Menu

3.2.3.3. A nyereség és a sugárzási jelleggörbe közötti összefüggés

 

Egy képzeletbeli gömb középpontjában elhelyezett izotróp sugárzó a teljes gömbfelületet egyenletesen "világítaná" meg, vagyis a gömbfelület bármely pontján azonos Sk sugárzássűrűséget mérhetnénk. Ha a gömbsugárzó helyére irányhatású antennát helyezünk, ez azonos betáplált teljesítmény mellett a gömbfelületnek csupán a sugárzási jelleggörbétől függő hányadát világítaná meg. Minthogy a rendelkezésre álló teljesítmény most kisebb felületre koncentrálódik, itt nagyobb sugárzás-intenzitást (Smax) kapunk. Az Smax/Sk viszony az irányhatású antennának a gömbsugárzóra vonatkoztatott Gk nyereségét fejezi ki. Ez az Sk sugárzássűrűség a lesugárzott teljesítmény PSés a gömb felületének hányadosa

 

 

Az irányhatású antenna által létrehozott sugárzássűrűség már nem számítható ilyen egyszerűen: az általa megvilágított felület -ha valamilyen módon láthatóvá tehetnénk - nem egy élesen körülhatárolt fényfolt lesz, hanem egy olyan fényfolt, amelynek szélei fokozatosan mennek át az árnyékos részekbe. Ezért a megvilágított felületet megegyezésszerűen az irányhatású antenna függőleges és vízszintes nyílásszögével határoljuk be. Mint a 3.2.1. pontban láttuk, a nyílásszög a sugárzási jelleggörbének azt a tartományát foglalja magában, amelynek szélein a teljesítmény a sugárzási  maximumhoz viszonyítva felére (-3 dB-re) csökken.

A legtöbb antennánál a megvilágított felület egy olyan ellipszis, amelynek nagy és kis tengelyét az αE E síkbeli, illetve αH H síkbeli nyílásszög határozza meg.

Mivel az irányhatású antenna által "megvilágítottnak" feltételezett felületre a teljes rendelkezésre álló teljesítmény nem jut el, ezért a megvilágított felületek vagy a gömbsugárzóra vonatkoztatott sugárzási sűrűségek egyszerű összehasonlítása a várható nyereség vonatkozásában nem ad reális eredményeket. Bizonyos egyszerűsítő feltételezésen alapuló összefüggések ennek ellenére a gyakorlat számára elegendő pontosságú eredményeket szolgáltatnak; az irányító hatású antenna E és H síkbeli nyílásszögeinek ismeretében a Gk (az izotróp sugárzóra vonatkoztatott) teljesítménynyeresége:

 

 

ahol αE az E síkbeli nyílásszög és αH a H síkbeli  nyílásszög.

Ha a nyereséget az elterjedt módon a félhullámú dipólusra vonatkoztatjuk, akkor

 

 

vagy decibelben

 

 

A 3.19. ábrán a fenti közelítő összefüggések alapján szerkesztett nomogram látható, amelynek segítségével a nyílásszögek ismeretében a nyereség közvetlenül leolvasható. Ha csupán az egyik nyílásszöget és a nyereséget ismerjük, akkor az ismeretlen nyílásszög a nomogram segítségével szintén meghatározható.

 

3.19. ábra. Nomogram az irányhatású antennák nyereségének meghatározására a félhullámú dipólusra vonatkoztatva, ha az E síkbeli és H síkbeli nyílásszög ismert. A szaggatott vonallal bejelölt példánál: aE=60° és aH=90°, nyereség G=7 dB

 

A képlet és a nomogram a veszteségeket nem veszi figyelembe; ezek az antenna szerkezeti anyagának véges vezetőképessége, a dielektromos veszteség és a helytelen illesztés következtében jönnek létre; továbbá a képlet csak akkor használható, ha a sugárzási jelleggörbében a hátrafelé csillaptás és az oldalirányú csillapítás legalább 10 dB.

