Βασικές έννοιες κεραιών

Στην εκπομπή, κεραία είναι μια διάταξη αγωγών, που μετατρέπει το RF σήμα, στην είσοδο της, σε ράδιο κύμα που διαδίδεται στο χώρο. Στη λήψη, η κεραία μετατρέπει το ράδιο κύμα που λαμβάνει σε RF σήμα για το δέκτη. Υπάρχουν εκατοντάδες διαφορετικών τύπων κεραιών σε χρήση σήμερα. Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζονται οι βασικοί τύποι.

Ένα ραδιοκύμα είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, αποτελούμενο από ένα ηλεκτρικό και μαγνητικό κύμα κάθετα μεταξύ τους, το οποίο εκπέμπεται από την κεραία και διαδίδεται σε μεγάλες αποστάσεις.

Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται μια γραφική προσέγγιση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, σταθερής συχνότητας. Βλέπουμε ότι το πλάτος και η φορά του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου μεταβάλλονται ημιτονοειδώς  ανάλογα με την συχνότητα που εκπέμπεται.

Το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο είναι κάθετα μεταξύ τους και είναι επίσης και τα δυο κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Η φορά του ηλεκτρικού πεδίου καθορίζει την πόλωση της κεραίας. Αν το ηλεκτρικό πεδίο είναι παράλληλο προς τη γη και λέμε ότι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι οριζόντια πολωμένο. Αν το ηλεκτρικό πεδίο είναι κάθετο στη γη, τότε το κύμα είναι κατακόρυφα πολωμένο. Οι κεραίες που είναι παράλληλες προς τη γη παράγουν  οριζόντια πόλωση και οι κεραίες που είναι κάθετες στη γη παράγουν κατακόρυφη πόλωση.

Για τη βέλτιστη εκπομπή και λήψη ενός ραδιοκύματος πρέπει οι κεραίες εκπομπής και λήψης να έχουν την ίδια πόλωση.

Κεραία τύπου λ/2

Μια από τις συνηθέστερες κεραίες είναι το δίπολο λ/2, που αποτελείται από κομμάτι σύρματος, ράβδου ή σωλήνα μήκους λ/2 στη συχνότητα λειτουργίας. Η κεραία στην πραγματικότητα κόβεται σε δυο λ/4 κομμάτια. Η γραμμή μεταφοράς συνδέεται στο κέντρο. Το δίπολο έχει μια σύνθετη αντίσταση 73Ω στο κέντρο του.

Για τη μέγιστη μεταφορά ισχύος πρέπει να υπάρχει προσαρμογή μεταξύ των σύνθετων αντιστάσεων της γραμμής και φορτίου (κεραίας). Για το δίπολο, ένα 73Ω ομοαξονικό καλώδιο RG-59/U είναι μια τέλεια γραμμή μεταφοράς και το RG-11/U ομοαξονικό καλώδιο με μια σύνθετη αντίσταση 75Ω προσφέρει επίσης μια εξαιρετική προσαρμογή.

Μια δημοφιλής παραλλαγή του διπόλου λ/2 είναι το αναδιπλωμένο δίπολο όπως φαίνεται στο σχήμα. Όπως το βασικό δίπολο και αυτό έχει μήκος λ/2. Ωστόσο αυτό αποτελείται από δυο παράλληλους αγωγούς συνδεδεμένους στα άκρα με μια πλευρά ανοικτή στο κέντρο για σύνδεση με τη γραμμή μεταφοράς. Η σύνθετη αντίσταση του αναδιπλωμένου διπόλου είναι 300Ω και συνεπώς κάνει μια εξαιρετική προσαρμογή με την ευρέως διαθέσιμη 300Ω διπλή γραμμή.

Οι περισσότερες διπολικές κεραίες τοποθετούνται οριζόντια ως προς τη γη και συνεπώς, θα είναι οριζόντια πολωμένες. Το οριζόντιο διάγραμμα ακτινοβολίας, του οριζόντια πολωμένου διπόλου, φαίνεται στο σχήμα. Αυτό δείχνει την ακτινοβολούμενη ενέργεια σε κάθε κατεύθυνση. Το διάγραμμα αποτελείται από δυο λοβούς σε σχήμα του αριθμού οκτώ, με το δίπολο ευθυγραμμισμένο με τον άξονα 90^ο -270^ο . Όπως βλέπουμε το μέγιστο ποσό της ενέργειας ακτινοβολείται κάθετα στο δίπολο, στις διευθύνσεις 0^ο και 180^ο . Για το λόγο αυτό, ένα δίπολο είναι μια κατευθυντική κεραία. Οι κεραίες εκπομπής και λήψης αυτού του τύπου για τη μέγιστη εκπομπή σήματος, πρέπει να είναι παράλληλες μεταξύ τους και κάθετες στην ευθεία που τις συνδέει. Αν και τα περισσότερα δίπολα λ/2 τοποθετούνται οριζόντια ως προς τη γη, μπορούν να τοποθετηθούν και κατακόρυφα. Κοιτώντας προς τα κάτω την κεραία, το διάγραμμα ακτινοβολίας είναι τέλειος κύκλος. Αυτό σημαίνει ότι η κεραία εκπέμπει ίσο ποσό ενέργειας προς όλες τις κατευθύνσεις. Μια τέτοια κεραία καλείται παγκατευθυντική.

