MOBILNE KOMUNIKACIJE

1. MOBILNE KOMUNIKACIJE 7. Antene

2. U(t)=Umcost E(t) i c H(t) H(t) E(t) Hertzov dipol

3. Hertzov dipol (antenski element) • Hertzov dipol je tanka linearna antena s kapacitivnim teretom na krajevima, s napajanjem u sredini • Raspodjela struje po duljini antene je konstantna • Duljina Hertzovog dipola L

4. Raspodjela polja i način širenja energije u prostoru oko antene može se dobiti rješavanjem Maxwellovih jednadžbi • Kod analize zračenja antena često se u proračunima koristi sferni koordinatni sustav P(r,,)   Pravokutni koordinatni sustav Sferni koordinatni sustav

5. Radijalna komponenta magnetskog polja • Rješenja Maxwellovih jednadžbi za Hertzov dipol glase Polarna komponanta magnetskog polja Azimutna komponenta magnetskog polja Fazna konstanta

7. Rješenja za električno polje Azimutna komponenta električnog polja Radijalna komponenta električnog polja Polarna komponanta električnog polja

8. Indukcijsko polje, • U blizini antene polje se razlikuje od polja na velikoj udaljenosti – govorimo o INDUKCIJSKOJ ZONI • U indukcijskoj zoni uskladištena je reaktivna energija koja titra između izvora i polja, te ne doprinosi zračenju • U izrazima za polje dominiraju članovi s i • Indukcijsko polje zanemarivo je na udaljenostima

9. Radijacijsko polje, • Fresnelova zona – bliža – d do 6  , • Fraunhofferova zona – daleka – d >10  • U izrazima za polje dominira član s • Ostaju azimutna komponenta magnetskog polja i polarna komponenta električnog polja

10. Kompleksne amplitude električnog i magnetskog polja u radijacijskoj zoni dane su • Polja su u fazi, a Poyntingov vektor je usmjeren radijalno od antene

12. U vremenskoj domeni: • a efektivne vrijednosti polja

13. Prostornu raspodjelu polja predočava DIJAGRAM ZRAČENJA • Dijagram zračenja se daje u dvije ravnine – H i V x y Vertikalni dijagram zračenja Hertzovog dipola Horizontalni dijagram zračenja Hertzovog dipola

14. Prostiranje energije • Poznavajući E i H možemo izračunati Poyntingov vektor

15. Komponenta Poyntingova vektora s(t) brzo pada s udaljenošću od antene jer vrijednost komponente er(t) brzo pada • U zoni radijacije jedino radijalna komponenta Poyntingova vektora ima značaj • Srednja vrijednost Poyntingova vektora u zoni radijacije jednaka je

16. Zračena snaga Hertzovog dipola • Srednju snagu koju zrači antena možemo izračunati iz poznatog Poyntingova vektora

17. Izotropni radijator • Izotropni radijator je zamišljena antena koja zrači u svim smjerovima jednako • Koristi se kao referentna antena s kojom uspoređujemo realne antene • Ako izotropni radijator zrači snagu Pt , s obzirom da zrači jednako na sve strane, gustoća snage na udaljenosti d od te antene je jednaka

18. PARAMETRI ANTENA • Konstrukcija antene i proračuni polja, kao i ostalih parametara antene predstavljaju složen tehnički i teorijski problem • Kod projektiranja radiokomunikacijskih sustava služimo se PARAMETRIMA ANTENA: • Dijagram zračenja • Impedancija antene • Usmjerenost • Dobitak • Efektivna površina • Efektivna duljina (visina) • Polarizacija antene • Temperatura šuma

19. 1. Dijagram zračenja • Svako EM zračenje koje proizvede antena bilo kakve geometrije ponaša se kao sferni val, ako je udaljenost od antene dovoljno velika. Prema tome za velike udaljenosti svaka se antena može predočiti točkastim izvorom EM zračenja koje zrači energiju radijalno. • Raspodjela gustoće snage na površini kugle dovoljno velikog polumjera nazivamo PROSTORNI DIJAGRAM ZRAČENJA. • Budući da se iz dijagrama snage ne vidi polarizacija najčešće se daje dijagram za dvije komponente električnog polja (polarno) i (azimutalno) te fazni pomak jedne komponente u odnosu na drugu.

20. Karakteristične veličine dijagrame zračenja su: • SMJER MAKSIMALNOG ZRAČENJA (θ0 i φ0) • KUT USMJERENOSTI (θD i φD) • kut oko glavnog smjera zračenja unutar kojeg gustoća zračene snaga ne pada ispod polovice one snage koja se zrači u smjeru maksimalnog zračenja (za polje ne ispod ) • ŠIRINA SNOPA (θn i φn) • kut između prvih nultočaka s jedne i druge strane maksimalnog zračenja • FAKTOR POTISKIVANJA SEKUNDARNIH LATICA (s) • odnos između jakosti polja u smjeru maksimalnog zračenja i onog u smjeru maksimuma najveće sekundarne latice.

