Radiotehnika

Iz E-ucbenik

Skoči na: navigacija, iskanje
RAZŠIRJANJE RADIJSKIH VALOV
Maxwellove enačbe je med leti 1864 in 1873 postavil škotski fizik James Clerk Maxwell. Celotno teorijo je objavil leta 1873 v delu Razprava o elektriki in magnetizmu
Slika: Trije vektorji (magnetno polje, električno polje, smer razširjanja) so med seboj pravokotni. Smer električnega polja določa polarizacijo elektromagnetnega valovanja.


ELEKTROMAGNETNI VALOVI

Elektromagnetni valovi (EM) se v praznem prostoru širijo s hitrostjo svetlobe, 300 000 km/s, to hitrost obravnavamo kot konstanto in jo označujemo s “c”. Ob upoštevanju tega dejstva, lahko enačbo za hitrost širjenja (EM) valovanja napišemo v sledeči obliki:


c = f · λ
c – hitrost širjenja svetlobe (300 000 000 m/s)
f – frekvenca valovanja (Hz)
λ – valovna dolžina (m)


Radijski spekter je razdeljen v skupine frekvenc. Posamezne imajo pri razširjanju valov zelo različne lastnosti, znotraj ene pa so te lastnosti zelo podobne.


1. Zelo nizke frekvence – VLF (Very Low Frequencies) obsegajo frekvence od 3 kHz do 30 kHz. Zelo dolgi valovi imajo valovno dolžino, ki presega 10 km.
2. Nizke frekvence – LF (Low Frequencies) obsegajo frekvence od 30 kHz do 300 kHz. Dolgi valovi imajo dolžino med 10 km in 1 km.
3. Srednje frekvence –MF (Medium Frequencies) obsegajo frekvence od 300 kHz do 3 MHz. Srednji valovi imajo dolžino med 1000 m in 100 m.
4. Visoke frekvence – HF (High Frequencies) obsegajo frekvence od 3 MHz do 30 MHz. Kratki valovi imajo dolžino med 100 m in 10 m.
5. Zelo visoke frekvence – VHF (Very High Frequencies) obsegajo frekvence od 30 MHz do 300 MHz. Tem valovom pravimo tudi “metrski valovi” in imajo dolžino med 10 m in 1 m.
6. Ultra visoke frekvence – UHF (Ultra High Frequencies) obsegajo frekvence od 300 MHz do 3 GHz. “Decimetrski valovi” imajo dolžino med 100 cm in 10 cm.
7. Super visoke frekvence – SHF (Super High Frequencies) obsegajofrekvence od 3 GHz do 30 GHz. “Centimetrski valovi” imajo dolžino med 10 cm in 1 cm.
8. Ekstremno visoke frekvence – EHF (Extremely High Frequencies) obsegajo frekvence od 30 GHz do 300 GHz. “Milimetrski valovi” imajo dolžino med 10 mm in 1 mm.

ELEKTROMAGNETNO VALOVANJE
Ko v nekem vodniku, na primer v antenski žici, povzročimo električni tok, se v okolici tega vodnika ustvari elektromagnetno (EM) valovanje, ki se širi od antene s svetlobno hitrostjo 300 000 km/s. Ti valovi potujejo od izvora v ravnih linijah pod pogojem, da na njih ne delujejo neke zunanje sile. Z večanjem oddaljenosti od izvora valovanja se jakost valovanja zmanjšuje. Izkaže se, da jakost valovanja pada s kvadratom oddaljenosti od izvora. To pomeni, da bo moč signala 2 km od izvora le še ¼ moči, ki jo je signal imel 1 km od izvora in da je moč 3 km od izvora le 1/9 moči ki jo je imel pri 1 km. Vidimo, da moč hitro pada, vendar to danes ne predstavlja velikega problema, saj so sprejemniki dovolj občutljivi in lahko “obdelajo” vhodni signal, ki je zelo šibak. Tako lahko sprejemamo signale, ki jih oddajajo na tisoče kilometrov oddaljeni oddajniki.