Αν απαιτούνται κατακόρυφη πόλωση και παγκατευθυνότητα δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ένα δίπολο λ/2. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορούμε να έχουμε χρησιμοποιώντας ένα λ/4 κατακόρυφο όπως φαίνεται στο σχήμα. Αυτή η κεραία είναι γνωστή σαν λ/4 κατακόρυφη κεραία ή κεραία με επίπεδο γείωσης. Συνήθως τροφοδοτείται με ομοαξονικό καλώδιο, με τον κεντρικό αγωγό συνδεμένο στον κατακόρυφο ακτινοβολητή και το πλενταζ γειωμένο. Με αυτή τη διευθέτηση, η γη ενεργεί σαν ένας τύπος ηλεκτρικού «κατόπτρου», παρέχοντας ουσιαστικά το άλλο λ/4 της κεραίας και καθιστώντας την ισοδύναμη με ένα κατακόρυφο δίπολο. Το αποτέλεσμα είναι μια κατακόρυφη πολωμένη παγκατευθυντική κεραία.

Η αποτελεσματικότητα αυτής της κεραίας εξαρτάται από μια καλή ηλεκτρική γείωση. Αν δεν μπορεί να γίνει μια καλή ηλεκτρική σύνδεση με τη γη, τότε μπορεί να κατασκευαστεί ένα τεχνικό επίπεδο γείωσης αποτελούμενο από μερικά λ/4 σύρματα τοποθετημένα οριζόντια στη βάση της κεραίας που είναι γνωστά σαν ακτινώσεις (radials). Στις πολύ υψηλές συχνότητες, όπου οι κεραίες είναι μικρού μήκους, οποιαδήποτε μεγάλη επίπεδη μεταλλική επιφάνεια μπορεί να παίξει το ρόλο ενός αποτελεσματικού επιπέδου γείωσης. Π.χ. η μεταλλική οροφή ενός αυτοκινήτου αποτελεί ένα θαυμάσιο επίπεδο γείωσης για κεραίες VHF και UHF.

Η σύνθετη αντίσταση μιας κατακόρυφης κεραίας με επίπεδο γείωσης είναι ακριβώς η μισή της σύνθετης αντίστασης του διπόλου ή περίπου 36,5Ω. Επειδή δεν υπάρχει ομοαξονικό καλώδιο 36,5Ω, συνήθως χρησιμοποιείται ομοαξονικό καλώδιο 50Ω για τροφοδοσία αυτής της κεραίας. Αυτό σημαίνει κακή προσαρμογή με SWR=1,39. Αυτός όμως, είναι σχετικά μικρός SWR και δεν προκαλεί οποιαδήποτε σημαντική απώλεια ισχύος.

Ένας τρόπος προσαρμογής της σύνθετης αντίστασης της κεραίας είναι η χρήση «γερμένων» ακτινώσεων όπως φαίνεται στο σχήμα. Για κάποια γωνία που εξαρτάται από το ύψος της κεραίας πάνω από το έδαφος, η σύνθετη αντίσταση της κεραίας θα είναι περίπου 50Ω κάνοντας περίπου τέλεια προσαρμογή με τα ομοαξονικά καλώδια  50Ω.

Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα μιας κατακόρυφης παγκατευθυντικής κεραίας είναι ότι μπορεί να στέλνει σήμα σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Σε πολλά επικοινωνιακά συστήματα αυτό είναι ένα άκρως επιθυμητό αποτέλεσμα. Υπάρχουν επικοινωνιακά συστήματα στα οποία είναι πιο πλεονεκτικό να περιορίζεται η κατεύθυνση στην οποία τα σήματα στέλνονται ή λαμβάνονται. Αυτό απαιτεί μια κεραία με κατευθυντικότητα. Το πλεονέκτημα μιας κατευθυντικής κεραίας είναι ότι εξαλείφει την παρεμβολή από άλλα σήματα  που λαμβάνονται από όλες τις κατευθύνσεις εκτός από την κατεύθυνση του επιθυμητού σήματος. Όταν χρησιμοποιείται μια κατευθυντική κεραία υπάρχει μεγαλύτερη απόδοση της εκπομπής ισχύος. Συγκεκριμένα, η ισχύς του πομπού μπορεί να εστιαστεί σε μια στενή δέσμη που μπορεί να κατευθυνθεί προς το σταθμό που ενδιαφέρει.

