megfelelően származtatható. F(, ) P(, ) (.4.).3. A KOMPLEX VEKTOR IRÁNYKARAKTERISZTIKA ÉS KOMPONENSEI A távoltér egy meghatározott pontjában előállított térerősség amplitúdóját kifejezhetjük az adott távolságra érvényes térerősségmaximum és az amplitúdó iránykarakterisztika szorzatával. A térerősség fázisának és irányának jellemzésére vezessük be a p(, ) polarizációs iránykarakterisztikát. p(, ) pn (, ) en px (, ) ex (.5.) ahol en és ex a névleges, illetve keresztpolarizációs egységvektorok. Az így kapott komplex vektor iránykarakterisztikával a térerősség az alábbi alakban adható meg. E( r,, ) E max ( r,, ) F(, ) p(, ) (.6.) A komplex vektor iránykarakterisztika nehezen kezelhető, ezért a polarizációs komponensek szerint két összetevőre bontjuk. Így mind a névleges, mind a keresztpolarizációs irányú térerősség-összetevőre egy komplex - az amplitúdó és a fázisváltozást leíró - iránykarakterisztikát kapunk. Például a névleges irányú komponensre ez a következő: En (, ) F F j n (, ) n (, ) e n(, ) (.7.) E n max 4
ahol F n (, ) a névleges polarizációjú komponens amplitúdó iránykarakterisztikája, n (, ) a névleges polarizációjú komponens fázis iránykarakterisztikája. Továbbá F(, ) pn (, ) Fn (, ) (.8.) F(, ) pn (, ) max Hasonlóan adható meg a keresztpolarizációs iránykarakterisztika is. Általában azonban elegendő a keresztpolarizációs csillapítás db-ben történő megadása a következők szerint. pn (, ) ap (, ) 0 log (.9.) p (, ) x.4. AZ IRÁNYKARAKTERISZTIKA ÁBRÁZOLÁSA, FONTOSABB JELLEMZŐI Az antenna által előállított távoltéri térerősség térbeli változásának megjelenítésekor a komponens iránykarakterisztikák amplitúdó és/vagy fázisösszetevőjét ábrázoljuk..1. ábra Mivel pontszerűnek tekinthető forrásból kiinduló gömbhullámokról van szó, nagyon szemléletes képet nyújt a gömbi koordinátarendszerben ábrázolt iránykarakterisztika. Ezzel 5
egy olyan zárt felületet hozunk létre, melynek bármely pontjához húzott sugár hossza megadja, hogy milyen az ábrázolt amplitúdó (vagy fázis) relatív értéke ugyanebben a térbeli irányban,ha egy gömbfelületen körbejárjuk a sugárforrást. (lásd.1. ábra) Rendszerint a z tengelyhez rögzítjük a fő sugárzási irányt. Lineáris polarizáció esetén az E és H vektor a 90 o -nak megfelelő síkban a 0 o, illetve 90 o irányba esik. Kicsit áttekinthetőbb a kép, ha az ábrázolás a.. ábrához hasonlóan hengerkoordinátákban történik... ábra Itt a szög ugyanúgy értelmezendő, mint gömbkoordinátákban. A 180 fokig terjedő tartományát az 0 r r max tartományra képezzük le. A magasság az ábrázolt mennyiség relatív értékét adja. Általában elegendő, ha az iránykarakterisztikának csak a -rendszerint a z tengelyen átmenő - síkmetszeteit ábrázoljuk. Ez vagy poláris, vagy derékszögű koordináta-rendszerben történik (.3. és.4. ábra). Így iránydiagramokhoz jutunk. Lineáris polarizáció esetén legtöbbször az E- és H-síkú iránydiagramot használjuk. 6
E-s ík E-s ík H -s ík.3. ábra Az amplitúdó iránykarakterisztikán és iránydiagramon megkülönböztetünk fő- és melléknyalábot. Ezeket nullahelyek választják el egymástól. A főnyalábot határoló nullairányok távolsága a főnyaláb kúpszöge. A főnyaláb 3 db-es relatív értékeinek távolsága a 3 db-es irányélességi szög. A melléknyalábok helyi maximumának relatív értéke a melléknyalábszintet, a legnagyobb melléknyaláb szintje melléknyaláb elnyomást adja. E-s ík H -s ík -1 8 0-9 0 0 90 180 7
