vafek_diplomova_prace

7/24/2019 vafek_diplomova_prace

1/76

ESK VYSOK UEN TECHNICK V PRAZE

Fakulta elektrotechnick

DIPLOMOV PRCE

2013 Bc. Tom Vafek


2/76

ESK VYSOK UEN TECHNICK V PRAZE

Fakulta elektrotechnick

Katedra elektromagnetickho pole

Parametrick studie a nvrh quadrifilrn

roubovicov antny

kv!ten 2013 Student: Bc. Tom Vafek

Vedouc prce: Ing. Tom Ko"nek, Ph.D.


3/76

estn prohlen

Prohlauji, e jsem zadanou prci zpracoval sm s pispnm vedoucho prce

a konzultanta a pouval jsem pouze literaturu v prci uvedenou. Dle prohlauji, e

nemm nmitek proti pjovn nebo zveejovn m prce nebo jej sti sesouhlasem katedry.

Datum: 10. 05. 2013

..

podpis studenta


4/76


5/76

Podkovn

Dkuji vedoucmu prce Ing. Tomi Konkovi Ph.D. za odborn veden, podntn

informace a pipomnky ke zpracovn tto prce a Ing. Janu Eichlerovi za cennou

konzultaci a rady k simultoru elektromagnetickho pole.

Dle tak dkuji vem, kte mi spracpomhali nap. vytvoenm pjemnho

pracovnho prosted nebo i cennmi radami, nzory a pipomnkami ke zpracovn prce,

dky kterm jsem dovedl svou prci do konenho stavu.


6/76

Anotace:

Tato diplomov prce se zabv studi a nvrhem quadrifilrn roubovicov antny

z hlediska jejho vyuit vsystmech druicov navigace. Soust prci je i realizace

navren antny a dle men jejch elektrickch parametr.

Klov slova:

quadrifilrn, roubovice, antna, parametrick studie, druicov navigace, nvrh,

realizace, men

Summary:

This diploma thesis follows up study and design of quadrifilar helix antenna in relation to

its use in satellite navigation systems. The work also includes the realization of the

proposed antenna and measuring its electrical parameters.

Keywords:

quadrifilar, helix, antenna, parametric study, satellite navigation, design, realization,

measuring


7/76

7

Obsah

OBSAH .................................................................................................................................. 7

POUIT ZKRATKY A SYMBOLY ................................................................................ 10

1. VOD ........................................................................................................................ 12

2. GLOBLN DRUICOV POLOHOV SYSTM............................................... 13

2.1

STRUKTURA .................................................................................................. 13

2.1.1 Kosmick segment.............................................................................. 13

2.1.2 dc segment..................................................................................... 13

2.1.3 Uivatelsk segment............................................................................ 13

2.2 PRINCIP UREN POLOHY ............................................................................... 14

2.2.1 Dopplerovsk metoda.......................................................................... 14

2.2.2 Dlkomrn metoda............................................................................. 14

2.3 NEJROZENJ SYSTMY DRUICOV NAVIGACE...................................... 14

2.3.1

NAVSTAR GPS .................................................................................. 14

2.3.2

GLONASS ........................................................................................... 15

2.3.3 GALILEO ............................................................................................ 15

3. JEDNODUCH ROUBOVICOV ANTNA....................................................... 16

3.1

ANALYTICK POPIS ROUBOVICE.................................................................. 16

3.2 NORMLN MD ............................................................................................ 18

3.3

AXILN MD ................................................................................................ 20

3.4

KNICK MD.............................................................................................. 22

4. QUADRIFILRN ROUBOVICOV ANTNA (QHA)...................................... 24

4.1

PEDSTAVEN QHA ...................................................................................... 24

4.2

FUNKCE QHA ............................................................................................... 25

4.3 ANALYTICK POPIS QHA ............................................................................. 27

4.3.1 Elektrick pole roubovicovch prvk................................................ 28

4.3.2 Elektrick pole vodorovnch ramen.................................................... 30

4.4 PARAMETRY QHA ........................................................................................ 31

4.4.1 Dlka vinut a axiln vka................................................................ 31

4.4.2

Prmr................................................................................................. 31


8/76

8

4.4.3 hel stoupn ....................................................................................... 31

4.4.4 Poet zvit......................................................................................... 32

4.5

NAPJEN QHA ............................................................................................ 32

4.5.1 Pkov vazebn len a 180 hybrid................................................... 33

4.5.2 Wilkinsonv dli................................................................................ 34

4.5.3 Diskrtn hybridn leny...................................................................... 34

4.5.4 Nekonen symetrizan len.............................................................. 35

4.5.5 Samofzovac napjen........................................................................ 36

5. PARAMETRICK STUDIE QHA ........................................................................... 39

5.1

MODEL QHA ................................................................................................ 39

5.2

VSLEDKY PARAMETRICK STUDIE.............................................................. 40

5.2.1 Prmr roubovice ............................................................................... 41

5.2.2 Axiln dlka....................................................................................... 43

5.2.3 Poet zvit......................................................................................... 45

5.2.4 Prmr vodie ...................................................................................... 47

6. NVRH QHA ............................................................................................................ 49

6.1 VCHOZ ROZMR ANTNY........................................................................... 49

6.2 MONOSTI REALIZACE.................................................................................. 49

6.2.1 Jednoduch QHA snapjec st.......................................................... 49

6.2.2 Modifikovan samofzovac metoda................................................... 53

7. REALIZACE A MEN PROTOTYPU QHA ....................................................... 59

7.1 VROBA ANTNY .......................................................................................... 60

7.2

MEN ANTNY ........................................................................................... 61

7.2.1

Vstupn pizpsoben........................................................................... 62

7.2.2

Polarizace............................................................................................. 62

7.2.3 Smrov charakteristika a zisk............................................................ 64

7.3 ZHODNOCEN REALIZOVAN ANTNY........................................................... 66

8. ZVR...................................................................................................................... 68

9. SEZNAM POUIT LITERATURY........................................................................ 70

10. PLOHY.................................................................................................................. 73


9/76

9

I.

SEZNAM OBRZK ........................................................................................ 73

II. SEZNAM TABULEK........................................................................................ 75

III.

SAMOSTATN PLOHA ................................................................................. 76


10/76

10

Pouit zkratky a symboly

A plocha smyky

AR osov pomr

c rychlost svtla,

D prmr smyky

E intenzita elektrickho pole

EHi intenzita elektrickho pole roubovicovch prvk QHA

ERn intenzita elektrickho pole horizontlnch prvk QHA

E! ! sloka intenzity elektrickhopole

E!H ! sloka intenzity elektrickho pole jednoho roubovicovho

prvku

E!Hi ! sloka intenzity elektrickho pole roubovicovch prvk QHA

E!Rn ! sloka intenzity elektrickho pole horizontlnch prvk QHA

E" " sloka intenzity elektrickho pole

E"H " sloka intenzity elektrickho pole jednoho roubovicovho

prvku

E"Hi " sloka intenzity elektrickho pole roubovicovch prvk QHA

E"Rn " sloka intenzity elektrickho pole horizontlnch prvk QHA

f frekvence

find rezonann frekvence vt induktivn smyky

fkap rezonann frekvence men kapacitn smyky

fL1 frekvence psma L1 GPS

GNSS globln druicov polohov systm

GPS globln polohov systm

I proud

I0 amplituda proudu

Im proud tekouc men smykou samofzovac QHA

Iv proud tekouc vt smykou samofzovac QHA

j imaginrn jednotka

k vlnov slo,

L dlka diplu

l1 dlka kratch prvk kruhovho lenu


11/76

11

l1 dlka svislch prvk pkovho lenu

l2 dlka delch prvk kruhovho lenu

l2 dlka vodorovnch prvk pkovho lenu

lE dlka roubovicovho prvku

lP axiln dlka roubovice

LT celkovdlka roubovice

MEO stedn obn drha

N poet zvit

p fzov rychlost vlny

PTFE polytetrafluorethylen , teflon

QHA quadrifilar helix antenna, quadrifilrn roubovicov antna

R odpor, rezistance

r vzdlenost bodu pozorovn od potku souadnic

r vzdlenost zdroj od potku souadnic

RL return loss, ztrty odrazem

XC kapacitn reaktance

XL indukn reaktance

Y admitance

Z impedance

Z0 charakteristick impedance

ZV1 impedance svislch prvk pkovho lenu

ZV2 impedance vodorovnch prvk pkovho lenu

! hel stoupn roubovice

" hel stoupn QHA

# permitivita

$ vlnov dlka

% permeabilita

& Ludolfovo slo, = 3,14159

polomr roubovice

azimutln souadnice libovolnho bodu

! hlov frekvence, = 2!f


12/76

12

1.vod

Vposlednch letech dolo kvraznmu nrstu vyuit druicov navigace. Zvlt

pak po 1. kvtnu 2000, kdybyla zruena umle vkldanodchylka do systmu GPS atm

se zvila jeho pesnosta dodu jednotek metr i pro civiln uivatele. Systm GPS

nen jedinm systmem druicov navigace, nicmn je nejrozenj a pro vtinu

uivatel se tak stal synonymem pro druicovou navigaci.

Druicov navigace nachz uplatnn vmnoha oblastech lidsk innosti. Zejm

nejznmj aplikac druicov navigace nalezneme v doprav. A u vsilnin, kde

usnaduje jzdu a nalezen cle milionm idi, i vnmon nebo leteck doprav, kde

je vyuvna k zen provozu. Dalmi vznamnmi obory, kter vhojn me vyuvajdruicovou navigaci, jsou kupkladu stavebnictv, kde jsou tak zeny stavebn stroje,

nebo zemdlstv, kde navd zemdlsk stroje a pomh pi men pozemk. Systmy

druicov navigace slou i bnm uivatelm pi turistice nebo modern he zvan

geocaching.

Nesmrn dleitm hlediskem pro sprvnou funkci druicovch naviganch

systm je sprvn volba antny pijmae. Takov antna mus splovat nkolik

vznamnch kritri. Jeliko druicov navigan systmy funguj nejlpe, kdy jsousatelity rovnomrn rozloen po cel nebesk bni, mus antna poskytnout

rovnomrnou odezvu vcel horn hemisfe, a to jak v amplitud, tak i fzi, tzn., e

signl pijman od satelitu vzenitu mus bt stejn siln jako signl satelitu tsn nad

horizontem. Tm je eliminovna poteba pesnho zamen satelitu. Naopak signly

z nedoucch smr mus bt potlaeny. Jsou to napklad signly se zpornou elevac,

kter jsou odraeny od zem.

Dle antna mus bt schopn pijmat signly s pravotoivou kruhovou polarizac

ze vechsmr, v takovm ppadtotinezle na elevaci satelitu.

Dleit je i mal velikost a nzk hmotnost samotn antny, jeliko drtiv vtina

pijma jsou mobiln a uren kpenen vruce.

