1

ZOZNAM POUŽITÝCH SYMBOLOV

frez

G

z

R

c

f

λ

E

U1

U0

P1

P0

P

I

W

C2

Pr

Po

R

g(θ,Φ)

g’(θ‘,Φ‘)

Lr

Gmax

G´max

Ga

Gr

Ad

As

Gs

rezonančná frekvencia

zisk antény

vstupná impedancia

vyžarovací odpor antény

rýchlosť svetla vo vákuu

frekvencia

vlnová dĺžka

intenzita elektromagnetického poľa

napätie na meranej anténe

napätie na referenčnej anténe

výkon na meranej anténe

výkon na referenčnej anténe

výkon vyžiarený anténou

prúd vmieste napájania antény

najväčší rozmer meranej antény

konštanta určujúca požadovanú presnosť merania

prijatý výkon [W]

vstupný výkon na vysielacej anténe[W]

vzájomná vzdialenosť medzi anténami

zisk vysielacej antény v smere ( )ΦΘ,

zisk prijímacej antény v smere ( )Φ′Θ′,

úroveň signálu na výstupe prijímacej antény [dBm]

maximálny zisk vysielacej antény [dB]

maximálny zisk meranej antény [dB]

zisk meranej antény

zisk referenčnej antény

rozdiel ziskov meranej a referenčnej antény

nameraný útlm [dB]

zisk voči izotropnému žiariču[dB]

2

Ke

H

L0

F

S

lineárna hustota povrchového prúdu

vektor intenzity magnetického poľa

rovinná vlna vzniknutá odrazom guľovej vlny od reflektora

bodový zdroj guľovej vlny

odrazová plocha

3

ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK

PSV

VB

TP

KM

MK

R1,R2

T1,T3

T2,T4

Dt

pomer stojatého vlnenia

Visual Basic

Turbo Pascal

Krokový motor

mikrokrokovanie

rezistor

tranzistor NPN

tranzistor PNP

priemer reflektorových antén

4

1. ÚVOD

Anténa je neoddeliteľnou súčasťou rádiokomunikačného reťazca na bezdrôtový

prenos informácií. Je definovaná ako prvok , ktorý transformuje elektromagnetické vlny

vedené napájačom na elektromagnetické vlny šíriace sa voľným priestorom a naopak. Preto

je anténa najdôležitejšou časťou rádiokomunikačného zariadenia a nemôže sa nahradiť

žiadnym iným elektronickým obvodom. Antény patria obyčajne k pasívnym prvkom

a možno ich podľa parametrov rozdeliť do rôznych skupín. Jedným s najdôležitejších

parametrov je smerová charakteristika a zisk antény

Cieľom automatizovaného pracoviska je presnejšie a rýchlejšie meranie parametrov

antén, kde sa ľudský faktor nahradí výpočtovú techniku a tým sa pri meraní eliminujú chyby

spôsobené človekom, ktorý meranie vykonával.

Cieľom tejto práce bol návrh automatizovaného pracoviska na meranie smerovej

charakteristiky a zisku antén vo frekvenčnom pásme 1 až 40 GHz. Pôvodné pracovisko

obsahovalo vysielaciu anténu s generátorom upevnenú na pevnom stožiari a prijímaciu

anténu so spektrálnym analyzátorom upevnenú na otočnom stožiari, kde sa prijímacia anténa

ručne otáčala na stožiari o určitý stupeň a so spektrálneho analyzátora sa odčítavala hodnota

signálu, prijímaného z vysielacej antény a zapisovala do tabuľky z ktorej sa neskôr vytvoril

graf.

Súčasné pracovisko obsahuje otočný stožiar, otáčaný pomocou krokového motora,

ktorý je riadený počítačom a namerané hodnoty sa zaznamenávajú na počítač, z ktorých sa

vytvorí graf pomocou softvéru, vytvoreného pre súčasné pracovisko. Softvér bol napísaný

v programovacom jazyku Delphi 5 a Agilent VEE pro 7.0 a obsahuje algoritmy, ktoré riadia

krokový motor, komunikujú s meracími prístrojmi, vykresľujú grafy a ďalšie, ktoré sú

potrebné pre bezproblémový chod automatizovaného pracoviska.

Projekt bol realizovaný na pracovisku vo VÚS Banská Bystrica.

5

2. ZÁKLADNÉ PARAMETRE ANTÉN A PRINCÍP ČINNOSTI

Anténa je zariadenie, ktoré transformuje elektromagnetické vlnenie šíriace sa pozdĺž

vedenia na elektromagnetické vlnenie, šíriace sa vo voľnom priestore a naopak. Preto je

anténa najdôležitejšou časťou rádiokomunikačného zariadenia a nemôže sa nahradiť žiadnym

iným elektronickým obvodom.[1]

Anténa tvorí základnú súčasť rádiokomunikačného systému, a preto musí splňovať

celý rad požiadaviek na technické parametre, ktoré umožňujú chod celého systému v daných

podmienkach. Parametre sa kontrolujú pri výrobe alebo za chodu meraním, pre ktoré boli

vypracované rôzne meracie metódy a medzinárodné odporučenia. [1]

Každú anténu charakterizujú tieto hlavné elektrické parametre :

− Rezonančná frekvencia (frez) a šírka pásma antény

− Zisk antény (G)

− Vstupná impedancia (z)

− Vyžarovací odpor antény (R)

− Pomer stojatého vlnenia (PSV)

Pri smerových anténach :

− Predozadný pomer

− Šírka hlavného zväzku v horizontálnej a vertikálnej rovine

Rádiové komunikačné systémy pokrývajú v súčasnej dobe veľmi široké frekvenčné

pásmo. Rozmery príslušných anténnych systémov sú v zásade závislé na dĺžke vlny

pracovnej frekvencie, takže aj meracie metódy budú rôzne (napr. pre antény rozhlasových a

KV vysielačov, alebo naproti tomu antény pre cm, mm vlny). Hlavnú pozornosť budeme

venovať meraniu antén pre frekvenčné pásma 30 MHz až 30 GHz. Meracie metódy pre

pásma nad 30 GHz sa podstatne nelíšia od metód pre pásma okolo 30 GHz. Nároky na

presnosť mechanickej výroby meracích zariadení sú však podstatne vyššie. [1]

6

Za základné elektrické parametre antén, ktoré je nutné overovať meraním,

považujeme:

- vstupní impedanciu

- smerový diagram (polarizáciu elektromagnetického poľa, zisk).

Okrem uvedených parametrov existujú tiež izolačné vlastnosti (uzemnenie, ochrana

proti prepätiam a pod.). Týmito parametrami sa zaoberať nebudeme, lebo sú súčasťou

celkových izolačných požiadaviek na systém. [1]

Pretože elektromagnetické pole vyžarované alebo prijímané anténou pôsobí na diaľku, je

presnosť merania parametrov antény závislá na polohe, vzdialenosti antény vzhľadom

k okolitým objektom a teda aj na vzdialenosti od zeme. Vzdialenosť sa určuje dĺžkou vlny

meracej frekvencie. Čím je vlna dlhšia, tým je kritickejší vplyv relatívne blízkych predmetov

a naopak. [1]

2.1 REZONANČNÁ FREKVENCIA

Anténa je otvorený rezonančný obvod, ktorého indukčnosť a kapacita sú realizované

vodičom o dĺžke l a priemerom d (l>>d). Ak má byť anténa v rezonancii, musí byť dĺžka

vodiča celým násobkom polovici vlnovej dĺžky. [1]

2

λ=l [ ]m

f

c=λ [ ]Hz

LCf

π2

1=

Kde :

l dĺžka antény C kapacita [F]

λ vlnová dĺžka f frekvencia

c rýchlosť svetla vo vákuu L indukčnosť [H]

Aj keď má anténa vlastnú rezonančnú frekvenciu, tak účinne pracuje len v určitom

frekvenčnom pásme, ohraničenom frekvenciami fmin a fmax. V charakteristike intenzity

elektromagnetického poľa E môžeme na krivke, určujúcej závislosť napätia od frekvencie

(obr. 2.1) označiť body fmin a fmax , kedy intenzita elektromagnetického poľa poklesne o 3dB.

Takto definované frekvencie ohraničujú šírku frekvenčného pásma antény. [1]

7

Obr. 2.1 Rezonančná charakteristika antény

2.2 ZISK ANTÉNY

Hlavným parametrom charakterizujúcim účinnosť antény je jej zisk G. Jedná sa

o relatívnu hodnotu, vzťahujúcu sa na určitú referenčnú anténu. Zisk antény v dB je daný

pomerom napätí (E1/E0), alebo výkonov (P1/P0) na záťaži pripojenej jednak k meranej anténe

a potom k referenčnej anténe, umiestnenej vtom istom mieste. [1]

[ ] ( ) ( )0101 /log10/log20 PPUUdBG ==

Kde :

U1 napätie na meranej anténe

U0 napätie na referenčnej anténe

P1 výkon na meranej anténe

P0 výkon na referenčnej anténe

Za referenčnú anténu sa považuje buď izotropická anténa so ziskom G = 0 dBi

(anténa vyžarujúca vysokofrekvenčnú energiu rovnomerne do všetkých smerov ), alebo

polvlnový dipól so ziskom G = 0dBd (2,14 dBi).

8

2.2.1 SUBSTITUČNÁ METÓDA

Pre túto metódu platí opäť zákon reciprocity, takže nezáleží na tom, či meraná anténa

je prijímacia alebo vysielacia. Meraná anténa spolu s jej nosným systémom sa umiestni do

meracieho priestoru popísaného v kapitole „2.3.3 MERACIE PROSTREDIE“ a je vystavená

dopadu rovinnej elektromagnetickej vlny, ktorá má polarizáciu odpovedajúcu polarizácii

meranej antény. Výstupný výkon antény, dodávaný do špecifikovanej záťaže, sa porovnáva s

výkonom substitučnej referenčnej antény. Referenčnú anténu je treba substitučne umiestniť

do rovnakého miesta, ako bola umiestnená meraná anténa. Zisk referenčnej antény musí byť

presne známi, rovnako ako jej smerovosť, polarizácia a charakteristika krížovej polarizácie.

Polarizácia referenčnej antény pri meraní musí byť totožná s polarizáciou meranej antény.

