Λύσεις ερωτήσεων κεφ. 6 (σελ. 232) – ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ Γ΄ ΕΠΑΛ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ Γ΄ ΕΠΑΛ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου Λύσεις ερωτήσεων κεφ. 6 (σελ. 232) – ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΛΗΨΗΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις ερωτήσεων κεφ. 6

Πλήρεις λύσεις και των δεκαεννέα ερωτήσεων του κεφαλαίου 6 — τρέχοντα, στάσιμα και μικτά κύματα, συντονισμένες γραμμές, λόγος στάσιμων κυμάτων και προσαρμογή, η έννοια της κεραίας, κεραίες Χερτζ και Μαρκόνι, τα χαρακτηριστικά των κεραιών, στοιχειοκεραίες Yagi και μετωπικές, παραβολικές κεραίες, ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς, πόλωση και δορυφορική λήψη με LNB.

Ερώτηση 1 — Πότε δημιουργούνται στάσιμα κύματα

Ερώτηση: ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΕΞΕΤΑΣΗΣ: 1. Σε ποιες περιπτώσεις δημιουργούνται στάσιμα κύματα σε μια γραμμή μεταφοράς και γιατί;

Απάντηση:

Ο μηχανισμός (σελ. 206): όταν το προσπίπτον κύμα φτάσει στο τέρμα και δεν μπορεί να αποδοθεί όλη η ενέργειά του στο φορτίο, το προσπίπτον κύμα αναγκάζεται να επιστρέψει πίσω στην πηγή. Το κύμα που επιστρέφει ονομάζεται ανακλώμενο κύμα και έχει πλάτος lαν ίσο με το πλάτος του προσπίπτοντος κύματος. Τα δύο κύματα συνδυάζονται, με αποτέλεσμα να έχουμε σε άλλα σημεία αύξηση και σε άλλα σημεία εξασθένηση του συνολικού πλάτους… καμιά κίνηση κύματος δεν παρατηρείται. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται στάσιμο κύμα.

Οι περιπτώσεις | # | Περίπτωση | Γιατί | |---|---|---| | 1 | ανοιχτή γραμμή (χωρίς φορτίο) | συναντά μια άπειρη αντίσταση… Μέσα από άπειρη αντίσταση δεν μπορεί να κυκλοφορήσει ρεύμα. Στο τέρμα της γραμμής λοιπόν η τιμή του ρεύματος είναι μηδέν (σελ. 205-206) | | 2 | βραχυκυκλωμένη γραμμή | λόγω του βραχυκυκλώματος, στο τέρμα της γραμμής η τάση είναι πάντα μηδέν και το ρεύμα μέγιστο. Με μηδενική τάση όμως η ενέργεια που δίνει η πηγή στη γραμμή δεν μπορεί να καταναλωθεί και έτσι πρέπει να επιστρέψει πίσω (σελ. 207) | | 3 | καθαρά επαγωγικό ή χωρητικό φορτίο | επειδή αυτές οι αντιστάσεις δεν καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια, όλη η ενέργεια της πηγής επιστρέφει πίσω. Σ' αυτή την περίπτωση έχουμε πάντοτε δημιουργία στάσιμων κυμάτων στη γραμμή (σελ. 211) |

Η ενδιάμεση περίπτωση — μικτά κύματα (σελ. 209-210): όταν το ωμικό φορτίο δεν έχει τιμή ίση με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής, τότε δεν μπορεί να απορροφήσει όλη την ενέργεια που έρχεται από την πηγή και ένα μέρος της το αντανακλά πίσω… Επειδή μόνο ένα μέρος του κύματος ανακλάται, το ανακλώμενο κύμα έχει μικρότερο πλάτος από το προσπίπτον… στα σημεία εξασθένησης δεν έχουμε μηδενισμό του πλάτους, αλλά απλώς μια ελάχιστη τιμή… Κατά μήκος της γραμμής υπάρχει ένας συνδυασμός από στάσιμα και τρέχοντα κύματα, που ονομάζονται μικτά κύματα.

Πότε ΔΕΝ δημιουργούνται (σελ. 205): εκτός και αν στο άλλο άκρο της γραμμής συνδέεται μια αντίσταση φορτίου καθαρά ωμική και ίση με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής. Τότε η τάση και το ρεύμα συμπεριφέρονται με τον τρόπο που περιγράψαμε παραπάνω και η γραμμή λειτουργεί σαν να έχει άπειρο μήκος.

Η μορφή τους (σελ. 206): τα σημεία όπου το πλάτος της κύμανσης είναι μέγιστο ονομάζονται κοιλίες, ενώ τα σημεία όπου το πλάτος είναι μηδενικό ονομάζονται δεσμοί. Οι κατανομές πλάτους επαναλαμβάνονται κατά διαστήματα ίσα με λ/2. Αυτό αποτελεί γενική ιδιότητα των γραμμών μεταφοράς.
```
 Ανοιχτή γραμμή:      Βραχυκυκλωμένη:
  i ╲    ╱╲    ╱       i ╱╲    ╱╲
     ╲  ╱  ╲  ╱          ╱  ╲  ╱  ╲
  u  ╱╲    ╱╲          u    ╲╱    ╲╱
  ├──λ/4─┼──λ/4─┤       ├──λ/4─┼──λ/4─┤
  τέρμα: δεσμός i,      τέρμα: κοιλία i,
         κοιλία u              δεσμός u
```
Γιατί είναι ανεπιθύμητα (σελ. 211): η εμφάνιση στάσιμων ή μικτών κυμάτων πάνω σε μια γραμμή μεταφοράς είναι ιδιαίτερα ανεπιθύμητη κατάσταση, γιατί σημαίνει ότι ένα μέρος ή και όλη η ισχύς της πηγής δεν αποδίδεται στο φορτίο, αλλά επιστρέφει πίσω.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στάσιμα κύματα δημιουργούνται όταν η ενέργεια που φτάνει στο τέρμα της γραμμής δεν μπορεί να αποδοθεί στο φορτίο και αναγκάζεται να επιστρέψει πίσω ως ανακλώμενο κύμα, το οποίο συνδυάζεται με το προσπίπτον δίνοντας σε άλλα σημεία αύξηση και σε άλλα εξασθένηση του πλάτους, χωρίς πλέον να παρατηρείται κίνηση κύματος. Οι περιπτώσεις είναι τρεις. Πρώτον, η ανοιχτή γραμμή, όπου το κύμα συναντά άπειρη αντίσταση, οπότε το ρεύμα στο τέρμα μηδενίζεται. Δεύτερον, η βραχυκυκλωμένη γραμμή, όπου η τάση στο τέρμα είναι μηδέν και επομένως η ενέργεια δεν μπορεί να καταναλωθεί. Και τρίτον, το καθαρά επαγωγικό ή χωρητικό φορτίο, το οποίο δεν καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια, οπότε όλη επιστρέφει πίσω. Αν το φορτίο είναι ωμικό αλλά διαφορετικό από τη χαρακτηριστική αντίσταση, ανακλάται μόνο μέρος της ενέργειας και προκύπτουν μικτά κύματα. Τα στάσιμα κύματα είναι ανεπιθύμητα, γιατί σημαίνουν ότι ισχύς επιστρέφει πίσω αντί να αποδοθεί στο φορτίο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 2 — Τιμές του SWR και γιατί το θέλουμε μικρό

Ερώτηση: 2. Ποια είναι η μέγιστη και ποια η ελάχιστη τιμή του λόγου στάσιμων κυμάτων; Γιατί θέλουμε να έχουμε όσο το δυνατό μικρότερο SWR;

Απάντηση:

Ο ορισμός (σελ. 211, Εξ. 6.2)

SWR = Umax/Umin = Imax/Imin

όπου Umax, Umin, lmax και lmin είναι οι μέγιστες και οι ελάχιστες τιμές τάσης και ρεύματος, κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς.

Η ελάχιστη τιμή (σελ. 211): η ιδανική και μικρότερη τιμή του SWR είναι ίση με 1. Η τιμή αυτή εμφανίζεται σε γραμμές όπου δεν υπάρχει ανακλώμενο κύμα… οπότε τα μέγιστα και τα ελάχιστα έχουν το ίδιο πλάτος. Η μέγιστη τιμή (σελ. 211): η μεγαλύτερη τιμή του SWR είναι ίση με άπειρο και εμφανίζεται στις ανοιχτές και τις βραχυκυκλωμένες γραμμές όπου τα ελάχιστα του πλάτους είναι ίσα με το μηδέν.

SWR	Κατάσταση	Ανακλώμενη ισχύς
1	τρέχοντα κύματα, τέλεια προσαρμογή	0%
1,2 - 1,5	πολύ καλές έως άριστες τιμές	~4% στο 1,5
< 2	αποδεκτό	λιγότερο από 10%
∞	ανοιχτή ή βραχυκυκλωμένη γραμμή	100%

Γιατί το θέλουμε μικρό (σελ. 211): η εμφάνιση στάσιμων ή μικτών κυμάτων πάνω σε μια γραμμή μεταφοράς είναι ιδιαίτερα ανεπιθύμητη κατάσταση, γιατί σημαίνει ότι ένα μέρος ή και όλη η ισχύς της πηγής δεν αποδίδεται στο φορτίο, αλλά επιστρέφει πίσω.

Οι συγκεκριμένοι λόγοι | # | Λόγος | |---|---| | 1 | απώλεια ισχύος — η ανακλώμενη ισχύς δεν ακτινοβολείται από την κεραία | | 2 | αύξηση των απωλειών στη γραμμή, αφού η ίδια ενέργεια τη διανύει δύο φορές | | 3 | τοπικές ανυψώσεις της τάσης στις κοιλίες, με κίνδυνο καταστροφής του μονωτικού της γραμμής (σελ. 212) | | 4 | καταπόνηση του τελικού σταδίου του πομπού από την επιστρεφόμενη ισχύ |

Η ραγδαία επιδείνωση (σελ. 211): όταν SWR = 1.5, η ανακλώμενη ισχύς είναι περίπου το 4% της προσπίπτουσας. Για SWR < 2, το ποσοστό αυτό είναι λιγότερο από 10%. Για μεγαλύτερες τιμές του SWR, το ποσοστό της ανακλώμενης ισχύος αυξάνεται δραματικά.

Η πρακτική απαίτηση (σελ. 211): στην πράξη τιμές του SWR μεταξύ 1.5 και 1.2 θεωρούνται πολύ καλές έως άριστες.

Η μέτρηση (σελ. 211): για τη μέτρηση του SWR υπάρχουν ειδικά όργανα, που ονομάζονται γέφυρες στάσιμων κυμάτων. Οι γέφυρες στάσιμων κυμάτων συνδέονται μεταξύ της πηγής και της γραμμής μεταφοράς και απεικονίζουν το λόγο στάσιμων κυμάτων απ' ευθείας πάνω σε μια κλίμακα μέτρησης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο λόγος στάσιμων κυμάτων ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη τιμή της τάσης, ή ισοδύναμα του ρεύματος, κατά μήκος της γραμμής. Η ιδανική και μικρότερη τιμή του είναι ίση με τη μονάδα και εμφανίζεται σε γραμμές όπου δεν υπάρχει ανακλώμενο κύμα, οπότε τα μέγιστα και τα ελάχιστα έχουν το ίδιο πλάτος. Η μεγαλύτερη τιμή είναι το άπειρο και εμφανίζεται στις ανοιχτές και τις βραχυκυκλωμένες γραμμές, όπου τα ελάχιστα του πλάτους μηδενίζονται. Θέλουμε τον λόγο όσο το δυνατόν μικρότερο, γιατί μεγάλες τιμές σημαίνουν ότι μέρος ή και όλη η ισχύς της πηγής δεν αποδίδεται στο φορτίο αλλά επιστρέφει πίσω· επιπλέον αυξάνονται οι απώλειες της γραμμής, εμφανίζονται τοπικές ανυψώσεις της τάσης με κίνδυνο καταστροφής του μονωτικού, και καταπονείται το τελικό στάδιο του πομπού. Ενδεικτικά, με λόγο ένα κόμμα πέντε η ανακλώμενη ισχύς είναι περίπου τέσσερα τοις εκατό και για λόγο μικρότερο του δύο λιγότερο από δέκα τοις εκατό, ενώ για μεγαλύτερες τιμές αυξάνεται δραματικά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 3 — Η προσαρμογή στις γραμμές μεταφοράς

Ερώτηση: 3. Τι ονομάζεται προσαρμογή και πώς επιτυγχάνεται στην περίπτωση των γραμμών μεταφοράς;

Απάντηση:

Ο ορισμός (σελ. 211): προσαρμογή ονομάζεται η εξασφάλιση των συνθηκών που επιτρέπουν τη μεταφορά της μέγιστης δυνατής ισχύος από μια πηγή σ' ένα φορτίο.

