Apertúra antennák

Bevezető

A rádióamatőr gyakorlatban a hullámhossz szerint választunk különböző nyereségű antennákat.

• hosszúhullámon örülünk, ha sugároz a hullámhossz töredékméretében implementált tekercsantennánk.
• rövidhullámon igen elterjedt az antennanyereség viszonyítási alapját adó dipól antenna, amely ezáltal 0 dBd nyereségű. Továbbá a hurokantennák jelentősek.
• ultrarövid hullámú sávban a Yagi és a többelemes Quad.
• a mikrohullámú sáv felé átveszi az uralmat a parabolatükör, a mikrostrip antenna, de a frekvencia növekedtével a lencsés fókuszálás is egyre inkább képbe kerülhet.

Többek között azért váltják fel a Yagi antennát az apertúra antennák, mert szeretnénk nagyobb nyereségű antennát, és

• a Yagi antenna hosszának növelése nem hoz jelentős nyereségnövekedést, például 7 lambda hosszúság 16 dBd
• csoportantenna elrendezéssel ugyan tudunk nyereséget növelni, de egy 4x4-es (16 Yagis) csoporttal sem haladjuk meg a 25-30 dBd nyereséget
• ezzel szemben egy 10 lambda átmérőjű tükör, fókuszában egy dipóllal egyszerű felépítése ellenére is eléri ezt a nyereséget.

Ezért a hullámhossz csökkenésével, illetve a rádióamatőr elszántságával arányban nagyobb hullámhosszon is előfordulhat, hogy Fresnel lencsés vagy reflektorfalas antenna (például parabolaantenna) lesz alkalmazva. Alább ezeket az antennatípusok kerülnek bemutatásra.

Parabola antenna

Parabola, mint alakzat

A síkparabola, mint alakzat jellegzetes tulajdonsága, hogy a fókuszpontjából a síkparabola bármely pontjára húzunk képzeletben egy vonalat, az onnan történő visszatükröződés nemcsak hogy párhuzamos irányokat eredményet, de fázisban is pontosan azonos fázisú hullámfrontot.

A síkparabola kiszámítása: [math]y = \frac{x^2}{4 F}[/math]

ahol:

• x: elfeltetett parabola vízszintes irányban (+/- irányban, azaz jobbra és balra)
• y: függőleges irányban
• F: kívánt fókusztávolság (magasság) az x=0 pontban

Például: ha szeretnénk egy olyan parabolát szerkeszteni, amelynél a sugárzót 0,4 méternyire szeretnénk előrehozni, akkor y = x² / (4 F) = x² / (4 * 0.4) = x² / (1,6). Továbbá egy másik példa is bemutatásra kerül, ahol 0,8 méternyire toljuk előre a sugárzót (F = 0.8 m)

Az alábbi táblázatban a 0 a középpont, tőle balra és jobbra a táblázatban foglalt távolsággal emelkednek ki a tükrőző elemek.

x (bal, jobb):	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7 méter
y (F = 0.4m):	0	6,25	25	56,25	100	156	225	306	400	506	625	756	900	1056	1225	1406	1600	1806 mm
y (F = 0.8m):	0	3.12	12.5	28.12	50	78	112.5	153	200	253	312	378	450	528	612	703	800	903 mm

És természetesen a köztes értékek is kiszámolhatók. Illetve a parabolát akkora méretig számítjuk, amekkorát szeretnénk építeni.

Forgásparaboloid és hengerparaboloid

Forgásparaboloid és hengerparaboloid tükrök

A térbeli parabolákat paraboloidoknak hívják. Megkülönböztetünk forgásparaboloidot és hengerparaboloidot. Az ábrán szembetűnik rögtön a különbség. A forágásparaboloid horizontálisan és vertilálisan is szűkíti a nyalábot, míg a hengerparaboloid csak a parabola síkjában szűkíti a sugárzott nyalábot.

Gyakorlatban azonban a kettő között még egy különbség van. A forgásparaboloid pontszerű sugárzót feltételez. Azaz a sugárzó mérete elhanyagolható a paraboloid méretéhez képest.

Ezzel szemben a hengerparaboloid hengeres síkjában elhelyezhető például egy nagyobb kiterjedésű dipól sugárzóelem.

Egy 100% reflexióképességű anyagból készült forgásparaboloid antenna elvi nyeresége: [math]G_{dBi} = 20 \cdot lg \frac{ \pi \cdot D}{\lambda} = 10 \cdot lg \frac{4 \pi \cdot A}{\lambda^2}[/math]

ahol:

• D a tükör átmérője méterben
• λ: hullámhossz méterben
• A: tükör felülete négyzetméterben

A gyakorlatban alkalmazható visszaverő anyagok 2-3 dB-lel rontják ezt az értéket.