Doporučuje sa, aby sa referenčná anténa typom nelíšila od meranej antény. Ak je to možné,

je treba, aby fázové stredy oboch antén (meranej aj referenčnej) boli pri substitúcii v rovnakej

polohe. Spojovacie vedenie medzi meranou a referenčnou anténou a meracím prijímačom by

malo byť rovnaké. V opačnom prípade musíme poznať útlm vedenia pre každú meraciu

frekvenciu. Je treba zaistiť, aby spojovacie vedenie pri meranej anténe zaujalo normálnu

pracovnú polohu. V prípade, že nie je táto poloha špecifikovaná, musí sa dbať na to, aby

poloha spojovacieho vedenia mala na merané hodnoty čo najmenší vplyv. Ak sa použije

nesymetrické vedenie k pripojeniu symetricky napájanej antény, je treba použiť symetrizačný

člen. [3]

Pri meraní je treba kontrolovať elektrickú stabilitu meracieho zariadenia. Preto je pri

meraní vhodné použiť prijímaciu monitorovaciu anténu a umiestniť ju do polohy, kde

neovplyvní rozloženie poľa v mieste meranej antény. Stupeň impedančného neprispôsobenia

medzi meranou anténou, vedením a meracím zariadením nemá na oboch stranách vedenia

prekročiť koeficient odrazu 0,1. To isté platí pre obvody referenčnej antény. Príklad

zapojenia meracích prístrojov a antén je na obr. 2.2.1. [3]

9

Obr.2.2.1 Schéma meracej sústavy substitučnou metódou

Zoslabovačom zaradeným do vedľajšieho vedenia nastavíme rovnakú úroveň signálu

na vstupe prijímača pre obe polohy prepínača S, ktorý pripojuje na prijímač jednak

monitorovaciu anténu am a jednak referenčnú anténu ar. Zoslabovač A3 je spravidla

nemenný, s útlmom 3 dB a zmenšuje prípadný vplyv impedančného neprispôsobenia

referenčnej a meranej antény aa. Zoslabovač A2 je presný premenný zoslabovač. Týmto

zoslabovačom nastavíme rovnakú výchylku indikátora prijímača jednak po pripojení

referenčnej antény a jednak po pripojení meranej antény. Rozdiel medzi oboma

zoslabovačmi Ad udáva rozdiel medzi ziskom referenčnej antény Gr a meranej antény Ga.

Výsledný zisk meranej antény je daný

Ga = Gr +( - Ad) (3)

Tomuto prípadu sa spravidla vyhýbame a za referenčnú anténu volíme anténu s

väčším ziskom, než je očakávaný zisk meranej antény. Zisk meriame väčšinou pre niekoľko

frekvencií v pracovnom (Pozn.: znamienko - predpokladá, že zisk meranej antény je menší

než zisk referenčnej antény). pásme antény a niekoľko meraní opakujeme, vždy s kontrolou

signálu monitorovacej antény. Namerané zisky zapíšeme do tabuľky alebo do grafu. Rozptyl

nameraných údajov pre danú frekvenciu ukazuje na stabilitu našich prístrojov. Špeciálne

meracie prijímače majú pre tieto účely vedľajší vstup pre signál z monitorovacej antény a ich

citlivosť je priebežne riadená podľa prípadnej odchýlky signálu vysielača. Pri meraní zisku

rozmerných antén (napr. parabolického reflektora s priemerom D =100 cm ) je treba meniť,

najlepšie priebežne, polohu referenčnej antény naprieč vertikálnym rozmerom meranej

antény a štatisticky vyhodnotiť namerané hodnoty. [3]

10

2.2.2 RECIPROČNÁ METÓDA

K tomuto meraniu potrebujeme dve totožné antény. Jedna je použitá ako prijímacia a

druhá ako vysielacia. Každá anténa je umiestnená spolu s upevňovacou konštrukciou na

stožiar (teleskopický) a sú na seba vzájomne nasmerované (maximom smerového diagramu).

Výšku antén nad zemou je možné nastaviť tak, že obe antény sú v rovnakej výške nad

zemou. Minimálna výška nad zemou má byť najmenej 2 λ. Vzájomná vzdialenosť medzi

anténami R musí byť známa a má byť najmenej 3λ alebo 4b2/λ, kde b udáva najväčší rozmer

antény. Z oboch hodnôt použijeme tu väčšiu. Vplyv odrazov od zeme kontrolujeme súčasnou

zmenou výšky oboch antén z minima 2 λ a zaznamenáme relatívnu zmenu na indikátore

prijímača. Zmeny by nemali prekročiť ±0,5 dB. Za týchto podmienok zanedbateľného vplyvu

odrazov od zeme je útlm medzi oboma anténami daný:

)4

log(20λ

πRAs = (4)

• As je nameraný útlm [dB]

• Gi je zisk voči izotropnému žiariču[dB]

• R je vzdialenosť medzi fázovými stredmi oboch antén

• λ je vlnová dĺžka meracej frekvencie

V praxi môžeme vzdialenosť R merať medzi napájacími svorkami antén (s výnimkou

„apertúrových antén“, napr. lievikové antény, šošovkové, reflektorové apod.). Zisk antény

(dB) voči izotropnému žiariču je daný:

2)

4log(10

AsRGi −=

λ

π (5)

alebo voči polvlnovému dipólu

15,22

)4

log(10 −−=AsR

Giλ

π (6)

Útlm As medzi oboma anténami môžeme merať rôznymi spôsobmi podľa toho, aký merací prístroj použijeme. [3]

11

2.3 VÝSTUPNÁ IMPEDANCIA A VYŽAROVACÍ ODPOR Anténa pripojená na vysielač ho zaťažuje, tak ako každý spotrebič svojím odporom

(impedanciou). Pretože impedancia antény má dve zložky, odporovú a reaktančnú

(induktívnu alebo kapacitnú), je celkové zaťaženie súčtom oboch zložiek. Vstupný odpor R

antény je súčtom vyžarovacieho (užitočného) odporu a (neužitočného) stratového (premieňa

vysokofrekvenčnú energiu na tepelné straty). Pri výpočte vyžarovacieho odporu

vychádzame zo základných vzorcov elektrických zákonov. [3]

[ ]Ω=I

UR [ ]WIUP .= ⇒ [ ]Ω=

2I

PR

Kde :

R vyžarovací odpor [Ω]

P výkon vyžiarený anténou [W]

I prúd vmieste napájania antény [A]

2.3.1 IPEDANCIA A KOEFICIENT ODRAZU

Impedanciu antény meriame vrátane mechanickej podpery. Ak má anténa symetrické

napájanie, musíme použiť symetrizačný člen (ak použité meracie zariadenie nemá pre

meranie súmerne zaťažený vstup). Vplyv určitého symetrizačného členu je treba brať do

úvahy práve pri meraní v širšom frekvenčnom pásme. K meraniu impedancie sa najskôr

používali rôzne mostíky alebo reflektomery, prípadne meracie vedenia na cm vlnách.

V súčasnej dobe poskytuje priemysel veľký výber meracích prístrojov tzv. Network

analyzátorov, ktoré v spojení s počítačom vyhodnotí meranú impedanciu rovno na grafickom

zázname, napr. na Smithovom diagrame. Renomovanými firmami sú napr. Hewlett Packard

alebo Rohde Schwarz. [3]

12

2.3.2 MERANIE IMPEDANCIE

Aby sa zmenšil vplyv zeme a okolitých predmetov schopných odrážať

elektromagnetické vlny, doporučuje sa, aby vzdialenosť k týmto predmetom nebola menšia

ako:

d = C2 . W

• W je najväčší rozmer meranej antény

• C2 je konštanta určujúca požadovanú presnosť merania

Hodnoty C2 pre požadovanú presnosť

• 10 % 0,5

• 5 % 0,8

• 3 % 1,3

Pri meraní antén menších rozmerov (napr. ožarovače reflektorových antén) postačí

zatieniť blízke meracie prístroje absorpčnými doskami alebo sa presvedčiť pohybom rovinnej

kovovej dosky v blízkosti meranej antény, ako sa mení nameraná impedancia. Podľa toho

nastavíme potom polohu antény. Samotná poloha napájacieho vedenia má často vplyv na

meranú impedanciu. [3]

2.3.3 MERACIE PROSTREDIE

Meracím prostredím (measuring site, range) nazývame blízke aj vzdialené okolie

meranej antény. Podľa druhu antény, dĺžky vlny a použitej meracej metódy volíme meracie

prostredie. Iné nároky sú kladené na prostredie pri meraní impedancie, iné pri meraní

smerových diagramov a zisku. Iné nároky sú kladené pre meranie rozmerových antén pre cm

vlny a iné pre meranie stacionárnych alebo mobilných antén. [3]

2.4 SMEROVÁ CHARAKTERISTIKA ANTÉNY

Pri meraní smerového diagramu musí byť meraná anténa zapojená napr. ako

prijímacia, umiestnená do homogénneho elektromagnetického poľa s polarizáciou

odpovedajúcou pracovnej polarizácii antény. Pokiaľ je meraná anténa zapojená ako

vysielacia, platí predošlé pre prijímaciu anténu indikátora. Na základe princípu reciprocity sú

13

smerové diagramy meranej antény zapojené ako prijímacie totožné s diagramy antény

zapojenej ako vysielacej. Meraná anténa sa spravidla umiestňuje na tzv. otočný stožiar, ktorý

je konštruovaný tak, že umožňuje jednak natáčanie antény v horizontálnej rovine, v ktorej je

meraný diagram, a ďalej umožňuje natočenie antény okolo vodorovnej osy, tak aby mohli

byť merané rôzne rezy priestorovým diagramom (obr.2.4). [3]

Obr.2.4. Bloková schéma pracoviska na meranie smerového diagramu antén

Veľmi výhodné je, keď otočný stožiar umožňuje naklonenie antény vo vertikálnej

rovine. Toto naklonenie sa využíva pri meraní so zvýšenou polohou meranej antény, ktoré

obmedzuje odraz od zeme. Konštrukcia otočného stožiara by mala byť z izolačného

materiálu, aby kovová konštrukcia neovplyvňovala rozloženie poľa okolo meranej antény.