Η τέλεια προσαρμογή (σελ. 211): στην περίπτωση των γραμμών μεταφοράς η τέλεια προσαρμογή επιτυγχάνεται μόνο, όταν ταυτόχρονα η αντίσταση εξόδου της πηγής είναι ίση με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής και η χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής είναι ίση με την αντίσταση φορτίου.
```
Ro = Rc = RL
```
Τα τρία πλεονεκτήματα (σελ. 212) | # | Πλεονέκτημα | |---|---| | 1 | το φορτίο τροφοδοτείται με τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να δώσει η πηγή | | 2 | η μεταφορά της μέγιστης δυνατής ισχύος επιτυγχάνεται ανεξάρτητα από το μήκος της γραμμής και από τη συχνότητα | | 3 | οι απώλειες ισχύος και ο κίνδυνος καταστροφής του μονωτικού της γραμμής από τοπικές ανυψώσεις της τάσης μειώνονται στο ελάχιστο δυνατό |

Η μερική προσαρμογή (σελ. 212): η τέλεια όμως προσαρμογή δεν είναι πάντοτε δυνατή. Πολλές φορές είμαστε υποχρεωμένοι να χρησιμοποιήσουμε μια πηγή με αντίσταση εξόδου διαφορετική από την αντίσταση φορτίου… Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε σ' αυτή την περίπτωση είναι να εφαρμόσουμε μια μέση λύση, που ονομάζεται μερική προσαρμογή.

Η αρχή του μετασχηματιστή λ/4 (σελ. 212): στο τέρμα της γραμμής το ρεύμα είναι μικρό και η τάση μεγάλη. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση εκεί είναι μεγάλη. Αντίθετα, στο σημείο x που απέχει λ/4 από το τέρμα, το ρεύμα είναι μεγάλο και η τάση μικρή, δηλαδή η αντίσταση εκεί είναι μικρή. Αυτό σημαίνει ότι ένα τμήμα γραμμής μεταφοράς με μικτά κύματα κατά μήκος της μπορεί να λειτουργήσει σαν μετασχηματιστής και να μετασχηματίσει μια τιμή αντίστασης σε μια άλλη.

Η διαδικασία (σελ. 212): αν θέλουμε να προσαρμόσουμε μια πηγή με αντίσταση εξόδου Ro σε φορτίο με αντίσταση RL διαφορετική της Ro, συνδέουμε στα άκρα του φορτίου ένα κομμάτι γραμμής μεταφοράς με μήκος λ/4 και χαρακτηριστική αντίσταση
```
Rc1 = √(Ro·RL)
```
Την υπόλοιπη απόσταση μέχρι την πηγή την καλύπτουμε με γραμμή μεταφοράς, που έχει χαρακτηριστική αντίσταση ίδια με την αντίσταση εξόδου της πηγής.
```
 ┌────────┐  Rc = Ro    Α ┌────────┐ Β  ┌────┐
 │ πηγή Ro│════════════════│  λ/4   │════│ RL │
 └────────┘                │Rc1=√(Ro·RL)└────┘
            τέλεια προσαρμογή │ μικτά κύματα
            (χωρίς στάσιμα)   │ (μικρό μήκος)
```
Το αποτέλεσμα (σελ. 212): το τμήμα λ/4 μετασχηματίζει την αντίσταση RL και την εμφανίζει στα σημεία A, Β ίση με την Ro. Έτσι, σε όλο το μήκος της γραμμής από την πηγή μέχρι τα A, Β η προσαρμογή είναι τέλεια και δεν υπάρχουν στάσιμα κύματα. Μεταξύ των A, Β και του φορτίου δεν υπάρχει προσαρμογή και εμφανίζονται μικτά κύματα. Αυτό όμως δεν μπορούμε να το αποφύγουμε και επιπλέον δεν μας ενοχλεί πολύ, γιατί το κομμάτι αυτό έχει συνήθως μικρό μήκος.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Προσαρμογή ονομάζεται η εξασφάλιση των συνθηκών που επιτρέπουν τη μεταφορά της μέγιστης δυνατής ισχύος από μια πηγή σε ένα φορτίο. Στις γραμμές μεταφοράς η τέλεια προσαρμογή επιτυγχάνεται μόνο όταν ταυτόχρονα η αντίσταση εξόδου της πηγής ισούται με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής και η χαρακτηριστική αντίσταση ισούται με την αντίσταση φορτίου. Τα πλεονεκτήματά της είναι τρία: το φορτίο τροφοδοτείται με τη μέγιστη ισχύ, η μεταφορά είναι ανεξάρτητη από το μήκος της γραμμής και τη συχνότητα, και μειώνονται στο ελάχιστο οι απώλειες και ο κίνδυνος καταστροφής του μονωτικού από τοπικές ανυψώσεις τάσης. Όταν η τέλεια προσαρμογή δεν είναι δυνατή, καταφεύγουμε στη μερική προσαρμογή: συνδέουμε στα άκρα του φορτίου τμήμα γραμμής μήκους λάμδα τέταρτα με χαρακτηριστική αντίσταση ίση με τη ρίζα του γινομένου της αντίστασης εξόδου επί την αντίσταση φορτίου, και την υπόλοιπη απόσταση την καλύπτουμε με γραμμή ίδιας αντίστασης με την πηγή. Το τμήμα αυτό λειτουργεί ως μετασχηματιστής αντιστάσεων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 4 — Γιατί η κεραία ισοδυναμεί με κύκλωμα LC σειράς

Ερώτηση: 4. Γιατί μια κεραία ισοδυναμεί με συντονιζόμενο κύκλωμα L-C σειράς;

Απάντηση:

Η αφετηρία (σελ. 213): μια κεραία σε λειτουργία μπορεί να θεωρηθεί κύκλωμα συντονισμού με πηνίο - πυκνωτή σε σειρά… Επειδή ένα τέτοιο κύκλωμα έχει μικρές διαστάσεις, δεν είναι δυνατό να ακτινοβολήσει ικανοποιητικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ρεύματα που κυκλοφορούν στις πλευρές του βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους και έχουν αντίθετες κατευθύνσεις, έτσι ώστε οι επιδράσεις τους αλληλοεξουδετερώνονται.

Η σταδιακή μετατροπή (σελ. 213, Σχ. 6-10) | Στάδιο | Μεταβολή | Αποτέλεσμα | |---|---|---| | (α) | κλασικό LC σειράς | δεν ακτινοβολεί — τα ρεύματα αλληλοεξουδετερώνονται | | (β) | απομακρύνοντας τις πλάκες του πυκνωτή, τα ρεύματα απομακρύνονται μεταξύ τους και αρχίζουν να ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση | ακτινοβολεί, αλλά και πάλι όχι ικανοποιητικά | | (γ) | αν όμως καταργήσουμε τις πλάκες και αντικαταστήσουμε το πηνίο με ευθύγραμμο αγωγό… τα ρεύματα γίνονται παντού ομόρροπα | το κύκλωμα μετατρέπεται σε κεραία που εκπέμπει κανονικά | | (δ) | — | η αρχική χωρητικότητα και αυτεπαγωγή εξακολουθούν να υπάρχουν κατανεμημένες κατά μήκος της κεραίας |
```
 (α) ┌─[L]─┐    (β)  ╲ ╱     (γ) ────────    (δ) ~~~~~~~~
     │     │          ╳          ευθύγραμμος   κατανεμημένα
     └─||──┘         ╱ ╲         αγωγός         L και C
  δεν ακτινοβολεί  λίγο       ακτινοβολεί
```
Η δεύτερη, ισοδύναμη προσέγγιση (σελ. 214): οι κεραίες συνδέονται στις εξόδους των πομπών με τη βοήθεια γραμμών μεταφοράς και να θυμηθούμε ότι ένα κομμάτι γραμμής μεταφοράς με μήκος λ/4 και ανοιχτό στο τέρμα του, συμπεριφέρεται σαν ένα συντονιζόμενο κύκλωμα σειράς, όπως αυτό του σχήματος 6-10(α). Αν λοιπόν πάρουμε μια γραμμή μεταφοράς και σε μήκος λ/4 από το άκρο της απομακρύνουμε τους αγωγούς μεταξύ τους, θα έχουμε μια κανονική κεραία.
```
  γραμμή μεταφοράς        άνοιγμα των δύο λ/4
  ═══════════════╗          ╱
  ═══════════════╝  ──►    ╱   κεραία λ/2 (δίπολο)
   ├─── λ/4 ───┤          ╲
                           ╲
```
Η επιβεβαίωση από τις κατανομές (σελ. 214): οι κατανομές της τάσης και του ρεύματος κατά μήκος αυτής της κεραίας θυμίζουν τη γραμμή λ/4 με ανοιχτό τέρμα. Στο μέσο της κεραίας όπου συνδέεται η πηγή τροφοδοσίας, εμφανίζεται κοιλία ρεύματος, ενώ στα άκρα της κεραίας εμφανίζονται κοιλίες τάσης.

Η συνέπεια για τη λειτουργία (σελ. 216): μια κεραία συμπεριφέρεται σαν συντονισμένο κύκλωμα LC και η συχνότητα συντονισμού της μπορεί να υπολογιστεί βάσει των τιμών της κατανεμημένης χωρητικότητας και αυτεπαγωγής της. Επειδή όμως αυτά τα μεγέθη δεν είναι γνωστά, καταφεύγουμε στις σχέσεις (6.3) και (6.4).

Γιατί σειράς και όχι παραλληλίας: γιατί ακριβώς στο σημείο τροφοδοσίας εμφανίζεται κοιλία ρεύματος και δεσμός τάσης — δηλαδή ελάχιστη αντίσταση, ακριβώς η συμπεριφορά ενός LC σειράς σε συντονισμό (σελ. 208: όταν το μήκος είναι λ/4… η αντίσταση είναι ελάχιστη και η γραμμή συμπεριφέρεται σαν κύκλωμα LC σειράς σε συντονισμό).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μια κεραία σε λειτουργία μπορεί να θεωρηθεί κύκλωμα συντονισμού με πηνίο και πυκνωτή σε σειρά. Το κλασικό κύκλωμα LC δεν ακτινοβολεί, γιατί έχει μικρές διαστάσεις και τα ρεύματα στις πλευρές του βρίσκονται πολύ κοντά με αντίθετες κατευθύνσεις, οπότε οι επιδράσεις τους αλληλοεξουδετερώνονται. Αν όμως απομακρύνουμε τις πλάκες του πυκνωτή, τα ρεύματα αρχίζουν να ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση, και αν στη συνέχεια καταργήσουμε τις πλάκες και αντικαταστήσουμε το πηνίο με ευθύγραμμο αγωγό, τα ρεύματα γίνονται παντού ομόρροπα και το κύκλωμα μετατρέπεται σε κεραία που εκπέμπει κανονικά, με τη χωρητικότητα και την αυτεπαγωγή να παραμένουν κατανεμημένες κατά μήκος της. Ισοδύναμα, μια γραμμή μεταφοράς λάμδα τέταρτα ανοιχτή στο τέρμα συμπεριφέρεται σαν κύκλωμα συντονισμού σειράς, οπότε, αν ανοίξουμε τους αγωγούς της σε μήκος λάμδα τέταρτα, προκύπτει κανονική κεραία. Η ταύτιση επιβεβαιώνεται και από τις κατανομές: στο σημείο τροφοδοσίας εμφανίζεται κοιλία ρεύματος και δεσμός τάσης, δηλαδή ελάχιστη αντίσταση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 5 — Λειτουργία και μήκος κεραίας λ/4

Ερώτηση: 5. Πώς λειτουργεί μια κεραία λ/4; Να υπολογιστεί το μήκος της όταν λειτουργεί στη συχνότητα των 100 MHz.

Απάντηση:

Η αρχή λειτουργίας (σελ. 215): οι ασύμμετρες κεραίες έχουν το μισό μήκος από τις συμμετρικές, γιατί τους λείπει το ένα από τα δύο τμήματα λ/4, που απαρτίζουν το δίπολο. Οι κεραίες αυτές βασίζουν τη λειτουργία τους στο φαινόμενο του ηλεκτρικού ειδώλου. Το ηλεκτρικό είδωλο σχηματίζεται με τη βοήθεια ενός αγώγιμου επιπέδου, το οποίο τοποθετείται κάθετα στον άξονα της κεραίας κοντά στη θέση του σημείου τροφοδοσίας της. Το επίπεδο αυτό λειτουργεί σαν καθρέφτης για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και έτσι το πεδίο της ασύμμετρης κεραίας παραμένει ίδιο με αυτό της συμμετρικής.
```
        │  ← πραγματικό τμήμα λ/4
        │
 ═══════╧═══════  αγώγιμο επίπεδο (γη ή μεταλλική κατασκευή)
        ┆  ← είδωλο λ/4 (φαινομενικό)
        ┆
  αποτέλεσμα: πεδίο ισοδύναμο με δίπολο λ/2
```
Η ονομασία (σελ. 215): οι κεραίες αυτού του τύπου ονομάζονται κεραίες λ/4 ή κεραίες Μαρκόνι. Το ρόλο του αγώγιμου επιπέδου μπορεί να τον παίζει το έδαφος ή μια κατάλληλη μεταλλική κατασκευή.

