ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 1. - BLIŽNJE IN DALJNJE POLJE TOKOVNE ZANKICE ================================================== 1. Polje tokovne zankice ------------------------ Odnose med bližnjim in daljnjim poljem si najlažje ogledamo na primeru polja najenostavnejših izvorov: tokovnega elementa in njemu dualnega izvora tokovne zankice. Ker je tokovna zankica tehnično lažje izvedljiva od tokovnega elementa, si za praktični poizkus izberemo tokovno zankico. Električno 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 dolžino, zankica pa mora biti tudi dosti manjša od oddaljenosti od točke, kjer merimo polje. Izrazi za električno in magnetno polje vsebujejo več členov, ki z oddaljenostjo različno hitro upadajo. Členi, ki upadajo s tretjo potenco oddaljenosti od zankice, predstavljajo statično magnetno polje zankice (magnetnega dipola). Ti členi ne zavisijo od frekvence in v izrazu za električno polje jih ni, ker magnetni dipol nima statičnega električnega polja. Členi, ki upadajo linearno z razdaljo, predstavljajo sevano polje zankice. V razdalji večji od nekaj valovnih dolžin ti členi povsem prevladajo in so hkrati edini, ki prispevajo k pretoku delovne moči. Za meritev potrebujemo še sondo za polje. Najlažje je meriti magnetno polje in to s še 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 pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekvenčnem področju od 10MHz do 400MHz, z izhodno močjo do 20dBm (100mW) na 50ohmskem bremenu. (2) Občutljiv merilni sprejemnik, še najboljše spektralni analizator, za merjenje jakosti signalov v danem frekvenčnem območju v razponu od približno -40dBm do -110dBm. (3) Dve zankici, premera okoli 3cm, na stojalih, s priključnimi kabli. (4) Nastavljiv slabilec za kalibracijo merilnega sistema, do 100dB v korakih po 10dB. Razporeditev in povezava merilnih inštrumentov je prikazana na sliki 3. 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri meritvi polja moramo v oddajni zankici vsiliti željeni tok in izmeriti inducirano napetost v sprejemni zankici. Pri tem impedanca zankice ni dobro poznana, vemo le, da je pri nizkih frekvencah majhna. Pri najvišji frekvenci meritve znaša premer zankice 1/30 valovne dolžine, obseg pa ČL ČŠlČ]- LVSR 1.2 - ČŠlČH 1/10 valovne dolžine. Impedanca zankice je zato vedno dosti manjša od karakteristične impedance 50ohm, za katero so izdelani vsi merilni inštrumenti. Zato upoštevamo oddajno zankico kot kratkostično breme, sprejemno zankico pa kot generator z majhno notranjo impedanco pri računanju slabljenja med zankicama. Za boljšo točnost lahko vstavimo med izvor in oddajno zankico oziroma med sprejemnik in sprejemno zankico še dodaten slabilec (okoli 10dB). Običajno sicer take slabilce merilni izvori in merilni sprejemniki že vsebujejo. Glede na majhno razpoložljivo moč izvora (do 100mW) potrebujemo občutljiv sprejemnik. Za vajo je najprimernejši spektralni analizator oziroma kakšen drug selektivni sprejemnik (da izločimo motnje ostalih oddajnikov) z občutljivostjo med -90 in -120dBm. Sprejemnik kalibriramo tako, da njegov vhod priključimo 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 še preverimo z obračanjem zankice, ali ima polje še kakšno drugo komponento, kar nam da oceno za napako pri meritvi. Za vsako komponento polja (orientacijo zankic) izmerimo potek naraščanja slabljenja pri treh različnih frekvencah. Seveda je treba po nastavljanju izvora in uglaševanju sprejemnika spet kalibrirati sistem z merilnim slabilcem. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Najbolj zanimiv rezultat opisane vaje je opazovanje prehoda med bližnjim in daljnim poljem tokovne zankice. Zato meritev opravimo na treh frekvencah: 300MHz, 100MHz in 30MHz, kar ustreza valovnim dolžinam 1m, 3m in 10m. Prehod med bližnjim in daljnim poljem bo opazen na razdaljah, ki ustrezajo obratni vrednosti valovne konstante k, se pravi valovne dolžine 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 bližnjem in daljnem polju, zato na diagramu lahko opazimo prehod, ko začne polje počasneje upadati. V diagramih na sliki 4 je na nižjih frekvencah ustrezno povečana moč oddajnika, da lahko naravnost primerjamo rezultat: na 100MHz je moč oddajnika 10-krat večja (približno trikrat večji tok v zankici) in na 30MHz je moč oddajnika 100-krat večja (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 različnih frekvencah ni tako velikih razlik in ni prehoda v daljne polje. Vsi diagrami so risani v logaritemski skali za amplitudo (dBm), da lažje prikažemo signale v zelo velikem razponu. Taka skala tudi ustreza tisti, ki jo imamo na razpolago na spektralnem analizatorju. Na sliki 6 je končno prikazana primerjava med obema komponentama magnetnega polja tokovne zankice za najvišjo frekvenco (300MHz): theta komponenta je v bližnjem polju sicer manjša od radialne, zato pa počasneje upada in prevlada v daljnem polju. ČL ČŠlČ]- LVSR 1.3 - ČL ČŠlČ]- LVSR 1.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 1.5 - ČL ČŠlČ]- LVSR 1.6 - ČL ČŠlČ]- LVSR 1.7 - ČL ČŠlČ]- LVSR 1.8 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 2. - NEPOSREDNO MERJENJE DOBITKA ANTENE ============================================ 1. Slabljenje radijske zveze v praznem prostoru ----------------------------------------------- Dobitek antene lahko merimo na več načinov. Najpreprostejši način je neposredni izračun dobitka antene iz izmerjenega slabljenja v znani radijski zvezi v (skoraj) praznem prostoru. Dobitek antene lahko izračunamo 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 že vključuje vrsto stranskih pojavov. Dobitek sam že vključuje električni izkoristek antene, ki je sicer pri večini anten blizu enote. Dobitek vključuje tudi izgube zaradi drugih pojavov, naprimer neprilagoditve impedance antene na oddajnik ali sprejemnik. Pri merjenju slabljenja radijske zveze sodelujejo vsi ti pojavi na enak način kot v definiciji dobitka, zato je izračun 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 