^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 1. - BLI@NJE IN DALJNJE POLJE TOKOVNE ZANKICE ================================================== 1. Polje tokovne zankice ------------------------ Odnose med bli`njim in daljnjim poljem si najla`je ogledamo na primeru polja najenostavnej{ih izvorov: tokovnega elementa in njemu dualnega izvora tokovne zankice. Ker je tokovna zankica tehni~no la`je izvedljiva od tokovnega elementa, si za prakti~ni poizkus izberemo tokovno zankico. Elektri~no in magnetno polje tokovne zankice sta prikazana na sliki 1. Izrazi so izpeljani za majhno zankico: dimenzije zankice morajo biti majhne v primerjavi z valovno dol`ino, zankica pa mora biti tudi dosti manj{a od oddaljenosti od to~ke, kjer merimo polje. Izrazi za elektri~no in magnetno polje vsebujejo ve~ ~lenov, ki z oddaljenostjo razli~no hitro upadajo. ^leni, ki upadajo s tretjo potenco oddaljenosti od zankice, predstavljajo stati~no magnetno polje zankice (magnetnega dipola). Ti ~leni ne zavisijo od frekvence in v izrazu za elektri~no polje jih ni, ker magnetni dipol nima stati~nega elektri~nega polja. ^leni, ki upadajo linearno z razdaljo, predstavljajo sevano polje zankice. V razdalji ve~ji od nekaj valovnih dol`in ti ~leni povsem prevladajo in so hkrati edini, ki prispevajo k pretoku delovne mo~i. Za meritev potrebujemo {e sondo za polje. Najla`je je meriti magnetno polje in to s {e eno enako zankico. Inducirana napetost v drugi zankici je prikazana na sliki 2 za dva najbolj zanimiva primera: ko se zankici nahajata v isti ravnini (samo theta komponenta polja) in ko se zankici nahajata na isti osi (samo radialna komponenta polja). 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekven~nem podro~ju od 10MHz do 400MHz, z izhodno mo~jo do 20dBm (100mW) na 50ohmskem bremenu. (2) Ob~utljiv merilni sprejemnik, {e najbolj{e spektralni analizator, za merjenje jakosti signalov v danem frekven~nem obmo~ju v razponu od pribli`no -40dBm do -110dBm. (3) Dve zankici, premera okoli 3cm, na stojalih, s priklju~nimi kabli. (4) Nastavljiv slabilec za kalibracijo merilnega sistema, do 100dB v korakih po 10dB. Razporeditev in povezava merilnih in{trumentov je prikazana na sliki 3. 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri meritvi polja moramo v oddajni zankici vsiliti `eljeni tok in izmeriti inducirano napetost v sprejemni zankici. Pri tem impedanca zankice ni dobro poznana, vemo le, da je pri nizkih frekvencah majhna. Pri najvi{ji frekvenci meritve zna{a premer zankice 1/30 valovne dol`ine, obseg pa ^L ^[l^]- LVSR 1.2 - ^[l^H 1/10 valovne dol`ine. Impedanca zankice je zato vedno dosti manj{a od karakteristi~ne impedance 50ohm, za katero so izdelani vsi merilni in{trumenti. Zato upo{tevamo oddajno zankico kot kratkosti~no breme, sprejemno zankico pa kot generator z majhno notranjo impedanco pri ra~unanju slabljenja med zankicama. Za bolj{o to~nost lahko vstavimo med izvor in oddajno zankico oziroma med sprejemnik in sprejemno zankico {e dodaten slabilec (okoli 10dB). Obi~ajno sicer take slabilce merilni izvori in merilni sprejemniki `e vsebujejo. Glede na majhno razpolo`ljivo mo~ izvora (do 100mW) potrebujemo ob~utljiv sprejemnik. Za vajo je najprimernej{i spektralni analizator oziroma kak{en drug selektivni sprejemnik (da izlo~imo motnje ostalih oddajnikov) z ob~utljivostjo med -90 in -120dBm. Sprejemnik kalibriramo tako, da njegov vhod priklju~imo preko merilnega slabilca naravnost na izvor. Vajo izpeljemo za obe komponenti magnetnega polja: pri meritvi radialne komponente sta zankici v isti osi, pri meritvni theta komponente pa sta zankici v isti ravnini. Hkrati {e preverimo z obra~anjem zankice, ali ima polje {e kak{no drugo komponento, kar nam da oceno za napako pri meritvi. Za vsako komponento polja (orientacijo zankic) izmerimo potek nara{~anja slabljenja pri treh razli~nih frekvencah. Seveda je treba po nastavljanju izvora in ugla{evanju sprejemnika spet kalibrirati sistem z merilnim slabilcem. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Najbolj zanimiv rezultat opisane vaje je opazovanje prehoda med bli`njim in daljnim poljem tokovne zankice. Zato meritev opravimo na treh frekvencah: 300MHz, 100MHz in 30MHz, kar ustreza valovnim dol`inam 1m, 3m in 10m. Prehod med bli`njim in daljnim poljem bo opazen na razdaljah, ki ustrezajo obratni vrednosti valovne konstante k, se pravi valovne dol`ine deljene z 2PI. Na sliki 4 je prikazan teoretski rezultat za zankice v isti ravnini, se pravi za theta komponento polja. Theta komponenta nastopa v bli`njem in daljnem polju, zato na diagramu lahko opazimo prehod, ko za~ne polje po~asneje upadati. V diagramih na sliki 4 je na ni`jih frekvencah ustrezno pove~ana mo~ oddajnika, da lahko naravnost primerjamo rezultat: na 100MHz je mo~ oddajnika 10-krat ve~ja (pribli`no trikrat ve~ji tok v zankici) in na 30MHz je mo~ oddajnika 100-krat ve~ja (10-krat vecji tok v zankici). Na sliki 5 je prikazan teoretski rezultat za zankice z isto osjo, se pravi za radialno komponento polja. Radialna komponenta ne daje daljnega (sevanega) polja, zato med meritvami na razli~nih frekvencah ni tako velikih razlik in ni prehoda v daljne polje. Vsi diagrami so risani v logaritemski skali za amplitudo (dBm), da la`je prika`emo signale v zelo velikem razponu. Taka skala tudi ustreza tisti, ki jo imamo na razpolago na spektralnem analizatorju. Na sliki 6 je kon~no prikazana primerjava med obema komponentama magnetnega polja tokovne zankice za najvi{jo frekvenco (300MHz): theta komponenta je v bli`njem polju sicer manj{a od radialne, zato pa po~asneje upada in prevlada v daljnem polju. ^L ^[l^]- LVSR 1.3 - ^L ^[l^]- LVSR 1.4 - ^L ^[l^]- LVSR 1.5 - ^L ^[l^]- LVSR 1.6 - ^L ^[l^]- LVSR 1.7 - ^L ^[l^]- LVSR 1.8 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 2. - NEPOSREDNO MERJENJE DOBITKA ANTENE ============================================ 1. Slabljenje radijske zveze v praznem prostoru ----------------------------------------------- Dobitek antene lahko merimo na ve~ na~inov. Najpreprostej{i na~in je neposredni izra~un dobitka antene iz izmerjenega slabljenja v znani radijski zvezi v (skoraj) praznem prostoru. Dobitek antene lahko izra~unamo iz izmerjenega slabljenja radijske zveze, ko imamo na obeh koncih zveze sicer neznani, ampak med sabo enaki anteni. Ko pa poznamo dobitek ene od anten, lahko na drugem koncu radijske zveze merimo dobitek