19

1.       Antena jako „czarna skrzynka”

              W tym rozdziale oraz w dwóch następnych, antena zostanie opisana przy pomocy różnych modeli, a więc z różnych punktów widzenia. Pozwoli to pogłębić rozumienie anteny i jej roli w torze telekomunikacyjnym. W pierwszym modelu antena zostanie przedstawiona jako przetwornik lub czarna skrzynka opisana szeregiem parametrów. Tak rozumiana antena sprzęga energię w zasilającym ją torze transmisyjnym z falą propagującą się w wolnej przestrzeni w tzw., strefie dalekiej, czyli daleko poza strefą indukcyjną (strefą bliską) magazynującą część energii (rys. 1.1). Rozpoczniemy od informacji o wymaganiach dotyczących dopasowania anteny, zakładając znajomość podstawowych pojęć z zakresu techniki mikrofalowej oraz omówimy pasmo pracy anteny. To ostatnie zagadnienie łączy się ze wszystkimi dalej omówionymi parametrami anten. Na końcu rozdziału dodano też informację o dyspersji, ważnej własności związanej z transmisją impulsów w systemach UWB. Spojrzenie na antenę, jako na czarną skrzynkę jest przede wszystkim potrzebne osobom, które nie są i nie zamierzają być konstruktorami anten, natomiast wykorzystują anteny do projektowania większych systemów.

              Na początku, należy odpowiedzieć na pytanie: czym jest antena? Odpowiedź może wydawać się dość przewrotna, ale jest ona uzasadniona: anteną jest to wszystko, co zostanie nazwane anteną. Kawałek pogiętego drutu nie jest anteną, choć płyną w nim prądy wytworzone przez setki, czy tysiące  nadajników położonych bliżej lub dalej, ale podłączony do radia, pracującego np. w paśmie UKF, gdy spełni oczekiwania i poprawi jakość odbioru staje się anteną. Podobnie, antena pokazana na rys. 1.7 i przeanalizowana w podrozdziale 1.4., powstała poprzez wbicie pięciu gwoździ w odpowiednich miejscach i na odpowiednią głębokość w blachę leżącą na desce, do której była już doczepiona przyssawką magnetyczną prętowa antena dookólna. Gwoździe wbite w odpowiedni sposób spełniły oczekiwania i stały się elementami anteny, która istotnie poprawiła jakość odbioru sygnału GSM daleko od stacji bazowej.

Rys. 1.1. Antena jako czarna skrzynka sprzęgająca energię w torze zasilającym
z falą lokalnie płaską w strefie dalekiej

Źródło: P. Dębicki, Anteny mikrofalowe do nowoczesnych systemów telekomunikacyjnych, Akademia Morska, Gdynia 2009.

Anteną jest więc to, co spełnia oczekiwania. Należy więc przyjrzeć się bliżej tym oczekiwaniom.[1]

1.1. Dopasowanie anteny

              Jednym z oczekiwań konstruktorów systemów, czy sprzętu jest oczekiwanie, że wytworzony sygnał o określonej mocy zostanie przez antenę przynajmniej w większości pochłonięty i nie wróci z powrotem do generatora. Pojęciem opisującym to oczekiwanie jest dopasowanie anteny. W przeciwieństwie do innych parametrów anteny, opisanych w dalszych podrozdziałach, które opisują samą antenę, ten parametr zależy również od toru zasilającego. Granica, od której powie się, że antena jest dopasowana jest umowna. Dlatego, analizując rys. 1.2, nie można jednoznacznie odpowiedzieć na postawione tam pytanie, poza stwierdzeniem faktu, że rozwarta linia nie promieniuje, a więc nie jest anteną.

Rys.1.2. Rozwarta linia współ­osiowa (lewy szkic) nie pro­mie­niuje. Przewód wew­nętrz­ny wys­tający z linii na od­ległość λ/4 jest niezłą ante­ną (patrz też rys. 2.12).
Od jakiej długości wydłużonego prze­wodu wewnętrz­nego można mó­wić o ante­nie?

Źródło: P. Dębicki, Anteny mikrofalowe do nowoczesnych systemów telekomunikacyjnych, Akademia Morska, Gdynia 2009.

              Dopasowanie anteny może być określane szeregiem znanych z techniki mikrofalowej parametrów:

·         Współczynnikiem fali stojącej (WFS, r), 1 ≤ r ≤ ∞;

·         Współczynnikiem odbicia w mierze liniowej lub logarytmicznej, (Γ = S11), |Γ| ≤ 1, 0 ≤ arg(Γ) < 2π;  ΓdB = 20 log |Γ|;

·         Współczynnikiem odbicia mocy w mierze liniowej Γp = |Γ|2 lub w procentach mocy odbitej. (ΓpdB = 10log|Γp| = ΓdB = 20 log |Γ|);

·         Stratami mocy w dB: 10 log (1 – Γp).

              W zależności od zastosowań można mieć różne oczekiwania dotyczące jakości dopasowania anteny. Oczekiwania te można sklasyfikować wg Tabeli 1.1.

              Na zakończenie trzeba podkreślić, że formułowanie oczekiwań dotyczących dopasowania nie ma sensu jeśli nie jest połączone z oczekiwaniami dotyczącymi innych parametrów. Przykładowo, antenę można dopasować prawie idealnie rezystancjami, jednocześnie istotnie obniżając jej sprawność.

Tabela 1.1

Klasyfikacja stopnia dopasowania anteny do toru zasilającego z punktu widzenia techniki