področju. Največji motilni vpliv pri tem predstavljajo odbiti valovi, saj anten praktično ne moremo meriti v povsem praznem prostoru. Na manjših razdaljah lahko odbite valove zadušimo s kosi mikrovalovnega absorberja na najbolj izpostavljenih točkah. Ko postanejo razdalje zaradi zahteve po Fraunhoferjevem področju večje od nekaj deset metrov, se odbitim valovom ne moremo več izogniti. V tem slučaju 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 pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekvenčnem področju 10GHz, z izhodno močjo do 10dBm (10mW), brez modulacije. (2) Ojačevalnik za 10GHz z izhodno močjo 20..30dBm (0.1..1W). (3) Močnostni 20dB slabilec, za kalibracijo sistema. (4) Več anten za 10GHz, od teh dva enaka piramidna lijaka. (5) Merilnik moči za 10GHz. (6) Nastavljiva podstavka za obe anteni. (7) Nekaj plošč absorberja. (8) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih inštrumentov je prikazana na sliki 2. ČL ČŠlČ]- LVSR 2.2 - ČŠlČH 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri izvedbi vaje moramo najprej pomisliti na zahteve meritve in na omejitve merilnih inštrumentov. Pri meritvi slabljenja radijske zveze zahtevamo, da se anteni nahajata na dovolj veliki razdalji, v področju daljnega polja. Zahtevo upoštevamo 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 bližnji okolici. Zato je treba ustrezno namestiti plošče iz snovi, ki vpija radijske valove dane frekvence. Glavna omejtev merilnih inštrumetnov je občutljivost sprejemnika (merilnika moči). Za takšen sprejemnik potrebujemo nekoliko močnejši merilni oddajnik tudi na majhnih razdaljah. Ker znaša izhodna moč laboratorijskega izvora komaj 10mW (10dBm), mu po potrebi dodamo močnostni ojačevalnik z elektronko na potujoče valove (Travelling Wave Tube) oziroma polprevodniški ojačevalnik z močjo do 1W (30dBm). Pri uporabi močnostnega ojačevalnika pazimo, da je izhod ojačevalnika vedno zaključen na prilagojeno breme, ko je ojačevalnik vključen. Merilni sistem najprej umerimo tako, da naravnost izmerimo moč celotnega oddajnika. To storimo tako, da priključimo glavo merilnika moči na izhod oddajnika preko slabilca, ki zniža moč oddajnika na vrednost, primerno za merilnik. Nato postavimo na oba podstavka dve enaki anteni (pravokotna lijaka). Pri merjenih antenah določimo smer, v katero največ sevata. Pri uporabljenih lijakih bo to smer naravnost naprej, pravokotno na odprtino lijaka. Pazimo tudi, da imata oba lijaka isto polarizacijo. Ker pričakujemo najmočnejše odbite valove od tal in stropa sobe, eno od anten (najlažje sprejemno anteno) premikamo na podstavku gor in dol za nekaj valovnih dolžin in opazujemo jakost sprejetega polja. Ko sprejemamo več odbitih valov hkrati, niha jakost sprejetega polja skoraj povsem naključno, kot je to prikazano na sliki 3. Iz večjega števila meritev potem določimo srednjo vrednost sprejemanega polja, ki jo uporabimo v računu. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Ko določimo dobitek uporabljenih (enakih) pravokotnih lijakov, lahko eno od anten zamenjamo z drugačno anteno in celoten postopek ponovimo, vključno z ugotavljanjem vpliva odbitih valov. Pri računanju seveda upoštevamo prej izračunani dobitek piramidnega lijaka, ki ga imamo zdaj samo na enem koncu radijske zveze. Pozor! Pri zamenjavi oddajne antene je treba izključiti celoten oddajnik, zato rajši menjamo sprejemno anteno! Nekatere vrste anten, na primer špirale, vsebujejo izgubne snovi ter ne zdržijo velike moči oddajnika, zato jih uporabljamo izključno na sprejemni strani. Za vajo izmerimo še dobitek korugiranega lijaka in špiralne antene za dano frekvenčno področje ter rezultat primerjamo z rezultati drugih merilnih metod. *************************************************************** ČL ČŠlČ]- LVSR 2.3 - ČL ČŠlČ]- LVSR 2.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 2.5 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 3. - MERJENJE SMERNEGA DIAGRAMA IN RAČUNANJE SMERNOSTI =========================================================== 1. Računanje smernosti iz izmerjenega smernega diagrama ------------------------------------------------------- Smernost (D = directivity) antene je definirana kot razmerje med gostoto sevane moči v željeni smeri in celotno sevano močjo v vseh smereh. Da je rezultat neimenovano število (čisto razmerje), ga je treba pomnožiti še s polnim prostorskim kotom (4*PI steradianov), kot je to prikazano na sliki 1. Celotno sevano moč 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 moči na enoto prostorskega kota, sorazmernostni faktor pa se pri računanju smernosti v razmerju krajša. Pri resničnih meritvah si seveda ne moremo privoščiti, da bi izmerili smerni diagram prav v vseh možnih smereh, ker bi taka meritev trajala neskončno dolgo. Smerni diagram v resnici izmerimo v določenem dovolj velikem številu točk (smeri). Pri merjenju smernega diagrama anteno običajno vrtimo po eni osi in tako dobimo en sam prerez smernega diagrama. Če je smerni diagram antene rotacijsko simetričen, lahko iz podatkov enega samega prereza zadosti dobro izračunamo celotno sevano moč. Če smerni diagram antene ni rotacijsko simetričen, je treba izmeriti več prerezov smernega diagrama. Integral sevane moči je v tem primeru seštevek moči, ki jih dobimo iz posameznih prerezov. Če iz vsakega prereza najprej izračunamo smernost, potem lahko končni rezultat dobimo tudi kot povprečje obratnih vrednosti smernosti za posamezne prereze, ker nastopa celotna moč v imenovalcu razmerja za smernost (glej sliko 2). Pri večini anten običajno zadošča meritev dveh prerezov smernega diagrama. Ravnini prerezov postavimo pod pravim kotom ter ju zasučemo tako, da prereza ustrezata značilnim prerezom, ki jih poznamo iz načina delovanja (geometrije) antene. Iz načina delovanja antene potem lahko sklepamo, kakšen je smerni diagram še v ostalih smereh. 