:הדבעמ יוסינ תויסיסב תודידמו תויצלומיס -...

:מעבדהניסוי

סימולציות ומדידות בסיסיות - אנטנות

78ניסוי בחירה מספר

בחשמל" 2-3במסגרת המקצוע "מעבדות

ציון יוסלזון-כתבו: בן

אלכס הודיסן

ב2018מהדורה

of 104

78ניסוי –תדריך מעבדה

תוכן עניינים

3 ................................................................................................. :הניסוי תמצית

3 .......................................... -הניסוי מטרת .א 3 .......................................... -עבודה סביבת .ב 3 .......................................... -הניסוי שלבי .ג 3 .......................................... -ראשון מפגש תכולת .ד 3 .......................................... -שני מפגש תכולת .ה

4 ....................................... :אלקטרומגנטית וקרינה נטנותבא הניסוי: מבוא -( 1) פרק

4 .......................................... מטרה .1.1 4 .......................................... במעבדה הניסויים .1.2 5 .......................................... בטיחות .1.3

6 .............................................................. מאנטנות אלקטרומגנטית קרינה :(2) פרק

6 ....................................... (Transducer) כמתמר האנטנה: כללי .2.1 7 ........................... (:הרץ דיפול) זעיר חילופין זרם מאלמנט קרינה .2.2 9 ...................................... :(Directivity) הקרינה עקום כיווניות .2.3 12 ........................... :(Directivity) כיווניות לעומת (Gain) שבח .2.4 13 ................................. :אנטנה לכיווניות והערכות האלומה רוחב .2.5 21 ........................................ :האנטנה עכבת .2.6 25 ........................................ :קליטה במצב האנטנה .2.7

31 ................................................................... עירורן ואופן אנטנות סוגי(: 3) פרק

31 ....................................... :סופי באורך דיפול – ותחוטי אנטנות .3.1 Microstrip Patch Antennas: .................. 43 – מודפסות אנטנות .3.2

53(....................................... Helical Antennaאנטנת הליקס ) .33.

Yagi ................................................ .....................55 תאנטנ .3.4

57 ...................................................... אלקטרומגנטית קרינה בטיחות כללי(: 4) פרק

57 ........................................ :כללי .4.1 57 ........................... :אלקטרומגנטית קרינה של ביולוגיות השפעות .4.2 57 ..................................... :מותרות חשיפה רמות לשמירת כללים .4.3

59 ................................................................. אנטנות לניסוי הכנה שאלות(: 5) פרק 61 ........................................................................ באנטנות הניסוי מהלך(: 6) פרק

61 ........................................ :ראשון מפגש .6.1 77 ........................................ :מדידת אנטנות - שני מפגש .6.2

89 ........................................................................................................ :נספחים

103.................................................מקורות:....................................................

of 104


תמצית הניסוי:

-מטרת הניסוי .א

.סוגי אנטנות בסיסיותרת לימוד והכ .1

.E-plane ,H-plane: קיטוב השדה החשמלי, יסוד באנטנות הכרת המושגי

.(CSTאלקטרומגנטיות ) ותלסימולצי מתקדם תוכנתכלי הכרת .2

קרינה של אנטנות. מדידות של עקומיב התנסות .3

-סביבת עבודה .ב

.”CST-3D microwave“ תוכנת סימולציה .1

.מתקדםמדידת עקומי קרינה באמצעות נתח וקטורי -מעבדת מדידות אנטנות .2

תא חסר הד למדידות עקומי קרינה. .3

-הניסוי שלבי .ג

.ל אחתכהניסוי נערך במשך שתי פגישות של כארבע שעות

".CSTסקירת התוכנה " .1

.ןשלה ותוסימולצי( BALUN)עם ובלי בתוכנה ת מסוג דיפול וטנבניית אנ .2

.(PATCH ANTENNA)סימולציה של קורן מודפס .3

מדידות של כל סוגי האנטנות. .4

-מפגש ראשוןתכולת .ד

,תכן וסימולציה של:”CST“הכרת התוכנה .ה

.גליליתאנטנת דיפול 1.1

ואקס.בהזנת ק (BALUN)עם ובלי אנטנת דיפול מודפסת על מצע 1.2

.(PATCH ANTENNA)סימולציה של קורן מודפס 1.3

-מפגש שניתכולת .ו ד.המדידה של ביצועי אנטנה בתא חסר .1

.לימוד עקרונות שימוש בנתח וקטורי למדידת אנטנות 1.1

.והשפעת ההזנה על פרמטרי האנטנה אנטנותמדידת עקומי הקרינה של 1.2

of 104


ה אלקטרומגנטית:הניסוי באנטנות וקרינ :מבוא - (1פרק )

מטרה .1.1

תקשורת מודרנית מתבצעת תוך שידור וקליטה של הספק קרינה אלקטרומגנטית במרחב.

ההתמרה מהמקור אל המרחב וממנו אל המקלט נעשית באנטנות, ועל כן הן חלק חיוני

במערכות תקשורת. תכונות האנטנות קובעות במידה רבה את היכולות ואת המגבלות של

מערכת עיקרית בפרויקטים.-את האנטנה כתת כך שנהוג להגדיר המערכות, עד כדי

משום כך חשוב למתכנן להכיר את סוגי האנטנות הנפוצות, את תכונותיהן החשמליות

והמרחביות עם כל הפרמטרים האופייניים שלהן ואף את שיטות המדידה המקובלות. כך יוכל

צרכי כל מערכת, ולוודא במדידה בעת הצורך לאפיין ולהציג דרישות הולמות לאנטנות לפי

נכונה את קיום התכונות העיקריות, כדי למנוע "הפתעות" לא נעימות בשל ציפיות יתר

לביצועים גרנדיוזיים במערכות מדור חדש.

הניסויים במעבדה .1.2

המעבדה לתקשורת מאפשרת לסטודנטים לבצע ניסויים בסיסיים באנטנות פשוטות בעזרת

שים, לאחר ביצוע הכנה בבית הכוללת שאלות בעקרונות מכשור המעבדה במספר מפג

.CSTאנטנות, ועריכת סימולציות חישוביות בסיסיות בתוכנת

. שאלות ההכנה 4עד 1חומר הרקע לניסוי באנטנות כלול בחוברת זו בפרקים הבהרה:

כלול מידע משלים וחומר ג' -א'בנספחים .6, ומהלך הניסוי מפורט בפרק 5מופיעות בפרק

.זר הנחוץ למהלך הניסויע

ומיקרוגלים מגוון, לרבות נתח רשת RFהמכשור למדידת אנטנות במעבדה הוא ציוד מדידת

( 6.2פרק –[ ברשימת המקורות בסוף תדריך זה 8] ,73ווקטורי )ראה חוברת ניסוי מס'

בחוברת הנ"ל(. ציוד זה משמש בראש ובראשונה למדידות 4.1ונתח ספקטרום )פרק

שבח, תיאום עכבות וכדומה. –החשמליות של האנטנות התכונות

לצורך מדידה מדויקת של התכונות המרחביות של האנטנות, דהיינו עקומי הקרינה, הקיטוב,

רוחב האלומות והכיווניות, משתמשים במערך מדידה שממוקם בתוך "תא חסר הד"

(Anechoic Chamberבמעבדה לתקשורת מופעל מערך כזה למדידת הש .) דה הקרוב

לאנטנה הנבדקת: הוא מאפשר חיזוי מדויק של תכונות עקומי הקרינה שלה מתוך תוצאות

המדידה של השדה האלקטרומגנטי על פני משטח מישורי או גלילי סמוך לאנטנה, מבלי

שיהיה צורך להתרחק ממנה אל מעבר לגבול ה"שדה הרחוק" שבו יש משמעות לעקומי

הקרינה המבוקשים.

כפי ;מדידות "שדה קרוב" בעיקר באנטנות בעלות מיפתח קורן בממדים גדוליםמשתמשים ב

, מדידה ישירה של עקומי הקרינה בשדה הרחוק מחייבת להלן( 2.5.4)סעיף שיוסבר בהמשך

עד להתרחק מהאנטנה 22D

R

כאשר(D ,המימד הרחב של מיפתח האנטנהך הגל, אור

R מיפתח אם עשרות עד מאות מטרים מרחק המדידה(. כך, בתדרי מיקרוגל יידרש להתרחק

האנטנה רחב וגדול, ואז אלומת הקרינה צרה, כיוונית וחדה. מדידה ישירה כזו מחייבת הקמת

of 104


אולמות ענקיים "חסרי הד" או שימוש בשטחי מדבר למדידות חוץ בסיוע מסוק, ולכן

ות גדולות ב"שדה קרוב" ולחשב מתוכו את עקומי הקרינה בשדה מעדיפים למדוד אנטנ

בניסוי יש עקומי קרינה רחבים לסטודנטים רחוק. לעומת זאת, לאנטנות הקטנות שיודגמו

כך שניתן להסתפק במדידות ישירות במרחק קטן מהאנטנה, בדיוק מוגבל, לשם נוחות

ההדגמה.

ת הבהרה:והער

אם מתכוונים לערכי שיא של הגודל המחזורי או לערך ,חשוב לשים לב ולציין בכל מקרה

RMS ,ת בערכי ומבוטא אותהנוסחאן כ .בספרות מופיעות נוסחאות בשתי הצורותהיות ו

יש לחלק את RMS. אם רוצים לעבור לערך )בהספקים( 0.5בהן מקדם נכלל ולכן שיא

ת בערכי שיא.כאשר הנוסחה מבוטא 2 -האמפליטודה ב

וג , נהשחוברת זו מסתמכת עליה נעיר עוד שבניגוד לספרות הטכנית של מקצועות החשמל

להניח תלות זמנית נהוג שם , ובעיקר jולא i באות 1בספרות המדעית בפיסיקה להגדיר

iהפוכה: te ואזikxe( סימןkx+) .מתאר גל מתקדם

jבחוברת זו התלות הזמנית היא te וגל מתקדם הוא( )j t kxe .

בטיחות .1.3

עבודה במדידות אנטנות ומיקרוגלים מחייבת זהירות ותשומת לב

קרינה אלקטרומגנטית! בטיחות לכללי

להלן מפורטים כללים בסיסיים לבטיחות קרינה אלקטרומגנטית. במסגרת ההכנה 4בפרק

בבית יש ללמוד ולהפנים כללים אלה, וחלק משאלות ההכנה מתיחסות אליהם.

במעבדה בטיחות לסטודנטים המבצעים פרויקטיםההנחיות כמובן שיש לקיים גם את

מתפרסמות בקישור:ש ,לתקשורת

http://comm.eelabs.technion.ac.il/safety-instructions/

(Lab Experiments באינטרנט,התחתוןבתפריט )

044102לרבות הוראות בטיחות חשמל שתקפות בכל מעבדה, ונלמדות בקורס החובה

בקישור:

https://ug3.technion.ac.il/rishum/course/044102

http://comm.eelabs.technion.ac.il/safety-instructions/

https://ug3.technion.ac.il/rishum/course/044102

of 104


ת מאנטנותאלקטרומגנטי קרינה :(2פרק )

(Transducer)האנטנה כמתמר :כללי .2.1

לשם יצירת גלים אלקטרומגנטיים ולקליטתם משתמשים באנטנות, שבהגדרתן הן מבנים

ת הנושאים גלים מונחים, לבין המרחב הפתוח שבו גלים היוצרים אזור מעבר בין קווי תמסור

האנטנה משמשת כמתמר בין גל מונחה לבין גל בחלל החופשי. .מתפשטים בלא הנחיה צמודה

: ערוץ תקשורת אלחוטי בין אנטנת שידור ואנטנת קליטה2.1.1תרשים

ה אחת נקלט כי הגל הכדורי ששודר מאנטנ בקירוב מניחים עקב המרחק הרב בין האנטנות

כגל מישורי באנטנה השנייה.

המעגל האלקטרוני –במערכות תקשורת מהווה האנטנה מעין "מתווך" בין הרשת הפיסית

לבין המרחב החופשי. מבחניה של כל אנטנה הם: –וקווי התמסורת

לקלוט –יכולתה להמיר ביעילות אנרגיה אלקטרומגנטית מהמשדר אל המרחב, ולהיפך -

;ילות גל מהמרחב ולהמירו למתח ולזרם במקלטביע

יכולתה לשדר )או לקלוט( את האנרגיה אל או מכיוונים נבחרים במרחב ולדכא כיוונים -

.בלתי רצויים

העשויות מוליכים נושאי זרם אנטנות "חוטיות"באופן כללי נחלקות אנטנות לשני סוגים:

ושאי המטען החשמלי במוליכים יוצרת (, בהן תאוצת נRF( בתדר רדיו גבוה )ACחילופין )

או שופר, שבהן פילוג שדה Patchכגון (Aperture)פתחיואנטנות מאת שדה הקרינה,

אלקטרומגנטי על פני מפתח רצוף מהווה מקור לקרינה במרחב החופשי.

"דיפול הרץ", ובעזרתה –בחוברת הדרכה בסיסית זו נתמקד תחילה באנטנה פשוטה ביותר

וכדומה שמאפיינים כיווניות, שבח, רוחב אלומה, שטח אפקטיבישגי יסוד כמו נתוודע למו

את כלל סוגי האנטנות.

אנו נשתמש במושגים מוכרים מתורת הגלים, כמו "גל כדורי", "צפיפות שטף הספק"

לשם רענון הידע מומלץ לעיין בנספח א' בסוף חוברת זו. ;וכדומה

of 104


:ול הרץ()דיפזעיר קרינה מאלמנט זרם חילופין .2.2

השדה הנקרן באנטנה "חוטית" הוא תוצאת סופרפוזיציה של תרומות כל אלמנטי זרם בכל

אחיד לאורכו, I, הנושא זרם המוליכים. לשם פשטות "נבודד" אלמנט זרם זעיר באורך

:zכיוון ציר ל מופנה ,כדורית תוונמצא בראשית הצירים במערכת קואורדינט ,בתדר

: אלמנט זרם זעיר קורן )דיפול הרץ(2.2.1תרשים

Equation Chapter 2 Section 2

על שם (Hertzian Dipole)קובל לכנות אלמנט דיפול זעיר שכזה בשם "דיפול הרץ" מ

את היינריך הרץ שהקדים להבין את המשמעות המעשית של משוואות מקסוול ופיתח

ראשונות.האנטנות ה

חשמלי ומגנטי, אך ניתן להראות שמתוך ששת הרכיבים –דיפול הרץ יוצר סביבו שדות

ק שלושה רכיבים שאינם מתאפסים )ראה בתרשים לעיל(:האפשריים מתקיימים ר

(2.2.1)

0

2 2

2 1 120 1cos cos

4 ( ) ( )

jkr jkr

r

jk I e j I e jE j

r kr kr r kr kr

(2.2.2)

0

2 2

1 1 60 1 11 sin 1 sin

4 ( ) ( )

jkr jkrjk I e I eE j

r jkr jkr r jkr jkr

1 11 sin 1 sin

4 2

jkr jkrjkI e I eH j

r jkr r jkr

(3.2.2)

of 104


2ברור שבקרבת הדיפול הזעיר יהיו התרומות לשדות מהאיברים בעלי 3 r r במכנה–

דומיננטיות. חלק זה של השדות נקרא "שדה ההשראה". בדיקת המופעים היחסיים בין רכיבי

יחס לשדה החשמלי העיקרי ב 90 -ב במופע השדות מראה שהשדה המגנטי העיקרי מוסט

לכן חלק זה של שטף ההספק הממוצע )וקטור פוינטינג( יתאפס ואין כאן זרימת ; הניצב לו

במכנה, 3rהספק קרינה. יתרה מזו, במרחקים קטנים במיוחד גוברת השפעת האיברים בעלי

נלווה איבר דומה בביטוי לשדה המופיעים ברכיבי השדה החשמלי. לרכיבים אלה לא

המגנטי, והם בעלי אופי קיבולי טהור.

כשנתרחק מהדיפול הזעיר למרחק העולה על כמה אורכי גל, תדעך עוצמתו של שדה

ההשראה, והתרומות הנותרות קרויות "שדה הקרינה". עוצמת שדה הקרינה תהיה:

(2.2.4)60

sinjkrI e

E jr

(2.2.5)0 sin /

2

jkrI eH j E

r

כאן רכיבי השדות הם במופע, והם תורמים לווקטור פוינטינג המבטא קרינת הספק ממוצע

מן הדיפול הזעיר אל המרחב.

סביב הדיפול הזעיר rצפיפות שטף ההספק הנקרן ליחידת שטח על מעטפת כדור ברדיוס

נתונה ע"י:

(2.2.6)

2

2 2 2

2

0

1 30 ( ) sin

2 2S I

r

E

תופעה דומה, של קרינת שדה הנחלש כמו 1

rכמו –עם המרחק )ובהספק

2

1

r(, נוצרת ע"י

כל אנטנה קורנת. שדה זה , "שדה הקרינה" או "השדה הרחוק", מתנהג מבחינה זו כגל

כדורי, אלא שבנוסף לתלות במרחק יש לו גם תלות בכיוון. בדוגמה של דיפול זעיר שראינו

, אך באנטנות כלליות תופיע גם תלות בזוית zמציר כאן יש תלות מפורשת בזוית העילוי

rאינה תלויה במרחק -ו . חשוב לציין שבשדה הרחוק, צורת התלות בזויות הצידוד

מהאנטנה.

of 104


:(Directivity) כיווניות עקום הקרינה .2.3

תלוי בזוית Sלשטף ההספק הנקרן רואים שהוא איננו אחיד בכל הכיוונים: (2.2.6י )מהביטו

כיוון ציר( שבין כיוון הצופה לבין כיוון הזרם בדיפול הזעיר Z בזוית .)090 מופנה

00הספק מרבי, בעוד שבכיוון לא מוקרן הספק כלל. לעומת זאת, בתוך מישורxy

. כך ניתן לתאר את פילוג שדה הניצב לציר הדיפול יש סימטריה ואין תלות בזוית הצידוד

( סביב ציר הדיפול. החתך 2.3.1הקרינה המרחבי של דיפול זעיר כעין "כעך" עגול )תרשים

(. Eהיחסית עבור רכיב נבחר )במקרה זה רכיב של עוצמת השדהוצג בתרשים הוא המ

לעתים קרובות מעדיפים להציג לגבי אנטנות שונות באופן גרפי את ההספק היחסי )עבור

(, dBוהן בצורה לוגריתמית בדציבל ) תרכיב נבחר או לשדה הכולל(, הן בצורה ליניארי

לשיא העקום.מנורמל

: עקום הקרינה של דיפול זעיר2.3.1תרשים

מבט משולב – : עקום הקרינה של דיפול זעירא 2.3.1תרשים

הביטויים המתאימים לכל הצגה גרפית יהיו )ברכיב המתאים(:

of 104


Equation Section (Next)

(2.3.1)max

( , )Normalized (Far) Field Pattern =

( , )

E

E

(2.3.2)max

( , )Normalized Power Pattern =

( , )

S

S

(2.3.3) 10 10

max max

( , ) ( , )Logarithmic (dB) Pattern = 20log 10log

( , ) ( , )

E S

E S

את מידת הכיווניות של הקרינה מאנטנה, נשווה אותה לגל כדורי כדי להעריך באופן כמותי

שהיה נקרן מ"אנטנה איזוטרופית" אידיאלית בשטף הספק אחיד בכל הכיוונים ובאותו הספק

הנקרן מהאנטנה )הדיפול הזעיר TotalPשידור כולל. לשם כך דרוש לחשב את כלל ההספק

על פני כדור דמיוני בשדה הרחוק סביב Sה של שטף ההספק שבדוגמה(, ע"י אינטגרצי

האנטנה:

(2.3.4)2

2 2 2 2

over a sphere 0 0 in the far-field

sin ( , ) = 40 ( )TotalP Sda d d r S I

אילו היה משודר כל אותו הספק מ"אנטנה איזוטרופית"? Sמה היה שטף ההספק הנקרן

(2.3.5) 2 2 2

2 = 10 ( ) /

4

TotalIso

PS I r

r

הוא שטף ההספק הממוצע על פני כדור שנקרן ע"י הדיפול הזעיר, ולא הכרחי IsoSלמעשה

וטרופית". נהוג, על כל פנים, להציג את להשתמש במושג האבסטרקטי של "אנטנה איז

הכיווניות המכסימלית של אנטנה כלשהי ביחס ל"כיווניות" של "אנטנה איזוטרופית" אשר

מוגדרת כיחידה.

לעיל( עם 2.2.6כעת נוכל להשוות את שטף ההספק ששודר בפועל מהדיפול הזעיר )לפי

השטף הממוצע. היחס ביניהם הוא:

(2.3.6) 2 1.5sinIso

S

S

במקרה שלפנינו , MD ,ה" שערכו המכסימליהגודל שנתקבל הוא "עקום הכיווניות של האנטנ

090)בכיוון 1.5הוא או )בערך מספרי(, 1.5(. כיווניות הדיפול הזעיר היא על כן: dB

)בדציבל( ביחס ל"אנטנה איזוטרופית". 1.76

of 104


דומה. עקום הכיווניות:באופן כללי, לגבי אנטנה כלשהי, תוגדר הכיווניות בצורה

(2.3.7)2 2

2

' ' ' ' '

0 0

( , ) 4 ( , ) 4 ( , ) 4 ( , )( , ) = = =

sin ( , )ISO Total

S S r S r SD

S P Sdad d S

.MD וערך השיא שלו הוא הכיווניות המירבית

E אם האנטנה קורנת שדה בעל שני רכיבים E נוכל לטפל בכיווניות החלקית

(Partial Directivity( לכל רכיב, כשנציב במונה של )את השטף החלקי2.3.7 ).

of 104


:(Directivity) לעומת כיווניות (Gain) שבח .2.4

נקבעת מתוך פילוג ההספק הנקרן למרחב, ע"י השוואת הפילוג הזה הכיווניות ,כפי שראינו

לפילוג איזוטרופי של אותו הספק כולל שנקרן בפועל.

