6.3 Ακτινοβολούμενη ισχύς και ένταση πεδίου
Όπως είδαμε όταν εξετάσαμε τα χαρακτηριστικά των κεραιών, από το σύνολο της ισχύος που προσφέρει ο πομπός ένα μόνο μέρος εκπέμπεται, γιατί το υπόλοιπο μετατρέπεται σε θερμότητα από την αντίσταση απωλειών της κεραίας. Το ποσό της ισχύος Prπου θα εκπεμφθεί καθορίζεται από την ισχύ εξόδου του πομπού και το συντελεστή απόδοσης της κεραίας. Η ισχύς αυτή εκφράζεται σε Wattκαι μπορεί να υπολογιστεί εύκολα, αν μετρήσουμε την ενεργό τιμή Imτης έντασης του ρεύματος στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας όπου, ως γνωστόν, υπάρχει κοιλία ρεύματος. Είναι :
για κεραία λ/2 και
για κεραία λ/4
Είδαμε επίσης ότι οι περισσότερες κεραίες έχουν κάποιας μορφής κατευθυντικότητα και παρουσιάζουν κέρδος. Αυτό τις επιτρέπει να εκπέμπουν προς την κατεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας, σαν να ήταν κεραίες που τροφοδοτούνται με μεγαλύτερη ισχύ. Για να χαρακτηρίσουμε αυτή την ιδιότητα, χρησιμοποιούμε το γινόμενο της ακτινοβολούμενης ισχύος επί το κέρδος της κεραίας, που ονομάζεται Ενεργός Ακτινοβολούμενη Ισχύς (ERP – EffectiveRadiatedPower).
Η ισχύς που ακτινοβολεί η κεραία εκπέμπεται, ως γνωστόν, με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι ηλεκτρικές και μαγνητικές διαταραχές στο χώρο γύρω από την κεραία. Αυτό σημαίνει ότι, εξαιτίας μιας κεραίας που εκπέμπει, εξασκούνται δυνάμεις στα ηλεκτρόνια των αγωγών που υπάρχουν εκεί γύρω. Από το μέγεθος και την κατεύθυνση αυτών των δυνάμεων προκύπτει η έννοια της έντασης Ε του ηλεκτρικού πεδίου της κεραίας, η οποία έχει μέτρο ανάλογο προς τις δυνάμεις που αναπτύσσει στα ηλεκτρόνια και κατεύθυνση ίδια με τις δυνάμεις. Η κατεύθυνση αυτή είναι παράλληλη προς τους αγωγούς λ/4 που αποτελούν την κεραία και καθορίζει την πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Η πόλωση του κύματος είναι ίδια με την πόλωση της κεραίας. Για παράδειγμα, η κεραία και το κύμα στο σχήμα 6-25 έχουν κατακόρυφη πόλωση.
Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αλλάζει διαρκώς φορά, γιατί είναι εναλλασσόμενο πεδίο. Μαζί με το ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει και μαγνητικό, του οποίου η ένταση Η είναι πάντα κάθετη προς την ένταση Ε του ηλεκτρικού πεδίου. Για να χαρακτηρίσουμε όμως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, χρησιμοποιούμε σχεδόν πάντα την ένταση Ε, επειδή αυτό το μέγεθος μπορούμε να το μετρήσουμε ευκολότερα. Το Ε μετράται σε Volt ανά μέτρο και το Η σε Ampere ανά μέτρο.
6.4 Λήψη επίγειου και δορυφορικού σήματος
Στις ασύρματες επικοινωνίες ισχύει μια γενική αρχή: Για καλύτερα αποτελέσματα η κεραία λήψης πρέπει να είναι ίδια με την κεραία εκπομπής. Η αρχή αυτή εφαρμόζεται σταθερά, όταν οι συνδέσεις είναι "ένα προς ένα", όπως, για παράδειγμα, μεταξύ δύο πομποδεκτών CB, αλλά δεν είναι εφαρμόσιμη ούτε απαραίτητη, στην περίπτωση λήψης προγραμμάτων που εκπέμπονται από ισχυρούς πομπούς για πολλούς δέκτες. Οι κεραίες λήψης σ' αυτές τις περιπτώσεις μπορεί, ανάλογα με το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα, να είναι από εξαιρετικά απλές, έως αρκετά σύνθετες, αλλά σε καμιά περίπτωση δε συγκρίνονται με το μέγεθος και την πολυπλοκότητα των κεραιών εκπομπής. Όσο για τους δέκτες που χρειάζονται για να πραγματοποιηθεί η λήψη, η λεπτομερής εξέτασή τους θα γίνει στα επόμενα κεφάλαια.
Στους δέκτες ραδιοφώνου για λήψη μακρών, μεσαίων ή βραχέων κυμάτων χρησιμοποιείται πολύ συχνά η μαγνητική κεραία.
Σχήμα 6-26. Μαγνητική κεραία
Η μαγνητική κεραία αποτελείται από ένα πηνίο τυλιγμένο γύρω από μια ράβδο φερρίτη με μήκος 10 – 30 cm και διάμετρο περίπου 1 cm. Ο φερρίτης είναι ένα κεραμικό υλικό που έχει πολύ μεγάλη μαγνητική διαπερατότητα. Μπορεί έτσι να συγκεντρώνει από το γύρω χώρο και να διοχετεύει μέσα από το πηνίο τις μαγνητικές γραμμές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και να παράγει στα άκρα των σπειρών του ένα σχετικά ισχυρό σήμα λήψης. Η μαγνητική κεραία είναι κατευθυντική και λειτουργεί καλύτερα, όταν προσανατολίζεται κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Λόγω του μικρού της μεγέθους συνήθως τοποθετείται στο εσωτερικό των δεκτών.
Στους φορητούς ραδιοφωνικούς δέκτες AM και FM επίσης συχνά χρησιμοποιείται και η τηλεσκοπική κεραία. Αυτή στην ουσία δεν είναι τίποτε άλλο από ένα απλό κομμάτι αγωγού, που λειτουργεί σαν ασυντόνιστη κεραία τυχαίου μήκους. Η ικανοποιητική λειτουργία της οφείλεται μόνο στο ότι η ένταση του πεδίου στο χώρο που λειτουργούν οι περισσότεροι δέκτες είναι πολύ μεγάλη.
Για τη λήψη των υπερβραχέων κυμάτων, ιδιαίτερα αν αυτή γίνεται από ποιοτικούς δέκτες FM ή δέκτες τηλεόρασης, χρειάζεται συνήθως κάτι καλύτερο από τις απλές κεραίες, που είδαμε παραπάνω. Έτσι, οι επιτραπέζιοι δέκτες FM διαθέτουν ειδική είσοδο όπου συνδέεται η γραμμή μεταφοράς που οδηγεί σε εξωτερική κεραία. Αυτή είναι είτε μια κεραία GroundPlane είτε μια κεραία δίπολο τοποθετημένη κάθετα πάνω σε ιστό. Ανάλογες κεραίες χρησιμοποιούμε και για υψηλών απαιτήσεων λήψη βραχέων κυμάτων.
Από τις κεραίες τηλεόρασης απαιτούμε επιπλέον και κάποια κατευθυντικότητα. Ο λόγος είναι ότι, αν η τηλεόραση, εκτός από το σήμα του πομπού, συλλαμβάνει και αντανακλάσεις του ίδιου σήματος από διάφορα φυσικά εμπόδια, εμφανίζει στην οθόνη της πολλαπλές εικόνες ("είδωλα"). Αυτό συμβαίνει, διότι τα ανακλώμενα κύματα έχουν διανύσει περισσότερο δρόμο και φτάνουν στην κεραία λίγο αργότερα από τα απ' ευθείας κύματα, δίνοντας εικόνες ελαφρά μετατοπισμένες ως προς την αρχική. Για την εξασφάλιση κατευθυντικότητας χρησιμοποιείται συνήθως η κεραία Yagi με αναδιπλωμένο δίπολο και πολλούς κατευθυντήρες, έτσι ώστε το κέρδος της να είναι 13 – 17 db. Επειδή όμως αυτή η κεραία έχει σχετικά περιορισμένο εύρος ζώνης συχνοτήτων και δε λαμβάνει ικανοποιητικά όλα τα τηλεοπτικά κανάλια, χρησιμοποιείται πολλές φορές στη θέση της μια παραλλαγή της μετωπικής κεραίας με συρμάτινο πλέγμα για ανακλαστήρα. Τα δίπολα αυτής της κεραίας έχουν διχαλωτή μορφή για αύξηση του εύρους ζώνης των συχνοτήτων λειτουργίας της (σχήμα 6-27).
Τέλος για τη λήψη του δορυφορικού σήματος έχουμε πολύ υψηλές απαιτήσεις τόσο από την κεραία όσο και από τις υπόλοιπες συσκευές του δορυφορικού δέκτη. Κατ' αρχάς το σήμα που δεχόμαστε από το δορυφόρο είναι εξαιρετικά ασθενές. Οι δορυφόροι DBS (DirectBroadcastingSatellites), των οποίων το σήμα λαμβάνουμε με οικιακούς δορυφορικούς δέκτες, έχουν πομπούς, των οποίων η ισχύς ακτινοβολίας δεν ξεπερνά τα 50 Watt και εκπέμπουν από απόσταση 36.000 χιλιομέτρων. Για να λάβουμε τέτοια σήματα, χρειαζόμαστε κεραίες εξαιρετικά υψηλού κέρδους, οι οποίες αναγκαστικά έχουν πολύ στενή δέσμη λήψης. Αυτό μας υποχρεώνει να "σκοπεύουμε" το δορυφόρο πολύ προσεκτικά, πράγμα που είναι δυνατό, γιατί οι δορυφόροι DBS περιστρέφονται γύρω από τη γη με την ίδια γωνιακή ταχύτητα που η γη περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό της και έτσι εμφανίζονται ακίνητοι στο ίδιο πάντα σημείο του ουρανού.
