CB klub Česká Lípa CL - Charlie Lima CB klub Česká lípa, z.s.
Aktuality

Vyzýváme členy CB klubu Česká Lípa, kteří se na klubovém webu ještě nepřihlásili, aby tak učinili v zájmu řádné informovanosti o dění v klubu. Viz článek o registraci.

ANTÉNY, ANTÉNY... 13

Kategorie: Láďa Fórum - technické okénko, Archiv, Všechny články

1.11.2002 12:01:23 - Láďa Fórum - Antény a trocha teorie k nim - Základní vlastnosti, proud a napětí, elektrická a mechanická délka...

ANTÉNY, ANTÉNY…

 Základní vlastnosti antén

Vysokofrekvenční energii vyrobenou vysílačem je nutno do prostoru vyzářit a v místě příjmu opět převést z prostoru k přijímači. Zařízení, jímž možno vf energii do prostoru vyzářit nebo z prostoru odebrat, nazýváme anténou. Fyzikálně představuje anténa otevřený kmitavý okruh, jehož vlastnosti se v podstatě shodují se známým kmitavým okruhem tak, jak se ho v radiotechnice běžně užívá.

 

dil13_ani1_1.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

V uzavřeném kmitavém okruhu kmitá vysokofrekvenční energie mezi kondenzátorem a cívkou. Z otevřeného kmitavého okruhu se šíří vf energie v kulových plochách do prostoru, přičemž elektrická a magnetická složka jsou k sobě v každém okamžiku kolmé a směr šíření je opět vždy kolmý k oběma rovinám vlnění. 
Animace zachycuje princip činnosti kmitavého okruhu složeného z kapacity (kondenzátoru) a indukčnosti (cívky). Postupným "otevíráním" elektrod (desek) kondenzátoru se elektrická energie vyzařuje do okolního prostoru. V takovém případě mluvíme o otevřeném kmitavém okruhu - princip práce antény.
Z uvedené teorie lze vysledovat, že vyzařovací charakteristika i elektrické parametry antény jsou velmi ovlivněny přídavnou kapacitou mezi anténou a zemí (blízkost země). Pro výpočty antén se používají tři definované prostředí:
1.) volný prostor - kde vliv země není uvažovám a anténu neovlivňuje
2.) dokonalá zem (ideální) s přesně definovanými vlastnostmi, která ovlivňuje navrhovanou anténu
3.) reálná zem - eletrické vlastnosti reálné země se zjišťují poměrně náročnými metodami a obvykle se zjišťují pro oblast, kde anténa bude pracovat. Vliv reálné země je velmi významný pro vyzařovací charakteristiku antény a jejich elektrických vlastností.

Pro zjednodušení popisu budeme v tomto případě uvažovat jen anténu vysílací. To proto, že příjem i vysílání jsou děje reciproční – vratné. Jak v úvodě uvedeno jest, vysílací anténa slouží k přeměně vysokofrekvenčního výkonu (proudu) vysílače na elektromagnetické záření do prostoru, opačně, přijímací anténa opět z prostoru elektromagnetické záření mění na vysokofrekvenční proud. Lze tedy konstatovat, že v obou případech anténa působí podobně jako impedanční transformátor mezi impedancí zdroje nebo spotřebiče a impedancí volného prostoru. Není tedy z pohledu vlastní impedance ani diagramu záření zásadní rozdíl mezi anténou přijímací a vysílací. Dobrá vysílací anténa je bezesporu i dobrou anténou přijímací, ale opačně to vždy pravda nemusí být!

PROUD A NAPĚTÍ NA ANTÉNĚ

 

dil13_ani1_2.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Na animaci je znázorněn vodič (oranžová barva), do kterého se přivádí vysokofrekvenční proud, který si lze představit jako velké množství pohybujících se nábojů (modrá barva). Náboje se pohybují směrem k nenapájenému konci vodiče označeného A, a přitom mění svou velikost podle vysokofrekvenčních kmitů – podle sinusovky. Můžeme předpokládat, že ke konci vodiče dospěje náboj o velikosti a, směr jeho pohybu se mění a náboj putuje nazpátek, při tom jeho velikost se mění i nadále podle sinusovky (zelená barva). To platí i pro další náboje, takže na konci vodiče dostaneme součet okamžitých velikostí nábojů přicházejících i vracejících se, a tedy maximum napětí a+a". Na místech vzdálenějších od konce vodiče je situace poněkud jiná, protože velikosti přicházejícího a vracejícího se proudu nábojů nejsou stejné. Neruší se proto úplně a je tam určitý výsledný proud (červená barva). Ve vzdálenosti ¼ vlnové délky od konce vodiče je bod B, ve kterém náboje, přicházející i odražený, jsou stejně veliké, ale opačného smyslu a navzájem se ruší.