Otáčanie stožiara s anténou je prenášané na zapisovacie zariadenie spojené s výstupom

prijímača. Naklonenie vo vertikálnej rovine nemožno často realizovať pre zložitosť

konštrukcie - musíme sa uspokojiť s meraním len v horizontálnej rovine. Presné zameranie

na ožarovanú anténu je treba dodržať vždy, hlavne pri meraní antény s veľmi úzkym

vyžarovacím lalokom. Požiadavka celo izolačnej konštrukcie narazí často na ekonomické

14

problémy a preto musíme dbať na to, aby aspoň meraná anténa bola dostatočne vzdialená od

kovových súčastí otočného stožiara a upevnená na izolačnom držiaku. Vertikálna os otáčania

by mala prechádzať fázovým stredom meranej antény. Pokiaľ to pozdĺžne rozmery antény

neumožňujú (práve pri nižších frekvenciách), je treba polohu antény voči ose otáčania

označiť na nameraných diagramoch. Ožarovacia anténa je umiestnená na podstavci, ktorý

umožňuje nastavenie výšky antény tak, aby maximum jej žiarenia bolo na spojnici medzi

meranou anténou a ožarovacou anténou. Upevnenie ožarovacej antény, alebo jej konštrukcie

má umožniť natáčanie antény pozdĺž vodorovnej osy tak, aby sa mohla meniť orientácia

polarizácie vlnenia dopadajúceho na meranú anténu. Schematické znázornenie meracej

sústavy je na obr.2.4. [3]

Prístrojové vybavenie meracieho pracoviska je závislé na frekvenčnom pásme, v

ktorom sa bude merať, a na veľkosti meraných antén. Zásadne ide o určenie potrebného

výkonu vysielača a citlivosti prijímača. Výkon na výstupe meranej, prijímacej anténe

vyvolaný vysielacou anténou je daný vzorcom:

( ) ( )Φ′Θ′′ΦΘ

= ,,

4

2

0 ggR

PPrπ

λ (1)

• Pr je prijatý výkon [W]

• Po je vstupný výkon na vysielacej anténe[W]

• R je vzájomná vzdialenosť medzi anténami

• λ je vlnová dĺžka

• ( )ΦΘ,g je zisk vysielacej antény v smere ( )ΦΘ,

• ( )Φ′Θ′′ ,g je zisk prijímacej antény v smere ( )Φ′Θ′, za predpokladu, že obe antény

majú rovnakú polarizáciu.

Táto rovnica sa dá upraviť pre stanovenie minimálnej úrovne prijatého signálu a úrovne

vysielacieho výkonu tak, aby sa určil dynamický rozsah, v ktorom sa dá merať smerový

diagram. Ak požadujeme napr. dynamický rozsah merania aspoň 40 dB, ktorý určuje

najmenšiu úroveň merania postranných lalokov smerového diagramu, bude rovnica (1)

vypadať nasledovne:

−−′+=

λ

πRdBGGLr

4log2040maxmax (2)

15

• Lr je úroveň signálu na výstupe prijímacej antény [dBm]

• Gmax je maximálny zisk vysielacej antény [dB]

• G´max je maximálny zisk meranej antény [dB]

Uvedená úroveň signálu Lr prijatého meranou anténou platí pre orientáciu prijímacej

antény v smere minima

smerového diagramu -40 dB. Namerané diagramy zobrazujeme buď v ortogonálnom alebo

polárnom zobrazení. Úzko smerové diagramy (napr. parabolické reflektory) je výhodné

zobraziť vždy v ortogonálnom zobrazení. [3]

2.4.1 MERANIE SMEROVÝCH DIAGRAMOV

Meraná anténa má byť umiestnená v homogénnom elektromagnetickom poli.

Homogénne elektromagnetické pole je charakterizované nulovou zmenou intenzity a fázy

poľa v danom priestore. Napr. pre antény Yagi by to znamenalo priestor s rozmermi

pravouhlého kvádra, do ktorého sa dá anténa umiestniť, zväčšeného na každej strane o štvrť

vlny. Pre antény parabolického typu ide o plochu ústia antény, pričom priečny rozmer je

zväčšený aspoň o štvrtinu priemeru. Homogénne elektromagnetické pole zhora uvedených

parametrov ide v praxi ťažko vytvoriť. Najlepšie sa tieto požiadavky splnia vytvorením

rovinnej vlny priečne polarizovanej (TEM vlna), šíriaca sa pozdĺž spojnice oboch antén

meranej (prijímacej) a vysielacej (ožarovacej). Rovinná vlna TEM je v podstate teoretický

fenomén a v praxi ich nahradzujeme guľovou vlnou s veľmi veľkým polomerom R. Ukázalo

sa, že dostatočnú presnosť merania zaistíme, ak povolíme v danom priestore merané antény

maximálnu zmenu fázy danej pomerom λ/16. Aby sa toho dosiahlo, musí platiť pre

najmenšiu meraciu vzdialenosť:

λ

)21(2 22WW

R+

≥

• W1 a W2 sú maximálne rozmery meranej a vysielacej antény alebo pre väčšie

vzdialenosti:

λ

22WR ≥

• W je maximálny rozmer meranej antény

16

W = D

• D je priemer ústia napr. reflektorovej antény.

Malé fázové odchýlky spôsobia malé deformácie v štruktúre postranných lalokov smerového

diagramu. Väčšie odchýlky spôsobí podstatné chyby pri meraní zisku a v štruktúre

postranných lalokov diagramu. [3]

Zhora povolená odchýlka λ/16 spôsobí napr. u reflektorovej antény chybu v nameranom

zisku 0,1 dB. Naopak u antén s veľkým fázovým posuvom v ústí, ako je napr. lieviková

anténa, môže vlastný fázový posun v ústí antény spôsobiť značnú chybu v nameranom zisku

( 0,3 až 0,8 dB). Maximálna zmena intenzity v tomto kvázi homogénnom poli by nemala

prekročiť ±0,5 dB pre frekvencie pod 300 MHz a ±0,25 dB pre frekvencie nad 300 MHz.

Výpočtom sa dá stanoviť, že maximálna chyba na smerovom diagrame na úrovni -20 dB

hlavného laloku je +3,9 dB až -7,3 dB pre zmeny poľa ±0,5 dB a 2,2 dB až -3 dB pre zmeny

poľa ±0,25 dB. [3]

Meranie týchto chýb nie je jednoduchou záležitosťou. K meraniu musíme použiť

sondy (dipólové alebo malú lievikovú anténu), ktorá by nemala ovplyvňovať svojou

prítomnosťou merané pole a to je obtiažne. Preto musíme hľadať také meracie prostredie,

ktoré samo o sebe zaistí zhora uvedené požiadavky. Fázovú podmienku λ/16 dodržíme ľahko

zaistením potrebnej vzdialenosti R, aj keď často aj táto podmienka obmedzí veľkosť antén,

ktorú sme schopní merať. Zmeny intenzity poľa sú zavinené predovšetkým odrazmi

elektromagnetických vĺn od zeme, prípadne od vzdialenejších objektov. Na obr. 2.4.1 je

znázornený základný jednoduchý prípad usporiadania meracieho pracoviska (merací

polygón). [3]

17

Obr.2.4.1 Usporiadanie meracieho pracoviska (merací polygón)

V tomto prípade kontrolujeme odraz od zeme pri meraní vyžarovacieho diagramu

vysielacej antény vo vertikálnom smere.

Obr. 2.4.1 usporiadanie meracieho pracoviska (merací polygón), vlny odrazené od zeme

budú utlmené absorpciou, prípadne rozptýlením na povrchu zeme. Vysielacie a prijímacie

antény bývajú umiestnené na stožiaroch, budovách alebo kopcoch. Ideálny prípad nastane, ak

zvolíme výšku umiestnenia antény h tak, aby prvé minimum smerového diagramu vysielacej

antény smerovalo do miesta zrkadlového odrazu. Prvé minimum u reflektorových anténach s

priemerom Dt nastane približne pre uhol λ/Dt (rad.) meraný od maxima smerového

diagramu, takže podľa obr. 2.4.1 platí výška:

Dt

Rh

2

λ≈

Situáciu podľa obr. 2.4.1 v praxi ťažko splníme. Ak sa ukáže kontrola intenzity poľa

v mieste meranej antény väčšia než povolené výchylky, môžeme v mieste zrkadlového

odrazu priečneho k smeru šírenia umiestniť tzv. difrakčnú prekážku alebo zúžiť smerový

diagram vysielacej antény. [3]

Práve popísané meracie prostredie nie je jediné a existuje celý rad ďalších možností,

kde merať antény. Namiesto zväčšovania vzdialeností antén od zeme je možné umiestniť obe

antény veľmi nízko nad zem, zaistiť veľmi hladký a rovný povrch medzi anténami. Tu sa

využije skutočnosť, že koeficient odrazu bude rovný 1 a jeho fáza bude 180 °. V tomto

18

prípade a za ďalších predpokladov sa vytvorí výhodné rozloženie poľa v mieste meranej

antény. Tam, kde nemožno nájsť vhodný vonkajší priestor alebo kde časté merania ohrozujú

vplyvy počasia, sa používajú tzv. bezodrazové komory. Bezodrazová komora je miestnosť,

ktorej veľkosť je daná maximálnou veľkosťou meranej antény a ktorá má všetky steny

obložené bezodrazovým útlmovým materiálom. Moderné bezodrazové komory sú často

veľmi veľké a umožňujú meranie antén i na mobilných prostriedkoch, vozidlách, lietadlách

apod. [3]

Problém s obmedzenou vzdialenosťou medzi meranými anténami bol do určitej miery

vyriešený tzv. kompaktnou meracou komorou (compact range).

2.5 ANTÉNY PRE FREKVENČNÉ PÁSMO VYŠŠIE AKO

1GHz

Antény, ktoré sú najčastejšie používané pre frekvenčné pásmo nad 1 GHz sú:

• Lievikové antény

• Štrbinové antény

• Reflektorové antény (paraboly)

2.5.1 LIEVIKOVÉ ANTÉNY

V technike veľmi krátkych vĺn sa veľmi často používajú na prenos energie

vlnovody. Vlnovody môžeme použiť nielen pre vedenie , ale aj pre vyžarovanie el.mg.vĺn.

Otvorený koniec vlnovodu si môžeme predstaviť ako plôšku ožiarenú el.mg. poľom. Pre

približné riešenie sa predpokladá , že pole na konci vlnovodu je tvorené súčtom dopadajúcej

a odrazenej vlny dominantného vidu. Vyššie typy vĺn vznikajúce na konci vlnovodu, a prúdy

na vonkajšej strane vlnovodu sa obvykle neuvažujú.[9]

Riešením by sme zistili že otvorený koniec vlnovodu je len málo smerová anténa. Pre

štandardný vlnovod (a = 22,9mm; b = 10,2mm; λ = 32mm) vychádza šírka zväzku v rovine

19

H 80° a v rovine E 140°. Preto by otvorený koniec vlnovodu mohol byť použitý len ako

ožarovacia anténa k inej smerovej anténe, ale aj tu by vadil príliš veľký koeficient odrazu,

preto sa sním ako s anténou stretneme len zriedka. [9]

Obr.2.5.1 a) plochý lievik E, b) plochý lievik H, c) ihlanový lievik

Aby sme dostali ostrejšiu smerovú charakteristiku , musíme zväčšiť žiariacu plôšku.