Valamely antenna irányító tulajdonsága az abszorpciós vagy hatásos felülettel is jellemezhető.  Ez a sugárzási irányra merőleges képzeletbeli felület, amelyen át ugyanakkora teljesítmény áramlik, mint amekkorát optimális illesztés esetén az antenna venne fel az erőtérből; vagyis az antennának ezt a hatásos tartományát jelképezi, amelyből energiáját meríti. Ez a hatásos felület nem egyezik meg az antenna geometriai méreteivel: az antenna jellegétől függően kisebb vagy nagyobb lehet annál.

A hatásos és geometriai felület viszonyát az antenna felülethasznosítási tényezőjének nevezik.

Az antenna A hatásos felülete és G nyeresége az alábbi képlet segítségével hozható egymással öszszefüggésbe:

 

 

továbbá

 

 

ahol Gk az izotróp gömbsugárzóra vonatkoztatott nyereség.

Egy félhullámú dipólus λ2 egységeiben kifejezett hatásos felülete

 

 

Mivel a félhullámú dipólusnak a gömbsugárzóra vonatkoztatott nyeresége 1,64-szoros (lásd a  3.2.3.2. alpontot), ezért Gk helyébe ez az érték helyettesítendő. A félhullámú dipólus hatásos felülete olyan ellipszis, amelynek nagy tengelye 0,75λ és kis tengelye 0,25λ (3.20. ábra).

 

 

3.20. ábra. A félhullámú dipólus hatásos felülete

 Minthogy a nyereséget a gyakorlatban a félhullámú dipólusra szokták vonatkoztatni, egyszerűbb a hatásos felületet a nyereségek viszonya alapján számítani. Mint láttuk, a félhullámú dipólus hatásos felülete hozzávetőleg 0,13λ2. Ezért a gyakorlat szempontjából kielégítő biztonsággal határozhatjuk meg valamely antenna hatásos felületét, ha a félhullámú dipólusra vonatkoztatott nyereségét 0,13-dal szorozzuk:

 

 

Az A felületet λ2 egységekben kapjuk meg.

Példa. Egy antenna nyeresége 7 dB, vagyis a teljesítményviszony kereken 5. A nyereség a félhullámú dipólusra vonatkozik. így a hatásos felület:

 

3.21. ábra. Tetszőleges kivitelű antenna A hatásos  felülete és a félhullámú dipólusra vonatkoztatott, decibelben kifejezett nyereség közötti összefüggés

A 3.21. ábrán látható nomogram segítségével ismert - félhullámú dipólusra vonatkoztatott G dB nyereségből a hatásos felület egyszerűen és gyorsan határozható meg. A hatásos felület ismerete az irányhatású antennák csoportosításakor egymás mellé vagy egymás fölé, a csoportantennák méretezésekor fontos. Az egyes antennák hatásos felületei nem fedhetik át egymást, különben az elméletileg várható nyereség nem érhető el. Ezért az antennák közötti távolságok úgy választandók meg, hogy a hatásos felületek éppen érintsék egymást (3.22. ábra). Így pl. két, egymás fölé helyezett vízszintes Yagi-antenna közötti függőleges távolságnak legalább akkorának kell lennie, mint a H síkbeli hatásos felület  magasságának.

 Az ellipszis és kör alakú hatásos felületek λ-ban  kifejezett H síkbeli AH magassága és E síkbeli AE  szélessége az alábbi összefüggésekkel számíthatók

 

 

és

 

 

Példa. Egy Yagi-antenna nyílásszöge αE=58° és αH=83°; mekkora az emeletköz két függőlegesen egymás fölé telepített vízszintesen polarizált antenna ese­tében?

A 3.19. ábra alapján αE=58° és αH=83°-nál a félhullámú dipólussal szemben 7,7 dB nyereség várható; a 3.21. ábra alapján ennek 0,8λ2 hatásos felület felel meg.

 

 

3.22. ábra. Két antenna közötti optimális térköz a hatásos felületeik által meghatározva

A hatásos felület magassága az egyes antennáknál:

 

 

vagyis az optimális nyereséget biztosító emeletköz 1,2λ.

 

Vonatkozási antennák
Tartalom
Dipólus-antennák