Antena dookólna WiFi

WPROWADZENIE DO
TELEKOMUNIKACJI
Część II
Dr inż. Małgorzata Langer
Transmisja bezprzewodowa
•
•
•
•
•
Emisje sygnałów radiowych i telewizyjnych
Telewizja satelitarna
Telefonia komórkowa
Układy lokalizacji
Systemy oparte na technice laserowej lub
podczerwieni (najczęściej wymagają
widoczności optycznej)
Fale elektromagnetyczne
• Zaburzenie pola elektromagnetycznego
rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną
prędkością. Są to fale poprzeczne - w każdym
punkcie pola wektor natężenia pola
elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej
B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się
fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich
prędkość rozchodzenia się w próżni c≈3·10⁸m/s.
Właściwości, warunki powstawania i
rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych
opisują równania falowe wynikające z równań
Maxwella
• Równania Maxwella:
w przestrzeni nie zawierającej ładunków
(w próżni)
2
∂
∂
∇ 2 E = − µ ∆ H = µε 2 E
∂t
∂t
2
∂
2
∇ H = µε 2 H
∂t
gdzie
– H - natężenie pola magnetycznego,
– E - natężenie pola elektrycznego
Fala rozchodzi się z prędkością:
1
µε
Interpretacja fizyczna I równania
Interpretacja fizyczna II równania
Polaryzacja elektryczna i
magnetyczna
• W środowisku
nieprzewodzącym
natężenie pola
elektrycznego
pochodzącego od
ładunku punktowego jest
εr razy mniejsze niż w
próżni.
W momencie pojawienia
się pola zewnętrznego
dielektryk polaryzuje się a
jego stopień polaryzacji
opisuje wektor polaryzacji
Pe = ε 0 χ e E
Gdzie χe jest podatnością
elektryczną dielektryka
Przenikalność elektryczna
• W przypadku pól
szybkozmiennych ma
charakter zespolony:
ε = ε’ - jε’’
• Część urojona
„odpowiada” za straty
cieplne
• Wektorowe prawo
Ohma:
J =σ E
Wzór na powierzchniową gęstość prądu
przewodzenia; σ - konduktywność materiału
Wypadkowa konduktywność
efektywna ośrodka
ωε’’+σ
Tangens kąta stratności
ωε ' '+σ
tgδ =
ωε '
Dla małych częstotliwości: tgδ~σ/ωε’
Podatność magnetyczna
• Analogicznie, jak dla pola elektrycznego:
Polaryzacja magnetyczna:
Pm
Pm = χ m H
Gdzie χm jest podatnością magnetyczną
Zasada zachowania energii dla pola
elektromagnetycznego
Wektor Poyntinga
• Wskazuje kierunek przepływu mocy fali
elektromagnetycznej (w ośrodku
izotropowym zawsze zgodny z kierunkiem
wektora propagacji). Oznacza to, że
kierunek przepływu mocy jest zgodny
z kierunkiem najszybszej zmiany fazy
Dla próżni: Z0=120π ~377 Ω
Fala płaska
• Fala płaska - jest to fala,
której powierzchnie
falowe (powierzchnie o
jednakowej fazie) tworzą
równoległe do siebie linie
proste, gdy fala rozchodzi
się po powierzchni lub
płaszczyzny, gdy
rozchodzi się w
przestrzeni
Fala typu TEM
Transverse Electromagnetic wave
• Wektory natężenia pola elektrycznego i
magnetycznego są do siebie wzajemnie
prostopadłe
• Trójka wektorów (E, H oraz k – wersor
kierunku prostopadły do płaszczyzny
ewkwifazowej – wyznacza kierunek
rozchodzenia się fali) jest prawoskrętna
(jak układ współrzędnych xyz)
Fala TEM w dielektryku
bezstratnym (próżni)
oraz w ośrodku stratnym
α jest
współczynnikiem
tłumienia
Równania fali biegnącej
• Dla fali płaskiej (natężenia pól o tej samej fazie znajdują się