POGOJI RAZŠIRJANJA VALOV NA UKV IN VIŠJIH PODROČJIH
Medtem, ko je razširjanje valov na HF področju v največji meri odvisno od dogajanj v ionosferi, pa na VHF in UHF področju ionosfera nima bistvenega vpliva. VHF in UHF valovi ionosfero predrejo in uidejo v vesolje. Zanesljiva zveza na VHF in UHF področju zahteva skoraj optično vidljivost med obema korespondentoma, zveze pa je mogoče vzpostaviti tudi z zelo majhnimi močmi oddajnika. Dobra lastnost teh valov pa je tudi odbojnost, saj se jo da s pridom izkoristiti. Odbiti val, npr. v gorah pa je šibkejši včasih tudi popačen. Ker se valovi od različnih ovir odbijajo različno, je tudi sprejem teh signalov zelo pogojen od lokacije. Včasih za boljši sprejem zadostuje sprememba le za nekaj metrov. Temu lahko rečemo tudi sprememba mikrolokacije.
Zaradi boljšega pokrivanja terena in bolj sigurne zveze se zato postavljajo repetitorji, sateliti itd…

UKLONSKO SLABLJENJE KLINASTE OBLIKE
Ovire na poti zastrejo Fresnelove cone. Najpreprostejša ovira je klinasta ovira. V praksi je mehanizem bolj kompliciran, saj na uklon vpliva tudi oblika ovire, poraščenost itd.

Zveze002.jpg

Dokler ovira ne zastre prve Fresnelove cone, jakost signala za oviro varira in začne padati, ko jo doseže. Pri načrtovanju radijskih zvez skušamo vedno ohraniti prvo Fresnelovo cono brez ovir.


RAZŠIRJANJE RADIJSKIH VALOV V REALNEM OKOLJU
Pojavi, ki nastopajo pri radijski zvezi:

  • radijska vidljivost, senčenje
  • odboj od površine zemlje, hribov, zgradb itd.
  • uklon na različno oblikovanih ovirah
  • večkratni uklon
  • razpršitev, sipanje
  • absorbcija, dodatne izgube zaradi drevja, zgradb itd.
  • valovod po kanjonu, ulice, v tunelu
Zveze003.jpg

Hkrati nastopa več mehanizmov – različne komponente, različne poti. Zaradi faznega zasuka lahko pride do opaznih ničel, tudi več kot 20 dB slabljenja.
Počasni presih (fading) pomeni počasne spremembe v povprečni moči sprejetega signala, hitri presih pomeni hitre spremembe moči sprejetega signala.


ANTENE
Antena in z njo povezan napajalni vod sta verjetno najpomembnejša dela radijske postaje. Kvalitetna antena, konektorji in napajalni vodi so osnova za dobro radijsko zvezo in nam dajo dosti boljši rezultat, kot bi ga dosegli z večanjem moči oddajnika.


Antena je element, ki pretvarja električno moč iz oddajnika v elektromagnetne valove in jih izseva v prostor. Velja tudi obratno, elektromagnetni valovi, ki zadenejo anteno, povzročijo nihanje električnih delcev v anteni – pojavita se električni tok in napetost, ki ju zazna naš sprejemnik kot koristen signal ali motnjo. V zvezi z antenami sta zelo pomembna pojma valovna dolžina in frekvenca. Da lahko antena svojo nalogo opravi, mora biti ravno prav dolga. V praksi rečemo, da je antena resonančna. V resonanci predstavlja antena čisto ohmsko breme. Tipične resonančna dolžine so: ¼ λ, ½ λ, ¾ λ, 1 λ itd. iz tega vidimo, da so resonančne dolžine celoštevilčni mnogokratnik ¼ λ.


Anteno, ki bi sevala energijo v vse strani enako, imenujemo točkasti izvor ali izotropni radiator. Sevanje take antene si predstavljamo tako, da jo postavimo v središče krogle, v vsaki točki na površini krogle bi bila gostota izsevane energije enaka. Take antene v praksi ne moremo narediti. Služi le kot matematični model, na osnovi katerega določamo usmerjenost in ojačanje praktično narejenih anten.


Vsaka praktično narejena antena seva usmerjeno. Pri nekaterih je ta usmerjenost bolj izrazita, pri drugih manj. Popolno predstavo o karakteristiki usmerjenosti antene bi dobili le na osnovi trodimenzionalne slike. Ker pa to v praksi ni enostavno dosegljivo, se največkrat zadovoljimo s karakteristikami usmerjenosti v horizontalni in vertikalni ravnini.

POLVALNI DIPOL
Osnovna antena je polvalni dipol, dolg λ/2.
Izotropna antena seva enako v vse smeri, dipol ima diagram v obliki osmice, s smernostjo 1.64 oziroma 2.15 dB. Dobitek anten označujemo v decibelih in sicer glede na izotrop (dBi) ali glede na dipol (dBd).
Polarizacija polvalnega dipola je enaka njegovi legi.