Ο υπολογισμός του μήκους — σχέση (6.4), σελ. 216
```
I = λ/4 = u/(4f)
```
Η ταχύτητα (σελ. 216): η ταχύτητα u αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του ρεύματος στην κεραία, που είναι μικρότερη κατά 5 ως 10% από την ταχύτητα του φωτός. Στην πράξη παίρνουμε u = 285.000.000 μέτρα το δευτερόλεπτο και βγάζουμε το μήκος της κεραίας σε μέτρα.

Αντικατάσταση
```
f = 100 MHz = 10⁸ Hz
I = 285.000.000/(4 × 10⁸) = 2,85 × 10⁸/(4 × 10⁸) = 0,7125 m
I ≅ 71,25 cm
```
Απάντηση: I ≅ 0,71 m (περίπου 71 cm).

Ο έλεγχος με το θεωρητικό μήκος κύματος
```
λ = c/f = 3 × 10⁸/10⁸ = 3 m   →   λ/4 = 0,75 m
```
— το πρακτικό μήκος (0,7125 m) είναι όντως ~5% μικρότερο, όπως προβλέπει το βιβλίο.

Οι κατανομές (σελ. 215, Σχ. 6-12): στη βάση (σημείο τροφοδοσίας) κοιλία ρεύματος· στην κορυφή, κοιλία τάσης και μηδενικό ρεύμα.

Τα χαρακτηριστικά της (σελ. 217): μια κεραία λ/4 έχει ακριβώς τις μισές τιμές αυτών των αντιστάσεων
```
Rin = Rr + Rα = 36,5 + 3,5 = 40 Ω
```
Το διάγραμμα κατευθυντικότητας (σελ. 218): η λ/4 είναι πανκατευθυντική στο οριζόντιο επίπεδο.

Η προϋπόθεση καλής λειτουργίας (σελ. 220): για την καλή λειτουργία μιας κεραίας λ/4, θα πρέπει το έδαφος πάνω στο οποίο στηρίζεται να έχει πολύ καλή αγωγιμότητα· διαφορετικά ενισχύεται η αγωγιμότητά του με την παράχωση σε μικρό βάθος χάλκινων αγωγών μήκους τουλάχιστον λ/4.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η κεραία λάμδα τέταρτα, ή κεραία Μαρκόνι, είναι ασύμμετρη και έχει το μισό μήκος από το δίπολο, γιατί της λείπει το ένα από τα δύο τμήματα λάμδα τέταρτα που το απαρτίζουν. Βασίζει τη λειτουργία της στο φαινόμενο του ηλεκτρικού ειδώλου: ένα αγώγιμο επίπεδο, τοποθετημένο κάθετα στον άξονά της κοντά στο σημείο τροφοδοσίας, λειτουργεί σαν καθρέφτης για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, οπότε το πεδίο της παραμένει ίδιο με εκείνο της συμμετρικής κεραίας· τον ρόλο του επιπέδου παίζει το έδαφος ή κατάλληλη μεταλλική κατασκευή. Το μήκος της υπολογίζεται από τη σχέση ταχύτητα διά τέσσερις φορές τη συχνότητα, με την ταχύτητα να λαμβάνεται στην πράξη διακόσια ογδόντα πέντε εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός κατά πέντε ως δέκα τοις εκατό. Για συχνότητα εκατό μεγαχερτς προκύπτει μήκος μηδέν κόμμα εβδομήντα ένα μέτρα, δηλαδή περίπου εβδομήντα ένα εκατοστά, έναντι εβδομήντα πέντε εκατοστών που θα έδινε ο θεωρητικός υπολογισμός.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 6 — Συχνότητα συντονισμού κεραίας Χερτζ 28,5 m

Ερώτηση: 6. Σε ποια συχνότητα συντονίζεται μια κεραία Χερτζ που έχει μήκος 28,5 μέτρα;

Απάντηση:

Η σχέση (6.5) (σελ. 216): για κεραία Χερτζ
```
fo = u/(2·I)
```
με u = 285.000.000 m/sec (σελ. 216).

Υπολογισμός
```
I = 28,5 m
fo = 285.000.000/(2 × 28,5) = 2,85 × 10⁸/57 = 5 × 10⁶ Hz
fo = 5 MHz
```
Απάντηση: fo = 5 MHz.

Ο έλεγχος με την αντίστροφη πράξη — σχέση (6.3), σελ. 215
```
I = u/(2f) = 285.000.000/(2 × 5 × 10⁶) = 2,85 × 10⁸/10⁷ = 28,5 m  ✓
```
Η ταυτότητα της κεραίας (σελ. 215): οι συμμετρικές κεραίες προέρχονται από άνοιγμα γραμμών λ/4, έχουν, δηλαδή, γεωμετρικό μήκος Ι = λ/2. Αυτές… ονομάζονται δίπολα ή κεραίες Χερτζ.

Η θέση στο φάσμα (κεφ. 4, σελ. 135): τα 5 MHz ανήκουν στα βραχέα κύματα (HF, 3-30 MHz) — ακριβώς η ζώνη όπου, κατά το βιβλίο (σελ. 221), στα βραχέα κύματα πολύ συχνά χρησιμοποιούνται και οι οριζόντιες κεραίες δίπολα (λ/2).

Το πλήρες μήκος κύματος
```
λ = 2 × I = 2 × 28,5 = 57 m
```
(το θεωρητικό μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο θα ήταν λ = c/f = 3·10⁸/5·10⁶ = 60 m — η διαφορά οφείλεται ακριβώς στη μικρότερη ταχύτητα του ρεύματος στην κεραία)

Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά της (σελ. 216-218) | Μέγεθος | Τιμή | |---|---| | ενεργό ύψος | ~60% × 28,5 = 17,1 m | | αντίσταση εισόδου | Rin = 73 + 7 = 80 Ω | | βαθμός απόδοσης | n = 73/80 = 0,91 → 91% | | διάγραμμα | διπλοκατευθυντική στο οριζόντιο επίπεδο |

Η πρακτική τοποθέτηση (σελ. 221): λόγω του διαγράμματος κατευθυντικότητάς τους, αυτές οι κεραίες τοποθετούνται κάθετα προς την επιθυμητή διεύθυνση εκπομπής… Συνήθως αυτές οι κεραίες τοποθετούνται σε ύψος μεταξύ λ/2 και λ/4 πάνω από το έδαφος — δηλαδή εδώ σε ύψος 14 έως 28 μέτρα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Για κεραία Χερτζ, δηλαδή δίπολο λάμδα δεύτερα, η ιδιοσυχνότητα δίνεται από τη σχέση ταχύτητα διά δύο φορές το μήκος. Με την πρακτική τιμή της ταχύτητας, διακόσια ογδόντα πέντε εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο, και μήκος είκοσι οκτώ κόμμα πέντε μέτρα, ο παρονομαστής είναι πενήντα επτά και η συχνότητα προκύπτει πέντε επί δέκα στην έκτη χερτς, δηλαδή πέντε μεγαχερτς. Ο έλεγχος με την αντίστροφη πράξη επαληθεύει το μήκος των είκοσι οκτώ κόμμα πέντε μέτρων. Η συχνότητα αυτή ανήκει στα βραχέα κύματα, ακριβώς στη ζώνη όπου, όπως αναφέρει το βιβλίο, χρησιμοποιούνται πολύ συχνά οι οριζόντιες κεραίες δίπολα. Το μήκος κύματος στην κεραία είναι πενήντα επτά μέτρα, ελαφρώς μικρότερο από τα εξήντα μέτρα του ελεύθερου χώρου, λόγω ακριβώς της μικρότερης ταχύτητας του ρεύματος στον αγωγό. Η αντίσταση εισόδου της είναι ογδόντα ωμ και ο βαθμός απόδοσής της περίπου ενενήντα ένα τοις εκατό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 7 — Τα χαρακτηριστικά των κεραιών

Ερώτηση: 7. Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των κεραιών;

Απάντηση:

Η εισαγωγή (σελ. 216): για κάθε κεραία υπάρχουν μια σειρά από μεγέθη που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία της και την καταλληλότητά της για κάθε περίπτωση χρήσης.

1. Η ιδιοσυχνότητα fo (σελ. 216): είναι η συχνότητα στην οποία συντονίζεται μια κεραία με δοσμένο μήκος.
```
Κεραία Χερτζ:    fo = u/(2·I)      (6.5)
Κεραία Μαρκόνι:  fo = u/(4·I)      (6.6)
```
2. Το ενεργό ύψος hεν (σελ. 216): οι κεραίες δεν ακτινοβολούν εξίσου ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά κύματα απ' όλα τα σημεία τους. Κοντά στο σημείο τροφοδοσίας η ένταση του ρεύματος είναι μεγάλη και απ' αυτό εκπέμπονται και τα πιο ισχυρά κύματα. Στα άκρα όπου το ρεύμα μηδενίζεται η εκπομπή είναι μηδενική. Αν η κατανομή του ρεύματος κατά μήκος της κεραίας ήταν ομοιόμορφη, τότε θα είχαμε το ίδιο ισχυρή εκπομπή με μικρότερο ύψος κεραίας. Αυτό το μικρότερο ύψος ονομάζεται ενεργό ή ηλεκτρικό ύψος και είναι περίπου το 60% του γεωμετρικού ύψους I.

3. Οι αντιστάσεις εισόδου και ακτινοβολίας (σελ. 217) | Αντίσταση | Ορισμός | |---|---| | ακτινοβολίας (Rr) | αυτό το ποσό ενέργειας θεωρείται ότι καταναλώνεται πάνω σε μια ισοδύναμη ωμική αντίσταση, που ονομάζεται αντίσταση ακτινοβολίας | | απωλειών (Rα) | το ποσό αυτό μετατρέπεται σε θερμότητα στις διάφορες αντιστάσεις των αγωγών ή χάνεται σε διαρροές λόγω των κακών μονώσεων | | εισόδου (Rin) | το άθροισμα αυτών των δύο αντιστάσεων |
```
Rin = Rr + Rα = 73 + 7 = 80 Ω      (κεραία λ/2)
Rin = Rr + Rα = 36,5 + 3,5 = 40 Ω  (κεραία λ/4)
```
4. Ο βαθμός απόδοσης (σελ. 217): ονομάζουμε βαθμό απόδοσης n της κεραίας το πηλίκο
```
n = Ρr/Ρα = Rr/(Rr + Rα)
```
Η βελτίωσή του (σελ. 217): ο βαθμός απόδοσης βελτιώνεται όσο μικρότερη γίνεται η αντίσταση απωλειών Rα της κεραίας. Η αντίσταση αυτή μπορεί να μειωθεί κάνοντας καλύτερες τις μονώσεις της κεραίας και φροντίζοντας να είναι καλή η αγωγιμότητα του (φυσικού ή τεχνητού) εδάφους στην περίπτωση των ασύμμετρων κεραιών.

5. Η κατευθυντικότητα και το κέρδος (σελ. 217-219): οι κατευθυντικές ιδιότητες των κεραιών περιγράφονται από το διάγραμμα κατευθυντικότητας, το συντελεστή κατευθυντικότητας και το κέρδος. | Μέγεθος | Ορισμός | |---|---| | διάγραμμα κατευθυντικότητας | μια γραφική παράσταση που μας δίνει την ένταση της ακτινοβολίας της κεραίας προς διάφορες κατευθύνσεις πάνω σε ένα επίπεδο και για σημεία που απέχουν εξίσου από την κεραία | | συντελεστής κατευθυντικότητας D | μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη ισχύ, απ' όση ισχύ δίνουμε στην κεραία που μελετούμε, θα έπρεπε να δώσουμε σε μια κεραία που εκπέμπει ομοιόμορφα στο γύρω χώρο· είναι καθαρός αριθμός | | κέρδος G | δείχνει ό,τι και ο συντελεστής κατευθυντικότητας, αλλά αφού λάβουμε υπόψη και το βαθμό απόδοσης n· G = D·n· G = 10log(D·n) db |

Η ανακεφαλαίωση (σελ. 230): η κεραία χαρακτηρίζεται από την ιδιοσυχνότητα, το ενεργό ύψος, τις αντιστάσεις εισόδου και ακτινοβολίας, το βαθμό απόδοσης, την κατευθυντικότητα και το κέρδος.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα χαρακτηριστικά των κεραιών είναι πέντε. Πρώτον, η ιδιοσυχνότητα, δηλαδή η συχνότητα στην οποία συντονίζεται μια κεραία δοσμένου μήκους, που υπολογίζεται από την ταχύτητα διά δύο φορές το μήκος για την κεραία Χερτζ και διά τέσσερις φορές το μήκος για την κεραία Μαρκόνι. Δεύτερον, το ενεργό ύψος, δηλαδή το μικρότερο ύψος που θα έδινε την ίδια εκπομπή αν η κατανομή του ρεύματος ήταν ομοιόμορφη· είναι περίπου το εξήντα τοις εκατό του γεωμετρικού ύψους. Τρίτον, οι αντιστάσεις: η αντίσταση ακτινοβολίας, πάνω στην οποία θεωρείται ότι καταναλώνεται η ακτινοβολούμενη ενέργεια, η αντίσταση απωλειών, όπου η ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα, και το άθροισμά τους, η αντίσταση εισόδου, που για κεραία λάμδα δεύτερα είναι ογδόντα ωμ. Τέταρτον, ο βαθμός απόδοσης, δηλαδή ο λόγος της αντίστασης ακτινοβολίας προς την αντίσταση εισόδου. Και πέμπτον, η κατευθυντικότητα με το κέρδος, που περιγράφονται από το διάγραμμα κατευθυντικότητας, τον συντελεστή κατευθυντικότητας και το κέρδος, το οποίο ισούται με τον συντελεστή επί τον βαθμό απόδοσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 8 — Γιατί η κατευθυντικότητα συνεπάγεται κέρδος

Ερώτηση: 8. Γιατί μια κεραία που παρουσιάζει κατευθυντικότητα έχει και κέρδος;

Απάντηση:

Η αφετηρία (σελ. 217): καμιά πραγματική κεραία δεν εκπέμπει τα ηλεκτρομαγνητικά της κύματα ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. Η ένταση της ακτινοβολίας προς ορισμένες κατευθύνσεις είναι μεγαλύτερη σε σύγκριση με άλλες. Αυτό δε θεωρείται μειονέκτημα, αλλά μάλλον πλεονέκτημα.