zawsze w jednej płaszczyźnie), rozchodzącej się
w kierunku x:
E ( x, t ) = E0 sin( 2πυt −
2π
H ( x, t ) = H 0 sin(2πυt −
λ
2π
λ
x)
x)
Gdzie E0; H0 – amplitudy natężenia elektrycznego i
magnetycznego; λ - długość fali;
ν - częstotliwość
Foton – kwant energii
• Im mniejsza długość fali (większa
częstotliwość), tym bardziej ujawnia się
dwoista – cząsteczkowa natura
promieniowania elektromagnetycznego
• Energia fotonu: E=hc/λ
• Gdzie h = 6,626 0693 (11) × 10-34 J.s =
4,135 667 443 (35) ×10-15 eV .s
Fale
elektromagnetyczne
Rodzaj fali
Długość fali [m]
Częstotliwość
[Hz]
Radiowe
> 10⁻⁴
< 3•10¹²
Podczerwień 5·10⁻⁴ ÷ 8·10⁻⁷ 6·10¹¹ ÷ 3,7·10¹⁴
Światło
widzialne
Ultrafiolet
8·10⁻ ÷ 4·10⁻⁷
3,7·10¹⁴÷ 7,5·10¹⁴
Promienie
Roentgena
Promienie
Gamma
10⁻⁹ ÷ 6·10⁻¹²
1,5‧10¹⁷÷ 5·10¹⁹
< 10⁻¹⁰
> 10¹⁸
4·10⁻⁷÷10⁻⁹ 7,5 10¹⁴ ÷ 3·10¹⁷
PROMIENNIKI (źródła
promieniowania)
• Źródłami fal elektromagnetycznych są kable i
przewody z prądem przemiennym, kineskopowe
ekrany telewizorów i monitorów, przełączalne
układy elektroniczne, silniki, kuchenki
mikrofalowe, telefony komórkowe i przenośne,
piloty do sprzętu audio video, ale również
Słońce, gwiazdy …
• Szczególnie zakłócającymi środowisko są
częstotliwości 50 Hz i jej wielokrotności,
wynikające z przyjętego systemu zasilania
w Europie (w USA – 60 Hz)
FALE RADIOWE
•
Fale elektromagnetyczne o częstotliwości
mniejszej od 3‧10¹² Hz (długości większej
od 0,1 mm).
• Wynalezienie radia: ~ 1897-1900 –
Guglielmo Marconi
Fale radiowe - zalety
• Charakterystyka promieniowania (dookólna lub
kierunkowa) może być kształtowana elastycznie
– ANTENY
• Łączność może być ustanawiana bez
zapewnienia widzialności optycznej (fale
elektromagnetyczne są odbijane i tylko
częściowo tłumione przez ściany, drzewa,
chmury, itp.)
• Istnieje obszar fal radiowych przeznaczony do
nielicencjonowanego wykorzystania
Zakresy częstotliwości do
nielicencjonowanego wykorzystania
• 27 MHz – głównie CB radio
• 433MHz i 686 MHz – systemy alarmowe,
automatyka, sprzęt powszechnego użytku
• 2,4GHz i 5GHz – bezprzewodowe sieci
komputerowe, połączenia urządzeń
multimedialnych, peryferyjnych, medycznych,
itd. (Wi-Fi; Bluetooth; GPRS; ZigBee; M2M, …)
Tory radiowe - RADIOLINIE
• Tor telekomunikacyjny - układ umożliwiający ruch
fal elektromagnetycznych w kanale
przestrzennym w taki sposób, że energia tych fal
zostaje skupiona w umyślnym walcu o
dostatecznie małym promieniu
• Linia radiowa = tory radiowe + urządzenia
pośredniczące
Podział torów radiowych
• Tory proste
• Tory łamane
(odbicie,
rozproszenie,
ugięcie)
Lin
ia h
ory
zon
tow
a
Granica dwóch ośrodków
• Fala radiowa doznaje odbić od różnych
przeszkód terenowych, od powierzchni
ziemi i wody, od jonosfery
• Dyfrakcji – czyli uginania się czoła fali na
krawędzi przeszkody
• Refrakcji – załamania, przechodząc przez
warstwy powietrza o różnych parametrach
elektrycznych
Fala padająca prostopadle na granicę
dwóch ośrodków jest poddana odbiciu (r)
oraz transmisji (t)
• Współczynnik fali stojącej (stosunek
amplitudy maksymalnej do minimalnej) = 1
– pełne odbicie; →∞ - brak odbicia
• Współczynnik transmisji mocy do drugiego
ośrodka (stosunek gęstości mocy fali
