Antenner. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

Transkript

1 Antenner Anders Karlsson Institutionen för elektro- och informationsteknik

2 Några grundläggande begrepp Närfält Fjärrfält Strålningsdiagram Direktivitet Effektivitet Bandbredd

3 Närfält På avstånd r λ är vi i närzonen av antennen. Fältet i närzonen kallas närfält Exempel: NFC i smarta mobiler och smarta kort. f=13.56 MHz och λ = 22.1 m. Används på avstånd < 0.2 m.

4 Närfält Exempel: Magnetisk dipol m = m cos(ωt)ẑ i origo z e r e θ θ fältlinje B B(r, t) = µ 0m 4πr 3 (2ˆr cos θ + ˆθ sin θ) cos(ωt) (1)

5 Närfält Fråga:Hur många mottagarantenner (spolar) måste vi ha för att vara 100% säkra på att kunna ta emot en signal från en spole med okänd placering och orientering? Svar: 3 Fråga: Vi skickar en signal mellan två spolar. Antag att den mottagna effekten är P när avståndet mellan spolarna är R, där R λ. Hur stor är den mottagna effekten om avståndet är 2R? Svar: P 64

6 Närfält Exempel: Elektrisk dipol p = p cos(ωt)ẑ i origo E(r, t) = p 4πε 0 r 3 (2ˆr cos θ + ˆθ sin θ) cos(ωt) (2)

7 Fjärrfält Om vi är på avstånd R från antennen och är vi i fjärrzonen. Fältet i fjärrzonen kallas fjärrfältet. Fjärrfältet är en sfäriskt utåtgående våg. R λ (3) R antennens längd (4)

8 Fjärrfält Fråga: Hur avtar amplituden på E med R i fjärrzonen? Ledning: Den utstrålade effekten genom varje sfär som omsluter antennen måste vara konstant. Hur avtar då effekttätheten S = E H? Svar: S avtar som 1 R 2 och fjärrfältet som 1 R. Fråga: Antag att vi med en mottagarantenn tar emot effekten P då avståndet är R till sändarantennen. Hur stor effekt mottar vi när avståndet är 2R? Svar: P 4.

9 Fjärrfält Fråga: I sfäriska koordinater är E = ˆrE r + ˆθE θ + ˆφE φ. Vad är E r i fjärrzonen av en antenn? Svar: Noll Fråga: I vilken riktning pekar strålningsvektorn S i fjärrzonen? Svar: Radiellt S = ˆrS

10 Polarisation Fråga: Hur är fjärrfältet från en elektrisk dipol p = pẑ polariserat? Svar: Linjärpolariserat med E riktat i ˆθ-led

11 Fjärrfält Exempel: Fjärrfältet för elektrisk dipol p = p cos(ωt)ẑ: E = pk2 e ikr sin θˆθ 4πε 0 r H = 1 ˆr E = pk2 c e ikr sin θ ˆφ η 0 4π r

12 Fjärrfält Exempel: Fjärrfältet för elektrisk dipol p = p cos(ωt)ẑ i tidsdomän. E(r, t) = Re{E(r)e iωt } E = pk2 cos(kr ωt) sin θˆθ 4πε 0 r H = 1 ˆr E = pk2 c cos(kr ωt) η 0 4π r sin θ ˆφ

13 Fjärrfält Exempel: Fjärrfältet för elektrisk dipol p = ẑp i tidsdomän.

14 Strålningsdiagram Exempel: Strålningsdiagram för elektrisk dipolantenn med p = pẑ

15 Strålningsdiagram Fråga: Hur får vi en antenn med bättre riktverkan (bättre direktivitet)? Svar: Gör antennen större. Exempel halvvågsantenn

16 Strålningsdiagram Strålningsdiagram halvvågsantenn

17 Antenner med riktverkan Halvvågsantenn med reflektor

18 Halvvågsantenn med reflektor Antenner med riktverkan

19 Yagiantenn Yagiantenn

20 Yagiantenn

21 Strålningsdiagram Strålningsdiagram Yagiantenn

22 Arrayantenner Arrayantenner (gruppantenner)

23 Arrayantenner (gruppantenner) Arrayantenner

24 Arrayantenner Lofar (Low Frequency Array). Onsala rymdobservatorium+ 4 andra ställen i Europa. 10 MHz < f < 250 MHz.

25 Arrayantenner Arrayantenn Lofar på Onsala rymdobservatorium

26 Parabolantenner Parabolantenn Onsala rymdobservatorium

27 Parabolantenner matning Parabolantenner

28 Parabolantenner ALMA-projektet: Array av 25 stycken 12-meters parabolantenner. 0.3 mm < λ < 3.6 mm (83 GHz< f < 1 THz)

29 Parabolantenner Array av parabolantenner ALMA-projektet. Paraboler

30 Parabolantenner Vilken planet? Svar: Pluto

31 Parabolantenner New Horizon Bana till Pluto

32 Parabolantenner New Horizon mot Kuiperbältet

33 Parabolantenner Antag att satelliten New Horizon hade en rundstrålande antenn som skickar ut effekten P =100 W. Hur många fotoner per kvadratmeter och sekund når jorden när New Horizon är vid Pluto?

34 Parabolantenner Avstånd till Pluto=R = m. Fotonenergi=hf f = 10GHz = Hz h = Js N = P 4πR 2 hf Svar: N = P 4πR 2 hf = 0.05 stycken (tre per minut)

35 Parabolantenner Svar: N = P 4πR 2 hf = 0.05 stycken (tre per minut)

36 New Horizon Antenn: parabol 2.1 m diameter Mottagarantenn: parabol 70 m diameter Frekvens=10 GHz Överföringshastighet=1 kbit/s

37 Fortsättningskurser EITN80 Electrodynamics Course information 7.5 credits, vt2 Theoretical lectures and computer sessions Computer labs using Comsol Multiphysics Book: D. J. Griffiths Introduction to Electrodynamics Applications Microwave systems Microwave resonators Particle accelerators Synchrotron radiation Learn about Maxwell s equations Waveguides and microwave cavities Scalar and vector potentials Radiation from accelerating particles Special relativity Relativistic motion of particles in electromagnetic fields MAXIV Electrons >photons Electrongun 1.5GeVring Linac 3GeVring ESS Protons >neutrons Linac Target Beamlines Experimentalhalls Homepage: Teacher: Anders Karlsson, anders.karlsson@eit.lth.se

38 Fortsättningskurser ETEN10 Antenna Technology Course information 7.5 credits, ht2 2 lectures and 1 problem solving class (or computer exercise) per week. 3 laboratory sessions Learn about Radiating EM fields Antenna analysis and parameters Arrays and beam forming Measurement techniques Applications Communication: mobile phones, 5G, IoT, satellite RFID Radar Radio astronomy Design, build, and test Design your antenna Simulate and improve Build, measure and improve Measure and communicate Homepage:

39 Fortsättningskurser EITN90 Radar and Remote Sensing Course information 7.5 credits, vt1 Theoretical lectures and practical workshops Applications of radar Speed measurements using Doppler effect Weather monitoring Air traffic control Labs using simple and advanced radars Remote sensing of Earth and planets Examination by designing a radar system for a specific application Gesture recognition Av as ail ab e- a b o fr le ok ee! Learn about Radar system blocks Wave propagation Scattering theory Detection algorithms Stealth technology