10 Antenner og antennesystemer

1. 10 Antenner og antennesystemer • En antennes oppgave er å generere elektromagnetiske bølger (radiobølger) på senderside og oppfange samme type bølger på mottakersiden. • En senderantenne vil for en og samme bølgelengde også kunne fungere som mottakerantenne og motsatt.

2. C C L L a) b) Figur 10.1 En antenne er en elektrisk svingekrets Antenners virkemåte

3. Magnetisk felt Elektrisk felt Figur 10.2 Det elektriske og magnetiske feltet omkring en antenne Antenne Polarisasjon

4. 1 2 f L = 2  f C Antenners virkemåte ved mottaking • Størst signaleffekt får vi i antennen når den er i resonans med mottatt bølgelengde • Den vil være i resonans når den induktive impedansen er lik den kapasitive impedansen:

5. Avstemte og uavstemte antenner Avstemte antenner • En avstemt antenne er beregnet for et bestemt frekvensbånd • For en avstemt antenne er lengden l lik: λ, ½ λ eller ¼ λ (λ = bølgelengden) • En avstemt antenne vil være i resonans for sin bestemte bølgelengde • Dersom en avstemt antenne skal kunne motta flere forskjellige frekvenser, må vi ha en avstemningskrets i tilknytning til antennen. Uavstemte antenner • En uavstemt antenne kan operere over et større frekvensområde, men vil være mindre effektiv (oppta mindre energi enn en avstemt antenne)

6. Antenne Til forsterker Figur 10.3 Antenne med avstemningskrets Avstemningskrets

7. Hastighetsfaktor • Skal vi være helt nøyaktig, må vi ta hensyn til mediets hastighetsfaktor når antennelengden skal bestemmes • En radiobølge vil forplante seg med ulik hastighet i ulike medier og langs metalloverflaten i en antenne • Bølgelengden i antennen vil derfor være λn = k λ k = hastighetsfaktoren, λ = bølgelengden i vakuum • hastighetsfaktoren i luft eller vakuum = 1 • vanlig hastighetsfaktor for metallet i antennen = 0,95

8. Antennelengde • En antenne kan gjøres kunstig lengre ved å koble en spole i serie • En antenne kan gjøres kunstig kortere ved å kople en kondensator i serie • En uavstemt antenne behøver ikke ha noen bestemt lengde • Den vil enten være induktiv eller kapasitiv • En antenne er induktiv når lengden er noe lengre enn en kvart bølgelengde • En antenne er kapasitiv når den er noe kortere enn en kvart bølgelengde

9. Impedanstilpasning Både for senderantenner og mottakerantenner er det viktig at det er impedanstilpasning i antenne og sender- og mottakerkrets. Impedanstilpasning vil si at det er lik impedans. Misstilpasning fører til at det oppstår refleksjoner i antenneanlegget som igjen medfører forstyrrelser og redusert utnyttelse av effekten.

10. Lobe Strålingsbredde 3 dB Figur 10.4 Strålingsdiagram Strålingsdiagram Strålingsbredde Dekningsområde kan leses ut fra antennens strålingsbredde. Denne defineres som vinkelen som begrenser de to halv-effekts punktene på strålingsdiagrammet, altså fra maksimum til halv effekt. I desibel utgjør dette 3 dB. Strålingsbredde oppgis i grader.

11. Antenners form og plassering • En antenne kan monteres vertikalt eller horisontalt (vertikal og horisontal polarisasjon) • Mest effektiv overføring oppnås når antennene har samme polarisasjon • Ved fri sikt mellom sender- og mottakerantenne vil man oppnå bedre kommunikasjon og større rekkevidde • Ved de høyeste frekvensene som i VHF- og UHF-området er antennene helt avhengig av fri sikt

12. Antennetyper Dipol antenne: • En topolt antenne der signalet tilføres eller tas ut på midten og med like lange ledere eller staver ut til hver side • Når den ene enden har negativ spenning, vil den andre enden være positiv og omvendt (vekslende felt mellom endepunktene) Helbølgeantenne: antennelengden er lik en hel bølgelengde Halvbølgeantenne: antennelengden er lik en halv bølgelengde Kvartbølgeantenne: antennelengden er lik en kvart bølgelengde