22. Primjer sektor antene bazne postaje

23. Frekvencija odašiljanja: 935-960 MHz • Broj kanala (planirani maksimum): • 6 po sektoru • Najveća snaga po kanalu • 28 W (44.8 dBm) • Antene • Celwave APXV906514 • dobitak 16.15 dBi • kut usmjerenosti u horizontalnoj ravnini 650 • kut usmjerenosti u vertikalnoj ravnini 130 • elevacija glavne latice u odnosu na horizont 00

24. 2. Impedancija antene • Svaka odašiljačka antena priključena na generator signala preko linije može se predočiti kao pasivni jednoprilaz (dvopol). Kvocijent napona i struje na tom jednoprilazu predstavlja impedanciju. Ako se antena nalazi u slobodnom prostoru tako da su svi objekti smješteni na velikoj udaljenosti, govori se o VLASTITOJ IMPEDANCIJI antene. • Kako odašiljačka antena zrači u prostor, gubitak snage se može predstaviti jednim zamišljenim otporom koji je dio omske komponente vlastite impedancije, a naziva se OTPOR ZRAČENJA RZ koji se definira kao ekvivalentan otpor na kojem se troši snaga jednaka ukupnoj zračenoj snazi antene, ako je struja kroz taj otpor jednaka struji kroz stezaljke antene.

25. Budući da je materijal od kojeg je načinjena antena konačne vodljivosti, to će se dio EM energije pretvoriti u toplinu. Ekvivalentan otpor na kojem se troši ta disipirana snaga naziva se OTPOR GUBITAKA, Rd. • Reaktivna komponenta vlastite impedancije, XA , ovisi o indukcijskom polju koje stvara uskladištenu energiju u neposrednoj blizini antene. • Vlastita impedancija antene dana je sa • Da bi se uzeli u obzir gubici zbog disipacije antene definira se faktor iskorištenja kao odnos zračene snage i ukupne prividne snage. • 0,5< <0,7 (ali može biti i blizu 1 (100%))

26. Impedantno prilagođenje antene • Antena predstavlja teret za izlazne sklopove odašiljača • Kako bi se predala maksimalna snaga anteni ona mora biti impedantno prilagođena impedanciji linije na koju je spojena (obično je to 50  koaksijalni kabel za spajanje antene u baznoj postaji) • Prilagođenje se ostvaruje uz uvjet ZA = Z0, gdje je Z0 karakteristična valna impedancija linije. • Ako nije ostvareno prilagođenje nastaje reflektirani val – dio snage se reflektira nazad prema odašiljaču i ne zrači se u prostor ZA Z0

27. Stupanj refleksije opisuje kompleksni koeficijent refleksije Ako je ZA = Z0 NEMA refleksije i K=0 Kvadrat koeficijenta refleksije iskazuje odnos reflektirane i upadne snage U slučaju kada je upadni i reflektirani val čine na prijenosnoj liniji STOJNI VAL 27

28. Maksimum stojnog vala Minimum stojnog vala Omjer stojnog vala (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio) Vrijedi: 28

29. Impedancija antene je promjenjiva s frekvencijom • Redovito se impedancije sustava ili linije na koju se antena spaja mnogo sporije mijenja s frekvencijom nego impedancija antene. Zato postoji ograničeno frekvencijsko područje unutar kojeg je antena prilagođena na impedanciju sustava sa zadovoljavajućim odnosom stojnih valova (taj odnos je obično manji od 2). • Prema tome ŠIRINA POJASA ANTENE (frekvencijskog) definirana je kao onaj pojas frekvencija unutar kojeg odnos stojnih valova ne prelazi 2 (niti se dijagram zračenja u tom pojasu smije bitno mijenjati).

30. 3. Usmjerenost • Usmjerenost antene je omjer gustoće snage u smjeru maksimalnog zračenja i srednje gustoće snage na fiksnoj udaljenosti d od antene: • Srednja gustoća snage se može zračunati preko izračene snage • A gustoća snage u smjeru maksimalnog zračenja preko jakosti polja

31. Usmjerenost antene se može shvatiti kao broj koji kazuje koliko puta ukupna zračena snaga izotropnog radijatora treba biti veća od ukupne zračene snage promatrane antene da bi se izotropnim radijatorom na određenoj udaljenosti od antene postigla jednaka gustoća snage kao što je ima promatrana antena u smjeru maksimalnog zračenja. • Za antene s uskom glavnom laticom usmjerenost se može aproksimirati izrazom:

32. 4. Dobitak • Pri određivanju dobitka (GAIN) uzima se u obzir ne samo prostorna raspodjela zračne snage nego i gubitak snage zbog disipacije u samoj anteni. • Dobitak je tehnički podatak antene koji daje proizvođač, i to običajeno u dB • Dobitak antene je broj koji kazuje koliko puta veća treba biti ukupna zračena snaga izotropnog radijatora od ukupne privedene snage razmatrane antene da bi se izotropnim radijatorom na određenoj udaljenosti postigla jednaka gustoća što je ima razmatrana antena u smjeru maksimalnog zračenja.