Jeden zo spôsobov je použitie lievikového vlnovodu. V lievikovom vlnovode sa zachováva

celkový charakter poľa. Pozvoľné zväčšovanie rozmerov vlnovodu zlepšuje aj jeho

prispôsobenie k vonkajšiemu prostrediu. Modul koeficientu odrazu je daný:

g

g

λ

λ

λ

λ

+

−

=Γ

1

1

• λg je vlnová dĺžka vo vlnovode

Zväčšovaním rozmerov vlnovodu sa λg blíži k λ a tým 0→Γ . Môžme povedať, že

lievikové antény majú nielen väčšiu smerovosť, ale aj lepšie prispôsobenie k vonkajšiemu

prostrediu. [9]

20

2.5.2 ŠTRBINOVÉ ANTÉNY

Štrbinové antény patria medzi antény vyžarujúce s ožiarenej plochy, ale vzhľadom

k ich zvláštnym tvarom (úzke dlhé štrbiny ) je ich analýza trochu odlišná od analýzy iných

plošných antén. Ak rozmery žiariacej plochy boli veľké s rozmermi pri porovnaní s vlnovou

dĺžkou , zanedbali sme vplyv prúdov prechádzajúce po obvode plochy. U štrbinových antén

je naopak tento príspevok obvodového prúdu rozhodujúci. [9]

Obr.2.5.2 Štrbinová anténa

Majme úzku štrbinu v tenkom nekonečne veľkej vodivej platni. Štrbinu napájame

koaxiálnym káblom podľa obr.2.5.2. V štrbine sa vybudí elektrické pole podobné

dominantnému vidu v obdĺžnikovom vlnovode, je kolmé ku štrbine a pozdĺž nej sa jeho

veľkosť mení podľa sínusovky. V okolitom priestore má elektrické pole polkruhový

charakter. Magnetické pole v štrbine má len kolmú zložku a svojím charakterom pripomína

elektrické pole dipólu. V tejto analógii by sme mohli pokračovať a zistili by sme, že oba

útvary – štrbina a dipól- sú navzájom duálne. Ale aj tak je analógia obmedzená, pretože oba

útvary majú rôzne hraničné podmienky pre elektrické a magnetické pole. U pásikového

dipólu je okolitý priestor spojitý, ale u štrbiny sú oba priestory od seba oddelené vodivou

doskou. [9]

21

2.5.3 REFLEKTOROVÉ ANTÉNY

Reflektorové antény sú také antény, u ktorých el.mg. pole v ústí vznikne odrazom

primárneho vlnenia od reflektora špeciálneho tvaru. Za zdroj žiarenia slúži neveľká anténa

primárny žiarič. Elektromagnetická vlna vyžarovaná primárnym žiaričom, dopadá na povrch

reflektoru a indikuje v ňom prúdy, ktoré vytvárajú odrazené elektromagnetické pole. Čelo

odrazenej vlny v ústí reflektora je buď rovinné, alebo má taký špeciálny tvar, aby sa vytvorila

požadovaná smerová charakteristika. [9]

Elektromagnetické pole vyžiarené reflektorovou anténou môžeme nájsť dvoma

spôsobmi. Prví spôsob spočíva vtom, že z dopadajúceho primárneho žiariča najprv určíme

prúdy na povrchu reflektora podľa vzťahu:

HnK e ×= 2

• Ke je lineárna hustota povrchového prúdu

• H je vektor intenzity magnetického poľa dopadajúceho na reflektor

Tento vzťah platí len pri dopade vlny na nekonečne vodivú rovinu. Reflektor je však

krivá konečná plocha. Ak sú však polomery krivosti reflektorovej plochy a ich veľkosť

omnoho väčšia ako vlnová dĺžka , sú vzniknuté chyby zanedbateľné. Zo známeho rozloženia

prúdov nájdeme vektor N a potom aj zložky vyžarovaného poľa. [9]

Druhý spôsob spočíva vtom, že najprv nájdeme rozloženie poľa v ústí reflektora

a potom na základe vyžarovacích vlastností ožiarenej plochy určíme vyžarované pole. Pole

v ústí reflektora sa obvykle zisťuje pomocou zákonov geometrickej optiky. [9]

Ako sme už uviedli, platia zákony geometrickej optiky len v prípade, že 0→λ .

V anténnej technike sa táto podmienka prevádza na podmienku vlnovej dĺžky zanedbateľne

malej vzhľadom k rozmerom reflektora a v našom prípade aj s polomerom krivosti

reflektorovej plochy. [9]

22

Pozrime sa, aký tvar musí mať reflektor, aby premenil guľovú vlnoplochu primárneho

žiariča na rovinnú vlnoplochu. Riešenie úlohy sa robí pomocou geometrickej optiky

(obr.2.5.3).

Obr.2.5.3. Geometria parabolického reflektora

Nech je bodový zdroj guľovej vlny označený ako F, S je odrazová plocha, L0 rovinná

vlna vzniknutá odrazom guľovej vlny od reflektora. Táto vlna bude rovinná, ak bude dĺžka

optickej dráhy všetkých lúčov idúcich z bodu F k reflektoru a po odraze k ploche L0 rovnaká.

Aby sme našli profil reflektora, zrovnáme dĺžku optickej dráhy z F do L0 prvého lúča,

idúceho pozdĺž osy z, a druhého lúča, idúceho pod uhlom φ. Nakoniec dostaneme

rplf +=+ podľa obr.2.5.3 platí lfpr +−= ψcos

Odtiaľ

2coscos1

2

2 ψψ

ffp =

+=

Je to rovnica paraboly v polárnych súradniciach. Plocha reflektora musí byť teda rotačný

paraboloid, vzniknutý rotáciou paraboly okolo osy z. Bodový zdroj guľovej vlny musí byť

v ohnisku paraboly. [9]

23

3. PROGRAMOVACÍ JAZYK DELPHI 5

Delphi je vývojovým nástrojom, ktorého prvá verzia bola vyrobená firmou Borland v

roku 1994. Dnes patrí Delphi k najpoužívanejším programovacím prostriedkom, pretože je

založený na programovacom jazyku Pascal, ktorého popularita stále rastie. Delphi je

komplexné vizuálne programovacie prostredie pre operačný systém Windows. Jeho hlavná

sila spočíva predovšetkým vo význame slova vizuálny. Vzhľad, rozhrania, prostredia vašej

aplikácie, ktorú by ste v Turbo Pascale, alebo v podobnom programovacom jazyku tvorili

týždeň, zvládnete v Delphi vytvoriť za hodinu. [4]

3.1 PREČO DELPHI

V dobe, keď bolo vytvorené prvé Delphi, si programátor mohol vyberať z veľkého

množstva vývojových nástrojov. Programátori musia mať mnoho dôvodov, prečo preferovať

práve Delphi:

• firma Borland je známym výrobcom spoľahlivých a osvedčených kompilátorov pre

programovacie jazyky Pascal a C

• jednoduchý návrh vizuálneho prostredia aplikácie s využitím vlastností operačného

systému

• objektovo orientovaný prístup

• podpora databáz, v posledných verziách

• veľké množstvo integrovaných nástrojov

• významná podpora Internetu (napr. integrovaný komponent WebBrowser)

• možnosť vytvárania vlastných komponentov

3.2 ZAČIATKY DELPHI

Delphi vychádza zo skoršieho programovacieho jazyka Turbo Pascalu (ďalej len TP),

veľmi kvalitného Pascalovského kompilátora. Firma Borland, výrobca TP, svoj produkt

neustále zdokonaľovala. Bol veľmi rýchly a jedným príkazom dokázal vytvoriť hotové

programy. V tejto dobe boli na trhu aj ďalšie jazyky ako napr. C, Prolog a Basic. Konkurent

24

Borlandu, firma Microsoft, prišla s novou koncepciou programovania. Uviedli Visual Basic

(ďalej len VB), v ňom bolo programovanie veľmi zjednodušené hlavne komponentmi. Prišla

doba, kedy sa už mohlo rozhranie programu zostavovať graficky na obrazovke. To

urýchľovalo a zjednodušovalo vývoj aplikácií. Už sa nemuseli namáhavo programovať

všetky prvky programu - a tak vzniklo Delphi. [5]

Borland ale išiel s komponentmi v Delphi ešte ďalej. Ich použitie bolo jednoduchšie,

než vo VB. Každý komponent ponúka radu vlastností, na ich základe je možno meniť

chovanie komponentu a udalostí, na ktoré môže komponent reagovať.

Delphi je vizuálnym kompilátorom Object Pascalu. Delphi má ďalšiu výhodu oproti

VB. Komponenty pre VB sa programujú v jazyku C, ale programátori v Delphi si môžu v

Object Pascale naprogramovať svoje vlastné komponenty. V niektorých verziách Delphi sú

dokonca priložené zdrojové texty komponentov. Existuje niekoľko verzií Delphi 16 bitové

alebo 32 bitové. Delphi sa rozlišujú aj podľa oblasti použitia. Napr. Delphi 5 sa rozlišuje na

verzie Standard, Profesional, Enterprise. Líšia sa počtom a typom komponentov a

samozrejme tiež cenou.

3.3 PROGRAMOVANIE V DELPHI

Práca v Delphi je zjednodušená už spomínanými komponentmi a vizuálnym

prostredím. Delphi má v sebe integrovaný kompilátor jazyka Pascal, konkrétne Object

Pascal. Komponenty sú softvérové stavebné diely, ktoré umiestňujeme do formulára a ktoré

doplňujeme zdrojovým kódom. Komponenty sa môžu jednoducho vybrať a umiestniť na

formulár. [5]

3.4 VIZUÁLNE VYTVÁRANIE PROGRAMU

Komponenty umiestňujeme na Formulár (Form). Ten prakticky odpovedá jednému

oknu vo Windows. Môže sa používať už dopredu pripravené, s Delphi dodávané

komponenty, alebo si vytvoriť vlastné. Dnes je trh s komponentmi pre Delphi veľmi široký.

Komponenty majú určitú formu (Type). Podľa tejto formy sa vytvorí komponent na

formulári a môžete u nej meniť vlastnosti a reagovať na udalosti. Mená komponentov môžete

25

meniť, avšak mená typov musia zostať nezmenené. Tvar, farbu, text komponentov môžeme

meniť pomocou jej vlastností(Properties). Komponent môže reagovať na rôzne udalosti

(Events). [5]

3.5 OBJEKT PASCAL

Príkazy, na ktorých spočíva všetka práca počítačov, sú natoľko jednoduché, že by s

nimi bolo programovanie veľmi komplikované. Preto existuje mnoho programovacích

jazykov, ktoré zjednodušujú vytváranie programov. Väčšinou pripomínajú prirodzenú reč

(výhradne angličtinu). Texty napísané v tomto jazyku nemajú až do doby prekladu žiadny

zmysel. Aby vaše programy mohli fungovať, musí ich kompilátor preložiť do strojového

jazyka. Delphi časť programu, tzv. kostru programu vygeneruje. [5]

3.6 GRAFICKÉ VÝVOJOVÉ PROSTREDIE AGILENT VEE PRO

Spoločnosť Agilent Technologies uviedla na trh už siedmu verziu populárneho

grafického vývojového prostredia pre meracie a riadiace aplikácie Agilent VEE Pro 7.0.