Ο μηχανισμός (σελ. 218): υπάρχουν κεραίες που εκπέμπουν το μεγαλύτερο μέρος της ισχύος του πομπού προς μια κατεύθυνση. Με τον τρόπο αυτό μεγαλώνουμε την ένταση του πεδίου στο σημείο που μας ενδιαφέρει να γίνεται η λήψη, χωρίς να χρειαστεί να αυξηθεί η ισχύς του πομπού.

Ο συλλογισμός βήμα-βήμα | # | Βήμα | |---|---| | 1 | η συνολική ισχύς που ακτινοβολεί η κεραία είναι δεδομένη — όση της δίνει ο πομπός (μείον τις απώλειες) | | 2 | αν δεν ακτινοβολεί προς ορισμένες κατευθύνσεις, η ίδια ισχύς συγκεντρώνεται στις υπόλοιπες | | 3 | άρα προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού η πυκνότητα ισχύος είναι μεγαλύτερη από ό,τι θα ήταν με ομοιόμορφη ακτινοβολία | | 4 | αυτό είναι ισοδύναμο με το να τροφοδοτούσαμε μια μη κατευθυντική κεραία με περισσότερη ισχύ — δηλαδή κέρδος |
```
 Μη κατευθυντική:        Κατευθυντική:
      ╱─────╲                    ────────►
     │   ●   │              ●══════════════►
      ╲─────╱                    ────────►
  ίδια ισχύς παντού      ίδια ολική ισχύς,
                          συγκεντρωμένη
```
Ο ορισμός του D (σελ. 219): ο συντελεστής κατευθυντικότητας D μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη ισχύ, απ' όση ισχύ δίνουμε στην κεραία που μελετούμε, θα έπρεπε να δώσουμε σε μια κεραία που εκπέμπει ομοιόμορφα στο γύρω χώρο, ώστε με την πρώτη κεραία να έχουμε προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού της δεύτερης την ίδια ένταση πεδίου. Ο συντελεστής D είναι καθαρός αριθμός (χωρίς μονάδες) και όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του τόσο υψηλότερης κατευθυντικότητας είναι η κεραία.

Η σχέση με το κέρδος (σελ. 219): τέλος το κέρδος G της κεραίας δείχνει ό,τι και ο συντελεστής κατευθυντικότητας, αλλά αφού λάβουμε υπόψη και το βαθμό απόδοσης n της κεραίας. Είναι: G = D·n. Το κέρδος συνήθως το εκφράζουμε σε ντεσιμπέλ, οπότε η παραπάνω σχέση γίνεται: G = 10log(D·n) db.

Η τάξη μεγέθους (σελ. 219): υπάρχουν κεραίες που έχουν κέρδος 20, 30 ή και 60 db, δηλαδή εκπέμπουν προς ορισμένη κατεύθυνση 100, 1.000 ή και 1.000.000 φορές εντονότερα, απ' όσο θα εξέπεμπε, αν τροφοδοτούνταν με την ίδια ισχύ, μια υποθετική κεραία χωρίς κέρδος.

Η πρακτική αξία (σελ. 217-218): δε θέλουμε, για παράδειγμα, η κεραία ενός ραδιοσταθμού να ακτινοβολεί προς τα επάνω, γιατί προς αυτή την κατεύθυνση δεν υπάρχουν ακροατές του σταθμού· και τέτοιες κεραίες χρησιμοποιεί, για παράδειγμα, η ΕΡΤ, όταν κάνει εκπομπές στα βραχέα κύματα για τους ξενιτεμένους Έλληνες.

Η προσοχή: το κέρδος δεν είναι ενίσχυση — η κεραία δεν παράγει ισχύ. Απλώς ανακατανέμει την υπάρχουσα: ό,τι κερδίζεται στον κύριο λοβό χάνεται στις άλλες κατευθύνσεις.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Καμία πραγματική κεραία δεν εκπέμπει ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις, και αυτό δεν θεωρείται μειονέκτημα αλλά πλεονέκτημα. Ο λόγος για τον οποίο η κατευθυντικότητα συνεπάγεται κέρδος είναι απλός: η συνολική ισχύς που ακτινοβολεί η κεραία είναι δεδομένη, οπότε, αν δεν ακτινοβολεί προς ορισμένες κατευθύνσεις, η ίδια ισχύς συγκεντρώνεται στις υπόλοιπες και η ένταση του πεδίου προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού γίνεται μεγαλύτερη, χωρίς να χρειαστεί να αυξηθεί η ισχύς του πομπού. Ο συντελεστής κατευθυντικότητας ορίζεται ακριβώς έτσι: μας δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη ισχύ θα έπρεπε να δώσουμε σε μια κεραία που εκπέμπει ομοιόμορφα, ώστε να πετύχουμε την ίδια ένταση πεδίου. Το κέρδος δείχνει το ίδιο πράγμα, αφού ληφθεί υπόψη και ο βαθμός απόδοσης, και ισούται με το γινόμενό τους, εκφρασμένο συνήθως σε ντεσιμπέλ. Υπάρχουν κεραίες με κέρδος είκοσι, τριάντα ή και εξήντα ντεσιμπέλ. Σημειώνεται ότι η κεραία δεν παράγει ισχύ, απλώς ανακατανέμει την υπάρχουσα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 9 — Πλεονεκτήματα των κεραιών λ/4

Ερώτηση: 9. Ποια πλεονεκτήματα έχουν οι κεραίες λ/4;

Απάντηση:

Η αναφορά (σελ. 219): αρκετά συχνά χρησιμοποιούνται κεραίες Μαρκόνι (λ/4) σε διάφορες μορφές, λόγω των εξής πλεονεκτημάτων που διαθέτουν

Πρώτο πλεονέκτημα — το μισό μήκος (σελ. 219): για ορισμένη συχνότητα εκπομπής έχουν το μισό μήκος από τις κεραίες δίπολα (Χερτζ). Αυτό τις κάνει κατάλληλες για χρήση στα μεσαία κύματα όπου το μήκος κύματος είναι μεγάλο. Για παράδειγμα, μια κεραία λ/4 που εκπέμπει στα 900 kHz έχει ύψος περίπου 80 μέτρα.
```
I = u/(4f) = 285.000.000/(4 × 900.000) = 79,2 m ≅ 80 m
Το αντίστοιχο δίπολο θα ήταν 158,3 m — πρακτικά ανέφικτο
```
Δεύτερο πλεονέκτημα — το διάγραμμα κατευθυντικότητας (σελ. 219): οι κεραίες λ/4 εκπέμπουν ομοιόμορφα γύρω τους κατά το οριζόντιο επίπεδο και δεν εκπέμπουν καθόλου προς τα επάνω. Αυτό τις κάνει κατάλληλες για χρήση, στις περιπτώσεις που οι δέκτες βρίσκονται ολόγυρα και στο ίδιο επίπεδο με τον πομπό όπως επίσης και στις περιπτώσεις που έχουμε κινητές μονάδες εκπομπής - λήψης (π.χ. πυροσβεστικά οχήματα).
```
 Κατακόρυφο επίπεδο (κεραία λ/4):
         │ (τίποτε προς τα πάνω)
     ╱───┴───╲
   ◄─────●─────►   ομοιόμορφα ολόγυρα
  ══════════════ γη
```
Η ονομασία (σελ. 218): η λ/4 ονομάζεται πανκατευθυντική (ενώ η λ/2 είναι διπλοκατευθυντική).

Σύνοψη | # | Πλεονέκτημα | Πρακτική συνέπεια | |---|---|---| | 1 | μισό μήκος | κατάλληλες για χρήση στα μεσαία κύματα | | 2 | πανκατευθυντικές στο οριζόντιο επίπεδο, μηδέν προς τα επάνω | δέκτες ολόγυρα και κινητές μονάδες |

Το μειονέκτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί (σελ. 220): για την καλή λειτουργία μιας κεραίας λ/4, θα πρέπει το έδαφος πάνω στο οποίο στηρίζεται να έχει πολύ καλή αγωγιμότητα. Συνήθως τέτοιες κεραίες τοποθετούνται σε παραθαλάσσιες περιοχές ή εκτάσεις με υγρό έδαφος. Σε περίπτωση που το έδαφος είναι ξηρό ή πετρώδες, ενισχύεται η αγωγιμότητά του με την παράχωση σε μικρό βάθος χάλκινων αγωγών μήκους τουλάχιστον λ/4, οι οποίοι ξεκινούν ακτινωτά από το σημείο γείωσης της γραμμής μεταφοράς.

Η περαιτέρω μείωση του ύψους (σελ. 220): συχνά τοποθετείται στην κορυφή της κεραίας ένα σύστημα από αγωγούς με μορφή σχάρας… Το ίδιο μπορούμε να πετύχουμε τοποθετώντας ένα πηνίο στη βάση της κεραίας.

Οι πρακτικές μορφές (σελ. 220): κεραίες τύπου Τ και Γ, και η κεραία Ground Plane, όπου το φυσικό έδαφος έχει αντικατασταθεί από τρεις ή τέσσερις ακτινωτούς αγωγούς μήκους λ/4… που ονομάζονται τεχνητό έδαφος· η αντίστασή της σχεδόν πάντα είναι 50 Ω και η απολαβή της είναι περίπου 1,5 db.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι κεραίες λάμδα τέταρτα, δηλαδή οι κεραίες Μαρκόνι, έχουν δύο βασικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, για ορισμένη συχνότητα εκπομπής έχουν το μισό μήκος από τα δίπολα Χερτζ, γεγονός που τις κάνει κατάλληλες για χρήση στα μεσαία κύματα, όπου το μήκος κύματος είναι μεγάλο· για παράδειγμα, μια κεραία λάμδα τέταρτα που εκπέμπει στα εννιακόσια κιλοχερτς έχει ύψος περίπου ογδόντα μέτρα, ενώ το αντίστοιχο δίπολο θα ξεπερνούσε τα εκατόν πενήντα. Δεύτερον, εκπέμπουν ομοιόμορφα γύρω τους κατά το οριζόντιο επίπεδο και δεν εκπέμπουν καθόλου προς τα επάνω, δηλαδή είναι πανκατευθυντικές· αυτό τις καθιστά κατάλληλες όταν οι δέκτες βρίσκονται ολόγυρα και στο ίδιο επίπεδο με τον πομπό, καθώς και για κινητές μονάδες εκπομπής και λήψης, όπως τα πυροσβεστικά οχήματα. Απαραίτητη προϋπόθεση για την καλή λειτουργία τους είναι το έδαφος να έχει πολύ καλή αγωγιμότητα, γι' αυτό και σε ξηρά ή πετρώδη εδάφη παραχώνονται ακτινωτά χάλκινοι αγωγοί.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 10 — Η χωρητικότητα κορυφής

Ερώτηση: 10. Τι επιτυγχάνουμε με την αύξηση της χωρητικότητας κορυφής μιας κεραίας λ/4;

Απάντηση:

Η διάταξη (σελ. 220): συχνά τοποθετείται στην κορυφή της κεραίας ένα σύστημα από αγωγούς με μορφή σχάρας. Αυτό ενεργεί σαν οπλισμός πυκνωτή και αναγκάζει το ρεύμα να συσσωρεύεται στην κορυφή της κεραίας. Έτσι προκαλείται αύξηση του ηλεκτρικού σε σχέση με το πραγματικό μήκος της κεραίας και μπορούμε να μειώσουμε το ύψος της.