Ve uveden poadavky spluje quadrifilrn roubovicov antna (angl.

quadrifilar helix antenna, QHA), jejpopis, studie, nvrhi realizacejsou pedmtem tto

prce.


13/76

13

2.Globln druicov polohov systm

Clem tto kapitoly je tene strun seznmit sprincipem druicovch naviganch

systm, pro kter je konstruovna QHA. Vce informac lze nalztv literatue, nap. v[1]

a [2].

Globln druicov polohov systm (anglicky Global Navigation Satellite System,

GNSS)je sluba umoujc za pomoci druic prostorov urovn polohy s celosvtovm

pokrytm.

2.1Struktura

Systmy GNSS se skldaj ze t podsystm:

kosmick segment

dc segment

uivatelsk segment

2.1.1 Kosmick segment

Kosmick segment je tvoen druicemi, kter vyslaj signly se zakdovanmi

daji, pomoc kterch jsou zabezpeovny funkce systmu GNSS. Poet druic, jejich

obn doba a sklon krovnku zvis na konkrtnm druicovm systmu.

Kad druice je vybavena pijmaem, vyslaem, atomovmi hodinamia pstroji

sloucmi knavigaci. Druice pijm, zpracovv a uchovv informace pedvan

zpozemnho dcho centra, na zklad kterch koriguje svoji drhu, sleduje stav vlastnch

systm a podv osobinformace dcmu centru.

2.1.2 !dc segment

Hlavn st dcho segmentu jsou pozemn monitorovac stanice vykonvajc

nepetrit pozorovn druice. Poloha tchto stanic je znma spesnost na centimetry.

Clem celho dcho podsystmu je monitoring funkc kad druice, sledovn

a vpoet drhy druice, komunikace a zajitn pesnho chodu atomovch hodin na

druicch.

2.1.3 Uivatelsk segment

Uivatelsk segment tvo pasivn pijmae, kter pijmaj a dekduj signly

z druic a nsledn ztchto signlu vypotaj polohu uivatele.


14/76

14

2.2Princip uren polohy

V dnen dob se kuren polohy vyuvaj hlavn dv metody, Dopplerovsk

a dlkomrn.

2.2.1

Dopplerovsk metoda

Jak u nzev napovd, jejm zkladem je tzv. Dopplerv jev: pohybuj-li se vi

sob zdroj a pijma signlu, pak se li kmitoet vyslan od kmitotu pijatho.

Druicese pohybuje po obn drzea vysl asov znaky a daje o parametrech

sv drhy, ze kterch pijmapot polohu druice.

Pijma obsahuje osciltor pracujc na stejn frekvenci jako vysla druice. Jeho

signl je smovn se signlem pijatm. asov znaky slou k ovldn tae, kterpot periody rozdlovho kmitotu. Z uvedench daj meme po proveden alespo t

men vypotat polohu pijmae.

2.2.2 Dlkom!rn metoda

Dlkomrn metoda je nejastji vyuvanm zpsobem men polohy pomoc

druic. Ze znalosti souadnic druic a vzdlenosti uivatelova pijmae od jednotlivch

druic, meme polohu uivatele urit eenm soustavy t rovnic pro ti neznm

(vpoet prseku t kulovch ploch).

Souadnice druic jsou zakdovny ve vyslanm signlu jednotlivch druic, tzv.

navigan zprv.

Vzdlenost od druice se zjiuje pomoc men doby zpodn na trase satelit

pijma.

2.3

Nejroz"en!j systmy druicov navigace

2.3.1 NAVSTAR GPS

V dnench dnech nejdleitjm a nejrozenjm systmem druicov navigace

je NAVSTAR GPS (znmj jen jako GPS) provozovan armdou Spojench stt

americkch. Pesnost systmu je vdu jednotek metr.

GPS doshlo pln operan dostupnosti vroce 1994 a od roku 2000, kdy byla

zruena uml chyba men, je dostupn splnou pesnost i pro civiln uivatele.


15/76

15

2.3.2 GLONASS

Dalm systmem je GLONASS, kter byl vyvinut vtehdejm SSSR a dnes je

provozovn armdou Rusk federace. Pesnost je obdobn jako uGPS. Systm stle nen

vpln operan dostupnosti.

2.3.3 GALILEO

GALILEO je plnovan navigan systm Evropsk unie. Pesnost by mla bt

srovnateln se systmy GPS a GLONASS. Systm GALILEO by ml zat poskytovat

prvn sluby do konce roku 2014, pln funkn by ml bt na pelomu let 2019 a 2020, kdy

by mlo bt na obn drze vech 30 satelit.

Tab. 1Parametry druicovch systm

nzev sttvypoutn

druic

poet druic

inklinacepoet

polrnchdrah

vkaorbitu[km]

dobaobhu

[hh:mm]plnovanve

slub

NavstarGPS

USA 1978 24+3 31 55 620 200MEO

11:58

Glonass Rusko 1982 24 21 65 319 100MEO

11:15

Galileo EU 2006 27+3 4 56 323 200

MEO14:05


16/76

16

3.Jednoduch roubovicov antna

Abychom snze a hlavn sprvn pochopili funkci quadrifilrn roubovicov

antny, musme zat jednodu strukturou. Tou je jednoduch roubovicov antna, ze

kter QHA vpodstat vychz.

roubovicov antna (anglicky helical antenna nebo jednodue helix) je antna

spostupnou vlnou, se stednm ziskem, pevn relnou vstupn impedanc a vaxilnm

mdu skruhovou polarizac a velkou kou psma.

Velkou vhodou roubovicov antny je jej kruhov polarizace. Lze ji toti pout

pro pjem vertikln i horizontln polarizovan vlny. Antna samozejm umouje

ipjem kruhov polarizovan vlny, a to bu pravotoiv, nebo levotoiv. Smysl kruhov

polarizace je dn smrem navinut zvit.

Jednoduch roubovicov antna vyzauje ve tech rznch mdech, normlnm

(nebo normlovm), axilnm (nebo tak osovm)a knickm.

3.1Analytickpopis roubovice

Pro nae ely je vhodn roubovici vsouadnm systm nasmrovat podl osy z.

Geometrick uspodn roubovice je vidt na Obr. 1, kde !je polomr roubovice; Sje

vzdlenost mezi zvity; Ldlka jednoho zvitu; ! je hel stoupn; Z0je vka potku

roubovice; je jednotkov vektor ve smru vinut[3].

Obr. 1 Geometrick uspodn roubovice


17/76

17

Linii roubovice meme popsat vektorem

(1)

kter ukazuje zpotku souadnic na kterkoliv bod na roubovici.

Souadnicexayjsou dny rovnicemi

(2)

(3)

Vzdlenost mezi zvity meme zapsat jako . Souadnicezje potom dnarovnic

(4)kde lje vzdlenost podl roubovice ve smru vektoru . Kombinac tchto rovnic zskmerovnici

(5)

kter popisuje kterkoliv bod na roubovici. Jednotkov vektor popisujc liniiroubovice je definovn jako

(6)Z Obr. 1je patrn, epolomr roubovicevypoteme jako

(7)Dosazenm rovnice (7) do (5) a vsledku do rovnice (6) a jej pravou zskme vraz pro

jednotkov vektor

(8)


18/76

18

Nakonec meme vyuitm rovnic

(9)

(10)

pepsat jednotkov vektor do cylindrickch souadnic

(11)

3.2Normln md

Limitn ppady roubovice jsou linern a smykov antna. Za podmnky, e hel

stoupn ! = 0 je vinut zplotl a roubovice se tak redukuje na smykovou antnus N zvity. Naopak pi ! = 90 se roubovice redukuje na linern vodi. Skuten

roubovice se zformuje pro hel stoupn vrozmez 0 < ! < 90.

Obr. 2 roubovicov antna a jej model

Z tto skutenosti vychz model antny na Obr. 2, kter je sloen zN malch

smyek a N krtkch dipl. Pole ve vzdlen oblasti tak meme popsat jako souet

pspvk smyek a dipl.

Vzhledem k tomu, e rozmry roubovice jsou mal, proud vcel dlce roubovice

je konstantn vamplitud i fzi a tvar svazku ve vzdlen zn je nezvisl na potu

smyek a dipl.


19/76

19

V normlnm mdu je vyzaovan pole maximln vrovin kolm na osu antny

a minimln vose antny. Tento md se zformuje za podmnky, e obvod roubovice je

men ne vlnov dlka.

Obr. 3 Souvislost sloek pole se roubovic, diplem a smykou

Elektrick pole krtkho diplu m jen slokuE!a jeho hodnota je dna

(12)

kdeI je amplituda proudu protkajcho diplem;rje vzdlenost kbodu pozorovn;L je

dlka diplu.

Obr. 4 roubovice sloen zdipl" a smyek

Elektrick pole mal smyky m jen slokuE#a jeho hodnota je dna


20/76

20

(13)

kde

(14)

je plocha smykyaDje prmr smyky.

Celkov pole roubovicov antny ve vzdlen zn zskme superpozic dlch pol

smyek a dipl.

(15)

Smrov charakteristika normlnho mdu pro ob sti pole ! a "

(16)

Obr. 5 Smrov charakteristika normlnhomdu

3.3

Axiln mdZpraktickho hlediska je vznamnj axiln md. Vtomto mdu existuje jenjeden

hlavn lalok a maximum vyzaovn je vose roubovice tak, jak jeschematicky naznaeno

na Obr. 6.


21/76

21

Obr. 6 Smrov charakteristika axilnho mdu

Pro vyjden elektrickho pole axilnho mdu neexistuj jednoduch analytick

rovnice.

Obr. 7 Vyzaovan sloky pole roubovic

Celkov elektrick pole meme pmo vypotat integrac pspvk proudovch

element po dlce roubovice. Pedpokldme, e proud je postupn vlna s konstantn

amplitudou. Proud v libovolnm mst roubovice meme zapsat jako

, (17)

kde lje dlka vodie zpotku klibovolnmu bodu na roubovici; substituce kvli

zjednoduen vrazu


22/76

22

; (18)

LTje celkov dlka roubovice;pje fzov rychlost vlny; je azimutln souadnicezdroje;

je azimutln souadnice bodu pozorovn;

je jednotkov vektor podl

roubovice

. (19)

Vektorovmagnetickpotencil vlibovolnm bod vprostoru je dn

(20)

kde aje polomr roubovice; a kvli zjednoduen vrazu substituce

; (21)

. (22)

Nakonec meme vyjditslokya elektrickho pole jako

(23)

(24)

Celkov pole roubovicov antny ve vzdlen zn zskme superpozic dlch pol

(25)

3.4Knick md

Poslednm mdem roubovicov antny je tzv. knick md, kter ale nen pli

asto pouvan. Jak je vidt zObr. 8, antna vyzauje do tvaru jakhosi V, kdy podl osy

antny je minimum vyzaovn, a maxima jsou vuritm hlu od osy.

