Αγαπητοί φίλοι και συνάδελφοι,
Αν είχαμε τη δυνατότητα να βλέπουμε τα ραδιοκύματα με τα μάτια μας, ο κόσμος γύρω μας θα έμοιαζε εντελώς διαφορετικός. Κάθε κεραία θα περιβαλλόταν από έναν αόρατο σήμερα τρισδιάστατο χάρτη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Θα βλέπαμε περιοχές ισχυρής ακτινοβολίας, περιοχές ασθενέστερης ακτινοβολίας και κατευθύνσεις στις οποίες το σήμα θα μπορούσε να είναι σχεδόν ανύπαρκτο.
Και ίσως τότε να καταλαβαίναμε γιατί ένας ραδιοερασιτέχνης με 5 Watt μπορεί, σε ορισμένες περιπτώσεις, να επικοινωνεί εκεί όπου ένας άλλος με πολύ μεγαλύτερη ισχύ δυσκολεύεται. Σήμερα θα εξερευνήσουμε αυτόν τον αόρατο κόσμο.
Το Radiation Pattern (διάγραμμα ακτινοβολίας) αποτελεί τη γραφική αναπαράσταση της κατευθυντικής κατανομής της ακτινοβολίας μιας κεραίας, συνήθως στο μακρινό πεδίο και σε συγκεκριμένη συχνότητα.
Περιγράφει πώς μεταβάλλεται η ακτινοβολία ανάλογα με την κατεύθυνση.
Μπορεί να παρουσιαστεί σε δύο ή τρεις διαστάσεις.
Μια κεραία δεν ακτινοβολεί απαραίτητα με την ίδια ένταση προς όλες τις κατευθύνσεις.
Ακόμη και μια απλή κεραία διπόλου παρουσιάζει συγκεκριμένη γεωμετρία ακτινοβολίας.
2. ΤΟ ΔΙΠΟΛΟ ΚΑΙ ΤΟ ΠΑΡΑΞΕΝΟ ΣΧΗΜΑ ΤΟΥ
Το τρισδιάστατο διάγραμμα ακτινοβολίας ενός ιδανικού λεπτού διπόλου μισού κύματος στον ελεύθερο χώρο μοιάζει με δακτύλιο γύρω από τον άξονά του.
Η μέγιστη ακτινοβολία εμφανίζεται κάθετα προς τον διαμήκη άξονα του διπόλου.
Κατά μήκος του άξονά του εμφανίζονται θεωρητικοί μηδενισμοί ακτινοβολίας.
Αυτό σημαίνει ότι ένα οριζόντιο δίπολο δεν ακτινοβολεί εξίσου προς όλες τις οριζόντιες κατευθύνσεις.
Αν μπορούσαμε να περιστρέψουμε το δίπολο, θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε σημαντικές μεταβολές της έντασης του λαμβανόμενου σήματος.
Στις πραγματικές εγκαταστάσεις, το έδαφος, τα κτίρια, οι μεταλλικές κατασκευές και άλλα αντικείμενα επηρεάζουν το διάγραμμα ακτινοβολίας.
3. ΟΙ ΛΟΒΟΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ
Στα διαγράμματα των κατευθυντικών κεραιών συναντάμε διάφορες περιοχές ακτινοβολίας.
Main Lobe (κύριος λοβός): Η περιοχή στην οποία περιλαμβάνεται η κατεύθυνση μέγιστης ακτινοβολίας.
Side Lobes (πλευρικοί λοβοί): Περιοχές ακτινοβολίας προς άλλες κατευθύνσεις, εκτός του κύριου λοβού.
Back Lobe (οπίσθιος λοβός): Ακτινοβολία προς την οπίσθια περιοχή της κεραίας.
Nulls (μηδενισμοί ακτινοβολίας): Κατευθύνσεις στις οποίες η ακτινοβολία μηδενίζεται θεωρητικά ή παρουσιάζει πολύ βαθιά ελάχιστα στην πράξη.
Ο σωστός σχεδιασμός μιας κατευθυντικής κεραίας δεν αφορά μόνο την αύξηση του κύριου λοβού.
Αφορά και τον έλεγχο της ανεπιθύμητης ακτινοβολίας προς άλλες κατευθύνσεις.
4. ΤΙ ΣΗΜΑΙΝΕΙ FRONT-TO-BACK RATIO;
Το Front-to-Back Ratio (λόγος εμπρόσθιας προς οπίσθια ακτινοβολία) αποτελεί σημαντική παράμετρο μιας κατευθυντικής κεραίας.
Ας υποθέσουμε ότι μια κεραία παρουσιάζει λόγο εμπρόσθιας προς οπίσθια ακτινοβολία 25 dB.
Ο αντίστοιχος λόγος έντασης ακτινοβολίας είναι:
10^(25/10) ≈ 316,2
Δηλαδή η ένταση ακτινοβολίας προς την εμπρόσθια κατεύθυνση είναι περίπου 316 φορές μεγαλύτερη από εκείνη προς την αντίστοιχη οπίσθια κατεύθυνση.