poljubne antene. Definicija dobitka antene `e vklju~uje vrsto stranskih pojavov. Dobitek sam `e vklju~uje elektri~ni izkoristek antene, ki je sicer pri ve~ini anten blizu enote. Dobitek vklju~uje tudi izgube zaradi drugih pojavov, naprimer neprilagoditve impedance antene na oddajnik ali sprejemnik. Pri merjenju slabljenja radijske zveze sodelujejo vsi ti pojavi na enak na~in kot v definiciji dobitka, zato je izra~un dobitka iz rezultata meritve slabljenja zelo preprost. Slabljenje radijske zveze v praznem prostoru je prikazano na sliki 1. Pri meritvi slabljenja moramo zagotoviti le to, da sta anteni dovolj razmaknjeni med sabo, da se nahajata v Fraunhoferjevem podro~ju. Najve~ji motilni vpliv pri tem predstavljajo odbiti valovi, saj anten prakti~no ne moremo meriti v povsem praznem prostoru. Na manj{ih razdaljah lahko odbite valove zadu{imo s kosi mikrovalovnega absorberja na najbolj izpostavljenih to~kah. Ko postanejo razdalje zaradi zahteve po Fraunhoferjevem podro~ju ve~je od nekaj deset metrov, se odbitim valovom ne moremo ve~ izogniti. V tem slu~aju je treba pri meritvi vsaj oceniti vpliv odbitih valov. Vpliv odbitih valov enostavno ocenimo tako, da eno od anten malenkostno premikamo v ravnini, ki je pravokotna na smer proti drugi anteni. Pri tem se razdalja med antenama bistveno ne spreminja, spreminja pa se medsebojna faza med neposrednim valom in odbitimi valovi. Jakost sprejetega signala je vsota kazalcev neposrednega in odbitih valov in s spreminjanjem medsebojne faze hitro niha. 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekven~nem podro~ju 10GHz, z izhodno mo~jo do 10dBm (10mW), brez modulacije. (2) Oja~evalnik za 10GHz z izhodno mo~jo 20..30dBm (0.1..1W). (3) Mo~nostni 20dB slabilec, za kalibracijo sistema. (4) Ve~ anten za 10GHz, od teh dva enaka piramidna lijaka. (5) Merilnik mo~i za 10GHz. (6) Nastavljiva podstavka za obe anteni. (7) Nekaj plo{~ absorberja. (8) Priklju~ne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih in{trumentov je prikazana na sliki 2. ^L ^[l^]- LVSR 2.2 - ^[l^H 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri izvedbi vaje moramo najprej pomisliti na zahteve meritve in na omejitve merilnih in{trumentov. Pri meritvi slabljenja radijske zveze zahtevamo, da se anteni nahajata na dovolj veliki razdalji, v podro~ju daljnega polja. Zahtevo upo{tevamo za obe anteni, ki ju uporabljamo pri meritvi! Ker meritve ne moremo opraviti v povsem praznem prostoru, bojo rezultat meritve slabljenja radijske zveze motili odbiti valovi od predmetov v bli`nji okolici. Zato je treba ustrezno namestiti plo{~e iz snovi, ki vpija radijske valove dane frekvence. Glavna omejtev merilnih in{trumetnov je ob~utljivost sprejemnika (merilnika mo~i). Za tak{en sprejemnik potrebujemo nekoliko mo~nej{i merilni oddajnik tudi na majhnih razdaljah. Ker zna{a izhodna mo~ laboratorijskega izvora komaj 10mW (10dBm), mu po potrebi dodamo mo~nostni oja~evalnik z elektronko na potujo~e valove (Travelling Wave Tube) oziroma polprevodni{ki oja~evalnik z mo~jo do 1W (30dBm). Pri uporabi mo~nostnega oja~evalnika pazimo, da je izhod oja~evalnika vedno zaklju~en na prilagojeno breme, ko je oja~evalnik vklju~en. Merilni sistem najprej umerimo tako, da naravnost izmerimo mo~ celotnega oddajnika. To storimo tako, da priklju~imo glavo merilnika mo~i na izhod oddajnika preko slabilca, ki zni`a mo~ oddajnika na vrednost, primerno za merilnik. Nato postavimo na oba podstavka dve enaki anteni (pravokotna lijaka). Pri merjenih antenah dolo~imo smer, v katero najve~ sevata. Pri uporabljenih lijakih bo to smer naravnost naprej, pravokotno na odprtino lijaka. Pazimo tudi, da imata oba lijaka isto polarizacijo. Ker pri~akujemo najmo~nej{e odbite valove od tal in stropa sobe, eno od anten (najla`je sprejemno anteno) premikamo na podstavku gor in dol za nekaj valovnih dol`in in opazujemo jakost sprejetega polja. Ko sprejemamo ve~ odbitih valov hkrati, niha jakost sprejetega polja skoraj povsem naklju~no, kot je to prikazano na sliki 3. Iz ve~jega {tevila meritev potem dolo~imo srednjo vrednost sprejemanega polja, ki jo uporabimo v ra~unu. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Ko dolo~imo dobitek uporabljenih (enakih) pravokotnih lijakov, lahko eno od anten zamenjamo z druga~no anteno in celoten postopek ponovimo, vklju~no z ugotavljanjem vpliva odbitih valov. Pri ra~unanju seveda upo{tevamo prej izra~unani dobitek piramidnega lijaka, ki ga imamo zdaj samo na enem koncu radijske zveze. Pozor! Pri zamenjavi oddajne antene je treba izklju~iti celoten oddajnik, zato raj{i menjamo sprejemno anteno! Nekatere vrste anten, na primer {pirale, vsebujejo izgubne snovi ter ne zdr`ijo velike mo~i oddajnika, zato jih uporabljamo izklju~no na sprejemni strani. Za vajo izmerimo {e dobitek korugiranega lijaka in {piralne antene za dano frekven~no podro~je ter rezultat primerjamo z rezultati drugih merilnih metod. *************************************************************** ^L ^[l^]- LVSR 2.3 - ^L ^[l^]- LVSR 2.4 - ^L ^[l^]- LVSR 2.5 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 3. - MERJENJE SMERNEGA DIAGRAMA IN RA^UNANJE SMERNOSTI =========================================================== 1. Ra~unanje smernosti iz izmerjenega smernega diagrama ------------------------------------------------------- Smernost (D = directivity) antene je definirana kot razmerje med gostoto sevane mo~i v `eljeni smeri in celotno sevano mo~jo v vseh smereh. Da je rezultat neimenovano {tevilo (~isto razmerje), ga je treba pomno`iti {e s polnim prostorskim kotom (4*PI steradianov), kot je to prikazano na sliki 1. Celotno sevano mo~ dobimo z integracijo kvadrata absolutne vrednosti amplitudnega smernega diagrama F(theta,fi) v vseh smereh: za vse theta in za vse fi. Kvadrat absolutne vrednosti amplitude smernega diagrama je sorazmeren z gostoto mo~i na enoto prostorskega kota, sorazmernostni faktor pa se pri ra~unanju smernosti v razmerju kraj{a. Pri resni~nih meritvah si seveda ne moremo privo{~iti, da bi izmerili smerni diagram prav v vseh mo`nih smereh, ker bi taka meritev trajala neskon~no dolgo. Smerni diagram v resnici izmerimo v dolo~enem dovolj velikem {tevilu to~k (smeri). Pri merjenju smernega diagrama anteno obi~ajno vrtimo po eni osi in tako dobimo en sam prerez smernega diagrama. ^e je smerni diagram antene rotacijsko simetri~en, lahko iz podatkov enega samega prereza zadosti dobro izra~unamo celotno sevano mo~. ^e smerni diagram antene ni rotacijsko simetri~en, je treba izmeriti ve~ prerezov smernega diagrama. Integral sevane mo~i je v tem primeru se{tevek mo~i, ki jih dobimo iz posameznih prerezov. ^e iz vsakega prereza najprej izra~unamo smernost, potem lahko kon~ni rezultat dobimo tudi kot povpre~je obratnih vrednosti smernosti za posamezne prereze, ker nastopa celotna mo~ v imenovalcu razmerja za smernost (glej sliko 2). Pri ve~ini anten obi~ajno zado{~a meritev dveh prerezov smernega diagrama. Ravnini prerezov postavimo pod pravim kotom ter ju zasu~emo tako, da prereza ustrezata zna~ilnim prerezom, ki jih poznamo iz na~ina delovanja (geometrije) antene. Iz na~ina delovanja antene potem lahko sklepamo, kak{en je smerni diagram {e v ostalih smereh. 