Πώς ένα ηλεκτρικό ρεύμα μετατρέπεται σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μπορεί να ταξιδέψει χιλιάδες χιλιόμετρα;
Αγαπητοί φίλοι και συνάδελφοι,
Στο προηγούμενο μάθημα εξετάσαμε πώς τα ραδιοκύματα μπορούν, υπό κατάλληλες συνθήκες, να διανύσουν τεράστιες αποστάσεις.
Σήμερα θα κάνουμε κάτι ακόμη πιο ενδιαφέρον.
Θα αφήσουμε για λίγο την ιονόσφαιρα και θα κατεβούμε στο εργαστήριο.
Και θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε μια ερώτηση που φαίνεται απλή:
Τη στιγμή που αρχίζουμε να εκπέμπουμε, τι ακριβώς συμβαίνει στα ηλεκτρόνια της κεραίας;
Γιατί ένα κομμάτι μεταλλικού αγωγού μπορεί να μετατρέψει την ηλεκτρική ενέργεια σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία;
Και γιατί δύο κεραίες που τροφοδοτούνται με την ίδια ισχύ μπορούν να παρουσιάζουν εντελώς διαφορετική συμπεριφορά;
Ας το εξετάσουμε βήμα προς βήμα.
1. ΑΠΟ ΤΟΝ ΠΟΜΠΟ ΣΤΗΝ ΚΕΡΑΙΑ
Ας χρησιμοποιήσουμε ως παράδειγμα έναν πομποδέκτη HF που εκπέμπει στα 14,2 MHz.
Στην έξοδό του εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό σήμα ραδιοσυχνότητας.
Αν θεωρήσουμε ότι ο πομπός αποδίδει 100 Watt σε καθαρά ωμικό φορτίο 50 Ω, η ενεργός τάση είναι:
P = V²/R
Επομένως:
V = √(100 × 50)
V ≈ 70,7 V RMS
Το αντίστοιχο ενεργό ρεύμα είναι:
I = V/R
I ≈ 1,414 A RMS
Οι τιμές αυτές αφορούν το συγκεκριμένο ισοδύναμο φορτίο 50 Ω και ημιτονοειδές σήμα σταθερής ισχύος. Δεν σημαίνει ότι σε κάθε σημείο μιας πραγματικής κεραίας έχουμε την ίδια τάση ή το ίδιο ρεύμα.
Το σήμα μεταφέρεται μέσω της γραμμής μεταφοράς προς την κεραία.
Και εδώ αρχίζει η πραγματική φυσική του φαινομένου.
2. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΤΑΞΙΔΕΥΟΥΝ ΜΕΧΡΙ ΤΗΝ ΙΑΠΩΝΙΑ;
Όχι!
Αυτό είναι ένα από τα σημαντικότερα σημεία που πρέπει να κατανοήσουμε.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μεταλλικού αγωγού αποκρίνονται στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί ο πομπός.
Επειδή το πεδίο μεταβάλλεται περιοδικά, το ρεύμα αλλάζει συνεχώς κατεύθυνση.
Στα 14,2 MHz έχουμε:
14.200.000 πλήρεις περιόδους κάθε δευτερόλεπτο.
Τα ηλεκτρόνια δεν εγκαταλείπουν την κεραία για να φτάσουν στον μακρινό σταθμό.
Η κίνησή τους μέσα στον αγωγό είναι εξαιρετικά μικρή σε σχέση με τις διαστάσεις της κεραίας.
Αυτό που διαδίδεται στον χώρο είναι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Τα ηλεκτρόνια παραμένουν στον αγωγό. Η ενέργεια μπορεί να απομακρυνθεί από αυτόν ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
3. ΠΩΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙΤΑΙ Η ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ;
Γύρω από έναν αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα δημιουργείται μαγνητικό πεδίο.
Παράλληλα, οι κατανομές ηλεκτρικού φορτίου δημιουργούν ηλεκτρικό πεδίο.
Όταν το ρεύμα και τα φορτία μεταβάλλονται με τον χρόνο, μεταβάλλονται και τα αντίστοιχα πεδία.
Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell, τα χρονικά μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία συνδέονται μεταξύ τους.
Σε μια κατάλληλα σχεδιασμένη κεραία, ένα μέρος αυτών των πεδίων σχηματίζει ένα εξερχόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Η ενέργεια απομακρύνεται από την κεραία και διαδίδεται στον χώρο.
Πρέπει όμως να προσέξουμε κάτι.
Δεν ακτινοβολούν όλοι οι αγωγοί εξίσου αποτελεσματικά.
Η γεωμετρία, οι διαστάσεις, η συχνότητα και η κατανομή του ρεύματος επηρεάζουν καθοριστικά την ακτινοβολία.
Αυτός είναι και ένας βασικός λόγος που οι κεραίες αποτελούν ξεχωριστό και ιδιαίτερα ενδιαφέρον αντικείμενο της ηλεκτρονικής.