Aby se knick md ve roubovici vybudil, mus bt obvod zvit vt ne vlnov

dlka !.


23/76

23

Obr. 8 Smrov charakteristika knickhomdu


24/76

24

4.Quadrifilrn roubovicov antna(QHA)

4.1Pedstaven QHA

Zkladn forma rezonann quadrifilrn roubovicov antnybyla vynalezena Dr. C.

C. Kilgusem z laborato aplikovan fyziky na John-Hopkinsovuniverzit vSilver Spring

ve stt Maryland, USA v roce 1968 a publikovna byla vprosinci 1970 v The Microwave

Journal [4].

QHA je sloena ze dvou bifilrnch vynut se spolenou osou, kter jsou na sebe

kolm. Kad zbifilrnch vynut je tvoen dvma identickmi roubovicovmi elementy

na spolen ose posunutmi vi sob o 180 a pn spojenmi.Dlka kadho takovho

elementu je , kde Mje cel slo. Je-li M lich, pak svorky naproti napjecm jsou

oteven, naopak pro sudMjsou nenapjec svorky zkratovan.

Obr. 9 Quadrifilrn roubovicov antna

Vznikla tak roubovicov struktura se tymi napjecmi svorkami. Kadou ze

svorek napjme signlem, kter je fzov posunut o 90 oproti pedchozmu. Prvn

svorku tedy napjme signlem bez fzovho posunu, druhou svorku signlem o 90

posunutm oproti prvnmu, signl na tet svorce je oproti prvn posunut o 180 a konen

tvrtou svorku napjme signlem s270 fzovm posunem oproti prvn svorce. Smr

jednotlivch vinut a poad napjecch svorek jsou dny poadovanou polarizac vlny,


25/76

25

levotoivou nebo pravotoivou. Zpsobm napjen se budeme podrobnji vnovat dle

v samostatn kapitole.

4.2Funkce QHA

Funkci QHA vysvtlme na struktue se zvitem dlky !/2. Jak ji bylo zmnno

ve, QHA je kombinac dvou bifilrnch roubovic se spolenou osou avzjemn

kolmch.

Jedna z monost, jak si takovouto bifilrn roubovici pedstavit, je vyjt ze

tvercov smyky o obvodu ! tak, jak je vidt na Obr. 10. Kad strana smyky je tedy

tvoena vodiem o dlce !/4 a napjec svorky jsou vytvoen peruenm smyky ve

stedu spodn strany. Zkad napjec svorky a kprotilehlmu bodu vede po obvodu

smyky vodi dlouh !/2 (na Obr. 10 oznaeno jako lE). Takovto smyka vyaduje

symetrick napjen.

Obr. 10 tvercov smyka

Nyn postoupme ve vytven QHA o dal krok. Pedstavme si vlec o prmru !/4

vloen do smyky tak, e napjec svorky budou leet na spodn podstav vlce. Pot

uchopme horn i spodn podstavu do rukou a otome horn podstavou o polovinu otky.

Vznikne struktura na Obr. 11. Vidme, e ob svisl strany tvercov smyky se staly

roubovic spolovinou zvitu ovinut okolo povrchu mylenho vlce. Vzhledem ktomu,

e dlka vodie pvodn svislch a nyn zakivench stran je stle stejn, dolo ke

zkrcen osov dlky lP, kter je nyn men ne !/4. Dle u jen zbv vzt identickou


26/76

26

smyku a pootoit ji o 90 kolem spolen osy a vznikne struktura z Obr. 9quadrifilrn

roubovicov antna.

Obr. 11 Bifilrn smyka

Dle se budeme zabvat zpsobem, jakm takov struktura vyzauje. tvercov

smyka sobvodem dlky ! je vpodstat skldan dipl, kdy horn dipl je napov

napjen spodnm diplem. Vtomto uspodn proudy vhorn i spodn stran smykyteou stejnm smrem, jak je vidt na Obr. 10. Horizontln polarizovan pole vytvoen

tmitoproudyjsou tak ve fzi. Tato dv pole spolen vytv klasicktvar svazku diplu.

Hlavn laloky se nachzej po obou stranch roviny smyky a jsou na n kolm. Msta, kde

antna nevyzauje, se objev po obou stranch horizontln osy mezi horn aspodn stranou

smyky.

Ve svislch stranch smyky proudy teou opanm smrem, a to jak v horn, tak

i spodn polovin. Vdsledku toho jsou vertikln polarizovan pole vytven obma

polovinami kad svisl strany vprotifzi. Jejich pspvky daj ve vsledku nulu ve vech

smrech.

Vbifilrnm vinut proudy vhorn a spodn stran teou opanm smrem

v dsledku fyzick rotace horn strany. Pole produkovan proudy jsou tak vprotifzi

a formuj osov vyzaovn.


27/76

27

Po stranch roviny tvoen horn a spodn stranou se pole pln vyru. Tud

bifilrn struktura po stranch nevyzauje, na rozdl od tvercov smyky, kter m

maximum vyzaovn prv vtomto smru. Klasick laloky osovho vyzaovn, kter

vzniknou v dsledku pspvk horn a spodn strany, se nyn objev vose od

vrcholu k zkladnantny. Takovto zen je horizontln polarizovan.

Proudy tekouc skrz roubovicov sti si zachovvaj stejn smr jako na Obr. 10.

Nicmn fyzick pozice kadho proudovho elementu vkroucench vertiklnch vodich

je nyn posunuta do nov pozice. To m za nsledek odlinou, ale odpovdajc pozici

a smrov vektor pro kad elementrn pole vytvoen proudy v roubovicovch

elementech. Podle oekvn souet vech tchto elementrnch pol vyst ve sloen pole

sestvajc zobou pol, zhorizontln ivertikln polarizovanho.

4.3Analytickpopis QHA

Jak ji bylo zmnno ve QHA, meme rozdlit na dv bifilrn roubovice

a kadou zbifilrnch roubovic lze rozdlit na dv jednoduch roubovice. Kvli

jasnjmu vysvtlen celkovho elektrickho pole vyzaovanho antnou rozdlme

takovouto jednoduchou roubovici na dv sti, jmenovit na roubovicovou st a dv

vodorovn ramena vzdlen od sebe o vzdlenost H. Integrln rovnice pro vyzaovn

multiprvkov roubovice byly odvozeny za pedpokladu, e je antna vyrobena z velmi

tenkho vodie, take proudov rozloen podl roubovicov sti je aproximovan

sinovou funkc. Elektrick pole vyzaovan vodiem sproudovm rozloenm je dno

rovnic (26).

(26)

kde

(27)reprezentuje vzdlenost zdroj od potku souadnic;

(28)je vzdlenost bodu pozorovn od potku souadnic; je hel mezi r a r; kje vlnov

slo a je hlov frekvence.


28/76

28

Celkov elektrick pole vyzaovan typrvkovou roubovicovou antnou pak

meme vyjdit jako

(29)

kde reprezentuje elektrick pole roubovicovch prvk a je elektrick polehorizontlnch vodi.

4.3.1 Elektrick pole roubovicovch prvk

Na Obr. 12 je zobrazen jeden roubovicov prvek QHA. Jedn se vlastn o vodi

ovinut kolem vlce o polomru da axiln dlceH. Pedpokldme, e vodi je dokonale

vodiv.

Obr. 12 Jeden roubovicovprvek QHA

V Obr. 12 je!hel stoupn; (r, ", #)jsou sfrick souadnice zdroj; (r, ", #)jsousfrick souadnice bodu pozorovn.

Proudov rozloen na roubovicov sti meme obecn zapsat jako

, (30)

kde

, (31)


29/76

29

, (32)

, (33)

Dosazenm a pravou dle [5] zskme popis proudu tekoucho roubovicovm

prvkem

, (34)

kdeNje poet zvit jednoho prvku;I0je amplituda proudu.

Znme-li proudov rozloen jednoho roubovicovho prvku antny, meme

vyjdit !a "slokyvyzaovanho elektrickho pole zrovnice (26) s vyuit rovnice (34)

a substituce

. (35)

Sloku " vyzaovanho elektrickho pole vyzaovan jednm roubovicovm

prvkempak meme zapsat jako

(36)

kdeNje poet zvit.

Sloku !vyjaduje rovnice

(37)

kter obsahujelenyKa, kterjsou kvli zjednoduen rovnic rozepsny ne.

(38)

jsou konstanty nezvisl na bodupozorovn a

(39)

vyjaduje geometrii roubovicov sti.


30/76

30

Stejn postup, kter jsme pouili u jednoho roubovicovho prvku, meme zobecnit

i pro ostatn roubovicov prvky. Musme vak mt stle na pamti pedpoklad, e

multiprvkov roubovice je tynsobn kruhov symetrick a prvky (1, 3) a (0, 2) jsou

napjeny kvadraturn. Sloky elektrickho pole roubovicovch prvk meme obecn

zapsat jako:

(40)

(41)

kde i = 0, 1, 2, 3je poadov slo roubovicovho prvku,

(42)

je sloka vyjadujc kvadraturn napjen.

Rovnice (40) a (41) obsahuj leny K1a i, kterjsou kvli zjednoduen rovnic

rozepsny zvl.

(43)

jsou konstanty nezvisl na bodu pozorovn a

(44)

vyjadujegeometrii roubovicov sti.

4.3.2 Elektrick pole vodorovnch ramen

Pedpokldme, e vodi je velmi tenk a dokonale vodiv, take proudov

rozloen je sinusov. Dle pedpokldme konstantn proudov rozloen na

horizontlnch ramenech IR = I0, to plat pi nahrazen

nebo pro

roubovici malho prmru (2d


31/76

31

, (46)

kde ; n = 0, 1, 2, 3je poadov slo horizontlnho prvku.

Vechny ve uveden rovnice obecn vyjaduj sloky elektrickho pole ve

vzdlen znvyzaovanho multiprvkovouroubovicovou antnou.

Celkov elektrick pole sloek a ! meme zapsat jako

(47)

4.4

Parametry QHA

Kritick parametry, kter uruj nebo ovlivuj vyzaovac charakteristiku QHA jsou

dlka vinut, axiln vka,prmr roubovice, hel stoupnapoet zvit.

4.4.1 Dlka vinut a axiln vka

Dlka vinut lEjednoho roubovicovho prvku QHA zahrnuje dlku roubovicov

sti a dlku vodorovnch ramen a do stedu pomyslnho vlce. Celkov dlka bifilrn

smyky mezi napjecmi svorkami je tedy2l

E.

Axiln vka lPje vka vyzaujc struktury. Vzhledem ke zkroucen smyky je

men nedlka vinut lE, jak je patrn zObr. 11.

