10 Antenner og antennesystem

1. 10 Antenner og antennesystem • Oppgåva til ei antenne er å generere elektromagnetiske bølgjer (radiobølgjer) på sendarsida og fange opp same type bølgjer på mottakarsida. • Ei sendarantenne kan for same bølgjelengd også fungere som mottakarantenne og motsett.

2. C C L L a) b) Figur 10.1 Ei antenne er ein elektrisk svingekrins Slik verkar antenner

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

4. 1 2 f L = 2  f C Slik verkar antenner ved mottak • Størst signaleffekt får vi i antenna når ho er i resonans med motteken bølgjelengd • Antenna er i resonans når den induktive impedansen er lik den kapasitive impedansen:

5. Avstemde og uavstemde antenner Avstemde antenner • Ei avstemd antenne er bygd for eit særskilt frekvensband • For ei avstemd antenne er lengda l lik: λ, ½ λ eller ¼ λ (λ = bølgjelengda) • Ei avstemd antenne er i resonans for si særskilde bølgjelengd • Dersom ei avstemd antenne skal kunne ta mot fleire ulike frekvensar, må vi ha ein avstemmingskrins i tilknyting til antenna Uavstemde antenner • Ei uavstemd antenne kan operere over eit større frekvensområde, men er mindre effektiv (tek opp mindre energi enn ei avstemd antenne)

6. Antenne Til forsterkar Figur 10.3 Antenne med avstemmingskrins Avstemmingskrins

7. Fartsfaktor • Skal vi vere heilt nøyaktige, må vi ta omsyn til fartsfaktoren for medietnår vi skal finne antennelengda • Ei radiobølgje forplantar seg med ulik fart i ulike medium og langs metalloverflata i ei antenne • Bølgjelengda i antenna er difor λn = k λ k = fartsfaktoren, λ = bølgjelengda i vakuum • fartsfaktoren i luft eller vakuum = 1 • vanleg fartsfaktor for metallet i antenna = 0,95

8. Antennelengd • Ei antenne kan gjerast kunstig lengre ved å kople ein spole i serie • Ei antenne kan gjerast kunstig kortare ved å kople ein kondensator i serie • Ei uavstemd antenne treng ikke ha noka fast lengd • Ho er anten induktiv eller kapasitiv • Ei antenne er induktiv når ho er noko lengre enn ei kvart bølgjelengd • Ei antenne er kapasitiv når ho er noko kortare enn ei kvart bølgjelengd

9. Impedanstilpassing Både for sendarantenner og mottakarantenner er det viktig at det er impedanstilpassing i antenna og i sendar- og mottakarkrinsen. Impedanstilpassing vil seie at det er lik impedans. Misstilpassing fører til at vi får refleksjonar i antenneanlegget, som igjen gir forstyrring og redusert utnytting av effekten.

10. Lobe Strålingsbreidd 3 dB Figur 10.4 Strålingsdiagram Strålingsdiagram Strålingsbreidd Dekningsområdet kan lesast ut frå strålingsbreidda til antenna. Strålingsbreidda er definert som vinkelen som avgrensar dei to halveffekts punkta på strålingsdiagrammet, altså frå maksimum til halv effekt. I desibel er dette 3 dB. Strålingsbreidda blir oppgitt i gradar.

11. Form på antenner og plassering av dei • Ei antenne kan monterast vertikalt eller horisontalt (vertikal og horisontal polarisasjon) • Mest effektiv overføring får vi når antennene har same polarisasjon • Med fri sikt mellom sendar- og mottakarantenna får vi betre kommunikasjon og større rekkjevidd • Ved dei høgaste frekvensane, som i VHF- og UHF-området, er antennene heilt avhengige av fri sikt

12. Antennetypar Dipol antenne • Ei topolt antenne der signalet blir tilført eller teke ut på midten og med like lange leiarar eller stavar ut til kvar side • Når den eine enden har negativ spenning, er den andre enden positiv og omvendt (vekslande felt mellom endepunkta) Heilbølgjeantenne: antennelengda er lik ei heil bølgjelengd Halvbølgjeantenne: antennelengda er lik ei halv bølgjelengd Kvartbølgjeantenne: antennelengda er lik ei kvart bølgjelengd