Slika: Sevalni diagram polvalnega dipola

Slika: Porazdelitev toka in napetosti na dipolu

GP ANTENA
Najpreprostejša vertikalna antena je GP (Ground plane), oziroma vertikalni dipol, kjer je ena polovica antene nadomeščena z zrcaljenjem na kovinski plošči (avto), ali z radiali.
Zveze006.jpg
Zveze007.jpg

Dobitek enostavne antene povečamo, če dolžino povečamo do 5/8 λ, pri tem je potrebna transformacija impedance antene na impedanco kabla 50 Ω. Dobitek nastopa zaradi nižjega vertikalnega kota sevanja. Nad 5/8 λ se vertikalni sevalni diagram razcepi na več smeri, tako da je dobitek v smeri horizonta manjši.
YAGI ANTENA
Smernost in dobitek antene lahko povečamo z zbiralno lečo, postavljeno pred anteno. Zbiralna leča je primeren kos dialektrika, ki uklanja (ravna) valovne fronte, saj se hitrost valovanja v dielektriku razlikuje od hitrosti v praznem prostoru. V mikrovalovnih področjih lahko uporabimo kar dialektrično palico ali primerno oblikovane kovinske dele. Yagi-Uda antena ima kot dialektrik rezonančne paličice (direktorje), ki so malo krajši od polovice valovne dolžine in v ozkem frekvenčnem pasu zelo povečajo navidezno dialektričnost prostora. Sevalni dipol (radiator) je približno enak polovici valovne dolžine, reflektor je daljši. Elementi antene so razmaknjeni od 0.1 do 0.3 valovne dolžine.
Slika: Sevalni diagram Yagi antene


PALIČASTE ANTENE NA ROČNIH RADIJSKIH POSTAJAH

Običajna izvedba paličastih anten je prikazana na spodnji sliki. Antena vsebuje v svoji notranjosti vijačno vzmet iz jeklene žice, ki je vtopljena v črno gumo. Z zmanjševanjem izmer radijske postaje krajšajo tudi dolžine anten zgolj iz estetskega vidika. Anteno, ki je krajša od ¼ valovne dolžine je zelo težko impedančno prilagoditi, še težje pa je s kratko anteno izsevati neko uporabno moč iz oddajnika.
Zveze009.jpg

Električno nadomestno vezje paličaste antene je prikazano na spodnji sliki. Radijski oddajnik, kot izmenični izvor napaja zaporedje sestavnih delov. Paličasto anteno običajno uporabljamo na rezonančni frekvenci, kjer se induktivna impedanca vijačne vzmeti in kapacitivna impedanca med anteno in ohišjem postaje ter roko uporabnika natančno kompenzirata v zaporednem nihajnem krogu.


Razen reaktivnih impedanc tuljave in kondenzatorja sestavlja vezje vrsta uporov, na katerih se troši delovna moč oddajnika. Sevalna upornost nam opisuje, kako se izhodna moč oddajnika pretvarja v elektromagnetno valovanje v prostoru. Ostale upornosti predstavljajo izgube, ki moč oddajnika neposredno pretvarjajo v toploto. Pri delovni frekvenci antene naj bi vsota vseh upornosti znašala približno 50 Ω, da je izhod oddajnika pravilno zaključen na nazivno delovno upornost.

Zveze010.jpg

Sevalna upornost kratkih anten je zelo majhna (manj kot 20 Ω) in je sorazmerna kvadratu zunanje dolžine “l” paličaste antene. Vijačna žica znotraj antene je lahko daljša, vendar le ta na sevalno upornost nima vpliva. Prilagoditev nizke sevalne upornosti paličaste antene na 50 Ω izhod oddajnika bi zahtevala kompliciran transformator impedance.


Paličaste antene vsebujejo vijačno vzmet iz jeklene žice, saj je bakrena žica dražja. Še pomembnejša lastnost jekla pa je zelo izražen kožni pojav v feromagnetikih. Električna upornost jeklene žice se na visokih frekvencah še dosti bolj poveča kot upornost bakrene žice. Če upornost ne zadošča, izdelamo paličasto anteno iz črne gume, obarvane s sajami, ki poskrbijo za dodatno povečanje električnih izgub.