.4. ábra 3. Irányhatás, nyereség Az antenna irányhatását definíció szerint a D Smax S0 összefüggés adja, ahol S P 4 r, P s a kisugárzott teljesítmény. 0 s (3.1.) Az irányhatás annak mérőszáma, hogy a vizsgált antenna a főirányában hányszoros teljesítménysűrűséget állít elő az ugyanakkora teljesítményt kisugárzó izotróp antennához képest. Tágabb értelemben bármelyik irányban megadhatjuk az irányhatást (3..)-nek megfelelően. D(, ) D P(, ) (3..) A kisugárzott teljesítményt a teljesítmény, vagy az amplitúdó iránykarakterisztikával felírva a 4 da D d P(, ) d r (3.3.a.) D 4 4 F 4 (, ) d (3.3.b.) összefüggésekkel meghatározható az irányhatás értéke. A számítás egyszerű esetben analitikusan, általában azonban numerikus integrálással végezhető el. Az antennanyereség definíciójában a betáplált teljesítményt vesszük alapul. G S P max be, ahol S0 (3.4.) S 4 r 0 Az antenna veszteségeire jellemző hatásfokot az irányhatás és nyereség segítségével adhatjuk meg. G D ( 1 ) (3.5.) 4. Az iránykarakterisztika mérése A gyakorlatban a komponens iránykarakterisztikák amplitúdó- és fázis-összetevőjét vizsgáljuk. Mindehhez megfelelő környezet, valamint alkalmas műszerek és segédeszközök szükségesek 4.1. A MÉRÉS KÖRÜLMÉNYEI 8
A távoltéri iránykarakterisztika méréséhez szükséges akadálymentes szabad teret nehezen találunk, azt általában ki kell alakítani. Kültéri mérés során ez a mérőhely körültekintő kiválasztását, a zavaró objektumok eltávolítását, a mérőantennák föld feletti magasságának alkalmas beállítását jelenti. Beltéri mérések esetén reflexiómentesítő anyagokat használunk. Ezek feladata, hogy csökkentsék a mérőtérben lévő objektumokról reflektálódó elektromágneses sugárzás intenzitását. Különösen fontos a reflexiómentesítés, ha a mérőteret árnyékoljuk is a kintről bejutó és a bentről kijutó zavarjelek szintjének csökkentése érdekében. Reflexiómentesítésre többféle bevonatot,eszközt használnak. Közös jellemzőjük, hogy nagyon drágák. Működésük azon alapul, hogy belépő felületükön közegjellemzőik kevéssé térnek el a szabadtéritől, belsejükben viszont jelentősen csillapodik az áthaladó elektromágneses hullám.ennek hatására a belépő felületről reflektálódó teljesítmény szintje alacsony lesz, miközben az elfedett zavaró objektum hatása is jelentősen csökken. Mivel a csillapítás szempontjából a bevonat hullámhosszban mért vastagsága döntő, ezen anyagok hatása a hullámhossz növekedtével általában csökken. Megfelelő működésükre egy alsó frekvenciahatár adható. Más okok miatt az üzemi frekvenciahatár felülről is korlátozott. E r E=E+E d r E d 4.1. ábra A zavaró reflexiókat természetesen nem tudjuk zérusra, csak egy alkalmas szint alá csökkenteni. A mérőtér azon részét, ahol ez teljesül csendes zónának nevezik. Ez két módon jellemezhető. A mérendő antennát - melyet vevőként használunk - két hullám gerjeszti. Az egyik a direkt úton terjedő - ideális esetben csak ez lenne jelen - a másik a reflexiós utakon terjedők eredője (4.1. ábra). Ezek hatására létrejön az antenna helyén egy E d és egy E r