Medzi zásadné inovácie, ktoré prináša nová verzia, patrí priama podpora komunikácie s

prístrojmi po zbernici USB (pomocou USB TMC protokolu) a po sieti LAN

(prostredníctvom protokolu VXI-11). Ďalšou novinkou je podpora IVI-COM ovládačov pre

meracie prístroje. Staršie ovládače typu VXI plug&play či DLL ovládače sú samozrejme

i naďalej podporované. Ďalej bola inovovaná spolupráca a integrácia s Microsoft .NET

Framework a vylepšené niektoré editačné funkcie. Software Agilent VEE Pro je graficky

orientované vývojové prostredie pre tvorbu programových aplikácií pre automatizáciu

meracích procesov, spracovanie dát a riadenie. Tvorba programu zjednodušene odpovedá

vytváraniu vývojového diagramu automatizovaného meracieho procesu. Maximálny dôraz je

kladený na jednoduchosť prepojenia s meracími prístrojmi prostredníctvom zberníc GPIB,

LAN, USB, RS-232 či VXI, k dispozícii sú ovládače pre viac než 1000 meracích prístrojov

od 70 rôznych výrobcov. Veľká pozornosť je venovaná funkciám pre grafické zobrazenie a

matematické spracovanie nameraných dát. Z tohto dôvodu je do prostredia VEE Pro

integrovaný MATLAB Script od spoločnosti MathWorks vrátane The MathWorks Signal

26

Processing Toolbox. Vďaka tomu má užívateľ k dispozícii pre spracovanie výsledkov

merania viac ako 500 analytických a vizuálnych funkcií z programu MATLAB. Pre

uľahčenie komunikácie s ostatnými aplikáciami a zdrojmi dát obsahuje VEE Pro Active X

Automation Server a Microsoft .NET Framework, vďaka ktorým je možné ľahko získavať

dáta z iných aplikácií, generovať automatické E-mailová hlásenia či automaticky obnovovať

dáta na webových stránkach. [6]

27

4. KROKOVÉ MOTORY

Krokové motory (KM) sú z pravidla používané ako výkonové prvky v štruktúrach

elektrických pohonov pre nastavovanie polohy a rýchlosti bez spätnej väzby. Ich oblasť

použitia siaha od jednoduchých pohybov od bodu k bodu cez rýchle časovo krátke posuvy (v

textilnom oboru, počítačoch a kancelárskych zariadeniach) až k presným dvoj a trojosovým

polohovacím robotom. Ďalším okruhom aplikácií je riadenie otáčok s realizáciou priameho

pohonu rôznych dávkovačov, čerpadiel, navíjačiek apod. [7]

Krokové motory sa vyznačujú s rýchlim uvedením do chodu bez náročného nastavovania

parametrov regulátoroch s relatívnou nezávislosťou na zaťažení a pripojených momentoch

zotrvačnosti. Pracujú s minimálnou údržbou po celú dobu svojej životnosti.

Charakteristickou vlastnosťou motora je otáčanie hriadeľa po krokoch. Jedna otáčka je

zložená z pevne definovaného počtu krokov, ktorý odpovedá konštrukcii a spôsobu riadenia.

Nehovoríme tu teda o rýchlosti otáčok (otáčkach), ale o frekvencii krokovania. Motory

využívajú svoj maximálny moment už od najnižších rýchlostí, čo je jednou z ich špecifických

vlastnostiach. [7]

V jednoduchých aplikáciách sú väčšinou používané dvojfázové krokové motory. V

pohonoch s mikrokrokovým pohybom majú uplatnenie päťfázové motory. Rastúce

požiadavky na moderné KM, najmä zníženie hlučnosti a zvýšenie výkonu, vedú k

používaniu trojfázových krokových motorov, ktoré v sebe zlučujú všetky najlepšie vlastností

používaných 2f a 5f motorov. Sú schopné odovzdať o 30-50 % vyšší výkon. Vďaka svojej

vyššej účinnosti sú tak rozmerovo menšie pri rovnakom krútiacom momente. [7]

4.1 PRINCÍP A FUNKCIA KROKOVÝCH MOTOROV

Základným princípom KM je pohyb rotora o jeden krok. Krok je definovaný ako

mechanická odozva rotoru KM na jeden riadiaci impulz riadiacej jednotky, pri ktorej vykoná

rotor pohyb z magnetickej kľudovej polohy do najbližšej magnetickej kľudovej polohy.

Zmena polohy sa dosahuje zmenou napájania vinutia jednotlivých fáz statoru. Po zopnutí

určitej fázy sa rotor snaží natočiť tak, aby výsledný magnetický odpor bol minimálny. U

nezaťaženého motoru sa teda zosúladí poloha zubov statoru a rotoru. V tejto polohe má

28

motor nulový statický väzobný moment a pri vychýlení vonkajšej záťaži moment stroja

narastá a maximálna hodnota statického väzobného momentu odpovedá natočenie o štvrtinu

kroku. Jedno mechanické otočenie hriadeľa KM o 360° predstavuje určitý počet krokov,

ktorých počet je daný konštrukciou motora a spôsobom riadenia. Riadiaca frekvencia je

definovaná ako frekvencia riadiaceho signálu v Hz alebo v kHz. [7]

Počet otáčok je definovaný:

kde: f z ... frekvencia krokov [Hz]

α ... uhol kroku [°]

Princíp je zobrazený na nasledujúcom obrázku:

Obr. 4.1 Princíp krokovania

4.2 RIADENIE KROKOVÝCH MOTOROV

Najjednoduchším spôsobom riadenia KM je spínanie budenia pre celé kroky. V tomto

režime je vždy napájané len vinutie jednej fázy statoru (A, B nebo C) a to menovitým

prúdom kladnej alebo zápornej polarity (obr. 4.2). Pri tomto režime je počet krokov na

otáčku daný vzťahom: z = k . p . m

kde: k ... konštanta pre riadenie po celých krokoch (k = 2)

p ... počet pol párov

m ... počet fáz motora

29

Obr. 4.2 Spínanie fáz krokového motora pre celý krok

Tento spôsob krokovania je zastaraný pre svoje výrazné prechodové deje, pulzujúci

moment a nestabilitu KM pri rôznych budiacich frekvenciách. [7]

So zvýšenými nárokmi na presnosť pohybu sa dnes používa systém riadenia

mikrokrokovania (MK) (obr.4.2.1), ktoré odstraňuje nežiaduce javy riadenia po celých

krokoch. Najpoužívanejším typom MK v riadiacich jednotkách je postupné zvyšovanie

respektíve znižovanie budiaceho prúdu pre generovanie rotujúceho magnetického poľa

pomocou trojfázovej sínusovej funkcie metódou PWM (impulzne šírkovej modulácie).

Napájanie sínusovým prúdom vedie k zníženiu obsahu vyšších harmonických, zníženie strát,

zníženie hlučnosti a rovnomernejšiemu momentu. Čím je viac zmien na periódu, tým môže

byť frekvencia krokovania väčšia. [7]

Počet zmien na periódu v praxi býva k = 4, 8, 10, 20 a u presnejších aplikáciách aj viac.

Počet krokov na otáčku pri tomto spôsobe riadenia je:

kde: k ... počet zmien prúdu (mikrokrokov) na jednu periódu prúdu

p ... počet pol párov krokového motora

30

Obr.4.2.1 Spínanie fáz krokového motora v režime mikrokrokovania sínusovou funkciou

4.3 ROTAČNÝ KROKOVÝ MOTOR

Jedná sa o hybridný krokový motor s axiálne polarizovaným magnetom na rotore.

Rotor má dva permanentné magnety z materiálu AlNiCo. Stator má 12 hlavných pólov

striedavo s 3 a 4 jemnými zubmi na póle smerom do vzduchovej medzery, čo spôsobuje

optimálny pomer medzi stratami v medi a železe. Medzera medzi krajnými zubmi susedných

hlavných pólov je 2/3 zubovej vzdialenosti rotorových zubov, čo spôsobuje minimálny

31

rozptyl magnetického toku. Lisovaná konštrukcia statora umožnila zníženie hlučnosti,

zníženie vzduchovej medzery a tým zvýšenie magnetického toku. [7]

Obr.4.3 Tvar statora trojfázového krokového motora

4.4 LINEÁRNY KROKOVÝ MOTOR

Lineárne krokové motory sú určené pre pomalé, ale veľmi presné polohovanie. Jedná

sa o kompaktné lineárne rozvinuté systém trojfázového krokového motora. Pozostáva z

pevného lineárneho statora, nad ktorým sa pohybuje po tenkom vzduchovom vankúši bežec.

Pri pohybe bežca nedochádza k žiadnym mechanickým stratám ani opotrebeniu a funkciu

neobmedzuje ani malé znečistenie povrchu. Motory tohto typu sa vyznačujú pomerne

vysokou účinnosťou a dlhou životnosťou a sú prakticky bez údržbové. [7]

4.5 PRINCÍP DVOJFÁZOVÉHO KROKOVÉHO MOTORA

Dvojfázový lineárny krokový motor s permanentnými magnetmi je známy ako

Sawyer lineárny motor. Jeho princíp je znázornený na obr. 4.5.1. Bežec je tvorený

permanentným magnetom a elektromagnetmi A a B. Magnetický tok prechádza z

permanentného magnetu a elektromagnetu A cez vzduchovú medzeru do statora, kde sa cez

32

vzduchovú medzeru a elektromagnet B vracia späť do permanentného magnetu. Ak cievkou

neprechádza prúd, magnetický tok prechádza cez oba zuby elektromagnetu, ako napr. pri

elektromagnete B v prípade obr. 4.5.1. Akonáhle cievkou začne pretekať prúd, magnetický

tok prechádza iba jedným zubom elektromagnetu obr. 4.5.1. Zuby statora a bežca sú

zarovnané a prechádza nimi maximálny magnetický tok, zatiaľ čo na ďalšom zube je

redukovaný na zanedbateľnú hodnotu. [7]

Obr.4.5.1 Princíp dvojfázového lineárneho krokového motora

Obr.4.5.2 Princíp dvojfázového lineárneho krokového motora

Na obrázku 4.5.1 je zub 1 elektromagnetu A zosúladený so statorovým zubom. Ak je

prúd prepnutý na elektromagnet B, bežec sa posunie doprava o jednu štvrtinu zubovej

vzdialenosti tak, aby sa zub 4 zosúladil s najbližším statorovým zubom (obr.4.5.2). Následne

33

elektromagnetom B neprechádza prúd a elektromagnetom A prechádza prúd zápornej

polarity. To spôsobí zarovnanie zuba 2 so statorom. V ďalšej fáze posunu neprechádza prúd

elektromagnetom A a prúd zápornej polarity prechádza elektromagnetom B. [7]

34

5. CIELE PRÁCE

Diplomová práca sa zaoberá návrhom a zostrojením demontovateľného a prenosného

pracoviska na meranie zisku a smerovej charakteristiky antén s automatickým ovládaním

natáčania a riešenie spôsobu spracovania výsledkov z meracích prístrojov pomocou

výpočtovej techniky.