2. Seznam potrebnih pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekvenčnem področju 10GHz, z izhodno močjo do 10dBm (10mW) in možnostjo 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 nepremični podstavek za drugo. (6) Nekaj plošč absorberja. (7) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih inštrumentov je prikazana na sliki 3. ČL ČŠlČ]- LVSR 3.2 - ČŠlČH 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri izvedbi vaje moramo najprej pomisliti na zahteve meritve in na omejitve merilnih inštrumentov. Pri meritvi smernega diagrama zahtevamo, da anteni nahajata na dovolj veliki razdalji, v področju daljnega polja. Zahtevo moramo upoštevati 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 bližnji okolici. Zato je treba ustrezno namestiti plošče iz snovi, ki vpija radijske valove dane frekvence. Glavna omejtev merilnih inštrumetnov je občutljivost sprejemnika (diode). Zato moramo ustrezno nastaviti izhodno moč oddajnika, da bomo diodo uporabljali v pravilnem režimu delovanja. Pri merjeni anteni moramo najprej določiti ali poiskati smer, v katero največ seva. Pri uporablenih lijakih bo to smer naravnost naprej, pravokotno na odprtino lijaka. Koordinatni sistem si obrnemo tako, da tej smeri ustreza os Z. Določiti moramo tudi prereze, v katerih bomo merili smerni diagram. Za lijake dane oblike in dimenzij zadoščata dva prereza pod pravim kotom. Izberemo ju tako, da eden ustreza ravnini električnega polja, drugi pa je nanjo pravokoten. Prereza ustrezata dvem ravninam s konstantnim fi-jem v našem koordinatnem sistemu, anteno pa vrtimo po kotu theta. Anteno običajno zavrtimo v enem prerezu za polni kot (360 stopinj). Na ta način preverimo, če smo res zadeli maksimum smernega diagrama, če so stranski snopi simetrični in koliko motijo meritev odboji. Meritev ponovimo v drugem prerezu, oba izmerjena diagrama pa še jasno označimo, 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 najlažje opraviti z računalnikom, ki hkrati zajema podatke pri meritvi. V slučaju ročne 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 člen sin(theta)! Grafično bi problem lahko rešili tako, da bi smerni diagram narisali z amplitudno skalo v linearnih enotah za moč, smer pa bi podali kot kosinus kota theta. Vrednost integrala je v tem slučaju sorazmerna ploščini lika pod krivuljo. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Primer izmerjenega smernega diagrama je prikazan na sliki 4. Amplitudna skala je logaritemska in je izražena v dB. Na sliki 4 vidimo tudi motilne pojave: mejo občutljivosti (šum) merilnega sprejemnika in (majhen) vpliv odbitih valov. Za ročno integracijo smernega diagrama je priporočljivo razširjeno izrisati vsaj osrednji del diagrama. Smernost za prikazani smerni diagram, izračunana z računalnikom, znaša 93 oziroma 19.7dB. *************************************************************** ČL ČŠlČ]- LVSR 3.3 - ČL ČŠlČ]- LVSR 3.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 3.5 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 4. - PORAZDELITEV ELEKTRIČNEGA TOKA NA MONOPOLU ==================================================== 1. Porazdelitev električnega toka na tankožičnih antenah -------------------------------------------------------- Porazdelitev električnega toka, njegove amplitude in faze, po kovinski strukturi antene, je eden osnovnih problemov, ki jih moramo rešiti pri obravnavi anten. Iz porazdelitve toka na anteni lahko izračunamo vse zanimive parametre antene: smerni diagram antene, impedanco antene in izgube zaradi končne upornosti vodnikov, ki sestavljajo anteno. Porazdelitev toka na anteni lahko izračunamo. Za vse praktične primere je potreben numerični račun, saj se z analitskimi metodami da rešiti le najenostavnejše primere. Porazdelitev toka po površini antene lahko tudi izmerimo, vendar so takšne meritve zelo zahtevne in praktično zelo težko izvedljive z zahtevano mero natančnosti. Od različnih vrst anten je najlažje določiti porazdelitev toka na tankožičnih antenah, sestavljenih iz ene ali več žic zelo majhnega prereza glede na valovno dolžino. Pri takšnih antenah upravičeno smatramo, da tečejo tokovi izključno v vzdolžni smeri žic. Kakršenkoli prečni tok po žicah bi v vsakem slučaju imel zelo majhen vpliv na lastnosti antene. Pri tankožičnih antenah je zaradi majhnega prereza žice v bližini same žice izredno močno bližnje polje, sevano polje je tu v primerjavi z bližnjim skoraj zanemarljivo. Zato bo na porazdelitev toka po tanki žici vplivalo v glavnem bližnje polje. Ker je bližnje polje po obliki enako statičnemu polju, na tankožičnih antenah upravičeno pričakujemo podobne valovne pojave kot na prenosnih vodih. Pri žičnih antenah, ki imajo odprte, nezaključene konce žic, potemtakem pričakujemo pojav stojnega vala, saj se napredujoči val na žici na odprtem koncu popolnoma odbije. Na koncu antene si zato pričakujemo vozel toka, po žici sami se potem vrstijo hrbti in vozli toka. Ker se žica obnaša kot TEM vod, razdalje med vozli oziroma hrbti ustrezajo polovici valovne dolžine v praznem prostoru. Ker pa nimamo brezizgubnega TEM voda, pač pa anteno, ki nekaj dovedene elektirčne moči tudi izseva, vozli toka niso točno enaki nič, pač pa tu absolutna vrednost toka doseže minumum, faza pa je za 90 stopinj premaknjena glede na fazo toka v hrbtu (glej sliko 1). Minimumi toka so seveda tembolj globoki, čim tanjša je žica, saj je tanjša žica bolj podobna prenosnemu vodu. 2. Seznam potrebnih pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekvenčnem področju od 50MHz do 500MHz, z izhodno močjo do 20dBm (100mW) na 50ohmskem bremenu. (2) Merjeno anteno - monopol - to je palico dolžine okoli 1.5m z ustreznim visokofrekvenčnim priključkom. (3) Tokovni merilni transformator za visokofrekvenčni tok na anteni, z jedrom iz feritnih obročkov in priključnim kablom, oklopljenim s feritnimi perlami, da ne motimo ČL ČŠlČ]- LVSR 4.2 - ČŠlČH električnega polja merjene antene. (4) Visokofrekvenčni merilnik moči - bolometer - z območjem od -30dBm (1uW) do 10dBm (10mW). (5) Vektorski voltmeter za dano frekvenčno območje. Razporeditev in povezava merilnih inštrumentov je prikazana na sliki 2. 