jelzésű térerősség. Mérés (számítás) segítségével meghatározható E d és E r értéke, vagy az arányuk. A másik megközelítéshez képzeljük el, hogy az antenna körüli térrészben mozogva a két térerősség egymáshoz képesti fázisa változik. Eredőjük - aminek hatására a mérőantenna gerjesztődik - ingadozni fog. Az ingadozás mértéke szintén jellemzi a kialakult elektromágneses tér homogenitását. Ha a mérőantennát a hullámhosszhoz képest kis lépésekkel haladva több pozícióban elhelyezzük és körbeforgatjuk, egy iránydiagram sereget kapunk. Ezeket egymásra másolva a 4.-höz hasonló ábra adódik. 9
4.. ábra Az ingadozás mértéke leolvasható. Emellett felírhatjuk az ingadozás és a két térerősségkomponens kapcsolatát is. a E 10 E b 0 log d 0 r (4.1.a.) E d a E 10 E c 0 log d 0 r E b c a 0 0 10 10 0 ahol 10 d (4.1.b.) (4.1.c.) Vagy az ingadozást, vagy a térerősségkomponensek arányát vizsgálva eldönthető, hogy a zavaró reflexiók szintje a kívánatos alatt marad-e. A távoltér biztosításának másik fontos feltétele a megfelelő mérési távolság beállítása. Ezzel elérjük, hogy az adóantennából kiinduló gömbhullámok a mérőantennánál már elegendően kis fázishibával gömbhullámoknak tekinthetők. 16-nál kisebb fázishibát megengedve ezt a feltételt az ismert D R min (4..) összefüggéssel szoktuk megfogalmazni, ahol D az antenna terjedési irányra merőleges mérete, pedig a szabadtéri hullámhossz. 4.. A MÉRÉSI ÖSSZEÁLLÍTÁS Az iránykarakterisztika méréshez elegendően nagy kimenőteljesítményt adó jelforrásra, alkalmas iránykarakterisztikával rendelkező adóantennára, valamint vevőberendezésre van szükség. Emellett pozicionálni, mozgatni kell a mérendő antennát. 10
Az adó kimenőszintje és a vevőérzékenység meghatározza, hogy milyen dinamikatartománnyal rendelkező iránykarakterisztikát tudunk megmérni. Ezért iránykarakterisztikák felvételéhez nagy érzékenységű mérővevőt szoktak használni. Mérőhelyünkön ilyen eszközt nem tudunk biztosítani. A vevőoldali mérőeszköz szerepét egy skalár hálózatanalizátor tölti be. Mivel HP-IB-n keresztül számítógéppel vezérelhető és egy rendszerillesztő buszon keresztül kapcsolatban van a jelforrásként használt sweep oszcillátorral, a mérés automatizálható. (4.3. ábra) Antenna forgató Vevõ Adó Számítógép Analizátor Sweeper Számítógép: 386-DX40/8M/kooprocesszor Analizátor: HP 8757C Sweeper: HP 8350B Forgató: RFT 001 4.3. ábra Az antennaforgató csak függőleges tengely körüli körbeforgatást végez. Kiegészítettük egy segédeszközzel, mely lehetővé teszi az antenna kézi elfordítását a vízszintes tengely körül. Ugyanilyen eszköz tartja az adóantennát is. Így arra is lehetőség nyílik, hogy kellő számú - különböző szögekhez tartozó - iránydiagramot megmérve előállítsuk az antenna térbeli komponens amplitúdó iránykarakterisztikáját. A forgató a vezérlő számítógép printer kimenetén keresztül indítható és rögzített idő alatt végez egy körülfordulást. A számítógéppel vezérelt sweepelt mérés még azt a lehetőséget is biztosítja, hogy egyetlen frekvencia helyett egy kijelölt frekvenciatartomány meghatározott pontjaiban kapjuk meg az iránykarakterisztikát. Ehhez azt feltételezzük, hogy a sweepelés egy periódusa alatt a forgató keveset fordul el - olyan, mintha erre az időre leállna. A teljes körülfordulás után az azonos frekvenciához tartozó értékeket összeválogatva előállítható a rögzített frekvenciákhoz tartozó iránydiagram. A vezérlést és a kiértékelést a mérőhelyen rendelkezésre álló számítógépprogram végzi.a program Windows alatt, az Antenna ikonnal indítható. Menürendszere áttekinthető, a Windows programoknál megszokott kezelést tesz lehetővé. A programot Marozsák Tamás és Szommer Viktor diplomatervező hallgatók készítették. 11