Vykonať porovnávacie merania aspoň v dvoch vybraných lokalitách otvorených

meracích miest.

Vyhodnotiť (analyzovať) získané poznatky, navrhnúť spôsob výpočtu chýb merania

vo vybraných lokalitách s cieľom vymedzenia optimalizovaných podmienok pre výber lokalít

v praxi.

35

6. AUTOMATIZOVANÉ PRACOVISKO

Základnou funkciou automatizovaného pracoviska je meranie zisku a smerovej

charakteristiky antén. Pri meraní smerovej charakteristiky sa meracia anténa upevní na

otočný stožiar a nasmeruje sa na vysielaciu anténu tak, aby anténne osi oboch antén ležali na

jednej priamke (Obr.6.). Vysielacia anténa je upevnená na pevnom stožiari a počas merania

sa jej poloha ani úroveň signálu z generátora nemení. Meracia anténa sa počas merania na

otočnom stožiari otáča o dopredu zvolený uhol až do 180°, potom sa anténa vráti do

pôvodnej polohy (anténne osi oboch antén ležia na jednej priamke) a začne sa otáčať o určitý

uhol na druhú stranu až do -180°. Pri každom otočení antény o zvolený uhol sa pomocou

spektrálneho analyzátora do počítača zaznamená úroveň signálu z meranej antény. Z

nameraných hodnôt sa vykreslí graf (Obr. 6.0.1.).

Obr.6. Bloková schéma automatizovaného pracoviska

• generátor: HP 836440B (10MHz-40GHz)

• spektrálny analyzátor.: HP 8564E (30Hz-40GHz)

Pri meraní zisku antény sa zmeria úroveň signálu na meranej (neznámej) anténe,

meraná anténa sa nahradí za anténu so známym ziskom a namerané hodnoty sa porovnajú.

36

Nameraná hodnota známej antény sa odčíta od nameranej hodnoty meranej antény a výsledná

hodnota je zisk meranej (neznámej) antény.

Obr.6.0.1. Graf smerovej charakteristiky meranej antény

6.1AUTOMATICKÉ NATÁČANIE

Aby bolo možné prijímaciu (meranú) anténu natáčať, je na otočný stožiar cez

prevodovku pripojený krokový motor ktorý natáča stožiar aj s prijímacou anténou do

požadovaného smeru. Krokový motor je ovládaný pomocou programu cez sériový port a cez

blok ovládania krokového motora (Obr.6.1.).

Obr.6.1. Bloková schéma ovládania krokového motora

37

6.2 SÉRIOVÉ ROZHRANIE RS232

Pomocou tohto rozhrania sa počítač prepojuje s ostatnými perifériami - môže to byť

modem, iný počítač, merací prístroj, myš atď. Sériové sa volá preto, že posiela dáta bit po

bite na rozdiel od paralelného, kde sa posiela zároveň viacej bitov (väčšinou osem). Výhodou

sériového rozhrania je, že ku komunikácii s perifériami väčšinou potrebuje len 3 vodiče

(prijímané a vysielané dáta, zem). Dnešné počítače majú väčšinou dve sériové rozhrania -

COM 1 a COM 2. COM 1 má obvykle deväťkolíkový konektor a COM 2

dvadsaťpäťkolíkový (väčšina ATX - počítačov má oba konektory deväťkolíkové).

Obr.6.2 Sériové rozhranie deväťkolíkový konektor

9-kolíkový konektor

25-kolíkový konektor

Označení I/O

1 8 DCD - Detektor prijímaného signálu Vstup

2 3 RxD - Prijímané dáta Vstup

3 2 TxD – Vysielané dáta Výstup

4 20 DTR – Pohotovosť terminálu Výstup

5 7 GND – Zem ---

6 6 DSR - Pohotovosť vysielača Vstup

7 4 RTS - Výzva k vysielania Výstup

8 5 CTS - Pohotovosť k vysielaniu Vstup

9 22 RI - Indikátor volania Vstup

Zdroj: Minasi Mark: PC - Velký průvodce hardwarem. Praha, Grada publishing 1996

38

6.3 OVLÁDANIE KROKOVÉHO MOTORA

Krokový motor je tvorený rotorom z permanentných magnetov a statorom, ktorý

tvoria vinutia dvoch fáz. Aby sa krokový motor otáčal musí sa na jeho fázy privádzať so

sériového portu RS232 signál (Obr.6.3.).

Obr.6.3. Ovládanie krokového motora

Ak sa na prvú fázu krokového motora ( označenú 1,1’ ) privedie kladné napätie rotor

motora sa otočí o jeden krok doprava. Potom sa musí kladné napätie priviesť na druhú fázu

označenú ako 2,2’ podľa (Obr.6.3.) a rotor KM sa otočí o jeden krok doprava. Aby sa rotor

KM otočil o ďalší krok doprava, musí sa na prvú fázu priviesť záporné napätie a následne aj

na druhú fázu. Keď sa bude tento cyklus opakovať rotor KM sa bude otáčať stále doprava.

Aby sa rotor otáčal doľava použije sa tento istý cyklus len sa zamenia fázy. Prvú fázu ovláda

štvrtý pin (označený ako DTR) a druhú fázu ovláda siedmi pin (označený ako RTS)

(Obr.6.2).

39

6.4 VYTVÁRANIE SIGNÁLU NA OVLÁDANIE

KROKOVÉHO MOTORA V PROGRAME DELPHI 5

Aby bol na požadovaných pinoch správny signál, zabezpečuje nasledovná procedúra.

form1.vacomm1.portnum:=1; Nastaví číslo sériového portu. V tomto prípade je zvolený

sériový port COM1.

vacomm1.open; Sprístupní sériový port COM1.

vacomm1.SetDTR(true); Nastaví pin DTR na logickú úroveň 1.Pri RS232 je to +12V.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.SetRts(false); Nastaví RTS na log. Úroveň 0. Pri RS232 je to -12V.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.SetDTR(true); Nastaví DTR na log. 1.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.Setrts(true); Nastaví RTS na log. 1.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.SetDTR(false); Nastaví DTR na log. 0.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.SetRts(true); Nastaví RTS na log. 1.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.SetDTR(false); Nastaví DTR na log. 0.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

vacomm1.Setrts(false); Nastaví RTS na log.úroveň 0.

delay(5); Program čaká 5 milisekúnd.

Takto vytvorený signál otáča rotor KM o štyri mikrokroky (jeden krok) doprava. Aby

sa rotor KM otočil o 360°, je potrebné túto procedúru zopakovať 50 krát. Krokový motor je

pripojený na stožiar s meranou anténou cez prevodovku s prevodovým pomerom 1:216,

a preto na otočenie meranej antény o 360° je potrebné až 10800 krokov.

40

6.5 BLOK OVLÁDANIA KROKOVÉHO MOTORA

Blok ovládania krokového motora je tvorený komplementárnym zapojením

výkonových tranzistorov, ktoré sú pripojené cez rezistor na sériový port RS232.

Sériové rozhranie RS232 má výstupné napätie -12V a +12V a maximálny prúd

10mA, preto sa KM nemôže priamo pripojiť na sériový port. Napájacie napätie pre KM

motor je +5V a -5V a nominálny prúd 2A. Z tohto dôvodu sa medzi KM a sériové rozhranie

pripojí blok ovládania krokového motora(Obr. 6.5.).

Obr.6.5 Blok ovládania krokového motora

Pri nastavení štvrtého pinu sériového rozhrania (DTR) na logickú úroveň 1 (+12V) sa

cez rezistor R1 prenesie kladné napätie na bázu tranzistorov T1 a T2.V tomto prípade sa

otvorí tranzistor T1, pretože je typu NPN. Pri otvorení tranzistora T1 sa napätie zo zdroja

+5V prenesie cez kolektor a emitor na prvú fázu KM označenú ako 1 a 1’. Keď príde na pin

DTR logická 0 (-12V) otvorí sa tranzistor T2 a na prvú fázu KM sa prenesie záporné napätie

zo zdroja (-5V). Identicky funguje aj zapojenie, ktoré je zapojené na siedmi pin sériového

rozhrania RTS.

41

7.0 PRINCÍP ČINNOSTI PROGRAMU PRE

AUTOMATIZOVANÉ PRACOVISKO

Program pre automatizované pracovisko ( Obr.7.0.) bol napísaný v programovacom

jazyku Delphi 5, ktorý priamo ovláda krokový motor (KM) cez sériový port RS232

a komunikáciu s meracím prístrojom zabezpečuje program napísaný vo vývojovom

grafickom prostredí Agilent VEE Pro spoločnosti Agilent Technologies.

Obr.7.0. Vývojový diagram programu pre automatizované pracovisko

42

Vývojový diagram nám stručne popisuje funkciu programu a niektoré dôležité

procedúry. Pri spustení programu sa spustí počiatočná procedúra (Obr.7.0.2.), ktorá nastavuje

číslo sériového portu podľa zadanej hodnoty. Objaví sa hlásenie, ktoré vyžaduje číslo

voľného sériového portu (Obr.7.0.1.).

Obr.7.0.1. Úvodné hlásenie na zadanie sériového portu

Začiatok úvodnej procedúry

Hodnota z úvodného hlásenia sa

zapíše do premennej COM1.

Podmienka ktorá porovnáva

premennú COM1 s číslami 1,2,3,4

a ak sa hodnota zapísaná v COM1

nerovná ani jednému číslu tak sa

načítavanie hodnoty zopakuje. Ak

sa hodnota v COM1 rovná

niektorému z čísel 1,2,3,4

program pokračuje ďalej. Do

premennej COM sa zapíše celé

číslo a podľa tohto čísla sa nastaví

sériový port. Posledný príkaz

sprístupní sériový port nášmu

programu.

Obr.7.0.2. Vývojový diagram úvodnej procedúry

43

7.1 ZADÁVANIE VSTUPNÝCH PARAMETROV

Aby program mohol správne pracovať je nutné aby sa vstupné hodnoty zadali

správne. Pre samotné meranie sú dôležité hodnoty označené ako Krok, C.Frek a Span.

Označenie hodnôt v programe je zhodné ako na tlačidlách spektrálneho analyzátora a preto

zadanie hodnoty do programu je také isté ako stlačenie tlačidla na meracom prístroji.

Hodnota označená v programe ako Krok určuje po koľkých stupňoch sa bude anténa

otáčať a zadáva sa v stupňoch. Optimálny krok je 1° ale je možné nastaviť od 0,1° až po

180°. Tu je dôležité si uvedomiť že rotor krokového motora na otočenie o 360° potrebuje 50

krokov. Stožiar na ktorom je upevnená meraná anténa je na rotor krokového motora

upevnený cez prevodovku s prevodovým pomerom 1:216. Keď to prepočítame zistíme, že na

otočenie stožiaru potrebujeme 10800 krokov na krokovom motore.