4.4.2 Pr!m"r

Obecn meme ci, e v aplikacch, kde se spokojme snzkm ziskem,se sname

doshnout zkho prmru, zatmco pokud zle na vym zisku antny, preferujeme

vt prmry.

4.4.3 hel stoupn

Pokud jsou vechny ostatn parametry nastaveny optimln, m hel stoupn vliv

na ku svazku antny. Pi vym hlu stoupn vznik ir svazek s nim ziskem,

naopak pi nim hlu stoupn je dosaenouho svazku svt ziskem.


32/76

32

4.4.4 Poet zvit

Poet zvitNve roubovicov sti antny je uren potem otek horizontln

nenapjen sti vzhledem khorizontln sti snapjecmi svorkami. Poet zvit nen

sm o sob primrnm parametrem ovlivujcm vlastnosti antny.

4.5Napjen QHA

Napjen QHA pomoc nesymetrickho veden koaxilnho kabelu vyaduje

zvltn pozornost. Vzhledem ktomu, e kad jednotliv bifilrn smyka je zazen se

symetrickm vstupem, je nutn pout njak typ symetrizanho lenu. Krom toho

k zskn jednosmrn vyzaovac charakteristiky QHA, mus bt bifilrn smyky

napjeny oddlen srelativnm fzovm posuvem 90. Navc jet smysl fzovho posuvu

uruje, zekterho konce bude QHA vyzaovat.

K napjen antny meme vyut celou adu rznch len, jako napklad sloen

symetrizan len (angl. folded balun), symetrizan len srozdlenm pltm (angl.

split-sheath balun) nebo kombinaci 90a 180 hybridnch len tak, jak je vidt na Obr. 13.

Nicmn, chceme-li uetit vhu a zjednoduit konstrukci antny, meme pout

originln zpsob napjen, kter vyuv nekonen symetrizan len (angl. infinite

balun) kombinovan snovou metodou samofzovn dvou bifilrnch smyek, tm

doshneme 90 fzovho posuvu proud smyek.

Obr. 13Napjen QHA


33/76

33

4.5.1 Pkov vazebn len a 180 hybrid

Pkov vazebn len (nebo tak kvadraturn vazebn len, Obr. 14) dl vstupn

vkon na dva vstupn se stejnou amplitudou, ale vzjemn posunut o 90.

Obr. 14Pkov vazebn len

Jedno z monch uspodn pkovho lenu (plenrn pkov hybridn len) se

skld ze ty tvrtvlnnch (

) veden uspodanch do tverce. Vodorovn

seky maj charakteristickou impedanci a svisl

. Pkovvazebn len

nen sm o sob dostaujc kvytvoen napjec st pro QHA.

Vzhledem k tomu, e potebujeme vytvoit tak 180 fzov posun, je vhodn pout

i kruhovvazebn len (Obr. 15).

Tento vazebn len se skld zsek veden o celkov dlce 1,5! simpedanc

pro tvrtvlnn seky(

) ipro sek dlky

.

Fze vstupnch signl zvis na tom, kter ze ty bran je pouita jako vstupn

a kter jako vstupn. Pi buzen do brny 1 resp. 2 jsou vstupn signly v branch 2 a 3resp. 1 a 4 ve fzi. Pi buzen do brny 3 resp. 4 jsou vstupn signly vbranch 1 a 4 resp.

2 a 3 v protifzi.

Vhodnm spojenm pkovch a kruhovch vazebnch len lze vytvoit vhodnou

napjec s pro QHA. Vce podrobnost o tchto vazebnch lenech lze najt v [6].


34/76

34

Obr. 15Kruhov vazebn len

4.5.2

Wilkinsonv dli

Wilkinsonv dli (Obr. 16) se pouv k rozdlen vkonu na dv stejn velk sti

s nulovm vzjemnm fzovm posuvem. Dli se skld zseku

veden

s charakteristickou impedanc Z0, kter se dle dl do dvou sek

veden simpedanc

. Rezistor o hodnot 2Z0slou jako izolace mezi vstupy.

Napjec s lze sestavit ze t Wilkinsonovch dli, kdy prvn dlirozdl vkon

na polovinu a dal dva rozdl kadou polovinu znovu na dva stejn dly. Zskme tak

tyi signly se stejn velkou amplitudou, ale nulovm vzjemnm posuvem. Potebn

fzov posuvy zskme pipojenm sek veden odpovdajc dlky.

Obr. 16 Wilkinsonv dli

4.5.3 Diskrtn hybridn leny

V dnen dob jsou kdostn hybridn leny ve form diskrtnch soustek

urench pro povrchovou mont. Jeden zobchod zabvajcm se takovmito

soustkami meme najt na www.minicircuits.com. Kde si v katalogu meme vybrat


35/76

35

podle mnoha poadavk, nap. podle potu vtv, poadovan frekvence nebo amplitudov

i fzov odchylky vstup. Typick odchylky amplitud jsou vdu desetin dB a fze

v du jednotek stup.

4.5.4

Nekonen symetrizan len

Pi napjen pomoc nekonenho symetrizanho lenu [7] je pvodn koaxiln

kabel vyuit jako jedna polovina jedn bifilrn smyky, jak je patrn z Obr. 17. Na konci

koaxilnho kabelu je stedn vodi zkratovn kprotjpolovin smyky. Druh konec

protjpoloviny smyky je pipojen kvnjmu vodii koaxilnho kabelu, tm je smyka

uzaven. Druh polovina smyky je tvoena pevnm vodiem o stejnm prmru, jako je

vnj prmr koaxilnho kabelu. Tm je vytvoena jedna celsmyka roubovice.

Pi provozu se proud tekouc vnitnm vodiem koaxilnho kabelu objev

v napjecm bod, odtud tee do pevn poloviny smyky.Proud tekouc po vnitn stran

pltkoaxilnho kabeludotee na jeho konec a dle pokrauje po vnj stran plt.

Tak se proud tekouc napjecm vedenm stane proudem tekoucm antnou, a to proto, e

vnj st koaxilnho kabelu thnouc se od napjecho bodu kprotilehlmu bodu je nyn

ziem. Dky skinefektu je proud napjecho veden tekouc vnitn st koaxilnho

kabelu pln oddlen od antnnho proudu tekoucho po povrchu koaxilnho

kabelu/smyky.

Obr. 17 Smyka s nekonenm symetrizanm lenem


36/76

36

Vzhledem k tomu, e napjec veden je nyn symetrick vi protilehlmu bodu

(protilehl vi napjecmu bodu), jsou proudy indukovan vnapjecm veden stejn

a teou opanm smrem. Proudy se tak vzjemn vyru a odpoj napjec veden od

smyky. Tomuto zpsobu zapojen se k nekonen symetrizan len.

4.5.5 Samofzovac napjen

Jak ji bylo zmnno dve,je nutn napjet QHA kvadraturn. Tento poadavek lze

splnit vyuitm samofzovac metody[7]. Vzjemn kolm bifilrn smyky jsou navreny

tak, e jedna smyka je vt, ne by odpovdalo poadovan rezonann frekvenci a m

tak induktivn charakter, naopak druh smyka je men a m tedy kapacitn charakter. Ob

smyky jsou napjeny paraleln. To je zpsobeno tm, e svorky obou smyek jsou

spojeny dohromady v napjecm bod tak, jak je vidt na Obr. 18.

Obr. 18Napjen QHA snekone!nm symetriza!nm !lenem

Tato samofzovac metoda vyaduje jen jeden napjeckoaxiln kabel a kterkoliv

z dve zmnnch symetrizanch len. Je zejm, e jedno rameno QHA je tvoeno

napjecm koaxilnm kabelem, zatmco zbyl ti ramena jsou pevn vodie.

Vt induktivn smyka je navrena tak, e na provozn frekvenci je jej indukn

reaktanceXLrovna rezistenciR. Obdobn je navrena i men kapacitn smyka, take jej

kapacitn reaktanceXCje opt rovna rezistenciR. Vztah X = Rje velmi dleit, protoe

pi splnn tto podmnky zskme 90 fzov posuv mezi obma smykami. ProudIv

tekouc vt smykou se mus zpoovat o 45, zatmco proud Imv men smyce mus

o 45 pedbhat. Jsou-li ob smyky napjeny paraleln, je relativn fzov rozdl mezi

proudy tekoucmi obma smykami 90, ani bychom potebovali dal prvek. Rozmry

smyek, kter vedou ke sprvnm fzovm pomrm, jsou uvedeny v Tab. 2.


37/76

37

Tab. 2Rozmry smyek pi samofzovac metod

Men kapacitn smyka Vt induktivn smyka

D [] 0,156 0,173

lP[] 0,238 0,260

Obvod smyky [] 1,016 1,120

Prmr vodie [] 0,0088

kde Dje prmr mylenho vlce, kolem kterho je bifilrn smyka navinuta a lp je

axiln dlka tak, jak je vidt na Obr. 11. Prmr vodie je pouze doporuen, nedodren

jeho rozmru m za nsledek pouze pokles zisku v dech desetin dB.

Rozmry jednotlivch smyek jsou voleny tak, aby ve struktue rezonovaly dva

rzn mdy (podobn jako napklad vpatchov antns kruhovou polarizac). Vppad

antny pro pjem GPS psma L1 na frekvenci fL1= 1575,42 MHz vt induktivn smyka

rezonuje na frekvenci find= 1515,92 MHz a men kapacitn na frekvenci

fkap= 1655,63 MHz.

Obr. 19Normovan amplitudy mdu rezonujcch v QHA

Frekvence md a tm i velikost smyek je volena tak, aby na poadovan frekvenci

(v naem ppad 1575,42MHz) mly oba mdy stejnou amplitudu a fzov posuv mezi

nimi byl pesn 90 tak, jak je naznaeno na Obr. 19 a Obr. 20.


38/76

38

Obr. 20Fze mdu rezonujcch v QHA

Normovan vstupn impedance vtinduktivn smyky je

. Obdobn je

vstupn impedance menkapacitn smyky

. Normovan vstupn admitance

obou smyek je dna

a

. Vzhledem k tomu, e jsou ob smyky

napjeny paraleln je celkov vstupn admitance rovna a QHA je tak

pizpsobena impedanci napjecho koaxilnho kabelu [8].


39/76

39

5.Parametrick studieQHA

5.1Model QHA

Parametrickou analzu quadrifilrn roubovicov antny provedeme vsimultoru

elektromagnetickho pole CST Microwave Studio. Musme si proto vytvoit zkladn

model, na kterm pot budeme sledovat vliv zmny parametr na vyzaovac vlastnosti

antny.

Zkladn model bude mt dlku jednoho ramene !/2, tedy svorky naproti napjecm

budou zkratovny, a poet zvit budeN = 0,5.