Skupni rezultat dodatnih upornosti je širokopasovna antena, žal pa se moč oddajnika v tem primeru troši v izgubnih upornostih in se neposredno pretvarja v toploto, zato ne more prispevati k sevanju elektromagnetnega valovanja v prostor.


Izkoristek paličastih anten je razviden na spodnji tabeli. Ker pa imamo radijsko postajo ponavadi še pripeto na pasu tik ob telesu, ali pa založeno v nahrbtniku, pa je izkoristek še nekoliko manjši.
Zveze011.jpg

UPORABA PALIČASTE ANTENE V PRAKSI

Kljub slabim električnim lastnostim paličaste antene na ročni radijski postaji, pa lahko trdimo, da je sevalni diagram paličaste antene v idealnih pogojih podoben polvalnemu dipolu. V primeru, kot je prikazan na spodnji sliki, ko je ena radijska postaja v dolini, druga pa v hribih in sta obe anteni polarizirani 90˚ na horizont, oziroma sta postavljeni vertikalno, vidimo, da bo zveza otežena, če tudi je zagotovljena optična vidljivost.
Zveze012.jpg

V situaciji, kot jo vidimo na spodnji sliki, sta anteni polarizirani 45˚ na horizont. V tem primeru je zveza boljša, saj je sevalni kot dvignjen nad horizont. Razlika med horizontalno in vertikalno polarizacijo lahko znaša tudi 20 dB in več, odvisno od tipa antene in njenega sevalnega diagrama. Skratka, če povzamemo, k seštevku izgub na prenosni poti svoj delež prispeva tudi izguba zaradi nepravilne polarizacije antene.
Zveze013.jpg

MONTAŽA ANTEN

Na kaj moramo biti pozorni pri montaži anten?
  • montaža brez ovir (prva Fresnelova cona)
  • mehanska izvedba
  • zaščitna ozemljitev
  • ustrezno tesnenje
  • skladnost s predpisi o gradnji objektov


AKUMULATORJI
Osnovni vir napajanja ročne radijske postaje je akumulator. Uporabljajo se lahko nikelj-kadmijevi (NiCd), nikelj-metal-hidridni (NiMH) ali litij-ionovi (Li-ion) akumulatorji. Vsak tip akumulatorja ima svoje specifične lastnosti, na katere navadno opozarja že proizvajalec. Načeloma pa za vse akumulatorje veljajo naslednji nasveti:


  • Prvo polnjenje novega akumulatorja naj traja 14 – 16 ur, da boste dosegli optimalno kapaciteto akumulatorja.
  • Ne uporabljajte neustrezne polnilne opreme. Nekateri komercialni proizvodi ne ustrezajo polnilnim / praznilnim zahtevam in lahko poškodujejo akumulatorje.
  • Ugasnite postajo, kadar je le ta na akumulatorju, ki ga želite polniti.
  • Najučinkovitejše polnjenje akumulatorjev dosežete pri sobni temperaturi +25ºC. polnjenje hladnega akumulatorja (pod +10ºC) lahko povzroči poškodbe (izlitje elektrolita).
  • Polnjenje toplega akumulatorja (preko 35ºC) povzroči zmanjšanje kapacitete. Nekateri hitri polnilci imajo temperaturno občutljiva vezja, ki zagotavljajo, da je akumulator polnjen pri pravilni temperaturi.
  • Novi akumulatorji so lahko skladiščeni do 2 leti brez bistvenega zmanjšanja ciklusov delovanja. Skladiščenje naj bo izvršeno pri sobni temperaturi in v suhem prostoru.
  • Polnite akumulator 16 ur po daljšem skladiščenju.
  • Ne polnite akumulatorja, dokler ni popolnoma izpraznjen, ker mu bo to zelo zmanjšalo življenjsko dobo.
  • Akumulator odstranite iz polnilca, ko je popolnoma napolnjen. Če je akumulator daljši čas v polnilcu, se mu zmanjša življenjska doba (ne uporabljajte polnilca kot nosilec za postajo).
  • Ne imejte polnih akumulatorjev v žepu ali v torbici skupaj s ključi, kovanci ali drugimi kovinskimi predmeti, saj lahko povzročijo kratek stik in s tem iskrenje in segrevanje.