1080021650 =∗ [Krokov]

• 10800 je počet krokov aby sa stožiar otočil o 360°

• 50 krokov na KM sa rovná 360° na rotore krokového motora

• 1:216 je prevodový pomer na prevodovke a preto musíme počet krokov rotora KM

vynásobiť číslom 216

• Ak celkový počet krokov podelíme 360° stupňami zistíme, že aby sa stožiar otočil

o 1° musí rotor KM vykonať 30 krokov.

10800 / 360 = 30 [Krokov]

• Podobne sa dá vypočítať aj otočenie stožiara o 0,1°

10800 / 3600 = 3 [Kroky]

• Najmenší uhol o ktorý sa dokáže stožiar otočiť je 0,03333°

360 / 10800 = 0,03333°

Program si tieto výpočty robí automaticky a preto nemusí používateľ rozmýšľať nad

prevodmi medzi stupňami a krokmi KM.

44

Ďalšou dôležitou hodnotou pre meranie je hodnota označená ako C.Frek (Centrálna

frekvencia). Táto hodnota sa zadáva v jednotkách MHz a nastavuje frekvenciu spektrálneho

analyzátora na akej frekvencii sa bude meranie vykonávať. V našom prípade to je od 1GHz

až do 40 GHz, ale dajú sa tam nastaviť všetky frekvencie, ktoré je spektrálny analyzátor

schopný zmerať.

Posledným parametrom, ktorý sa v programe môže nastaviť je označený ako Span.

Tento parameter určuje šírku obrazu na spektrálnom analyzátore. Hodnota sa zadáva

v jednotkách kHz. Pri spustení programu je táto hodnota automaticky nastavená na 100 kHz,

to znamená že šírka obrazu bude od centrálnej frekvencie 50kHz doprava a 50kHz doľava.

Centrálna frekvencia sa nachádza v strede zobrazovacej obrazovky meracieho prístroja.

V programe ešte môžeme zadať a následne merať takzvaný detail. Toto meranie sa

využíva pri meraní antén s veľmi úzkym vyžarovacím lalokom. Vtedy sa anténa meria od 0°

do 10° a od 0° do -10° po 0,1° aby meranie bolo presnejšie. Hodnota detailu sa zadáva

v stupňoch.

7.2 KONTROLA SPRÁVNOSTI ZADANÝCH HODNOT

Po stlačení tlačidla Štart sa spustí meranie a program kontroluje či sú zadané hodnoty

správne. Každú hodnotu kontroluje zvlášť a ak je niektorá zle zadaná zobrazí sa hlásenie, že

hodnota bola zle zadaná a musí sa opakovane zadať(Obr.7.2.2).

Obr.7.2.2. Chybové hlásenie pre zle zadanú frekvenciu

45

Ak sú všetky hodnoty zadané správne program pokračuje bez akýchkoľvek hlásení až

do konca merania a netreba už ďalej do programu zasahovať. Podľa správne zadaných

hodnôt sa nastaví spektrálny analyzátor na požadované parametre.

7.3 AUTOMATICKÉ HĽADANIE MAXIMA

Táto procedúra sa využíva na automatické nastavenie prijímanej antény do

požadovaného smeru. Ak je táto procedúra zapnutá, tak pred začatím merania sa meraná

anténa otáča až do 360° po kroku , ktorý sme zadali, a pri každom pootočení sa meria

hodnota úrovne signálu a následne aj zapisuje do súboru HODNOTY.TXT. Takto namerané

hodnoty sa porovnávajú a meraná anténa sa natočí na hodnotu s najväčším ziskom.

Z nameraných hodnôt je možné vykresliť graf. Po takomto natočení antény už prebieha

samotné meranie.

Ak je procedúra „automatické hľadanie maxima“ vypnutá je možné nastaviť polohu

antény manuálne pomocou tlačidla s názvom Manual a následne tlačidlami doľava a lebo

doprava. Po manuálnom nastavení polohy antény sa tlačidlom s názvom Štart môže spustiť

meranie.

7.4 MERANIE SMEROVEJ CHARAKTERISTIKY ANTÉNY

Samotné meranie smerovej charakteristiky prebieha nasledovne. Meraná anténa sa

z polohy, ktorú program určil ako polohu s najväčším ziskom, alebo sme ju určili manuálne,

natáča o uhol, ktorý sme zadali až do 180°. Pri každom natočení meranej antény sa zapisuje

úroveň signálu. Keď anténa dosiahne 180°, vráti sa do pôvodnej polohy a meranie sa opakuje

do -180°. Takto namerané hodnoty sa zapisujú do súboru HODNOTY1.XLS a z nich

program vykreslí graf. Program zapisuje namerané hodnoty do súboru XLS a preto sa dajú

otvoriť v programe Microsoft Office Excel a vykresliť z nich graf. Čím je menší krok

natočenia antény, tým má meranie viac nameraných hodnôt, meranie je presnejšie, ale tým aj

samotné meranie dlhšie trvá.

46

8. PREPOJENIE POČÍTAČA SO SPEKTRÁLNYM

ANALYZÁTOROM

Pri meraní smerovej charakteristiky je potrebné merať intenzitu elektromagnetického

poľa pomocou spektrálneho analyzátora. Spektrálny analyzátor komunikuje po GPIB

zbernici a je pripojený na počítač pomocou USB TMC protokolu (obr.8.).

Obr.8. Bloková schéma komunikácie medzi počítačom a spektrálnym analyzátorom

8.1 SYSTÉM GPIB

Pre vytvorenie meracieho systému založeného na GPIB je nutné mať adaptér tohto

rozhrania vhodný pre zbernicový systém PC (ISA, PCI) so špeciálnym ovládačom pre

operačný systém a špeciálny 24-žilový kábel. Toto hardwarové vybavenie je značne

nákladné. Týmto spôsobom sa dá pripojiť až 15 zariadení. Po fyzickom prepojení je nutné

manuálne nakonfigurovať všetky tieto zariadenia a nastaviť im unikátnu GPIB adresu

v rámci daného meracieho systému, aby nedošlo k konfliktnému stavu. Maximálna

prenosová rýchlosť môže byť 6Mb/s.[8]

8.2 USB ZBERNICA

USB je najrozšírenejším rozhraním slúžiacim k pripojeniu externých zariadení

k počítaču a jeho obľuba neustále rastie. S príchodom režimu High Speed ponúka vysokú

prenosovú rýchlosť, ktorá je dostačujúca aj pre prenos veľkých dátových objemov. Periférie

počítača a vôbec elektronika pripojiteľná k počítaču zažívajú masívny rozvoj a tým sa rozvíja

aj komunikačné rozhranie. Vďaka tomu vznikajú nové pridružené štandardy k USB, ako

USB OTG alebo USB TMC, ktoré sú len istým prispôsobením stávajúceho rozhrania na danú

oblasť použitia. [8]

47

8.2.1 SYSTÉM USB TMC

Nový štandard USBTMC ponúka neporovnateľne priaznivejšie vlastnosti. Fyzická

úroveň je zhodná s klasickým USB, preto je tu vysoký užívateľský komfort v oblasti

konektivity, existuje možnosť pripojenia až 127 periférnych zariadení a má značnú

prenosovú rýchlosť až 480Mb/s. Na rozdiel od GPIB či RS-232 vyžaduje pripojenie

zariadenia minimálny užívateľský zásah. Podpora plug-and-play umožní pripojiť zariadenie

do systému za chodu a následne prebehne zavedenie všetkých potrebných informácií

z deskriptora zariadenia a len pri prvom pripojení k počítaču môže vyžadovať jeho operačný

systém ovládač. Po úspešnom zavedení dôjde automaticky k adresovaniu všetkých

pripojených zariadení bez nutnosti zásahu užívateľa.USB488 je podtrieda špecifikácie

USBTMC a dokáže kompletne prispôsobiť model GPIB do prostredia USB. Na základe tejto

podtriedy pracujú prevodníky USB/GPIB, ktoré je možné využiť pre pripojenie meracích

systémov GPIB na počítač s USB portom. Konkrétna aplikácia je uvedená na obrázku 8.2.1,

kde je prevodník USB/GPIB integrovaný priamo do zakončenia kábla. Prenosová rýchlosť sa

prispôsobí pomalšej zbernici GPIB. Tento prevodník vystupuje v operačnom systéme ako

virtuálny GPIB adaptér a tým sú zaistené všetky funkcie GPIB softvéru a nie je nutný žiadny

zásah do softvérového vybavenia meracieho systému GPIB. [8]

Obr.8.2.1 Konkrétna aplikácia prepojenia počítača s meracím prístrojom

48

8.3 KOMUNIKÁCIA SO SPEKTRÁLNYM ANALYZÁTOROM

Pre komunikáciu medzi počítačom a meracím prístrojom bol navrhnutý softvér

Agilent VEE Pro 7.0 od firmy Agilent Technologies. Softvér Agilent VEE Pro je graficky

orientované vývojové prostredie pre tvorbu programových aplikácií pre automatizáciu

meracích procesov, spracovanie dát a riadenie. Tvorba programu zjednodušene odpovedá

vytváraniu vývojového diagramu automatizovaného meracieho procesu. Maximálny dôraz je

kladený na jednoduchosť prepojenia s meracími prístrojmi prostredníctvom zberníc GPIB,

LAN, USB, RS-232 či VXI, k dispozícii sú ovládače pre viac než 1000 meracích prístrojov

od 70 rôznych výrobcov.

Hlavný program je napísaný v programovacom jazyku Delphi 5 a nevie komunikovať

s meracími prístrojmi, preto je program napísaný tak aby komunikoval s programom

vytvoreným v grafickom prostredí Agilent VEE Pro. Táto komunikácia sa realizujem

pomocou súborov, ktoré sú spoločné pre oba programy. Ak chceme nastaviť spektrálny

analyzátor na požadovanú frekvenciu program napísaný v Delphi 5 zapíše požadovanú

hodnotu frekvencie do súboru „frekvencia.txt“ a následne spustí program vytvorený

v prostredí Agilent VEE Pro, ktorý načíta hodnotu zo súboru „frekvencia.txt“ a zapíše túto

hodnotu do spektrálneho analyzátora (obr. 8.3).