5. Biztonsági szabályok a mérés során Kisugárzott rádiófrekvenciás teljesítménnyel dolgozva mindig gondolni kell arra, hogy fennállhat az egészségkárosodás veszélye. Ez közvetett, vagy közvetlen úton valósulhat meg. Az ehhez kapcsolódó fogalmakat, a tér intenzitására vonatkozó határértékeket az MSZ 1660-86 számú szabvány tartalmazza, mely megtalálható a mellékletben. A mérés során nem dolgozunk káros intenzitású rádióhullámokkal, enek ellenére - mint minden hasonló esetben - itt is figyelni kell a következőkre: - a mérés megkezdése előtt becsüljük meg, hogy milyen intenzitású elektromágneses tér jelenléte várható - ha szükséges, tegyünk óvintézkedéseket, használjunk védőfelszerelést, - csak akkor sugározzunk ki jelet, amikor mérünk - használjuk a jelforrás RF ki/be kapcsolóját, - minél kevesebbet tartózkodjunk az elektromágneses térben, - ne tartózkodjunk a sugárforrás közelében, semmiképpen ne nézzünk bele működés közben. 1
6. Mérési feladatok 6.1 KÖTELEZŐEN ELVÉGZENDŐ FELADATOK 1., Határozza meg a teljesítménysűrűséget egy 15dBm teljesítménnyel táplált 0 db nyereségű antennától 1, és 3 m távolságban a főirányban. Az adatokat hasonlítsa össze a szabvány előírásaival.., 15 lépésközzel felvett iránydiagramokból állítsa elő egy X-sávú tölcsérantenna azonos polarizációs amplitúdó iránykarakterisztikáját. 3., Vizsgálja meg az antenna E- és H-síkú iránydiagramjának jellegzetességeit. 4., Határozza meg az antenna irányhatását. 5., Vegyen fel egy keresztpolarizációs iránydiagramot és vesse össze az ugyanazon síkú névleges polarizációssal. 6. SZORGALMI FELADATOK 6., Mérje meg a tölcsérantenna nyereségét kétantennás módszerrel, a szabadtéri csillapításra megismert összefüggést felhasználva. Határozza meg egy frekvencián az antenna hatásfokát. 4 R db db ( asz 10 log Ga Gv, ahol a sz a szabadtéri csillapítás db-ben, R az összeköttetés távolsága, a szabadtéri hullámhossz, G az adóantenna nyeresége db-ben, db a db G a a vevőantenna nyeresége db-ben.) 7. Ellenőrző kérdések 1., Melyek az antenna fontosabb funkciói?., Mit nevezünk izotróp antennának? 3., Mi a nyereség definiciója? 4., Mi az irányhatás definíciója? 5., Adja meg az antenna hatásfokot! 6., Hogyan definiáljuk a normalizált teljesítmény iránykarakterisztikát? 7., Hogyan definiáljuk a normalizált amplitúdó iránykarakterisztikát? 8., Mi az iránydiagram? 9., Mi a 3 db-es irányélességi szög? 10., Mit ír le a melléknyaláb elnyomás és az előre-hátra viszony? 11., Mi a csendes zóna? 1., Hogyan határozzuk meg a minimálisan szükséges mérési távolságot? 13
