Ο Κόσμος του Ηλεκτρονικού - ΡΑΔΙΟΕΡΑΣΙΤΕΧΝΙΚΗ ΑΚΑΔΗΜΙΑ - ΜΑΘΗΜΑ 6/100 - ΤΟ ΜΕΓΑΛΟ ΜΥΣΤΙΚΟ ΤΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ - ΠΩΣ ΤΑ 10 WATT ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΝΙΚΗΣΟΥΝ ΤΑ 100 WATT!

 

Πηγή

Αγαπητοί φίλοι και συνάδελφοι,
Φανταστείτε δύο ραδιοερασιτεχνικούς σταθμούς που εκπέμπουν στην ίδια συχνότητα.
Ο πρώτος διαθέτει πομπό 100 Watt.
Ο δεύτερος διαθέτει πομπό μόλις 10 Watt.
Και όμως, στον μακρινό ανταποκριτή, ο δεύτερος μπορεί να φτάνει με ισχυρότερο σήμα!
Παράξενο;
Καθόλου!
Σήμερα θα εξετάσουμε μερικές από τις σημαντικότερες παραμέτρους των κεραιών και θα ανακαλύψουμε γιατί η ισχύς του πομπού είναι μόνο ένα μέρος της εξίσωσης μιας ραδιοεπικοινωνίας.

 
1. ΜΠΟΡΕΙ ΜΙΑ ΚΕΡΑΙΑ ΝΑ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙ ΤΗΝ ΙΣΧΥ;
Μια παθητική κεραία δεν παράγει πρόσθετη ενέργεια.
Δεν διαθέτει κάποιον ενισχυτή που πολλαπλασιάζει τα Watt του πομπού.
Μπορεί όμως να κατανέμει την ακτινοβολούμενη ενέργεια περισσότερο προς ορισμένες κατευθύνσεις και λιγότερο προς άλλες.
Ας φανταστούμε έναν κοινό λαμπτήρα που φωτίζει προς όλες τις κατευθύνσεις.
Αν τοποθετήσουμε πίσω του έναν κατάλληλο ανακλαστήρα, μπορούμε να συγκεντρώσουμε μεγαλύτερο μέρος του φωτός προς μια συγκεκριμένη περιοχή.
Δεν αυξήσαμε την παραγόμενη ενέργεια.
Αλλάξαμε τη χωρική κατανομή της.
Αντίστοιχη αρχή συναντάμε στις κατευθυντικές κεραίες.

 
2. Η ΙΣΟΤΡΟΠΙΚΗ ΚΕΡΑΙΑ
Στη θεωρία των κεραιών χρησιμοποιούμε ένα ιδανικό σημείο αναφοράς, το οποίο ονομάζεται Isotropic Antenna (ισοτροπική κεραία).
Πρόκειται για μια υποθετική πηγή που ακτινοβολεί ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις στον τρισδιάστατο χώρο.
Το διάγραμμα ακτινοβολίας της είναι μια τέλεια σφαίρα.
Το κέρδος μιας ιδανικής ισοτροπικής κεραίας χωρίς απώλειες είναι:
G = 1 ή 0 dBi
Η ισοτροπική κεραία δεν είναι πραγματική κατασκευάσιμη κεραία, αλλά αποτελεί θεμελιώδες θεωρητικό σημείο αναφοράς.

 
3. DIRECTIVITY - ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΤΗΤΑ
Η κατευθυντικότητα περιγράφει πόσο περισσότερο συγκεντρώνεται η ακτινοβολούμενη ισχύς προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, σε σύγκριση με την ομοιόμορφη κατανομή της ίδιας συνολικής ακτινοβολούμενης ισχύος.
Μαθηματικά:
D = 4π × U / Prad
Όπου:
D = κατευθυντικότητα.
U = ένταση ακτινοβολίας προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση, σε W/sr.
Prad = συνολική ακτινοβολούμενη ισχύς.
Μια κεραία με υψηλή κατευθυντικότητα μπορεί να συγκεντρώνει μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας της προς μια περιορισμένη περιοχή του χώρου.
Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι έχει και υψηλή απόδοση.

 
4. EFFICIENCY - ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ
Καμία πραγματική κεραία δεν είναι απολύτως απαλλαγμένη από απώλειες.
Ένα μέρος της ισχύος που αποδέχεται η κεραία μπορεί να μετατραπεί σε θερμότητα αντί να ακτινοβοληθεί.
Η απόδοση ακτινοβολίας υπολογίζεται από τη σχέση:
η = Prad / Paccepted
Αν μια κεραία αποδέχεται 100 Watt και ακτινοβολεί 60 Watt, τότε:
η = 60/100 = 0,6
Απόδοση ακτινοβολίας = 60%.
Τα υπόλοιπα 40 Watt αντιστοιχούν σε απώλειες.
Ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο μπορούν να παίξουν οι απώλειες σε πηνία φόρτισης, αγωγούς, υλικά και συστήματα γείωσης.