13. a) b) spenning strøm /2 Figur 10.5 Halvbølgedipol Halvbølgedipol

14. /2 Figur 10.6 Foldet dipol Foldet dipol

15. Dipol Direktorer Reflektor Signal inn Strålingsdiagram for yagiantenne Figur 10.7 Yagi-antenne Yagi-antenne Yagiantennen brukes ofte som HF senderantenne og som VHF-antenne for mottaking av TV-signaler. Yagi Datablad yagiantenne finner du her: http://www.rflinx.com/

16. Figur 10.8 Unipolar antenne med strålingsdiagram Unipolare antenner

17. Parabolantenner/reflektorantenner Mottaker Sender brennpunkt parabolsk reflektor matehorn mikrobølgehode Figur 10.9 Overføringssystem med bruk av parabolreflektor og hornantenne (Antennene er her tegnet som fokalantenner)

18. Mikrobølgehode, LNB • For å fange opp radiobølgene i brennpunktet benyttes en hornantenne som via matehorn og bølgeleder fører disse videre til et mikrobølgehode • Enheten kalles LNB (Low Noise Block converter) • I mikrobølgehodet sitter en polarisator og selve antennen (dipol) • Polarisatorens oppgave er å korrigere for riktig polarisasjon • Siden det opereres i mikrobølgeområdet, har antennen en lengde på bare inntil noen få centimeter • En bølgeleder er en metallsylinder som kan fange opp og lede radiobølgene over en kortere avstand • Mikrobølgehodet skal også konvertere den høyfrekvente radiofrekvensen til en lavere frekvens som mottakeren kan ta imot

19. Parabolantenner • Parabolantennereller reflektorantenner benyttes spesielt ved høye frekvenser (UHF- og SHF-området)i radiolinjesystemer og satellittkommunikasjon • Selve reflektoren er vanligvis en parabolformet metallplate, men kan også være et metallgitter • Vanlige typer er: • fokalantenne • offsetantenne • gregory antenne • cassegrain antenne

20. c) Cassegrain antenne b) Gregory antenne a) Offset-antenne Parabolantenner, utforming Figur 10.10 Parabolantenner kan konstrueres på forskjellige måter På denne linken finner du datablad for parabolantenne: Datablad http://www.pd0hni.nl/

21. Figur 10.11 Bølgeledere a) rektangulær, b) sirkulær a) b) Bølgeledere • de geometriske målene til bølgeledere må stå i forhold til bølgelengden • nyttes helst i frekvensområdet 3 til 100 GHz

22. Bølgeledere, fysiske mål og frekvens Tabell 10.1 Sammenheng mellom fysiske mål og frekvens for bølgeledere

23. Antennetyper og frekvensbånd • kanalantenner (dekker et forholdsvis smalt frekvensbånd) • kanalgruppeantenne (fungerer over en større del av frekvensspekteret) • bredbåndsantenner (dekker et videre frekvensbånd) • kombiantenner (beregnet for både VHF- og UHF-båndet)

24. Installasjon og prosjektering • kabel- og koblingsmateriell og tilpasninger må være etter spesifiserte standarder • til kabelfremføring brukes koaksialkabel med impedans 75  • andre passive komponenter: koplingsbokser, avtapningsbokser, fordelere, svitsjer, filtre og avslutningsmotstander • passive komponenter må begrenses til et minimum, da de vil svekke signalkvaliteten • kan være nødvendig med en eller flere antenneforsterkere • ved bruk av forsterkere er det viktig å være klar over at også støy vil bli forsterket • dersom det ikke er korrekt impedanstilpasning i alle deler av anlegget, vil det oppstå refleksjoner i kontakter og kabler (kan kompenseres med tilpasningsledd mellom kabel og antenne (balun))

25. Antenne-forsterker Multisvitsj Satellitt-mottaker (tuner) TV FM-radio Antenneanlegg Figur 10.12 Antenneanlegg for distribusjon til flere brukere På denne linken finner du mer om parabolmotakere: Parabol http://www.tveco.no/

26. Parabolens posisjon N Elevasjonsvinkel Satellittens lengdegrad, P Geostasjonær satellitt Asimutvinkel Rett sør Nullmeridian N Antenneposisjon 650 km 35 768 km Asimutvinkel og elevasjonsvinkel Figur 10.13 Asimutvinkel og elevasjonsvinkel

27. Elevasjonsvinkel Figur 10.14 Når mikrobølgehodet er plassert i senterlinjen til parabolen, er det forholdsvis enkelt å stille inn elevasjonsvinkelen.