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Zaradi enostavnosti izvedbe vaje si izberemo najenostavnejšo možno anteno, to je monopol. Monopol napajamo na enem koncu z generatorjem tako, da eno sponko generatorja priključimo na monopol. Drugo sponko generatorja je treba tudi nekam priključiti, da monopol sploh lahko napajamo. Praktično izkoristimo ohišje generatorja in napajalni priključni vod kot protiutež monopolu tako, da srednji kontakt koaksialne vtičnice priključimo na monopol, oklop koaksialne vtičnice pa pustimo nepovezan. V tem slučaju seveda sestavljajo celotno anteno monopol, ohišje generatorja in vse ostale žice, priključene na generator. Če so vse ostale žice zadosti oddaljene od monopola, sklepamo, da ne bojo preveč vplivale na porazdelitev toka na samem monopolu. Izhodna impedanca generatorja je običajno 50ohm, vhodna impedanca opisane antene, se pravi monopola in protiuteži iz ohišja generatorja, pa je zelo spremenljiva. Zato se vsiljeni tok na priključku monopola zelo spreminja s frekvenco, kljub konstantni izhodni moči generatorja na standardnem 50ohmskem bremenu. Uporabljena sonda za tok - tokovni merilni transformator - ima seveda celo vrsto pomanjkljivosti. Vsak merilnik toka odžira del moči iz vezja in ga tako moti. Uporabljena sonda vstavlja dodatno impedanco vezano zaporedno z žico merjenega monopola. Pri meritvah na antenah pa se pojavi še problem dovodnih žic do merilnika, saj te motijo električno polje antene. Zato je koaksialni kabel do merilnega transformatorja "oblečen" s feritnimi perlami (z visoko relativno permeabilnostjo), ki bistveno povečajo impedanco žice in tako zmanjšajo motenje polja merjene antene. Če imamo na razpolago tudi vektorski voltmeter, ga priključimo in uporabimo za meritev faze. Vajo v vsakem slučaju izpeljemo za vsaj tri različne frekvence. Rezultat porazdelitve toka na anteni narišemo 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 moč v monopol zaradi sprememb impedance, pa tudi tokovni merilni transformator ni idealen. Ker lahko absolutno vrenost toka izračunamo iz impedance antene in moči generatorja, ta meritev tu ni zanimiva, zanima nas le relativna porazdelitev toka. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Vajo izvedemo na treh različnih frekvencah. Najnižjo frekvenco izberemo tako, da je dolžina monopola približno enaka četrt valovne dolžine (slika 3). Srednjo frekvenco izberemo tako, da je dolžina monopola približno tričetrt valovne dolžine (slika 4). Končno, najvišjo frekvenco izberemo tako, da je monopol dolg več valovnih dolžin (slika 5). Posebno pazimo na položaj in globino minimumov! ČL ČŠlČ]- LVSR 4.3 - ČL ČŠlČ]- LVSR 4.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 4.5 - ČL ČŠlČ]- LVSR 4.6 - ČL ČŠlČ]- LVSR 4.7 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 5. - MERJENJE ODBOJNOSTI ANTENE Z MERILNIM VODOM ===================================================== 1. Odbojnost in valovitost -------------------------- Z višanjem frekvence v področje radijskih valov postaja meritev impedance vse bolj nerodna, saj je treba upoštevati vsaj parazitne kapacitivnosti in induktivnosti priključkov merilnika. Pri še višjih frekvencah, v mikrovalovnem področju, imamo med merilnikom in merjencem vedno kos visokofrekvenčnega voda, ki predstavlja porazdeljeno induktivnost in kapacitivnost. Ne glede na način delovanja merilnika sledi sami meritvi zamudno preračunavanje izmerjene vrednosti v točno impedanco merjenca. Končno, v milimetrskem mikrovalovnem področju in naprej v optiki uporabljamo kot prenosne vode izključno valovode, na katerih ne moremo meriti tokov in napetosti niti definirati impedance. V radijskem frekvenčnem področju, v mikrovalovih in v optiki zato uporabljamo drugačne veličine za opisovanje lastnosti bremena. Najbolj uporabna veličina je odbojnost bremena. Odbojnost definiramo glede na uporabljeni prenosni vod: žični dvovod, koaksialni kabel, kovinski valovod ali optično vlakno. Na vseh vrstah vodov, kjer lahko enoveljavno določimo tok in napetost, obstaja tudi obojestranska enoveljavna povezava med odbojnostjo in impedanco bremena. Odbojnost lahko merimo na več različnih načinov, najpreprostejša tehnična izvedba pa je merilni vod z utorom in sondo. Na sliki 1 je prikazan takšen merilni vod v koaksialni izvedbi z električno (kapacitivno) sondo. Merilni vod lahko seveda izdelamo tudi kot kovinski valovod ali kakšno 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 slučaju izrezan tako, da čimmanj moti polje v vodu. Iz istega razloga pri meritvi nastavimo takšno globino sonde, da komaj dobimo zadosten signal za meritev a istočasno čimmanj motimo polje v merilnem vodu s prisotnostjo sonde. S premikanjem sonde vzdolž merilnega voda izmerimo velikost in položaj minimumov in maksimumov. Razmerje med minimumi in maksimumi ustreza razmerju stojnega vala oziroma valovitosti (neubranosti), iz katere lahko izračunamo velikost odbojnosti. Fazo odbojnosti lahko dobimo iz položaja minimumov ali maksimumov. Ker je določanje minimumov natančnejše, ponavadi merimo le položaj minimumov. Pri tem moramo seveda poznati hitrost razširjanja valovanja v uporabljenem merilnem vodu, da iz izmerjene razdalje izračunamo fazo odbojnosti. 2. Seznam potrebnih pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekvenčnem področju 1.7-4.2GHz, z izhodno močjo 20dBm (100mW) in amplitudno modulacijo 1kHz. (2) Anteno (merjenec) za "S" frekvenčno področje. (3) Koaksialni merilni vod za "S" področje z detektorjem. ČL ČŠlČ]- LVSR 5.2 - ČŠlČH (4) Prilagojeno koaksialno breme in koaksialni kratek stik. (5) Ploščo mikrovalovnega absorberja za "S" področje. (6) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih inštrumentov je prikazana na sliki 2. 