 
5. GAIN - ΚΕΡΔΟΣ ΚΕΡΑΙΑΣ
Το κέρδος μιας κεραίας συνδυάζει την κατευθυντικότητα και την απόδοση ακτινοβολίας.
G = η × D
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια κεραία με:
Κατευθυντικότητα: 10 dBi.
Απόδοση ακτινοβολίας: 50%.
Η απόδοση 50% αντιστοιχεί περίπου σε −3,01 dB.
Επομένως:
G = 10 − 3,01
Πραγματικό κέρδος ≈ 6,99 dBi.
Στην περίπτωση αυτή δεν έχουμε συμπεριλάβει τις απώλειες λόγω αναντιστοιχίας στο σημείο τροφοδοσίας.
Όταν συνυπολογίζουμε και αυτές, μιλάμε για Realized Gain (πραγματοποιούμενο κέρδος).

6. ΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ Η ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΕΤΑΞΥ dB, dBi ΚΑΙ dBd;
Τα σύμβολα αυτά δεν είναι ταυτόσημα.
dB: Λογαριθμική έκφραση του λόγου δύο μεγεθών.
dBi: Κέρδος σε σχέση με την ιδανική ισοτροπική κεραία.
dBd: Κέρδος σε σχέση με ένα ιδανικό δίπολο μισού κύματος, στη διεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας του στον ελεύθερο χώρο.
Η σχέση μεταξύ dBi και dBd είναι:
dBi = dBd + 2,15
Επομένως:
0 dBd = 2,15 dBi
3 dBd = 5,15 dBi
6 dBd = 8,15 dBi
9 dBd = 11,15 dBi
12 dBd = 14,15 dBi
Γι' αυτό, όταν συγκρίνουμε τις προδιαγραφές δύο κεραιών, πρέπει να γνωρίζουμε το σημείο αναφοράς των αναγραφόμενων τιμών.

 
7. ΠΟΣΑ WATT ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΟΥΝ ΣΤΟ ΚΕΡΔΟΣ ΜΙΑΣ ΚΕΡΑΙΑΣ;
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τον αντίστοιχο συντελεστή ισχύος για ορισμένες τιμές κέρδους.
Κέρδος
Συντελεστής ισχύος
0 dB
1
3 dB
2
6 dB
3,98
9 dB
7,94
10 dB
10
12 dB
15,85
15 dB
31,62
20 dB
100
Οι τιμές αναφέρονται στην ισοδύναμη αύξηση της ισχύος προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση, όχι σε παραγωγή πρόσθετης ενέργειας από την κεραία.

 
8. ΠΩΣ ΤΑ 10 WATT ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΝΙΚΗΣΟΥΝ ΤΑ 100 WATT;
Ας συγκρίνουμε δύο υποθετικούς σταθμούς, θεωρώντας ότι οι κεραίες είναι προσαρμοσμένες.
ΣΤΑΘΜΟΣ Α
Ισχύς πομπού: 100 W.
Απώλειες καλωδίου: 3 dB.
Κέρδος κεραίας: 2,15 dBi.
Ισοδύναμη ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς:
EIRP ≈ 82,2 W.
ΣΤΑΘΜΟΣ Β
Ισχύς πομπού: 10 W.
Απώλειες καλωδίου: 0,5 dB.
Κέρδος κατευθυντικής κεραίας: 15 dBi.
Ισοδύναμη ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς:
EIRP ≈ 281,8 W.
Ο δεύτερος σταθμός, παρά το γεγονός ότι διαθέτει πομπό δέκα φορές μικρότερης ισχύος, παρουσιάζει περίπου 5,35 dB μεγαλύτερη EIRP προς την κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας.
Εφόσον οι υπόλοιπες συνθήκες είναι ίδιες και οι κεραίες είναι κατάλληλα προσανατολισμένες, μπορεί να δώσει ισχυρότερο σήμα στον ανταποκριτή.
Η κεραία του δεύτερου σταθμού δεν παράγει 281,8 πραγματικά Watt. Δημιουργεί προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση πυκνότητα ισχύος αντίστοιχη με εκείνη μιας ιδανικής ισοτροπικής πηγής 281,8 Watt.

 
9. ERP ΚΑΙ EIRP - ΔΥΟ ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ
ERP (Effective Radiated Power – ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς).
EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power – ισοδύναμη ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς).
Η διαφορά τους βρίσκεται στο σημείο αναφοράς.
Η ERP χρησιμοποιεί ως αναφορά το ιδανικό δίπολο μισού κύματος.
Η EIRP χρησιμοποιεί την ιδανική ισοτροπική κεραία.
EIRP = ERP × 1,64
Ή σε λογαριθμική μορφή:
EIRP(dBW) = ERP(dBW) + 2,15 dB
Τα μεγέθη αυτά χρησιμοποιούνται στη μελέτη ραδιοδικτύων, στις δορυφορικές επικοινωνίες, στους υπολογισμούς κάλυψης και σε κανονισμούς εκπομπής.