28. FM VHF UHF Forsterker Fordeler, 6 dB 18 m 24 m 15 m Antenneuttak, 12 dB Beregning i antenneanlegg Figur 10.15 Antenneberegning

29. Beregning i antenneanlegg Løsning Signalspenningene gjøres om til dBV: FM: 20 lg 400 = 52 dBV VHF: 20 lg 1200 = 62 dBV UHF: 20 lg 1800 = 65 dBV Tar utgangspunkt i lengste kabelføring som er 24 meter og den frekvensen som gir størst dempning: Kabeldempning FM og VHF: (5  24) : 100 = 1,2 dB Kabeldempning ved UHF:(15  24) : 100 = 3,6 dB Samlet dempning for FM og VHF: 1,2 + 6 + 12 + 3 = 22,2 dB Samlet dempning for UHF: 3,6 + 6 + 12 + 3 = 24,6 dB Nødvendig forsterkning FM: 65 – (52 – 22,2) = 35,2 dB Nødvendig forsterkning VHF: 65 – (62 – 22,2) = 25,2 dB Nødvendig forsterkning UHF:65 – (65 – 24,6) = 24,6 dB Dette betyr at vi må velge den høyeste forsterkningen på 35,2 dB som gjelder for FM. For ikke å få for høyt nivå for VHF og UHF vil det være nødvendig å kople inn ekstra dempning. Eksempel Et antenneanlegg er utstyrt med en FM-antenne, en VHF-antenne og en UHF-antenne. Anlegget er koplet som vist i figur 10.15 med forsterker, fordeler og antenneuttak. Ut fra FM-, VHF- og UHF-antennen får vi henholdsvis 400 V, 1200 V og 1800 V. Hvor stor forsterkning er det behov for når alle antennekablene har en dempning på 5 dB/100 m for FM og VHF og 15 dB/100 m ved UHF? I fordeleren er det en dempning på 6 dB og i hvert av antenneuttakene er det 12 dB. I tillegg er det øvrige dempninger på til sammen 3 dB. Ønsket minimum signalnivå er 65 dBV.

30. Instrumenter Aktuelle instrumenter • Feltstyrkemåler • Reflektometer • Feltstyrkemåler • Brukes for måling av feltstyrke i og ved antenneanlegget. • Reflektometer(ekkometer) • Benyttes for avdekke brudd, kortslutninger og misstilpasning. • En tidmåler i instrumentet måler tiden mellom utsendt puls og reflektert puls, som ved omregning vil være et mål for avstanden frem til feilstedet. • Størrelsen på den reflekterte pulsen kan gi et mål for hvilken type feil, om det er et rent brudd eller en mistilpassning. • Finnes også instrumenter som kan detektere om en antenne er i resonans. Måler antennestrøm og antennespenning indirekte, og vil ved resonans innta maksimumsnivå.

31. Innmåling og feilsøking • Omkringliggende metallgjenstander og antenner kan skape refleksjon og ugunstige forhold for mottaking. • En omplassering kan i mange tilfeller ha god effekt. For senderantenne bør minst mulig av effekten reflekteres. Dette kan måles ved hjelp av en type wattmeter, der man kan kontrollere sendt og mottatt effekt. • Elektromagnetisk støy fra omgivelser kan ødelegge for antenneforholdene. • For innmåling og innstilling av satellittmottakere er satellittfinner et praktisk instrument. • Kobles inn på kabel mellom mikrobølgehode og tuner og varsler, gjerne akustisk, ved tilstrekkelig signalnivå. • Dyrere instrumenter gir mer spesifiserte og nøyaktige måleresultater for frekvens og nivå, og kan foruten å utføre satellittmålinger, foreta målinger på FM- og TV-signaler.