przechodzącej do gęstości mocy fali
padającej)
ANTENA
• urządzenie służące do zamiany fal
elektromagnetycznych na sygnał
elektryczny i odwrotnie
• Charakterystyka promieniowania - jest
to rozkład gęstości mocy
wypromieniowanej przez antenę
w zależności od kierunku danego przez
kątowe współrzędne r i φ układu
współrzędnych kulistych. F(r,φ) - BRYŁA
Schemat zastępczy anteny
Rstrat
Rprom
Antena – „obszar przejściowy” między falą prowadzoną
w linii transmisyjnej i falą w wolnej przestrzeni
Antena
• Jeżeli ładunek ulegnie przyśpieszeniu lub
opóźnieniu (zmiana prędkości w czasie) –
staje się źródłem fali elektromagnetycznej
Dipol krótki
Antena symetryczna
zasilana przebiegiem
okresowym
Dipol krótki to „antena prętowa” o
długości znacznie mniejszej niż
długość fali
Charakterystyka promieniowania
• Do opisu charakterystyki promieniowania
anteny wystarczą dwa rozkłady:
- charakterystyka biegunowa –
w płaszczyźnie biegunów
- charakterystyka równikowa – prostopadła
do biegunowej
Typowa charakterystyka
promieniowania z zaznaczonymi
parametrami
IMPEDANCJA WEJŚCIOWA
• Dla generującego drgania nadajnika antena nadawcza
jest obciążeniem o danej impedancji wejściowej.
IMPEDANCJA WIDZIANA NA ZACISKACH ANTENY
(trzeba zawsze określić położenie zacisków) Energia
odebrana z niego przez antenę nadawczą wydzielana
jest w drobnej części w postaci ciepła, a w większości
wypromieniowywana
• Zwe=Rwe + jXwe
• Rozdzielając moc na cieplne straty i promieniowanie:
Pwe = Ppr + Pstr = 0,5(Rpr|Iwe|2 + Rstr|Iwe|2)
gdzie Iwe – amplituda prądu na zaciskach anteny
Sprawność energetyczna anteny
• η = Ppr/Pwe *100 [%]
• Dla wielu anten sprawność jest bliska
100%
• Dla anten elektrycznie krótkich sprawność
jest bardzo mała (np. dla miedzianego
dipola o długości 1 m będzie poniżej 10%)
Sprawność rośnie wraz z wydłużaniem
anteny
• Rezystancja strat jest źródłem szumów
• Dla odbiornika antena odbiorcza jest
źródłem napięciowym, którego SEM jest
określona przez wektor natężenia pola
elektrycznego fali padającej oraz
parametry anteny
• Aby nastąpiło maksymalne przeniesienie
mocy z nadajnika do anteny (lub z anteny
do odbiornika) musi być spełniony
warunek dopasowania impedancyjnego
Warunek dopasowania
impedancyjnego
• Rwe = Rg oraz Xwe = -Xg
Zjawisko naskórkowości
• Prąd przewodzenia o dużej częstotliwości
nie płynie pełnym przekrojem
przewodnika, lecz po jego powierzchni,
w warstwie o skończonej grubości.
• Dla 10 GHz głębokość wnikania dla
przewodników wynosi <0,1µm i dla miedzi
wynosi przykładowo:
6,6 *10-7m
• Im większa konduktancja i przenikalność
magnetyczna i im większa częstotliwość
prądu, tym bardziej uwidacznia się
zjawisko naskórkowości
• Naskórkowość powoduje wzrost
rezystancji – a więc strat cieplnych
• Nierówna powierzchnia przewodnika
zwiększa jeszcze rezystancję (wydłuża
drogę, po której płynie prąd)
Wpływ nierówności powierzchni na
długość drogi prądu
Anteny dwu- i jednobiegunowe
[dipole i monopole] – modele
teoretyczne
• Antena
jednobiegunowa –
źródło, które emituje falę
jednakowo (izotropowo)
we wszystkich
kierunkach. Najprostszym
przykładem jest kula,
której promień
naprzemiennie,
sinusoidalnie zwiększa
się i zmniejsza.