 

dil13obr3.jpg: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Výsledné napětí je nulové, ale proud je maximální. Jak je zřejmé, je na konci vodiče vždy maximum napětí a minimum proudu a tam, kde je maximum proudu (napětí) je vždy minimum napětí (proudu) a polarita proudu (napětí) se mění každou čtvrtinu vlnové délky. Rozložení proudu i napětí po vodiči je sinusové. Uvedený příklad budeme nazývat rezonancí . V ideálním případě se dodá ze zdroje do antény jen tolik energie, kolik se jí vyzáří. Z animace je zřejmé, že téhož výsledku dosáhneme, bude-li vodič dlouhý jen ½ vlnové délky, nebo pokud bude mít délku celého násobku půlvlny. Proberme si případ, kdy bude délka drátu jiná, od délky potřebné pro navození stavu rezonance. 

 

dil13obr4.jpg: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

V bodě B nastane opět odraz, ale odražený náboj přijde do počátku (bod A) v jiné velikosti a fázi, než je napětí dodané zdrojem v témže okamžiku, nastane vzájemné zrušení, anténa nerezonuje, vyzáří jen nepatrný zlomek energie a zbytek se promění v teplo. Z uvedeného je vidět, že anténa může rezonovat jen tehdy, je-li její délka celistvým násobkem půlvlny..

ELEKTRICKÁ A GEOMETRICKÁ DÉLKA ANTÉNY
Elektrická délka antény (nebo vedení) je délka vztažená k použité vlnové délce a nemusí vždy souhlasit se skutečnou délkou antény (nebo vedení), vyjádřenou v délce vlny. Je to otázka rychlosti šíření; čím menší je rychlost šíření, tím kratší (geometricky) bude délka antény, i když kmitočet zůstane vždy stejný. Zde popsáno je analogické i pro napáječe. Rychlost závisí na dielektrické konstantě prostředí. Doposud jsme uvažovali vakuum, jehož poměrná dielektrická konstanta se rovná 1. je-li poměrná dielektrická konstanta prostředí větší než 1, zmenšuje se též rychlost šíření. V praxi se s tímto jevem setkáváme u souosých kabelů u nichž dielektrikum není vzduch, ale jiná látka s větší dielektrickou konstantou, čímž se též u napáječů laděných zkracuje jejich geometrická délka připadající na vlnovou délku. Pro elektrickou délku antény, zvanou též rezonanční, je však závažnější průměr vodiče, ze kterého je anténa zhotovena. Jak uvedeno dříve bylo, anténu si lze představit jako rezonanční obvod složený z indukčnosti L a kapacity C. kapacita vodiče vzrůstá se zvětšujícím se průměrem a jeho indukčnost se zvětšující se délkou. Při zvětšení průměru vodiče antény se zvětšuje její kapacita při současném zmenšování indukčnosti (obojí na jednotku délky). Protože se ale se vzrůstajícím průměrem zvětší též přídavná kapacita konců anténního vodiče, zvětší se celková kapacita antény podstatně více, než se zmenší její indukčnost, a proto, abychom splnili podmínku rezonance, upravíme indukčnost zkrácením vodiče. To je významný poznatek, který je analogický s rezonančními obvody obecně.

 

dil13obr5.jpg: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Při zvětšení průměru vodiče antény se zvětšuje její kapacita při současném zmenšování indukčnosti (obojí na jednotku délky). Protože se ale se vzrůstajícím průměrem zvětší též přídavná kapacita konců anténního vodiče, zvětší se celková kapacita antény podstatně více, než se zmenší její indukčnost, a proto, abychom splnili podmínku rezonance, upravíme indukčnost zkrácením vodiče. To je významný poznatek, který je analogický s rezonančními obvody obecně. Činitel K, kterým je nutno násobit délkou antény, vypočítanou z délky vlny, je možno vysledovat z předchozího grafu.
Pro názornost: pokud má konec antény větší kapacitu oproti okolním předmětům, je potřebné anténu dále zkrátit asi o 2-3%. Můžeme celkem bez problémů vypočítat skutečnou geometrickou délku půlvlnového dipólu ze vzorce

 

dil13vz1.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Praktické ověření výše uvedeného je možno provést na příkladě: Hodláme vyrobit půlvnový dipól pro CB pásmo. Nejdříve si vypočítáme geometrickou délku půlvlnového dipólu pro střed uvažovaného pásma.