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Ker dobimo iz sonde zelo šibek signal, uporabimo za meritev izvor z refleksnim klistronom, ki lahko da na izhodu več kot 100mW VF moči. Izvor amplitudno moduliramo z 1kHz, da uporabimo detektor z diodo v kvadratičnem režimu. Dioda sama je vgrajena v rezonator, da z njim uglasimo sondo na največjo možno občutljivost. To hkrati pomeni, da je treba pri vsakršnem spreminjanju frekvence izvora sondo ponovno uglasiti na največjo možno občutljivost. Pri merjenju odbojnosti moramo upoštevati dejstvo, da merjenec (antena) ni naravnost priključen na merilni vod. Med anteno in merilnim vodom imamo nujno še kos koaksialnega kabla in več konektorskih spojev, ki vsi vnašajo izgube in nekoliko odstopajo od normirane impedance prenosnega voda. Meritev dolžine kabla in priključkov ne zadošča za določanje fazega zasuka, ker ne poznamo vseh različnih dielektrikov v kablu in raznih konektorjih. Merilni sistem zato najprej preizkusimo tako, da ga priključimo na prilagojeno breme (točen merilni upor). Valovitost, ki jo tedaj izmerimo s koaksialnim merilnim vodom, je potem ocena za točnost vseh nadaljnih meritev. Prilagojeno breme priključimo v merilnem sistemu čim bližje mestu, kjer se nahaja antena, da na ta način zajamemo čimveč ostalih sestavnih delov (kablov, konektorjev), ki jih ne želimo meriti, a vseeno motijo meritev. Nato sistem umerimo še s kratkostičnikom. Iz izmerjene valovitosti za kratkostičnik lahko določimo izgube v priključnem kablu. S kratkostičnikom določimo tudi referenčno mesto za fazo odbojnosti, saj je odbojnost kratkostičnika natančno -1. Na ta način nam ni treba meriti fizične dolžine priključnega kabla, saj smo električno dolžino že izmerili s kratkostičnikom. Končno priključimo namesto kratkostičnika neznano breme, to je merjeno anteno. Med meritvijo anteno usmerimo v prazen prostor oziroma pred njo namestimo mikrovalovni absorber. Velikost odbojnosti antene izračunamo iz izmerjene valovitosti. Fazo odbojnosti antene dobimo iz razdalje med položajem minimuma za kratkostičnik in minimuma za merjeno anteno. Pri tem moramo poznati le hitrost razširjanja valovanja v merilnem vodu (TEM v praznem prostoru) in upoštevati, da je odbojnost kratkostičnika natančno enaka -1. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Vse tri meritve ponovimo v celotnem frekvenčnem področju 1.7-4.2GHz, ki ga dopušča 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 obnaša kot povsem reaktivno kapacitivno breme. Na gornjem koncu frekvenčnega področja bo odbojnost razmeroma nizka, saj je antena izdelana za to frekvenčno področje. ČL ČŠlČ]- LVSR 5.3 - ČL ČŠlČ]- LVSR 5.4 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 6. - FREKVENČNI POTEK IMPEDANCE MONOPOLA ============================================= 1. Vpilv porazdelitve toka na impedanco tankožične antene --------------------------------------------------------- Pri tankožičnih antenah je zaradi majhnega prereza žice v bližini same žice izredno močno bližnje polje, sevano polje je tu v primerjavi z bližnjim skoraj zanemarljivo. Ker je bližnje polje po obliki enako statičnemu polju, se na tankožičnih antenah vzpostavijo stojni valovi podobno kot na nezaključenih prenosnih vodih. Impedanca tankožične antene je zato sestavljena iz povsem reaktivne impedance stojnega vala na žici antene in iz delovne upornosti zaradi sevanja. Reaktivni del impedance tankožične antene se z dolžino antene oziroma s frekvenco hitro spreminja. Hkrati se antena obnaša tudi kot vod - - transformator impedance za sevalno upornost. V grobem je velikost impedance seveda obratno sorazmerna jakosti toka na žici antene. Če napajamo anteno v hrbtu toka stojnega vala, bo impedanca razmeroma nizka. Če pa napajamo anteno v vozlu toka stojnega vala, bo impedanca precej visoka. Na vrhu hrbta toka doseže impedanza nizko in precej stabilno vrednost, ki dosti ne zavisi o premeru žice, pač pa le o vrsti in obliki celotne antene. V maksimumu toka se namreč reaktivni del impedance natančno uniči, ostane le realni del - sevalna impedanca - ki zavisi le o vrsti in obliki antene. Pravega vozla toka na anteni ne moremo doseči, ker ima imedanca v vsakem slučaju vedno vsaj majhen, od nič različen realni del. Zato je smiselno govoriti o minimumu toka na žici antene. Tudi v bližini minimuma toka se da poiskati takšno napajalno točko, da je impedanca čisto realna. Vrednost impedance v minimumu toka je seveda zelo visoka in zelo odvisna tudi od premera žice antene, čeprav je imepdanca tu lahko povsem realna. Razlaga za ta pojav je naslednja: k sevanju antene največ prispevajo hrbti toka, zato je tu impedanca določena le z vrsto in obliko antene. Ta impedanca se preslika v dosti višjo vrednost v minimumih toka preko četrtvalovnega transformatorja, ki ga predstavlja antenska žica. Impedanca tega četrtvalovnega transormatorja in s tem restavno razmerje so seveda močno odvisni od premera žice. Na sliki 1 je narisan potek impedance za najenostavnejši primer: monopol, napajan na enem koncu. Zelo kratki monopoli (l<18dBi) za frekvenčno področje 1.7GHz. (2) Dva premična podstavka na kolescih za anteni z nastavitvijo azimuta in elevacije anten. (3) Dva enaka nizkošumna predojačevalnika (F<1dB, G>30dB) za frekvenčno področje 1.7GHz z napajalnikoma. (4) Nastavljivi koaksialni vod (pozavna) dolžine 30cm. (5) Nastavljivi slabilec v korakih po 1dB. (6) Fiksni slabilec 6dB (10dB). (7) Sofazni delilnik/sklopnik za 1.7GHz. (8) Sprejemni konverter za frekvenčni pas 1.7GHz. (9) Merilni sprejemnik za merjenje jakosti šuma. (10) Meter za merjenje razdalje med antenama. (11) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih pripomočkov je prikazana na Sliki 4. 