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekven~nem podro~ju 10GHz, z izhodno mo~jo do 10dBm (10mW) in mo`nostjo amplitudne modulacije z 1kHz (27kHz) pravokotnim signalom. (2) Dve anteni za 10GHz (korugirana lijaka). (3) Merilno diodo za 10GHz. (4) Merilni sprejemnik (1kHz ali 27kHz) z risalnikom. (5) Vrtiljak za eno anteno in nepremi~ni podstavek za drugo. (6) Nekaj plo{~ absorberja. (7) Priklju~ne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih in{trumentov je prikazana na sliki 3. ^L ^[l^]- LVSR 3.2 - ^[l^H 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri izvedbi vaje moramo najprej pomisliti na zahteve meritve in na omejitve merilnih in{trumentov. Pri meritvi smernega diagrama zahtevamo, da anteni nahajata na dovolj veliki razdalji, v podro~ju daljnega polja. Zahtevo moramo upo{tevati za obe anteni, ki ju uporabljamo pri meritvi! Ker meritve ne moremo opraviti v povsem praznem prostoru, bojo rezultat meritve smernega diagrama v glavnem motili odbiti valovi od predmetov v bli`nji okolici. Zato je treba ustrezno namestiti plo{~e iz snovi, ki vpija radijske valove dane frekvence. Glavna omejtev merilnih in{trumetnov je ob~utljivost sprejemnika (diode). Zato moramo ustrezno nastaviti izhodno mo~ oddajnika, da bomo diodo uporabljali v pravilnem re`imu delovanja. Pri merjeni anteni moramo najprej dolo~iti ali poiskati smer, v katero najve~ seva. Pri uporablenih lijakih bo to smer naravnost naprej, pravokotno na odprtino lijaka. Koordinatni sistem si obrnemo tako, da tej smeri ustreza os Z. Dolo~iti moramo tudi prereze, v katerih bomo merili smerni diagram. Za lijake dane oblike in dimenzij zado{~ata dva prereza pod pravim kotom. Izberemo ju tako, da eden ustreza ravnini elektri~nega polja, drugi pa je nanjo pravokoten. Prereza ustrezata dvem ravninam s konstantnim fi-jem v na{em koordinatnem sistemu, anteno pa vrtimo po kotu theta. Anteno obi~ajno zavrtimo v enem prerezu za polni kot (360 stopinj). Na ta na~in preverimo, ~e smo res zadeli maksimum smernega diagrama, ~e so stranski snopi simetri~ni in koliko motijo meritev odboji. Meritev ponovimo v drugem prerezu, oba izmerjena diagrama pa {e jasno ozna~imo, za katero orientacijo antene sta bila izmerjena. Pri merjenju drugega prereza ne smemo pozabiti na polarizacijo oddajne antene na drugi strani radijske zveze! Integracijo smernega diagrama je najla`je opraviti z ra~unalnikom, ki hkrati zajema podatke pri meritvi. V slu~aju ro~ne integracije je treba paziti na vrsto uprabljenih skal na narisanem smernem diagramu. Amplitudna skala je ponavadi logaritemska (v dB), koti pa so podani v stopinjah. Pri integraciji ne smemo pozabiti na ~len sin(theta)! Grafi~no bi problem lahko re{ili tako, da bi smerni diagram narisali z amplitudno skalo v linearnih enotah za mo~, smer pa bi podali kot kosinus kota theta. Vrednost integrala je v tem slu~aju sorazmerna plo{~ini lika pod krivuljo. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Primer izmerjenega smernega diagrama je prikazan na sliki 4. Amplitudna skala je logaritemska in je izra`ena v dB. Na sliki 4 vidimo tudi motilne pojave: mejo ob~utljivosti ({um) merilnega sprejemnika in (majhen) vpliv odbitih valov. Za ro~no integracijo smernega diagrama je priporo~ljivo raz{irjeno izrisati vsaj osrednji del diagrama. Smernost za prikazani smerni diagram, izra~unana z ra~unalnikom, zna{a 93 oziroma 19.7dB. *************************************************************** ^L ^[l^]- LVSR 3.3 - ^L ^[l^]- LVSR 3.4 - ^L ^[l^]- LVSR 3.5 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 4. - PORAZDELITEV ELEKTRI^NEGA TOKA NA MONOPOLU ==================================================== 1. Porazdelitev elektri~nega toka na tanko`i~nih antenah -------------------------------------------------------- Porazdelitev elektri~nega toka, njegove amplitude in faze, po kovinski strukturi antene, je eden osnovnih problemov, ki jih moramo re{iti pri obravnavi anten. Iz porazdelitve toka na anteni lahko izra~unamo vse zanimive parametre antene: smerni diagram antene, impedanco antene in izgube zaradi kon~ne upornosti vodnikov, ki sestavljajo anteno. Porazdelitev toka na anteni lahko izra~unamo. Za vse prakti~ne primere je potreben numeri~ni ra~un, saj se z analitskimi metodami da re{iti le najenostavnej{e primere. Porazdelitev toka po povr{ini antene lahko tudi izmerimo, vendar so tak{ne meritve zelo zahtevne in prakti~no zelo te`ko izvedljive z zahtevano mero natan~nosti. Od razli~nih vrst anten je najla`je dolo~iti porazdelitev toka na tanko`i~nih antenah, sestavljenih iz ene ali ve~ `ic zelo majhnega prereza glede na valovno dol`ino. Pri tak{nih antenah upravi~eno smatramo, da te~ejo tokovi izklju~no v vzdol`ni smeri `ic. Kakr{enkoli pre~ni tok po `icah bi v vsakem slu~aju imel zelo majhen vpliv na lastnosti antene. Pri tanko`i~nih antenah je zaradi majhnega prereza `ice v bli`ini same `ice izredno mo~no bli`nje polje, sevano polje je tu v primerjavi z bli`njim skoraj zanemarljivo. Zato bo na porazdelitev toka po tanki `ici vplivalo v glavnem bli`nje polje. Ker je bli`nje polje po obliki enako stati~nemu polju, na tanko`i~nih antenah upravi~eno pri~akujemo podobne valovne pojave kot na prenosnih vodih. Pri `i~nih antenah, ki imajo odprte, nezaklju~ene konce `ic, potemtakem pri~akujemo pojav stojnega vala, saj se napredujo~i val na `ici na odprtem koncu popolnoma odbije. Na koncu antene si zato pri~akujemo vozel toka, po `ici sami se potem vrstijo hrbti in vozli toka. Ker se `ica obna{a kot TEM vod, razdalje med vozli oziroma hrbti ustrezajo polovici valovne dol`ine v praznem prostoru. Ker pa nimamo brezizgubnega TEM voda, pa~ pa anteno, ki nekaj dovedene elektir~ne mo~i tudi izseva, vozli toka niso to~no enaki ni~, pa~ pa tu absolutna vrednost toka dose`e minumum, faza pa je za 90 stopinj premaknjena glede na fazo toka v hrbtu (glej sliko 1). Minimumi toka so seveda tembolj globoki, ~im tanj{a je `ica, saj je tanj{a `ica bolj podobna prenosnemu vodu. 