4. ΓΙΑΤΙ ΕΝΑ ΔΙΠΟΛΟ ΕΧΕΙ ΜΗΚΟΣ ΠΕΡΙΠΟΥ ΜΙΣΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ;
Ας επιστρέψουμε στα 14,2 MHz.
Το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο είναι:
λ = 299.792.458 / 14.200.000
λ ≈ 21,11 μέτρα.
Το θεωρητικό μισό μήκος κύματος είναι:
λ/2 ≈ 10,56 μέτρα.
Ένα πραγματικό λεπτό, κεντρικά τροφοδοτούμενο δίπολο συντονισμένο κοντά στη συγκεκριμένη συχνότητα έχει συνήθως λίγο μικρότερο συνολικό φυσικό μήκος, ανάλογα με τη διάμετρο του αγωγού, το περιβάλλον και τις συνθήκες εγκατάστασης.
Μια συνηθισμένη αρχική προσέγγιση είναι:
L(m) ≈ 143 / f(MHz)
Για 14,2 MHz:
L ≈ 10,07 μέτρα.
Δηλαδή περίπου 5,04 μέτρα για κάθε σκέλος.
Αυτή είναι μια πρακτική αρχική εκτίμηση, όχι εγγύηση ακριβούς συντονισμού.
Στην πραγματική εγκατάσταση απαιτείται μέτρηση και ενδεχομένως διόρθωση του μήκους.
5. ΤΙ ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΜΕ ΤΟ ΡΕΥΜΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΤΑΣΗ ΣΤΟ ΔΙΠΟΛΟ;
Εδώ αρχίζει ένα από τα πιο ενδιαφέροντα κεφάλαια.
Σε ένα ιδανικό, λεπτό δίπολο μισού κύματος, με τροφοδοσία στο κέντρο και συντονισμό, η κατανομή του ρεύματος προσεγγίζει ημιτονοειδή μορφή.
Το ρεύμα παρουσιάζει μέγιστο κοντά στο κέντρο της κεραίας.
Προς τα ελεύθερα άκρα μειώνεται και τείνει στο μηδέν.
Αντίθετα, κοντά στα άκρα μπορούν να εμφανιστούν υψηλές τάσεις.
Αυτό σημαίνει ότι η τάση και το ρεύμα δεν έχουν την ίδια τιμή σε όλο το μήκος του αγωγού.
Η κατανομή τους σχετίζεται με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και τη συμπεριφορά συντονισμού της κεραίας.
Γι' αυτό και τα άκρα ενός διπόλου μπορεί να παρουσιάζουν επικίνδυνες τάσεις κατά την εκπομπή.
Μια κεραία δεν είναι απλώς ένα κομμάτι σύρμα. Είναι ένα κατανεμημένο ηλεκτρομαγνητικό σύστημα.
6. ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ;
Πολλοί γνωρίζουμε ότι ένα κεντρικά τροφοδοτούμενο δίπολο μισού κύματος στον ελεύθερο χώρο παρουσιάζει αντίσταση ακτινοβολίας περίπου 73 Ω.
Τι σημαίνει, όμως, αυτό;
Σημαίνει ότι η κεραία μπορεί να αναπαρασταθεί, ως προς την ακτινοβολούμενη ισχύ, από μια ισοδύναμη αντίσταση.
Η αντίσταση ακτινοβολίας δεν είναι μια συνηθισμένη αντίσταση που μετατρέπει την ενέργεια σε θερμότητα.
Είναι ένας τρόπος να περιγράψουμε την πραγματική ισχύ που απομακρύνεται από την κεραία ως ακτινοβολία.
Για ενεργές τιμές ρεύματος στο σημείο αναφοράς:
P_rad = I² × R_rad
Αν, για παράδειγμα, η αντίσταση ακτινοβολίας είναι 73 Ω και το ενεργό ρεύμα τροφοδοσίας είναι 1 A:
P_rad = 1² × 73
P_rad = 73 Watt.
Αυτό σημαίνει ότι, στο συγκεκριμένο ιδανικό μοντέλο, ακτινοβολούνται 73 Watt.
Στην πράξη υπάρχουν και απώλειες στους αγωγούς, στο έδαφος και σε άλλα μέρη του συστήματος.
Επομένως, η συνολική πραγματική αντίσταση εισόδου μπορεί να περιλαμβάνει τόσο την αντίσταση ακτινοβολίας όσο και την αντίσταση απωλειών.
7. ΜΙΑ ΚΕΡΑΙΑ ΜΕ SWR 1:1 ΕΙΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΚΑΛΗ;
Όχι!
Και εδώ θέλω να σταθούμε ιδιαίτερα.
Το SWR μας πληροφορεί για την προσαρμογή της γραμμής μεταφοράς με το φορτίο της, ως προς τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής.