Egy másik megfogalmazásban, amely a visszaverőképesség 2 dB-jét is beleszámítja: [math]G_{dBi} = 17,82 + 20 \cdot lg D + 20 \cdot lg F[GHz][/math]

ahol:

• D a tükör átmérője méterben
• F a frekvencia GHz-ben megadva

A forgásparaboloid nyílásszöge a -3 dB-es pontok között: [math]\Delta\varphi=\frac{21,3}{D \cdot F[GHz]}[/math]

Egyéb trükkök

Cassegrain antenna

Off-set parabola

Említésre méltó trükk a Cassegrain antenna, amelynél a pontszerű sugárzó képzeletbeli helye és a reflektor között egy hiperbola alakú segédreflektor található. A sugárforrás ekkor a paraboloid síkjába hátratolható. Bonyolultsága miatt csak indokolt esetben alkalmazzák.

A másik trükk az off-set parabola, amellyel igen gyakran találkozhatunk. Nevéből is adódik, hogy a sugárzó kívülre van állítva (off-set) a sugárnyalábból. Ennek lényege, hogy a parabola ívet egyik irányban dolgozzák ki nagyobb x érték felé, a másik irányban kevésbé. A sugárforrást pedig nem az x=0 pontra irányítják, hanem attól a kidolgozott oldal felé.

Enek a megoldásnak több előnye is van:

• a sugárforrás nem lóg bele a tükör által visszavert nyalábba
• műholdvételkor nem az ég felé áll az antenna tükre, hanem közel függőlegesen, és a sugárzó alul van elhelyeve egy rövid merevítőkaron.
• ezáltal a műhold felé fordított antennában nem áll meg a csapadék. (Ne feledjük, egyenlítő felé közeledve erőteljesebben vannak az ég felé fordítva)

Hátrányáról se feledkezzünk meg:

• állítólag a keresztpolarizációs elnyomása éppen az asszimmetriája miatt gyengébb.

Távközlési paraboláknál találkozhatunk dob antennával. A dob RF szempontból egy árnyékoló gallér a parabola tükör előtt. Kimutatták, hogy a gallér alkalmazásával a sugárzási iránytól eltérő irányból érkező idegen zavaró jelekre erőteljesebb elnyomást biztosít.

Fotók

„klasszikus” parabola	Off-set parabola	Cassegrain parabola
Grid, azaz rácsos felépítés	Grid, azaz rácsos felépítés	Grid, azaz rácsos felépítés
Henger parabola, másik dimenzióban sík	Henger parabola, másik dimenzióban sík	Henger parabola, másik dimenzióban sík

Lapos apertúra antenna (Flaps antenna)

Ez egy érdekes antenna típus. A lényege, hogy a sugárzó egy sík hátlapra irányítja anyalábját, ahol apró rezonáns elemek módosítják, és a módosítás hatására érik el a sugárzás koncentrálását. Hogy megértsük a működését, egysorban megépített elrendezést vázol a másik ábra.

Ezt az antennatípust ne tévesszük össze a microstrip antennával, utóbbi esetén ugyanis a NYÁK-on van kialakítva sok sugárzóból és tápvonalakból egy a dipólfüggöny antennához hasonló elven működő csoportantenna.

Lencse antennák

Lencse

Nagyobb frekvenciákon - egészen a fényig, igen izgalmas téma a lencsével történő hatásos felület növelés. A lencse hallatán mindenki először az optikai üveglencsére, netán az étkezési lencsére gondol. Mikrohullám esetén azonban van még egy izgalmas megoldásra lehetőség: a Fresnel-lencsék alkalmazhatósága. A Fresnel lencséket kétféleképp lehet használni:

• az ábrán látható, dielektrikum lépcsős marásával kialakított fáziskorrekciót végző elem módszerével
• a résen való elhajlást kiaknázó megoldással. Ekkor a lencse bizonyos távolságokra elhelyetett fémlemezek segítségével lesz megvalósítva.

Fresnel lencse anyagvastagság lépcsős marással

Fresnel gyűrűk, kitakarással

Legyen f a fókusztávolság. Ekkor a gyűrűk kezdete és vége az alábbi képletből meghatározható: [math]r_n = \sqrt{2 n \lambda F} = \sqrt{\frac{0,6 \cdot F}{f[GHz]} \cdot n}[/math]

ahol:

• r_n: az n-edik gyűrűváltozás távolsága a középpontól (méter). A gyűrű az egyik változástól a másik változásig tart, majd szünet és utána ismét gyűrű.
• n: index, 1 ... N-ig (N páros pozitív egész szám, ennek fele lesz a gyűrűszám).
• λ: hullámhossz méterben
• F: fókusztávolság méterben
• f: frekvencia GHz-ben megadva

A Fresnel-lencse nyeresége: G = 20 * lg(gyűrűszám).

Egy-két próbaszámítás után belátható, hogy a Fresnel-zónás lencsék szintén mikrohullámon nyújtanak izgalmas megoldást.