 

dil13vz2.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Na dipól použijeme trubku s vnějším průměrem 20 mm. Délka bez zkrácení bude:

 

dil13vz3.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Poměr délky k průměru vodiče (trubky)bude:

 

dil13vz4.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Výsledek zaokrouhlíme na celé číslo a v diagramu zjistíme koeficient zkrácení K, který má hodnotu 0.963. Po dosazení do vzorce už můžeme bez problémů stanovit geometrickou délku dipólu pro uvažovaný kmitočet - střed zájmového pásma.

 

dil13vz5.gif: Pokud se ti obrázek nezobrazí klikni pravým tlačítkem myši na nějaké místo v obrázku a vyber ZOBRAZIT OBRÁZEK

 

Porovnáním námi vypočítané délky bez zkrácení, dojdeme k závěru, že dipól vyrobený z uvažované trubky bude mít mechanickou délku rovnající se 5.309 m. Pokud bychom zanedbali výše uvedené a dipól vyrobili z uvažovaného materiálu bez zkrácení, nastane situace, kdy při měření rezonančního kmitočtu (pomocí šumového můstku, GDO, RF 1)zjistíme, že dipól rezonuje na nižším kmitočtu, než jsme původně předpokládali. Odvozenou metodou měřením PSV zjistíme, že výsledná hodnota překračuje očekávání. Zanedbání koeficientu K, je velmi častou chybou při pokusech vyrobit anténu dle nějakého návodu, když použijeme na výrobu antény jiných průměrů trubek, než je uvedeno v návodu, pokud to uvedeno je..

 

Anketa ke článku : seriál Antény, antény...
pro mne pokračovat nemusí, mám jiné priority     85
je mi to zcela lhostejné     62
uvítám další pokračování     127

 

Diskuse pod článkem:

[981] ANTÉNY, ANTÉNY...část 13 Žán Braník 2.11.2002 05:27:13
  :Zdravim,je to dobre,konecne vim jak to pocitat.Existuje tez neco na vypocet smerovek.Ztrouchnivel mi velky stan a mam tim vela materialu na anteny.
 » [982] Re:ANTÉNY, ANTÉNY...část 13 Láďa Forum 2.11.2002 07:48:00
 

Zdravím konstruktérskou dílnu "Žán Braník & antény"

Tvá první věta, druhá část, mne uvádí do rozpaků - kamaráde...

Na tvůj dotaz v druhé větě, lze odpovědět velmi jednoduše EXISTUJE. Jen záleží kterou cestou se rozhodneš jít, zda klasikou nebo spec. SW. Něco je free, jiné ovšem za velké peníze. V zásadě lze říci, že klasickými výpočty to trvá dost dlouho, než si něco vypočítáš. V případě využití SW je to v podstatě to samé, jen potíž není ve výpočtech, ale v dokonalém zvládnutí SW. Tak si můžeš vybrat, která cesta ti jednodušší bude. Je ještě jedna cestička, ale nevím zda stojí penízky nebo ne. Nechej si anténu tvých představ vypočítat u někoho, kdo má k tomu vhodný SW i zkušenosti.

No a tvé zásoby materiálu jsou zřejmě nevyčerpatelné... jen drobný dotaz:...neztrouchnivěl ti hangár?... No, nic ve zlém, to jen tak ... pro úsměv...

73! a hodně zdaru! Láďa Forum MB

Na okraj: už jsi sfázoval ty dvě antény? a směrovku už provozuješ? ... s velikým zájmem vyčkávám, až se podělíš s ostatními o zkušenosti ze stavby a hlavně provozu svých výrobků - vážně to zajímá mne a ostatní doufám také.

 »» [983] Re:Re:ANTÉNY, ANTÉNY...část 13 Žán Braník 3.11.2002 01:02:34
  :Konečně vím o kolik to zkrátit.Není čas,hrabu listí a další práce na zahradě.Kompost,česání ovoce,rytí,rovnání stožárku a další........Snad v zimě.Mám asi 30 metrů trubek z konstrukce stanové.Z toho by něco složit šlo,né?Na sfázování vše potřebné mám,teď to dát dohromady.Ale není čas,hrabu listí,svážím ho na kompost,reju atd,atd,atd............Prostě samé věci spojené s CB problematikou.Se mnou je to složité.

 

Autor: Láďa Fórum

Odkaz na originál článku