Obr. 21Model QHA a jej 3D sm!rov charakteristika

a) "-rovina, #= 0 b) "-rovina, #= 90

Obr. 22 Sm!rov charakteristika antny v$ezech


40/76

40

Obr. 21 zobrazuje model QHA a jej simulovanou 3D charakteristiku. Na Obr. 22

pak vidme ezy smrovou charakteristikou v!rovinpro "= 0 a "= 90. Z pohledu na

3D smrovou charakteristiku je zejm, e ez ve " rovinm kruhov tvar. Ztoho dvodu

nepinese pi parametrick analze vznamn vsledky, a proto nebude dle uvdn.

Z graf je patrn, e antna dobe kryje celou horn hemisfru a je tak vhodnpro systmy

druicov navigace.

Konkrtn hodnoty jednotlivch parametr modelu jsou shrnuty vnsledujc Tab. 3.

Tab. 3 Parametry simulovan antny

Frekvence [GHz] 1,575

Zisk [dBi] 2,5

Smr hlavnho svazku [] 3

ka svazku na 3dB [] 142

rove postrannch maxim [dB] -2,8

Pedozadn pomr [dB] 2,78

Vzhledem k tvaru svazku se nepodailo odest ku svazku na 10 dB.

5.2Vsledky parametrick studie

Vpedchozm kroku jsme vytvoili zkladn model antny. Nyn budeme mnit jej

jednotliv parametry a sledovat jejich vliv na vyzaovac vlastnosti antny.

Pedpokldme, e zmnou nkterch parametr dokeme vyzaovac vlastnosti antny

vylepit.

Tab. 4Prom!nn parametrymodelu

parametr rozsah krok

prmr roubovice D [#] 0,25 - 1 0,25

axiln dlka [#] 0,25 - 1 0,25

poet zvit N [-] 0,5 - 2 0,5

prmr vodie [mm] 1 - 3 1


41/76

41

5.2.1 Prmr roubovice

Prvnm parametrem roubovice, kter budeme mnit, je jej prmr D. Prmr

roubovice budeme mnit vrozsahu 0,25 !! skrokem 0,25 !.

a) -rovina, != 0 b) -rovina, != 90

Obr. 23 Sm"rov charakteristika modelu p#i zm"n" pr$m"ru roubovice

Tab. 5 Simulovan parametry p#i zm"n" pr$m"ru roubovice

Prmrroubovice D [!]

G [dBi]ka svazku na 3

dB []ka svazku na

10 dB []Pedozadn

pomr [dB]

0,25 2,51 71 139 2,83

0,5 7,5 35,85 69,5 1,92

0,75 6,9 27,9 131 6,2

1 8,8 23,8 79 15,44


42/76

42

Obr. 24Zvislost zisku ap!edozadnho pom"runa pr#m"ru roubovice

Obr. 25Zvislost !ky svazku na pr#m"ru roubovice

Na Obr. 23 je zobrazena smrov charakteristika modelu antny v! rovin pro

"= 0 a "= 90. Vidme, e se zvtujcm se prmrem se svazek na 3 dB zuujea roste

jeho smrovosta pedozadn pomr. ka svazku na 10 dB pro lich nsobky #/4 kles a

pro sud nsobky #/4 naopak stoup(zvislosti jsou zobrazeny na Obr. 24 a Obr. 25). Pro

ely druicov navigace je pouiteln prmr roubovice jen #/4, protoe pi vtch

rozmrech u antna nekryje horn hemisfru rovnomrn.


43/76

43

5.2.2 Axiln dlka

Dle budeme mnit axiln dlku QHA vrozmez 0,25!! skrokem 0,25 !.


Obr. 26 Sm"rov charakteristika modelu p#i zm"n" axiln dlkyroubovice

Tab. 6 Simulovan parametry p#i zm"n" axiln dlky roubovice

Axiln dlkaroubovice lp [!]

G [dBi]ka svazku na 3

dB []Pedozadn pomr

[dB]

0,25 2,5 71,5 2,8

0,5 -6,6 104 8,2

0,75 0,9 47,5 0,04

1 -2 84,5 0,41

Vzhledem k tvaru svazku se nepodailoodest ku svazku na 10 dB.


44/76

44

Obr. 27Zvislost zisku ap!edozadnho pom"runa axiln dlce roubovice

Obr. 28Zvislost !ky svazku na axiln dlce roubovice

Z ve uvedench parametr a graf je patrn, e zisk,pedozadn pomr a ka

svazku na 3 dB pro lich nsobky !/4 kles a pro sud nsobky !/4 naopak stoup. Pi

axiln dlce !/2 antna vykazuje nejvt pedozadn pomr, ale maximum vyzaovn je

v opanm smru.


45/76

45

Jedin pouiteln hodnota axiln dlky pro druicovou navigaci je !/4. Pi vtch

hodnotch je svazek velmi deformovana postupn pechz do jakhosi knickho mdu,

kdy antna vyzauje svazek tvaru V.

5.2.3

Poet zvit

Nyn se podvme, jak se budou mnit vlastnosti antny pi zmn potu zvit.

Poet zvit budeme mnit vrozsahu 0,52 s krokem 0,5.


Obr. 29 Sm"rov charakteristika modelu p#i zm"n"po$tu zvit%roubovice

Tab. 7 Simulovan parametry p#i zm"n" po$tu zvit%roubovice

Poet zvitroubovice N [-]

G [dBi]ka svazku na

3 dB []ka svazku na

10 dB []Pedozadn

pomr [dB]

0,5 2,5 70,5 -* 2,8

1 3,9 57 98 3,37

1,5 5,5 60 101 16,8

2 4,9 64 -* 6,8

*) vzhledem k tvaru svazk se nepodailo odest


46/76

46

Obr. 30Zvislost zisku ap!edozadnho pom"ru na po#tu zvit$ roubovice

Obr. 31Zvislost !ky svazku na po#tu zvit$ roubovice

Z Obr. 30 je patrn, e hodnota zisku a odstupu maxima od minima maj pi

uritm potu zvit (v tomto ppad 1,5) sv maximum a pro ostatn hodnotu potu

zvit jsou u jen ni. Naopak se zd, e ka svazku m pro urit poet zvit

minimum (v tomto ppad 1), ve vech ostatnch ppadech je svazek u jen ir, to je

vidt na Obr. 31.


47/76

47

Parametrick analza ukzala, e poet zvit m vliv hlavn na velikost zadnho

laloku, zisk a ka svazku se pli nemn.

5.2.4 Prmr vodie

Poslednm parametrem, kter vrmci parametrick analzy budeme mnit je prmrvodie. Prmr budeme mnit vrozmez 1 3 mm s krokem 1 mm.


Obr. 32 Sm"rov charakteristika modelu p#i zm"n" pr$m"ru vodi%e roubovice

Tab. 8 Simulovan parametry p#i zm"n" axiln dlky roubovice

Prmr vodieroubovice p [mm]

G [dBi]ka svazku na 3 dB

[]Pedozadn pomr

[dB]

1 2,5 70,5 2,79

2 2,95 78,5 4,2

3 4 70 8

Vzhledem k tvaru svazku se nepodailo odest ku svazku na 10 dB.


48/76

48

Obr. 33Zvislost zisku ap!edozadnho pom"ru na pr#m"ru vodi$e roubovice

Obr. 34Zvislost !ky svazku na po$tu zvit# roubovice

Z dat v Tab. 8 a Obr. 33 a Obr. 34 je patrn, prmr vodie nem velk vliv na zisk

antny a ku svazku.Naopak pedozadn pomr se zvil pomrn vznamn.

Dky parametrick analze jsme zskali pedstavu, kter jednotliv parametr

ovlivuje jakou vlastnost antny a tm i tvar svazku.


49/76

49

6.Nvrh QHA

Vzhledem k tomu, e quadrifilrn roubovicov antna je rezonann struktura, je

vchozm parametrem pi jejm nvrhu pracovn frekvence resp. vlnov dlka. Dle zadn

m bt navrenantna pouiteln voblasti druicov navigaci. Nejrozenjm takovm

systmem je dnes NAVSTAR GPS provozovan armdou Spojench stt americkch.

6.1Vchoz rozmr antny

Antna bude pracovat v psmu L1, kde je vysln C/A kd dostupn civilnm

uivatelm ivojensk P(Y) kd, kter je ifrovan a pstupn pouze pro autorizovan

uivatele. Toto psmo vysl na frekvenci fL1= 1575,42 MHz. Vchoz vlnov dlka pro

nvrh antny je podle rovnice (48) !L1= 190 mm.

, (48)

kde c je rychlost svtla a f je pracovn frekvence antny.

6.2Monosti realizace

Pi nvrhu QHA a jej nsledn realizace existuje nkolik cest, kudy se

kpoadovanmu vsledku meme ubrat.Prvn monost, kterpichz vvahu, je realizace jednoduch QHA, kde jsou

rozmry vech ramen stejn. Vtomto ppad je ale nutn se vypodat se sloitj

napjec st, aby jednotliv ramena byla napjena signlem svhodnou amplitudou

i fzovm posuvem.

Jinou monost je vyut sofistikovanj tvar QHA, kdy je sprvnho fzovn

dosaeno nestejnmi rozmry jednotlivch smyek tzv. samofzovac metoda.

6.2.1

Jednoduch QHA snapjec st

Jak ji bylo zmnno dve, je QHA sloena ze ty identickch roubovicovch

element. Dlka kadho takovho elementu je

, kde Mje cel slo. Je-li M lich,

pak svorky naproti napjecm jsou oteven, naopak pro sudMjsou nenapjec svorky

zkratovan.Pro dlku jednoho ramene

budou tedy ramena zkratovan dohromady. Poet

zvit bude

, vznikne tak struktura na Obr. 35.


50/76

50

Obr. 35 Quadrifilrn roubovicov antna

QHA je tedy roubovicov struktura se tymi napjecmi svorkami, kde kadou ze

svorek napjme signlem, kter je fzov posunut o 90 oproti pedchozmu.

Prv napjec s je teba vyeit. Existuje nkolik monost, jak takovouto s vytvoit

(kapitoly 4.5.14.5.4).

Napjec s s pkovmi vazebnmi leny a 180 hybridem

Pravdpodobn jako prvn een napjec st kadho napadne poskldat ji

z jednoduch len podle Obr. 13. Pouijeme tedy jeden 180 hybrid a dva pkov

(90) vazebn leny, vznikne tak struktura na Obr. 36.

Obr. 36Napjec s pomoc p!"kovch vazebnch "len#a 180 hybridu

Pro nvrh obvodu a simulaci vlastnost vyuijeme profesionln software AWR

Microwave Office a TX-LINE. Cel obvod je navren na substrtu firmy Rogers

Duroid 6010 o tlouce 0,635 mm a tloukou pokoven 18!m [9].