Απάντηση: επιτυγχάνουμε αύξηση του ηλεκτρικού (ενεργού) μήκους σε σχέση με το πραγματικό, ώστε να μειώσουμε το γεωμετρικό ύψος της κεραίας.

Ο μηχανισμός βήμα-βήμα | # | Βήμα | |---|---| | 1 | κανονικά, στην κορυφή μιας κεραίας λ/4 το ρεύμα μηδενίζεται — άρα το πάνω μέρος δεν ακτινοβολεί (σελ. 216: στα άκρα όπου το ρεύμα μηδενίζεται η εκπομπή είναι μηδενική) | | 2 | η σχάρα ενεργεί σαν οπλισμός πυκνωτή και δίνει στο ρεύμα κάπου να «καταλήξει» | | 3 | έτσι αναγκάζει το ρεύμα να συσσωρεύεται στην κορυφή — η κατανομή γίνεται πιο ομοιόμορφη | | 4 | αυξάνεται το ενεργό ύψος (που κανονικά είναι περίπου το 60% του γεωμετρικού, σελ. 216) | | 5 | άρα για την ίδια ακτινοβολία αρκεί μικρότερο γεωμετρικό ύψος |
```
 Χωρίς χωρητικότητα:      Με χωρητικότητα κορυφής:
      │  ← I = 0            ═══╤═══  ← σχάρα
      │╲                       │╲
      │ ╲ κατανομή I           │ ╲  κατανομή I
      │  ╲                     │  ╲  πιο ομοιόμορφη
  ════╧═══╲══                ══╧═══╲══
   hεν ≈ 60% I               hεν μεγαλύτερο
```
Η εναλλακτική λύση (σελ. 220): το ίδιο μπορούμε να πετύχουμε τοποθετώντας ένα πηνίο στη βάση της κεραίας. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται συχνά σε μικρού μεγέθους κινητές κεραίες λ/4.

Γιατί χρειάζεται (σελ. 219-220): στις χαμηλότερες συχνότητες εκπομπής (π.χ. στα μεσαία ή στα μακρά κύματα) οι κεραίες λ/4, λόγω του μεγάλου μήκους τους, έχουν τη μορφή ιστού με κατάλληλη δομή και υποστήριξη από αντηρίδες, ώστε να αντέχουν στη δύναμη του ανέμου — δηλαδή το ύψος είναι το κρίσιμο κατασκευαστικό πρόβλημα.

Οι πρακτικές μορφές (σελ. 220): οι κεραίες τύπου Τ και Γ είναι απλοποιημένες μορφές της κεραίας με χωρητικότητα κορυφής — στις κεραίες Τ και Γ το οριζόντιο τμήμα λειτουργεί ως χωρητικότητα κορυφής και εκπομπή γίνεται μόνο από το κατακόρυφο τμήμα.
```
  Τύπου Τ:  ────┬────       Τύπου Γ:  ────┐
                │                          │
                │                          │
           ═════╧═════                ═════╧═════
```
Η ανακεφαλαίωση (σελ. 230): στα μακρά και μεσαία κύματα όπου το λ είναι μεγάλο χρησιμοποιούμε κεραίες εκπομπής λ/4 και μειώνουμε το μήκος τους με χωρητικότητα κορυφής ή αυτεπαγωγή βάσης.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με την αύξηση της χωρητικότητας κορυφής επιτυγχάνουμε αύξηση του ηλεκτρικού μήκους της κεραίας σε σχέση με το πραγματικό, ώστε να μπορούμε να μειώσουμε το γεωμετρικό της ύψος. Ο μηχανισμός είναι ο εξής: κανονικά στην κορυφή μιας κεραίας λάμδα τέταρτα το ρεύμα μηδενίζεται, οπότε το πάνω μέρος της δεν ακτινοβολεί, και το ενεργό ύψος είναι μόλις το εξήντα τοις εκατό περίπου του γεωμετρικού. Τοποθετώντας στην κορυφή ένα σύστημα αγωγών με μορφή σχάρας, το οποίο ενεργεί σαν οπλισμός πυκνωτή, αναγκάζουμε το ρεύμα να συσσωρεύεται στην κορυφή, οπότε η κατανομή του γίνεται πιο ομοιόμορφη και το ενεργό ύψος αυξάνεται. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορούμε να πετύχουμε τοποθετώντας πηνίο στη βάση της κεραίας, μέθοδος που χρησιμοποιείται συχνά σε μικρού μεγέθους κινητές κεραίες. Η τεχνική αυτή είναι κρίσιμη στα μακρά και μεσαία κύματα, όπου το μεγάλο μήκος κύματος θα απαιτούσε ιστούς απαγορευτικού ύψους· οι κεραίες τύπου Τ και Γ αποτελούν απλοποιημένες μορφές της.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 11 — Ομοιόμορφη εκπομπή με κεραία λ/2

Ερώτηση: 11. Πώς μπορούμε με μια κεραία λ/2 να εκπέμπουμε ομοιόμορφα ολόγυρά της κατά το οριζόντιο επίπεδο;

Απάντηση:

Το πρόβλημα (σελ. 218): λόγω του τρόπου κατανομής της ακτινοβολίας στο οριζόντιο επίπεδο, η κεραία λ/2 ονομάζεται διπλοκατευθυντική, ενώ η λ/4 πανκατευθυντική.

Η λύση: τοποθετώντας την κεραία κατακόρυφα. Η αναφορά (σελ. 221): στα υπερβραχέα κύματα, όπου το μήκος του δίπολου είναι μικρό, οι οριζόντιοι αγωγοί κατασκευάζονται από σωλήνα αλουμινίου και δεν απαιτείται στήριγμα στα άκρα τους. Τέτοιες κεραίες τοποθετούνται συνήθως κατακόρυφα, για καλύτερη εκμετάλλευση του διαγράμματος κατευθυντικότητάς τους (Σχ. 6-18: κατακόρυφη κεραία - δίπολο με διάγραμμα κατευθυντικότητας).

Ο συλλογισμός | # | Βήμα | |---|---| | 1 | το διάγραμμα κατευθυντικότητας ενός διπόλου έχει σχήμα «οκτώ» σε ένα επίπεδο και είναι συμμετρικό περιστροφικά γύρω από τον άξονα της κεραίας | | 2 | η μέγιστη ακτινοβολία είναι κάθετα στον άξονα, ενώ κατά μήκος του άξονα η ακτινοβολία είναι μηδενική | | 3 | αν το δίπολο τοποθετηθεί οριζόντια, το «οκτώ» πέφτει στο οριζόντιο επίπεδο → διπλοκατευθυντική | | 4 | αν τοποθετηθεί κατακόρυφα, το επίπεδο του μέγιστου γίνεται το οριζόντιο και η ακτινοβολία είναι ομοιόμορφη ολόγυρα — πανκατευθυντική στο οριζόντιο, μηδενική προς τα πάνω και κάτω |
```
 ΟΡΙΖΟΝΤΙΟ ΔΙΠΟΛΟ           ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟ ΔΙΠΟΛΟ
 (κάτοψη):                  (κάτοψη):
      ╭─╮ ╭─╮                    ╭───╮
     │ ● │ ● │                  │  ●  │
      ╰─╯ ╰─╯                    ╰───╯
  διπλοκατευθυντική         πανκατευθυντική
```
Η ίδια αρχή στη συγγραμική κεραία (σελ. 223): η συγγραμική κεραία εξακολουθεί να είναι διπλοκατευθυντική, αλλά το διάγραμμα ακτινοβολίας της είναι πολύ πιο στενό από το διάγραμμα του απλού δίπολου, παρέχοντας μεγαλύτερη κατευθυντικότητα και κέρδος. Συνήθως τοποθετείται σε κατακόρυφη θέση, για να μπορεί να εκπέμπει ολόγυρα στο οριζόντιο επίπεδο σαν μια παγκατευθυντική κεραία με κέρδος. — δηλαδή η συγγραμική είναι η βελτιωμένη εκδοχή της ίδιας λύσης: ομοιόμορφη εκπομπή ολόγυρα, αλλά με κέρδος.

Η σχέση με την πόλωση (σελ. 226): η κατεύθυνση αυτή είναι παράλληλη προς τους αγωγούς λ/4 που αποτελούν την κεραία και καθορίζει την πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος — άρα η κατακόρυφη τοποθέτηση δίνει και κατακόρυφη πόλωση, που πρέπει να ταιριάζει με την πόλωση της κεραίας λήψης.

Το αντίστοιχο για τη λ/4 (σελ. 219): η λ/4 εκπέμπει ομοιόμορφα γύρω της εκ κατασκευής, γιατί τοποθετείται πάντοτε κατακόρυφα πάνω στο αγώγιμο επίπεδο.

Η πρακτική εφαρμογή: ακριβώς έτσι κατασκευάζονται οι κεραίες των ραδιοφωνικών σταθμών FM και των σταθμών βάσης ραδιοτηλεφωνίας — κατακόρυφα δίπολα ή συγγραμικές στοιχειοκεραίες σε ψηλό ιστό.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το πρόβλημα είναι ότι η κεραία λάμδα δεύτερα, δηλαδή το δίπολο, είναι διπλοκατευθυντική στο οριζόντιο επίπεδο, σε αντίθεση με τη λάμδα τέταρτα που είναι πανκατευθυντική. Η λύση είναι να τοποθετηθεί το δίπολο κατακόρυφα. Το διάγραμμα κατευθυντικότητας ενός διπόλου είναι συμμετρικό περιστροφικά γύρω από τον άξονα της κεραίας, με μέγιστη ακτινοβολία κάθετα στον άξονα και μηδενική κατά μήκος του. Έτσι, όταν το δίπολο τοποθετηθεί κατακόρυφα, το επίπεδο της μέγιστης ακτινοβολίας γίνεται το οριζόντιο και η εκπομπή είναι ομοιόμορφη ολόγυρα, ενώ μηδενίζεται προς τα πάνω και προς τα κάτω. Το βιβλίο σημειώνει ότι τέτοιες κεραίες τοποθετούνται συνήθως κατακόρυφα για καλύτερη εκμετάλλευση του διαγράμματος κατευθυντικότητάς τους. Η ίδια αρχή εφαρμόζεται και στη συγγραμική κεραία, η οποία τοποθετείται σε κατακόρυφη θέση για να εκπέμπει ολόγυρα στο οριζόντιο επίπεδο σαν παγκατευθυντική κεραία, αλλά με κέρδος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 12 — Γιατί οι στοιχειοκεραίες κατασκευάζονται στα VHF

Ερώτηση: 12. Γιατί κατασκευάζονται εύκολα οι στοιχειοκεραίες στα υπερβραχέα κύματα και όχι στα μακρά ή μεσαία κύματα;

Απάντηση:

Ο λόγος (σελ. 222): το μικρό μήκος κύματος λ στα υπερβραχέα κύματα επιτρέπει να κατασκευαστούν πολύπλοκες κεραίες αποτελούμενες από συστοιχίες πολλών τμημάτων, που ονομάζονται στοιχειοκεραίες. Αυτές οι κεραίες παρουσιάζουν υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα.

Η ποσοτική σύγκριση | Ζώνη | Συχνότητα | λ | Μήκος διπόλου λ/2 | |---|---|---|---| | Μακρά (LF) | 100 kHz | ~3000 m | ~1500 m | | Μεσαία (MF) | 1 MHz | ~300 m | ~150 m | | Υπερβραχέα (VHF) | 100 MHz | ~3 m | ~1,5 m | | Υπερβραχέα (VHF) | 200 MHz | ~1,5 m | ~0,75 m |

Το συμπέρασμα: μια στοιχειοκεραία απαιτεί πολλά δίπολα, τοποθετημένα σε ακριβείς αποστάσεις κλασμάτων του λ μεταξύ τους. | Ζώνη | Τι θα σήμαινε μια στοιχειοκεραία 4 στοιχείων | |---|---| | VHF (100 MHz) | 4 σωλήνες αλουμινίου των 1,5 m, σε αποστάσεις ~0,7 m — φορητή κατασκευή | | Μεσαία (1 MHz) | 4 ιστοί των 150 m, σε αποστάσεις ~70 m — τεράστια και δαπανηρή εγκατάσταση | | Μακρά (100 kHz) | 4 ιστοί των 1500 m — πρακτικά αδύνατο |

Η επιβεβαίωση από το ίδιο το βιβλίο (σελ. 221): στα υπερβραχέα κύματα, όπου το μήκος του δίπολου είναι μικρό, οι οριζόντιοι αγωγοί κατασκευάζονται από σωλήνα αλουμινίου και δεν απαιτείται στήριγμα στα άκρα τους. Και η αντίθετη περίπτωση (σελ. 219-220): στις χαμηλότερες συχνότητες εκπομπής (π.χ. στα μεσαία ή στα μακρά κύματα) οι κεραίες λ/4, λόγω του μεγάλου μήκους τους, έχουν τη μορφή ιστού με κατάλληλη δομή και υποστήριξη από αντηρίδες, ώστε να αντέχουν στη δύναμη του ανέμου — δηλαδή ήδη μία κεραία είναι δύσκολη κατασκευή· πολλές μαζί θα ήταν απαγορευτικές.