קורנת למרחב את כל ההספק המוזן לתוכה. מספר גורמים לא לעיתים קרובות האנטנה

יכולים להביא לכך:

ת בגוף האנטנה ובסביבתה הקרובה יכולה להביא לבזבוז הספק של מתכו סופיתמוליכות -

2Iאוהמי )הפסדי Rוליצירת חום על חשבון ההספק הנקרן );

חומרים דיאלקטריים בלתי מושלמים בגוף האנטנה ובסביבתה הקרובה )למשל: חומרים -

ומתחממים ,( מן הקרינהtanבולעים, מבדדים, ראדומים( גוזלים אף הם הספק )הפסדי

;עקב זאת

תיאום עכבות במבוא לאנטנה גורם להחזרת חלק מן ההספק אל הקו המזין. אם מקדם -אי -

אזי החלק היחסי שיוקרן בפועל יהיה ההחזרה הוא 2

(1 ) .

"(.חזרה על קווי תמסורת ותיאום עכבות"', ב)מומלץ לעיין בנספח

מובן שכיווניותו וצורתו של עקום הקרינה אינן מושפעות באופן ישיר מכך שלא כל ההספק

, דהיינו היחס בין עוצמת הקרינה שבח האנטנההוקרן בפועל למרחב. לעומת זאת, –שהוזן

יימצא מופחת ביחס – שהוזן לאנטנהלמה שניתן להשיג מאנטנה איזוטרופית באותו הספק

Equation Section (Next)לכיווניות. ההגדרה הפורמלית לשבח האנטנה היא:

(2.4.1)24 ( , )

( , ) = ( , )TotalRad

In In

S r PG D

P P

ל:שמרכיביה הם שלושת הגורמים שהוזכרו לעי eמקובל להגדיר נצילות אנטנה

(2.4.2)2

= (1 )TotalRade Ohm Diel

In

P

P

ואומצו ע"י IEEE, שנקבעו ע"י ארגון לשבח אנטנה ההגדרות התקניות' מובאות גבנספח

.בה ניעזר בסימולציות לאנטנות בניסוי, CSTתוכנת יוצרי, לרבות ע"י גופים רבים בעולם

of 104


:רוחב האלומה והערכות לכיווניות אנטנה .2.5

הגדרת רוחב אלומה: .2.5.1

של אנטנה. אם נזהה ( לעיל ראינו דוגמה לחתך בעקום הקרינה המרחבי 2.3.1בתרשים )

בהצגה גרפית של חתך עקום קרינה כזה את כיוון שיא עוצמת הקרינה )כדוגמת תרשים

( להלן(, ומשני צדדיו נזהה את הכיוונים בהם העוצמה )בצפיפות שטף ההספק( יורדת 2.5.1)

3dBרוחב דציבל בעקום לוגריתמי, נוכל להגדיר באותו חתך את " 3-למחצית מהשיא, או ב

.וללהבין שני הכיוונים ת( כזוויHalf-Power Beamwidth)לומה" של הא

(Half-Power Beamwidth)של האלומה" 3dB"רוחב ( : 2.5.1תרשים )

sin 2, דיפול זעיר, עקום הקרינה המנורמל לשיא העוצמה הוא שהכרנובדוגמה S

SMax

.

( לעיל, 2.3.1( כדוגמת תרשים )zציר לפיכך, בחתך במישור המכיל את ציר הדיפול )

90 0בכיוון מרביתתתקבל עוצמה 45 0, והעוצמה תרד למחצית משיאה בכיוונים ,0 135 . 3רוחבdB :של האלומה בחתך במישור המכיל את ציר הדיפול הוא על כן0HPBW 90 .

נציין, כי בתכן מערכות תקשורת רדיו ומכ"ם מקובל המונח המקוצר "רוחב האלומה"

של האלומה", אך באופטיקה מתייחסים ב"רוחב האלומה" לזווית 3dBכשהכוונה ל"רוחב

כינויה ;בין כיווני שני ה"אפסים" )שבהם הקרינה מינימלית או אפסית( בצידי האלומה

, ולכן HPBW-וגודלה בערך כפליים מה First-Nulls Beamwidth (FNBW)המדויק

הבנות.-כדאי לדייק בבחירת המינוח למניעת אי

of 104


הקשר בין רוחב האלומה וממדי האנטנה: .2.5.2

בפסקה זו נחרוג לרגע מהטיפול המצומצם בדיפול זעיר ונתייחס לאנטנה בעלת ממדים

סופיים:

וצורתה. כבר פגשנו את "האנטנה ככלל, מושפע רוחב האלומה ע"י ממדי האנטנה

וכן ראינו שרוחב האלומה ;כיוונית-האיזוטרופית" הנקודתית, שמיחסים לה קרינה כלל

HPBW 090של דיפול זעיר הוא.

באנטנות גדולות יתקבל עקום קרינה כיווני, בעל אלומה צרה. את הקשר ניתן להראות הן

באנטנות חוטיות ובמערכים של אנטנות קטנות, בעזרת עיקרון הסופרפוזיציה, והן באנטנות

מיפתח שבהן מתואר השדה הנקרן כאילו הוא נוצר מפילוג השדה במפתח האנטנה, בדומה

(: כל נקודה בחזית הגל מתנהגת כמקור זעיר של גל כדורי, 2.5.2לעיקרון הויגנס )תרשים )

–הכדוריים יוצרת חזית גל חדשה. העיקרון חל על כל חזית גל והמעטפת של כל הגלים

כדורית )כמודגם בתרשים( או מישורית.

עקרון הויגנס (:2.5.2תרשים )

כדי לחשב את צורת עקום הקרינה ואת רוחב האלומה של אנטנה שממדיה גדולים ביחס

לאורכה הוא קבוע , שהשדה Lממדית באורך -לאורך הגל, ניקח לדוגמה אנטנת מיפתח חד

של מפתחים קטנים, צפופים ושווים, Nבגודלו ובמופעו. אם נחלק את האנטנה למספר גדול,

נוכל לסכם את תרומותיהם לשדה נקרן לעבר צופה כלשהו.

ממדי-הקרינה של מיפתח חד תרומות לעקום (:2.5.3תרשים )

of 104


במופע, עקב המרחק בטאמתהשוני בין התרומות ,כאשר עוצמות כל התרומות יהיו שוות

בין ,ניםאהשונה מנקודת הצופה אל כל נקודה במפתח הקורן. הפרש המופע ברדי

Equation Section (Next)תרומות קטעי מפתח סמוכים הוא:

(2.5.1)2

sinL

N

כם את כל התרומות נקבל טור הנדסי שסכומו:אם נס

(2.5.2)

1

( 1) 2

sin( )21 ...

sin( )2

Nj

j j N

N

N

E e e e

אנו מעוניינים רק בצורתו וברוחבו של עקום הקרינה ולכן נתעלם מגורם המופע ונתמקד

בכיוון יתקבלהשיא ,בשיאה 1במנת הסינוסים בביטוי הימני, אותה נוכל לנרמל כך שתהיה

0 0הניצב למפתח האנטנה, ושם גם :הביטוי המנורמל יהיה .

(2.5.3)

sinsin( )sin( )

1 12sin

sin( ) sin( )2

N

LN

ELN N

N

לאינסוף, כך Nנוכל לצופף את הדגימות ולהגדיל את מספרן , מפתח רציףבמדובר ו היות

יהיה: Lשעקום הקרינה המנורמל של אנטנה רציפה בפילוג אחיד במימד

(2.5.4)

sinsin( )

sin sin( ) ;

sin( )

N

L

U LE U

L U

of 104


בתרשים הבא מוצג עקום הקרינה הזה בריבוע כלומר במונחי צפיפות הספק. כמובן שהעקום

.חיובי( Uוהוא מוצג רק בחלקו הימני ) U=0סימטרי סביב

ממדי בפילוג אחיד-(: עקום הקרינה של מיפתח חד2.5.4תרשים )

אונות הצד שלו הולכות וקטנות לצדדים, כי מהתיאור הגרפי של העקום ניתן לראות

-dB13.2ביחס להספק בשיא האונה הראשית, כלומר 0.048והגבוהות שבהן בעוצמה

ביחס לאונה הראשית.

בשיא האונה שיורדת העוצמה למחצית ההספק U=1.39מבדיקה מספרית עולה שעבור

הוא: של האלומה 3dBשרוחב הראשית, כך

(2.5.5)1.39

2 arcsin( ) ~ 0.88 (radians) ~ 51 (degrees) (L>> )HPBWL L L

of 104


ממדי בפילוג אחיד-(: עקום הקרינה של מיפתח חד2.5.5תרשים )

ממדי )מלבני( יהיה רוחב האונה הראשית בכל חתך בהתאם למימד -אם מפתח האנטנה הוא דו

באנטנות בעלות מיפתח נצל תכונה זו ליצירת אלומות כיווניות יתן לנ המקביל של המפתח.

גדול ובמערכי אנטנות.

הקשר בין רוחב האלומה והכיווניות: .2.5.3

נערוך כעת שיקול של הספק: אילו החלפנו את הדיפול הזעיר באנטנה אשר הייתה מרכזת

)ביחידות רדיאנים(, אשר מקיפה את HPBWRadianאת כל הספק השידור לגזרה שרוחבה

ו שהדיפול הזעיר מוקף בעקום הקרינה המרחבי שלו, אך בפילוג עוצמה האנטנה מסביב כמ

((2.5.6אחיד בתוך כל הגזרה הזו: )תרשים )

עקום קרינה גזרתי שווה ערך סביב אנטנה בעלת סימטריה סיבובית (:2.5.6תרשים )

אזי הייתה צפיפות שטף ההספק הנקרן בגזרה )בשדה רחוק(:

of 104


(2.5.6)2

( )2 HPBW

Totalav Radian

PS r

r

ואז הכיווניות שהייתה מתקבלת באנטנה:

(2.5.7)24 2 114.6

( , ) = = HPBW HPBW

av av

Radian

ISO Total

S S rD

S P

הכיווניות הצפויה באנטנה בעלת סימטריה סיבובית, כשנתון רוחב זו נוסחה כללית להערכת

שלה בחתך מישורי כלשהו העובר דרך ציר הסימטריה. אין זו נוסחה HPBWהאלומה

1.273מדויקת אך היא שימושית בתכן הנדסי ראשוני. כך, לדיפול זעיר היא חוזה כיווניות

ן גדלה הכיווניות, ויחד אתה יגדל . ברור מתוכה שככל שהאלומה צרה יותר כ 1.5במקום

כמובן גם שבח האנטנה אם אין שינוי בהפסדים.

"אלומת עיפרון" ממדי הקורן-ממדית או מערך אנטנות דו-ת מיפתח דואם לפנינו אנטנ

(Pencil-Beam (, בעקום קרינה מרחבי שהוא צר בשני ממדים ניצבים )המתוארים ע"י

, HPBWבשני הממדים הם בחתכים ראשיים (, ו"רוחבי האלומה" במרחב ,זוויות

HPBW נוכל גם כאן להעריך את הכיווניות הצפויה לאנטנה בשיקול דומה לקודם, תוך ,

ממנה בצפיפות אחידה בגזרה החלפתה באנטנה "שוות ערך", שכל אותו ההספק מוקרן

HPBWזוויתית שממדיה HPBW .

צפיפות שטף ההספק הנקרן בתוך הגזרה במקרה זה תהיה )בשדה רחוק(:

(2.5.8)2

( )HPBW HPBW

Totalav Radian Radian

PS r

r

נשווה זאת לשטף באנטנה איזוטרופית ונקבל שהכיווניות הצפויה כאן היא:

(2.5.9)24 4 41253

( , ) = = HPBW HPBW HPBW HPBW

av av

Radian Radian

ISO Total

S S rD

S P

הנסיון מלמד שבמציאות זוהי הערכה אופטימית מדי לכיווניות הצפויה באנטנות, עקב

קרינה ממשיים אשר "גוזלות" הספק מהאלומה הראשית הופעתן של אונות צד בעקומי

ומפחיתות את הכיווניות. כאשר מעריכים את השבח הצפוי באנטנות מקובל להפחית את

"בלבד". 33000-ו 27000המקדם שבמונה ולהניח בין

of 104


גבול השדה הרחוק: .2.5.4

קטיביים כבר ראינו שאם מתרחקים מאנטנה קטנה כמו דיפול זעיר, דועכים רכיבי שדה ריא

והשדה הנותר הוא שדה הקרינה הנושא הספק אלקטרומגנטי.

גל, כל אלמנט זרם או שדה -כאשר האנטנה גדולה, ובעלת מיפתח שממדיו כמה אורכי

במיפתח תורם את חלקו ליצירת שדה הקרינה. כל תרומה צוברת מופע לפי המרחק מאלמנט

ד נקודת המדידה הרחוקה.הזרם ע

(, יהיה הפרש מופע 7.5.2ממפתח האנטנה )תרשים Rבמרחק אם נקודת המדידה היא

בין התרומה הנקלטת מנקודה במרכז המפתח לבין זו משולי המיפתח.

הפרשי דרכים ומופע בין תרומות מחלקי מפתח האנטנה (:2.5.7תרשים )

קל לראות שהפרש המופע ברדיינים יהיה:

(2.5.10) 2 22( )

2DR R

Rובמרחק רב מן האנטנה, כאשר D:יתקבל ,

(2.5.11)22

8

D

R

עולה על שבו אין שגיאת המופע Rמקובל להגדיר את גבול השדה הרחוק כמרחק 8

וזה יושג אם נתרחק עד 22D

R

.

אם במקום זאת נסתפק במרחק 2

4F

DR

הקרוי על שם(resnelFנראה שהתרו ) מה

( לתרומה שמקורה בשולי המיפתח. הנקלטת מנקודה במרכז המפתח היא במופע נגדי )

.2.5.8ככל שנתרחק יקטן הפרש המופע בין התרומות הקיצוניות, כבתרשים

of 104


סיכום במופע של תרומות מחלקי מפתח האנטנה בתלות במרחק הצופה: (:2.5.8תרשים )

2

4F

DR R

(a)

2

2

DR

(b)

2DR

(c)

R (d)

שיקול חלופי לקביעת מרחק מינימלי ל"שדה רחוק" מבוסס על מידת הפגיעה בצורתו של

קרבים יתר על עקום הקרינה הנמדד שם, ובמיוחד בערכה של הכיווניות שתימדד, כאשר מת

המידה לאנטנה הנבדקת. ניתן להראות שאם הכיווניות בשיא האלומה המתקבלת במרחק

, הרי שבמרחק MD"אינסופי" היא 2D

R

0.94תימדד כיווניות מופחתת בשיעור MD ,

ובמרחק כפול מזה דהיינו 22D

R

0.99תימדד כיווניות MD כך שבדיוק של אחוז אחד

ניתן להסתפק במרחק שהגדרנו כגבול השדה הרחוק.

יחד עם זאת, כאשר נדרש לדייק לא רק בשיא הכיווניות אלא גם במדידת עומק ה"אפסים"

בה מעבר לזה או לעבור שבין אונות עקומי הקרינה או במדידות מופע, יש להתרחק הר

לשיטות מדידה שונות.

of 104


:עכבת האנטנה .2.6

התנגדות הקרינה: .2.6.1

עכבת )אימפדנס( המבוא בהדקי הזנת ההספק לאנטנה )בשידור( או המוצא ממנה )בקליטה(

קובעת את יעילות העברת ההספק, והיא תלויה במספר גורמים:

;עכבת כל רכיב של האנטנה -

;אלקטרומגנטיים( בין רכיבי האנטנה השוניםההשפעות ההדדיות )צימודים -

קווי התמסורת ורשתות התיאום שבין רכיבי האנטנה. -

אמנם ניתן לחשב את העכבות והצימודים של חלק מרכיבי האנטנה וחלק מסוגי קווי

התמסורת באופן תיאורטי, אם צורתם הגיאומטרית פשוטה. כן ניתן לבצע סימולציות

לאנטנה בעזרת תוכנה מתאימה, אך לעתים קשה לדייק במבנה חישוביות של עכבת המבוא

ובתכונות שמניחים לצורך סימולציה, ואז יש צורך להסתמך על ערכי עכבה מדודים מתוך

דגם מוקטן של האנטנה או אף מאנטנה שלמה לאחר הרכבתה.

כדוגמה לחישוב תיאורטי של העכבה נבדוק את אנטנת הדיפול הזעיר:

2לעיל, ההספק הכולל הנקרן ממנה הוא )2.3.4(לפי ביטוי 2 240 ( )TotalP I

כך שאילו ,

היה הנגד קולט אותו הספק בתנאי –)במונחי זרם שיאי( בנגד Iהיינו מזינים אותו זרם

Equation Section (Next) שהתנגדותו הייתה:

(2.6.1) 2 2

2=80 ( )

12

Totalrad

PR

I

גודל זה הוא "התנגדות הקרינה" של דיפול זעיר, והוא ממשי כיוון שחישבנו אותו על סמך

ההספק הממשי הנקרן מהאנטנה.

בפועל יש לכל אנטנה גם ריאקטנס שאופיו תלוי במבנה האנטנה והזנתה. בדיפול זעיר

עיר הוא תיאורטי הריאקטנס הוא קיבולי, והוא נובע מההנחה שפילוג הזרם לאורך הדיפול הז

;אחיד, כך שבקצות הדיפול מצטברים מטענים חשמליים מנוגדים בכל חצי מחזור של הזרם

כך נוצר שדה הדומה לשדה בקבל טעון. נזכיר שחלק זה של השדה אינו מתפשט למרחקים.

of 104


מעגל תמורה לאנטנה: .2.6.2

ם באנטנות ממשיות יש גם הפסדים המפחיתים את נצילות הקרינה, וניתן לרכז את השפעת

בצורת התנגדות שוות ערך להפסדים, המיוחסת להדקי ההזנה לאנטנה. התוצאה הכללית היא

שניתן להציג מעגל שווה ערך לאנטנה בהדקי ההזנה שלה, הכולל שלושה אלמנטים:

רכיב מדומה( (ס , וריאקטנlossR, התנגדות הפסדים ממשית radRהתנגדות קרינה ממשית

aX ( (. לפיכך תהיה עכבת האנטנה:6.12.)תרשים)

(2.6.2) +j ( + )+ja a a rad loss aZ R X R R X

לפי חוק אוהם, וההספק הכולל שיוזן לאנטנה Iבהדקי האנטנה יעורר בה זרם Vמתח עירור

הוא:

(2.6.3)

2

1 1Re( ) Re( Z ) (R + ) +

2 2 2in a loss rad rad loss

IP VI II R P P

תיאום עכבות בהדקי -ההפסדים הללו )אך לא כולל השפעת אי ןנצילות האנטנה תהיה, לעניי

המבוא(:

(2.6.4) = 1rad rad rad losse

in rad loss rad loss rad loss

P P R R

P P P R R R R

מעגל תמורה לאנטנה ממשית המוזנת ממקור שידור: (2.6.1)תרשים

בהמשך, בפרק על סוגי אנטנות ממשיות נכיר ביטויים וערכים מספריים לרכיבי עכבות של

אנטנות.מספר

of 104


תיאום עכבות על שבח האנטנה:-השפעת אי .2.6.3

במודל הפשוט שבתרשים לאנטנה ממשית ניתן להמחיש את הגורמים המשפיעים על השבח

( לעיל:2.4לעומת הנצילות, שהזכרנו בסעיף )

לפי: I)ממשית לצורך החישוב הזה( יעורר במעגל זרם 0Zבעל עכבת מקור Vמקור מתח

(2.6.5)0( + + )+jrad loss a

VI

R R Z X

כך שההספק שיוקרן בפועל למרחב הוא:

(2.6.6)

2 2

2 2

02 2 ( + + ) +

radrad rad

rad loss a

I V RP R

R R Z X

האנטנה חסרת הפסדים ומתואמת לקו התמסורת המזין היה ההספק הנקרן האילו היית

למרחב:

(2.6.7)

2 2

2

0 0

1

2 ( + ) 2 4

radopt

rad

V VRP

R Z Z

השוואה אלגברית מפורטת מראה שמתקיים הקשר:

(2.6.8)2

2 2

0

4( )1

( + + ) +

rad loss radrad opt opt e

rad loss a rad loss

R R RP P P

R R Z X R R

(.)מקדם ההחזרה הוא

כך מתאמתת הקביעה שהפחתת השבח עקב נצילות )הפסדים( באנטנה מצטרפת כגורם כפל

תיאום העכבות בין המקור לבין הדקי האנטנה. בתיאור הלוגריתמי המקובל -אל השפעת אי

זה מאפשר לסכם בדציבלים את ההשפעות השונות על הפחתת השבח.

במהלך הניסוי תידרשו להקפיד על משום כך, חשוב להקפיד על תיאום עכבות לכל אנטנה.