Δεν αλλάξαμε την ισχύ του πομπού.
Αλλάξαμε τη χωρική κατανομή της ακτινοβολίας.
5. ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΕΥΡΟΣ ΔΕΣΜΗΣ;
Το HPBW (Half-Power Beamwidth - γωνιακό εύρος δέσμης μισής ισχύος) είναι η γωνιακή απόσταση μεταξύ των δύο σημείων του κύριου λοβού στα οποία η ένταση ακτινοβολίας έχει μειωθεί στο μισό της μέγιστης τιμής.
Τα σημεία αυτά αντιστοιχούν περίπου σε −3 dB.
Μια κεραία με εύρος δέσμης 30° απαιτεί συνήθως μεγαλύτερη ακρίβεια προσανατολισμού από μια κεραία με εύρος δέσμης 90°.
Αυτός είναι ένας από τους λόγους που σε επικοινωνίες μικροκυμάτων, δορυφορικές επικοινωνίες και συστήματα υψηλής κατευθυντικότητας απαιτείται ιδιαίτερη ακρίβεια στη στόχευση της κεραίας.
6. Η ΠΟΛΩΣΗ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ
Η Polarization (πόλωση) περιγράφει τη χρονική συμπεριφορά του διανύσματος του ηλεκτρικού πεδίου ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος σε συγκεκριμένο σημείο του χώρου.
Οι βασικές κατηγορίες είναι:
Vertical Polarization (κατακόρυφη πόλωση).
Horizontal Polarization (οριζόντια πόλωση).
Circular Polarization (κυκλική πόλωση).
Elliptical Polarization (ελλειπτική πόλωση).
Η οριζόντια και η κατακόρυφη πόλωση αποτελούν ειδικές περιπτώσεις γραμμικής πόλωσης.
Η πόλωση παίζει καθοριστικό ρόλο στην αποτελεσματική λήψη ενός ραδιοσήματος.
7. ΤΙ ΣΥΜΒΑΙΝΕΙ ΟΤΑΝ ΠΕΡΙΣΤΡΕΨΟΥΜΕ ΜΙΑ ΚΕΡΑΙΑ ΚΑΤΑ 90°;
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο ιδανικές κεραίες γραμμικής πόλωσης σε συνθήκες απευθείας διάδοσης.
Η απώλεια λόγω ασυμφωνίας πόλωσης περιγράφεται από τον συντελεστή:
PLF = cos²(θ)
Όπου θ είναι η γωνία μεταξύ των δύο διευθύνσεων πόλωσης.
Διαφορά πόλωσης
Λαμβανόμενη ισχύς λόγω πόλωσης
Απώλεια
0°
100%
0 dB
30°
75%
1,25 dB
45°
50%
3,01 dB
60°
25%
6,02 dB
75°
6,70%
11,74 dB
85°
0,76%
21,19 dB
90°
0%
Θεωρητικά άπειρη
Στις 90° έχουμε θεωρητικά μηδενική σύζευξη λόγω πόλωσης.
Στην πραγματικότητα, οι ανακλάσεις, η σκέδαση, η πολυδιαδρομική διάδοση και οι ατέλειες των κεραιών περιορίζουν το βάθος αυτού του μηδενισμού.
Στις επικοινωνίες HF μέσω της ιονόσφαιρας, η πόλωση μπορεί επίσης να μεταβάλλεται κατά τη διάδοση.
8. ΠΩΣ ΤΑ 1.000 WATTS ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΧΑΣΟΥΝ ΑΠΟ ΤΑ 10 WATTS;
Ας εξετάσουμε ένα υποθετικό παράδειγμα.
Ο πρώτος πομπός εκπέμπει με ισχύ 1.000 Watt.
Ο δεύτερος εκπέμπει με ισχύ 10 Watt.
Ο πρώτος έχει πλεονέκτημα ισχύος 20 dB.
Αν όμως στο πρώτο σύστημα εμφανίζεται απώλεια πόλωσης 30 dB, ενώ στο δεύτερο υπάρχει πλήρης συμφωνία πόλωσης, τότε, με όλες τις υπόλοιπες παραμέτρους ίδιες, ο δεύτερος θα δώσει στον δέκτη σήμα ισχυρότερο κατά 10 dB.
Δηλαδή δεκαπλάσια λαμβανόμενη ισχύ!
Βλέπουμε λοιπόν ότι η αύξηση της ισχύος εκπομπής δεν αποτελεί πάντοτε την καλύτερη λύση.
9. Η ΓΩΝΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΣΤΑ HF
Μια εξαιρετικά σημαντική παράμετρος για τις υπεραστικές επικοινωνίες είναι το Take-off Angle (γωνία αναχώρησης της ακτινοβολίας πάνω από τον ορίζοντα).
Συχνά, οι μικρότερες γωνίες ανύψωσης ευνοούν μεγαλύτερες αποστάσεις ανά ιονοσφαιρικό άλμα.