Η ανακεφαλαίωση (σελ. 230-231): στα μακρά και μεσαία κύματα όπου το λ είναι μεγάλο χρησιμοποιούμε κεραίες εκπομπής λ/4 και μειώνουμε το μήκος τους με χωρητικότητα κορυφής ή αυτεπαγωγή βάσης· ενώ στα υπερβραχέα κύματα όπου το λ είναι μικρό χρησιμοποιούμε σύνολα από κεραίες λ/2, που ονομάζονται στοιχειοκεραίες. Αυτό το κάνουμε για αύξηση του κέρδους και της κατευθυντικότητας.

Το δεύτερο, λειτουργικό επιχείρημα: στα μεσαία κύματα η επιθυμητή κάλυψη είναι συνήθως πανκατευθυντική (ραδιοφωνία για ακροατές ολόγυρα), ενώ στα VHF και άνω, όπου απαιτείται οπτική επαφή, η κατευθυντικότητα είναι ουσιαστικό πλεονέκτημα — άρα οι στοιχειοκεραίες είναι εκεί και χρήσιμες, όχι μόνο εφικτές.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο λόγος είναι το μήκος κύματος. Στα υπερβραχέα κύματα το λάμδα είναι μικρό, της τάξης του ενός έως δέκα μέτρων, οπότε ένα δίπολο λάμδα δεύτερα έχει μήκος λιγότερο από δύο μέτρα και κατασκευάζεται από απλό σωλήνα αλουμινίου χωρίς καν στήριγμα στα άκρα. Έτσι είναι εύκολο να συνδυαστούν πολλά τέτοια στοιχεία σε συστοιχίες, τοποθετημένα σε ακριβείς αποστάσεις κλασμάτων του μήκους κύματος, δίνοντας υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα. Αντίθετα, στα μεσαία κύματα το μήκος κύματος είναι της τάξης των τριακοσίων μέτρων και στα μακρά των χιλιάδων μέτρων, οπότε ήδη μία μόνο κεραία λάμδα τέταρτα απαιτεί ιστό δεκάδων ή εκατοντάδων μέτρων με αντηρίδες για να αντέχει στον άνεμο· μια συστοιχία πολλών τέτοιων κεραιών θα ήταν πρακτικά αδύνατη και οικονομικά απαγορευτική. Επιπλέον, στα μεσαία η επιθυμητή κάλυψη είναι συνήθως πανκατευθυντική, ενώ στα υπερβραχέα, όπου απαιτείται οπτική επαφή, η κατευθυντικότητα είναι ουσιαστικό πλεονέκτημα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 13 — Κατασκευή και λειτουργία της κεραίας Yagi

Ερώτηση: 13. Πώς είναι κατασκευασμένη και πώς λειτουργεί η κεραία Yagi;

Απάντηση:

Η κατηγορία (σελ. 222): μια παρασιτική συστοιχία αποτελείται από μια βασική κεραία συνδεδεμένη στη γραμμή μεταφοράς, που ονομάζεται τροφοδοτούμενο στοιχείο, και έναν ή περισσότερους αγωγούς που δεν συνδέονται στη γραμμή μεταφοράς και ονομάζονται παρασιτικά στοιχεία. Τα παρασιτικά στοιχεία έχουν ελαφρά διαφορετικό μήκος από το τροφοδοτούμενο στοιχείο. Τυπικό παράδειγμα μιας παρασιτικής συστοιχίας αποτελεί η κεραία Γιάγκι (Yagi), που ονομάζεται έτσι προς τιμή του Ιάπωνα ερευνητή που την επινόησε.

Η κατασκευή (σελ. 223) | Στοιχείο | Μήκος | Απόσταση από το δίπολο | |---|---|---| | ανακλαστήρας | περίπου 5% μακρύτερο από το βασικό δίπολο | 0,15 - 0,25λ | | τροφοδοτούμενο στοιχείο (δίπολο λ/2) | λ/2 | — | | κατευθυντήρας | περίπου 5% κοντύτερο από το δίπολο | 0,1 - 0,2λ |
```
  ───────────  ανακλαστήρας (+5%)
       ┆ 0,15-0,25λ
  ──────────   δίπολο (τροφοδοτούμενο) ◄── γραμμή μεταφοράς
       ┆ 0,1-0,2λ
  ─────────    κατευθυντήρας (−5%)
       ↓
  κατεύθυνση ακτινοβολίας
```
Η λειτουργία (σελ. 223): μέρος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται από το δίπολο αντανακλάται από τα παρασιτικά στοιχεία και συνδυάζεται με το αρχικό κύμα, με αποτέλεσμα να έχουμε μεγάλη ενίσχυση της ακτινοβολίας προς την πλευρά του κατευθυντήρα και μεγάλη εξασθένηση προς την πλευρά του ανακλαστήρα. Έτσι η κεραία Yagi είναι μια κεραία μονοκατευθυντική.

Ο ρόλος της διαφοράς μήκους | Στοιχείο | Συμπεριφορά | |---|---| | ανακλαστήρας (μακρύτερο) | συντονίζεται σε χαμηλότερη συχνότητα → επαγωγική συμπεριφορά → ανακλά το κύμα προς τα εμπρός | | κατευθυντήρας (κοντύτερο) | συντονίζεται σε υψηλότερη συχνότητα → χωρητική συμπεριφορά → έλκει και κατευθύνει το κύμα |

Το κέρδος (σελ. 223): με τη μορφή του σχήματος 6-19(α) έχει απολαβή περίπου 8 db. Μπορούν να προστεθούν μέχρι και 20 κατευθυντήρες στην κεραία, οπότε η απολαβή της μπορεί να φτάσει και τα 17 db.

Η χρήση στην τηλεόραση (σελ. 228): για την εξασφάλιση κατευθυντικότητας χρησιμοποιείται συνήθως η κεραία Yagi με αναδιπλωμένο δίπολο και πολλούς κατευθυντήρες, έτσι ώστε το κέρδος της να είναι 13-17 db. Γιατί χρειάζεται κατευθυντικότητα (σελ. 227-228): αν η τηλεόραση, εκτός από το σήμα του πομπού, συλλαμβάνει και αντανακλάσεις του ίδιου σήματος από διάφορα φυσικά εμπόδια, εμφανίζει στην οθόνη της πολλαπλές εικόνες («είδωλα»).

Το μειονέκτημά της (σελ. 228): επειδή όμως αυτή η κεραία έχει σχετικά περιορισμένο εύρος ζώνης συχνοτήτων και δε λαμβάνει ικανοποιητικά όλα τα τηλεοπτικά κανάλια, χρησιμοποιείται πολλές φορές στη θέση της μια παραλλαγή της μετωπικής κεραίας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η κεραία Yagi είναι παρασιτική συστοιχία, δηλαδή αποτελείται από ένα τροφοδοτούμενο στοιχείο, που είναι δίπολο συνδεδεμένο στη γραμμή μεταφοράς, και από παρασιτικά στοιχεία που δεν συνδέονται στη γραμμή. Το ένα παρασιτικό στοιχείο είναι περίπου πέντε τοις εκατό μακρύτερο από το δίπολο και ονομάζεται ανακλαστήρας, τοποθετημένο σε απόσταση δεκαπέντε ως είκοσι πέντε εκατοστά του μήκους κύματος· το άλλο είναι περίπου πέντε τοις εκατό κοντύτερο και ονομάζεται κατευθυντήρας, σε απόσταση δέκα ως είκοσι εκατοστά του μήκους κύματος. Λειτουργεί ως εξής: μέρος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που εκπέμπεται από το δίπολο αντανακλάται από τα παρασιτικά στοιχεία και συνδυάζεται με το αρχικό, με αποτέλεσμα μεγάλη ενίσχυση της ακτινοβολίας προς την πλευρά του κατευθυντήρα και μεγάλη εξασθένηση προς την πλευρά του ανακλαστήρα· έτσι η κεραία είναι μονοκατευθυντική. Με ένα μόνο ζεύγος παρασιτικών η απολαβή είναι περίπου οκτώ ντεσιμπέλ, ενώ με έως και είκοσι κατευθυντήρες φτάνει τα δεκαεπτά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 14 — Πώς οι παραβολικές κεραίες δίνουν υψηλή κατευθυντικότητα

Ερώτηση: 14. Πώς εξασφαλίζουν οι παραβολικές κεραίες υψηλή κατευθυντικότητα;

Απάντηση:

Η φυσική βάση (σελ. 224): σε ακόμη υψηλότερες συχνότητες, της περιοχής των μικροκυμάτων, το μήκος κύματος γίνεται τόσο μικρό, ώστε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αρχίζουν να συμπεριφέρονται σαν ακτίνες φωτός. Έτσι, μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την ανάκλαση των κυμάτων πάνω σε σχετικά μικρές μεταλλικές επιφάνειες, για να πετύχουμε με απλά μέσα εξαιρετικά μεγάλη κατευθυντικότητα και απολαβή από τις κεραίες.

Η βασική κεραία (σελ. 224): ο πιο συνηθισμένος τύπος βασικής κεραίας μικροκυμάτων είναι η χοανοκεραία. Αυτή δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια διεύρυνση της άκρης του κυματοδηγού που χρησιμοποιείται αντί της ομοαξονικής γραμμής μεταφοράς σ' αυτές τις συχνότητες — υπάρχουν παραλληλόγραμμη και κωνική χοανοκεραία.

Ο μηχανισμός (σελ. 225): οι χοανοκεραίες συνδυάζονται σχεδόν πάντα με κοίλες μεταλλικές παραβολικές επιφάνειες, που ονομάζονται παραβολικά κάτοπτρα. Οι κεραίες που προκύπτουν συχνά ονομάζονται και παραβολικές κεραίες. Οι χοανοκεραίες τοποθετούνται μπροστά από το κέντρο των κατόπτρων έτσι, ώστε η κωνική δέσμη ακτινοβολίας που εκπέμπουν να μετατρέπεται μετά την ανάκλασή της σε παράλληλη.
```
           ╲                    ──────────►
            ╲ ╱╲                ──────────►
  ═══════[χοάνη]  ►  ╲          ──────────►
            ╱ ╲╱     ╲ παραβολικό ────────►
           ╱          ╲ κάτοπτρο ──────────►
  κωνική δέσμη          παράλληλη δέσμη
```
Η γεωμετρική ιδιότητα: κάθε ακτίνα που ξεκινά από την εστία μιας παραβολής ανακλάται παράλληλα προς τον άξονά της — γι' αυτό η χοανοκεραία τοποθετείται στην εστία.

Το αποτέλεσμα (σελ. 225): με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται πολύ υψηλό κέρδος (30 - 60 db) και εξαιρετικά στενή δέσμη εκπομπής, όπως η δέσμη του φωτός ενός προβολέα.

Τι σημαίνουν τα 30-60 db
```
30 db  →  1.000 φορές
60 db  →  1.000.000 φορές
```
εντονότερη εκπομπή προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού, σε σχέση με μια υποθετική κεραία χωρίς κέρδος (σελ. 219).

Η προϋπόθεση: το κάτοπτρο πρέπει να είναι πολλά μήκη κύματος σε διάμετρο — γι' αυτό οι παραβολικές κεραίες υπάρχουν μόνο στα μικροκύματα, όπου το λ είναι εκατοστά ή χιλιοστά (σελ. 138: δεκατομετρικά, εκατοστομετρικά, χιλιοστομετρικά).

Η εφαρμογή στη δορυφορική λήψη (σελ. 228): για να λάβουμε τέτοια σήματα, χρειαζόμαστε κεραίες εξαιρετικά υψηλού κέρδους, οι οποίες αναγκαστικά έχουν πολύ στενή δέσμη λήψης. Αυτό μας υποχρεώνει να «σκοπεύουμε» το δορυφόρο πολύ προσεκτικά. Η τροποποίηση για τη δορυφορική λήψη (σελ. 228): η χοανοκεραία στις περισσότερες περιπτώσεις δεν τοποθετείται στο κέντρο του κάτοπτρου, αλλά έκκεντρα. Εξαιτίας αυτού, το κάτοπτρο παίρνει ελλειψοειδές αντί για κυκλικό σχήμα και το βάθος της κοιλότητάς του μικραίνει. Έτσι, μπορεί να τοποθετείται περισσότερο κάθετα προς την επιφάνεια της γης, για να μην επιτρέπει στο χιόνι και το νερό της βροχής να συσσωρεύονται μέσα του.