Το συμβατό δίπολο λ/2 έχει κάποια κατευθυντηκότητα στο ότι στέλνει ή λαμβάνει σήματα με κατεύθυνση κάθετα προς το μήκος της κεραίας. Μια τέτοια κεραία καλείται διπλοκατευθυντική. Μονοκατεθυντική είναι η κεραία που στέλνει ή λαμβάνει σήματα μόνο σε μια κατεύθυνση.

Κεραία Yagi

Για τη δημιουργία μιας κεραίας με κατευθυντικότητα συνδυάζονται δυο ή περισσότερα στοιχεία για το σχηματισμό μιας συστοιχίας. Υπάρχουν δυο βασικοί τύποι κεραιών, οι παθητικές  συστοιχίες και οι τροφοδοτούμενες συστοιχίες.

Η κεραία Yagi είναι ένας τύπος παθητικής συστοιχίας αποτελούμενης από ένα ενεργό στοιχείο, ένα ανακλαστήρα και ένα ή περισσότερους κατευθυντήρες. Το ενεργό στοιχείο είναι ένα δίπολο λ/2 ή κάποια παραλλαγή. Ο ανακλαστήρας είναι ένας τύπος παθητικού στοιχείου, που έχει μέγεθος κατά 5% μεγαλύτερο από το λ/2 διπολικό τροφοδοτούμενο στοιχείο. Ο ανακλαστήρας απέχει από το τροφοδοτούμενο στοιχείο κατά μια απόσταση 0,15 – 0,25λ. Όταν το σήμα που εκπέμπεται από το δίπολο φτάσει στον ανακλαστήρα, επάγει τάση σ’ αυτόν με αποτέλεσμα το σήμα να επανεκπέμπεται από τον ανακλαστήρα. Η ακτινοβολία του ανακλαστήρα προστίθεται στο σήμα του διπόλου και επειδή είναι σε φάση δημειουργείται  μια ισχυρή εστιασμένη δέσμη ραδιοκύματος. Ο ανακλαστήρας ελαχιστοποιεί την ακτινοβολία στο πίσω μέρος του τροφοδοτούμενου διπόλου και ενισχύει την ακτινοβολία του μπροστινού μέρους αυτού.

Το άλλο παθητικό στοιχείο της κεραίας Yagi είναι ο κατευθυντήρας που είναι κατά 4% μικρότερος από το λ/2 τροφοδοτούμενο στοιχείο και σε απόσταση λ/10 έως 2λ/10 μπροστά από αυτό. Το σήμα από το τροφοδοτούμενο στοιχείο επάγει στον κατευθυντήρα. Το σήμα που ακτινοβολείται από τον κατευθυντήρα θα προστίθεται σε φάση με το σήμα από το τροφοδοτούμενο στοιχείο. Το αποτέλεσμα είναι ένα στενό εύρος δέσμης.

Η κεραία Yagi τριών στοιχείων του σχήματος έχει ένα κέρδος 8dB συγκρινόμενη με δίπολο λ/2. Οι περισσότερες κεραίες Yagi έχουν ένα ενεργό στοιχείο ένα ανακλαστήρα και από 1 έως 20 κατευθυντήρες.

Ο άλλος κύριος τύπος κατευθυντικής κεραίας είναι η τροφοδοτούμενη συστοιχία. Αυτή είναι μια κεραία η οποία έχει δυο ή περισσότερα ενεργά στοιχεία, όπου κάθε στοιχείο λαμβάνει ενέργεια RF από τη γραμμή μεταφοράς. Ο βασικός τύπος είναι η συγγραμμική κεραία η οποία χρησιμοποιεί δυο ή περισσότερα δίπολα λ/2  ευθυγραμμισμένα σε ευθεία όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα μήκη των γραμμών μεταφοράς που συνδέουν τα διάφορα ενεργά στοιχεία επιλέγονται προσεκτικά έτσι ώστε η ενέργεια που φθάνει σε κάθε κεραία να είναι σε φάση με τις άλλες κεραίες, παράγοντας με αυτό τον τρόπο μια περισσότερο εστιασμένη δέσμη. Οι συγγραμμικές κεραίες έχουν ένα διπλοκατευθυντικό διάγραμμα ακτινοβολίας όπως έχει το δίπολο, αλλά οι δυο λοβοί είναι στενότεροι, παρέχοντας μεγαλύτερη κατευθυντικότητα και κέρδος.

Οι κεραίες που περιγράφηκαν σ’ αυτή  την ενότητα λειτουργούν στη συχνότητα σχεδίασης τους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην περιοχή 500kHz έως 1GHz. Όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο πιο μικρό μήκος είναι η κεραία. Για συχνότητες πάνω από 1GHz χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι κεραιών, όπως χοάνη, παραβολική και ελικοειδής.