Melléklet Részletek A nagyfrekvenciás elektromágneses tér megengedett határértékei című szabványból. Az ebben megadott határértékek értelmezéséhez először néhány fogalmat kell tisztázni. Közvetlen ártalom: a nagyfrekvenciás elektromágneses energiának az emberi szervezetben történő elnyelése hatására bekövetkező egészségkárosodás. Közvetett ártalom: a nagyfrekvenciás elektromágneses tér által indukált feszültségnek az emberi szervezetre való hatására bekövetkező egészségkárosodás. Veszélytelen térerősség/teljesítménysűrűség: az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség, amelyben a közvetlen és a közvetett ártalom veszélye nélkül korlátlan ideig lehet tartózkodni. Biztonsági térerősség/teljesítménysűrűség: az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség, amelyben a közvetlen és a közvetett ártalom veszélye nélkül korlátlan ideig lehet tartózkodni. Munkahelyi térerősség/teljesítménysűrűség: az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség, amelyben a folyamatos munkavégzés egészségileg alkalmas személy számára nem okoz közvetlen ártalmat. Korlátozott időtartamú munkahelyi térerősség/teljesítménysűrűség: az a legnagyobb, nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség, amelyben a korlátozott (napi 8 óránál rövidebb) időtartamú munkavégzés egészségileg alkalmas személy számára nem okoz közvetlen ártalmat. Veszélyes térerősség/teljesítménysűrűség: az a legkisebb, nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség, amelyben a tartózkodás közvetlen ártalmat okozhat. Veszélytelen övezet: a sugárzó körül elhelyezkedő azon övezet, amelyben a nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség nem nagyobb a veszélytelen térerősségnél/teljesítménysűrűségnél. Biztonsági övezet: a sugárzó körül elhelyezkedő azon övezet, amelyben a nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség nem nagyobb a biztonsági térerősségnél/teljesítménysűrűségnél, de meghaladja a veszélytelen térerősség/teljesítménysűrűség határértékét. Munkaövezet: a sugárzó körül elhelyezkedő azon övezet, amelyben a nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség nem nagyobb, mint a munkahelyi térerősség/teljesítménysűrűség, de meghaladja a biztonsági térerősség/teljesítménysűrűség határértékét. 14
Korlátozott időtartamú munkaövezet: a sugárzó körül elhelyezkedő azon övezet, amelyben a nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség meghaladja a munkahelyi térerősség/teljesítménysűrűség értékét, de nem éri el a veszélyes térerősség/teljesítménysűrűség határértékét. Veszélyes övezet: a sugárzó körül elhelyezkedő azon övezet, amelyben a nagyfrekvenciás elektromos térerősség/teljesítménysűrűség eléri, illetve meghaladja a veszélyes térerősség/teljesítménysűrűség határértékét. A szabvány a 300 MHz feletti frekvenciatartományban (ide esnek a mérés során használt frekvenciák is) az egyes övezetekre a 3.1. táblázat szerinti határértékeket írja elő. Teljesítménysűrűség mw/cm Övezet Álló sugárzó Forgó, vagy pásztázó sugárzó Veszélytelen - - Biztonsági 0,01 0,1 Munka- 0,1 1,0 Korlátozott időtartamú munka- 0, 08 * óra 8 óra * Veszélyes 10 100 * Egy naptári nap alatt az övezetben tartózkodás összidőtartama. 3.1. táblázat A szabványt ugyan 004. 06. 01-én visszavonták, de EÜ. miniszteri rendelet rögzíti kötelezően betartandó jelleggel az álló sugárzóhoz kapcsolódó biztonsági határértéket. 15