Το μέγεθος (σελ. 229): στη χώρα μας παραβολικά κάτοπτρα με διάμετρο μεταξύ 0,8 και 1,2 μέτρα προσφέρουν ικανοποιητική λήψη στις περισσότερες περιπτώσεις.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι παραβολικές κεραίες εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι στα μικροκύματα το μήκος κύματος γίνεται τόσο μικρό ώστε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αρχίζουν να συμπεριφέρονται σαν ακτίνες φωτός, οπότε μπορούν να ανακλαστούν πάνω σε σχετικά μικρές μεταλλικές επιφάνειες. Αποτελούνται από μια χοανοκεραία, δηλαδή διεύρυνση της άκρης του κυματοδηγού, και από ένα κοίλο μεταλλικό παραβολικό κάτοπτρο. Η χοανοκεραία τοποθετείται μπροστά από το κέντρο, δηλαδή στην εστία του κατόπτρου, ώστε η κωνική δέσμη που εκπέμπει να μετατρέπεται μετά την ανάκλαση σε παράλληλη, χάρη στη γεωμετρική ιδιότητα της παραβολής. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται πολύ υψηλό κέρδος, τριάντα έως εξήντα ντεσιμπέλ, δηλαδή χίλιες έως ένα εκατομμύριο φορές εντονότερη εκπομπή, και εξαιρετικά στενή δέσμη, όπως η δέσμη του φωτός ενός προβολέα. Στη δορυφορική λήψη η χοανοκεραία τοποθετείται συνήθως έκκεντρα, οπότε το κάτοπτρο γίνεται ελλειψοειδές και ρηχότερο, ώστε να μη συσσωρεύονται χιόνι και νερό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 15 — Η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς (ERP)

Ερώτηση: 15. Τι ονομάζεται ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς και σε τι διαφέρει από την ακτινοβολούμενη ισχύ;

Απάντηση:

Η ακτινοβολούμενη ισχύς Pr (σελ. 225): από το σύνολο της ισχύος που προσφέρει ο πομπός ένα μόνο μέρος εκπέμπεται, γιατί το υπόλοιπο μετατρέπεται σε θερμότητα από την αντίσταση απωλειών της κεραίας. Το ποσό της ισχύος Pr που θα εκπεμφθεί καθορίζεται από την ισχύ εξόδου του πομπού και το συντελεστή απόδοσης της κεραίας. Ο υπολογισμός της (σελ. 225): εκφράζεται σε Watt και μπορεί να υπολογιστεί εύκολα, αν μετρήσουμε την ενεργό τιμή lm της έντασης του ρεύματος στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας όπου, ως γνωστόν, υπάρχει κοιλία ρεύματος
```
Ρr = 73·I²m    για κεραία λ/2
Ρr = 36·I²m    για κεραία λ/4
```
(οι σταθερές 73 και 36 είναι ακριβώς οι αντιστάσεις ακτινοβολίας των δύο τύπων, σελ. 217)

Η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς ERP (σελ. 226): είδαμε επίσης ότι οι περισσότερες κεραίες έχουν κάποιας μορφής κατευθυντικότητα και παρουσιάζουν κέρδος. Αυτό τις επιτρέπει να εκπέμπουν προς την κατεύθυνση της μέγιστης ακτινοβολίας, σαν να ήταν κεραίες που τροφοδοτούνται με μεγαλύτερη ισχύ. Για να χαρακτηρίσουμε αυτή την ιδιότητα, χρησιμοποιούμε το γινόμενο της ακτινοβολούμενης ισχύος επί το κέρδος της κεραίας, που ονομάζεται Ενεργός Ακτινοβολούμενη Ισχύς (ERP - Effective Radiated Power).
```
ERP = Ρr × G
```
Η διαφορά | | Ακτινοβολούμενη ισχύς Pr | Ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς ERP | |---|---|---| | τι είναι | η πραγματική ισχύς που φεύγει από την κεραία | η φαινομενική ισχύς προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού | | καθορίζεται από | την ισχύ εξόδου του πομπού και τον βαθμό απόδοσης | την Pr και το κέρδος G | | προς πόσες κατευθύνσεις | το σύνολο του χώρου | μία κατεύθυνση | | σχέση | Pr = Pπομπού × n | ERP = Pr × G |

Το παράδειγμα
```
Πομπός: 1000 W
Κεραία: n = 0,9, G = 100 (20 db)
Ρr  = 1000 × 0,9 = 900 W          (πραγματικά ακτινοβολούμενα)
ERP = 900 × 100 = 90.000 W        (φαινομενικά, προς τον κύριο λοβό)
```
Η ερμηνεία: το ERP δεν είναι ισχύς που παράγεται — είναι το ισοδύναμο μιας μη κατευθυντικής κεραίας που θα έδινε την ίδια ένταση πεδίου προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση. Το άθροισμα της πραγματικής ισχύος σε όλες τις κατευθύνσεις παραμένει Pr.

Η πρακτική σημασία: το ERP είναι το μέγεθος με το οποίο αδειοδοτούνται οι ραδιοτηλεοπτικοί σταθμοί και με το οποίο συγκρίνεται η κάλυψη — γιατί αυτό, και όχι η ισχύς του πομπού, καθορίζει την ένταση του πεδίου στην περιοχή που μας ενδιαφέρει.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ακτινοβολούμενη ισχύς είναι το μέρος της ισχύος του πομπού που πραγματικά εκπέμπεται από την κεραία, αφού το υπόλοιπο μετατρέπεται σε θερμότητα στην αντίσταση απωλειών· καθορίζεται από την ισχύ εξόδου του πομπού και τον συντελεστή απόδοσης της κεραίας και υπολογίζεται από την ενεργό τιμή του ρεύματος στο σημείο τροφοδοσίας, με τη σχέση εβδομήντα τρία επί το τετράγωνο του ρεύματος για κεραία λάμδα δεύτερα και τριάντα έξι για κεραία λάμδα τέταρτα. Ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς, στα αγγλικά Effective Radiated Power, ονομάζεται το γινόμενο της ακτινοβολούμενης ισχύος επί το κέρδος της κεραίας. Η διαφορά τους είναι ότι η ακτινοβολούμενη ισχύς είναι η πραγματική ισχύς που φεύγει από την κεραία προς όλες τις κατευθύνσεις, ενώ η ενεργός ακτινοβολούμενη είναι η φαινομενική ισχύς προς την κατεύθυνση του κύριου λοβού, δηλαδή η ισχύς που θα χρειαζόταν μια μη κατευθυντική κεραία για να δώσει την ίδια ένταση πεδίου προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση. Η κεραία δηλαδή δεν παράγει ισχύ, απλώς τη συγκεντρώνει.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 16 — Οριζόντια ή κατακόρυφη πόλωση κεραίας

Ερώτηση: 16. Πώς θα καταλάβουμε αν μια κεραία είναι οριζόντια ή κατακόρυφα πολωμένη;

Απάντηση:

Ο κανόνας (σελ. 226): η κατεύθυνση αυτή είναι παράλληλη προς τους αγωγούς λ/4 που αποτελούν την κεραία και καθορίζει την πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Η πόλωση του κύματος είναι ίδια με την πόλωση της κεραίας. Για παράδειγμα, η κεραία και το κύμα στο σχήμα 6-25 έχουν κατακόρυφη πόλωση.

Απάντηση: από τη θέση των αγωγών της — μια κεραία της οποίας οι ενεργοί αγωγοί είναι τοποθετημένοι κατακόρυφα είναι κατακόρυφα πολωμένη, ενώ μια με οριζόντιους αγωγούς είναι οριζόντια πολωμένη.
```
 ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΠΟΛΩΣΗ        ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΠΟΛΩΣΗ
       │                    ──────────────
       │  Ε ↕               Ε ↔
       │                    (αγωγοί οριζόντια)
  ═════╧═════
 (αγωγοί κατακόρυφα)
```
Η φυσική εξήγηση (σελ. 226): από το μέγεθος και την κατεύθυνση αυτών των δυνάμεων προκύπτει η έννοια της έντασης Ε του ηλεκτρικού πεδίου της κεραίας, η οποία έχει μέτρο ανάλογο προς τις δυνάμεις που αναπτύσσει στα ηλεκτρόνια και κατεύθυνση ίδια με τις δυνάμεις — και οι δυνάμεις αυτές είναι παράλληλες προς τους αγωγούς, αφού εκεί ρέει το ρεύμα που τις παράγει.

Παραδείγματα από το βιβλίο | Κεραία | Πόλωση | |---|---| | κεραία λ/4 (Μαρκόνι) πάνω στο έδαφος (σελ. 215) | κατακόρυφη | | κεραία Ground Plane (σελ. 220) | κατακόρυφη | | οριζόντια κεραία δίπολο στα βραχέα (σελ. 221) | οριζόντια | | κατακόρυφη κεραία - δίπολο στα υπερβραχέα (σελ. 221-222) | κατακόρυφη |

Το μαγνητικό πεδίο (σελ. 226): μαζί με το ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει και μαγνητικό, του οποίου η ένταση Η είναι πάντα κάθετη προς την ένταση Ε του ηλεκτρικού πεδίου. Για να χαρακτηρίσουμε όμως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, χρησιμοποιούμε σχεδόν πάντα την ένταση Ε, επειδή αυτό το μέγεθος μπορούμε να το μετρήσουμε ευκολότερα.

Η πρακτική σημασία της αντιστοίχισης (σελ. 227): για καλύτερα αποτελέσματα η κεραία λήψης πρέπει να είναι ίδια με την κεραία εκπομπής — άρα και η πόλωση πρέπει να ταιριάζει. Μια κεραία λήψης με λάθος πόλωση δέχεται πολύ ασθενέστερο σήμα.

Ο πειραματικός τρόπος επιβεβαίωσης: στρέφοντας μια κεραία λήψης από την οριζόντια στην κατακόρυφη θέση και παρατηρώντας πότε το σήμα είναι ισχυρότερο — η θέση μέγιστης λήψης δείχνει την πόλωση της εκπομπής.

Η μονάδα μέτρησης (σελ. 226): το Ε μετράται σε Volt ανά μέτρο και το Η σε Ampere ανά μέτρο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θα το καταλάβουμε από τη θέση των αγωγών της. Όπως αναφέρει το βιβλίο, η κατεύθυνση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου είναι παράλληλη προς τους αγωγούς που αποτελούν την κεραία και αυτή ακριβώς καθορίζει την πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, ενώ η πόλωση του κύματος είναι ίδια με την πόλωση της κεραίας. Άρα, μια κεραία της οποίας οι ενεργοί αγωγοί είναι τοποθετημένοι κατακόρυφα, όπως η κεραία λάμδα τέταρτα πάνω στο έδαφος ή η κεραία Ground Plane, είναι κατακόρυφα πολωμένη, ενώ μια κεραία με οριζόντιους αγωγούς, όπως το οριζόντιο δίπολο των βραχέων, είναι οριζόντια πολωμένη. Η φυσική εξήγηση είναι ότι το ηλεκτρικό πεδίο έχει την κατεύθυνση των δυνάμεων που ασκούνται στα ηλεκτρόνια, οι οποίες είναι παράλληλες προς τους αγωγούς όπου ρέει το ρεύμα. Πρακτικά, η πόλωση της κεραίας λήψης πρέπει να ταιριάζει με εκείνη της εκπομπής, και αυτό επιβεβαιώνεται πειραματικά στρέφοντας την κεραία λήψης έως ότου το σήμα γίνει ισχυρότερο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 17 — Ο προσανατολισμός της μαγνητικής κεραίας

Ερώτηση: 17. Πώς πρέπει να στραφεί μια μαγνητική κεραία για να κάνει καλύτερη λήψη του ραδιοφωνικού σήματος;

Απάντηση:

Η απάντηση (σελ. 227): η μαγνητική κεραία είναι κατευθυντική και λειτουργεί καλύτερα, όταν προσανατολίζεται κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Η κατασκευή της (σελ. 227): η μαγνητική κεραία αποτελείται από ένα πηνίο τυλιγμένο γύρω από μια ράβδο φερρίτη με μήκος 10 - 30 cm και διάμετρο περίπου 1 cm.
```
      ╭─────────────────────╮
  ════│▓▓▓▓╬╬╬╬╬╬▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓│════  ράβδος φερρίτη
      ╰─────────────────────╯
            ↑ πηνίο
```
Η αρχή λειτουργίας (σελ. 227): ο φερρίτης είναι ένα κεραμικό υλικό που έχει πολύ μεγάλη μαγνητική διαπερατότητα. Μπορεί έτσι να συγκεντρώνει από το γύρω χώρο και να διοχετεύει μέσα από το πηνίο τις μαγνητικές γραμμές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και να παράγει στα άκρα των σπειρών του ένα σχετικά ισχυρό σήμα λήψης.

