Uutiset - Antenniteoria – Perusparametrit

Tässä luvussa esitellään langattoman viestinnän perusparametrit ja pyritään ymmärtämään paremmin antennien roolia viestintäjärjestelmissä. Langaton viestintä tapahtuu sähkömagneettisten aaltojen muodossa, joten on tärkeää ymmärtää aaltojen etenemisominaisuudet.

Tässä luvussa käsittelemme seuraavia parametreja:

•Taajuus
•Aallonpituus
• Impedanssin sovitus
•VSWR ja heijastettu teho
•Kaistanleveys
•Prosenttiosuus kaistanleveydestä
•Säteilyn intensiteetti

Katsotaanpa niitä nyt yksityiskohtaisesti.

Taajuus:

Standardin määritelmän mukaan taajuus on aallon toistojen lukumäärä aikayksikköä kohti. Yksinkertaisesti sanottuna taajuus kuvaa, kuinka usein tapahtuma esiintyy. Jaksollinen aalto toistuu joka T sekunti (yksi jakso), ja sen taajuus on ajanjakson T käänteisluku.

Matemaattisesti se näyttää seuraavalta:

$$f = \frac{1}{T}$$

•F edustaa periodisen aallon taajuutta, kun taas

•T on yhden täyden syklin suorittamiseen tarvittava aika.

Taajuus mitataan hertseinä, lyhennettynä Hz.

Yllä oleva kuva havainnollistaa siniaaltoa, jossa jännite (mV) on esitetty ajan funktiona (ms). Tämä aaltomuoto toistuu 2t millisekunnin välein; siksi sen jakso T = 2t ms ja taajuus f = 1/(2t) kHz.

Aallonpituus:

Standardin määritelmän mukaan kahden peräkkäisen piikin tai kahden peräkkäisen pohjan välistä etäisyyttä kutsutaan aallonpituudeksi.

Yksinkertaisesti sanottuna aallonpituus on kahden vierekkäisen positiivisen piikin tai kahden vierekkäisen negatiivisen piikin välinen etäisyys. Alla oleva kuva esittää jaksollista aaltomuotoa, jossa on merkitty aallonpituus (λ) ja amplitudi. Mitä korkeampi taajuus, sitä lyhyempi aallonpituus ja päinvastoin.

Aallonpituuden kaava on:

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

•λ edustaa aallonpituutta

•C on valonnopeus (3 dollaria kertaa 10^8 metriä sekunnissa)

•F on taajuus

Aallonpituus λ ilmaistaan pituusyksiköissä, kuten metreinä, jaloina tai tuumina. Yleisesti käytetty yksikkö on metri.

Impedanssin sovitus:

Standardin määritelmän mukaan impedanssin sovitus tapahtuu, kun lähettimen impedanssi on suunnilleen yhtä suuri kuin vastaanottimen impedanssi.

Antennin ja piirin välillä on oltava impedanssisovitus. Antennin, siirtolinjan ja piirin impedanssit tulee sovittaa yhteen, jotta saavutetaan maksimaalinen tehonsiirto antennin ja vastaanottimen tai lähettimen välillä.

Yhteensovittamisen välttämättömyys
Resonanssilaitteet pystyvät tuottamaan optimaalisen lähtötehon tietyillä kapeakaistaisilla taajuuksilla. Resonanssilaitteena antenni voi saavuttaa paremman lähtötehon, kun sen impedanssi on oikein sovitettu.

• Kun antennin impedanssi vastaa vapaan tilan impedanssia, antennin säteilemä teho välittyy tehokkaasti

• Vastaanottoantennin lähtöimpedanssin tulee vastata vastaanottovahvistinpiirin tuloimpedanssia.

• Lähetysantennin tuloimpedanssin tulee vastata lähetysvahvistimen lähtöimpedanssia sekä siirtolinjan ominaisimpedanssia.

Impedanssi mitataan ohmeina, ja sitä merkitään symbolilla Z.