10. ΜΠΟΡΟΥΜΕ ΝΑ ΜΕΤΡΗΣΟΥΜΕ ΤΟ ΚΕΡΔΟΣ ΜΙΑΣ ΚΕΡΑΙΑΣ ΜΕ ΕΝΑ VNA;
Όχι με μια απλή μέτρηση S11.
Ένας VNA (διανυσματικός αναλυτής δικτύων) μπορεί να μας προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες για τη σύνθετη αντίσταση, την ανάκλαση, την προσαρμογή και το εύρος ζώνης.
Όμως μια μέτρηση SWR δεν μας αποκαλύπτει από μόνη της:
Το κέρδος της κεραίας.
Την απόδοση ακτινοβολίας.
Το διάγραμμα ακτινοβολίας.
Την κατευθυντικότητα.
Τους πλευρικούς λοβούς.
Τον λόγο εμπρόσθιας προς οπίσθια ακτινοβολία.
Για τη μέτρηση αυτών των παραμέτρων απαιτούνται κατάλληλες διατάξεις και εξειδικευμένες μέθοδοι, όπως μετρήσεις με κεραίες αναφοράς, βαθμονομημένες μετρήσεις S21 και μετρήσεις σε κατάλληλους χώρους ή πεδία δοκιμών.

 
11. Η ΜΕΓΑΛΗ ΠΑΓΙΔΑ ΤΩΝ ΚΕΡΑΙΩΝ ΜΕ SWR 1:1
Ας υποθέσουμε ότι κατασκευάζουμε μια πολύ μικρή κεραία.
Η αντίσταση ακτινοβολίας της είναι μόλις 2 Ω.
Οι ισοδύναμες αντιστάσεις απωλειών είναι 48 Ω.
Στη συχνότητα συντονισμού έχουμε:
Rin = 2 + 48 = 50 Ω.
Το όργανο δείχνει:
SWR = 1:1.
Ποια είναι όμως η απόδοση ακτινοβολίας;
η = 2/(2 + 48)
η = 4%.
Αν η κεραία αποδέχεται 100 Watt, ακτινοβολεί μόλις 4 Watt.
Τα υπόλοιπα 96 Watt χάνονται στις αντιστάσεις απωλειών.
Το όργανο των στασίμων δείχνει μια ιδανική προσαρμογή.
Η πραγματική απόδοση όμως είναι απογοητευτική!

 
12. Η ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΡΟΚΛΗΣΗ
Έχουμε δύο ραδιοερασιτεχνικούς σταθμούς με προσαρμοσμένες κεραίες.
Σταθμός Α:
Πομπός 100 W.
Απώλειες καλωδίου 2 dB.
Κέρδος κεραίας 3 dBi.
Σταθμός Β:
Πομπός 25 W.
Απώλειες καλωδίου 0,5 dB.
Κέρδος κεραίας 11 dBi.
Ποιος σταθμός έχει μεγαλύτερη EIRP προς την κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας;
Πόσα Watt είναι η EIRP του κάθε σταθμού;
Πόσα dB είναι η διαφορά τους;
Περιμένω τις απαντήσεις σας και φυσικά την τεχνική αιτιολόγηση.

ΚΛΕΙΝΟΝΤΑΣ ΤΟ ΕΚΤΟ ΜΑΣ ΜΑΘΗΜΑ
Πριν επενδύσουμε σε έναν μεγαλύτερο ενισχυτή ισχύος, αξίζει να εξετάσουμε τι μπορούμε να βελτιώσουμε στην κεραία, στη γραμμή μεταφοράς και στο σύστημα εγκατάστασής μας.
Μερικές φορές η σημαντικότερη αναβάθμιση ενός ραδιοερασιτεχνικού σταθμού δεν βρίσκεται επάνω στον πάγκο του εργαστηρίου.
Βρίσκεται στην ταράτσα του!
Ο καλός ραδιοερασιτέχνης δεν μετράει μόνο τα Watt που φεύγουν από τον πομπό του. Προσπαθεί να κατανοήσει και τι πραγματικά συμβαίνει σε αυτά.
Στο επόμενο μάθημα θα εξετάσουμε τα τρισδιάστατα διαγράμματα ακτινοβολίας, τους κύριους και πλευρικούς λοβούς, την πόλωση και τις νεκρές ζώνες των κεραιών.
Σημείωση ασφαλείας: Η αύξηση του κέρδους μιας κεραίας μπορεί να αυξήσει την έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία προς συγκεκριμένες κατευθύνσεις. Τηρούμε πάντοτε τις προβλεπόμενες αποστάσεις ασφαλείας και την ισχύουσα νομοθεσία.
Ο Κόσμος του Ηλεκτρονικού
Ραδιοερασιτεχνική Ακαδημία - Μάθημα 6/100