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekven~nem podro~ju od 50MHz do 500MHz, z izhodno mo~jo do 20dBm (100mW) na 50ohmskem bremenu. (2) Merjeno anteno - monopol - to je palico dol`ine okoli 1.5m z ustreznim visokofrekven~nim priklju~kom. (3) Tokovni merilni transformator za visokofrekven~ni tok na anteni, z jedrom iz feritnih obro~kov in priklju~nim kablom, oklopljenim s feritnimi perlami, da ne motimo ^L ^[l^]- LVSR 4.2 - ^[l^H elektri~nega polja merjene antene. (4) Visokofrekven~ni merilnik mo~i - bolometer - z obmo~jem od -30dBm (1uW) do 10dBm (10mW). (5) Vektorski voltmeter za dano frekven~no obmo~je. Razporeditev in povezava merilnih in{trumentov je prikazana na sliki 2. 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Zaradi enostavnosti izvedbe vaje si izberemo najenostavnej{o mo`no anteno, to je monopol. Monopol napajamo na enem koncu z generatorjem tako, da eno sponko generatorja priklju~imo na monopol. Drugo sponko generatorja je treba tudi nekam priklju~iti, da monopol sploh lahko napajamo. Prakti~no izkoristimo ohi{je generatorja in napajalni priklju~ni vod kot protiute` monopolu tako, da srednji kontakt koaksialne vti~nice priklju~imo na monopol, oklop koaksialne vti~nice pa pustimo nepovezan. V tem slu~aju seveda sestavljajo celotno anteno monopol, ohi{je generatorja in vse ostale `ice, priklju~ene na generator. ^e so vse ostale `ice zadosti oddaljene od monopola, sklepamo, da ne bojo preve~ vplivale na porazdelitev toka na samem monopolu. Izhodna impedanca generatorja je obi~ajno 50ohm, vhodna impedanca opisane antene, se pravi monopola in protiute`i iz ohi{ja generatorja, pa je zelo spremenljiva. Zato se vsiljeni tok na priklju~ku monopola zelo spreminja s frekvenco, kljub konstantni izhodni mo~i generatorja na standardnem 50ohmskem bremenu. Uporabljena sonda za tok - tokovni merilni transformator - ima seveda celo vrsto pomanjkljivosti. Vsak merilnik toka od`ira del mo~i iz vezja in ga tako moti. Uporabljena sonda vstavlja dodatno impedanco vezano zaporedno z `ico merjenega monopola. Pri meritvah na antenah pa se pojavi {e problem dovodnih `ic do merilnika, saj te motijo elektri~no polje antene. Zato je koaksialni kabel do merilnega transformatorja "oble~en" s feritnimi perlami (z visoko relativno permeabilnostjo), ki bistveno pove~ajo impedanco `ice in tako zmanj{ajo motenje polja merjene antene. ^e imamo na razpolago tudi vektorski voltmeter, ga priklju~imo in uporabimo za meritev faze. Vajo v vsakem slu~aju izpeljemo za vsaj tri razli~ne frekvence. Rezultat porazdelitve toka na anteni nari{emo v relativnem merilu tako, da za vsako frekvenco diagram normiramo na maksimalno vrednost toka pri dani frekvenci. Absolutna vrednost maksimumov toka se sicer s frekvenco spreminja, ker se spreminja dovedena mo~ v monopol zaradi sprememb impedance, pa tudi tokovni merilni transformator ni idealen. Ker lahko absolutno vrenost toka izra~unamo iz impedance antene in mo~i generatorja, ta meritev tu ni zanimiva, zanima nas le relativna porazdelitev toka. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Vajo izvedemo na treh razli~nih frekvencah. Najni`jo frekvenco izberemo tako, da je dol`ina monopola pribli`no enaka ~etrt valovne dol`ine (slika 3). Srednjo frekvenco izberemo tako, da je dol`ina monopola pribli`no tri~etrt valovne dol`ine (slika 4). Kon~no, najvi{jo frekvenco izberemo tako, da je monopol dolg ve~ valovnih dol`in (slika 5). Posebno pazimo na polo`aj in globino minimumov! ^L ^[l^]- LVSR 4.3 - ^L ^[l^]- LVSR 4.4 - ^L ^[l^]- LVSR 4.5 - ^L ^[l^]- LVSR 4.6 - ^L ^[l^]- LVSR 4.7 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 5. - MERJENJE ODBOJNOSTI ANTENE Z MERILNIM VODOM ===================================================== 1. Odbojnost in valovitost -------------------------- Z vi{anjem frekvence v podro~je radijskih valov postaja meritev impedance vse bolj nerodna, saj je treba upo{tevati vsaj parazitne kapacitivnosti in induktivnosti priklju~kov merilnika. Pri {e vi{jih frekvencah, v mikrovalovnem podro~ju, imamo med merilnikom in merjencem vedno kos visokofrekven~nega voda, ki predstavlja porazdeljeno induktivnost in kapacitivnost. Ne glede na na~in delovanja merilnika sledi sami meritvi zamudno prera~unavanje izmerjene vrednosti v to~no impedanco merjenca. Kon~no, v milimetrskem mikrovalovnem podro~ju in naprej v optiki uporabljamo kot prenosne vode izklju~no valovode, na katerih ne moremo meriti tokov in napetosti niti definirati impedance. V radijskem frekven~nem podro~ju, v mikrovalovih in v optiki zato uporabljamo druga~ne veli~ine za opisovanje lastnosti bremena. Najbolj uporabna veli~ina je odbojnost bremena. Odbojnost definiramo glede na uporabljeni prenosni vod: `i~ni dvovod, koaksialni kabel, kovinski valovod ali opti~no vlakno. Na vseh vrstah vodov, kjer lahko enoveljavno dolo~imo tok in napetost, obstaja tudi obojestranska enoveljavna povezava med odbojnostjo in impedanco bremena. Odbojnost lahko merimo na ve~ razli~nih na~inov, najpreprostej{a tehni~na izvedba pa je merilni vod z utorom in sondo. Na sliki 1 je prikazan tak{en merilni vod v koaksialni izvedbi z elektri~no (kapacitivno) sondo. Merilni vod lahko seveda izdelamo tudi kot kovinski valovod ali kak{no drugo vrsto prenosnega voda. Kot sondo lahko uporabimo tudi magnetno sondo (majhno zankico). Utor za dostop sonde do polja v prenosnem vodu je v vsakem slu~aju izrezan tako, da ~immanj moti polje v vodu. Iz istega razloga pri meritvi nastavimo tak{no globino sonde, da komaj dobimo zadosten signal za meritev a isto~asno ~immanj motimo polje v merilnem vodu s prisotnostjo sonde. S premikanjem sonde vzdol` merilnega voda izmerimo velikost in polo`aj minimumov in maksimumov. Razmerje med minimumi in maksimumi ustreza razmerju stojnega vala oziroma valovitosti (neubranosti), iz katere lahko izra~unamo velikost odbojnosti. Fazo odbojnosti lahko dobimo iz polo`aja minimumov ali maksimumov. Ker je dolo~anje minimumov natan~nej{e, ponavadi merimo le polo`aj minimumov. Pri tem moramo seveda poznati hitrost raz{irjanja valovanja v uporabljenem merilnem vodu, da iz izmerjene razdalje izra~unamo fazo odbojnosti. 