Δεν αποτελεί από μόνο του μέτρηση της απόδοσης ακτινοβολίας.
Μια τεχνητή αντίσταση φορτίου (dummy load) 50 Ω μπορεί να παρουσιάζει SWR σχεδόν 1:1.
Αλλά σχεδόν όλη η ισχύς μετατρέπεται σε θερμότητα.
Αντίθετα, μια αποτελεσματική κεραία μπορεί να παρουσιάζει SWR μεγαλύτερο από 1:1 και να ακτινοβολεί σημαντικό μέρος της ισχύος που δέχεται.
Χαμηλό SWR δεν σημαίνει απαραίτητα υψηλή απόδοση κεραίας.
Αυτό είναι ένα σημείο που αξίζει να θυμόμαστε κάθε φορά που χρησιμοποιούμε έναν αναλυτή κεραιών ή ένα όργανο SWR.
8. ΤΟ ΠΡΩΤΟ ΜΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ
Ας κάνουμε μια πρακτική άσκηση.
Έχουμε ένα δίπολο για τη μπάντα των 20 μέτρων και έναν αναλυτή κεραιών ή VNA.
Με τον πομπό αποσυνδεδεμένο, πραγματοποιούμε μετρήσεις στη γραμμή τροφοδοσίας.
Καταγράφουμε:
Τη συχνότητα στην οποία εμφανίζεται το ελάχιστο SWR.
Την αντίσταση R και την αντίδραση X.
Τη συχνότητα στην οποία η αντίδραση X μηδενίζεται.
Τη μεταβολή της σύνθετης αντίστασης καθώς αλλάζουμε συχνότητα.
Προσοχή: η συχνότητα ελάχιστου SWR δεν συμπίπτει υποχρεωτικά με τη συχνότητα μηδενικής αντίδρασης.
Αν έχουμε τη δυνατότητα, επαναλαμβάνουμε τις μετρήσεις αλλάζοντας το ύψος της κεραίας.
Θα παρατηρήσουμε ότι το περιβάλλον εγκατάστασης μπορεί να επηρεάσει τη σύνθετη αντίσταση και τον συντονισμό.
Και εδώ θα αρχίσουμε να καταλαβαίνουμε γιατί δύο φαινομενικά ίδιες κεραίες δεν παρουσιάζουν πάντα τις ίδιες μετρήσεις.
Σημαντικό: Ποτέ δεν συνδέουμε ενεργό πομπό στην είσοδο ενός απλού VNA ή αναλυτή κεραιών. Η μέτρηση πραγματοποιείται με ασφαλή αποσύνδεση της εκπομπής και σύμφωνα με τις προδιαγραφές του οργάνου.
9. Η ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΡΟΚΛΗΣΗ
Θέλω τώρα να σκεφτείτε κάτι.
Έχουμε δύο κεραίες συνδεδεμένες σε δύο ίδιους πομπούς των 100 Watt.
Η πρώτη παρουσιάζει SWR 1:1.
Η δεύτερη παρουσιάζει SWR 1,8:1.
Ποια από τις δύο θα δώσει ισχυρότερο σήμα στον μακρινό ανταποκριτή;
Μην απαντήσετε βιαστικά!
Σκεφτείτε την αντίσταση ακτινοβολίας, τις απώλειες, την κατευθυντικότητα και την προσαρμογή.
Μπορούμε πραγματικά να απαντήσουμε γνωρίζοντας μόνο το SWR;
Περιμένω τις απόψεις σας και κυρίως την τεχνική αιτιολόγηση.
ΚΛΕΙΝΟΝΤΑΣ ΤΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΑΣ ΜΑΘΗΜΑ
Σήμερα είδαμε ότι πίσω από ένα απλό πάτημα του PTT κρύβεται μια ολόκληρη αλληλουχία ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων.
Τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στους αγωγούς.
Η κατανομή του ρεύματος και των φορτίων δημιουργεί ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.
Ένα μέρος της ενέργειας απομακρύνεται από την κεραία ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Και αυτή η ακτινοβολία μπορεί, υπό κατάλληλες συνθήκες, να μεταφέρει τη φωνή μας σε έναν άλλο άνθρωπο χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά.
Όσο περισσότερο κατανοούμε τη φυσική της κεραίας, τόσο καλύτερα μπορούμε να σχεδιάζουμε, να κατασκευάζουμε, να μετράμε και να βελτιώνουμε τα συστήματά μας.
Στο επόμενο μάθημα θα εξετάσουμε ένα από τα πιο παρεξηγημένα θέματα των ραδιοεπικοινωνιών: Πού πραγματικά ταξιδεύει η ενέργεια σε ένα ομοαξονικό καλώδιο; Μέσα στον χαλκό ή στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο;
Ο Κόσμος του Ηλεκτρονικού
Ραδιοερασιτεχνική Ακαδημία - Μάθημα 2/100