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri izvedbi vaje se moramo predvsem zavedati omejitev, ki nam jih postavlja radijska tehnika. Prva omejitev je že izbira frekvenčnega področja. Sevanje Sonca (šumna temperatura površine Sonca) zelo hitro upada s frekvenco v radijskem delu spektra. Žal meritve ne moremo izvesti na frekvencah, nižjih od 1GHz, ker je tam obilica motenj močnih zemeljskih radijskih oddajnikov (televizija, GSM telefoni). Smiselna izbira je frekvenčni pas okoli 1.7GHz, ki je zaenkrat še razmeroma prost. V frekvenčnem pasu 1.7GHz potrebujemo za opazovanje radijskega sevanja Sonca antene z dobitkom okoli 20dBi. Takšne antene so dovolj usmerjene, da lahko izločimo toplotno sevanje Zemlje, nebo za Soncem pa je radijsko dovolj hladno, da ne moti meritve. Česar ne moremo povsem izločiti, je toplotni šum sprejemnika. Da toplotni šum radijskega sprejemnika čimbolj omejimo, vgradimo dva nizkošumna ojačevalnika na obe anteni, da izločimo izgube in s tem povezano toplotno sevanje priključnih kablov. Ojačevalnika dobita enosmerno napajanje preko istih dveh kablov, z kar poskrbita napajalna člena. Izhoda ojačevalnikov moramo nato združiti tako, da lahko opazujemo interferenčni pojav. Če izhoda ojačevalnikov preprosto vežemo vzporedno, se koherentni signali seštevajo kot kazalci, pri nekoherentnih signalih pa se seštevajo moči. Če pri tem spreminjamo fazo (dolžino poti) enega od signalov, ČL ČŠlČ]- LVSR 28.3 - ČŠlČH se kazalčna vsota koherentnih signalov spreminja, vsota moči nekoherentnih signalov pa ostane nespremenjena. Medsebojno fazo dveh anten lahko spreminjamo na dva načina: z vgradnjo koaksialnega kabla nastavljive dolžine ("pozavna") oziroma z vzdolžnim (glede na izvor valovanja) premikanjem ene od anten. Premikanje antene bo dalo točnejši rezultat meritve, ker ne spreminjamo prilagoditve impedanc. Pri vzporedni vezavi dveh anten in dveh ojačevalnikov 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 ojačevalnikov pa dodatno popravimo z dvema slabilcema. Vsaj eden od obeh slabilcev naj bo nastavljiv, da z njim lahko popravimo manjše razlike v ojačenju obeh ojačevalnikov in tako povečamo vidljivost interferenčnega pojava. Izhod sofaznega sklopnika vodimo na sprejemni konverter za frekvenčni pas 1.7GHz, od tu pa na merilni sprejemnik. Skala merilnega sprejemnika je kvadratična, se pravi sorazmerna moči vhodnega signala. Ojačenje sprejemnika nastavimo tako, da lahko na skali čimbolj natančno odčitamo vsa izmerjena razmerja signalov. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ S spreminjanjem faze enega od signalov nam jakost sprejema neposredno predstavlja interferenčni pojav. Če jakost sprejema niha od Pmin do Pmax, potem je vidljivost interferenčnega pojava dana z izrazom: V=(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin) Vidljivost interferenčnega pojava je v resnici večja, ker nastopa tako v Pmax kot v Pmin toplotni šum obeh ojačevalnikov, ki je povsem nekoreliran. Zato moramo celotno napravo najprej umeriti tako, da obe anteni zasukamo v hladni del neba, kjer ne vidita Sonca. Moč, ki jo tedaj dobimo, predstavlja v glavnem moč toplotnega šuma sprejemnika. Za preizkus točnosti meritve spreminjamo medsebojno fazo anten. Izmerjena jakost signala se ne sme kaj dosti spreminjati. Če se jakost spreminja, so lahko vzrok radijske motnje zemeljskih oddajnikov, ki so zašle v obe anteni, oziroma neprilagoditev impedance pred in za nastavljivim vodom (samo če fazo spreminjamo s "pozavno"). Nato obe anteni zasukamo v Sonce. Anteni postavimo blizu skupaj in pazimo, da imata enako polarizacijo. Sprejeta moč se mora povečati, z nastavljivim vodom pa poiščemo minimum in maksimum. Anteni potem počasi razmikamo in vsakokrat poiščemo in zabeležimo Pmax in Pmin ter razdaljo med antenama. Končno anteni spet postavimo blizu skupaj, zasukani v Sonce, vendar postavimo polarizacijo ene antene pravokotno na drugo anteno in spet poiščemo Pmax in Pmin z nastavljivim vodom. V končnem rezultatu predstavimo izmerjeno vidljivost interferenčnega pojava kot funkcijo razdalje med antenama, potem ko smo od vseh Pmax in Pmin odšteli lastni šum sprejemnika. ČL ČŠlČ]- LVSR 28.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 28.5 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 29. - MERJENJE UKLONSKEGA SLABLJENJA KLINASTE OVIRE ======================================================== 1. Uklonsko slabljenje naravnih ovir ------------------------------------ Prostor, potreben za razširjanje valovanja od oddajnika do sprejemnika običajno opišemo s Fresnelovimi elipsoidi. Prečni presek elipsoidov so krožne Fresnelove cone. Takšna predstavitev je sicer najenostavneša za računsko obravnavo, žal pa ne ustreza naravnim oviram, na katere naleti valovanje v praktičnem primeru radijske zveze. Resnične ovire, gorske grebene na radijski poti, najpreprosteje opišemo kot prečno klinasto oviro, kot je to prikazano na sliki 1. Polje Es v sprejemni točki izračunamo z integracijo prispevkov nezasenčene polravnine. Končni rezultat je sorazmeren integralu kompleksne eksponentne funkcije kvadrata višine "y". Podoben rezultat bi dobili tudi v slučaju, ko ovira seka radijsko pot pod poljubnim kotom, kar ustreza večini primerov radijskih zvez. Ker omenjeni integral nima enostavne analitske rešitve, si pomagamo najprej s fizikalno razlago problema. Prostor razdelimo na Fresnelove pasove. Širine Fresnelovih pasov ustrezajo širinam krožnih Fresnelovih con, kot je to prikazano na sliki 2. Podobno kot krožne cone nam tudi pasovi opisujejo fazo posameznih prispevkov. Rešitev integrala je prikazana grafično s krivuljo "klotoido" na sliki 3. Na krivulji moramo seveda pravilno izbrati začetno in končno točko glede na meje integrala. Razdelitev prostora na Fresnelove pasove nam pri tem pomaga poiskati položaje značilnih točk "klotoide" v prostoru. V večini slučajev 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 zasenči pol prostora in jakost sprejetega polje upade na polovico vrednosti oziroma za 6dB glede na neovirani primer. Z nadaljnim višanjem ovire (pozitiven H) jakost polja samo še upada. Ko je zasenčena celotna prva Fresnelova cona, jakost polja upade za 16dB glede na neovirani primer. Za ovire višje od prve Fresnelove cone uporabimo približno rešitev integrala, ki daje enostaven izraz za določanje jakosti sprejetega polja. Čeprav se točnost matematičnega približka izboljšuje z višanjem ovire H, postaja končni rezultat računa vse bolj nezanesljiv. Pri zelo visokih ovirah, višjih od 10. Fresnelove cone, je jakost uklonjenega polja močno odvisna od točne oblike roba ovire, njegove poraščenosti ipd. Pri visokih ovirah lahko uporabimo izraz na sliki 3 le kot grobo oceno jakosti sprejetega polja. Za točnejši rezultat potrebujemo veliko več podatkov o sami oviri, saj enostaven model uklona na klinasti oviri ne zadošča. 