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekven~nem podro~ju 1.7-4.2GHz, z izhodno mo~jo 20dBm (100mW) in amplitudno modulacijo 1kHz. (2) Anteno (merjenec) za "S" frekven~no podro~je. (3) Koaksialni merilni vod za "S" podro~je z detektorjem. ^L ^[l^]- LVSR 5.2 - ^[l^H (4) Prilagojeno koaksialno breme in koaksialni kratek stik. (5) Plo{~o mikrovalovnega absorberja za "S" podro~je. (6) Priklju~ne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih in{trumentov je prikazana na sliki 2. 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Ker dobimo iz sonde zelo {ibek signal, uporabimo za meritev izvor z refleksnim klistronom, ki lahko da na izhodu ve~ kot 100mW VF mo~i. Izvor amplitudno moduliramo z 1kHz, da uporabimo detektor z diodo v kvadrati~nem re`imu. Dioda sama je vgrajena v rezonator, da z njim uglasimo sondo na najve~jo mo`no ob~utljivost. To hkrati pomeni, da je treba pri vsakr{nem spreminjanju frekvence izvora sondo ponovno uglasiti na najve~jo mo`no ob~utljivost. Pri merjenju odbojnosti moramo upo{tevati dejstvo, da merjenec (antena) ni naravnost priklju~en na merilni vod. Med anteno in merilnim vodom imamo nujno {e kos koaksialnega kabla in ve~ konektorskih spojev, ki vsi vna{ajo izgube in nekoliko odstopajo od normirane impedance prenosnega voda. Meritev dol`ine kabla in priklju~kov ne zado{~a za dolo~anje fazega zasuka, ker ne poznamo vseh razli~nih dielektrikov v kablu in raznih konektorjih. Merilni sistem zato najprej preizkusimo tako, da ga priklju~imo na prilagojeno breme (to~en merilni upor). Valovitost, ki jo tedaj izmerimo s koaksialnim merilnim vodom, je potem ocena za to~nost vseh nadaljnih meritev. Prilagojeno breme priklju~imo v merilnem sistemu ~im bli`je mestu, kjer se nahaja antena, da na ta na~in zajamemo ~imve~ ostalih sestavnih delov (kablov, konektorjev), ki jih ne `elimo meriti, a vseeno motijo meritev. Nato sistem umerimo {e s kratkosti~nikom. Iz izmerjene valovitosti za kratkosti~nik lahko dolo~imo izgube v priklju~nem kablu. S kratkosti~nikom dolo~imo tudi referen~no mesto za fazo odbojnosti, saj je odbojnost kratkosti~nika natan~no -1. Na ta na~in nam ni treba meriti fizi~ne dol`ine priklju~nega kabla, saj smo elektri~no dol`ino `e izmerili s kratkosti~nikom. Kon~no priklju~imo namesto kratkosti~nika neznano breme, to je merjeno anteno. Med meritvijo anteno usmerimo v prazen prostor oziroma pred njo namestimo mikrovalovni absorber. Velikost odbojnosti antene izra~unamo iz izmerjene valovitosti. Fazo odbojnosti antene dobimo iz razdalje med polo`ajem minimuma za kratkosti~nik in minimuma za merjeno anteno. Pri tem moramo poznati le hitrost raz{irjanja valovanja v merilnem vodu (TEM v praznem prostoru) in upo{tevati, da je odbojnost kratkosti~nika natan~no enaka -1. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Vse tri meritve ponovimo v celotnem frekven~nem podro~ju 1.7-4.2GHz, ki ga dopu{~a uporabljeni VF izvor. Glede na vrsto uporabljene antene (valovodni lijak) bo izmerjena odbojnost zelo visoka na nizkih frekvencah, pod mejno frekvenco valovoda. Antena se tam obna{a kot povsem reaktivno kapacitivno breme. Na gornjem koncu frekven~nega podro~ja bo odbojnost razmeroma nizka, saj je antena izdelana za to frekven~no podro~je. ^L ^[l^]- LVSR 5.3 - ^L ^[l^]- LVSR 5.4 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 6. - FREKVEN^NI POTEK IMPEDANCE MONOPOLA ============================================= 1. Vpilv porazdelitve toka na impedanco tanko`i~ne antene --------------------------------------------------------- Pri tanko`i~nih antenah je zaradi majhnega prereza `ice v bli`ini same `ice izredno mo~no bli`nje polje, sevano polje je tu v primerjavi z bli`njim skoraj zanemarljivo. Ker je bli`nje polje po obliki enako stati~nemu polju, se na tanko`i~nih antenah vzpostavijo stojni valovi podobno kot na nezaklju~enih prenosnih vodih. Impedanca tanko`i~ne antene je zato sestavljena iz povsem reaktivne impedance stojnega vala na `ici antene in iz delovne upornosti zaradi sevanja. Reaktivni del impedance tanko`i~ne antene se z dol`ino antene oziroma s frekvenco hitro spreminja. Hkrati se antena obna{a tudi kot vod - - transformator impedance za sevalno upornost. V grobem je velikost impedance seveda obratno sorazmerna jakosti toka na `ici antene. ^e napajamo anteno v hrbtu toka stojnega vala, bo impedanca razmeroma nizka. ^e pa napajamo anteno v vozlu toka stojnega vala, bo impedanca precej visoka. Na vrhu hrbta toka dose`e impedanza nizko in precej stabilno vrednost, ki dosti ne zavisi o premeru `ice, pa~ pa le o vrsti in obliki celotne antene. V maksimumu toka se namre~ reaktivni del impedance natan~no uni~i, ostane le realni del - sevalna impedanca - ki zavisi le o vrsti in obliki antene. Pravega vozla toka na anteni ne moremo dose~i, ker ima imedanca v vsakem slu~aju vedno vsaj majhen, od ni~ razli~en realni del. Zato je smiselno govoriti o minimumu toka na `ici antene. Tudi v bli`ini minimuma toka se da poiskati tak{no napajalno to~ko, da je impedanca ~isto realna. Vrednost impedance v minimumu toka je seveda zelo visoka in zelo odvisna tudi od premera `ice antene, ~eprav je imepdanca tu lahko povsem realna. Razlaga za ta pojav je naslednja: k sevanju antene najve~ prispevajo hrbti toka, zato je tu impedanca dolo~ena le z vrsto in obliko antene. Ta impedanca se preslika v dosti vi{jo vrednost v minimumih toka preko ~etrtvalovnega transformatorja, ki ga predstavlja antenska `ica. Impedanca tega ~etrtvalovnega transormatorja in s tem restavno razmerje so seveda mo~no odvisni od premera `ice. Na sliki 1 je narisan potek impedance za najenostavnej{i primer: monopol, napajan na enem koncu. Zelo kratki monopoli (l<18dBi) za frekven~no podro~je 1.7GHz. (2) Dva premi~na podstavka na kolescih za anteni z nastavitvijo azimuta in elevacije anten. (3) Dva enaka nizko{umna predoja~evalnika (F<1dB, G>30dB) za frekven~no podro~je 1.7GHz z napajalnikoma. (4) Nastavljivi koaksialni vod (pozavna) dol`ine 30cm. (5) Nastavljivi slabilec v korakih po 1dB. (6) Fiksni slabilec 6dB (10dB). (7) Sofazni delilnik/sklopnik za 1.7GHz. (8) Sprejemni konverter za frekven~ni pas 1.7GHz. (9) Merilni sprejemnik za merjenje jakosti {uma. (10) Meter za merjenje razdalje med antenama. (11) Priklju~ne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih pripomo~kov je prikazana na Sliki 4. 