• Pole – ang. biegun
c.d.
Wzorzec kierunkowości
źródła
jednobiegunowego
Przykład – antena dookólna
Satelita Vanguard 1 – anteny dookólne (prętowe)
Dipole – anteny dwubiegunowe
• Dipol – składa się z
dwóch źródeł
jednobiegunowych o
jednakowej sile
(mocy) ale przeciwnej
fazie i oddzielonych
od siebie o odległość
porównywalną
z długością fali
c.d.
Wzorzec
kierunkowości źródła
dipolowego
Dipol idealny
• Dwa ładunki znajdują się bardzo blisko
siebie (∆z →0 lub ∆z <<λ) i są połączone
nieskończenie cienkim przewodem
• Rezystancja strat dipola krótkiego wynosi
1/3 strat dipola idealnego; rezystancja
promieniowania dipola krótkiego 1/4 dla
dipola idealnego
• Rezystancja strat jest źródłem szumów
Rozkład prądu w dipolu
idealnym
krótkim
Dipol idealny nie istnieje! Zbliżona do jednorodnego
przebiegu prądu będzie antena dipolowa z dodatkowymi
prętami na końcach
Struktura pola elektromagnetycznego
wokół dipola
• Strefa bliska (strefa indukcji) – bardzo blisko
dipola (r << λ) – energia jest magazynowana w
polu elektrycznym i magnetycznym
• Strefa pośrednia (Fresnela) – wektor Poyntinga
przyjmuje wartości niezerowe – pojawia się
promieniowanie
• Strefa promieniowania (daleka lub Fraunhofera)
– im dalej od źródła, tym bardziej lokalnie mamy
falę płaską typu TEM
Dipole
• Kształt emitowanych fal jest kulą o
sinusoidalnie zwiększającym się i
zmniejszającym promieniu, która
przesuwa się do przodu i do tyłu
• Źródło dipolowe promieniuje w dwóch
obszarach bardzo dobrze, a w dwóch –
promieniowanie się znosi (prawie do 0)
• Przykłady animacji źródeł jedno, dwu-,
czterobiegunowych na stronie:
• http://www.kettering.edu/~drussell/Demos/
rad2/mdq.html
Polaryzacja anteny
(polarization)
• Informuje użytkownika o zmianie położenia
końca wektora natężenia pola elektrycznego.
• Możliwa jest polaryzacja kołowa (eliptyczna)
prawo- albo lewoskrętna i liniowa pionowa albo
pozioma. Anteny o polaryzacji prawoskrętnej i
lewoskrętnej oraz pionowej i poziomej są parami
ortogonalnymi i nie będą ze sobą
współpracowały
Anteny
• Ze względu na polaryzację możemy anteny
podzielić na:
• liniowe (pionowa, pozioma, +45°, -45°)
• eliptyczne
– lewoskrętną
– prawoskrętną
• Każdą falę spolaryzowaną liniowo można
przedstawić jako superpozycję dwóch fal
eliptycznych o przeciwnych skrętnościach
• Szczególnym przypadkiem polaryzacji
eliptycznej jest polaryzacja kołowa.
• Współczynnik osiowy polaryzacji (AR) jest
stosunkiem wzajemnie prostopadłych
składowych pola elektrycznego.
AR=1 (polaryzacja kołowa)
AR = ∞ (polaryzacja liniowa)
Długość skuteczna
• Jeżeli umieścimy dowolną antenę w jednorodnym
polu elektrycznym o natężeniu wektora E, to na jej
otwartych zaciskach pojawi się napięcie U=hsk|E|
• Wartość hsk [m] – wysokość skuteczna anteny
hsk =
1
| I maks
L
| I ( z ) | dz
∫
|
0
Gdzie Imaks – maksymalna wartość prądu w antenie, I(z) – rozkład prądu, L –
fizyczna długość anteny
Długość skuteczna dipola
półfalowego wynosi λ/π
• Napięcie indukowane w nim np. w paśmie
fal ultrakrótkich jest mniejsze niż dla
krótkich przy tym samym natężeniu pola
elektrycznego w punkcie odbioru
• Wniosek: konieczność stosowania anten o
większym zysku energetycznym dla
dużych częstotliwości
Fizyczna interpretacja długości
skutecznej dla unipola