חזרה על קווי תמסורת תיאום עכבות לאנטנות שתממשו, לכן, מומלץ לעיין בנספח ב', "

.ותיאום עכבות"

of 104


רוחב פס לתיאום אנטנה: .2.6.4

בהגדרה הנוגעת תחילה, נתמקד נהלרוחב פס של אנטהאפשריות מתוך מגוון ההגדרות

לתיאום עכבות לאנטנה.

ובלות בעולם לרוחב פס לתיאום אנטנה היא: תחום התדרים שבו יחס אחת ההגדרות המק

במבוא להדקי האנטנה. 2:1( איננו עולה על VSWRהגלים העומדים )יג"ע =

לפי הגדרה זו, שעור ההספק המוחזר למקור )לגנרטור( מהדקי האנטנה עשוי להגיע עד

מוחלט של מקדם ההחזרה ( מההספק המתקדם אליה, כי ערכו ה 9.5dB-לתשיעית )דהיינו

:מקיים

(2.6.9)

1

1VSWR

בקצות פס תדרי העבודה של האנטנה. 0.333עשוי להגיע עד -כך ש

במצב זה יפחת ההספק המתקדם לאנטנה בשיעור 2

(1 ) 8/9כלומר ביחס

ה להיות מתואמת היטב.( לעומת המצב בתדר מרכזי שבו האנטנה אמור0.5dB-)שהוא:

תלות בתדר. זו יכולה להיות כהגדרה זו מתעלמת מהתנהגות עקום הקרינה של האנטנה

מתונה, ואז יש בעיקר חשיבות לתיאום העכבות. אך אם עקום הקרינה משתנה באופן חריף

בצורתו, בכיווניותו ובקיטובו כאשר מנסים להפעיל את האנטנה בתחום תדרים רחב, חייבים

ור הגדרה מתאימה לרוחב הפס השימושי של האנטנה בהתאם לתכונותיה, תוך לבח

עוד המערכתי שלה.יהתחשבות בי

להיות: תחום התדרים שבו שבח האנטנה הכולל בשיא יכולההגדרה אפשרית לרוחב פס

ביחס ל"אנטנה כלומר, dBi-האלומה אינו פוחת מערך מספרי מסוים )שיהיה נקוב ב

איזוטרופית"(.

-תחום התדרים שבו שבח האנטנה הכולל בשיא האלומה פוחת בדרה אפשרית אחרת: הג

3dB מהשבח תחצילמ)כלומר השבח פוחת ביחס לשבח בתדר מרכזי שאליו היא מתוכננת

.(שלה המקסימלי

בהגדרה יש לציין על איזה רכיב קיטוב היא חלה: אופקי, אנכי, מעגלי ימני וכדומה.

מתיאום העכבות בהדקי גם על שבח האנטנה הכולל מושפעת ברור שכל הגדרה המתבססת

לעיל. 2.6.3האנטנה, לפי סעיף

of 104


:האנטנה במצב קליטה .2.7

כללי: .2.7.1

בעיקר לתכונות השידור של אנטנות. כאשר אנטנה נמצאת בשדה ועד כה התייחסנ

אלקטרומגנטי היא מושפעת בשתי צורות:

לה, לפי המבנה ובהתאם למעגל ושרים בה זרמים ומופיעים מתחים בהדקי המוצא שמ -

;התמורה שלה

היא קולטת אנרגיה מן השדה ומעבירה אותה לקו התמסורת ולמקלט המחובר אליה. -

כמובן שאלה הם ביטויים שונים של אותה תופעה, אך נציג אותם תחילה בנפרד מנקודות

סוי המבט של המשתמשים השונים באנטנה. יש לציין שההסבר לצורך חוברת עזר לני

אנטנות יהיה פשוט ובלתי מקיף. הקורא המעוניין בהוכחה מסודרת, לרבות עקרון ההפיכות

קליטה, ימצא אותה בהרצאות בקורס "אנטנות" וברשימת המקורות שבסוף החוברת, -שידור

[.7]-ובמיוחד ב

שטח אפקטיבי של אנטנה: .2.7.2

מאנטנת שידור rחק ( לעיל ששטף ההספק ליחידת שטח פני כדור במר2.2.5ראינו בסעיף )

Equation Section (Next) "איזוטרופית" הוא:

(2.7.1)2

( )4

TotalPS r

r

היא אוספת, ה, הייתAפתח ששטחו יאילו הייתה בידינו אנטנת קליטה אידיאלית, בצורת מ

ק בשיעור:מתוך השדה האלקטרומגנטי בגל הנקלט, הספ

(2.7.2)24

Totalrec

P AP SA

r

יגדל ההספק הנקלט באותו יחס. – Aאת כך שאם נגדיל

, כל אנטנת קליטה 'אוספת' שטף הספק מהגל הנקלט בסביבתה וממירה אותו להספק בפועל

לכל אנטנה ממשית שטח אפקטיבי, שאיננו מזדהה בהכרח במוצא האנטנה; לפיכך ניתן לייחס

ניתן מדית. מ-ממדית או אנטנת מיפתח דו-אם היא אנטנת חוט חד ביןעם שטחה הפיסי,

להשתמש בשטח האפקטיבי לשם הערכה של ההספקים הנקלטים באנטנות.

קליטה ניתן להראות שצורת עקומי הקרינה של אנטנה בשידור -מתוך עקרון ההפיכות שידור

בקליטה. הכיווניות היא תכונה אופיינית לצורת עקום הקרינה ולכן עולה מכך, זהה לצורתם

)ביחס Dבעלת כיווניות הבאנטנלשם קליטה ם נשתמש שהיא רלוונטית גם בקליטה. א

יחסי ישר לכיווניות זו.recP"איזוטרופית"(, יהיה ההספק הנקלט לאנטנה

אפשר להסיק מזה שבכל צמד אנטנות מתקיים קשר אוניברסלי:

(2.7.3) 1 1 1 2

2 2 1 2

.D A D D

constD A A A

כל שנותר, אם כך, הוא לחשב את גודלו של הקבוע הזה לגבי אנטנה ידועה, ולשם כך נשתמש

בדיפול הזעיר שכבר הכרנו, אך לפני כן נבחן את ההיבט השני של קליטת שדה –כמובן –

והופעת מתח בהדקי המוצא של אנטנה.

of 104


אורך אפקטיבי של אנטנה: .2.7.3

RFמנקודת מבטם של מעגלי הקליטה, אנטנה אמורה להפיק מהשדה האלקטרומגנטי מתח

, כך שהשדה hרך ע-שיופיע בהדקי המוצא שלה, והאנטנה מתפקדת כמוליך באורך שווה

OCהנקלט )ברכיב המקביל למימד האורך של המוליך( משרה בהדקיו מתח recV hE זהו .

מתח הדקים במעגל פתוח )ללא עומס( כמשמעו במעגל תמורה לפי שקול תבנין.

ן שני חצאיו הקרובים והדקי המוצא שלו במרכזו )בי לגבי דיפול זעיר, שאורכו הכולל

מאד זה לזה(, ניתן לצפות שהשדה האחיד השורר לכל אורכו עקב הגל הנקלט, יסתכם למתח

הדקים :

OC recV E (2.7.4)

אך אם הדיפול נטוי ביחס לכיוון הקיטוב של השדה הנקלט, ייקלט בו רק ההיטל, כלומר

רכיב השדה המקביל לכיוון הדיפול. בנוסף, על הדיפול להיות ניצב לכיוון ההגעה של השדה

שהזוית איננה ישרה יפחת המתח שיושרה בו לפי סינוס הזוית. כל אלה הם הנקלט, ובמקרה

)נימוקים אינטואיטיביים לכך ש"האורך האפקטיבי" של דיפול זעיר הוא גודל וקטורי )h

התלוי בזוית הקיטוב ובאוריינטציה של הדיפול ביחס לכיוון הגל הנקלט. הביטוי הנכון

ות זו של מתח ההדקים הוא, על כן:לתיאור התנהג

𝑉𝑂𝐶 = ℎ ∙ 𝑖𝑛𝑐 (2.7.5)

(.6-5[, עמוד 1)ראה ]

)ניתן להראות שבכל אנטנה מתקיים קשר אוניברסלי בין ה"אורך האפקטיבי" , )h

המשתקף במתח המושרה בהדקי האנטנה כשהיא קולטת, לבין ביטוי השדה הרחוק שהיה

Iנוצר אילו זרם ורר אותה לשידור:באותם הדקים היה מע

(2.7.6) 0 ( , )( , , )

4

jkr

rad

hE

jk I er

r

( לעיל( ומתוכו נקבל את ביטוי האורך 2.2.4בקשר זה לגבי דיפול זעיר )ביטוי )נשתמש

האפקטיבי של אנטנה זו:

(2.7.7) ˆ( , ) ( ) sinh h

ביטוי זה כולל את כל המאפיינים שתיארנו לעיל: התלות בכיוון ציר הדיפול הן ביחס לכיוון

(, והן ביחס לקיטוב השדה החשמלי הנקלט )מתבטא sinהגל הנקלט )מתבטא בפונקציה

)של המרביסביב הדיפול הזעיר. ערכו (. אין תלות בזוית הצידוד ור היחידה קטובו )h

מתקבל כאשר הגל נקלט מכיוון המישור הניצב לדיפול 2

ואז וקטור היחידה , מקביל

)והפוך בסימנו( לציר הדיפול:

(2.7.8) ˆ( )2

zh

of 104


הקשר בין השטח האפקטיבי בקליטה והכיווניות של אנטנה: .2.7.4

כעת נוכל לחזור לקביעת היחס האוניברסלי בין כיווניות לבין שטח אפקטיבי של אנטנות,

OCונסתמך על מתח ההדקים recV E במוצא של דיפול זעיר כשהוא מכוון ומקוטב לקליטה

גל הפוגע. אם נחבר אל הדקי הדיפול נגד עומס שערכו שווה להתנגדות הקרינה של ה מרבית

( לעיל(, יגיע לעומס הספק נקלט בשיעור:2.6של הדיפול )סעיף )

(2.7.9)2 2 2 2 2

22 2

1 1 1

2 4 2 2 80 44 80 ( )

OC rec recrec

rad

V E EP

R

בגל avSלבין צפיפות שטף ההספק הנקרן recEכעת נשתמש בקשר בין עוצמת השדה

(:רענון מושגי יסוד" –מגנטיים ראה נספח א': "גלים אלקטרומישורי )

(2.7.10)2 2

0

1 1

2 2 120

rec recav

E ES

Aע"י השטח האפקטיבי avSהנקלט בעומס לאיסוף השטף recPכך נוכל ליחס את ההספק

של הדיפול הקולט:

(2.7.11) rec avP A S

נציב לכאן את ביטויי ההספק והשטף ונקבל:

(2.7.12)2 2 2

2

1 1

2 80 4 2 120

rec recE EA

של הדיפול הזעיר: Aנחלץ את השטח האפקטיבי המבוקש

(2.7.13)23

2 4A

י הקושר . לפיכך הקבוע האוניברסל 1.5של הדיפול הזעיר היא המרביתנזכור שהכיווניות

בין כיווניות של אנטנה לשטחה האפקטיבי הוא:

(2.7.14)2

4D

A

ניתן לנצל תכונה זו ליצירת אלומות כיווניות באנטנות בעלות מיפתח גדול ובמערכי אנטנות,

שבהן ניתן להשיג התאמה מסוימת )אך לא זהות מלאה בגדלים( בין השטח הפיסי של

המיפתח לבין השטח האפקטיבי.

, כאשר מתקיימת התאמה מלאה Aל וש Dיש להדגיש שכאן טיפלנו בערכי השיא של

התאמת -בקיטובים בין האנטנה לבין הגל הנקלט. אם אין תיאום כזה יש להתחשב במקדם אי

, שגודלו: (Polarization Mismatch Factor)הקיטוב

(2.7.15)

2

22

rec

p

rec

E h

E h

ניתן להשתמש בנוסחה זו לשם חישוב הפסדי אי התיאום בקיטוב.

of 104


ם לקיטוב האנטנה להלן טבלה של שיעור ההפסדים הכרוך בקליטת גל בקיטוב שאיננו תוא

(.2.7.1)תרשים הקולטת

טבלת הפסדי אי תיאום קיטוב: (2.7.1)תרשים

בין גל בקיטוב מעגלי לבין אנטנה בקיטוב לינארי הוא פשוט, מאחר 3dBההסבר להפסד

ושני הרכיבים הניצבים היוצרים קיטוב מעגלי הם שווים בעוצמתם וכל אחד נושא עמו

מחצית מהספק הגל.

כל מצב ביניים של אי תיאום בקיטובים אליפטיים צפוי הפסד שונה ורק במדידות מדויקות ב

.((2.7.15)של מאפייני הקיטוב ניתן לחזות את גודל ההפסד הצפוי. )ראה בביטוי

יש לקחת בחשבון את ההפסדים האומיים והדיאלקטריים באנטנת קליטה ממשית, וכן את אי

שבח לעומת כיווניות על( לעיל 2.4בסעיף ) לאמורבדומה תיאום העכבות בהדקי האנטנה,

בשידור. הקשר הכללי בין שטח אפקטיבי לכיווניות של אנטנה בקליטה הוא:

(2.7.16)2

2( , ) (1 ) ( , )

4p Ohm DielA D

of 104


תמסורת והפסדי התפשטות בין אנטנות: .2.7.5

כשמשתמשים באנטנות במסגרת עורק קשר רדיו, חשוב להעריך את עוצמת האותות

-יח שלפנינו עורק חדשצפויים להיקלט כדי לתכנן נכון את הספקי השידור הנדרשים. ננ

בכיוון TGוואט, מחובר לאנטנה בעלת שבח TP כיווני, שבקצהו האחד נמצא משדר בהספק

בכיוון העורק. RGנמצאת אנטנת הקליטה, בעלת שבח rהעורק, ובקצה השני, במרחק

ורק היא בתנאי חלל חופשי, ללא הפרעות והחזרות, והאנטנות אכן מופנות אם ההתפשטות בע

1pזו לעבר זו מבחינת כיווני האלומות, ואף הקיטובים מתואמים אזי צפיפות שטף ,

ההספק שתגיע לסביבת אנטנת הקליטה תהיה:

(2.7.17)24

Trec T

PS G

r

Rההספק שתפיק מכך אנטנת הקליטה יהיה recA S כאשר ,RA ,הוא השטח האפקטיבי שלה

( מתקיים:2.7.16( , )2.4.2( , )2.4.1ולפי )

(2.7.18)2 2

4 4R p R RA G G

כך ייקלט הספק:

(2.7.19)2

2(4 )

T T RR

P G GP

r

היחס בין הספק המשדר להספק הנקלט הוא "הפסד ההתפשטות הכולל" או "המלא". זהו

היחס:

(2.7.20)2

2

(4 )T

R T R

P rL

P G G

מורכב מכמה גורמים: "הפסד ההתפשטות הכולל"

הפסד ההתפשטות הבסיסי בחלל חופשיFSLערכו )בדציבל, כמקובל בשימוש(:, ש

(2.7.21) 10

4 [dB] 20log ( )FS

rL

1Rזהו הפסד ההתפשטות בין אנטנות איזוטרופיות ) TG G במרחק )r .בחלל חופשי

ממנו יש להפחית את השבח )גם כן בדציבל( של אנטנות השידור והקליטה לשם קבלת

הפסד ההתפשטות המלא:

(2.7.22)

10 10 10

4 [dB] 10log 10log 20log ( ) [dB] [dB]FS T R T R

rL L G G G G

כך שמתקבל מאזן הספקים בסיסי:

of 104


(2.7.23)RP [dBm] TP [dBm] [dB] + [dB]T RG G 10

420log ( )

r

, כלומר את היחס בין ום את משוואת מאזן ההספקים המלאהניתן לרשבכתיבה 'מספרית'

בצורה הבאה:ההספק הנקלט לבין ההספק ששודר,

(2.7.24) 2

2 21 1 ( , ) ( , )

4t r r

re e t r t t t r r r p

t

PD D

P R

.(Friis) יסר פ משוואה זו ידועה כמשוואת

:הם יסר פ הפרמטרים במשוואת

e - אנטנה.כל נצילות הקרינה של

2- אליו היא מחוברתתמסורת הקו ל אנטנהבין כל חזרה להספק בממשק מקדם ה.

- .אורך הגל

R – )טווח ערוץ הקשר )באותן יחידות שבהן נתון אורך הגל.

( , )D - ת האנטנה בכיוון וכיווני( , ) .

אל הקצה השני של עורק הקשר הפונה וון היחסי בין הקו הישר )בכל אנטנה יש להתיחס לכי

לבין כיוון שיא האלומה של האנטנה, כי האנטנות בעורק קשר טיפוסי לא בהכרח פונות זו

אל זו בשיאן(.

p- .מקדם אי תיאום קיטוב

of 104


ירורןעסוגי אנטנות ואופן :(3)פרק

:באורך סופי דיפול –אנטנות חוטיות .3.1

פילוג הזרם לאורך המוליך: .3.1.1

, המעורר בעזרת מקור מתח או מקו תמסורת, RFאנטנה חוטית היא מוליך קורן, נושא זרם

(.3.1.1שמחובר על פני מרווח קטן בין קטעי המוליך )תרשים

עירור זרם באנטנה חוטית: (3.1.1)תרשים

רם העירור בנקודות ההדקים יהיה רציף, בהנחה שהמרווח בין הדקי האנטנה קטן, נדרש שז

אך לא כבל Twin Leadקו –ומכאן חשיבות ההזנה בקו תמסורת מאוזן )לדוגמה

קואקסיאלי(. תכונה חשובה במיוחד היא שהזרם לאורך המוליך הקורן איננו אחיד, משום

שבקצות האנטנה עליו להתאפס.

לי שהזרם אחיד לאורכו, כשההצדקה ]זאת בניגוד למה שהנחנו לגבי "דיפול זעיר" אידיא

לכך היא ש"דיפול זעיר" הוא אלמנט זרם מתוך מוליך באורך סופי, והשדה הנקרן עקב פילוג

זרמים באנטנה "חוטית" הוא תוצאת סופרפוזיציה של תרומות כל אלמנטי זרם בכל

המוליכים.[

ection 1Equation Chapter (Next) S

אם קוטר המוליכים באנטנת דיפול כלשהי קטן מאד ביחס לאורך הגל, ניתן להניח בקירוב

שהזרם מתקיים לאורך ציר האנטנה והוא בפילוג סינוסי.

במרכזה: מוזנת באורך כולל zלאורך ציר כאשר אנטנת דיפול

(3.1.1) 0( ) sin - 2 2

I z I k z z

2 –)נזכיר /k .)

of 104


אם הדיפול קצר במיוחד, ניתן לרשום בקירוב:

(3.1.2)0( ) -

2 2I z I k z z

פילוג זרם בדיפול קצר: (3.1.2)תרשים

לעומת זאת, אם אורך הדיפול שווה למחצית אורך הגל, יהיה פילוג הזרם לאורכו:

(3.1.3)0 0( ) sin - = cos

2 2I z I k z I kz z

גל-אורך-פילוג זרם בדיפול חצי: (3.1.3)תרשים

of 104


פול באורך סופי:שדה הקרינה מדי .3.1.2

מבלי להיכנס לפרטי החישוב נרשום כאן את ביטוי השדה הרחוק הנקרן מכל אחד מהדיפולים

הנ"ל:

:""דיפול באורך

(3.1.4)

2 2

0 0

0

cos cos cos( )

2 sin

jkr k keE j I

r

EH

:"דיפול קצר"

(3.1.5)60 ( )

2 sin

jkrI eE j

r

( לדיפול זעיר תיאורטי, שהזרם אחיד לאורכו[.2.2.4]השווה זאת לביטוי )

שום כך לעיל. מ 2.3.1צורת עקום הקרינה זהה )פרט לעוצמה( לזו של דיפול זעיר מתרשים

גם הכיווניות איננה משתנית, בהיותה תלויה בצורת עקום הקרינה בלבד.

גל":-אורך-"דיפול חצי

(3.1.6) 2

0 0

cos cos

2 sin

jkreE j I

r

גל-אורך-עקום הקרינה של דיפול חצי: (3.1.4)תרשים

of 104


פרמטרים עיקריים של אנטנת דיפול קצר: .3.1.3

כדי לגבי דיפול קצר נוכל לבצע אותם חישובים שערכנו לדיפול זעיר בסעיפים הקודמים,

(, את התנגדות 2.7.4(, את השטח האפקטיבי )סעיף 2.3וניות )סעיף להעריך את הכיו

(. אם נקפיד על המקדמים 2.7.3 ( ואת ארכו האפקטיבי )סעיף2.6.1הקרינה שלו )סעיף

לעומת מקבילו 4המספריים נגלה שסך כל ההספק שנקרן לחלל בדיפול קצר פחת פי

, וכך גם צפיפות שטף ההספק בכל ב"דיפול הרץ" זעיר, בשל פילוג הזרם הלא אחיד לאורכו

כיוון בשדה רחוק, כך שהיחס ביניהם שהוא "עקום הכיווניות של האנטנה" נשמר כמו בביטוי

( לעיל :2.3.6)

(3.1.7) 2 1.5sinIso

S

S

1.5MDוערכו המכסימלי .