51/76

51

Obr. 37 S-parametry napjec st

Z Obr. 37 je patrn, e na pracovn frekvenci je S11

= -37,05 dB a ka psma pro

pizpsoben na 20 dB je 221 MHz, co odpovd asi 14 %, a na 10 dB dokonce 538 MHz,

co odpovd asi 34 %. Rozdl amplitud mezi nejvta nejmen amplitudou vstupnch

signl je piblin 0,1dB.

Obr. 38Fze signl! jednotlivch ramen

Na Obr. 38 jsou zobrazeny fze jednotlivch signl. Vidme, e fze mezijednotlivmi signly jsou tm pesn 90.

Parametry takovhoto obvodu jsou tedy srovnateln s parametry diskrtnch

hybridnch len(viz 4.5.4).

Napjec s sWilkinsonovm d!li"em

Jinou monost je sestavit napjen ze t Wilkinsonovch dli vkonu tak, jak je

vidt na Obr. 39 (podrobnji vkapitole 4.5.3). Obvod je navren na stejnm substrtu jako

pedchoz.


52/76

52

Obr. 39Napjec s pomoc Wilkinsonovch d!li"#

Obr. 40 S-parametry napjec st!

Na Obr. 40 jsou zobrazeny S-parametry napjecho obvodu zWilkinsonovch

dli. Vidme, e S11= -21,45 dB, ka psma na -20 dB je 439 Mhz, co je asi 28 %,

a na -10 dB dokonce 2400 MHz, co odpovd asi 152%. Tak si meme vimnout, e

rozdl amplitud nejvtho a nejmenho signlu je asi 0,3dB.


53/76

53

Obr. 41Fze signl jednotlivch ramen

Obr. 41 zobrazuje fze signl jednotlivch ramen. Vidme, e odchylka odidelnho 90 fzovho posuvu je do 2. Parametry tohoto obvodu jsou tak srovnateln

sparametry diskrtnch hybridnch len (viz 4.5.4).

Ukzali jsme si, e parametry takovchto napjecch obvod jsou velmi dobr a tyto

obvody jsou tak vhodn kvytvoen napjec pro QHA. Nevhodou ale me bt nutnost

vyrobit plon spoj, co sebou nese sloitj vrobu a vy nklady.

6.2.2 Modifikovan samofzovac metoda

Vhodnj cestou me bto trochu sloitj nvrh samotn roubovicov struktury,

kter ale sebou pinese jedno dleit pozitivum a to velmi jednoduch napjen. Jednomu

z takovch monch nvrh se k samofzovc metoda.Ne popsan metoda se od

samofzovac metody popsan vkapitole 4.5.6 li vynechnm symetrizanho lenu.

U tohoto zpsobu napjen je jedna smyka vt, ne by odpovdalo pracovn

frekvenci, a druh smyka men, viz Obr 42. Konkrtn rozmry vypoten podle Tab. 2

jsou uvedeny v Tab. 9.

Tab. 9Konkrtn rozmry smyek

Men kapacitn smyka Vt induktivn smyka

D [mm] 30 33

lP[mm] 45 50

Obvod smyky [mm] 194 213

Prmr vodie [m] 1,7


54/76

54

kde Dje prmr mylenho vlce, kolem kterho je bifilrn smyka navinuta a lP je

axiln dlka tak, jak je vidt na Obr. 11.

Ramena budou pmo pipjena kpevnmu koaxilnmu kabelu, a to tak, e ve

spodn sti budou vechna ramena pipjena kplti a tm zkratovna. Vhorn sti jespojeno vdy jedno rameno men smyky sjednm ramenem vt smyky, ty jsou pot

spojeny bu spltm (ramena A-B), nebo stednm vodiem koaxilnho kabelu (ramena

A-B). Koaxiln kabel bude pmo zapojen do konektoru. Antna tak bude maximln

kompaktn a jednoduch.

Obr. 42 Struktura navrhovan QHA

Dvma velmi dleitmi parametry, kter zsadn ovlivuj vyzaovn struktury,

jsou smr vinut a spojen sprvnch ramen smyek.

Smr vinut antny ovlivuje polarizaci vyzaovan vlny. VGPS navigaci se vyuv

signl skruhovou pravotoiv orientovanou vlnou, proto antna mus mt tak

pravotoivou polarizaci. Toho doshneme levotoivm(!!!) vinutm roubovice.

Dlechceme, aby antna zila od napjecho bodu ve smru osy z, tedy aby zila

v tzv. end-fire modu. Toho doclme spojenm ramen A-B a jejich pipojenm kplti,

a spojenm ramen A-B a jejich pipojenm ke stednmu vodii koaxilnho kabelu.

Vppad propojen ramen A-B a jejich spojenm se stednm vodiem, a spojenm ramen


55/76

55

A-B a jejich pipojenm kplti koaxilnho kabelu vznikne tzv. back-fire md, antna by

tedy vyzaovala proti smru osy z. Vce podrobnost ke konstrukci QHA lze nalzt

napklad v [10].

Parametry antny navren samofzovac metodou si ovme v simultoruelektromagnetickho pole CST Microwave Studio. Ovme tak, zda antna z podle

poteb druicovnavigace.

Obr. 43 Model QHA v CST Microwave Studiu

Struktura bude navinuta z mdnho vodie o prezu 1,5 mm2. Pevn koaxiln

kabel, kter slou zrove i jako kostra antny je typu UT-085 s dielektrikem vyrobenm

z PTFE, jeho rozmry jsou uvedeny vTab. 10, vce detail lze nalzt vkatalogovm listu

[11].

Obr. 44Detail napjen antny


56/76

56

Tab. 10Rozmry koaxilnho kabelu UT-085

Prmr vnitnho vodie [mm] 0,5

Prmr dielektrika [mm] 1.7

Prmr vnjho vodie [mm] 2,2

Pi simulaci ns bude hlavn zajmat smrov charakteristika antny (Obr. 45

a Obr. 46) a impedann pizpsoben k50 ! veden parametr S11 (Obr. 47).

Obr. 45 3D smrov charakteristika antnyf = 1575,42 MHz


57/76

57


c) !-rovina

Obr. 46 Sm"rov charakteristika antny v#ezechf = 1575,42 MHz [dBi]

Z ve uvedench obrzk je patrn, e navren antna z vtzv. end-fire mdu se

ziskem piblin 4,7dBi. Smrov charakteristika antny velmi dobe kryje celou horn

hemisfru a je tak vhodn pro systmy druicov navigace.


58/76

58

Obr. 47 Parametr S11

Antna je k50 ! veden pizpsoben na vce ne 20dB, tzn., e se odraz mn ne

0,1 % vstupujcho vkonu. ka psma antny na -20 dB je 7,7 MHz, co odpovd

piblin 0,5%, na -10 dB je ka psma 189MHz, co je asi 12 %. Dal vlastnosti

antny jsou shrnuty vTab. 11.

Tab. 11 Parametry simulovan antny


Zisk [dBi] 4,7




S11 [dB] -20,5

Velkou vhodou takto navren antny je, e nepotebuje dn dal napjec

obvody, vhodnch fzovch posuv je dosaenou samotnou konstrukc antny. Antna je

tedy maximln jednoduch a vrobn levn. Nevhodou vak me bt, e je pomrn

zkopsmov.


59/76

59

7.Realizace a men prototypu QHA

Npln tto kapitoly je popis realizace navren quadrifilrn roubovicov antny

a nsledn oven jej funkce, men elektrickch parametr a porovnn realizovanho

prototypu se simulovanm modelem antny.

Vzhledem k tomu, e chceme, aby hotov antna byla co nejjednodu, bude

realizovna samofzovac metodou podle modelu vkapitole 6.2.2.

Obr. 48 Struktura realizovan QHA

Struktura bude navinuta z mdnho vodie o prezu 1,5 mm2. Pevn koaxiln

kabel, kter slou zrove i jako kostra antny je typu UT-085 s dielektrikem vyrobenm

z PTFE.

Realizovan antna srozmry smyek dle simulovanho modelu nevykazovala

poadovan vlastnosti (byla peladna do vyho psma). Postupnm vvojem byly

nalezeny vhodn rozmry uveden vTab. 12.

Tab. 12 Skuten rozmry antny

mm !

Axiln dlka men smyky 48,7 0,256

Axiln dlka vt smyky 51,8 0,273

Prmr men smyky 31,6 0,166

Prmr vt smyky 35,2 0,185


60/76

60

7.1Vroba antny

Jak ji bylo zmnno, antna bude navinuta zmdnho vodie. Prvn pekkou

v cest kfunkn antn je nutnost sprvn vodi vytvarovat. Jednou z monost je pomoci

si formou vyrobenou z vleku svyfrzovanou drkou, podle kter vodi vytvarujeme.Vleky jsou poteba dva, protoe smyky QHA maj dky samofzovac metod rozdln

velikosti. Zskme tak poloviny smyek, kter pozdji spjme dohromady. Vleky

i plsmyky jsou vidt na Obr. 49.

Obr. 49 Vleky kvytvarovn vodie a poloviny smyek QHA

V dalm kroku spjme dohromady smyky a pot je pipojme k semirigid

koaxilnmu kabelu, jeho konec je osazenstandardnmSMA konektorem.

Aby antna zila sprvnm smrem, je nutn smyky spojit podle schmatu naObr. 50 (dvod je podrobnji popsn vkapitole 6.2.2).

Obr. 50Zp!sob spojen smyek QHA

Dv spojen plsmyky, kter vidme na Obr. 51a, dle pipojme k semirigid

koaxilnmu kabelu, a to tak, e vechny voln konce drt pipjme kvnjmu plti

koaxilnho kabelu. Spojen konce jednoho pru plsmyek pipjme tak kplti

koaxilnho kabelua spojen koncedruhho pru ke stednmu vodii.


61/76

61

a) Spojen plsmyky b) P!ipojen plsmyky ksemirigid

koaxilnmu kabelu

Obr. 51 Spojen dvou plsmyek

Nyn mme plsmyky spojen a pipjen ke koaxilnmu kabelu, kter je osazen

konektorem, tm je vroba QHA vpodstat hotov (viz Obr 50).

Vposlednm kroku byla vechna ramena urovnnatak, aby vodorovn ramena byla

opravdu vodorovn a se sousednmi svrala hel 90, dle aby odpovdajc si ramena nad

sebou byla v zkrytu, tak roubovicov st antny mus mt sprvn rozmrya tvar, pi

pohledu shora mus bt kruhov. Vzhledem k tomu, e jde o run vrobu, je jasn, e

nepesnostem se nevyhneme, nicmn je dleit, aby byly co nejmen, jeliko maj

podstatn vliv na vlastnosti antny.

a) celek b) detail

Obr. 52Hotov quadrifilrn roubovicov antna

7.2Men antny

V tto kapitole se budeme vnovat men vlastnost realizovan antny, konkrtn

jde o pizpsoben antny, polarizaci,smrovou charakteristikua zisk.


