אלקטרוניקה ומחשבים
אלקומפ
כתבה מומלצת אנטנת יאגי

פורסם ב7 לאוקטובר, 2011 | על ידי גיא רומבאוט

1

מאפייני אנטנות לקליטה ושידור

במאמר הקודם למדנו את עקרונות האנטנה הבסיסיים ביותר. בפועל, הדבר מעט יותר מורכב ועל כך ארחיב במסה זו.

כפי שציינתי במאמר הקודם, הגל שמשודר מאנטנת מוט ישודר בכיוון המאונך למוט. כלומר, הרכיב המגנטי (H) והרכיב החשמלי (E) של הגל מאונכים למוט. על מנת לקלוט את גל אלקטרומגנטי זה בצורה האופטימלית, על אנטנת המקלט להיות מאונכת לכיוון תנועת הרכיב החשמלי של הגל (מקבילה לאנטנת השידור). זאת מאחר ועל מנת ליצור זרם במעגל על האלקטרונים לנוע לאורכו של המוט ולא לרוחבו. הדגמת הדבר ניתנת להמחשה באנימציה הבאה:

כיוון השדה המגנטי נקבע בצורה נוחה על ידי "כלל יד ימין". ניקח את יד ימין ו"נלפף" את המוט בעזרתה, כאשר הבוהן בכיוון הזרם. ארבעת האצבעות הנותרות יראו לנו את כיוון השדה המגנטי (B) . כמובן שהשדה החשמלי מאונך תמיד לכיוון השדה המגנטי כך שבדרך זו נוכל לדעת גם את כיוונו. קיים כלל נוסף הנקרא "כלל יד שמאל" שבעזרתו ניתן לדעת את כיוון הכוח שיופעל על מטען כלשהו במרחב (במקרה של אנטנת קליטה – המטען הוא כמובן אלקטרון. להזכירכם! הזרם מוגדר ככיוון ההפוך לכיוון תנועת האלקטרונים) בהתאם לכיוון הזרם (של אנטנת המשדר) והשדה המגנטי.

EL_MSPS_Magnetism2               left hand rule
כלל יד ימין                                                                        כלל יד שמאל

כאשר נשנה את זווית האנטנה, ישתנה כיוון השידור של הגל הא"מ במרחב ביחס למישור (כדור הארץ). 'זווית' הגל נקראת קיטוב (Polarity). כדי לקלוט את הגל הא"מ זווית האנטנה צריכה להתאים לקיטוב אותו הגל. כאמור הזווית האופטימלית לקליטה היא כאשר כיוון השדה החשמלי מאונך למוט. כל זווית שבין אפס לתשעים מעלות תקטין את יכולת הקליטה וזווית של אפס (אנטנה מקבילה לקרקע) תבטל את יכולת הקליטה לחלוטין. על סוגי אנטנות נדבר בעיקר במאמר הבא אך חשוב לציין כי לאנטנות יש קיטובים שונים ולמטרות שונות. לדוגמא – היתרון בקיטוב מאוזן הוא שטווח השידור גדול יותר וזאת מאחר ומבנים סופגים פחות את הקרינה בקיטוב זה ולכן גם משתמשים בקיטוב זה לתדרים גבוהים (אשר טווח השידור שלהם קטן יותר מאשר תדרים נמוכים). לעומת זאת, קיטוב אנכי (הנפוץ ביותר) הינו לשידורים אומניים בעיקר (כלל כיווניים) וזאת מאחר והאנטנה מאונכת למישור.

image

רוב האנטנות מחוברות רק בקציהן האחד למעגל, ואילו בקצה השני הן אינן מחוברות לכלום ולפי כך לא זורם בהן זרם במעגל סגור. למרות זאת, עדיין קיים הפרש פוטנציאלים על האנטנה הרי שהאלקטרונים מתרכזים בה במקום אחד (באחד מהקצוות). המקלט קורא את השינויים ברמות המתח וכך ניתן לעבד את המידע (בדיוק כמו באנימציה למעלה). כדי ליצור הפרש פוטנציאלים מקסימלי צריך שמרבית האלקטרונים יתרכזו במקום אחד של האנטנה ושם יהיה ריכוז מטען שלילי, ואילו בקצה השני של האנטנה יווצר "חוסר" באלקטרונים, כלומר מטען חיובי. על מנת שדבר זה יקרה מומלץ שהאנטנה תהיה באורך של חצי אורך גל (הגדלים הנוספים שנפוצים הם בד"כ 1/4, 5/8). הסיבה שצריך דווקא אורכים שכאלה קשורה לנושא התהודה והעכבה. נניח ונעביר גל בכבל שאיננו מחובר בקצוות, הגל יגיע לקצה הכבל ולאחר מכן יחזור. הוא ינוע חזרה יפגע בקצה השני וחוזר חלילה. כאשר נשלח גל זהה נוסף באותו הכבל, גם הוא יגיע לקצה ויחזור. מאחר והגלים זהים, במצב בו אורכו של הכבל איננו חצי אורך גל, תתרחש התאבכות הורסת והגלים יבטלו אחד את השני (גל אחד "דוחף" את האלקטרונים והשני "מושך" את האלקטרונים – כך שאין זרם בשקלול הרי שהכוחות שווים). כאשר אורכה של האנטנה רבע אורך גל, מתרחש מצב של התאבכות הורסת באופן חלקי והאנטנה עדיין מגיבה בצורה טובה יחסית. לכן גודל זה נפוץ – היתרון כמובן ברור בכך שהאנטנה קצרה יותר (עלותה זולה, גובהה נמוך, דורשת שטח קטן ועוד).