13. a) b) spenning straum /2 Figur 10.5 Halvbølgjedipol Halvbølgjedipol

14. /2 Figur 10.6 Falda dipol Falda dipol

15. Dipol Direktorar Reflektor Signal inn Strålingsdiagram for yagiantenne Figur 10.7 Yagiantenne Yagiantenne Yagiantenna blir ofte brukt som HF sendarantenne og som VHF-antenne for å ta mot fjernsynssignal. Yagi Datablad for yagiantenna finn du her: http://www.rflinx.com/

16. Figur 10.8 Unipolar antenne med strålingsdiagram Unipolare antenner

17. Parabolantenner/reflektorantenner Mottakar Sendar brennpunkt parabolsk reflektor matehorn mikrobølgjehovud Figur 10.9 Overføringssystem med bruk av parabolreflektor og hornantenne (antennene er her teikna som fokalantenner)

18. Mikrobølgjehovud, LNB • For å fange opp radiobølgjene i brennpunktet blir det nytta ei hornantenne som via matehorn og bølgjeleiar fører radiobølgjene vidare til eit mikrobølgjehovud • Eininga blir kalla LNB (Low Noise Block converter) • I mikrobølgjehovudet sit ein polarisator og sjølve antenna (dipol) • Oppgåva til polarisatoren er å korrigere for rett polarisasjon • Fordi antenna opererer i mikrobølgjeområdet, er ho berre nokre få centimeter lang • Ein bølgjeleiar er ein metallsylinder som kan fange opp og leie radiobølgjene over ein kortare avstand • Mikrobølgjehovudet skal også konvertere den høgfrekvente radiofrekvensen til ein lågare frekvens som mottakaren kan ta imot

19. Parabolantenner • Parabolantennereller reflektorantenner blir spesielt nytta ved høge frekvensar (UHF- og SHF-området)i radiolinjesystem og satellittkommunikasjon • Sjølve reflektoren er vanlegvis ei parabolforma metallplate, men kan også vere eit metallgitter • Vanlege typar er • fokalantenne • offsetantenne • gregoryantenne • cassegrainantenne

20. c) Cassegrainantenne b) Gregoryantenne a) Offsetantenne Parabolantenner, utforming Figur 10.10 Parabolantenner kan konstruerast på ulike måtar På denne linken finn du datablad for ei parabolantenne: Datablad http://www.pd0hni.nl/

21. Figur 10.11 Bølgjeleiarar a) rektangulær, b) sirkulær a) b) Bølgjeleiarar • Dei geometriske måla til bølgjeleiarar må stå i forhold til bølgjelengda • Blir helst nytta i frekvensområdet frå 3 til 100 GHz

22. Bølgjeleiarar, fysiske mål og frekvens Tabell 10.1 Samanheng mellom fysiske mål og frekvens for bølgjeleiarar

23. Antennetypar og frekvensband • Kanalantenner (dekkjer eit forholdsvis smalt frekvensband) • Kanalgruppeantenne (fungerer over ein større del av frekvensspekteret) • Breibandsantenner (dekkjer eit vidare frekvensband) • Kombiantenner (bygde for både VHF-bandet og UHF-bandet)

24. Installasjon og prosjektering • Kabel- og koplingsmateriell og tilpassingar må vere etter spesifiserte standardar • Til kabelframføring bruker vi koaksialkabel med impedans 75  • Andre passive komponentar som koplingsboksar, avtappingsboksar, fordelarar, svitsjar, filter og avslutningsmotstandar • Passive komponentar må avgrensast til eit minimum fordi dei svekkjer signalkvaliteten • Kan vere nødvendig med ein eller fleire antenneforsterkarar • Dersom vi bruker forsterkarar, er det viktig å vere klar over at også støyen blir forsterka • Dersom det ikkje er korrekt impedanstilpassing i alle delar av anlegget, får vi refleksjonar i kontaktar og kablar (kan kompenserast med tilpassingsledd mellom kabelen og antenna, balun)

25. Antenne-forsterkar Multisvitsj Satellitt-mottakar (tuner) TV FM-radio Antenneanlegg Figur 10.12 Antenneanlegg for distribusjon til fleire brukarar På denne linken finn du meir om parabolmotakarar: Parabol http://www.tveco.no/

26. Posisjonen til parabolen N Elevasjonsvinkel Lengdgraden for satellitten, 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 mikrobølgjehovudet er plassert i senterlinja til parabolen, er det forholdsvis enkelt å stille inn elevasjonsvinkelen.