2. Seznam potrebnih pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Izvor (oddajnik) v frekvenčnem področju 15GHz, z izhodno ČL ČŠlČ]- LVSR 29.2 - ČŠlČH močjo do 10dBm (10mW), brez modulacije. (2) Ojačevalnik za 15GHz z izhodno močjo 20..30dBm (0.1..1W). (3) Oviro, ravno kovinsko ploščo velikosti vsaj 1m2. (4) Dva enaka piramidna lijaka za 15GHz na nastavljivih podstavkih. (5) Merilnik moči s primerno (toplotno) VF glavo za 15GHz. (6) Nekaj plošč mikrovalovnega absorberja za 15GHz. (7) Zidarski meter. (8) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 4. 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Pri vaji moramo v sobi laboratorija vzpostaviti radijsko zvezo na takšni razdalji in valovni dolžini, da so Fresnelove cone razmeroma majhne. Zato vajo izvedemo pri čim višji frekvenci (15GHz ali več, kar pač dopušča merilna oprema). Kot oddajnik uporabimo nemoduliran izvor z dodatnim močnostnim ojačevalnikom (TWT ali polprevodniški), kot sprejemnik pa toplotni merilnik VF moči. Ker sta anteni manjši in lažji od ovire, postavimo oba valovodna lijaka na podstavka z nastavljivo višino. Pri postavljanju vaje pazimo, da se nahaja ovira v Fraunhoferjevem področju 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 pločevine, ki ga postavimo pokonci. Neželjene poti radijskih valov, odboje od tal in drugih predmetov v sobi skušamo zadušiti s kosi mikrovalovnega absorberja. Pri vaji skušamo sicer ugotoviti vpliv različno visokih ovir. Ker pa je oviro težko premikati, premikamo rajši obe anteni. Točen položaj anten glede na oviro seveda sproti preverjamo z metrom. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Pri vaji izmerimo in narišemo potek uklonskega slabljenja kot funkcijo višine ovire H, kot je to prikazano na sliki 5. Pred začetkom meritve moramo seveda izračunati velikost Fresnelovih con na uporabljeni radijski poti. V rezultatu vaje zabeležimo razdaljo med antenama, valovno dolžino in velikost prvih nekaj Fresnelovih con. Višino 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 drugačnih poteh. Izmerjeno uklonsko slabljenje bo zato odstopalo od matematične krivulje rešitve integrala. Največja 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 resničnim slučajem radijskih zvez preko naravnih ovir. Tudi v slučaju naravnih ovir postane točnost preprostega modela uklona na klinasti oviri vprašljiva, ko je ovira zelo visoka. *************************************************************** ČL ČŠlČ]- LVSR 29.3 - ČL ČŠlČ]- LVSR 29.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 29.5 - ČL ČŠlČH LABORATORIJSKE VAJE SEVANJE IN RAZŠIRJANJE VAJA 30. - OPAZOVANJE MEJNE FREKVENCE IONOSFERE =============================================== 1. Elektromagnetne lastnosti ionosfere -------------------------------------- Visoke plasti zemeljskega ozračja kot tudi navidezna "praznina" vesolja vsebujejo razmeroma veliko število delcev z visokimi energijami. Razen nevtralnih delcev, posamičnih atomov in molekul, so zelo pogosti tudi ionizirani delci z različnimi električnimi naboji. Medtem ko imajo električno nevtralni, močno razredčeni plini le malenkosten vpliv na relativno dielektričnost prostora, je vpliv naelektrenih delcev na elektromagnetne lastnosti prostora dosti večji. Od vseh naelektrenih delcev imajo največji vpliv na elektromagnetne lastnosti prostora prosti elektroni, saj je pri njih razmerje naboj/masa večtisočkrat večje v primerjavi z drugimi delci. Gostoto elektronov v visokih plasteh zemeljskega ozračja, v "ionosferi", prikazuje slika 1. Elektroni in drugi naelektreni delci nastanejo iz nevtralnih delcev in se lahko spet rekombinirajo nazaj v nevtralne delce. Različni hitrosti obeh pojavov, ionizacije in rekombinacije, sta vzrok nastanka ionosferskih slojev. Glavni izvor ionizacije električno nevtralnih delcev je ultravijolično sevanje Sonca. Ultravijolično sevanje Sonca je seveda močno odvisno od dogajanja na samem Soncu (število sončnih peg) in od vpadnega kota sončnih žarkov v zemeljsko ozračje, saj se ultravijolično sevanje razmeroma hitro vpije v ozračju. Ponoči glavni izvor ionizacije seveda presahne. Rekombinacija v nevtralne delce je sorazmerna pogostnosti trkov med delci. Rekombinacija poteka zelo hitro v gostih nizkih plasteh ozračja pod 100km višine in obratno zelo počasi na velikih višinah nad 200km. Potek gostote elektronov se zato bistveno razlikuje med dnevom in nočjo. Podnevi ima ionosfera štiri glavne pasove: D, E, F1 in F2. Ponoči sloj D izgine takoj, sloj E tudi hitro slabi, le sloja F1 in F2 se zlijeta v enotni sloj F. Poglavitni učinek oblaka naelektrenih delcev je navidezno znižanje dielektričnosti prostora, kot je to prikazano na sliki 2. V skorajšnji odsotnosti trkov na velikih višinah se sloji F1 in F2 oziroma F obnašajo kot skoraj brezizguben dielektrik. Relativna dielektričnost in lomni količnik ionosfere sta močno odvisna od frekvence. Učinki ionosfere naraščajo z nižanjem frekvence. Pod frekvenco plazme "fp" se ionosfera začne obnašati kot prevodnik (kovina). Trki med delci so sicer elastični, vendar popolnoma naključno spremenijo smer gibanja delcev. Naelektreni delci po trčenju zato ne morejo več vrniti svoje kinetične energije elektromagnetnemu polju. Trki med delci zato vnašajo izgube, ki se kažejo v obliki specifične prevodnosti ionosfere, kot je to prikazano na sliki 3. Čeprav je sprememba lomnega količnika v nižjih slojih ionosfere skoraj zanemarljiva, sloja E in predvsem D močno dušita elektromagnetno valovanje. Prisotnost zemeljskega magnetnega