השטח האפקטיבי מתקבל מהכיווניות ע"י כפל במקדם האוניברסלי 2

4

ולכן הוא נשמר

ו בדיפול זעיר:בדיפול קצר כמ

(3.1.8)2

230.119

2 4A

:4התנגדות הקרינה? סך ההספק הנקרן פחת פי ומה לגבי

(3.1.9) 2 2 210 ( )TotalP I

(:2.6.1ולכן נקבל, בדומה לביטוי )

(3.1.10) 2 2

2=20 ( )

1

2

Totalrad

PR

I

לעיל, ומאחר ושדה (2.7.6)את האורך האפקטיבי של דיפול קצר נוכל להעריך כמו בביטוי

, יהיה האורך האפקטיבי רק מחצית (3.1.5), אלא ע"י (2.2.4)הקרינה כעת איננו נתון ע"י

משהיה בדיפול זעיר:

(3.1.11) ˆ( , ) ( ) ( )sin2

h h

ת קרינה לדיפול במקורות שונים בספרות הטכנית בנושאי אנטנות ניתן למצוא ביטויי התנגדו

מהשני, וחשוב לשים לב לפילוג הזרם לאורך 4קצר בשני הערכים שראינו, האחד גדול פי

הדיפול שאותו מניח כל מחבר.

of 104


דיפול מחצית אורך גל: פרמטרים עיקריים של אנטנת .3.1.4

לשטף ההספק לעיל, ניתן לחשב (2.2.6)ומהביטוי הכללי (3.1.6)מביטוי השדה הרחוק

לעיל(, ומתוכה את (2.3.7))כמו בביטוי הכללי Dה נומרית את הכיווניות ע"י אינטגרצי

שאר תכונות האנטנה הזו, שהיא שימושית במיוחד. להלן הנתונים המספריים העיקריים:

כיווניות בשיא האלומה:

(3.1.12) 1.64 2.15MD dB

שטח אפקטיבי מירבי:

(3.1.13)2 21.64 0.13

4MA

HPBW :078רוחב האלומה

אורך אפקטיבי מירבי:

(3.1.14) maxh

גל קטן -אורך-לעיל שבו הזרם הממוצע לאורך דיפול חצי 3.1.3)אורך זה תואם לתרשים

2דהיינו 0.64פי

מהזרם המרבי שבהדקי הדיפול(.

התנגדות קרינה:

(3.1.15)2

73 Ohm1

2

Totalrad

PR

I

הכולל גם ריאקטנס. לגבי ( מופיע מעגל תמורה לאנטנה ממשית 2.6.1נזכיר שבתרשים )

הטורי הוא משמעותי, וביטוי עכבת התמורה השראותיגל הריאקטנס ה-אורך-דיפול חצי

לאנטנה זו הוא:

(3.1.16) +j 73+j42.5 Ohma a aZ R X

ה אחוזים ממחצית אורך הגל כדי לתהד את מסיבה זו נהוג להפחית את אורך הדיפול בכמ

מית ממשית טהורה. הריאקטנס ההשראי יפחת אז לאפס ההאנטנה לקבלת עכבת מבוא או

אוהם. 73בקירוב, והחלק הממשי קטן בכמה אחוזים לעומת

להלן מוצגים רכיבי עכבת המבוא לדיפול שאורכו קרוב למחצית אורך הגל, 3.1.5בתרשים

(. החלק C-ו A Bק שלו, ובתלות בעובי מוליך הדיפול )מקרים בתלות באורך המדוי

הריאקטיבי מוצג בקוים רצופים, והחלק הממשי מוצג בקו מקווקו.

מסתבר שהחלק הריאקטיבי מושפע ביותר הן מעובי המוליך והן מאורכו המדויק, וניתן

כבת מבוא לקבוע מהתרשים לאיזה אורך יש "לגזור" את הדיפול בכל עובי כדי לתהדו לע

ממשית טהורה. )חץ קטן מסמן בתרשים את האורך המתאים לכל עובי(. אוהמית

of 104


עולה מהתרשים שהחלק הממשי של עכבת המבוא נמוך מהערך התיאורטי C-ו Aבמקרים

אוהם שחל על דיפול דק ביותר באורך 732

והוא קטן עם עליית עובי המוליך. במקרה ,

C0.484ורך הדיפול , אם א "60)לאיפוס הריאקטנס( תהיה התנגדות המבוא לדיפול "רק

אוהם.

אוהם, בעיקר 60-72)זו אחת הסיבות לשימוש הנרחב בקוי תמסורת בעלי עכבה אופיינית

אוהם מסיבות משולבות של יציבות ודיוק 50ליישומים אזרחיים. בשימוש מקצועי מעדיפים

וש, עמידה בהספקים גבוהים ומזעור הפסדים בקווים קואכסיאליים.(מימ

בתלות גל-אורך-שאורכו קרוב לחצירכיבי עכבת מבוא בהדקי דיפול : (3.1.5)תרשים

בעובי מוליך הדיפול

of 104


עירור מתואם לדיפול מאוזן: .3.1.5

לזה, לעיל הובהר שהזרמים בהדקי אנטנת דיפול הם שוים והפוכים זה 3.1.1בתרשים

רציפות -ומחייבים לפיכך הזנה בקו תמסורת מאוזן, ששני מוליכיו סימטריים זה לזה ואין אי

במעבר הזרמים בין קו התמסורת לבין הדקי האנטנה.

בתחנות שידור מקצועיות אכן משתמשים לעיתים בקוי הזנה כאלה בין מוצא המשדר לבין

וקה למניעת קירבה בין מבודדי הקו הדקי האנטנה, אך זה דורש התקנה מכנית זהירה ותחז

לבין מכשולים מתכתיים ואחרים שיגרמו החזרות ופריצות חשמליות.

ומיקרוגל בקווי תמסורת גמישים ונוחים RFבשימוש הנפוץ מקובל להזין אנטנות וציוד

[ ברשימת 8] ,73חוברת ניסוי מס' ב 1-3פרק לתפעול מסוג כבל קואכסיילי, כמוסבר ב

תדריך זה. המוליך המרכזי שונה בהתנגדותו, בצורתו ובתנאי השפה שלו המקורות בסוף

( Balancedעל כן קו תמסורת זה אינו מאוזן ). , אשר משמש כהארקהמהמוליך החיצוני

72-ו 50בין נעה (. העכבה האופיינית, כפי שצוין,Single-Endedאלא מיוחס להארקה )

אנטנת דיפול ש"נגזר" לעכבת מבוא אוהם ולכאורה מתבקש לחבר קו כזה ישר להדקי

נראה מה יקרה בחיבור כזה. 3.1.6ממשית דומה. בתרשים

זרמים טפיליים על הכבל בהזנה ישירה מקואכס לדיפול מאוזן: (3.1.6)תרשים

of 104


אם ננסה לחבר קו הזנה קואכסיילי ישירות להדקי אנטנת דיפול, יגיע מלוא הזרם מהמוליך

וע הדיפול המחוברת אליו, אך הזרם החוזר אל שפתו הפנימית של המרכזי בכבל אל זר

המוליך החיצוני בכבל יגיע מפוצל, חלקו מזרוע הדיפול המחוברת אליו )השמאלית

בתרשים(, וחלקו יזרום על פני הצד החיצוני של המוליך החיצוני.

יפגע בצורתו עקב זאת לא ישתוו הזרמים בשתי זרועות אנטנת הדיפול, ועקום הקרינה שלו י

ובעוצמתו. בנוסף לכך יקרון גם הזרם שעל פני הכבל המזין, בקיטוב ניצב ובכיוונים שונים

מאלה שהאנטנה תוכננה עבורם, וישבש עוד יותר את ביצועי מערכת האנטנה.

( על גבי המוליך החיצוני של הקו, כדי לעצור Chokeכדי למנוע זאת ניתן להתקין משנק )

זרום לאורכו לעבר המשדר. מימוש אפשרי למשנק כזה מופיע בתרשים את זרמי השווא מל

עכבה טורית הכבל הקואכסיילי , והוא מציג לזרמי השווא החיצוניים בקצה העליון של 3.1.7

הכבל גבוהה מאד עקב שיקופו של הקצר התחתון בין השרוול הקונצנטרי החיצוני לבין

במרחק הקואכסיילי 4

.

קונצנטרי לעצירת זרמים טפיליים על הכבל בהזנה ישירה (Choke)משנק : (3.1.7)תרשים

מקואכס לדיפול מאוזן

of 104


. כאן משמש 3.1.8דרך נוחה יותר למימוש משנק בעיקרון פעולה דומה, מוצגת בתרשים

מקוצר בקוטר זהה לקו ההזנה, כדי ליצור קטע קו תמסורת מאוזןקואכסיילי קטע מכבל

בקצהו באורך 4

.לעצירת זרמי השווא על המוליך החיצוני

עם קטע קואכס לעצירת זרמים טפיליים על הכבל בהזנה (Choke)משנק : (3.1.8)תרשים

ישירה מקואכס לדיפול מאוזן

of 104


-Balun( "Balanced-toדרך מורכבת ויעילה יותר היא התקנת מתאם מעבר, שכינויו "

Unbalanced בין הכבל הקואכסיילי לבין הדקי האנטנה, וקיימות צורות רבות ומגוונות ,)

למימושו.

מוצג שימוש בטבעת פריטית לליפוף כבל ההזנה בצד אחד, וכבל זהה אך 3.1.9בתרשים

בצד השני כדי ליצור השראות טורית גבוהה לזרמי השווא על המוליך החיצוני –בלתי פעיל

וך שמירה על איזון זרמים ועכבות.ת

עם גרעין פריט לעצירת זרמים טפיליים על הכבל בהזנה ישירה Balun: (3.1.9)תרשים

מקואכס לדיפול מאוזן

of 104


באנטנות דיפול מודפסות יש להקפיד על איזון בקו ההזנה, ולא להתפתות לקיצורי דרך גם

להלן: 3.1.10כמו בתרשים

לדיפול מאוזן מחבר קואכסייליאנטנת דיפול מודפסת בהזנה ישירה מ: (3.1.10)תרשים

Balunפתרון אפשרי להזנת דיפול מודפס מקו מיקרוסטריפ )שאף הוא איננו מאוזן( בעזרת

.3.1.11מודפס מוצג בתרשים

מקו מיקרוסטריפ מודפס Balunאנטנת דיפול מודפסת עם מתאם : (3.1.11)תרשים

כאשר את תפקיד הקו המאוזן בין שני הקואכסים 3.1.8הפעולה דומה מאד לתרשים עקרון

מודפס, המקוצר בקצהו התחתון ומציג לזרמי השווא בקצה Slot-Lineממלא כאן קו מסוג

הארקה.-מוליך חיצוני ה.זנה-יפניממוליך

of 104


העליון עכבה גבוהה מאד כשאורכו 4

הקטע האופקי העליון של קו ההזנה מקוצר לענף .

הדיפול בעזרת הלחמה דרך המבודד הדיאלקטרי. ניתן להימנע מקצר פיזי כזה הימני של

בעזרת גדם פתוח באורך 4

1.123.כבתרשים.

וגדם פתוח מקו מיקרוסטריפ Balunאנטנת דיפול מודפסת עם מתאם : (3.1.12)תרשים

מודפס

of 104


:Microstrip Patch Antennas –אנטנות מודפסות .3.2

Equation Section (Next)מבנה כללי של האנטנה: .3.2.1

אנטנות מיקרוסטריפ מודפסות עשויות משטח דק מתכתי מוליך בעל צורה גיאומטרית

ומר דיאלקטרי מבודד מעל משטח הארקה מתכתי )תרשים מוגדרת, מודפס על גבי שכבה מח

הוא "טלאי" וכאן נעדיף לכנותו "קורן מודפס". Patch(. המונח 3.2.1

מבנה כללי של אנטנת מיקרוסטריפ: (3.2.1)תרשים

הצורות הגיאומטריות המקובלות הן ריבוע, מלבן, עיגול, אליפסה, טבעת, והממדים הפיסיים

ודל מחצית אורך הגל בתדר העבודה, ופוחתים אם לחומר מקדם דיאלקטרי שלהן הם מסדר ג

גבוה.

קטן בהרבה, ונע בין מאית לבין עשירית מאורך הגל. hעובי השכבה הדיאלקטרית

המקדם הדיאלקטרי r של החומר נבחר בדרך כלל כפשרה בין השאיפה להקטנת ממדים

הקרינה וברוחב הפס השימושי אם המקדם גבוה והשכבה דקה מאד. לבין פגיעה בנצילות

נכיר כאן את אופן פעולתה של אנטנת מיקרוסטריפ מלבנית.

of 104


עירור השדה באנטנה: .3.2.2

בקורן מודפס מעוררים שדה חשמלי ניצב למישור הקורן בתוך המבודד הדיאלקטרי, בעזרת

טח ההארקה, או בעזרת קו ניצב מתחת למש קואקסיאליזן פולשני בקצה קו תמסורת

(.3.2.2תמסורת מיקרוסטריפ מודפס למעלה במישור הקורן )תרשים

צורות עירור קורן מודפס מלבני: (3.2.2)תרשים

נקבעים כך שמתחת לקורן המודפס תשרור תהודה לאורך Lעירור השדה ובחירת המימד

0zי יתאפס במישור בחצי אורך גל אפקטיבי בחומר הדיאלקטרי, והשדה האנכ zציר

/ויגיע למקסימום )חיובי מצד אחד ושלילי מצד שני( בשני קצות הקורן המודפס 2z L ו-

/ 2z L .

עקב אי zסמוך לשני הקצוות הללו יש לשדה החשמלי גם רכיבים אופקיים מקבילים לציר

ות המוליך. במבט מעל האנטנה נראה כאילו שני מיפתחים צרים, מקבילים זה הרציפות בקצ

מעוררים שדה חשמלי Lלזה במרחק zE ומהווים מערך של שתי אנטנות חריץ שוות עוצמה

ומופע. עיקר הקרינה מופנה כלפי מעלה אך המרחק הקטן בין הקצוות איננו יוצר אלומה

מתקבל כיסוי של חלק גדול ממחצית המרחב שמעל לאנטנה בעקום קרינה רחב. כיוונית, וכך

. 3.2.4פירוט תכונות עקום הקרינה מופיע להלן בסעיף

מראה את קווי השדה במצע הדיאלקטרי מתחת לקורן: 3.2.3תרשים

קווי השדה מתחת לקורן: (3.2.3)תרשים

of 104


מלבני מודפס:תמסורת לקורן -פרמטרים עיקריים במודל קו .3.2.3

-ניתן להעריך ממדים ותכונות בסיסיות בתכן ראשוני לקורן מלבני מודפס על סמך מודל קו

, wתמסורת מודפס מסוג מיקרוסטריפ, שרוחבו -ממדי: רואים את הקורן כקו-תמסורת חד

נביא להלן את המשוואות .zלאורך ציר בכיוון ההתקדמות של הגל בתוכו L ואורכו hעוביו

את בחירת מימדי הקורן אך נדגיש כי אלו הערכות ראשוניות בלבד, ויש צורך המתארות

.CSTבאיטרציות או בעזרת תוכנת סימולציה כגון המדויקיםלחשב את המימדים

המקדם הדיאלקטרי המעשי נתון ע"י:

(3.2.1) 1 1

22 1 12

r reff

h

W

:בחומר מכאן נחשב מהו חצי אורך גל

(3.2.2) 0

0

22 eff

cL L

f

(3.2.3)

0.3 0.264

0.412

0.258 0.8

eff

eff

W

hL h

W

h

L הוא התוספת לאורך החשמלי, הנובעת מההשראות בין הקורן לאדמה, בדומה לשדה

החשמלי של קבל.

.לנצילות מקסימליתמימדי רוחב הקורן ייקבעו לפי הדרישה

0 0 0

1 2

12 r

Wf

(4.2.3)

במידה ומזינים את האנטנה מהקצה, האימפדנס שלה נתון ע"י:

(3.2.5) 060R

W

הרוחב תלוי במקדם הדיאלקטרי -איטרטיבי ואמשוואות האלו ניתן לראות כי הפתרון המ

ולהיפך.

מימדים ריבועיים על מנת לקבל עקום קרינה סימטרי, ואת אי תאום נהוג לייצר אנטנות אלו ב

חזרה על קווי תמסורת ותיאום )ראה נספח ב', " λ/4באמצעות שנאי העכבות לפתור

."(עכבות

of 104


עקום הקרינה של אנטנת מיקרוסטריפ מודפסת .3.2.4

ולל מודל שכ בעזרתאת עקום הקרינה של קורן מודפס מלבני או ריבועי בקירוב ניתן לחזות

מוזנות )הוא מישור הקורן המודפס( ו yzהמונחות במישור ,מערך של שתי אנטנות חריץ

במבט .zהשדה החשמלי בכל אחת מהן מקוטב בכיוון ציר . בעוצמות שוות ובמופע אחיד

. 3.2.4ייראה המודל כבתרשים לעיל( 3.2.3, 3.2.1)שהוצג בתרשימים מלמעלה על הקורן

הצופה(. בולט מן הדף לעבר x)ציר

מודל 'זוג חריצים קורנים' לאנטנת מיקרוסטריפ מודפסת: (3.2.4)תרשים

הבסיס להנחת השדה החשמלי האופקי בכל חריץ במודל, הוא בכך שבקורן המודפס האמיתי

עקב אי הרציפות בשני קצות הקורן המודפס zקיימים רכיבים אופקיים מקבילים לציר

/ 2z L ו-/ 2z L רוחב כל חריץ .הם המקור לקרינת האנטנה המודפסת. רכיבים אלה

h .במודל זה שווה לעובי השכבה הדיאלקטרית שמתחת לקורן המודפס האמיתי

והוא תקף בקירוב רק בחצי (x<0)המודל אינו יכול לתאר את הקרינה מתחת לקורן המודפס

המרחב שמעל לקורן.

זינים מתח אם מ0V בקו התמסורת בקצה הקורן המודפס, אפשר להניח בקירוב שפילוג וולט

שונה מאפס רק מודל זוג החריצים הקורנים יהיהב yzבמישור השדה החשמלי שנוצר

:במיפתחים של החריצים עצמם

(3.2.6)

0ˆ( , ) for , 2 2 2

aperture

V W L h L hy z zE y z

h

השדה פילוג קטן בהרבה מאורך הגל, נוכל לבטא את hמאחר ועובי השכבה הדיאלקטרית

אמנם ארוכה זו .מזוג החריצים במודל זה בנוסחה סגורה x>0 מרחבחצי הבהנקרן הרחוק

השדה החשמלי קיטוב(בקיטוב הדומיננטי אך מאפשרת להעריך את צורת עקום הקרינה

כפי שנראה להלן. ,במישורים עיקרייםבחתכים ( zבכיוון ציר

of 104


(3.2.7)

00 0

0

sin( sin sin )2V ˆ ˆ( , , ) cos( cos )[ cos cos sin ]πr sin sin

jk r

radE

W

Lr j e

. כאן מבוטא פילוג השדה הרחוק במערכת קואורדינטות כדורית

בסיס במערכת קואורדינטות כדורית-יות ווקטוריזו: (3.2.5)תרשים

שני רכיבים וקטוריים: שדה הקרינה החשמלי יש למהביטוי בסוגריים המרובעים ניכר ש

שמתגלה לצופה במבט מעל )Polar-Co(הדומיננטי הוא רכיב הקיטוב רכיב –

שבו מונח הקורן המודפס )או מודל שני החריצים המדמים אותו(. yzלמישור

לקיטוב העיקרי. )Cross Polar(הוא רכיב הקיטוב הניצב רכיב –

,, שבו xהיא מירבית בכיוון ציר Eבקיטוב הראשי הרחוק עוצמת השדה 02

0וערכה שם הוא , )הזויות ברדיאנים(

0

2V W

rפוחתת ככל שהצופה זז עוצמהה]וולט למטר[.

מראשית הצירים r)כמובן תוך שמירת מרחק קבוע yzומתרחק מציר זה ומתקרב למישור

להלן(. 3.2.6)ראה תרשים שנקבעה במרכז הקורן המודפס(.

וכך גם בכיוונים , xהיא אפס בכיוון ציר Eבקיטוב הניצב לעומת זאת, עוצמת השדה הרחוק

היא עולה הניצבים למישור הקורן המודפס. xz, xyרים הראשיים והמונחים לאורך המיש

להלן(. 3.2.7)ראה תרשים הללו. ומחוץ למישורים הראשיים xככל שהצופה מתרחק מציר

of 104


בכל רכיב קיטוב הרחוק ה את הערך המוחלט של עוצמת השדהמקובל להציג בעקומי קרינ

, בדומה בשיא העקום של רכיב הקיטוב העיקרי 1-, כשהוא מנורמל ל)קבועr במרחק (

)רכיבי . כך נחלק את לעיל )2.3.1(לנוסחה , , )rad rE בערכו המכסימלי של רכיבE

ונקבל:

(3.2.8)

0

0

0

cos sin( sin sin )3( , ) cos( cos ) for 0 , 2

2 2sin sin

Norm

W

LE

W

(3.2.9)

0

0

0

cos sin( sin sin )3( , ) cos( cos ) for 0 , 2

2 2sin

Norm

W

LE

W

ומכאן x>0דהיינו כאשר רן, כאמור יש לסייג את תחולת המודל רק לחצי המרחב שמעל לקו

ככלל יש להעיר שבמערכת צירים כדורית מוגדרות רק זויות . המגבלה על טווח הזוית

חיוביות, ואין משמעות לסימון זויות כגון 4 2

:או במעלות(

45 90 .)

ברכיב הקיטוב dB-ממדי על עוצמת השדה הרחוק ב-בט תלת( מוצג מ3.2.6בתרשים )

]20logהמנורמל העיקרי ( , ) ]NormE .

dB-עוצמת השדה הרחוק ברכיב העיקרי ב: (3.2.6)תרשים

of 104


ברכיב הקיטוב dB-ממדי על עוצמת השדה הרחוק ב-( מוצג מבט תלת3.2.7בתרשים )

]Pol-Cross( 20log(הצולב ( , ) ]NormE (המנורמל )לשיא הקיטוב העיקרי .

dB-ב בקיטוב הניצב( : עוצמת השדה הרחוק 3.2.7תרשים )

בחתכים מישוריים דרך עקום הקרינה המרחבי, התנהגות השדה הרחוק ניתן להמחיש את

: ראשיים בשני מישוריםולשם כך נבחר

of 104


0ובו הזוית )anePl-E(הוא מישור הקיטוב של השדה החשמלי xzמישור - :

במישור הקיטוב Eשל בהצבת ערך זה בביטוי השדה הרחוק מתקבל עקום הקרינה

(: z)הנמדדת מציר בתלות בזוית

-

0

( , 0) cos( cos ) for 0Norm

LE

(3.2.10)

XZ: חתך במישור הקיטוב dB-( : עוצמת השדה הרחוק ברכיב העיקרי ב3.2.8תרשים )

of 104


הוא מישור הניצב לקיטוב השדה החשמלי והוא מקביל בשדה רחוק לשדה xyישור מ -

ובו הזוית )Plane-H(המגנטי 2

בהצבת ערך זה בביטוי השדה הרחוק מתקבל :

(: zסביב ציר xדת מציר )הנמד בתלות בזוית Hבמישור Eעקום הקרינה של

(3.2.11)

0 0

cos 3( , ) sin( sin ) ( ) for 0 , 22 2sin2

Norm

W WE

: חתך במישור הניצב לקיטובdB-( : עוצמת השדה הרחוק ברכיב העיקרי ב3.2.9תרשים )

) E Crossבשני המישוריים הראשיים הללו, עוצמת רכיב השדה הרחוק כאמור לעיל,

Polar) .הניצב לקיטוב הראשי היא אפס

מודפס ( של אנטנת קורןDirectivityכיווניות ) .3.2.5

על פי ביטויי השדה החשמלי הנקרן, לרכיביו, במודל זוג החריצים, ניתן לחשב את כיווניות

. ערך הכיווניות של לעיל( 2.3סעיף ב )2.3.7(נוסחה הקורן המודפס לפי הגדרת הכיווניות )

:בשיאו יתקבל מתוך Eרכיב הקיטוב העיקרי

.

of 104


(3.2.12) 2

' ' ' ' '

0 0

4 ( , 0)2( , 0) =

2sin ( , )

Max

Max

SD

d d S

הספק הקרינה שטףצפיפות נשים לב לכך שMaxS א שיא השטף החלקי יבמונה ה ההמופיע

הוא: , וערכה Eשל רכיב הקיטוב העיקרי

(3.2.13) 22

0

0 0 0

2

2

Max

Max

E V WS

r

'לעומתו, השטף '( , )S במכנה הוא כלל שטף ההספק המשודר בשני רכיבי שיש לסכם

ערכו הוא:י. משום שלא ניתן להפריד ולשדר רק את רכיב הקיטוב הרצוהקיטוב גם יחד, 2 2

' ' ' '

' '

0

( , ) ( , )( , )

2

E ES

(3.2.14)

))הלקוחים מתוך E ,Eיטויי הרכיבים מהצבת ב , , )rad rE שיא לעיל( מתקבל ערך

הכיווניות:

(3.2.15)

2 ' '2 2 '

' ' 2 ' 2 '02 ' 2 '

00 0

0

4( , 0) =

2 sin ( sin sin )cos

[( cos ) cos ( cos )]sin ( ) sin

MaxDW

Ld dW

במכנה צריכים להיות רק בתחומים המוגדרים 'יש להעיר שגבולות האינטגרציה על

צים.בגלל מגבלות מודל שני החרי 3.2.8בנוסחה

(L=29mm, W=37mm, h=1.6mm)בחישוב מספרי על פי נתוני קורן מודפס לדוגמה

ביחס לאנטנה 6dBiמתקבלת כיווניות 2.45GHzלתדר FR4בחומר דיאלקטרי

איזוטרופית.

יודגש כי כל התוצאות ועקומי הקרינה שהוצגו לעיל מתיחסים למודל חישובי שמדמה את

לשני חריצים קורנים במישור מתכתי. במהלך הניסוי עצמו המודפסת (Patch)אנטנת הטלאי

אשר מביאה בחשבון CSTתוכלו להשוות את התוצאות הללו לתוצאות סימולציות בתוכנת

את כל תכונותיה האמיתיות של האנטנה, לרבות שיטת ההזנה ותכונות חומרי המבנה שלה.

of 104


(Helical Antennaאנטנת הליקס ) .3.3

אנטנות הנפוצות ביותר שנמצאת בשימוש בהרבה אפליקציות החל אנטנת הליקס היא מה

ת שיכת למשפחת אנטנות מסוג הזאהאנטנה מטלפונים סלולרים ועד תקשורת לווינים.

Traveling Wave .:קיימים שני סוגים עיקרים של אנטנה הליקס

(Normal Mode) היקפיתקרינה לאנטנה .3.3.1

כאשר מימדי ההליקס קטנים מתקייםן ניצב לאנטנה( )קרינה מקסימלית בכיווזה פעולה אופן

.ביחס לאורך הגל של תדר הפעולה

Nl << λ

N – מספר כריכות של האנטנה

l – אורך כריכה

עקומת הקרינה המתקבלת דומה לעקומת קרינה של מונופול. היתרון של אנטנת הליקס

אחד ונופול.מאנטנת מבאופן פעולה זה שהאנטנה קצרה יותר )באופן משמעותי(

אנטנת שוט של טלפונים סלולרים )דור ישן כשעוד השתמשו יתהמהשימושים הנפוצים הי

באנטנות חיצוניות(.

(Axial Modeקרינה צירית )לאנטנה .3.3.2

)בעלת מקסימום לאורך ציר זה אופן הפעולה השימושי ביותר היות שהקרינה המתקבלת

היא בעלת קיטוב מעגלי.האנטנה(

חיבים להיות בסדר גודל של אורך sומרחק בין הכריכות Dפן הזה הקוטר כדי לעבוד באו

הגל.

:יםלהשגת קיטוב מעגלי דרוש

3/4 < C/λ < 4/3

of 104


s ~ λ/4

.C = πDהיקף הכריכה Cכאשר

שיפוע הפסיעה שמתקבל הוא בדרך כלל:0 012 14

ומוזנת ע"י כבל λ/2חות לרוב האנטנה הזאת בנויה מעל משטח אדמה שקוטרו לפ

קואקסיאלי.

התיכנון לפי רוב נוסחאות התיכנון הן אמפיריות ומבוססות על מדידות של אלפי אנטנות.

הנוסחאות הבאות נקראה תיכנון אופטימלי.

נתון ע"י: 20%)התנגדותי טהור( בדיוק של אימפדנס הכניסה

140C

R

אום. היות שהאנטנה מוזנת בדרך כלל ע"י 200-ל 100ב בין האימפדס המתקבל הוא לרו

דרוש מתאם אימפדנסים בין האנטנה לכבל. 50Ωכבל קואקסיאלי של

נתונה ע"י: (3dB)בנקודות רוחב האלומה

3/252

degHPBWC Ns

נתונה ע"י: כיווניות

2

0 315

C sD N

.2.5.9 -בהתאם ל נהנכו שהנוסחהבדוק

ע"י: ןנתו (Axial Ratio – ARיחס צירי של הקיטוב )

2 1

2

NAR

N

of 104


Yagiאנטנת 3.4

האנטנה מתאימה האנטנות המוכרות ביותר )אנטנת טלויזיה(. תהיא אח Yagiאנטנת

. האנטנה מורכבת ממספר דיפולים:GHz 3עד MHz 3לשימוש בתחום תדר של

את האנטנה. זהו האלמנט היחיד שמחובר ישירות לקו מעוררהי ראשדיפול קורן .א

קורן דיפול מקופל. לרוב מקובל גם להשתמש בהתמסורת שמזין את האנטנה

(Folded Dipole )אום שהתאים לקוי 300-מספר יתרונות )אימפדנס של כ בעל

התמסורת שהיו בשימוש עבור טלויזיות ורוחב סרט גדול יותר משל דיפול רגיל(.

שנמצאים בקדמת האנטנה בכיוון של הקרינה Directorsמספר דיפולים בשם .ב

המקסימלית.

)לפעמים משתמשים בשני דיפול הראשימאחורי השנמצא Reflectorדיפול בשם .ג

דיפולים כאלה(.

ה זרמים ביתר הדיפולים אשר בתורם מקרינים שדות דיפול הראשי משרהשדה של ה

והמרחק בינהם נבחרים בצורה נכונה, הקרינה דיפוליםחשמליים. במידה והאורכים של ה

לת בכיוון ההפוך.טבתים מסתכמת בכיוון הרצוי ומטהכללית של כל האלמנ

הם directors-באופן כללי, כדי לקבל ביצוע רצוי האורכים של האלמנט הראשי וה

reflector-. האורך של הבאורך כזה יש אופי קיבולי( directors-)ל 0.4λבסביבות

.)אופי השראותי( 0.6λבסביבות

of 104


, אך קצב הגידול קטן ככל שמספר directorsההגבר של האנטנה גדל ככל שיש יותר

גדל. directors-ה

האופי תיכנון של אנטנה טובה מתמקד ביחס בין הפאזות של הזרמים באלמנטים השונים.

הפאזה ביניהם ובסופו של הקיבולי או השראותי של האלמנטים השונים קובע את הזזת

דבר את צורת עקומת הקרינה.

שמדובר בפתרון של פתרון אנליטי עבור עקומת הקרינה הוא מסובך ביותר היות

מגנטיות הלוקחות בחשבון את הצימוד בין האלמנטים השונים של משואות אלקטרו

האנטנה.

אנליזה של אנטנה מגנטיות )תוכנות אלקטרוניתן לקבל תוצאות סימולציה טובות בעזרת

קיימת(. התוכנות טובות גם כדי לבצע אופטימיזציה לשיפור ביצועים של אנטנה. בכל

או אופטימיזציה מאנטנה ידועה. חמקרה, יש להתחיל את תהליך הניתו

קיימים מספר מאמרים ודו"חות המתארים אנטנות מעשיות בעלות ביצועים טובים

ר. המסמך הידוע ביותר הוא מסמך של משרד שיכולות לשמש בסיס לתיכנון חדש ומשופ

Yagi Antenna(: NBS – National Bureau of Standardsהתקנים האמריקאי )

Design, NBS Technical Note 688 .שמתעתד לתכנן אנטנת י כל מלYagi מומלץ

לעיין במסמך הזה.

of 104


בטיחות קרינה אלקטרומגנטיתכללי :(4)פרק

:כללי 4.1

ות קרינה אלקטרומגנטית מאנטנות היא חלק בלתי נפרד מהניסוי, הכרת תקני בטיח

מאחר וכל סטודנט שיעסוק בעתיד במערכות תקשורת יזדקק לידע הזה הן למען בטיחותו

. והן לשם עמידה בדרישות חוקיות ובתקנים המחייבים בארץ ובעולם.

:השפעות ביולוגיות של קרינה אלקטרומגנטית 4.2

ומיקרוגל איננה קרינה מייננת, כלומר אין לה האנרגיה RFם קרינה אלקטרומגנטית בתחו

ביא בסופו של דבר ליצירת עלול לההדרושה על מנת לגרום לשינוי מבני ברמה האטומית ש

ומיקרוגל RF תא סרטני ברקמה הנחשפת. ההבדלים האנרגטיים בין קרינה מייננת לקרינת

.ון( ויותרבתדרים המדוברים מגיעים לשישה סדרי גודל )פי מלי

הידועים כבלתי הפיכים הם נזקים תרמיים בהספק גבוה ומיקרוגל RF נזקי קרינת

.המתבטאים בחימום הרקמה עד לקרישת החלבונים בה ולהריסתה

ומיקרוגל מתחת לתקני החשיפה המומלצים, ע"פ הידוע כיום, אינה RF חשיפה לקרינת

ללית. יחד עם זאת, קיימות עדויות גורמת לאפקטים בריאותיים שליליים לאוכלוסיה הכ

לקיומם של אפקטים שאינם תרמיים ברמות חשיפה שמתחת לתקן המומלץ. מסיבה זו אימצו

ארגונים בינלאומיים העוסקים בהגנה מקרינה את מה שקרוי בפיהם 'הגישה הזהירה

'(Precautionary Approach) קרינתלבכל הקשור לחשיפות RF משמעות גישה זו היא .

בעיקר כשמדובר בשימוש של ילדים RF המלצה לצמצום מרצון של משך החשיפה לקרינת

.בטלפונים סלולריים

:כללים לשמירת רמות חשיפה מותרות 4.3

RFהמכשור, ציוד המדידה ומקורות התדר התקניים במעבדה לתקשורת מפיקים הספק

בעבודה רגילה. ( 20dBmמיליוואט ) 100ומיקרוגל רצוף בעוצמה הניתנת לכיוונון עד

מעגלי מיקרוגלים המתוכננים ונבנים ע"י הסטודנטים בפרויקטים במעבדה כוללים מגברי

. אנטנה כיוונית ומערך אנטנות יםוואט מספרומיקרוגל עד RFהספק היכולים להפיק הספק

(Array) עשויים לקרון אלומה מרוכזת בהספק אפקטיבי(ERP) גבוה בהרבה, בהתאם

הקורן.לממדי המיפתח

שהספק האות המוזן לוודאכאשר מחברים אנטנה למקור תדר לשם מדידות יש

, בהתאם לנתוני אנטנות השידור לאנטנה יהיה המינימלי הנדרש לביצוע הניסוי

והקליטה, מרחק אנטנת המקלט ורגישותו המחושבים.

ומיקרוגל ללא חיבור קו RFאין להפעיל מקור תדר או מגבר הספק ככלל,

ורת )קואקס או גלבו לפי העניין( המסתיים באנטנה או בעומס מתואם. תמס RFכך יימנע נזק גם למקור עצמו מהספק חוזר ולא ניחשף לקרינה בלתי מבוקרת של

ומיקרוגל בחלל החדר.

אין למקם מכשולים מכל סוג בקרבת אנטנת השידור ואין להתקרב אליה

בזמן שהיא משדרת הספק.

נת שידור כיוונית תותר בתנאי שבחזית האנטנה אין מכשולים או קירות שהייה מאחורי אנט

מחזירים, לפחות עד מרחק גבול השדה הרחוק שלה:

of 104


22DR

המימד הגדול ביותר של מיפתח D, למכשול בחזית המרחק הנדרש מהאנטנה Rכאשר

אורך הגל. ]כל היחידות במטרים[. λהאנטנה,

לפחות למרחק שימנע חשיפה לצפיפות הספק ברמות מאנטנה משדרת יש להתרחק

(:[12מסמך רשמי של המשרד להגנת הסביבה ]לפי שבטבלה להלן )

ומיקרוגל RF( לצפיפות הספק MPE)רמות חשיפה מותרות

RMSשים לב: הערכים של שדה המגנטי ושדה חשמלי בטבלה הם ערכי

לפני כל ניסוי בשידור, על הסטודנט לוודא בחישוב מספרי שניתן לקיים את דרישות הטבלה

עדיף לקיים את הדרישות המחמירות שבחלק השמאלי שבטבלה. ניתן ואף מומלץ בניסוי.

המסמך הרשמי של שבתוספת השניה של 'נוסחאות לחישוב טווח בטיחות' ף להעזר בסעי

, ולעיין בהסברים הטכניים והבריאותיים שבראש המסמך.[12המשרד להגנת הסביבה ]

יש ם תנאי הניסוי במעבדה אינם מאפשרים לקיים את המרחק הנדרש מסיבה כלשהי א

לבצע את המדידה בתא חסר הד כשדלת התא סגורה ואיש איננו נמצא בתוכו.

ומיקרוגל לערכים שבטבלה נועדה למנוע לחלוטין נזקים RF הגבלת החשיפה לקרינת

.ים, המתעדכנים מדי כמה שניםומקומי [5] תרמיים והיא מעוגנת בתקנים בינלאומיים

http://www.sviva.gov.il/subjectsEnv/Radiation/Communication_Facilities/Radio/Documents/saf_krina_1.pdf




of 104


שאלות הכנה לניסוי אנטנות :(5)פרק

חישובי הספקים: .1

a. ?מה הקשר בין אמפליטודה להספק בגל מישורי ובגל כדורי

b. 0גל מישורי בעל אמפליטודהE מתקדם בכיוון צירx מהי עוצמתו לאחר ,

?Rמרחק

c. גל כדורי אשר מקורו בראשית הצירים מתפשט במרחב, נתון כי

המרוחקת 2R, מהי עוצמתו בנקודה 0Eהיא 1Rהאמפליטודה שלו בנקודה

r מרחק 2 1R R r ? תן ביטוי ב-dB.

:אורך אפקטיבי של דיפול .2

אחד מהשני. כמו כן נתון כי כאשר Rבמרחק lנתונות שתי אנטנות דיפול באורך

קיו ומושרה בהד 0Pשני הדיפולים מקבילים לקרקע, מתקבל בדיפול הקולט הספק

פונקציה של כ הקולט, דיפולמתח ההדקים בהספק ומהו השינוי במצא מהו 0Vמתח

, כאשר הזווית מוגדרת כהטיית אחד הדיפולים יחסית הדיפולים שני הזווית בין

.לאופק

. dB -בטא את שינויי ההספק ב

אורך אפקטיבי והפסדי אי תיאום קיטוב: .3

/אלמנטרי,נתון דיפול חשמלי 0.05l 1000. הנח שהריאקטנסX .

a. מצא את האורך האפקטיבי( , )h .

b. מצא את המפתח האפקטיביrA (2.7.16)ראה ביטוי בשיא האלומה.

c. 0גל מישורי בעל אמפליטודהˆE 45פוגע בדיפול מכיוון

i. מצא את מתח ההדקים הפתוחים של הדיפול.o cV

ii. 50מצא את ההספק המועבר לעומס 50Z j מתוך.o cV

d. חזור על סעיףc עבור גל מקוטב מעגלית0

1 ˆ ˆ( )2

E E j

מאזן תקשורת בין אנטנות: .4

נתונות שתי אנטנות חסרות הפסדים הנמצאות בשדה הרחוק זו של זו, במרחק 100 ואילו מקדם ההחזרה 0.1. מקדם ההחזרה בהדקי האנטנה המשדרת הוא ,

וכיווניות 16dB. כיווניות האנטנה המשדרת 0.2בהדקי האנטנה הקולטת הוא

. 2watt. הספק הכניסה בהדקי האנטנה המשדרת הוא 20dBהאנטנה הקולטת

האנטנות מתואמות קיטוב ומכוונות לכיווניות מכסימלית ביניהן.

הנקלט בעומס המחובר לאנטנה הקולטת? dBm -במהו ההספק

:הכרת עקומי קרינה של דיפול .5

את עקום הקרינה המנורמל של דיפול באורכים MATLABשרטט באמצעות

שונים, השווה בין העקומים השונים, מצא רוחב אלומה וגובה אונת צד ראשונה.

of 104


, מהו המרחק המינימלי בו מותר 4ע"פ הקריטריונים הבטיחותיים הכלולים בפרק .6

watt 1הספק של לשהות בעת מדידת אנטנה מסוג דיפול "חצי אורך גל", המשדר

? 868MHzבתדר

, קו ההזנה של (3.1.11)תרשים עיין באנטנת דיפול מסוג בלון המופיעה בתדריך .7

הדיפול מקוצר לאדמה בסופו ע"י חור. כיצד ניתן לממש קו הזנה המתפקד באותו

אופן ללא מימוש חור לאדמה על האנטנה?

על גבי משטח ריבועית Patchאנטנת 3.2רק תכנן ע"פ הנוסחאות המופיעות בפ .8

)3.38r (4003 Rogers בעוביmm 80. 2515המתאימה לתדרMHz . מהו

הצע דרך לתאום ההזנה. ?ה בהזנה מהקצהכניסה שלהאימפדנס

של השדה החשמלי בכיוון את חתכי עקומי הקרינה MATLABשרטט באמצאות

, ואת (3.2.10)נוסחה Phi=0-ו( 3.2.11)נוסחה Theta=90 מישורים ה

.3.2הכיווניות בהתאם למודל שני החריצים מפרק

. Axial Mode-כריכות שתעבוד ב 10 תבעל 3GHzשל תכנן אנטנה הליקס .9

השתמש בנוסחאות של תיכנון אופטימלי.

a. .קבע את הקוטר וזוית הפסיעה של האנטנה

b. הכריכות ואורך של כריכה.חשב את המרחק בין

c. .חשב את רוחב האלומה בנקודות חצי הספק

d. חשב את כיווניות האנטנה ב-dB.

e. ( חשב את יחס הציריARשל האנטנה ב )-dB.

f. חשב את אימפדנס האנטנה ואתZo שנאישל λ/4 הדרוש לתאום האנטנה

.50Ω-ל

ת . חשב אN=22 ,D=30 mm ,s=18 mmנתונה אנטנת הליקס בעלת הנתונים: .10

, HPBW, רוחב האלומה Doהפרמטרים הבאים: תדר עבודה מרכזי, כיווניות

AR.

of 104


מהלך הניסוי באנטנות :(6פרק )

ומדידה של ים, סימולציה ממוחשבת של אנטנותכאמור, הניסוי מחולק לשני חלקים עיקרי

. על מנת למנוע עומס רב בזמן הניסוי, חלק מן האנטנות מומשו בתא חסר הדהאנטנות

.ועליכם לנתח את תוצאות הסימולציהה מראש, בתוכנ

המסכם, בנוסף יש להסביר כל יש לצרף צילומי מסך של כל הגרפים המבוקשים לדו"ח

.גרף גם אם לא נאמר כך במפורש

מפגש ראשון: 6.1

בעזרת הסימולציה .CSTשל אנטנות באמצעות התוכנה בתכנוןחלק זה של הניסוי יעסוק

יים של כל אנטנה.נמצא את הגדלים האופטימל

אל תשכחו לשמור את עבודתכם מדי פעם במהלך העבודה.