VSWR ja heijastettu teho:

Standardin määritelmän mukaan seisovan aallon maksimijännitteen ja minimijännitteen suhdetta kutsutaan seisovan aallon jännitteen suhteeksi (VSWR).

Kun antennin, siirtolinjan ja piirin impedanssit ovat epäsuhtaiset, tehoa ei voida säteillä tehokkaasti; sen sijaan osa tehosta heijastuu takaisin.

Tärkeimmät ominaisuudet ovat —

• Impedanssin epäsuhdan astetta ilmaisevaa parametria kutsutaan jännitteen seisovan aallon suhteeksi (VSWR).

• VSWR on lyhenne sanoista Voltage Standing Wave Ratio, ja sitä kutsutaan yleisesti myös SWR:ksi.

• Mitä suurempi impedanssiero on, sitä suurempi on VSWR-arvo

• Tehokkaan säteilyn saavuttamiseksi ihanteellinen VSWR-arvo on 1:1

• Heijastunut teho viittaa eteenpäin suuntautuvan tehon hukkaan menevään osaan. Heijastunut teho ja VSWR kuvaavat pohjimmiltaan samaa fysikaalista ilmiötä eri näkökulmista.

Kaistanleveys:

Standardin määritelmän mukaan tietylle tiedonsiirrolle varattua tietyllä aallonpituusalueella olevaa taajuuskaistaa kutsutaan kaistanleveydeksi.

Kun signaali lähetetään tai vastaanotetaan, se toimii tietyllä taajuusalueella. Tämä tietty taajuusalue on varattu tietylle signaalille, jotta vältetään muiden signaalien aiheuttamat häiriöt lähetyksen aikana.

• Kaistanleveys viittaa signaalin lähetyksen korkean ja matalan taajuuden rajojen väliseen taajuusalueeseen

• Kun kaistanleveys on varattu, muut eivät voi käyttää sitä

• Koko spektri on jaettu kaistanleveyssegmentteihin, joista jokainen on osoitettu eri lähettimille

Äsken käsiteltyä kaistanleveyttä voidaan kutsua myös absoluuttiseksi kaistanleveydeksi.

Prosenttiosuus kaistanleveydestä:

Standardin määritelmän mukaan absoluuttisen kaistanleveyden suhdetta sen keskitaajuuteen kutsutaan prosentuaaliseksi kaistanleveydeksi.

Kaistan taajuutta, jolla signaalin voimakkuus saavuttaa maksiminsa, kutsutaan resonanssitaajuudeksi, joka tunnetaan myös kaistan keskitaajuutena ja jota merkitään fC:llä.

• Kaistan korkeampia ja matalampia taajuuksia merkitään vastaavasti fH:lla ja fL:llä

•Absoluuttinen kaistanleveys saadaan kaavasta fH − fL

• Taajuuskaistan leveyden arvioimiseksi on laskettava sen suhteellinen kaistanleveys tai prosentuaalinen kaistanleveys.

Prosentuaalinen kaistanleveys lasketaan ymmärtämään komponentin tai järjestelmän käsittelemien taajuusvaihteluiden aluetta.

•fH tarkoittaa korkeampaa taajuutta

•fL tarkoittaa alempaa taajuutta

•fc tarkoittaa keskitaajuutta

Mitä suurempi kaistanleveyden prosenttiosuus on, sitä leveämpi on kanavan kaistanleveys.

Säteilyn intensiteetti:

Säteilyn intensiteetti määritellään säteilevänä tehona avaruuskulmayksikköä kohti.

Antenni säteilee voimakkaammin tiettyihin suuntiin, jotka vastaavat sen suurinta säteilyintensiteettiä. Säteilyn suurin mahdollinen kantama kuvataan säteilyintensiteetillä.

Matemaattinen lauseke
Säteilyn intensiteetti saadaan kertomalla säteilytehon tiheys säteittäisen etäisyyden neliöllä: