ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6o ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ

1. Σε ποιες περιπτώσεις δημιουργούνται στάσιμα κύματα σε μια γραμμή μεταφοράς και γιατί;

2. Ποια είναι η μέγιστη και ποια η ελάχιστη τιμή του λόγου στάσιμων κυμάτων; Γιατί θέλουμε να έχουμε όσο το δυνατό μικρότερο SWR;

3. Τι ονομάζεται προσαρμογή και πώς επιτυγχάνεται στην περίπτωση των γραμμών μεταφοράς;

(Απάντηση στη σελίδα 211 και 212)

Προσαρμογή ονομάζεται η εξασφάλιση των συνθηκών που επιτρέπουν τη μεταφορά της μέγιστης δυνατής ισχύος από μια πηγή σ' ένα φορτίο. Στην περίπτωση των γραμμών μεταφοράς η τέλεια προσαρμογή επιτυγχάνεται μόνο, όταν ταυτόχρονα η αντίσταση εξόδου της πηγής είναι ίση με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής και η χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής είναι ίση με την αντίσταση φορτίου.

Τα κυριότερα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας προσαρμογής είναι τα

^εξής:

•     Το φορτίο τροφοδοτείται με τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει η πηγή.
•      Η μεταφορά της μέγιστης δυνατής ισχύος επιτυγχάνεται ανεξάρτητα από το μήκος της γραμμής και από τη συχνότητα.
•      Οι απώλειες ισχύος και ο κίνδυνος καταστροφής του μονωτικού της γραμμής από τοπικές ανυψώσεις της τάσης μειώνονται στο ελάχιστο δυνατό.

Στην περίπτωση των γραμμών μεταφοράς αν θέλουμε να προσαρμόσουμε μια πηγή με αντίσταση εξόδου Ro σε φορτίο με αντίσταση R_L διαφορετική της Ro, συνδέουμε στα άκρα του φορτίου ένα κομμάτι γραμμής μεταφοράς με μήκος λ/4 και χαρακτηριστική αντίσταση:

Την υπόλοιπη απόσταση μέχρι την πηγή την καλύπτουμε με γραμμή μεταφοράς, που έχει χαρακτηριστική αντίσταση ίδια με την αντίσταση εξόδου της πηγής (σχήμα 6-9).

 

 

Το τμήμα λ/4 μετασχηματίζει την αντίσταση R_L και την εμφανίζει στα σημεία Α, Β ίση με την Ro. Έτσι, σε όλο το μήκος της γραμμής από την πηγή μέχρι τα Α, Β η προσαρμογή είναι τέλεια και δεν υπάρχουν στάσιμα κύματα. Μεταξύ των Α, Β και του φορτίου δεν υπάρχει προσαρμογή και εμφανίζονται μικτά κύματα. Αυτό όμως δεν μπορούμε να το αποφύγουμε και επιπλέον δεν μας ενοχλεί πολύ, γιατί το κομμάτι αυτό έχει συνήθως μικρό μήκος.

4. Γιατί μια κεραία ισοδυναμεί με συντονιζόμενο κύκλωμα L-C

σειράς;

(Απάντηση στη σελίδα 213 και 214)

Μια κεραία σε λειτουργία μπορεί να θεωρηθεί κύκλωμα συντονισμού με πηνίο - πυκνωτή σε σειρά L-C όπως αυτό του σχήματος 6-10α.

Στο σημείο αυτό πρέπει να λάβουμε υπ' όψη ότι οι κεραίες συνδέονται στις εξόδους των πομπών με τη βοήθεια γραμμών μεταφοράς και να θυμηθούμε ότι ένα κομμάτι γραμμής μεταφοράς με μήκος λ/4 και ανοιχτό στο τέρμα του, συμπεριφέρεται σαν ένα συντονιζόμενο κύκλωμα σειράς, όπως αυτό του σχήματος 6-10(α). Αν λοιπόν πάρουμε μια γραμμή μεταφοράς και σε μήκος λ/4 από το άκρο της απομακρύνουμε τους αγωγούς μεταξύ τους, θα έχουμε μια κανονική κεραία.

5. Πώς λειτουργεί μια κεραία λ/4; Να υπολογιστεί το μήκος της όταν λειτουργεί στη συχνότητα των 100 MHz.

(Απάντηση στη σελίδα 215 και 216)

Αντίθετα οι ασύμμετρες κεραίες έχουν το μισό μήκος από τις συμμετρικές, γιατί τους λείπει το ένα από τα δύο τμήματα λ/4, που απαρτίζουν το δίπολο. Οι κεραίες αυτές βασίζουν τη λειτουργία τους στο φαινόμενο του ηλεκτρικού ειδώλου. Το ηλεκτρικό είδωλο σχηματίζεται με τη βοήθεια ενός αγώγιμου επιπέδου, το οποίο τοποθετείται κάθετα στον άξονα της κεραίας κοντά στη θέση του σημείου τροφοδοσίας της. Το επίπεδο αυτό λειτουργεί σαν καθρέφτης για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και έτσι το πεδίο της ασύμμετρης κεραίας παραμένει ίδιο με αυτό της συμμετρικής. Οι κεραίες αυτού του τύπου ονομάζονται κεραίες λ/4 ή κεραίες Μαρκόνι. Το ρόλο του αγώγιμου επιπέδου μπορεί να τον παίζει το έδαφος ή μια κατάλληλη μεταλλική κατασκευή (σχήμα 6-12).
Ο συντονισμός των παραπάνω κεραιών στη συχνότητα εκπομπής f γινεται με ρύθμιση του μήκους τους βάση της σχέσης (6.1). Έτσι έχουμε:

Κεραία Μαρκόνι :                                                                   l l=λ/4=u/4f   (6.4)

Όταν χρησιμοποιούμε αυτούς τους τύπους, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η ταχύτητα u αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του ρεύματος στην κεραία, που είναι μικρότερη κατά 5 ως 10% από την ταχύτητα του φωτός. Στην πράξη παίρνουμε u = 285.000.000 μέτρα το δευτερόλεπτο και βγάζουμε το μήκος της κεραίας σε μέτρα.

Επομένως για μια κεραία στα 100ΜΗΖ έχει μήκος

l =λ/4=u/4f=2.85·10⁸m/sec/4·10⁸ sec^-1 =0,72m

 

6. Σε ποια συχνότητα συντονίζεται μια κεραία Χερτζ που έχει μήκος 28,5 μέτρα;

(Απάντηση στη σελίδα 216)

Κεραία Χερτζ :

F=u/2l=2,85 ·10⁸ m/2*28.5m=5MHZ

 

7. Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των κεραιών;

(Απάντηση στη σελίδα 216 και 217 και 218)

Για κάθε κεραία υπάρχουν μια σειρά από μεγέθη που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία της και την καταλληλότητά της για κάθε περίπτωση χρήσης. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι τα εξής :

a. Η ιδιοσυχνότητα fo.

Η ιδιοσυχνότητα είναι η συχνότητα στην οποία συντονίζεται μια κεραία με δοσμένο το μήκος της.

Κεραία Χερτζ : f_o = -2- (6.5).

Κεραία Μαρκόνι : f_o = -4- (6.6) 2.

b.Το ενεργό ύψος hεν.

Οι κεραίες δεν ακτινοβολούν εξίσου ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά κύματα απ' όλα τα σημεία τους. Κοντά στο σημείο τροφοδοσίας η ένταση του ρεύματος είναι μεγάλη και απ' αυτό εκπέμπονται και τα πιο ισχυρά κύματα. Στα άκρα όπου το ρεύμα μηδενίζεται η εκπομπή είναι μηδενική. Αν η κατανομή του ρεύματος κατά μήκος της κεραίας ήταν ομοιόμορφη, τότε θα είχαμε το ίδιο ισχυρή εκπομπή με μικρότερο ύψος κεραίας. Αυτό το μικρότερο ύψος ονομάζεται ενεργό ή ηλεκτρικό ύψος και είναι περίπου το 60% του γεωμετρικού ύψους

c. Οι αντιστάσεις εισόδου και ακτινοβολίας.

Η κεραία αντιπροσωπεύει μια αντίσταση φορτίου για την πηγή που την τροφοδοτεί. Εφόσον η κεραία ακτινοβολεί, αφαιρεί κάποιο ποσό ενέργειας από την πηγή. Αυτό το ποσό ενέργειας θεωρείται ότι καταναλώνεται πάνω σε μια ισοδύναμη ωμική αντίσταση, που ονομάζεται αντίσταση ακτινοβολίας (Rr). Εκτός από την ενέργεια που ακτινοβολείται, κάποιο επιπλέον ποσό ενέργειας καταναλώνεται στην κεραία χωρίς να ακτινοβοληθεί. Το ποσό αυτό μετατρέπεται σε θερμότητα στις διάφορες αντιστάσεις των αγωγών ή χάνεται σε διαρροές λόγω των κακών μονώσεων. Αυτό το ποσό ενέργειας λέμε ότι καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση απωλειών (Ro). Το άθροισμα αυτών των δύο αντιστάσεων ονομάζεται αντίσταση εισόδου (Rin) της κεραίας. Μια κεραία λ/2 έχει αντίσταση ακτινοβολίας περίπου 73 Ω και αντίσταση απωλειών περίπου 7 Ω. 'Έτσι η αντίσταση εισόδου της

είναι 73+7=80 Ω. Μια κεραία λ/4 έχει ακριβώς τις μισές τιμές αυτών των αντιστάσεων. Έτσι:

Rin = Rr + Rα = 73 + 7 = 80 Ω                      (για κεραία λ/2)

Rin = Rr + Rα = 36,5 + 3,5 = 40 Ω (για κεραία λ/4)

d. Ο βαθμός απόδοσης.

Εφόσον από την ισχύ που έρχεται στην κεραία ένα μέρος χάνεται στην αντίσταση απωλειών, καταλαβαίνουμε

ακτινοβολεί η κεραία είναι μικρότερη από την ισχύ Pin που δίνει η πηγή στην κεραία. Ονομάζουμε βαθμό απόδοσης n της κεραίας το πηλίκο :

n = P_r/Pa = R_r/R_r + Ra

Βλέπουμε ότι ο βαθμός απόδοσης βελτιώνεται όσο μικρότερη γίνεται η αντίσταση απωλειών Rα της κεραίας. Η αντίσταση αυτή μπορεί να μειωθεί κάνοντας καλύτερες τις μονώσεις της κεραίας και φροντίζοντας να είναι καλή η αγωγιμότητα του (φυσικού ή τεχνητού) εδάφους στην περίπτωση των ασύμμετρων κεραιών.

e. Η κατευθυντικότητα και το κέρδος.

Καμιά πραγματική κεραία δεν εκπέμπει τα ηλεκτρομαγνητικά της κύματα ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. Η ένταση της ακτινοβολίας προς ορισμένες κατευθύνσεις είναι μεγαλύτερη σε σύγκριση με άλλες. Αυτό δε θεωρείται μειονέκτημα, αλλά μάλλον πλεονέκτημα. Δε θέλουμε, για παράδειγμα, η κεραία ενός ραδιοσταθμού να ακτινοβολεί προς τα επάνω, γιατί προς αυτή την κατεύθυνση δεν υπάρχουν ακροατές του σταθμού. Οι κατευθυντικές ιδιότητες των κεραιών περιγράφονται από το διάγραμμα κατευθυντικότητας, το συντελεστή κατευθυντικότητας και το κέρδος.

Το διάγραμμα κατευθυντικότητας είναι μια γραφική παράσταση που μας δίνει την ένταση της ακτινοβολίας της κεραίας προς διάφορες κατευθύνσεις πάνω σε ένα επίπεδο και για σημεία που απέχουν εξίσου από την κεραία. Υπάρχουν διαγράμματα για το οριζόντιο και το κατακόρυφο επίπεδο. Αυτά τα διαγράμματα μπορούν να χαραχθούν μετά από αναλυτικούς υπολογισμούς ή να προκύψουν από μετρήσεις της έντασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου γύρω από την κεραία. Στο σχήμα 6-14 φαίνονται τα διαγράμματα κατευθυντικότητας μιας οριζόντιας κεραίας λ/2 στο οριζόντιο επίπεδο και μιας κατακόρυφης κεραίας λ/4 στο κατακόρυφο επίπεδο. Λόγω του τρόπου κατανομής της ακτινοβολίας στο οριζόντιο επίπεδο, η

κεραία λ/2 ονομάζεται διπλοκατευθυντική, ενώ η λ/4 πανκατευθυντική.

 

 

Η κεραία θεωρείται ότι είναι τοποθετημένη στο κέντρο του διαγράμματος. Στα διαγράμματα διακρίνονται κλειστές καμπύλες - περιοχές, που ονομάζονται λοβοί. Οι λοβοί μπορούν να μας δώσουν μια εικόνα για το πώς κατανέμεται η ακτινοβολία της κεραίας σ' ένα επίπεδο. Σε κάθε κεραία υπάρχει μια κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας. Ο λοβός που αντιστοιχεί σ' αυτή ονομάζεται κύριος λοβός. Η ένταση της ακτινοβολίας προς την κατεύθυνση του μέγιστου παίρνει στο διάγραμμα τιμή ίση με 1 και όλες οι υπόλοιπες εντάσεις αντιστοιχούν σε αναλόγως μικρότερα νούμερα.

Το διάγραμμα κατευθυντικότητας μιας τέτοιας κεραίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το άνοιγμα του κύριου λοβού βρίσκεται από τη γωνία φ, της οποίας οι πλευρές περνούν από τα σημεία όπου η ένταση του πεδίου είναι ίση με το 0,7 του μέγιστου (σχήμα 6-15).

 

Σχήμα 6-15. Διάγραμμα κατευθυντικότητας κεραίας

Ο συντελεστής κατευθυντικότητας D μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη ισχύ, απ' όση ισχύ δίνουμε στην κεραία που μελετούμε,

θα έπρεπε να δώσουμε σε μια κεραία που εκπέμπει ομοιόμορφα στο γύρω χώρο, ώστε με την πρώτη κεραία να έχουμε προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού της δεύτερης την ίδια ένταση πεδίου. Ο συντελεστής D είναι καθαρός αριθμός (χωρίς μονάδες) και όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του τόσο υψηλότερης κατευθυντικότητας είναι η κεραία.

Τέλος το κέρδος G της κεραίας δείχνει ό,τι και ο συντελεστής κατευθυντικότητας, αλλά αφού λάβουμε υπόψη και το βαθμό απόδοσης n της κεραίας. Είναι G = D . n.

Το κέρδος συνήθως το εκφράζουμε σε ντεσιμπέλ, οπότε η παραπάνω σχέση γίνεται : G = 10log(D n) db. Υπάρχουν κεραίες που έχουν κέρδος 20, 30 ή και 60 db, δηλαδή εκπέμπουν προς ορισμένη κατεύθυνση 100, 1.000 ή και 1.000.000 φορές εντονότερα, απ' όσο θα εξέπεμπε, αν τροφοδοτούνταν με την ίδια ισχύ, μια υποθετική κεραία χωρίς κέρδος.

8.Γιατί μια κεραία που παρουσιάζει κατευθυντικότητα έχει και κέρδος;

(Απάντηση στη σελίδα 219)

Ο συντελεστής κατευθυντικότητας D μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη ισχύ, απ' όση ισχύ δίνουμε στην κεραία που μελετούμε, θα έπρεπε να δώσουμε σε μια κεραία που εκπέμπει ομοιόμορφα στο γύρω χώρο, ώστε με την πρώτη κεραία να έχουμε προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού της δεύτερης την ίδια ένταση πεδίου. Ο συντελεστής D είναι καθαρός αριθμός (χωρίς μονάδες) και όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του τόσο υψηλότερης κατευθυντικότητας είναι η κεραία.

Τέλος το κέρδος G της κεραίας δείχνει ό,τι και ο συντελεστής κατευθυντικότητας, αλλά αφού λάβουμε υπόψη και το βαθμό απόδοσης n της κεραίας. Είναι G = D . n.

9.Ποια πλεονεκτήματα έχουν οι κεραίες λ/4;

(Απάντηση στη σελίδα 219 )

 

•       Για ορισμένη συχνότητα εκπομπής έχουν το μισό μήκος από τις κεραίες δίπολα (Χερτζ). Αυτό τις κάνει κατάλληλες για χρήση στα μεσαία κύματα όπου το μήκος κύματος είναι μεγάλο. Για παράδειγμα, μια κεραία λ/4 που εκπέμπει στα 900 kHz έχει ύψος περίπου 80 μέτρα.

      Οι κεραίες λ/4 εκπέμπουν ομοιόμορφα γύρω τους κατά το οριζόντιο επίπεδο και δεν εκπέμπουν καθόλου προς τα επάνω. Αυτό τις κάνει κατάλληλες για χρήση, στις περιπτώσεις που οι δέκτες βρίσκονται ολόγυρα και στο ίδιο επίπεδο με τον πομπό όπως επίσης και στις περιπτώσεις που έχουμε κινητές μονάδες εκπομπής - λήψης (π.χ. πυροσβεστικά οχήματα).

 

 

 

10. Τι επιτυγχάνουμε με την αύξηση της χωρητικότητας κορυφής μιας κεραίας λ/4;

(Απάντηση στη σελίδα 220 )

Συχνά τοποθετείται στην κορυφή της κεραίας ένα σύστημα από αγωγούς με μορφή σχάρας. Αυτό ενεργεί σαν οπλισμός πυκνωτή και αναγκάζει το ρεύμα να συσσωρεύεται στην κορυφή της κεραίας. Έτσι προκαλείται αύξηση του ηλεκτρικού σε σχέση με το πραγματικό μήκος της κεραίας και μπορούμε να μειώσουμε το ύψος της. Το ίδιο μπορούμε να πετύχουμε τοποθετώντας ένα πηνίο στη βάση της κεραίας. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται συχνά σε μικρού μεγέθους κινητές κεραίες λ/4 (σχήμα 6­16).

 

 

11. Πώς μπορούμε με μια κεραία λ/2 να εκπέμπουμε ομοιόμορφα ολόγυρά της κατά το οριζόντιο επίπεδο;

(Απάντηση στη σελίδα 221 και 222)

Για να εκπέμπουμε ομοιόμορφα ολόγυρά της πρέπει να τοποθετήσουμε κάθετα στην διεύθυνση δάδοσης. Τέτοιες κεραίες τοποθετούνται συνήθως κατακόρυφα, για καλύτερη εκμετάλλευση του διαγράμματος κατευθυντικότητάς τους (σχήμα 6-18).

 

 

12. Γιατί κατασκευάζονται εύκολα οι στοτχειοκεραίες στα υπερβραχέα κύματα και όχι στα μακρά ή μεσαία κύματα;

(Απάντηση στη σελίδα 222)

Το μικρό μήκος κύματος λ στα υπερβραχέα κύματα επιτρέπει να κατασκευαστούν πολύπλοκες κεραίες αποτελούμενες από συστοιχίες πολλών τμημάτων, που ονομάζονται στοιχειοκεραίες. Αυτές οι κεραίες παρουσιάζουν υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα. Υπάρχουν δύο τύποι τέτοιων στοιχειοκεραιών, οι παρασιτικές συστοιχίες και οι τροφοδοτούμενες συστοιχίες. Αντίθετα στα μακρά ή μεσαία κύματα , το μεγάλο μήκος κύματος δείχνει να είναι απαγορευτικό για την κατασκευή τέτοιων κεραιών.

13. Πώς είναι κατασκευασμένη και πώς λειτουργεί η κεραία Yagi;

(Απάντηση στη σελίδα 222 και 223)

Τυπικό παράδειγμα παρασιτικής συστοιχίας αποτελεί η κεραία Γιάγκι (Yagi), που ονομάζεται έτσι προς τιμή του Ιάπωνα ερευνητή που την επινόησε (σχήμα 6-19).

 

 

Στην κεραία Yagi το ένα παρασιτικό στοιχείο είναι περίπου 5% μακρύτερο από το βασικό δίπολο και ονομάζεται ανακλαστήρας. Το άλλο παρασιτικό στοιχείο είναι περίπου 5% κοντύτερο από το δίπολο και ονομάζεται κατευθυντήρας. Ο ανακλαστήρας απέχει από το δίπολο απόσταση 0,15 - 0,25λ, ενώ ο κατευθυντήρας απόσταση 0,1 - 0,2λ. Μέρος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται από το δίπολο αντανακλάται από τα παρασιτικά στοιχεία και συνδυάζεται με το αρχικό κύμα, με αποτέλεσμα να έχουμε μεγάλη ενίσχυση της ακτινοβολίας προς την πλευρά του κατευθυντήρα και μεγάλη εξασθένηση προς την πλευρά του ανακλαστήρα. Έτσι η κεραία Yagi είναι μια κεραία μονοκατευθυντική. Με τη μορφή του σχήματος 6-19(α) έχει απολαβή περίπου 8 db. Μπορούν να προστεθούν μέχρι και 20 κατευθυντήρες στην κεραία, οπότε η απολαβή της μπορεί να φτάσει και τα 17 db.

14. Πώς εξασφαλίζουν οι παραβολικές κεραίες υψηλή κατευθυντικότητα;

(Απάντηση στη σελίδα 225)

Οι χοανοκεραίες συνδυάζονται σχεδόν πάντα με κοίλες μεταλλικές παραβολικές επιφάνειες, που ονομάζονται παραβολικά κάτοπτρα. Οι κεραίες που προκύπτουν συχνά ονομάζονται και παραβολικές κεραίες. Οι χοανοκεραίες τοποθετούνται μπροστά από το κέντρο των κατόπτρων έτσι, ώστε η κωνική δέσμη ακτινοβολίας που εκπέμπουν να μετατρέπεται μετά την ανάκλασή της σε παράλληλη. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται πολύ υψηλό κέρδος (30 - 60 db) και εξαιρετικά στενή δέσμη εκπομπής, όπως η δέσμη του φωτός ενός προβολέα (σχήμα 6-24).

15. Τι ονομάζεται ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς και σε τι διαφέρει από την ακτινοβολούμενη ισχύ;

(Απάντηση στη σελίδα 226)