2017CSTההסברים מתואמים לגירסה

דיפול גלילי תיאורטי: 6.1.1

עבור בחלק זה נממש בתוכנה דיפול גלילי תיאורטי 0 868f MHz עקבו אחר ההוראות .

.עים בתצלומי המסךהבאות, ומלאו במקומות הדרושים את הנתונים המופי

.הפעילו את התוכנה .1

עם העלאת התוכנה יופיע החלון הבא: .2

”New Template“בחרו בצלמית:

of 104


לאחר מכן יופיע החלון הבא: .3

של ובצלמית "Microwaves & RF" -ב נבחר כן ועל אנטנה של במידול מעוניינים אנו

. next ואז , "Antennas" השופר

את תקבע זו בחירה ( wire ). לבנות רוצים אנו אותו המבנה סוג את נבחר ,הבא במסך

.הפתרון על תשפיע וכך ,המבנה של השפה תנאי

Time domain solver). שלנו במקרה( המתאים בפותר לבחור יש ,הבא במסך

-ל התדר את שנו ,לשנותן ניתן( הזאת התבנית של היחידות מופיעות ,אחריו מסך

MHz:)

of 104


יהיה שניתן כך ,רחב סרט ברוחב העבודה תדרי את קיבעו :הבא למסך עבור .4

.האנטנה של המרכזי התדר את לראות

כל של סיכום יופיע הבא במסך. )בהמשך נפרט עליהם)monitors נגדיר לא בינתיים

(Finish). סיים על לחץ .ההגדרות

of 104


הכלים ותפקידם: בסרגלפר לחצנים שימושיים נציג כעת מס .5

: Homeשונית ל

בניית הדיפול: .6

יצירת הגליל המתכתי שיהווה את הדיפול : .א

. ”Create Cylinder” לחץ על הצלמית הבאה:בלשונית המידול,

ובחלון שיופיע הזינו את הערכים הבאים: ”.Esc“לחצו על מקש .ב

הממוקם במרכז zבכיוון ציר 0.1mmבחלון זה יצרנו גליל בעל רדיוס

,PECהמוט עשוי

PEC- Perfect Electric Conductor.

of 104


פרמטר אשר הוא L. שימו לב כי mm L*2ים, ואורכומערכת הציר

.OKהתוכנה תבקש מכם להזין את ערכו כאשר תלחצו על

0אנו בונים דיפול חצי אורך גל, ולכן :

04 4c

Lf

Lחשבו מספרית את

.)שימו לב ליחידות( זינו חלון המתאים את ערכווה

ור את מרווח ההזנה של הדיפול ע"י חלוקת הגליל במרכזו. לחצו כעת ניצ .ג

, ובדומה לשלב הקודם, הזינו את הקורדינאטות ”Brick”על הצלמית:

:(”.Esc“)לאחר לחיצה על מקש באופן ידני

על מנת לאתר טעויות ”Preview“שימו לב כי תמיד ניתן ללחוץ על

קבלה במקום הצפוי, לחצו ידאתם כי הלבנה התובבניית הרכיבים.לאחר ש

.”OK“על מקש

היות ושני המבנים שהוספנו מתנגשים זה עם זה, יופיע החלון הבא, ובו

נבחר את האפשרות המסומנת:

נועדה ליצור בנינוהלבנה ש

מרווח הזנה לדיפול, על כן

היא תיבנה הוא החומר ממנו

ואקום.

”CST”בחירה זו אומרת ל

לחתוך את מוט הדיפול במקום

בו נמצאת הלבנה.

of 104


המבנה שיצרתם ייראה כך:

קליק ימני על לחצו , היות והלבנה עצמה לא משפיעה על הסימולציה,כעת

, כך ”hide“ רו באופציהובח ”feed_cube“על הרכיב שמאליבעץ ה

כמתואר בחלון הבא:שהלבנה לא תיראה במבנה,

)שימו לב להסברים על שאר הספריות המופיעות בעץ!(

.Par“תוצאות כאשר מבצעים ספריית

Sweep”

ספריית הגרפים של השדה הרחוק.

סמית. תודיאגרמ S,11ספריית גרפים חד מימדיים כגון

ספריית הרכיבים המרכיבים את כלל המבנה, האנטנה.

of 104


, קרבו את התצוגה עד שתראו ”Discrete port“הזנת הדיפול תיעשה ע"י .ד

בבירור את קצות הגלילים, ובחרו את המרכז של כל גליל ע"י:

”Pick Circle Center” ( יש לבחור את הרכיבDipole מתוך

שנצבע באדום ולהקליק רשימת הרכיבים, לגעת בהיקף החתך של הדיפול

:המידול בלשונית נמצאת האפשרות. פעמיים(

תחת לשונית ”Discrete port“לאחר מכן לחצו על הצלמית:

Simulation להיות האימפדנס של המקורערך , ובחלון שיופיע הכניסו את

73 .

שימו לב כי הפורט מחובר לפי הנקודות שבחרתם.

המבנה הסופי נראה כך:

of 104


כעת נריץ סימולציה לבדיקת הפרמטרים של הדיפול: .7

שלנו, ע"י הקשה על בתדר העבודהראשית נמקם מוניטור לשדה הרחוק .א

ע נבחר:, בחלון שיופי”Field Monitors“ לחצן העכבר הימני, ובחירה ב

בלשונית שמופיעה) ”Setup Solver”לחצו על הצלמית: .ב

.”Start“בחלון שיופיע, לחצו על .(הסימולציה

בדיקת תוצאות הסימולציה: .8

בבואנו לנתח ביצועי אנטנה, קיימים מספר שלבים קבועים.

ראשית נבדוק את גרף 11S למציאת נקודת המינימום (

11S זהו מקדם ההחזרה אשר

סוג המוניטור נקבע להיות "שדה

רחוק", בהמשך נשתמש גם

למדידת שדה מגנטי במוניטורים

וכיוון זרימת ההספק.

שנו את תדר המדידה לתדר העבודה

שלנו.

of 104


לאחר מכן נבחן את דיאגרמת סמית', לוודא שבתדר (,-מופיע בחוברת זו כ

העבודה שלנו אנו עובדים באימפדנס ממשי, ולבסוף נבחן את עקום הקרינה

"פ במרחב למציאת שבח וכיווניות האנטנה. את כל האנטנות בניסוי נבחן ע

השלבים האלו.

עיינו בתוצאות .א11S]dB[ 1) של הדיפולD Results - >Parameters-S -

>S1.1)

i. מקמו סמן על הגרף באמצעות המינימום 'באיזה תדר נמצאת נק( ?

המקש הימני(

ii. ?מה מביעה נקודה זו

iii. אם לא, הסבר מדוע. המינימום נמצאת במקום הצפוי? 'נקהאם

iv. ע"י שינוי הערך של אורך הדיפול שנו אתL בחלון הפרמטרים

והריצו כדי לעדכן את המבנה לאחר השינוי(, F7)יש ללחוץ על

את הסימולציה שוב כך שנקודת המינימום תתקבל בתדר העבודה

כיצד מצאתם את האורך האופטימלי? שלנו, מה האורך שהתקבל?

, מקמו סמן על הגרף (1D Plot)תחת לשונית עיינו בגרף דיאגרמת סמית' .ב

, מה התדר בו אימפדנס ”Add Curve Marker“ באמצעות הפונקציה

האנטנה ממשי טהור? מדוע חשוב לעבוד בתדר כזה?

< - Farfields) של הדיפול תלת מימדיהעקום הקרינה עיינו בגרף .ג

farfield (f=868) [1] - >Abs). תשתמשו במידת הצורך ב-Zoom כדי

גודל סביר.לקבל תמונה ב

i. ?האם התוצאות מתאימות לתיאוריה

תחת ”Polar“עברו לתצוגה פולרית של השדה הרחוק ע"י בחירת .ד

(Farfield Plot).שימו לב לזווית עליה משורטט הגרף .

i. ?מה משמעות כל זווית יחסית למערכת קרטזית

כעת נשווה תוצאות כלליות של הסימולציה יחסית לתיאוריה: .ה

i. מה ה-Gain של הדיפול? המרבי

ii. ?באיזו זווית נקבל אונה ראשית מקסימלית

iii. האפסיםהיכן מופיעים(first null) ?בעקום הקרינה

iv. באיזו זווית מופיעות נק' חצי ההספק (-3dB)?

כיצד ניתן לזהות את רוחב הסרט של הדיפול? לפי אילו גרפים?

והםא 50 -הריצו שנית את הסימולציה, אך כעת שנו את אימפדנס הפורט ל .ו

(Ports - >port1.)

i. ארו איכותית את השינויים בעקום הקרינה וב ת- 11S. הסבירו

מדוע קיבלנו תוצאות שונות.

of 104


: MICROSTRIPדיפול 6.1.2

כפי שניתן להבין מהמבנה הקודם, אנטנת דיפול כזו אינה ניתנת למימוש, שכן הזנה ע"י

, המוזן MICROSTRIP. כעת נממש בתוכנה דיפול פורט דיסקרטי היא תיאורטית בלבד

. לכן בחלק זה של הניסוי נממש Z=50Ωהמתואם לעומס קואקסיאלי קו תמסורת ע"י

בתוכנה פורט הזנה מסוג מחבר של כבל קואקסיאלי.

.”Microstrip_Dipole“ בהמשך לו וקראו ,CST-פיתחו קובץ חדש ב .1

Antennas-Planar של בתבנית תבחרו הפעם .2

עו את תנאי השפה ותדרי העבודה כפי שקבעתם בבניית הדיפול התיאורטי.קיב .3

בניית הדיפול: .4

ראשית ניצור את המצע הדיאלקטרי עליו ייבנה הדיפול, בנו בלוק ריבועי .א

(Brick) דיאלקטרי בעל המידות הבאות:עשוי חומר

,Rogers R04003Cשימו לב לסוג החומר ממנו אתם בונים את המצע (

ת הזינו את הערכים המתאימים עבור כל הפרמטרים.כע

L- אורך הדיפול הכולל יהיה בחומררבע אורך גל(L2,)

w- 2mm,

במידות הנתונות PECאת הדיפול עצמו נבנה ע"י יצירת בלוק עשוי .ב

.בסעיף הקודם

יהיו מימדי W-ו Lשימו לב כי

הדיפול, כאן הגדרנו את גודל המצע

כך שישתנה בהתאם לשינויים שנבצע

על מימדי הדיפול.

וודאו כי בחרתם את סוג החומר

הנכון.

of 104


באופן דומה לבניית הדיפול התיאורטי את מרווח ההזנה )ע"פ כעת נבנה

:(הפרמטרים הבאים

שימו לב, כי גם כאן שני המבנים "מתנגשים" ועליכם לבחור באופציה

המתאימה בחלון שיופיע. בנוסף מומלץ להעלים את מרווח ההזנה ע"י

“hide” .כמו במימוש שלו באנטנה הקודמת

בשלב זה, המבנה אמור להיראות כך:

ים שונים, הזנת הדיפול תמומש ע"י בניית שני גלילים קונצנטריים, מחומר .ג

כך שייווצר כבל קואקסיאלי:

of 104


i. השתמשו בכלי ”Pick face center” על מנת לבחור נקודה

במרכז הפנימי של אחד הדיפולים באופן הבא:

כאשר במבנה המשטחים)לאחר בחירת הצלמית הנ"ל יודגשו

(המשטח הרלוונטי, עליכם ללחוץ על תעברו עליהם עם סמן העכבר

ii. ממורכז בציר בנו גליל מתכתיכעתy ,בעל סביב הנק' שבחרתם

המידות הבאות:

.coax_length=10mmוהזינו עבור הפרמטר

iii. בעל המידות קונצנטרי צרו את המבודד בתוך הכבל ע"י גליל טפלון

הבאות:

(, yשימו לב למגמת הכבל )ציר

קודה שבחרתם יופיעו שיעורי הנ

בחלון, אך עליכם "להרים" את הכבל

כך שהגיד הפנימי שלו mm 0.2-ב

)שעוד לא נוצר(, יונח על המשטח

הדיאלקטרי ולא "יתנגש" איתו.

of 104


גם כעת יופיע חלון המתריע על "התנגשות" חומרים שונים במבנה,

בחרו באופציה המתאימה.

iv. כעת נותר לחבר את הכבל לכנפי הדיפול, עשו זאת ע"י יצירת

גלילים בין כל כנף לבין החלק המתאים בכבל. את ההזנה של הכנף

גידהשמאלית נחבר למרכז הכבל ע"י בחירת פני השטח של ה

הפנימי

(“Pick face”) ושימוש בכלי “extrude” עד לאורך

הגיד, ניתן להקיש על במידה ויש קושי בבחירת פני שטח .המתאים

עד שפני השטח שלו ייצבעו באדום. Tabמקש

)מכונה את הכנף הימנית של הדיפול נחבר לחלק החיצוני של הכבל

ע"י העתקה ומיקום מחדש של החיבור שיצרנו קודם "אדמה"(

(“Transform”). על מנת לבצע את“Transform” יש לבחור

וץ על לחצן ימני, ואז לבחור בעץ הרכיבים את הרכיב המתאים, ללח

.(Copy) באופציה המתאימה

שימו לב לסוג החומר אותו ניתן

להעלות מספריית החומרים התוכנה.

זהו הרדיוס החיצוני של המבודד.

, זה בעצם מימין מופיע הרדיוס הפנימי

רדיוס הגיד המרכזי של ההזנה

of 104


כך:ההזנה נראית .ד

, וניצור (”Pick face“)את הטפלון תחתית הכבל הקואקסיאליבכעת נבחר .ה

)נמצאת בלשונית ”Waveguide port”באמצעות הצלמית שם פורט הזנה

הסימולציה(:

.OKבחלון שיופיע לחצו

ה הרחוק וזרם משטחי בתדר העבודה, והריצו למדידת השד Monitors מקמו .5

סימולציה כפי שביצעתם עבור האנטנה הקודמת.

בדיקת תוצאות הסימולציה: .6

, מה התדר המרכזי?S1,1עיינו בגרף .א

שנו את אורך הדיפול ע"י שינוי הפרמטר המתאים, מהו האורך המתאים

לא, ביותר עבור תדר העבודה שלנו? האם התוצאה תואמת לתיאוריה? אם

הסבר.

of 104


השפעת אורך הכבל הקואקסיאלי על האנטנה: .7

עקום הקרינה נריץ סימולציה בה נקבל את Balun -על מנת להבין את הצורך ב

עבור אורכים שונים:הפולרי

Post)בלשונית " Result Templates" לחצו על הצלמית .א

Processing), בבחרו“Far field and Antenna Properties”

הזינו את ו All Settings, לחצו על ובחלון שיופיע ”Farfield Result”וב

הפרמטרים הבאים:

בנוסף, בחרו את אותו התפריט בשנית, אך כעת מלאו את החלון כך .ב

, באופן הבא:Phiשהמדידה "תרוץ" על זווית

S-Parameters with" ומתוכו את האופציה "S-Parametersבחרו " .ג

time gatingשיופיע מלאו את השדות באופן הבא: ". בחלון

שימו לב לזווית אותה סורקים

of 104


.”Par. Sweep“בחרו בצלמית הרצת הסימולציה, ובחלון שיופיע בחרו .ד

. מלאו את ”.New Par“ואז על ”.New seq“בחלון הבא לחצו על

השדות החסרים בחלון באופן הבא:

.Start -ו OKלחצו על

i. עיינו בתוצאות המתקבלות תחת הספרייה“Tables1D

Results” .לפי התיאוריה המוסברת בתדריך הסבירו את התוצאות

.ההכנה

of 104


:Microstrip-Balunאנטנת דיפול 6.1.3

, הזנה "רגילה" של אנטנת דיפול לא מפיקה תוצאות רצויות לעקום הקרינה.נוכפי שראי

.Balunכעת נחקור אנטנת דיפול עם

יסוי(.)שתקבלו ממדריך הנ ”Dipole_Balun.cst”העלו את הקובץ : .א

ותריצו את הסימולציה הפרמטרית בדומה בחנו את האנטנה המוצגת לפניכם .ב

עיינו .)הקובץ מכיל את הנתונים עבור הסימולציה הפרמטרית( לאנטנה הקודמת

.”Tables1D Results“בתוצאות המתקבלות תחת הספרייה

?Balunללא מה ההבדל בין האנטנה הזו לבין האנטנה °

על עקום הקרינה? Balun-כיצד משפיע ה°

כבל הקואקסיאלי?ההאם יש משמעות לאורך °

:Patchאנטנת 6.1.4

" )שתקבלו ממדריך Rectangular patch antenna.cst העלו את הקובץ: " .א

הניסוי(.

בחנו את האנטנה ותריצו את הסימולציה. .ב

תואמים את החישובים Theta=90 -ו Phi=0האם עקומות הקרינה במישורים .ג

במידה וקיים הבדל, הסבר. ?8משאלת ההכנה

אינו בכיוון Phi=0תן הסבר למה לפי דעתך הכיוון של מקסימום קרינה במישור .ד

Theta=90 .

:של אנטנותמדידות -מפגש שני 6.2

( ונבצע Network Analyzerהשני נבדוק תכונות של אנטנות בעזרת נתח רשת )מפגש ב

יש לשמור את כל (.Anechoic Chamberבדיקות של קרינה בתא חסר הד )

ולצרפם לדו"ח הניסוי. במהלך הניסוי יםהגרפים/תצוגות שמתקבל

Network Analyzerבעזרת ות בדיקת אנטנ 6.2.1

את האנטנות הבאות:בעזרת נתח הרשת ובדוקת

)בתחום תדר Balunואנטנת דיפול ללא Balun אנטנת דיפול מודפסת הכוללת .א

.MHz 1200)עד MHz 600של

עד MHz 1800)בתחום תדר של Patchואנטנת Yagiאנטנת ,קסת הליואנטנ .ב

(3000 MHz.

ותמדדו את הפרמטרים ( RF)דרך כבל של נתח הרשת S11להדק ותחברו את האנטנ

הבאים:

o S11 ( שהוא מקדם ההחזרהReturn Loss.)

o ציר אופקי תדר, ציר אנכי מקדם ההחזרה ב( בתאור קרטזי-dB)

o בדיאגרמתSmith

o ( יג"עVSWR)

of 104


:עבור כל האנטנות הנבדקות ענו על השאלות הבאות

i. התדר שעבורו היג"ע הטוב ביותר( מה תדר המרכזי של האנטנה(?

ii. (2:1מה רוחב הסרט של האנטנה )בין נקודות יג"ע של

iii. 50 -האם בתדר המרכזי האנטנה מתואמת לΩ?

iv. עד כמה הפרמטרים הנמדדים רגישים למגע של היד בכבל ה-RF?

of 104


קת אנטנה בתוך תא חסר הדבדי 6.2.2

בכל מקום שמפתחים ומשתמשים בוחסר הד הוא סביבת בדיקה מקובלת עבור אנטנות תא

או בודקים אנטנות.

)ז"א שהאנטנה תרגיש כאילו מטרת התא היא להבטיח סביבה שלא תשפיע על הבדיקה

אל"מ את פנים התא בחומר בולע קרינה מצפיםנמצאת במרחב ללא שום החזרות(. לצורך

המכיל אבקת (. חומר בולע הקרינה הוא ספוגי 377Ω)מתואם לאימפדנס האופיני של ריק

ות. גודל הפירמידה קובע את תחום תדר העבודה של צמודפחם ומעוצב בצורת פירמידות

דוגמה של תא חסר הד: התא.

ידה בתאים כאלה נהוג לבדוק עקומות קרינה של אנטנות בשדה רחוק או שדה קרוב )במ

ומודדים שדה קרוב, במידה ולא ניתן לבצע מדידה של שדה רחוק בגלל מימדי האנטנה(.

תוכנת המדידה יכולה להמיר את תוצאות האלה לתוצאות מדידה של שדה רחוק.