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri izvedbi vaje se moramo predvsem zavedati omejitev, ki nam jih postavlja radijska tehnika. Prva omejitev je `e izbira frekven~nega podro~ja. Sevanje Sonca ({umna temperatura povr{ine Sonca) zelo hitro upada s frekvenco v radijskem delu spektra. @al meritve ne moremo izvesti na frekvencah, ni`jih od 1GHz, ker je tam obilica motenj mo~nih zemeljskih radijskih oddajnikov (televizija, GSM telefoni). Smiselna izbira je frekven~ni pas okoli 1.7GHz, ki je zaenkrat {e razmeroma prost. V frekven~nem pasu 1.7GHz potrebujemo za opazovanje radijskega sevanja Sonca antene z dobitkom okoli 20dBi. Tak{ne antene so dovolj usmerjene, da lahko izlo~imo toplotno sevanje Zemlje, nebo za Soncem pa je radijsko dovolj hladno, da ne moti meritve. ^esar ne moremo povsem izlo~iti, je toplotni {um sprejemnika. Da toplotni {um radijskega sprejemnika ~imbolj omejimo, vgradimo dva nizko{umna oja~evalnika na obe anteni, da izlo~imo izgube in s tem povezano toplotno sevanje priklju~nih kablov. Oja~evalnika dobita enosmerno napajanje preko istih dveh kablov, z kar poskrbita napajalna ~lena. Izhoda oja~evalnikov moramo nato zdru`iti tako, da lahko opazujemo interferen~ni pojav. ^e izhoda oja~evalnikov preprosto ve`emo vzporedno, se koherentni signali se{tevajo kot kazalci, pri nekoherentnih signalih pa se se{tevajo mo~i. ^e pri tem spreminjamo fazo (dol`ino poti) enega od signalov, ^L ^[l^]- LVSR 28.3 - ^[l^H se kazal~na vsota koherentnih signalov spreminja, vsota mo~i nekoherentnih signalov pa ostane nespremenjena. Medsebojno fazo dveh anten lahko spreminjamo na dva na~ina: z vgradnjo koaksialnega kabla nastavljive dol`ine ("pozavna") oziroma z vzdol`nim (glede na izvor valovanja) premikanjem ene od anten. Premikanje antene bo dalo to~nej{i rezultat meritve, ker ne spreminjamo prilagoditve impedanc. Pri vzporedni vezavi dveh anten in dveh oja~evalnikov moramo seveda paziti na prilagoditve impedanc, sicer se bo z nastavljivim koaksialnim vodom spreminjalo tudi razmerje amplitud. V ta namen uporabimo sofazni sklopnik, izhodno impedanco oja~evalnikov pa dodatno popravimo z dvema slabilcema. Vsaj eden od obeh slabilcev naj bo nastavljiv, da z njim lahko popravimo manj{e razlike v oja~enju obeh oja~evalnikov in tako pove~amo vidljivost interferen~nega pojava. Izhod sofaznega sklopnika vodimo na sprejemni konverter za frekven~ni pas 1.7GHz, od tu pa na merilni sprejemnik. Skala merilnega sprejemnika je kvadrati~na, se pravi sorazmerna mo~i vhodnega signala. Oja~enje sprejemnika nastavimo tako, da lahko na skali ~imbolj natan~no od~itamo vsa izmerjena razmerja signalov. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ S spreminjanjem faze enega od signalov nam jakost sprejema neposredno predstavlja interferen~ni pojav. ^e jakost sprejema niha od Pmin do Pmax, potem je vidljivost interferen~nega pojava dana z izrazom: V=(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin) Vidljivost interferen~nega pojava je v resnici ve~ja, ker nastopa tako v Pmax kot v Pmin toplotni {um obeh oja~evalnikov, ki je povsem nekoreliran. Zato moramo celotno napravo najprej umeriti tako, da obe anteni zasukamo v hladni del neba, kjer ne vidita Sonca. Mo~, ki jo tedaj dobimo, predstavlja v glavnem mo~ toplotnega {uma sprejemnika. Za preizkus to~nosti meritve spreminjamo medsebojno fazo anten. Izmerjena jakost signala se ne sme kaj dosti spreminjati. ^e se jakost spreminja, so lahko vzrok radijske motnje zemeljskih oddajnikov, ki so za{le v obe anteni, oziroma neprilagoditev impedance pred in za nastavljivim vodom (samo ~e fazo spreminjamo s "pozavno"). Nato obe anteni zasukamo v Sonce. Anteni postavimo blizu skupaj in pazimo, da imata enako polarizacijo. Sprejeta mo~ se mora pove~ati, z nastavljivim vodom pa poi{~emo minimum in maksimum. Anteni potem po~asi razmikamo in vsakokrat poi{~emo in zabele`imo Pmax in Pmin ter razdaljo med antenama. Kon~no anteni spet postavimo blizu skupaj, zasukani v Sonce, vendar postavimo polarizacijo ene antene pravokotno na drugo anteno in spet poi{~emo Pmax in Pmin z nastavljivim vodom. V kon~nem rezultatu predstavimo izmerjeno vidljivost interferen~nega pojava kot funkcijo razdalje med antenama, potem ko smo od vseh Pmax in Pmin od{teli lastni {um sprejemnika. ^L ^[l^]- LVSR 28.4 - ^L ^[l^]- LVSR 28.5 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 29. - MERJENJE UKLONSKEGA SLABLJENJA KLINASTE OVIRE ======================================================== 1. Uklonsko slabljenje naravnih ovir ------------------------------------ Prostor, potreben za raz{irjanje valovanja od oddajnika do sprejemnika obi~ajno opi{emo s Fresnelovimi elipsoidi. Pre~ni presek elipsoidov so kro`ne Fresnelove cone. Tak{na predstavitev je sicer najenostavne{a za ra~unsko obravnavo, `al pa ne ustreza naravnim oviram, na katere naleti valovanje v prakti~nem primeru radijske zveze. Resni~ne ovire, gorske grebene na radijski poti, najpreprosteje opi{emo kot pre~no klinasto oviro, kot je to prikazano na sliki 1. Polje Es v sprejemni to~ki izra~unamo z integracijo prispevkov nezasen~ene polravnine. Kon~ni rezultat je sorazmeren integralu kompleksne eksponentne funkcije kvadrata vi{ine "y". Podoben rezultat bi dobili tudi v slu~aju, ko ovira seka radijsko pot pod poljubnim kotom, kar ustreza ve~ini primerov radijskih zvez. Ker omenjeni integral nima enostavne analitske re{itve, si pomagamo najprej s fizikalno razlago problema. Prostor razdelimo na Fresnelove pasove. [irine Fresnelovih pasov ustrezajo {irinam kro`nih Fresnelovih con, kot je to prikazano na sliki 2. Podobno kot kro`ne cone nam tudi pasovi opisujejo fazo posameznih prispevkov. Re{itev integrala je prikazana grafi~no s krivuljo "klotoido" na sliki 3. Na krivulji moramo seveda pravilno izbrati za~etno in kon~no to~ko glede na meje integrala. Razdelitev prostora na Fresnelove pasove nam pri tem pomaga poiskati polo`aje zna~ilnih to~k "klotoide" v prostoru. V ve~ini slu~ajev uklona nas zanima predvsem jakost sprejetega polja. Jakost polja ostaja nespremenjena oziroma neznatno niha vse dokler je prva Fresnelova cona povsem prosta. Ko se rob ovire dotakne zveznice oddajnik-sprejemnik, ovira zasen~i pol prostora in jakost sprejetega polje upade na polovico vrednosti oziroma za 6dB glede na neovirani primer. Z nadaljnim vi{anjem ovire (pozitiven H) jakost polja samo {e upada. Ko je zasen~ena celotna prva Fresnelova cona, jakost polja upade za 16dB glede na neovirani primer. Za ovire vi{je od prve Fresnelove cone uporabimo pribli`no re{itev integrala, ki daje enostaven izraz za dolo~anje jakosti sprejetega polja. ^eprav se to~nost matemati~nega pribli`ka izbolj{uje z vi{anjem ovire H, postaja kon~ni rezultat ra~una vse bolj nezanesljiv. Pri zelo visokih ovirah, vi{jih od 10. Fresnelove cone, je jakost uklonjenega polja mo~no odvisna od to~ne oblike roba ovire, njegove pora{~enosti ipd. Pri visokih ovirah lahko uporabimo izraz na sliki 3 le kot grobo oceno jakosti sprejetega polja. Za to~nej{i rezultat potrebujemo veliko ve~ podatkov o sami oviri, saj enostaven model uklona na klinasti oviri ne zado{~a. 