Για να ικανοποιηθούν όλες αυτές οι ανάγκες, χρησιμοποιούμε τις γνωστές μας παραβολικές κεραίες με κάποιες μικρές τροποποιήσεις. Κατ' αρχάς η χοανοκεραία στις περισσότερες περιπτώσεις δεν τοποθετείται στο κέντρο του κάτοπτρου, αλλά έκκεντρα. Εξαιτίας αυτού, το κάτοπτρο παίρνει ελλειψοειδές αντί για κυκλικό σχήμα και το βάθος της κοιλότητάς του μικραίνει. Έτσι, μπορεί να τοποθετείται περισσότερο κάθετα προς την επιφάνεια της γης, για να μην επιτρέπει στο χιόνι και το νερό της βροχής να συσσωρεύονται μέσα του και να επιδεινώνουν τη λήψη. Έπειτα, δε χρησιμοποιείται κυματοδηγός, αλλά το πρώτο στάδιο του δορυφορικού δέκτη είναι τοποθετημένο κατευθείαν μετά τη χοανοκεραία μέσα σε μια μονάδα που ονομάζεται LNB (LowNoiseBlock-downconverter), δηλαδή Μετατροπέας Χαμηλού Θορύβου.
Τέλος, υπάρχει ένα σύστημα περιστροφής της κεραίας που μας επιτρέπει να στοχεύσουμε οποιονδήποτε δορυφόρο στο επίπεδο του ισημερινού, γιατί εκεί βρίσκονται όλοι οι δορυφόροι DBS. Το σύστημα αυτό ονομάζεται πολική στήριξη, γιατί ο άξονάς του είναι παράλληλος με τον άξονα της γης.(σχήμα 6-28)
Σχήμα 6-28 κεραία δορυφορικής λήψης
Μέσα στη μονάδα LNB υπάρχει μια διάταξη επιλογής της πόλωσης του λαμβανόμενου κύματος, ένας ενισχυτής κατασκευασμένος με ειδικά τρανζίστορ πολύ χαμηλού θορύβου και ένας μετατροπέας συχνότητας. Ο μετατροπέας αυτός υποβιβάζει τη συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος από τα 11 GHz, που εκπέμπει ο δορυφόρος, σε 1 GHz. Το σήμα του 1 GHz οδηγείται με ομοαξονικό καλώδιο σε μια συσκευή που ονομάζεται IDU (In-DoorUnit), δηλαδή εσωτερική μονάδα. Στη συσκευή αυτή γίνεται επιπλέον ενίσχυση του σήματος όπως επίσης και η επιλογή του επιθυμητού δορυφορικού προγράμματος. Η εσωτερική μονάδα συνδέεται με ένα κοινό τηλεοπτικό δέκτη, προκειμένου να παρακολουθήσουμε τηλεοπτικό δορυφορικό πρόγραμμα ή με ένα ειδικό ψηφιακό ραδιοφωνικό δέκτη, προκειμένου να κάνουμε ακρόαση δορυφορικού ραδιοφωνικού προγράμματος.
Η μονάδα IDU συχνά συμπληρώνεται και με μια μονάδα τηλεχειρισμού της δορυφορικής κεραίας. Πίσω από το κάτοπτρο, στη θέση της πολικής στήριξης, τοποθετείται ένας μηχανισμός που ονομάζεται ενεργοποιητής (actuator). Ο μηχανισμός αυτός επιτρέπει τη μετακίνηση της κεραίας, ώστε να μπορεί να στοχεύσει οποιονδήποτε δορυφόρο. Οι διάφορες θέσεις της κεραίας αποθηκεύονται στη μνήμη του τηλεχειρισμού, έτσι ώστε, όταν επιλέγουμε κάποιο πρόγραμμα που το εκπέμπει διαφορετικός δορυφόρος απ' αυτόν που προηγουμένως παρακολουθούσαμε, η κεραία να περιστρέφεται αυτόματα προς τη θέση του νέου δορυφόρου.
Το μέγεθος του απαιτούμενου παραβολικού κατόπτρου εξαρτάται από την ένταση του δορυφορικού σήματος στο σημείο λήψης και από τη στάθμη του ηλεκτρονικού θορύβου που εισάγει στο σήμα το LNB. Στη χώρα μας παραβολικά κάτοπτρα με διάμετρο μεταξύ 0,8 και 1,2 μέτρα προσφέρουν ικανοποιητική λήψη στις περισσότερες περιπτώσεις.