Dve najbolj pogosti vrsti akumulatorjev, ki se med sabo močno razlikujeta, in sicer:
(1) svinčeni (s tekočim ali želatinastim elektrolitom)
(2) hermetični NiCd (NiFe, NiMH itd)


Svinčenim najbolj škodi to, da so prazni. Tedaj svinčev sulfat prekristalizira v takšno obliko, da se akumulatorja ne da več polniti. Svinčen akumulator moramo torej stalno držati poln, polniti ga moramo vsaj enkrat na mesec. Če ga zapustimo za več mesecev, sodi samo še v smetnjak za posebne odpadke. V svinčenem akumulatorju se polnjenje zaključi s povišano napetostjo, torej ga lahko polnimo na konstantno napetost in na konstantni napetosti (13.8V za baterijo 6 celic) ga lahko tudi stalno dopolnjujemo in držimo priključenega.


NiCd družini akumulatorjev obratno najbolj škodi polnjenje! Pri polnjenju, še posebno z večjim tokom, se na negativni elektrodi tvorijo veliki kristali kovine, ki prebodejo izolacijo do pozitivne elektrode in spravijo celico v kratek stik. Poln NiCd akumulator ima povrhu zelo korozivno pozitivno elektrodo, ki spet razjeda izolacijo do negativne elektrode. NiCd akumulator torej obvezno hranimo izpraznjen! Po končani uporabi moramo NiCd akumulator vedno izprazniti, zato je nujno uporabiti primeren praznilec, ki se sam odklopi, ko napetost pade na določeno mejo. Če namreč praznimo BATERIJO VEČ CELIC še naprej, se na najšibkejši celici obrne polariteta in se začne polniti v obratno smer, kar jo zelo hitro spravi v kratek stik.


Pri polnjenju vseh akumulatorjev se sprošča toplota. Pri NiCd akumulatorju je zelo težko ugotoviti, kdaj je poln. Še več, ker se pri polnjenju že napolnjenega NiCd akumulatorja sprošča vsa dovedena energija v toploto, se tak akumulator zelo segreje in zaradi temperaturne odvisnosti napetost na njegovih sponkah celo upade. Če torej NiCd akumulator polnimo s konstantno napetostjo, bo zagotovo eksplodiral.


NiCd akumulatorje običajno polnimo s tokovnim izvorom. Stanje, kdaj je akumulator poln, ugotovimo izključno iz temperature. Dobra rešitev je NTK ali PTK upor, vgrajen v ohišje akumulatorja, ki ob povišani temperaturi ustavi elektroniko polnilca. Nekateri proizvajalci čipov so si omislili impulzno polnjenje: v pauzi med dvema impulzoma toka, čip pomeri napetost akumulatorja v praznem teku in iz nje sklepa glede na temperaturo. Ko temperatura naraste, napetost upade in čip ustavi polnjenje. To je vsekakor dosti slabša rešitev od NTK ali PTK upora.


Vrsto akumulatorja izbiramo glede na nameravano uporabo. Če mora biti naprava v stanju stalne pripravljenosti za delovanje, izberemo svinčen akumulator. Tega moramo vedno držati polnega, po uporabi naprave ga moramo v roku samo nekaj ur spet napolniti, da svinčev sulfat ne prekristalizira v neuporabno obliko.


NiCd in podobne male akumulatorje moramo hraniti vedno prazne. Torej niso primerni za naprave, ki morajo biti stalno pripravljene za delovanje. NiCd akumulator polnimo tik pred uporabo (na primer na večer pred izletom v naravo), po uporabi pa ga obvezno izpraznimo s primernim PRAZNILCEM. Brez praznilca bo življenjska doba NiCd akumulatorja zelo kratka.


Stalno dopolnjevanje NiCd akumulatorja brez vmesnih praznjenj zanesljivo uniči akumulator (gre v kratek stik) v manj kot mesecu dni.

RECIKLIRANJE AKUMULATORJA
Na koncu življenjske dobe akumulatorjev, se NiCd akumulatorji lahko reciklirajo. Reciklažo lahko opravijo v ustreznih ustanovah ali na pooblaščenih servisih.
Akumulatorji vsebujejo strupene snovi, zato jih ne odvrzite kjerkoli, ampak v zato namenjene zabojnike.


REPETITOR

Zveze014.jpg

Zveza med dvema simpleksnima postajama (postaja, ki ne more sočasno oddajati in sprejemati) je simpleksna.
Zveza med simpleksno postajo in dupleksno postajo ( postaja, ki lahko sočasno oddaja in sprejema) je SEMIDUPLEKSNA!
Dupleksna zveza je zveza med dvema dupleksnima postajama.
Osebna orodja
Splošno reševalna tehnika
Prva in nujna medicinska pomoč