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekven~nem podro~ju 15GHz, z izhodno ^L ^[l^]- LVSR 29.2 - ^[l^H mo~jo do 10dBm (10mW), brez modulacije. (2) Oja~evalnik za 15GHz z izhodno mo~jo 20..30dBm (0.1..1W). (3) Oviro, ravno kovinsko plo{~o velikosti vsaj 1m2. (4) Dva enaka piramidna lijaka za 15GHz na nastavljivih podstavkih. (5) Merilnik mo~i s primerno (toplotno) VF glavo za 15GHz. (6) Nekaj plo{~ mikrovalovnega absorberja za 15GHz. (7) Zidarski meter. (8) Priklju~ne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih pripomo~kov je prikazana na sliki 4. 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri vaji moramo v sobi laboratorija vzpostaviti radijsko zvezo na tak{ni razdalji in valovni dol`ini, da so Fresnelove cone razmeroma majhne. Zato vajo izvedemo pri ~im vi{ji frekvenci (15GHz ali ve~, kar pa~ dopu{~a merilna oprema). Kot oddajnik uporabimo nemoduliran izvor z dodatnim mo~nostnim oja~evalnikom (TWT ali polprevodni{ki), kot sprejemnik pa toplotni merilnik VF mo~i. Ker sta anteni manj{i in la`ji od ovire, postavimo oba valovodna lijaka na podstavka z nastavljivo vi{ino. Pri postavljanju vaje pazimo, da se nahaja ovira v Fraunhoferjevem podro~ju obeh anten in hkrati dobimo zadosten signal za delovanje toplotne merilne glave. Merilno glavo seveda vgradimo neposredno na sprejemno anteno, da prihranimo izgube v povezovalnem kablu. Kot oviro uporabimo raven kos aluminijeve plo~evine, ki ga postavimo pokonci. Ne`eljene poti radijskih valov, odboje od tal in drugih predmetov v sobi sku{amo zadu{iti s kosi mikrovalovnega absorberja. Pri vaji sku{amo sicer ugotoviti vpliv razli~no visokih ovir. Ker pa je oviro te`ko premikati, premikamo raj{i obe anteni. To~en polo`aj anten glede na oviro seveda sproti preverjamo z metrom. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Pri vaji izmerimo in nari{emo potek uklonskega slabljenja kot funkcijo vi{ine ovire H, kot je to prikazano na sliki 5. Pred za~etkom meritve moramo seveda izra~unati velikost Fresnelovih con na uporabljeni radijski poti. V rezultatu vaje zabele`imo razdaljo med antenama, valovno dol`ino in velikost prvih nekaj Fresnelovih con. Vi{ino ovire H izrazimo v centimetrih in v enotah polmera prve Fresnelove cone. Kljub mikrovalovnim absorberjem se pri meritvi v zaprti sobi ne moremo izogniti odbitim valovom, ki zaidejo v sprejemno anteno po druga~nih poteh. Izmerjeno uklonsko slabljenje bo zato odstopalo od matemati~ne krivulje re{itve integrala. Najve~ja odstopanja dobimo seveda pri velikih uklonskih slabljenjih, saj pride takrat interferenca z drugimi valovi najbolj do izraza. Pojavi pri sobnih meritvah pa po drugi strani ustrezajo resni~nim slu~ajem radijskih zvez preko naravnih ovir. Tudi v slu~aju naravnih ovir postane to~nost preprostega modela uklona na klinasti oviri vpra{ljiva, ko je ovira zelo visoka. *************************************************************** ^L ^[l^]- LVSR 29.3 - ^L ^[l^]- LVSR 29.4 - ^L ^[l^]- LVSR 29.5 - ^L ^[l^H LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZ[IRJANJE VAJA 30. - OPAZOVANJE MEJNE FREKVENCE IONOSFERE =============================================== 1. Elektromagnetne lastnosti ionosfere -------------------------------------- Visoke plasti zemeljskega ozra~ja kot tudi navidezna "praznina" vesolja vsebujejo razmeroma veliko {tevilo delcev z visokimi energijami. Razen nevtralnih delcev, posami~nih atomov in molekul, so zelo pogosti tudi ionizirani delci z razli~nimi elektri~nimi naboji. Medtem ko imajo elektri~no nevtralni, mo~no razred~eni plini le malenkosten vpliv na relativno dielektri~nost prostora, je vpliv naelektrenih delcev na elektromagnetne lastnosti prostora dosti ve~ji. Od vseh naelektrenih delcev imajo najve~ji vpliv na elektromagnetne lastnosti prostora prosti elektroni, saj je pri njih razmerje naboj/masa ve~tiso~krat ve~je v primerjavi z drugimi delci. Gostoto elektronov v visokih plasteh zemeljskega ozra~ja, v "ionosferi", prikazuje slika 1. Elektroni in drugi naelektreni delci nastanejo iz nevtralnih delcev in se lahko spet rekombinirajo nazaj v nevtralne delce. Razli~ni hitrosti obeh pojavov, ionizacije in rekombinacije, sta vzrok nastanka ionosferskih slojev. Glavni izvor ionizacije elektri~no nevtralnih delcev je ultravijoli~no sevanje Sonca. Ultravijoli~no sevanje Sonca je seveda mo~no odvisno od dogajanja na samem Soncu ({tevilo son~nih peg) in od vpadnega kota son~nih `arkov v zemeljsko ozra~je, saj se ultravijoli~no sevanje razmeroma hitro vpije v ozra~ju. Pono~i glavni izvor ionizacije seveda presahne. Rekombinacija v nevtralne delce je sorazmerna pogostnosti trkov med delci. Rekombinacija poteka zelo hitro v gostih nizkih plasteh ozra~ja pod 100km vi{ine in obratno zelo po~asi na velikih vi{inah nad 200km. Potek gostote elektronov se zato bistveno razlikuje med dnevom in no~jo. Podnevi ima ionosfera {tiri glavne pasove: D, E, F1 in F2. Pono~i sloj D izgine takoj, sloj E tudi hitro slabi, le sloja F1 in F2 se zlijeta v enotni sloj F. Poglavitni u~inek oblaka naelektrenih delcev je navidezno zni`anje dielektri~nosti prostora, kot je to prikazano na sliki 2. V skoraj{nji odsotnosti trkov na velikih vi{inah se sloji F1 in F2 oziroma F obna{ajo kot skoraj brezizguben dielektrik. Relativna dielektri~nost in lomni koli~nik ionosfere sta mo~no odvisna od frekvence. U~inki ionosfere nara{~ajo z ni`anjem frekvence. Pod frekvenco plazme "fp" se ionosfera za~ne obna{ati kot prevodnik (kovina). Trki med delci so sicer elasti~ni, vendar popolnoma naklju~no spremenijo smer gibanja delcev. Naelektreni