Obr.8.3.1 Komunikácia medzi oboma programami a meracím prístrojom

Ak chceme načítať hodnotu so spektrálneho analyzátora, program napísaný v Delphi 5 na to

používa nasledovnú procedúru :

1. ShellExecute(Application.Handle,'open','dp2.vxe','','',SW_SHOWNORMAL);

2. delay(2000);

3. AssignFile(fis5,'citahod.txt');

4. reset(fis5);

5. readln(fis5,b);

49

6. closefile(fis5);

Prvý riadok nám spustí program nazvaný ako dp2.vxe (vytvorený v prostredí Agilent

VEE Pro), ktorý prečíta so spektrálneho analyzátora aktuálnu úroveň elektromagnetického

poľa a zapíše ju do súboru „citahod.txt“. Druhý riadok procedúry čaká 2000ms, kým program

dp2.vxe prečíta s meracieho prístroja hodnotu a zapíše ju do súboru a sám sa ukončí. Riadok

tri prepojí „vnútornú“ premennú typu súbor v Pascale so skutočným súborom na disku. Riadok štyri otvorí

existujúci súbor a nastaví sa na jeho začiatok. Riadok päť prečíta hodnotu so súboru a zapíše ju do

premennej v programe označenej ako „b“. Šiesty riadok procedúry ukončí prepojenie zo súborom, aby

sním mohli pracovať iné programy, v našom prípade je to program dp2.vxe.

Program dp2.vxe (obr.8.3.2 ) je vytvorený v prostredí Agilent VEE Pro a priamo

komunikuje so spektrálnym analyzátorom.

Obr.8.3.2 Program dp2.vxe vytvorený v prostredí Agilent VEE Pro

V prvom okne sú príkazy pre spektrálny analyzátor a v druhom okne sú príkazy pre súbor

„citahod.txt“. Prvý príkaz v prvom okne WRITE TEXT „aunits dbm“ EOL zapíše do

spektrálneho analyzátora údaj, ktorý obsahuje informáciu že hodnoty ktoré sa budú čítať

budú v jednotkách dBm. Ďalší príkaz v prvom okne WRITE TEXT „mkpk“ EOL nastaví na

spektrálnom analyzátore ukazovateľ na maximálnu hodnotu úrovne signálu. Nasledujúci

príkaz v prvom okne WRITE TEXT „mka?“ EOL číta hodnotu úrovne signálu zo

spektrálneho analyzátora. Posledný príkaz v prvom okne READ TEXT x REAL64 zapíše

prečítanú hodnotu do premennej označenej v tomto programe ako „x“. Príkaz v druhom okne

WRITE TEXT a EOL zapíše hodnotu z premennej „a“ do súboru „citahod.txt“. Po vykonaní

všetkých príkazov sa program sám zatvorí. Hodnota je takto zapísaná v súbore a môže ju

načítať program napísaný v programovacom jazyku Delphi 5.

50

9. SPRACOVANIE VÝSLEDKOV

Program napísaný pre automatizované pracovisko dokáže hneď po ukončení merania

vyhodnotiť namerané hodnoty a vykresliť z nich graf (obr.9.0.1). Antény, ktoré pracujú na

vyšších frekvenciách ako 1GHz sú väčšinou úzko smerové a preto sa graf vykresľuje

v karteziánskych súradniciach, aby sa šírka hlavného laloka lepšie odčítavala (obr.9.0.2).

Namerané hodnoty sa zapisujú do súboru s príponou XLS a preto sa z nameraných hodnôt

môže v programe EXCEL vykresliť akýkoľvek graf (obr.9.0.2).

Obr.9.0.1. Vykreslenie smerového diagramu v programe pre auto. pracovisko

Obr.9.0.2. Vykreslenie smerového diagramu v programe EXCEL

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-180

-165

-150

-135

-120

-105

-90

-75

-60

-45

-30

-15 0

14

29

44

59

74

89

104

119

134

149

164

179

Uhol[°]

Zis

k[d

Bm

] ...

51

Smerový diagram (obr.9.0.1 a obr.9.0.2) bol meraný na parabolickej anténe

s horizontálnou polarizáciou pri frekvencii 23 GHz. Zisk antény sa vypočíta pomocou

prijímacej antény so známym ziskom. V tomto prípade to bola lieviková anténa so ziskom

17,4 dBi pri frekvencii 23 GHz. Nameraná maximálna hodnota na parabolickej anténe je

- 25,33 dBm a na lievikovej anténe -47,93 dBm.

-25,33 - (-47,93) = 22,6 dB 22,6 + 17,4 = 40 dBi

Parabolická anténa má o 22,6 dB väčší zisk ako lieviková anténa a o 40 dB väčší ako

izotropný žiarič.

Obr.9.0.3. Smerový diagram parabolickej antény v polárnych súradniciach

Pri zobrazovaní vyžarovacieho diagramu v polárnych súradniciach sa ťažko odčituje

šírka hlavného laloka (pokles o 3dB) a preto sa vyžarovací diagram vykresľuje

karteziánskych súradniciach. Aby bolo odčítavanie šírky hlavného laloka ešte jednoduchšie

v programe je možné merať tzv. detail popísaný v kapitole 7.1. Vykreslenie smerového

diagramu pri meraní detailu je na obrázku 9.0.4.

52

-80,00

-70,00

-60,00

-50,00

-40,00

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

-10,0

0

-9,0

0

-8,0

0

-7,0

0

-6,0

0

-5,0

0

-4,0

0

-3,0

0

-2,0

0

-1,0

0

0,0

0

1,0

0

2,0

0

3,0

0

4,0

0

5,0

0

6,0

0

7,0

0

8,0

0

9,0

0

10,0

0

Uhol[°]

Zis

k[d

Bm

]...

Obr.9.0.4. Smerový diagram z nameraných hodnôt z procedury „detail“

Z takto vykresleného grafu môžeme určiť šírku hlavného laloku, keď poklesne zisk

o 3 dB oproti maximálnej úrovni. V tomto prípade je šírka hlavného laloku 2°.

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0

5 10 1520

2530

3540

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135140

145150

155160

165170175180

185190195200

205210

215220

225

230

235

240

245

250

255

260

265

270

275

280

285

290

295

300

305

310

315320

325330

335340

345350355

Obr.9.0.5. Smerový diagram GSM antény v otvorenom priestore

53

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0

5 10 1520

2530

3540

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135140

145150

155160

165170175180

185190195200

205210

215220

225

230

235

240

245

250

255

260

265

270

275

280

285

290

295

300

305

310

315320

325330

335340

345350355

Obr.9.0.6. Smerový diagram GSM antény v hale

Pri meraní GSM antény v dvoch rôznych meracích prostrediach, vo voľnom priestore

(obr.9.0.5) a v hale (obr.9.0.6) pri frekvencii 960 MHz je zrejmé, že hala nie je vhodným

prostredím pre meranie vyžarovacieho diagramu antény, pretože meranie ovplyvňujú

odrazené signály od stien haly, alebo od rôznych predmetov či potrubí. Zo smerového

diagramu nameraného v hale (obr.9.0.6) je napr. pri 180° pokles zisku o 4dB a pri tej istej

anténe meranej v otvorenom priestore (obr.9.0.5) je pokles o 18 dB. Pri iných uhloch sú tieto

rozdiely rovnako viditeľné. Z týchto dôvodov hala nie je vhodná pre meranie vyžarovacieho

diagramu.

Meranie smerového diagramu lievikovej antény (obr.9.0.7) je meraný vo voľnom

priestore pri frekvencii 10 GHz s vertikálnou polarizáciou. Na obrázku 9.0.8. je smerový

diagram tej istej antény udávaný výrobcom pri frekvencii 10 GHz a s vertikálnou

polarizáciou.

54

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0

5 10 1520

2530

3540

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135

140145

150155

160165170175

180185190195

200205

210215

220

225

230

235

240

245

250

255

260

265

270

275

280

285

290

295

300

305

310

315

320325

330335

340345350355

Obr.9.0.7. Smerový diagram lievikovej antény vo voľnom priestore

Obr.9.0.8. Smerový diagram lievikovej antény udávaný výrobcom

55

Záver

Táto práca opisuje návrh automatizovaného pracoviska na meranie parametrov antén

vo frekvenčnom pásme 1GHz až 40GHz. Teoretická príprava riešenia projektu pozostávala

zo štúdia literatúry ohľadom programovania v programovacom jazyku Delphi 5 a vývojovom

grafickom prostredí Agilent VEE Pro 7.0, preštudovanie princípu a ovládania krokových

motorov, preštudovanie komunikácie počítača s meracími prístrojmi, oboznámiť sa

s meraním parametrov antén, pochopiť princíp šírenia el.mg. poľa a vyhodnotiť, kde je

možné takéto meranie uskutočniť.

Praktická časť spočívala v návrhu a zostrojení automatizovaného pracoviska. Bolo

nutné navrhnúť program v programovacom jazyku Delphi 5, ktorý by pomocou sériového

rozhrania ovládal krokový motor a tým aj natáčanie stožiara s meranou anténou. Pomocou

grafického vývojového prostredia Agilent VEE Pro 7.0 bola vyriešená komunikácia

s meracím prístrojom a tým aj čítanie nameraných hodnôt. Aby bolo možné ovládať krokový

motor pomocou sériového rozhrania RS232, museli sme navrhnúť a zostrojiť blok ovládania

krokového motora. Museli sme odvodiť rôzne vzorce pre prepočítavanie krokov na stupne,

alebo pri vykresľovaní grafov z nameraných hodnôt. Pri programovaní bolo vytvorených

mnoho algoritmov, ktoré sú potrebné nielen pre uľahčenie merania ale, aj pre samotnú

funkčnosť programu.

Týmto prístupom sa podarilo zvládnuť proces návrhu automatizovaného pracoviska,

zostrojiť ho a vykonávať samotné merania. Program, ktorý bol zhotovený pre toto

automatizované pracovisko je napísaný v modernom programovacom jazyku Delphi 5, ktorý

pracuje pod operačným systémom Windows a nie je žiadny problém ho v budúcnosti

zdokonaľovať.

56

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] JACEK MATUSZCZYK : Antény prakticky 2.české vydání, nakladatelství BEN –

technická literatúra, Praha 2003

[2] STN IEC 60050-712 Medzinárodný elektrotechnický slovník prír.č. N 2773

Kapitola 712: Antény

[3] Ing. M. Procházka, CSc. : Měření elektrických parametrů antén, Praktická

elektronika A Radio - 2/99

[4] Václav Kadlec: Umíme to s Delphi, WWW: http://web.redbox.cz/petr.brant

[5] Dalibor Čičala: Programovanie v Delphi (verzie 1.0 až 5.0), NITRA, 1999

[6] http://www.htest.cz/page.php?s1=novinky&isflash=no

[7] Ing. Jan Novotný, Ing. Jiří Hnízdil : Rotační a lineární krokové motory, VUT v

Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

[8] http://www.hw.cz/docs/usb/usb.html

[9] Prof. Ing. Miloš Mazanek, csc.,Ing. Pavel Pechač, Ph.D.,

Prof.Ing.JaroslavVokurka, DrSC.: Antény a šíření vln, ČVUT