Αντίθετα, μεγάλες γωνίες ανύψωσης μπορούν, υπό κατάλληλες συνθήκες συχνότητας και διάδοσης, να αξιοποιηθούν για επικοινωνίες NVIS (σχεδόν κατακόρυφης ιονοσφαιρικής πρόσπτωσης).
Το ύψος της κεραίας, η αγωγιμότητα του εδάφους, η συχνότητα και η γεωμετρία της εγκατάστασης επηρεάζουν σημαντικά το κατακόρυφο διάγραμμα ακτινοβολίας.
Δεν αρκεί, επομένως, να γνωρίζουμε μόνο το μέγιστο κέρδος μιας κεραίας.
Πρέπει να γνωρίζουμε και προς τα πού κατευθύνεται αυτό το κέρδος.
10. ΠΩΣ ΜΕΤΡΙΕΤΑΙ ΕΝΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ;
Σε εξειδικευμένα εργαστήρια χρησιμοποιούνται:
Anechoic Chambers (ανηχοϊκοί θάλαμοι).
Antenna Test Ranges (πεδία δοκιμών κεραιών).
Περιστρεφόμενες βάσεις ακριβείας.
Κεραίες αναφοράς.
Βαθμονομημένα συστήματα μέτρησης ραδιοσυχνοτήτων.
Η κεραία περιστρέφεται ελεγχόμενα και καταγράφεται η απόκριση σε διαφορετικές γωνίες.
Με κατάλληλη επεξεργασία δημιουργείται το διάγραμμα ακτινοβολίας.
Μια απλή μέτρηση SWR ή S11 δεν μας δίνει αυτές τις πληροφορίες.
11. ΤΟ ΣΗΜΕΡΙΝΟ ΜΑΣ ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ
Μπορούμε να παρατηρήσουμε την επίδραση της πόλωσης χρησιμοποιώντας έναν σταθερό πομπό αναφοράς και έναν δέκτη στις συχνότητες VHF ή UHF.
Διατηρούμε σταθερή την απόσταση και την ισχύ εκπομπής.
Περιστρέφουμε την κεραία λήψης γύρω από τον άξονα διάδοσης κατά:
0°, 30°, 45°, 60° και 90°.
Καταγράφουμε την ένταση του λαμβανόμενου σήματος.
Για περισσότερο αξιόπιστα αποτελέσματα επιλέγουμε χώρο με περιορισμένες ανακλάσεις, συνθήκες μακρινού πεδίου και κατάλληλο βαθμονομημένο όργανο.
Οι πραγματικές μετρήσεις πιθανότατα θα διαφέρουν από τις ιδανικές θεωρητικές τιμές.
Ακριβώς αυτές οι διαφορές έχουν ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον.
12. Η ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΡΟΚΛΗΣΗ
Έχουμε δύο ιδανικά συστήματα εκπομπής γραμμικής πόλωσης.
Ο πρώτος πομπός εκπέμπει με 100 Watt και παρουσιάζει διαφορά πόλωσης 75° ως προς την κεραία λήψης.
Ο δεύτερος πομπός εκπέμπει με 10 Watt και παρουσιάζει διαφορά πόλωσης 0°.
Όλες οι υπόλοιπες παράμετροι είναι ίδιες.
Ποιος από τους δύο θα δώσει ισχυρότερο σήμα στον δέκτη και κατά πόσα dB;
Περιμένω όχι μόνο το αποτέλεσμα, αλλά και τους υπολογισμούς σας.
ΚΛΕΙΝΟΝΤΑΣ ΤΟ ΕΒΔΟΜΟ ΜΑΣ ΜΑΘΗΜΑ
Αν μπορούσαμε να δούμε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ίσως να συνειδητοποιούσαμε πόσο συχνά προσπαθούμε να λύσουμε με περισσότερα Watt ένα πρόβλημα που στην πραγματικότητα βρίσκεται στην κεραία μας.
Η κατευθυντικότητα, η πόλωση, το ύψος εγκατάστασης και η γωνία ακτινοβολίας μπορούν να αλλάξουν εντυπωσιακά το αποτέλεσμα μιας ραδιοεπικοινωνίας.
Ο πομπός παράγει την ισχύ. Η κεραία καθορίζει πώς αυτή κατανέμεται στον χώρο. Και η φυσική καθορίζει τι τελικά θα φτάσει στον ανταποκριτή μας.
Στο επόμενο μάθημα θα εξετάσουμε την ευαισθησία των δεκτών, τον θερμικό θόρυβο και τη δυνατότητα ανίχνευσης σημάτων ισχύος μικρότερης ακόμη και από ένα femtowatt (10⁻¹⁵ Watts).
Σημείωση ασφαλείας: Όλες οι δοκιμές πρέπει να πραγματοποιούνται σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία, με κατάλληλη ισχύ εκπομπής και με τήρηση των αποστάσεων ασφαλείας από τις κεραίες.
Ο Κόσμος του Ηλεκτρονικού
Ραδιοερασιτεχνική Ακαδημία - Μάθημα 7/100