delci po tr~enju zato ne morejo ve~ vrniti svoje kineti~ne energije elektromagnetnemu polju. Trki med delci zato vna{ajo izgube, ki se ka`ejo v obliki specifi~ne prevodnosti ionosfere, kot je to prikazano na sliki 3. ^eprav je sprememba lomnega koli~nika v ni`jih slojih ionosfere skoraj zanemarljiva, sloja E in predvsem D mo~no du{ita elektromagnetno valovanje. Prisotnost zemeljskega magnetnega polja povzro~a `iromagnetno (ciklotronsko) rezonanco s frekvenco pribli`no ^L ^[l^]- LVSR 30.2 - ^[l^H 1.4MHz. Na tej frekvenci se mo~no pove~a slabljenje elektromagnetnega valovanja. @iromagnetni pojav povzro~i tudi nerecipro~no dvolomnost ionosfere, ki ima razli~en lomni koli~nik za desno-kro`no oziroma levo-kro`no polarizirano valovanje. Kon~na posledica je nerecipro~no Faraday-evo sukanje ravnine polarizacije linearno-polariziranega valovanja. ^eprav je osnovni podatek ionosfere, frekvenca plazme v najgostej{em sloju, razmeroma nizka (velikostni razred 10MHz), ob~utimo u~inke ionosfere tudi na dosti vi{jih frekvencah. Najvi{jo frekvenco popolnega odboja v ionosferi ozna~imo z MUF (Maximum Usable Frequency), kot je to prikazano na sliki 5. Faraday-evo sukanje ravnine polarizacije in spremembe lomnega koli~nika motijo celo satelitske zveze in satelitsko radionavigacijo v mikrovalovnem frekven~nem podro~ju na frekvencah nad 1GHz. 2. Seznam potrebnih pripomo~kov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) [irokopasovno aktivno anteno (z vgrajenim visokoimpedan~nim oja~evalnikom) za frekven~no podro~je 1...50MHz na primernem podstavku na odprtem prostoru (strehi). (2) Napajalnik in napajalno vezje za aktivno anteno. (3) Visokofrekven~ni spektralni analizator 0...1000MHz. (4) AM sprejemnik (lahko je vgrajen v spektralni analizator) za frekven~no podro~je 1...50MHz z zvo~nikom. (5) Ra~unalnik s programom za izra~un polo`aja Sonca in prikazom osvetljene zemeljske poloble. (6) Priklju~ne kable za vse povezave. Razporeditev in vezava merilnih pripomo~kov je prikazana na sliki 6. 3. Obrazlo`itev in opis poteka vaje ----------------------------------- Celovito opazovanje pojavov v ionosferi je lahko zelo dolgotrajno in potrpljensko delo. Nekateri pojavi se zgodijo poredkoma in skoraj povsem naklju~no, ampak v to~no dolo~enem obdobju 11-letnega cikla son~nih peg. Razen redkih izjem zelo visoke son~ne aktivnosti lahko osnovne pojave v ionosferi: lom, popolni odboj, slabljenje in nerecipro~no Faraday-evo sukanje polarizacije, opazujemo v obdobju enega dneva in no~i. Za opazovanje pojavov v ionosferi seveda potrebujemo ustrezen oddajnik in pripadajo~i sprejemnik, ki delujeta v {irokem razponu frekvenc vsaj od 1MHz do 50MHz. Vajo si poenostavimo tako, da kot oddajnik izkoristimo kar obstoje~e radiodifuzne oddajnike, ki oddajajo v razli~nih frekven~nih pasovih. S poslu{anjem oddaje dolo~imo izvor oddaje, jakost polja in periodo presihanja sprejema. Kot sprejemno anteno uporabimo {irokopasovno aktivno anteno. Tak{ne antene imajo razmeroma majhne izmere glede na valovno dol`ino, impedanca je mo~no reaktivna in elektri~ni izkoristek je zelo slab. Aktivna antena ima zato vgrajen visokoimpedan~ni predoja~evalnik, ki visoko impedanco antene zasilno prilagodi na 50-ohmski vhod sprejemnika. Slab elektri~ni izkoristek majhne antene nas pri sprejemu ne moti, saj je tudi naravni {um na nizkih frekvencah pod 30MHz zelo mo~en: {umna temperatura neba naraste na preko miljon K. Sprejemno anteno moramo seveda namestiti na odprt prostor ^L ^[l^]- LVSR 30.3 - ^[l^H (streha). Pri name{~anju antene se seveda izogibamo znanim izvorom elektri~nega {uma in motenj, kot so fluorescentne svetilke in ra~unalniki. Anteno pove`emo preko dalj{ega kosa koaksialnega kabla na sprejemnik. Po istem kablu napajamo visokoimpedan~ni oja~evalnik v anteni, ki potrebuje poseben napajalnik in napajalno vezje, kretnico, ki lo~i enosmerno napajanje od visokofrekven~nih signalov. Kot sprejemnik uporabimo spektralni analizator, ki nam omogo~a opazovanje radijskih signalov v {irokem frekven~nem pasu. Ve~ina sodobnih spektralnih analizatorjev ima vgrajen tudi obi~ajen radijski sprejemnik z mo`nostjo demodulacije AM in FM signalov in poslu{anjem preko zvo~nika. Pri uporabi vgrajenega sprejemnika moramo seveda nastaviti pravilno pasovno {irino medfrekven~nega sita v spektralnem analizatorju ter izklju~iti krmilno `ago za lokalni oscilator (spektralni analizator postavimo v "zero span"). Koristen pripomo~ek je tudi ra~unalnik s programom za izra~un polo`aja Sonca na nebu. Program na ra~unalniku uporabimo tako, da nam prika`e osvetljeno poloblo, iz ~esar lahko sklepamo o obna{anju ionosfere v razli~nih smereh raz{irjanja radijskih valov. Pri uporabi ra~unalnika seveda obvezno preverimo nastavitev programa (predvsem ure!) in seveda motnje, ki jih ra~unalnik povzro~a na{emu sprejemniku. 4. Prikaz zna~ilnih rezultatov ------------------------------ Za vajo poskusimo ugotoviti osnovni veli~ini ionosfere, ki pogojujeta raz{irjanje valov: MUF in LUF. MUF ali najvi{ja uporabna frekvenca zavisi izklju~no od gostote elektronov v najgostej{em sloju ionosfere in je dolo~ena s pogojem za popolni odboj v dielektriku s spreminjajo~im se lomnim koli~nikom. MUF predstavlja strogo dolo~eno mejo, nad katero sli{imo samo {e bli`nje radijske postaje v krogu nekaj sto kilometrov, ki jih sprejemamo neposredno brez posredovanja ionosfere. LUF (Lowest Usable Frequency) ali najni`ja uporabna frekvenca je dolo~ena z du{enjem nizkih frekvenc v nizkih slojih ionosfere (predvsem v sloju D, nekaj tudi v sloju E). LUF ni stroga meja kot MUF, saj lahko pove~ano du{enje nadomestimo z oddajnikom ve~je mo~i. LUF je zelo spremenljiv, saj poteka rekombinacija v nizkih slojih D in E zelo hitro. LUF lahko dose`e podnevi vrednost 5MHz in lahko pono~i upade pod 100kHz. Pri vaji najprej s spektralnim analizatorjem na grobo ocenimo, kateri frekven~ni pas prepu{~a ionosfera. V prepustnem pasu ionosfere opazimo mno`ico signalov, izven tega pasu pa je signalov znatno manj. Nato spektralni analizator preklopimo v na~in delovanja kot radijski sprejemnik in poskusimo ugotoviti vrsto in izvor posameznih signalov. V kon~nem rezultatu vaje si zabele`imo ugotovljena LUF in MUF kot tudi datum, uro in polo`aj Sonca na nebu (azimut in elevacijo). *************************************************************** ^L ^[l^]- LVSR 30.4 - ^L ^[l^]- LVSR 30.5 - ^L ^[l^]- LVSR 30.6 - ^L