polja povzroča žiromagnetno (ciklotronsko) rezonanco s frekvenco približno ČL ČŠlČ]- LVSR 30.2 - ČŠlČH 1.4MHz. Na tej frekvenci se močno poveča slabljenje elektromagnetnega valovanja. Žiromagnetni pojav povzroči tudi nerecipročno dvolomnost ionosfere, ki ima različen lomni količnik za desno-krožno oziroma levo-krožno polarizirano valovanje. Končna posledica je nerecipročno Faraday-evo sukanje ravnine polarizacije linearno-polariziranega valovanja. Čeprav je osnovni podatek ionosfere, frekvenca plazme v najgostejšem sloju, razmeroma nizka (velikostni razred 10MHz), občutimo učinke ionosfere tudi na dosti višjih frekvencah. Najvišjo frekvenco popolnega odboja v ionosferi označimo z MUF (Maximum Usable Frequency), kot je to prikazano na sliki 5. Faraday-evo sukanje ravnine polarizacije in spremembe lomnega količnika motijo celo satelitske zveze in satelitsko radionavigacijo v mikrovalovnem frekvenčnem področju na frekvencah nad 1GHz. 2. Seznam potrebnih pripomočkov ------------------------------- Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Širokopasovno aktivno anteno (z vgrajenim visokoimpedančnim ojačevalnikom) za frekvenčno področje 1...50MHz na primernem podstavku na odprtem prostoru (strehi). (2) Napajalnik in napajalno vezje za aktivno anteno. (3) Visokofrekvenčni spektralni analizator 0...1000MHz. (4) AM sprejemnik (lahko je vgrajen v spektralni analizator) za frekvenčno področje 1...50MHz z zvočnikom. (5) Računalnik s programom za izračun položaja Sonca in prikazom osvetljene zemeljske poloble. (6) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 6. 3. Obrazložitev in opis poteka vaje ----------------------------------- Celovito opazovanje pojavov v ionosferi je lahko zelo dolgotrajno in potrpljensko delo. Nekateri pojavi se zgodijo poredkoma in skoraj povsem naključno, ampak v točno določenem obdobju 11-letnega cikla sončnih peg. Razen redkih izjem zelo visoke sončne aktivnosti lahko osnovne pojave v ionosferi: lom, popolni odboj, slabljenje in nerecipročno Faraday-evo sukanje polarizacije, opazujemo v obdobju enega dneva in noči. Za opazovanje pojavov v ionosferi seveda potrebujemo ustrezen oddajnik in pripadajoči sprejemnik, ki delujeta v širokem razponu frekvenc vsaj od 1MHz do 50MHz. Vajo si poenostavimo tako, da kot oddajnik izkoristimo kar obstoječe radiodifuzne oddajnike, ki oddajajo v različnih frekvenčnih pasovih. S poslušanjem oddaje določimo izvor oddaje, jakost polja in periodo presihanja sprejema. Kot sprejemno anteno uporabimo širokopasovno aktivno anteno. Takšne antene imajo razmeroma majhne izmere glede na valovno dolžino, impedanca je močno reaktivna in električni izkoristek je zelo slab. Aktivna antena ima zato vgrajen visokoimpedančni predojačevalnik, ki visoko impedanco antene zasilno prilagodi na 50-ohmski vhod sprejemnika. Slab električni izkoristek majhne antene nas pri sprejemu ne moti, saj je tudi naravni šum na nizkih frekvencah pod 30MHz zelo močen: šumna temperatura neba naraste na preko miljon K. Sprejemno anteno moramo seveda namestiti na odprt prostor ČL ČŠlČ]- LVSR 30.3 - ČŠlČH (streha). Pri nameščanju antene se seveda izogibamo znanim izvorom električnega šuma in motenj, kot so fluorescentne svetilke in računalniki. Anteno povežemo preko daljšega kosa koaksialnega kabla na sprejemnik. Po istem kablu napajamo visokoimpedančni ojačevalnik v anteni, ki potrebuje poseben napajalnik in napajalno vezje, kretnico, ki loči enosmerno napajanje od visokofrekvenčnih signalov. Kot sprejemnik uporabimo spektralni analizator, ki nam omogoča opazovanje radijskih signalov v širokem frekvenčnem pasu. Večina sodobnih spektralnih analizatorjev ima vgrajen tudi običajen radijski sprejemnik z možnostjo demodulacije AM in FM signalov in poslušanjem preko zvočnika. Pri uporabi vgrajenega sprejemnika moramo seveda nastaviti pravilno pasovno širino medfrekvenčnega sita v spektralnem analizatorju ter izključiti krmilno žago za lokalni oscilator (spektralni analizator postavimo v "zero span"). Koristen pripomoček je tudi računalnik s programom za izračun položaja Sonca na nebu. Program na računalniku uporabimo tako, da nam prikaže osvetljeno poloblo, iz česar lahko sklepamo o obnašanju ionosfere v različnih smereh razširjanja radijskih valov. Pri uporabi računalnika seveda obvezno preverimo nastavitev programa (predvsem ure!) in seveda motnje, ki jih računalnik povzroča našemu sprejemniku. 4. Prikaz značilnih rezultatov ------------------------------ Za vajo poskusimo ugotoviti osnovni veličini ionosfere, ki pogojujeta razširjanje valov: MUF in LUF. MUF ali najvišja uporabna frekvenca zavisi izključno od gostote elektronov v najgostejšem sloju ionosfere in je določena s pogojem za popolni odboj v dielektriku s spreminjajočim se lomnim količnikom. MUF predstavlja strogo določeno mejo, nad katero slišimo samo še bližnje radijske postaje v krogu nekaj sto kilometrov, ki jih sprejemamo neposredno brez posredovanja ionosfere. LUF (Lowest Usable Frequency) ali najnižja uporabna frekvenca je določena z dušenjem nizkih frekvenc v nizkih slojih ionosfere (predvsem v sloju D, nekaj tudi v sloju E). LUF ni stroga meja kot MUF, saj lahko povečano dušenje nadomestimo z oddajnikom večje moči. LUF je zelo spremenljiv, saj poteka rekombinacija v nizkih slojih D in E zelo hitro. LUF lahko doseže podnevi vrednost 5MHz in lahko ponoči upade pod 100kHz. Pri vaji najprej s spektralnim analizatorjem na grobo ocenimo, kateri frekvenčni pas prepušča ionosfera. V prepustnem pasu ionosfere opazimo množico signalov, izven tega pasu pa je signalov znatno manj. Nato spektralni analizator preklopimo v način delovanja kot radijski sprejemnik in poskusimo ugotoviti vrsto in izvor posameznih signalov. V končnem rezultatu vaje si zabeležimo ugotovljena LUF in MUF kot tudi datum, uro in položaj Sonca na nebu (azimut in elevacijo). *************************************************************** ČL ČŠlČ]- LVSR 30.4 - ČL ČŠlČ]- LVSR 30.5 - ČL ČŠlČ]- LVSR 30.6 - ČL