62/76

62

7.2.1 Vstupn pizpsoben

Pi dokonalm pizpsoben antny ke zdroji signlu (ppadn kzti) nedochz

na rozhran kodrazm energie. Vpraxi dokonalho pizpsoben doshnout nelze, a tedy

k odrazm dochz vdy. Clempizpsoben je, aby tyto odrazy byly co nejmen. Vpraxi

se za nejni rozumnou hodnotu odraz povauje piblin -10 dB.

Men vstupnho pizpsoben bylo provedeno pomoc jednokanlovho

vektorovho analyztoru Site Master S400A firmy Anritsu.

Obr. 53Parametr S11 realizovan antny

Z Obr. 53 je patrn, e antna na frekvenci 1575,42 MHz vykazuje hodnotu RL

piblin11 dB, odraz se tedy mn ne 1% vkonu. ka psma realizovan antna na

10 dB je piblin 100MHz, co odpovd asi 6%.

7.2.2 Polarizace

Men polarizace bylo provedeno vbezodrazov antnn komoe vuspodn dle

Obr. 54.


63/76

63

Obr. 54 Uspodn mcho pracovit [12]

Polarizace elektromagnetick vlny je dna prmtem koncovho bodu vektoru

intenzity elektrickho poledo roviny kolm na smr en tto vlny.

Polarizaci antny jsme zmili metodou polarizan oblky pomoc vektorovho

analyztoru ROHDE & SCHWARZ ZVA 40. Z namenoblky (Obr. 55a)jsme odeetli

minimum a maximum vkonu (Tab. 13) a z nich vypotali osovpomr(49).

Tab. 13Maximln a minimln vkon vpolariza!n oblce

dBm

Pmin -54,98

Pmax -53,28

(49)


64/76

64

a) polarizan oblka [dBm] b) polarizan elipsa [V]

Obr. 55Polarizan oblka a elipsa

Antna sideln kruhovou polarizac m osov pomr rovn 1. Znamench

vsledk vidme, e nae realizovan antna nem pln ideln kruhovou polarizaci,

nicmn se j s osovm pomrem 1,22 velmibl.

7.2.3 Smrov charakteristika a zisk

Men smrov charakteristiky a zisku bylo tak provedeno vbezodrazov antnn

komoe vuspodn dle Obr. 54. Men zisku a smrov charakteristiky probh vtzv.

vzdlen zn. Vzdlenou znu urme podle vzorce (50), kdeDje nejvt rozmr antny,

v naem ppad 52mm.

(50)

Men probhalo ve vzdlenosti piblin 4,25 m, take podmnka men ve

vzdlen zn byla splnna svelkou rezervou.

Men zisku vychz zradiokomunikan rovnice

(51)kde Ppje pijman vkon; Pv je vyslan vkon; Gpje zisk pijmac antny; Gv je zisk

vyslac antny;L0je ztrty volnmprostorem.

Ztrty volnm prostorem vypoteme podle vztahu

, (52)


65/76

65

kdeRje vzdlenost mezi antnami.

Zisk antny jsme zmili srovnvac metodou sreferenn antnou se znmm

ziskem. Jako referenn antna byla vyuita trychtov antna typu DRH10 se ziskem

8,24 dBi na frekvenci 1575 MHz.

(53)

(54)

kdePprefje pijman vkonreferenn antnou;Ppxjepijmanvkonmenou antnou;

Grefje zisk referennantny; Gxje zisk menantny.

Odetenm rovnic (54)(53) zskme rovnici (55)pro vpoet zisku men antny.

Vkon pijat referenn antnou je Ppref= -48,464 dBm. Vkon pijman menouantnou najdeme vsamostatnm souboru data.xlsx vploze. Data byla zmena

vektorovm analyztorem ROHDE & SCHWARZ ZVA 40.

(55)


Obr. 56 Sm"rov charakteristika realizovan antny[dBi]


66/76

66

Tab. 14Parametry realizovan antny


Zisk [dBi] 4,28




S11 [dB] -11,28

Z ve uvedench vsledk vidme, e realizovan antna m pomrn dobr

vlastnosti pro vyuit vsystmech druicov navigace. Zvl dleit je, e svou

smrovou charakteristikou kryje horn hemisfru a vykazuje kruhovou polarizaci

spravotoivou orientac. Antna je tak pomrn dobe pizpsobena k50 !.

7.3Zhodnocen realizovan antny

Na nsledujcch obrzcch a tabulce vidme srovnn vlastnost simulovan

a realizovan antny.


Obr. 57 Simulovan a nam"#en charakteristika [dBi]


67/76

67

Obr. 58 Simulovan a namen parametr S11

Na Obr. 58 je patrn, e prbh S11 realizovan m dv lokln minima. To je

zpsoben tm, e vQHA rezonuj dva mdy (viz kapitola 4.5.6). V idelnm ppad by

ob piky mly splynout vjednu a vytvoit tak hladk prbh parametru S11. Realizovan

vzorek nem ideln pomr velikost smyek. Splynut minim by pravdpodobn dolo po

prodlouen men kapacitn smyky.

Tab. 15Parametry simulovan a realizovan antny

simulace men odchylka [%]


Zisk [dBi] 4,7 4,28 9

Smr hlavnho svazku [] 2 3 50

ka svazku na 3dB [] 141 166 17

ka svazku na 10dB [] 174 176 1

S11 [dB] -20,5 -11,28 55

Osov pomr [-] 1,14 1,22 7

Z ve uvedenho srovnn je patrn, e se nm pomrn pesn podailo doshnout

vlastnost simulovan antny. Bylo ale nutn upravit rozmry ramen realizovanho vzorku

tak, jak bylo zmnno vkapitole 7.


68/76

68

8.Zvr

Clem tto prce bylo seznmit se svlastnostmi quadrifilrn roubovicov antny

a vysvtlit jej fyzikln funkci. Dle jsemv simultoru elektromagnetickho pole vytvoil

model QHA a provedlparametrickou analzu. Vdal sti prce jsem se vnoval nalezen

vhodn struktury QHA pro pouit vsystmech druicov navigace sohledem na jej

geometrick vlastnosti (rozmry, tvar) i elektrick parametry (zisk, tvar smrov

charakteristiky, polarizace). Takto navrenou antnu jsem pot realizoval a jej elektrick

parametry zmil.

Prvn st prce je zamena na porozumn funkci quadrifilrn roubovicov

antny. Pochopen funkce QHA je dleitm pedpokladem kjejmu nvrhu, a u modeluv simultoru elektromagnetickho pole nebo i fyzickho prototypu. V tto sti prce jsem

se tak seznmil spoadavky kladenmi na antnu pro systmy druicov navigace.

Dalm kolem prce bylo provst parametrickou analzu QHA a to proto, abych

zjistil, kter konkrtn parametr ovlivuje danou vlastnost antny. Analza byla provedena

v simultoru elektromagnetick pole CST Microwave Studio. Z vsledk analzy se sice

d vysledovat, kter parametr m nejvt vliv na uritou vlastnost struktury, nicmn

kad zmna parametru ovlivn antnu jako celek, je tedy zejm, e ve souvis se vm.

Dle jsem se zamil na nvrh konkrtn struktury pro pouit vsystmech druicov

navigace, kde je dleitm parametrem oblast, kterou antna kryje svou smrovou

charakteristikou a pravotoiv kruhov polarizace. Struktura byla navrena modifikovanou

samofzovac metodou, kdy byl vynechn symetrizan len. Vsledn antna je tak

maximln jednoduch a vrobn levn. Ped samotnou realizac jsem navrenou antnu

nasimuloval v CST Microwave Studiu, abych si ovil jej vlastnosti. Simulace ukzala,

e struktura spluje poadavky kladen na antnu pro druicovou navigaci.

Nsledovala samotn realizace prototypu antny a jej men. Pi men jsem zjistil,

e vyroben antna m zhlediska druicov navigace dobr vlastnosti (smrovou

charakteristiku a polarizaci), ale je peladn do vyho psma, a to i kdy byly dodreny

rozmry simulovanho modelu. Nslednmvvojem (zvtenm smyek) jsem dospl ke

vzorku, kter m vhodn vlastnosti ve sprvnm frekvennm psmu.


69/76

69

Uveden rozdl mezi rozmry modelu a prototypu mohl bt zpsoben nkolika

faktory. Prvnm znich me bt nevhodn nastaven simultor elektromagnetickho pole,

nap. dk mka. Je tedy vhodn simulaci provdt svy hustotou mkou. Vt

mnostv bunk m velk vliv na vpoetn nronost simulace, je tedy nutn nalzt

kompromis.

Pravdpodobnjm faktorem, kter zpsobil rozdl vrozmrech, jsou nepesnosti pi

vrob vzorku. Je nezbytn nutn, aby vodorovn ramena byla opravdu vodorovn a se

sousednmi svrala hel 90, dle aby odpovdajc si ramena nad sebou byla vzkrytu,

tak roubovicov st antny mus mt sprvn rozmry a tvar, pi pohledu shora mus bt

kruhov. Dle je dleit, aby pechod mezi roubovicovou a vodorovnou st ramene byl

co mon nejostej. Tak pesnost napjecho bodu m vliv na vlastnosti antny. Vechnytyto nepesnosti nepzniv ovlivuj vazby mezi jednotlivmi slokami

elektromagnetickho pole vyzaovanho antnou a tm ovlivuj vyzaovn a tak

pizpsoben.Pi vvoji antny byl pouit semirigid koaxiln kabel, kter byl opakovan

tepeln namhn pi pjen smyek. Je velmi pravdpodobn, e tepeln namhn vedlo

k degradaci vlastnost dielektrika a tm i ke zhoren hodnoty vstupn impedance antny

resp. pizpsoben.

S ohledem na vsledky men vporovnn steori (simulac) lze konstatovat, e

antna realizovan vrmci tto diplomov prce vykazuje poadovan vlastnosti a je tak

vhodn kprovozovn vsystmech druicov navigace.


70/76

70

9.Seznam pouit literatury

[1] HRDINA, Z., P. PNEK a F. VEJRAKA.Rdiov urovn polohy: Druicov

systm GPS. Praha: VUT, 1995.

[2] VEJRAKA, Frantiek.Materily k p!edm"tu A2M37RSY -Rdiov systmy. zimn

semestr 2012/2013.

[3] CASWELL, Eric D.Analysis of a Helix Antenna Using a Moment Method Approach

With Curved Basis and Testing Functions. Blacksburg, Virginia, September , 1998.

Dostupn z: http://scholar.lib.vt.edu/theses/public/etd-82598-

202822/materials/etd.pdf. Masters Thesis. Faculty of the Virginia Polytechnic

Institute and State University.

[4] C.C.KILGUS, Resonant Quadrifilar Helix Design, The Microwave Journal, Dec.

1970, p. 49-54.