28. FM VHF UHF Forsterkar Fordelar, 6 dB 18 m 24 m 15 m Antenneuttak, 12 dB Utrekning i antenneanlegg Figur 10.15 Antenneutrekning

29. Utrekning i antenneanlegg Løysing Vi gjer signalspenningane 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 Vi tek utgangspunkt i lengste kabelføring, som er 24 meter, og den frekvensen som gir størst demping: Kabeldemping FM og VHF: (5  24): 100 = 1,2 dB Kabeldemping ved UHF: (15  24): 100 = 3,6 dB Samla demping for FM og VHF: 1,2 + 6 + 12 + 3 = 22,2 dB Samla demping for UHF: 3,6 + 6 + 12 + 3 = 24,6 dB Nødvendig forsterking FM: 65 – (52 – 22,2) = 35,2 dB Nødvendig forsterking VHF: 65 – (62 – 22,2) = 25,2 dB Nødvendig forsterking UHF: 65 – (65 – 24,6) = 24,6 dB Det vil seie at vi må velje den høgaste forsterkinga på 35,2 dB, som gjeld for FM. For ikkje å få for høgt nivå for VHF og UHF er det nødvendig å kople inn ei ekstra demping. Døme Eit antenneanlegg er utstyrt med ei FM-antenne, ei VHF-antenne og ei UHF-antenne. Anlegget er kopla som vist på figur 10.15 med forsterkar, fordelar og antenneuttak. Ut frå FM-, VHF- og UHF-antenna får vi 400 V, 1200 V og 1800 V. Kor stor forsterking er det behov for når alle antennekablane har ei demping på 5 dB/100 m for FM og VHF og 15 dB/100 m ved UHF? I fordelaren er det ei demping på 6 dB, og i kvart av antenneuttaka er det 12 dB. I tillegg er det andre dempingar på til saman 3 dB. Ønskt minimum signalnivå er 65 dBV.

30. Instrument Aktuelle instrument • Feltstyrkemålar • Reflektometer • Feltstyrkemålar • Blir brukt for å måle feltstyrken i og ved antenneanlegget. • Reflektometer(ekkometer) • Blir nytta for å finne brot, kortslutningar og mistilpassing. • Ein tidmålar i instrumentet måler tida mellom utsend puls og reflektert puls, som med omrekning er eit mål for avstanden fram til feilstaden. • Storleiken på den reflekterte pulsen kan vere eit mål for kva slags type feil det er, om det er eit reint brot eller ei mistilpassing. • Det finst også instrument som kan detektere om ei antenne er i resonans. Dei måler antennestraum og antennespenning indirekte, og stiller seg ved resonans på maksimumsnivå.

31. Innmåling og feilsøking • Omkringliggjande metallgjenstandar og antenner kan skape refleksjon og ugunstige forhold for mottak. • I mange tilfelle kan det ha god effekt å plassere om antenna. Hjå ei sendarantenne bør minst mogeleg av effekten reflekterast. Det kan vi måle med ein type wattmeter, der vi kan kontrollere send og motteken effekt. • Elektromagnetisk støy frå omgivnadene kan øydeleggje for antenneforholda. • For å måle og stille inn satellittmottakarar er satellittfinnaren eit praktisk instrument. • Vi koplar han inn på kabelen mellom mikrobølgjehovudet og tunaren og varslaren, gjerne akustisk, og med høgt nok signalnivå. • Dyrare instrument gir meir spesifiserte og nøyaktige måleresultat av frekvens og nivå, og kan forutan å gjere satellittmålingar måle på FM- og TV-signal.