. התוכנה ORBIT/FRהתא ומערכת הבדיקה שנמצאים במעבדה נתרמו ע"י חברת

.MIDASשמפעילה את הבדיקה נקראת

of 104


יאגרמה של מערך הבדיקה במעבדה:ד

NA 8753E

DUT Tx

Test Ant Rx

12

Position Controller

PCRunning MIDAS

Anechoic Chamber

( אשר משדרת ואנטנה שבודקת את DUTבתוך תא חסר ההד נמצאת האנטנה הנבדקת )

( NAשל נחת רשת ) 1(. ההספק המשודר מתקבל מהדק Test Antעוצמת הקרינה )

כך בודקים בעצם של נחת הרשת. ע"י 2וההספק שנקלט ע"י אנטנת הבדיקה מוחזר להדק

< אנטנת בדיקה.-< טוח -של המערך אנטנה נבדקת S21את

שולטת על נתח הרשת ועל בקר מיקום האנטנות. MIDAS-תוכנת ה

מעלות ואת האנטנה הבודקת 360-ב (Roll) את האנטנה הנבדקת ניתן לסובב סביב צירו

ע"י שילוב אנטנות.בין ה Z. הבקר לא שולט על המרחק Y-ו Xניתן להזיז לאורך הצירים

התנועות של שתי האנטנות ניתן למדוד את עקום הקרינה בחתכים שונים.

of 104


(Test Antאנטנה בודקת ) (DUTאנטנה נבדקת )

Balunעקומת קרינה וכיווניות של אנטנת דיפול עם בדיקת 6.2.2.1

הפעל את נתח הרשת, את הבקר ואת מחשב העמדה. .א

שהאנטנה הנבדקת מחוברת בצורה וודא MIDASהפעל את תוכנת .ב

)ושהקיטוב שלה תואם את הקיטוב נכונה למקומה בתא חסר ההד

.של האנטנה הבודקת(

.Acquisitionבחלון שנפתח לחץ על .ג

.Rcv confiעל הלשונית ץ שנפתח לחהנוסף בחלון .ד

Frequencyבמסגרת של MHz 868-תקבעו את תדר הבדיקה ל .ה

. שים לב שהספק Source במסגרת של Auto fillותלחצו על

.dBm 10השידור מנחת הרשת הינו

of 104


)סיבוב Roll-ותמלא את טבלת ה Scanכרגע תלחץ על לשונית .ו

כפי שמוצגת מטה:האנטנה(

ומלא את הטבלה כפי שמוצגת מטה: Displayלחץ על לשונית .ז

of 104


ומלא את שם הבדיקה, שם מבצע Data Filesלחץ על לשונית .ח

)במידה ויש(. הבדיקה והערות

ובדוק שכל הפרמטרים מופיעים כמו Overviewלחץ על לשונית .ט

בפינה Current Value)כמוכן יש להקפיד לסמן את משבצת מטה

:(X-הימנית העליונה ב

of 104


שים לב שתוכנת הבדיקה מסובבת את .Runלחץ על לשונית .י

מעלות ומבצעת בדיקות בקפיצות 180-האנטנה הנבדקת לזוית של

מעלות. תוך כדי כך מצירת את 180+מעלות, עד שמגיעה ל 5של

עקומת הקרינה. בסוף הבדיקה יש לחכות עד שתוכנת הבדיקה

מעלות. 0י של תמחזירה את האנטנה למצב התחל

of 104


בפינה הימנית העליונה. Xסגור את החלון ע"י לחיצה על

מתוך החלון שנפתח תבחר את הקובץ .Run Analysisתלחץ על .יא

Data File -האחרון )שמכיל את הבדיקה האחרונה( מתוך ה

Parameters .:בדוק שכל יתר הפרמטרים זהים לדוגמה

ואחר כך Data Operations -בחלק השמאלי עליון של המסך, בחר ב

-ו Beam Peak. תלחץ על הלשוניות Set Analysis Paramsבחר

Beam Width ( לקבלת מדידה של ומלא את החלונות כפי שמוצג מטה

(.dB 3מרכז האלומה והרוחב שלה בנקודות

of 104


. תקבל תצוגה פולרית של עקומת Plot Nowכרגע לחץ על .יב

הקרינה ומתחתה טבלה המציגה את המיקום ועוצמת הקרינה

סגור את .dB 3המקסימלית וגם את רוחב האלומה בנקודות

.זיתתשנה את התצוגה לקרטו , (התצוגה )לאחר ששמרת אותה

או PrtScnשמור את התוצאות בעזרת תציג את התצוגה המתאימה.

Export Graphic….

מעלות לציר הקודם 90-מדוד את עקומת הקרינה גם עבור ציר הניצב ב

, מעלות 90-)סובב את האנטנה הנבדקת וגם את האנטנה הבודקת ב

.(הסבר למה

שאלות:

o של האנטנה המידות של האנטנה הנבדקת הן זהות למידות

ותדר ס"מ 110מהסימולציה. המרחק בין שתי האנטנות

. האם המדידה מבוצעת בשדה הרחוק?MHz 868הבדיקה

o מה רוחב האלומה בבמישוריםϕ ו- θ?

of 104


o ( חשב את כיווניותDirectivityהאנטנה ) ב(-dB) .

צפוי מדיפול כהיא האם התוצאה . 2.5.7תשתמש בנוסחה

λ/2? .הסבר

o ( חשב את ההגברGain של האנטנה )ב(-dB )בהנחה

.70%הנצילות שלה ש

Balunבדיקת שיפור של ביצועי אנטנה עם 6.2.2.2

לאחר )רק במישור אחד( חזור על המדידה של הסעיף הקודם

שהארכת את הכבל המחובר לאנטנה הנבדקת בכמטר.

920)בתדר של Balunחזור על המדידה עם אנטנת דיפול ללא

MHzרק במישור אחד( (, עם ובלי כבל מאריך(.

שאלות:

o האם עקומת הקרינה של האנטנה עםBalun משתנה

כתוצאה מתוספת של כבל?

o ללא מה התוצאה שמתקבלת עבור האנטנהBalun?

Balunעם בדיקת קיטוב של אנטנת דיפול 6.2.2.3

90-ב נבדקתה האנטנהלצורך בדיקת הקיטוב יש לסובב את

מעלות.

.6.2.2.1בדומה לסעיף ( Balun)של אנטנה עם חזור על הבדיקה

שאלות:

o מה היחס בין ההספק הנקלט הפעם להספק שנקלט בקיטוב

.מעלות( 0של Roll)עבור זויות הנכון

o )...מה הקיטוב של הדיפול )ליניארי, מעגלי?

o האנטנהמה ההספק הצפוי להקלט במידה ומסובבים את

בדוק ע"י מדידה והסבר את מעלות? 45-ב נבדקתה

התוצאה.

בעלת קיטוב מעגליהליקס קת ביצועים של אנטנה בדי 6.2.2.4

בתדר יפים הקודמים בדוק את ביצועיי אנטנת הליקס עבדומה לס

.6.2.1המרכזי שמדדת בסעיף

.12התוצאות הצפויות הם בהתאם לתרגיל ההכנה

שאלות:


o ( חשב את כיווניותDirectivity( האנטנה )ב-dB.)

o האם התוצאות תואמות את התוצאות שהתקבלו בתרגיל

ההכנה? הסבר.

o ב( בכמה מונחתת-dB האונה האחורית של האנטנה ביחס )

לאלומה הראשית?

of 104


o האם מזהים אונות צד כלשהן? אם כן, באיזה זוית ועוצמה

?)בערך( ביחס לאלומה הראשית

o או האם ניתן להסיק מהמדידות שלאנטנה יש קיטוב מעגלי(

נמק. ?אחר( קיטוב

o האם מהמדידות שבצעתם אפשר לחשב את ה-AR של

האנטנה? הסבר.

Yagiבדיקת אנטנה 6.2.2.5

בתדר Yagiבדומה לסעיפים הקודמים בדוק את ביצועיי אנטנת


שאלות:


o ( חשב את כיווניותDirectivity( האנטנה )ב-dB.)

o 13האנטנה )בהתאם לנתוני היצרן( הוא הגבר dB חשב.

את נצילות האנטנה.

o ב( בכמה מונחתת-dB האונה האחורית של האנטנה ביחס )

לאלומה הראשית?

o האם מזהים אונות צד כלשהן? אם כן, באיזה זוית ועוצמה

ביחס לאלומה הראשית )בערך(?

Patch בדיקת אנטנה 6.2.2.6

בתדר Patchועיי אנטנת בדומה לסעיפים הקודמים בדוק את ביצ


שאלות:

?Theta=90 -ו Phi=0מה רוחב האלומה בבמישורים .1

(.dB-( האנטנה )בDirectivityחשב את כיווניות ) .2

האם העקומות והכיווניות תואמים את הסימולציה? .3

האם מזהים אונות צד כלשהן? אם כן, באיזה זוית ועוצמה .4

?)בערך( אשיתביחס לאלומה הר

of 104


:נספחים

מושגי יסודרענון –גלים אלקטרומגנטיים ': אנספח

1.A גלים במרחב ובזמן:

A.1.1 ממדי-גל חד:

לעתים קרובות פוגשים בטבע גדלים שניתן לתאר כפונקציה של מימד אחד: מהלך

1tהטמפרטורה לאורך מוט מתכת, לחץ המים לאורך צינור וכו'. ברגע נתון t הפונקציה

)בעלת צורה )y f x

2tזוהי תופעה סטטית, אך אם לאחר פרק זמן, ברגע –ואם איננה משתנה עם הזמן t

, ושיעור ההזזה הולך וגדל ככל שחולף xמופיעה אותה תמונה כשהיא מוזזת לאורך ציר

Equation Chapter (Next) Section 1אזי לפנינו גל. ,tהזמן

כדי שיתפשט גל צריך התווך לאפשר להפרעה כלשהי בו להיות פונקציה של שני המשתנים

, והתלות המשולבת היא אחת משתי הצורות:tוהזמן x יחד: המקום

(4.1.1) ( , ) ( )f x t f x vt

או

(4.1.2) ( , ) ( )f x t f x vt

t, כי ככל שחולף הזמן החיובי( x)בכיוון vבמהירות גל מתקדם הצורה הראשונה מתארת

)כדי לעקוב אחר ערך קבוע של הארגומנט xצריך להתקדם לאורך ציר )x vt ואיתו אחר

)נקודה מייצגת מוגדרת על צורת הגל )f x vt. גל נסוג ביחס לכיוון ארתהצורה השנייה מת

x .החיובי

תווך יכול לשאת הן גלים מתקדמים והן גלים נסוגים, כאשר היחס בין עוצמותיהם תלוי

היא בדרך כלל תכונה vבצורת העירור )תנאי התחלה ותנאי שפה(. מהירות ההתפשטות

לויה עצמית האופיינית לתווך. קיימים גם סוגי תווך בעלי נפיצה )דיספרסיה( שבהם ת

, אך תנועה לאורך התווך תוך כדימהירות ההתפשטות בצורת הגל, וחל עיוות בצורתו

.במעבדה זו נתמקד רק בחומרים בעלי יחס דיספרסיה קבוע

תהיה vבתווך שמהירות ההתפשטות בו היא ωשתדירותו הזמנית היא הרמוניאם נעורר גל

צורתו:

(4.1.3) ( ) cos[ ( )] cos( )f x vt k x vt kx t

ולכן יתקיים בהכרח:

(4.1.4) vk kv

k "תדר המרחבי" של הגל, ומייצג את קצב ההשתנות של הגל כתלות במיקום.הינו ה

.הינו ה"תדר הזמני" של הגל, כך שהוא מייצג את קצב ההשתנות של הגל כתלות בזמן

)מנקודת מבט מתימטית, שתי הפונקציות הכלליות )f x vt ,( )f x vt מהוות צמד פתרונות

:ממדית-משוואת הגלים החדכלליים בלתי תלויים של

(4.1.5)2 2

2 2 2

1( , ) ( , ) 0f x t f x t

x v t

of 104


)cosהפונקציות ההרמוניות )kx t ,sin( )kx t וצירופיהן הקומפלקסיים( )j t kxe הם

פתרונות פרטיים אפשריים לאותה משוואה.

יתכן יהתווך, ובתווך דיספרסיבי בהחלט נקרא "יחס הדיספרסיה" של ωלבין kהקשר בין

. ωבעצמה תהיה פונקציה של תדירות העירור vשהמהירות

A.1.2 מחזור ואורך גל:

ה, לבין התדירות ינים לשניא, הנמדדת ברדיωיתית ונזכיר כאן את הקשר בין התדירות הזו

f הייהנמדדת במחזורים לשנ:

(4.1.6) 2 2 /f T

הוא אורך מחזור התנודה בזמן. Tכאשר

:ק מהו ה"מחזור המרחבי" של הגל כלומר אורך הגל נבדו

tזהו המרחק בין שתי נקודות סמוכות במרחב, לאורך כיוון התפשטות הגל, שבזמן נתון

נמצאות במופעים שווים של התנודה המחזורית:

(4.1.7) 0 0cos( ) cos[ ( ) ]kx t k x t

הקשר: כאן נובעמ

(4.1.8) 2 2 /k k

ונקבל את הקשר (A.1.4) המתאים למהירות התפשטות הגלkנציב לכאן את ערכו של

:הבא

(4.1.9) v f

ל, התדירות הזמנית, ומהירות ההתפשטות של גל מחזורי, הוא שימושי קשר זה בין אורך הג

בכל תורת הגלים והאנטנות.

)כשהכוונה לחלק באופן הבא הרמוניבתיאור פאזורי של גדלים מחזוריים יירשם גל

הממשי(:

(4.1.10) ( ) ( )j t kx j j t kxA e A e e

.(xלגל מתקדם בכיוון ציר –kxלגל נסוג, וסימן +kx)סימן jkxAe ובכתיבה מקוצרת:

jשמיט את התלות הזמנית המפורשת להך ניתן כ te והפאזור ,jkxAe מכיל את אינפורמציית

jA המופע והתלות במקום. )הגודל A e קומפלכסי.)

ת הבהרה:והער

רי או לערך אם מתכוונים לערכי שיא של הגודל המחזו ,חשוב לשים לב ולציין בכל מקרה

RMS ,ת בערכי ומבוטא אותהנוסחאן כ .בספרות מופיעות נוסחאות בשתי הצורותהיות ו

יש לחלק את RMS. אם רוצים לעבור לערך )בהספקים( 0.5בהן מקדם נכלל ולכן שיא

כאשר הנוסחה מבוטאת בערכי שיא. 2 -האמפליטודה ב

of 104


וג , נהשחוברת זו מסתמכת עליה טכנית של מקצועות החשמלנעיר עוד שבניגוד לספרות ה

להניח תלות זמנית נהוג שם , ובעיקר jולא i באות 1בספרות המדעית בפיסיקה להגדיר

iהפוכה: te ואזikxe( סימןkx+) .מתאר גל מתקדם

jהתלות הזמנית היא בחוברת זו te וגל מתקדם הוא( )j t kxe .

A. 2 גלים אלקטרומגנטיים:

A.2.1 מישורי גל:

בניגוד לגלים בעלי אופי מכני )קול, תנודות מיתר וכו'( הנעים בתווך מוחשי, התווך שבו

ק. מהירות ההתפשטות בו היא מהירות האור:קיימים גלים אלקטרומגנטיים הוא החלל הריEquation Section (Next)

(4.2.1) 8

0 0

1 2.997925 10 m/secc

300לעוסקים במכ"ם:ועדיף לבטאה ביחידות שימושיות, sec

mc

300תמסורת במעבדה:ואילו לעוסקים באלקטרוניקה מהירה ובקווי sec

mmcn

ו/או בחומר מגנטי בעל rאם התווך מלא חומר דיאלקטרי בעל מקדם דיאלקטרי יחסי

, תקטן מהירות הגל האלקטרומגנטי בחומר לפי שורש rמקדם פרמיאביליות יחסי

המקדמים:

(4.2.2)r r

cv

–שטת בו מתוארת כצירוף של שתי הפרעות מהו הגל האלקטרומגנטי? ה"הפרעה" המתפ

–חשמלית ומגנטית, משום שניתן לגלות את קיומו הן בעזרת גלאי לשדה חשמלי )למשל

לולאה קטנה(. למעשה אין קיום לשדה –דיפול קטן( והן בעזרת גלאי לשדה מגנטי )למשל

ש הנדסי האחד בלי השני, ומערכת המשוואות של מקסוול מיטיבה לנסח זאת, אך בשימו

מקובל לתאר את השדות באופן נפרד.

אם נצטמצם לתדר -מתקיימת תנודה )סינוסית zבגל אלקטרומגנטי מישורי הנע בכיוון ציר

. אם הגל מקוטב Hושל השדה המגנטי E ילצורך ההסבר( של השדה החשמל-יחיד

( חייב להתקיים "כלל הבורג הימני" שעל פיו:A.2.1ליניארית, )תרשים

יתקדם הבורג בכיוון ההתפשטות של הגל, שהוא H-ל E-אם נסובב בורג ימני במגמה מ -

Eבכיוון הווקטור H מכפלה ווקטורית(.בתרשים( A.2.1 לי פונה השדה החשמE בכיוון

.zוהגל מתפשט בכיוון ציר y, השדה המגנטי בכיוון ציר xציר

of 104


.הימני וכלל הבורג שדה רגעיות בגל אלקטרומגנטי מישורי : פילוג עוצמותA.2.1 תרשים

)אנו רואים שמופע הגל בנקודה כלשהי jkzAeמהצורה , , )x y z במרחב תלוי אך ורק

שהוא ציר התקדמות הגל האלקטרומגנטי בדוגמה לעיל. zבקואורדינטת הנקודה לאורך ציר

הוא מישור שווה מופע, ומכאן zברור שכל מישור הניצב לציר y-וב x-מאחר ואין תלות ב

ההתייחסות ל"גל מישורי".

וכיוון ההתפשטות. גם בין E Hבין כיווני השדות ראינו שבגל מישורי מתקיים קשר קבוע

קיים קשר קבוע, המתקבל ממשוואות מקסוול: E Hעוצמות השדות

(4.2.3)E

H

E הוא ביחידות וולט למטר, ו-H ( במערכת ביחידות אמפר למטרMKSA (SI) units.)

הוא בעל ממדים של התנגדות )אוהמים(, וכינויו הוא "העכבה האופיינית של ηהגודל

התווך".

והיחס המתקבל נקרא "העכבה האופיינית של חלל 0 0בחלל ריק יש להציג את ערכי

ריק":

(4.2.4) 00

0

376.73 ohm 120 ohm

A.2.2 וון כללי במרחבמישורי בכי גל:

. מישורים kבמרחב תלת ממדי יכול גל מישורי לנוע בכיוון כלשהו המוגדר ע"י הווקטור

, כך שעל פני מישור כזה יתקיים גודל קבוע: kשווי מופע יהיה ניצבים לכיוון ההתפשטות

(4.2.5) constantk r

ת הצירים לנקודה כלשהי על פני המישור.הינו וקטור מראשי rזאת כאשר

צריך לקיים את הדרישה הבסיסית לקיום גל בתווך, דהיינו הקשר בין kערכו המוחלט של

k ו- ω :

(4.2.6) kc

of 104


בחלל: kכך ניתן לרשום בתיאור פאזורי את השדה החשמלי בגל מישורי המתקדם בכיוון

(4.2.7) 0( ) j rkE Er e

ברכיבים הקרטזיים: או, בכתיבה מפורשת של התלות

(4.2.8)( cos cos c

0

os )

( , , )x y zj x y z

cE x eEy z

x y z לבין שלושת הצירים הראשיים kהזויות בין הוקטור 3הן x y z כאשר

בהתאמה.

A.2.3 האלקטרומגנטי קיטוב הגל:

קבוע Eוש הדבר שכיוון השדה פיר ;הגל המישורי, כפי שתיארנו עד כה, מקוטב לינארית

א לעיל:2.2.1במרחב ואיננו משתנה עם תנועת הגל. כך, לדוגמה, בתרשים

(4.2.9) ( ,0,0)xE E

(H .)נקבע אוטומטית לפי כלל הבורג הימני

מתלכד kניתן ליצור גלים מישוריים בקיטובים לינאריים שונים. נניח שכיוון ההתפשטות

, zהניצב לציר xyיכול להיות מקוטב בכל כיוון במישור E: השדה החשמלי zעם ציר

ותמיד אפשר להציג גל מישורי בקיטוב אלכסוני כלשהו כצירוף )סופרפוזיציה( של שני גלים

מות מתאים:שווי מופע בעלי קיטובים אופקי ואנכי, ביחס עוצ

(4.2.10) 0 0ˆ ˆ( ) ( x+ y) jkz

x yr E E eE

(ˆ ˆ yx .)וקטורי יחידה בכיווני הצירים הראשיים במישור

תהיה במקרה זה: xהזוית בין כיוון הקיטוב לבין ציר

(4.2.11)0

0

arctan( )y

x

E

E

מה יקרה אם אין שוויון מופע בין שני רכיבי השדה הניצבים? במקרה זה ניתן לתאר את

-השדה החשמלי בגל האלקטרומגנטי כצירוף של שני פאזורים, שאחד מפגר אחרי רעהו ב

90 )או שהאחד ממשי טהור והשני מדומה טהור(:

(4.2.12) ˆ ˆ( ) ( ) jkzr xA jyB eE

נחזור לתיאור הזמני המלא כדי להבין את משמעות הביטוי הפאזורי הזה, ונרשום אותו

: zלאורך ציר z=0 בנקודה מסוימת

(4.2.13) ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ( , ) Re( ) cos sinj t

x yr t xA jyB e xA t yB t xE yEE

מתקיימת הזהות הטריגונומטרית: tניתן לראות שבכל רגע

(4.2.14)

22

2 21

yxEE

A B

: משמעותהש

x ,קצה הווקטור שרכיביו yE E מתאר במישורxy אליפסה שגודל ציריה תלוי ביחס בין

הופכת האליפסה למעגל. A=Bאם (.ARאו בקיצור Axial Ratio) A-ו Bכיבים המר

of 104


קיטוב ובמקרה הפרטי מתקבל קיטוב אליפטי, –לפיכך נקראת משפחת הקיטובים הכללית

.מעגלי

לגבי קיטוב מעגלי חשוב לציין שמגמת תנועת וקטור השדה החשמלי המסתובב יכולה

(, קיטוב מעגלי שמאלי( או נגד כיוון השעון )מניקיטוב מעגלי ילהיות בכיוון השעון )

כאשר הצופה מביט בכיוון החיובי של ציר התפשטות הגל האלקטרומגנטי.