[5] KRZYSZTOFIK, W.J., Radiation properties of quadrifilar-helix antenna - An

analytical approach, Antennas and Propagation Society International Symposium

(APSURSI), 2012 IEEE , vol., no., pp.1-2, 8-14 July 2012.

[6] HOFFMANN, Karel.Planrn mikrovlnn obvody. Vyd. 2. Praha: Nakladatelstv

VUT, 2007, 145 s. ISBN 978-80-01-03705-8.

[7] M.W.MAXWELL, Chapter 22 The Quadrifilar Helix Antennain ARRL-book

Reflections, 1991, ISBN 0.087259-299-5.

[8] RAMA RAO, Basrur. 2.3 Quadrifilar Helix Antenna. RAMA RAO, B., W.

KUNYSZ, R. FANTE a K. MCDONALD. GPS/GNSS Antennas[online]. BOSTON,

LONDON: ARTECH HOUSE, 2013, s. 119-133 [cit. 2013-03-17]. ISBN 978-1-

59693-151-0.

[9] RT/duroid 6006/6010LM High Frequency Laminates: Data Sheet. 03/2011.

Dostupn z: http://www.rogerscorp.com/documents/612/acm/RT-duroid-6006-6010-

laminate-data-sheet.pdf.


71/76

71

[10] MARINI,, Domenico. Experimental Investigation of Quadrifilar Helix Antennas for

2400 MHz. The AMSAT Journal. 2004, s. 6-10. [cit. 2013-03-09]. Dostupn z:

http://www.hamradio.selfip.com/i6ibe/i8cvs/qfh2400mhz.pdf.

[11] Katalogov list koaxilnho kabelu UT-085-AL-TP-M17. In: [online]. [cit. 2013-03-

13]. Dostupn z: http://www.tek-stock.com/ut-085-al-tp-m17-133-00013-in-5-ft-

straight-lengths/.

[12] NEARFIELD SYSTEMS INCORPORATED. CTU 800F-30 System Wiring

Diagram. 2009.

[13] TRANQUILLA, J.M.; BEST, S.R., A study of the quadrifilar helix antenna for

Global Positioning System (GPS) applications, Antennas and Propagation, IEEETransactions on , vol.38, no.10, pp.1545-1550, Oct 1990.

[14] FRASER, Heather.Parametrisation and Design of Quadrifilar Helices for use in S-

band Satellite Communications. Johannesburg, 2010. [cit. 2013-03-09]. Dostupn z:

http://wiredspace.wits.ac.za/bitstream/handle/10539/8364/Msc_fraser_diss.pdf.

Dissertation. Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the

Witwatersrand, Johannesburg.

[15] BALANIS, C. A. Modern Antenna Hanbook. New York: John Wiley & Sons, 2008.

ISBN 978-0-470-03634-1.

[16] KRAUS, J. D.Antennas. New York: McGraw-Hill, 1988. ISBN 0-07-035422-7.

[17] C.C.KILGUS, Multi-element, Fractional Turn Helices, IEEE Trans. AP-16, Jul.

1968, p. 499-500.

[18] C.C.KILGUS,Resonant Quadrifilar Helix, IEEE Trans. AP-17, May 1969, p. 349-351.

[19] ONEILL, Greg. GPS Quadrifilar Antenna Designs for Portable Devices. [online].

2005 [cit. 2013-02-23]. Dostupn z:

http://www.skycross.com/docs/imat/GPS_Antennas_for_Portables.pdf.

[20] HOLLANDER, R.W. Resonant Quadrafilar Helical Antenna. 1999 [cit. 2013-02-23].

Dostupn z: http://www.kunstmanen.net/WKfiles/Techdocs/RQHA/RQHA1999-

1eng.pdf.


72/76

72

[21] C.C.KILGUS, Shaped Conical Radiation Pattern Performance of Backfire

quadrifilar Helix Antenna, IEEE Trans. AP-23, May 1975, p. 392-397.


73/76

73

10.Plohy

I. Seznam obrzk!

Obr. 1 Geometrick uspodn roubovice........................................................................ 16

Obr. 2 roubovicov antna a jej model............................................................................ 18

Obr. 3 Souvislost sloek pole se roubovic, diplem a smykou....................................... 19

Obr. 4 roubovice sloen zdipl a smyek..................................................................... 19

Obr. 5 Smrov charakteristika normlnho mdu.............................................................. 20

Obr. 6 Smrov charakteristika axilnho mdu................................................................. 21

Obr. 7 Vyzaovan sloky pole roubovic......................................................................... 21

Obr. 8 Smrov charakteristika knickho mdu............................................................... 23

Obr. 9 Quadrifilrn roubovicov antna........................................................................... 24

Obr. 10 tvercov smyka.................................................................................................. 25

Obr. 11 Bifilrn smyka..................................................................................................... 26

Obr. 12 Jeden roubovicov prvek QHA............................................................................ 28

Obr. 13 Napjen QHA ........................................................................................................ 32

Obr. 14 Pkov vazebn len............................................................................................ 33

Obr. 15 Kruhov vazebn len ............................................................................................. 34

Obr. 16 Wilkinsonv dli................................................................................................... 34

Obr. 17 Smyka s nekonenm symetrizanm lenem...................................................... 35

Obr. 18 Napjen QHA snekonenm symetrizanm lenem........................................... 36

Obr. 19 Normovan amplitudy mdu rezonujcch v QHA................................................ 37

Obr. 20 Fze mdu rezonujcch v QHA............................................................................. 38

Obr. 21 Model QHA a jej 3D smrov charakteristika...................................................... 39

Obr. 22 Smrov charakteristika antny vezech............................................................... 39

Obr. 23 Smrov charakteristika modelu pi zmn prmru roubovice .......................... 41

Obr. 24 Zvislost zisku a pedozadnho pomru na prmru roubovice........................... 42

Obr. 25 Zvislost ky svazku na prmru roubovice...................................................... 42

Obr. 26 Smrov charakteristika modelu pi zmn axiln dlky roubovice................... 43

Obr. 27 Zvislost zisku a pedozadnho pomru na axiln dlce roubovice.................... 44

Obr. 28 Zvislost ky svazku na axiln dlce roubovice............................................... 44

Obr. 29 Smrov charakteristika modelu pi zmn potu zvit roubovice.................... 45

Obr. 30 Zvislost zisku a pedozadnho pomru na potu zvit roubovice..................... 46


74/76

74

Obr. 31 Zvislost ky svazku na potu zvit roubovice................................................ 46

Obr. 32 Smrov charakteristika modelu pi zmn prmru vodie roubovice............... 47

Obr. 33 Zvislost zisku a pedozadnho pomru na prmru vodie roubovice............... 48

Obr. 34 Zvislost ky svazku na potu zvit roubovice................................................ 48

Obr. 35 Quadrifilrn roubovicov antna......................................................................... 50

Obr. 36 Napjec s pomoc pkovch vazebnch len a 180 hybridu......................... 50

Obr. 37 S-parametry napjec st....................................................................................... 51

Obr. 38 Fze signl jednotlivch ramen ............................................................................ 51

Obr. 39 Napjec s pomoc Wilkinsonovch dli......................................................... 52

Obr. 40 S-parametry napjec st....................................................................................... 52

Obr. 41 Fze signl jednotlivch ramen ............................................................................ 53

Obr. 42 Struktura navrhovan QHA .................................................................................... 54

Obr. 43 Model QHA v CST Microwave Studiu............................................................... 55

Obr. 44 Detail napjen antny ............................................................................................ 55

Obr. 45 3D smrov charakteristika antny f = 1575,42 MHz ........................................ 56

Obr. 46 Smrov charakteristika antny vezech f = 1575,42 MHz [dBi] ...................... 57

Obr. 47 Parametr S11 .......................................................................................................... 58

Obr. 48 Struktura realizovan QHA.................................................................................... 59

Obr. 49 Vleky kvytvarovn vodie a poloviny smyek QHA....................................... 60

Obr. 50 Zpsob spojen smyek QHA................................................................................. 60

Obr. 51 Spojen dvou plsmyek........................................................................................ 61

Obr. 52 Hotov quadrifilrn roubovicov antna............................................................. 61

Obr. 53 Parametr S11 realizovan antny........................................................................... 62

Obr. 54 Uspodn mcho pracovit [12]..................................................................... 63

Obr. 55 Polarizan oblka a elipsa..................................................................................... 64

Obr. 56 Smrov charakteristika realizovan antny [dBi]................................................. 65

Obr. 57 Simulovan a namen charakteristika [dBi]........................................................ 66

Obr. 58 Simulovan a namen parametr S11................................................................... 67


75/76

75

II. Seznam tabulek

Tab. 1 Parametry druicovch systm............................................................................... 15

Tab. 2 Rozmry smyek pi samofzovac metod............................................................. 37

Tab. 3 Parametry simulovan antny.................................................................................. 40

Tab. 4 Promnn parametry modelu.................................................................................... 40

Tab. 5 Simulovan parametry pi zmn prmru roubovice............................................ 41

Tab. 6 Simulovan parametry pi zmn axiln dlky roubovice.................................... 43

Tab. 7 Simulovan parametry pi zmn potu zvit roubovice...................................... 45

Tab. 8 Simulovan parametry pi zmn axiln dlky roubovice.................................... 47

Tab. 9 Konkrtn rozmry smyek...................................................................................... 53

Tab. 10 Rozmry koaxilnho kabelu UT-085 .................................................................... 56

Tab. 11 Parametry simulovan antny................................................................................ 58

Tab. 12 Skuten rozmry antny....................................................................................... 59

Tab. 13 Maximln a minimln vkon vpolarizan oblce.............................................. 63

Tab. 14 Parametry realizovan antny................................................................................ 66

Tab. 15 Parametry simulovan a realizovan antny.......................................................... 67


76/76

III. Samostatn ploha

Obsah CD

|napajenikruh.emp

| |wilkinson.emp|

|parametricka_analyzaD.cst

| |lp.cst

| |model.cst

| |N.cst

| |p.cst

|

|data.xlsx

|diplomova_prace.pdf

|QHA.cst

kruh.emp - nvrh napjen shybridnmi leny (soubor programu AWR

Microwave Office)

wilkinson.emp - nvrh napjen swilkinsonovmi dlii (soubor programu AWR

Microwave Office)

D.cst - model spromnnm prmrem QHA (soubor programu CST

Microwave Studio)

lp.cst - model spromnnou axiln dlkou (soubor programu CST

Microwave Studio)

model.cst - zakladn model QHA pro parametrickou analzu (soubor

programu CST Microwave Studio)

N.cst - model spromnnm potem zvit (soubor programu CST

Microwave Studio)

p.cst - model spromnnm prmrem vodie (soubor programu CST

Microwave Studio)

vafek_diplomova_prace

Documents

Transcript of vafek_diplomova_prace