half_wave_antenna

half_wave_antenna2

דוגמא: נתון תדר בגודל 107.5MHz (רדיו חיפה), מהו אורך האנטנה האידיאלי לתדר זה?
clip_image002

דוגמא נוספת: נתון תדר בגודל 2.4GHz (תקשורת Wifi), מהו אורך האנטנה האידיאלי לתדר זה?

clip_image002[10]

ניתן לראות כי ככל שהתדר גבוה יותר, כך אורך האנטנה קטן יותר. ההופכי הוא ההסבר למדוע כמעט ולא משתמשים בתדרים נמוכים. עבור תדר של 10KHz נצטרך אנטנה באורך 15 אלף ק"מ!!

באופן עקרוני לא תמיד משתמשים בגודל המדויק של חצי אורך גל עבור האנטנה, הרי שלפעמים אנו משדרים דרך אותה אנטנה תדרים שונים והרי שלכל תדר יש אורך אנטנה שונה. לכן לוקחים בדרך כלל את הממוצע או אורך אנטנה עבור התדר האמצעי. קיים סוג אנטנה הנקרא "אנטנה אקטיבית". אנטנה זו משנה בצורה וירטואלית את אורכה באמצעות רכיב המשנה את העכבה שלו בהתאם למתח שהוא מקבל.

כאשר אורכה של האנטנה איננו חצי אורך גל נקבל ניחות ולא נקלוט את הגל בצורה טובה וכך גם הדבר יקשה על עיבוד המידע לאחר מכן. לדוגמא: אנטנה הארוכה רק ב10 אחוז מחצי אורך הגל תביא לאפקטיביות של 7 אחוז בלבד באנטנה (ניחות של 93%)!כלומר האנטנה תהיה גרועה.

פרט לאורכה של האנטנה קיים עוד מכלול רחב של דברים המשפיעים על אפקטיביות האנטנה, לדוגמא סוג החומר, עכבה (התנגדות) ועוד. כדי לדעת מהי אפקטיביות האנטנה יש למדוד "יחס גלים עומדים" (VSWR=Voltage Standing Waves Ratio) באמצעות מכשיר מיוחד. יחס זה אומר כמה אנרגיה תגיע למקלט דרך האנטנה. יג"ע נוגע בעיקר לתחום של עכבת קווי תמסורת. כאשר קו התמסורת איננו אחיד (יש שימוש בקווי תמסורת שונים עם עכבה שונה) חלק מהגלים יחזרו ולא ימשיכו להתקדם הלאה בעקבות שינוי בהתנגדות הקו. עקרון זה נובע מתורת הגלים (לדוגמא גלי מים בבריכה שפוגעים בקיר – התנגדות – ויחזרו). חישוב היג"ע הוא לפי הנוסחא הבאה:

vswr

השאיפה היא שהיחס יהיה 1:1 – כלומר העברה מושלמת של האנרגיה.
Vfwd – אנרגיה מתקדמת
Vref – אנרגיה מוחזרת
לדוגמא: כאשר עוברת אנרגיה בהספק של 1 וואט בקו תמסורת שעכבתו היא 50 אום. מדדנו Vf=7volts, Vr=0volts אז היג"ע יהיה 1:1 – כלומר אידיאלי.
לעומת זאת במדידה אחרת קיבלנו כי ההחזר הוא 500mW אזי היג"ע יהיה 6:1 = 1: (7-5)/(7+5), כלומר יג"ע גרוע.

ביחס של 2:1 האפקטיביות של האנטנה היא כ89% (הפסד של כ0.5db), ביחס של 3:1 האפקטיביות תרד ל75%. באתר זה תוכלו למצוא מחשבון לחישוב הפסדים עקב VSWR.
באמצעות גרף סמית ניתן לחשב תיאום עכבות בצורה נוחה.

תגיות: , , , , ,

אודות המחבר



תגובה אחת למאפייני אנטנות לקליטה ושידור

  1. אבנר הגיב\ה:

    מה קורה לגבי אנטנות שהן לא 'מוט'?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

תגי HTML מותרים: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

חזרה לראש הדף ↑