33. Preko dobitka možemo povezati privedenu snagu anteni Po (nominalna snaga odašiljača) i jakost polja E na udaljenosti d od odašiljačke antene • Kako je • slijedi

34. 5. Efektivna površina • Ako se antena (prijemna) nalazi daleko (FRAUNHOFFEROVA ZONA) od izvora zračenja, na mjestu prijema sferni val možemo smatrati planarnim (ravnim). • EFEKTIVNA POVRŠINA se definira kao kvocijent raspoložive snage P apsorbirane na prilagođenu teretu (prilagođenje za maksimalni prijenos snage ZT=ZA* ) koji je priključen na antenu i gustoće snage S upadnog EM vala. Up

35. 6. Efektivna duljina (visina) • Za linearne antene se redovito (umjesto efektivne površine) upotrebljava pojam EFEKTIVNE DULJINE (ako je antena smještena u slobodnom prostoru) ili EFEKTIVNE VISINE (ako je antena smještena okomito na vodljivu plohu). Obje su veličine identične za prijemnu i odašiljačku antenu. • Prijemna antena • Efektivna duljina lefili hef prijemne antene jest kvocijent napona na stezaljkama otvorene antene i jakosti električnog polja na mjestu prijema, ako je antena orijentirana u smjeru polja:

36. Odašiljačka antena • Efektivna duljina ili visina odašiljačke antene jest duljina ekvivalentne linearne antene koja po svojoj cijeloj duljini ima konstantnu struju i jednaku struji na stezaljkama antene, s tim što obje antene imaju jednak intenzitet zračenja u smjeru okomitom na duljinu:

37. 7. Polarizacija antene • Pod polarizacijom antene podrazumijeva se polarizacija vala koji antena zrači promatrano u smjeru maksimalnog zračenja. • Razlikujemo tri vrste polarizacije: • Linearna – horizontalna ili vertikalna • Kružna – desna ili lijeva • Eliptična • Prijemna antena mora imati istu polarizaciju kao i odašiljačka ako želimo maksimalnu snagu na prijemniku

38. 8. Temperatura šuma • Temperatura šuma definira se za prijemnu antenu. Ona je mjera za snagu šuma koju antena predaje na ulazu u prijemnik. • Glavni dio snage šuma ovisi o vanjskim izvorima šuma i njihovom položaju u odnosu prema dijagramu zračenja. Izvori šuma: umjetni i prirodni. • PŠ je raspoloživa snaga šuma na ulazu u prijemnik • k je Boltzmanova konstanta • B je širina frekvencijskog pojasa

39. Veze između parametara antena • Za samo jednu dosta usku glavnu laticu usmjerenost je: • Kako se kutovi usmjerenosti izražavaju u stupnjevima (a ne u radijanima) slijedi veza usmjerenosti D i kutova usmjerenosti: • Uz prosječan stupanj iskorištenja od oko 70% (0,7) slijedi dobitak

40. Točniji proračun usmjerenosti dobije se proračunom beam solid angle (računa se kao prostorni kut izražen u sr) • Koji predstavlja ekvivalentni kut unutar kojega bi bila skoncentrirana snaga zračenja kada bi izvan tog kuta gustoća snage bila S=0. • Usmjerenost odgovara omjeru prostornog kuta 4 i A

41. Veza između usmjerenosti i efektivne površine je: • Veza između efektivne površine i efektivne duljine: • Veza između usmjerenosti i efektivne duljine je:

42. Tanke linearne antene • Antene kojima je duljina puno veća od debljine nazivamo linearnim antenama • Linearne antene se koriste u obliku dipola, unipola te složenijih struktura od više linearnih antena

43. Dipoli • Dipol je tanka linearna antena koja se sastoji od dva tanka vodljiva štapa i napaja se na sredini • Raspodjela struje po duljini dipola je sinusna IT je vrijednost struje maksimuma stojnog vala

44. Raspodjela struje ovisi o duljini dipola, L, u odnosu na valnu duljinu vala,  • Raspodjela struje utječe na dijagram zračenja te na ostale parametre antene • Jakost električnog polja na udaljenosti d je

46. Poluvalni dipol • U primjeni se vrlo često susreće poluvalni dipol, odnosno dipol kojemu je

47. Parametri poluvalnog dipola: • Otpor zračenja • Impedancija • Usmjerenost • Efektivna površina • Efektivna duljina

48. Punovalni dipol,

49. Parametri punovalnog dipola: • Otpor zračenja • Usmjerenost • Efektivna površina • Efektivna duljina

50. Unipoli (štap antene) I v Q Q I + v + - -Q - v -Q I’ v I’ + + - - 50 Razmotrit ćemo zračenje dipola iznad vodljive podloge U vodljivoj podlozi induciraju se struje, I’, koje utječu na zračenje antene