A.2.4 :הספק בגל מישורי

קיומה של הפרעה אלקטרומגנטית במרחב מלווה תמיד בנשיאת אנרגיה ממקום למקום. בגל

עד לאינסוף, האנרגיה הכללית היא מתמטי-מישורי תיאורטי, שרוחבו משתרע באופן עקרוני

"אינסופית", ובמציאות לא יכול להתקיים גל כזה ממקורות סופיים. עם זאת יש למושג "גל

מישורי" שימוש לשם תיאור גלים מציאותיים כסופרפוזיציה של גלים מישוריים, וכן לשם

יש טעם קירוב מתמטי לתיאור תכונות גלים במרחק רב מאד ממקור השידור שלהם. לכן

לדון רק בצפיפות שטף ההספק ליחידת שטח במישור הניצב לכיוון ההתפשטות. ניתן

השטף הרגעי של ההספק ליחידת שטח )ביחידות של וואט למטר מרובע, צפיפות שלהראות

א:יה (MKSA (SI) unitsבמערכת

(4.2.15) ( , ) ( , ) ( , )S r t r t H rE t

.Poyntingנקרא וקטור Sזאת בתיאור זמני ממשי מלא. הווקטור

–בדומה לחישוב הספק ממשי במעגל חשמלי לזרם חילופין –זורי יש לרשום בתיאור פא

על פני זמן מחזור: הממוצעאת צפיפות שטף ההספק

(4.2.16) 1

Re2

avS E H

מבהיר מייד לאן פונה שטף ההספק בגל H-ו Eהשימוש בכפל וקטורי בין השדות

משום שמכפלה ווקטורית מוגדרת kל האלקטרומגנטי, כיוונו מזדהה עם כיוון התפשטות הג

על פי כלל הבורג הימני.

בגל מישורי אין ההספק זורם לצדדים ואינו סוטה מכיוון התפשטות הגל, ולכן נשמרת

עוצמתו לאורך ציר ההתפשטות. רק מופע השדה משתנה לאורך הציר.

( נוכל לבטא את שטף ההספק הממוצע הנ"ל ליחידת 2.3A.הקשר ) את Hאם נציב במקום

:חתך, בעזרת גודלו של השדה החשמלישטח

(4.2.17)2

0

1ˆ

2av

ES z

וכאשר הגל מקוטב אליפטית, ורכיבי השדה החשמלי בכיווני הצירים הראשיים של האליפסה

נוכל לרשום את שטף ההספק בגל: 2E-ו 1Eהם

(4.2.18)2 2

1 2

0

1ˆ

2av

E ES z

2במקרה זה הגודל 2

1 2E E E .הוא עוצמת השדה החשמלי בגל האלקטרומגנטי

of 104


A.2.5 :גל כדורי

לו הייתה בידינו אנטנה "נקודתית" הקורנת גלים אלקטרומגנטיים כך ששטף ההספק אחיד

בכל הכיוונים )"אנטנה איזוטרופית"(, היה חוק שימור האנרגיה מחייב שוויון כלל ההספק

סביב המקור: 2r -ו 1rפות כדוריות ברדיוסים מבעד לקליTotalPהשוטף

(4.2.19) 2 2

1 1 2 2( ) 4 ( ) 4 TotalS r r S r r P

המסקנה היא שבגל כדורי פוחתת צפיפות שטף ההספק לפי ריבוע המרחק מן המקור:

(4.2.20)2

( )4

TotalPS r

r

לבין כיוון H-ו Eבגל כדורי, כמו בגל מישורי, מתקיים הקשר בין כיווני השדות

kטות המקומי, דהיינו הכיוון הרדיאלי, שהוא כיוון הווקטור ההתפש kr ואף כיוון

Sהווקטור Sr .

A.2.17כמו כן מתקיים גם הקשר בין עוצמות השדות לבין שטף ההספק, ולכן )מתוך הביטוי

לפי המרחק מן המקור:לעיל( מתקבל שבגל כדורי פוחתת עוצמת השדה החשמלי

(4.2.21)1

( )E rr

בדומה להתנהגות rבתיאור פאזורי של גל כדורי כלולה גם התנהגות המופע עם המרחק

במקרה החד ממדי:

(4.2.22)0 0( )

jk r jkr

Ee e

r E Er r

קיים קשר פשוט בין עוצמת השדה בגל כדורי לבין סך כל ההספק המשודר בו, מתוך

( לעיל: A.2.20 )-( ו A.2.17הביטויים )

(4.2.23)

2

2

0

( )1( )

2 4

Totalav

E r PS r

r

ומכאן מתקבל הקשר:

(4.2.24)0 120 30

( ) 2 2 24 4

Total Total TotalP P PE r

rr r

וכיוון ההתפשטות H-ו Eלגבי קיטוב הגל הכדורי יש להדגיש שתנאי הניצבות ההדדי, בין

, גורם לכך שבכל נקודה על מעטפת כדור סביב מרכז הגל יתקבל קיטוב בכיוון rהרדיאלי

r)ואיתו ווקטור יחידה rזאת משום שווקטור הרדיוס ;שונה, בניגוד למצב בגל מישורי

בכיוון הרדיוס( משנה את כיוונו מנקודה לנקודה, וכמוהו גם שני וקטורי הבסיס הנותרים

ˆכדורית תבמערכת קואורדינטו ˆ , שהם ניצבים זה לזה ולווקטור הרדיוס ,r .

ורי אידיאלי, משום שלא קיימת "אנטנה בפועל לא ניתן ליצור גל אלקטרומגנטי כד

איזוטרופית" אידיאלית, אך המושגים הכרוכים בגל כדורי שהובאו לעיל מנוצלים בתכנון

מאזני ערוצי תקשורת, שם הם משמשים כמודל שאליו מיוחסים גלים הנוצרים באנטנות

אמיתיות.

of 104


ותיאום עכבות: קווי תמסורת חזרה על –' נספח ב

B.1 כללי:

, "תקשורת אלחוטית 73ח זה מורכב מסעיפים נבחרים מתוך חוברת ניסוי מספר נספ

מתקדמת".

: לקו תמסורת הגדרה

כל זוג מוליכים בעלי אורך מסוים הבנויים באופן אחיד כך שאין שוני בחתך הניצב לכיוון

האורך שלהם מהווים קו תמסורת .

פי -. בד"כ הם מסווגים על ינההמטרה בקווי תמסורת , העברת אנרגיה בלא שתתקיים קר

האימפדנס האופייני oZ .ורוחב הסרט של האותות שניתן להעביר בהם

התכונות של קווי התמסורת תלויות בגיאומטריה , באיכות המוליכים ובסוג התווך שהם

נתונים בו.

C - המוליכים 2קבול ליחידת אורך ביןpfm

L - השראות ליחידת אורך של המוליכיםhym

R - ליחידת אורך אוהמיתהתנגדותm

g - המוליכות )ההיפך מהבידוד( ליחידת אורךSimensm

פרמטרים נוספים המעניינים את המשתמש בקווי תמסורת :

)*( הניחות ב-dB ,דרש שיהיה לוי באיכות החומרים ותדר העבודה . ליחידת אורך

. ימינימאל

)*(gf גבוה עד כמה שאפשר . שיהיה תלוי בצורת המבנה . –תדר הקטעון

)*( הגנה על האות העובר בכבל מפני הפרעות אלקטרומגנטיות חיצוניות )בקליטה( וכן

מניעת זליגה של אותות , אל מחוצה לו . ) יצירת הפרעות אל הסביבה במצב של שידור (

.

B.2 : קווי תמסורת מקובלים

כבלי קואקס גמישים ומוקשחים , בד"כ גליליים 0 50Z מתאים לרוב ציודי המדידה .

CATV -אום המשמשים ב 75, 60אום . קיימים גם אימפדנסים של 50שהינם RF -ב

ר הקטעון גמישים עד לתדלמרות שניתן להשתמש בכבלי קואקס .)רשתות הכבלים( gf ,

.עקב ניחותים גבוהים 5Ghzלא משתמשים בהם מעבר לתדר של

מלבן , ריבוע , עגול ועוד . –בו בצורות שונות -גל

התכונה העיקרית שלהם היא תדרי עבודה גבוהים וניחותים קטנים.

Microstrip ,Stripline מוליכים המודפסים על מצעים ובאים לחבר בין רכיבים/תת ,-

מערכות על אותו מצע .

of 104


קווי תמסורת.סוגי : B.1תרשים.

B.3 הדרישה לתאוריית קווי תמסורת:

חוקי קירכהוף המקובלים תאמו כל עוד אורך הגל של האות הינו גדול ביחס לגודל הפיסי

של הרכיבים במעגל )רכיבים מקובצים( .

לכל אורכו של המוליך 1Vמוליך חסר הפסדים מאולץ בקצהו מקור מתח סינוסי של לדוגמא

אורך הגל גדול ביחס לאורך המוליך. כאשר אורך הגל קטן מאורך כל עוד 1Vנמדוד

המוליך, ניתן למדוד בין קצותיו מתחים שונים .

מכאן הצורך בניתוח כל המושגים שידונו בהמשך כגון: מקדם החזרה מעומס. ייחס גלים

עומדים לאורך הקו, אימפדנס אופייני ועוד.

רה התמרת רשתות מקובצות לרשתות מכאן תחילתה של תורת הרשתות המפולגות שעק

מפולגות הניתנות למימוש בעזרת קווי תמסורת .

רכיב מפולג הינו פונקציה מחזורית של התדר . חסרון:

B.4 מעבר גל אלקטרומגנטי בחומר

כי הגל האלקטרומגנטי אינו מתפשט במרחב חופשי , אלא בחומר עקרם של קווי תמסורת

דיאלקטרי.

ורכיבים ווקטורים Zהמתפשט בכיוון גל הינו TEMחב חופשי גל גל אלקטרומגנטי במר

. ווקטורי השדה ניצבים לכוון התפשטות הגל Yובכיוון Xחשמלי ומגנטי בכוון

cosX OXE E t z

cosy OyH H t z

2

- התפשטות הפאזהמקדם

- אורך הגל

c - מרחב חופשי.במהירות התפשטות הגל –מהירות האור

pcטת. אמו pvבמעבר בחומר מהירות הגל v תדר הגל אינו משתנה כלומרw-לא משתנה

of 104


קטן אך עקב הקטנת המהירות אורך הגל

0 0 0 0r r

0 0

1 1pf v c

B.5 עבור מעגלי מיקרוגל משולביםבסיסיות תאום שיטות

B.5.1 שנאי רבע אורך גלתאום

בעל אורך icrostripMכנסת קוו התאום מתבצע ע"י ה זו Inline-בשיטת 4

רוחב ו

)בשלב זה לא ידוע ( המקיים w מתאיםgZ במרחקL תרשים . מהעומס(2B. )

שנאי רבע אורך גל מקיים 2

g in LZ Z R . בערכים ממשיים

inZ ההתנגדות שרוצים לראות בכניסה לשנאי

LR ההתנגדות שמעמיסה את השנאי

gZ האימפדנס האופייני של השנאי

B.2תרשים.

שנאי רבע :

אורך גל

קוו התמסורת 0 50Z באורךL העומס בעל צורה להעביר את משמש בכדי

L T TZ R i X לערך ממשיLR (L רלכיוון הגנראטו י= המרחק המינימאל) השנאי .

4

-בצע טרנספורמציה ממLR 50 -לinZ )או התנגדות ממשית מבוקשת אחרת(.

100יש לבצע תאום ע"י שנאי רבע אורך גל לעומס דוגמא מספרית : 125LZ j

( . B.3תרשים 1)נקודה ה)*( הצג את נקודת העומס על הדיאגראמ

של העומס הנתון()גודל מקדם ההחזרה ל )*( צייר את המעגל ש

)*( מדוד את המרחק עד לנקודה הראשונה )עם כיוון השעון( בה המעגל חותך את הציר

( . מרחק זה הוא המרחק מהעומס בו צריך להכניס את B.3תרשים 2הממשי )נקודה

השנאי

of 104


0.039L 5.4 0LR j

B.3 תרשים

א דוגמ

מספרית

י הנוסחה)*( נחשב לפg in LZ Z R האימפדנס של השנאי את

4 .

1 5.4 2.32 50*2.32 116.2g gZ Z

, ניתן AWRשל Xline ושימוש במחשבון כגון Zg)*( מתוך הערך של האימפדנס

שנאי ל Wלמצוא את הרוחב הדרוש 4

.

of 104


הגדרות תקניות לשבח אנטנה - 'גח נספ

בעולם המודרני, שהוא טכנולוגי מסחרי באופיו, מתגלעים לעתים קרובות סכסוכים בין מזמין

את ההגדרות להכירעמידה במפרטי שבח שנדרשו. לפיכך חשוב -ליצרן אנטנות על אי

ערך -צו ע"י גופים רבים בעולם. הגדרות שוותואומ IEEEהתקניות, שנקבעו ע"י ארגון

Farfield 5.2.3של התוכנה, בפרק HELP)בתוך CSTלאלה מופיעות גם בתוכנת

Overview בסעיף ,Some Farfield Terms אשר בה ניעזר בסימולציות במהלך הניסוי )

.באנטנות במעבדה

IEEE Standard Definitions of Terms for Antennasמתוך

גדרות התקניות מביאות בחשבון את שלבי ההזנה דרך קו התמסורת ועד לאנטנה, עם כל הה

תיאום עכבות שבדרך ועם כל גורמי ההפסדים, לרבות תרומות חלקיות ברכיבי -גורמי אי

קיטוב )מסומנות באותיות קטנות בצד התחתון של תרשים הזרימה(. התרשים הבא ממחיש

את הגישה הנהוגה בתקן:

: תרשים זרימה להגדרות תקניות לשבח ולכיווניות אנטנותC.1תרשים

AP = power available from the generator

MP = power to matched transmission line

OP = power accepted by the antenna

RP = power radiated by the antenna

I = radiation intensity

NI = partial radiation intensity

1M = impedance mismatch factor 1

2M = impedance mismatch factor 2

= radiation efficiency

RG = realized gain

G = gain

of 104


D = directivity

Rg = partial realized gain

g = partial gain

d = partial directivity

p = polarization efficiency

יפות שטף ההספק הנקרן ליחידת זוית מרחבית ( הוא צפradiation intensity) Iהגודל

)2)בשדה רחוק( ומקביל למכפלה , )S r המופיעה אצלנו בביטויי הכיווניות והשבח

בסעיפים הקודמים.

"זרימת" ההספק בתרשים היא משמאל לימין מהמקור דרך קו תמסורת אל האנטנה, וממנה

סדים השונים בדרך כופלים את ההספק ומפחיתים התיאום וההפ-מקדמי אי ;קרינה למרחב

אותו בכל שלב.

בהתאם לתרשים הזה, להלן ההגדרות המילוליות המחייבות כפי שהן מנוסחות בתקן

IEEE:

2.107 directivity (of an antenna) (in a given direction). The ratio of the

radiation intensity in a given direction from the antenna to the radiation

intensity averaged over all directions.

NOTES

1—The average radiation intensity is equal to the total power radiated by the antenna

divided by 4 .

2—If the direction is not specified, the direction of maximum radiation intensity is

implied.

2.108 directivity, partial (of an antenna for a given polarization). In a given

direction, that part of the radiation intensity corresponding to a given

polarization divided by the total radiation intensity averaged over all

directions.

NOTE—The (total) directivity of an antenna, in a specified direction, is the sum of the

partial directivities for any two orthogonal polarizations.

2.165 gain (in a given direction). The ratio of the radiation intensity, in a given

direction, to the radiation intensity that would be obtained if the power

accepted by the antenna were radiated isotropically. Syn: absolute gain

(of an antenna).

NOTES

1—Gain does not include losses arising from impedance and polarization mismatches.

2—The radiation intensity corresponding to the isotropically radiated power is equal to

the power accepted by the antenna divided by 4 .

3—If an antenna is without dissipative loss, then in any given direction, its gain is equal

to its directivity.

4—If the direction is not specified, the direction of maximum radiation intensity is

implied.

5—The term absolute gain is used in those instances where added emphasis is required

to distinguish gain from relative gain; for example, absolute gain measurements.

of 104


2.166gain, partial (of an antenna for a given polarization). In a given

direction, that part of the radiation intensity corresponding to a given

polarization divided by the radiation intensity that would be obtained if

the power accepted by the antenna were radiated isotropically.

NOTE—The (total) gain of an antenna, in a specified direction, is the sum of the partial

gains for any two orthogonal polarizations.

2.189 impedance mismatch factor. The ratio of the power accepted by an

antenna to the power incident at the antenna terminals from the

transmitter.

NOTE—The impedance mismatch factor is equal to one minus the magnitude squared

of the input reflection coefficient of the antenna.

2.308 radiation efficiency. The ratio of the total power radiated by an antenna

to the net power accepted by the antenna from the connected transmitter.

2.310 radiation intensity. In a given direction, the power radiated from an

antenna per unit solid angle.

2.321 realized gain. The gain of an antenna reduced by the losses due to the

mismatch of the antenna input impedance to a specified impedance.

NOTE—The realized gain does not include losses due to polarization mismatch

between two antennas in a complete system.

2.322 realized gain, partial (of an antenna for a given polarization). The

partial gain of an antenna for a given polarization reduced by the loss due

to the mismatch of the antenna input impedance to a specified impedance.

RG( לעיל מקביל להגדרה של 4.12.שהגדרנו בביטוי ) שבח האנטנהחשוב לציין כאן ש

realized gain .נצילותה בתקן e ( לעיל מקבילה למכפלה 4.22.שהגדרנו בביטוי )

2M " בתרשים הזרימה שבתקן, דהיינו מכפלתimpedance mismatch factor 2="

2M "בradiation efficiency="ות יותר מהמונחים קפדניהתקניות הן . ההגדרות

התיאום בין המשדר -השגורים מפני שהן מבחינות בכל מרכיבי ההפסדים בנפרד: הפסדי אי

התיאום בין קו התמסורת לבין המבוא לאנטנה -(, הפסדי אי1Mלקו התמסורת )המקדם

.ה באנטנה עצמה(, והפסדי הקרינ2M)המקדם

of 104


:מקורות

פרופ' של ”Antennas and Radiation“חוברת עזר זו מבוססת בחלקה על חומר הרצאות

ופרסומים נוספים: בפקולטה להנדסת חשמל בטכניון, וכן על ספרי לימוד אחדים יהודה לויתן

[1] Antenna Handbook, Y. T. Lo and S. W. Lee, eds., Van-Nostrand

Reinhold Company, New-York, 1988.

[2] Antennas (2nd ed.), John D. Kraus, McGraw-Hill Book Company,

International Edition, Singapore, 1988.

[3] Antenna Theory, Analysis and Design, Constantine A. Balanis, John

Wiley & Sons, Inc., New York, 2005.

[4] Microwave Antenna Theory and Design, Samuel Silver, ed., Boston

Technical Publishers, Inc., 1964.

[5] IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to

Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz, IEEE Std

C95.1™-2005.

[6] IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std 145-

1993.

[7] “On the Relationship Between the Transmitting and Receiving

Properties of Antennas”, A. Schatzberg and Y. Leviatan, IEEE Trans.

Education, Vol. 32, No. 4, Nov. 1989.

התקנים פאסיביים, ניסוי –יך ניסויי מעבדה בתקשורת אלחוטית מתקדמת חוברת תדר[ 8]

ף תשס"ד. הפקולטה להנדסת חשמל, חור –, המעבדה לתקשורת, הטכניון 73מס'

[9] Microstrip Printed Antenna Design, (2nd ed.), Randy Bancroft, SciTech

Publishing, Inc., 2009.

[10] The ARRL Antenna Book, (14th ed.), Gerald L. Hall, ed., The

American Radio Relay League, Inc., 1984

[11] Peter P. Viezbicke, Yagi Antenna Design , NBS Technical Note 688,

December 1976 , url: https://tf.nist.gov/general/pdf/451.pdf

https://tf.nist.gov/general/pdf/451.pdf

of 104


[ "טווחי בטיחות ורמות חשיפה מרביות מותרות לעניין קרינה בתדרי רדיו", ד"ר 12]

, מדינת ישראל, 2006 –ממונה לעניין חוק הקרינה הבלתי מייננת, התשס"ו –סטילאן גלברג

המשרד להגנת הסביבה, אגף מניעת רעש וקרינה, בקישור:http://www.sviva.gov.il/subjectsEnv/Radiation/Communication_Facilities/Radio/Documents/saf_krina_1.pdf


:הדבעמ יוסינ תויסיסב תודידמו תויצלומיס -...

Documents

Transcript of :הדבעמ יוסינ תויסיסב תודידמו תויצלומיס -...