Ο συλλογισμός για τον προσανατολισμό | # | Βήμα | |---|---| | 1 | η κεραία λαμβάνει μέσω του μαγνητικού πεδίου Η του κύματος | | 2 | το σήμα είναι μέγιστο όταν οι μαγνητικές γραμμές διαπερνούν το πηνίο κατά μήκος της ράβδου | | 3 | το Η είναι κάθετο προς τη διεύθυνση διάδοσης (σελ. 226: η ένταση Η είναι πάντα κάθετη προς την ένταση Ε, και τα δύο κάθετα στη διάδοση) | | 4 | άρα η ράβδος πρέπει να είναι κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, δηλαδή πλάγια προς τον σταθμό |
```
 Πομπός ──────► κύμα ──────►
                            ═════════  ράβδος φερρίτη
                            (κάθετα στη διάδοση)
                            → μέγιστη λήψη
```
Η πρακτική συνέπεια: γι' αυτό, όταν στρέφουμε ένα φορητό ραδιόφωνο AM, το σήμα ενισχύεται ή χάνεται — η κεραία είναι κατευθυντική. Η θέση ελάχιστης λήψης («μηδενισμού») είναι μάλιστα οξύτερη από τη θέση μέγιστης, γι' αυτό χρησιμοποιείται και στη ραδιογωνιομετρία (εντοπισμό κατεύθυνσης πομπού).

Η θέση της (σελ. 227): λόγω του μικρού της μεγέθους συνήθως τοποθετείται στο εσωτερικό των δεκτών — άρα ο χρήστης στρέφει ολόκληρο τον δέκτη.

Πού χρησιμοποιείται (σελ. 227): στους δέκτες ραδιοφώνου για λήψη μακρών, μεσαίων ή βραχέων κυμάτων χρησιμοποιείται πολύ συχνά η μαγνητική κεραία.

Η αντιδιαστολή με την τηλεσκοπική (σελ. 227): στους φορητούς ραδιοφωνικούς δέκτες AM και FM επίσης συχνά χρησιμοποιείται και η τηλεσκοπική κεραία. Αυτή στην ουσία δεν είναι τίποτε άλλο από ένα απλό κομμάτι αγωγού, που λειτουργεί σαν ασυντόνιστη κεραία τυχαίου μήκους — αυτή λαμβάνει μέσω του ηλεκτρικού πεδίου και είναι πολύ λιγότερο κατευθυντική.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μαγνητική κεραία είναι κατευθυντική και λειτουργεί καλύτερα όταν προσανατολίζεται κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Αποτελείται από πηνίο τυλιγμένο γύρω από ράβδο φερρίτη μήκους δέκα ως τριάντα εκατοστών και διαμέτρου περίπου ενός εκατοστού. Ο φερρίτης έχει πολύ μεγάλη μαγνητική διαπερατότητα, οπότε συγκεντρώνει από τον γύρω χώρο και διοχετεύει μέσα από το πηνίο τις μαγνητικές γραμμές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, παράγοντας στα άκρα των σπειρών σχετικά ισχυρό σήμα. Επειδή δηλαδή η λήψη γίνεται μέσω του μαγνητικού πεδίου, το οποίο είναι κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης, το σήμα είναι μέγιστο όταν η ράβδος βρίσκεται κάθετα προς αυτή τη διεύθυνση, δηλαδή πλάγια προς τον σταθμό. Γι' αυτό, όταν στρέφουμε ένα φορητό ραδιόφωνο, το σήμα ενισχύεται ή χάνεται. Επειδή είναι μικρή, η κεραία τοποθετείται συνήθως στο εσωτερικό των δεκτών, οπότε ο χρήστης στρέφει ολόκληρη τη συσκευή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 18 — Μετωπικές κεραίες έναντι Yagi στην τηλεόραση

Ερώτηση: 18. Γιατί πλεονεκτούν οι μετωπικές κεραίες από τις κεραίες Yagi όσον αφορά τη χρήση τους για λήψη τηλεοπτικού προγράμματος;

Απάντηση:

Η αναφορά (σελ. 228): για την εξασφάλιση κατευθυντικότητας χρησιμοποιείται συνήθως η κεραία Yagi με αναδιπλωμένο δίπολο και πολλούς κατευθυντήρες, έτσι ώστε το κέρδος της να είναι 13 - 17 db. Επειδή όμως αυτή η κεραία έχει σχετικά περιορισμένο εύρος ζώνης συχνοτήτων και δε λαμβάνει ικανοποιητικά όλα τα τηλεοπτικά κανάλια, χρησιμοποιείται πολλές φορές στη θέση της μια παραλλαγή της μετωπικής κεραίας με συρμάτινο πλέγμα για ανακλαστήρα. Τα δίπολα αυτής της κεραίας έχουν διχαλωτή μορφή για αύξηση του εύρους ζώνης των συχνοτήτων λειτουργίας της.

Απάντηση: το κύριο πλεονέκτημα είναι το μεγαλύτερο εύρος ζώνης συχνοτήτων, ώστε να λαμβάνονται ικανοποιητικά όλα τα τηλεοπτικά κανάλια.

Το πρόβλημα της Yagi | # | Αιτία | |---|---| | 1 | η Yagi είναι παρασιτική συστοιχία με συντονισμένα στοιχεία (ανακλαστήρας +5%, κατευθυντήρας −5%, σελ. 223) | | 2 | ο συντονισμός των στοιχείων ισχύει μόνο σε στενή περιοχή συχνοτήτων | | 3 | τα τηλεοπτικά κανάλια εκτείνονται σε πολύ ευρείες ζώνες: 47-230 MHz (VHF) και 470-862 MHz (UHF) (σελ. 189-190) | | 4 | άρα μία Yagi δε λαμβάνει ικανοποιητικά όλα τα τηλεοπτικά κανάλια |

Οι δύο τεχνικές που δίνουν εύρος ζώνης στη μετωπική (σελ. 228) | Τεχνική | Αποτέλεσμα | |---|---| | συρμάτινο πλέγμα για ανακλαστήρα | ο ανακλαστήρας δεν είναι συντονισμένο στοιχείο — λειτουργεί σε όλες τις συχνότητες | | δίπολα διχαλωτής μορφής | αύξηση του εύρους ζώνης των συχνοτήτων λειτουργίας | Η γενική αρχή (σελ. 221): αν οι οριζόντιοι αγωγοί αποτελούνται από σχετικά λεπτό σύρμα, η κεραία συντονίζεται σε μια μόνο συχνότητα… Όσο όμως αυξάνουμε το πάχος των αγωγών τόσο περισσότερο ικανή γίνεται η κεραία να εκπέμψει και σε άλλες γειτονικές συχνότητες. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται το εύρος ζώνης της, κάτι που σε πολλές περιπτώσεις είναι ιδιαίτερα επιθυμητό — η διχαλωτή μορφή είναι ακριβώς μια εκδοχή του «παχύτερου» αγωγού.

Τα χαρακτηριστικά της μετωπικής (σελ. 223-224): η μετωπική κεραία αποτελείται από δίπολα λ/2 συνδεδεμένα… Η γραμμή διασταυρώνεται από δίπολο σε δίπολο, για να μπορεί να τροφοδοτεί τα στοιχεία με σήμα σωστής φάσης… Η μετωπική κεραία δεν ακτινοβολεί κατά μήκος του άξονα των στοιχείων, όπως μια κεραία Yagi, αλλά μετωπικά, δηλαδή κάθετα στο επίπεδο της συστοιχίας. Είναι μια κεραία διπλοκατευθυντική με υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα. Συχνά συνδυάζεται με μια μεταλλική ανακλαστική επιφάνεια παράλληλη και σε απόσταση λ/4 από το επίπεδό της. Με τον τρόπο αυτό μετατρέπεται σε μονοκατευθυντική κεραία.

Γιατί χρειάζεται και κατευθυντικότητα (σελ. 227-228): αν η τηλεόραση, εκτός από το σήμα του πομπού, συλλαμβάνει και αντανακλάσεις του ίδιου σήματος από διάφορα φυσικά εμπόδια, εμφανίζει στην οθόνη της πολλαπλές εικόνες («είδωλα»). Αυτό συμβαίνει, διότι τα ανακλώμενα κύματα έχουν διανύσει περισσότερο δρόμο και φτάνουν στην κεραία λίγο αργότερα από τα απ' ευθείας κύματα.

Το συμπέρασμα: η μετωπική με πλέγμα διατηρεί την υψηλή κατευθυντικότητα που απαιτεί η τηλεόραση, προσθέτοντας το ευρύ φάσμα που η Yagi δεν μπορεί να δώσει.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι μετωπικές κεραίες πλεονεκτούν κυρίως γιατί έχουν μεγαλύτερο εύρος ζώνης συχνοτήτων και έτσι λαμβάνουν ικανοποιητικά όλα τα τηλεοπτικά κανάλια. Η κεραία Yagi, όπως αναφέρει το βιβλίο, έχει σχετικά περιορισμένο εύρος ζώνης, επειδή τα παρασιτικά της στοιχεία, ο ανακλαστήρας που είναι πέντε τοις εκατό μακρύτερος και ο κατευθυντήρας που είναι πέντε τοις εκατό κοντύτερος, είναι συντονισμένα σε στενή περιοχή συχνοτήτων· τα τηλεοπτικά όμως κανάλια εκτείνονται σε πολύ ευρείες ζώνες, στα υπερβραχέα και στα δεκατομετρικά. Στη θέση της χρησιμοποιείται πολλές φορές παραλλαγή της μετωπικής κεραίας με συρμάτινο πλέγμα για ανακλαστήρα, ο οποίος δεν είναι συντονισμένο στοιχείο, και με δίπολα διχαλωτής μορφής, τα οποία αυξάνουν το εύρος ζώνης λειτουργίας. Ταυτόχρονα η μετωπική διατηρεί υψηλό κέρδος και κατευθυντικότητα, και όταν συνδυαστεί με ανακλαστική επιφάνεια σε απόσταση λάμδα τέταρτα γίνεται μονοκατευθυντική, κάτι απαραίτητο για να αποφεύγονται τα είδωλα στην οθόνη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 19 — Η λειτουργία της μονάδας LNB

Ερώτηση: 19. Ποια είναι η λειτουργία της μονάδας LNB σε ένα δορυφορικό σύστημα λήψης;

Απάντηση:

Η θέση της (σελ. 228-229): δε χρησιμοποιείται κυματοδηγός, αλλά το πρώτο στάδιο του δορυφορικού δέκτη είναι τοποθετημένο κατευθείαν μετά τη χοανοκεραία μέσα σε μια μονάδα που ονομάζεται LNB (Low Noise Block-down converter), δηλαδή Μετατροπέας Χαμηλού Θορύβου.

Τα τρία μέρη της (σελ. 229): μέσα στη μονάδα LNB υπάρχει μια διάταξη επιλογής της πόλωσης του λαμβανόμενου κύματος, ένας ενισχυτής κατασκευασμένος με ειδικά τρανζίστορ πολύ χαμηλού θορύβου και ένας μετατροπέας συχνότητας. | # | Μέρος | Λειτουργία | |---|---|---| | 1 | διάταξη επιλογής πόλωσης | επιλέγει την πόλωση του λαμβανόμενου κύματος | | 2 | ενισχυτής χαμηλού θορύβου | ειδικά τρανζίστορ πολύ χαμηλού θορύβου — ενισχύει το εξαιρετικά ασθενές σήμα | | 3 | μετατροπέας συχνότητας | υποβιβάζει τη συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος από τα 11 GHz, που εκπέμπει ο δορυφόρος, σε 1 GHz |

Γιατί χρειάζεται ο υποβιβασμός (σελ. 229): το σήμα του 1 GHz οδηγείται με ομοαξονικό καλώδιο σε μια συσκευή που ονομάζεται IDU (In-Door Unit), δηλαδή εσωτερική μονάδα — δηλαδή στα 11 GHz το σήμα δεν θα μπορούσε να ταξιδέψει με ομοαξονικό καλώδιο χωρίς τεράστιες απώλειες.

Γιατί χρειάζεται ο χαμηλός θόρυβος (σελ. 228): κατ' αρχάς το σήμα που δεχόμαστε από το δορυφόρο είναι εξαιρετικά ασθενές. Οι δορυφόροι DBS (Direct Broadcasting Satellites), των οποίων το σήμα λαμβάνουμε με οικιακούς δορυφορικούς δέκτες, έχουν πομπούς, των οποίων η ισχύς ακτινοβολίας δεν ξεπερνά τα 50 Watt και εκπέμπουν από απόσταση 36.000 χιλιομέτρων.

Η θέση της στην αλυσίδα
```
 [παραβολικό κάτοπτρο] ──► [χοανοκεραία] ──► [LNB]
                                                │ 1 GHz
                                        ομοαξονικό καλώδιο
                                                │
                                             [IDU] ──► [TV]
```
Η εσωτερική μονάδα (σελ. 229): στη συσκευή αυτή γίνεται επιπλέον ενίσχυση του σήματος όπως επίσης και η επιλογή του επιθυμητού δορυφορικού προγράμματος. Η εσωτερική μονάδα συνδέεται με ένα κοινό τηλεοπτικό δέκτη… ή με ένα ειδικό ψηφιακό ραδιοφωνικό δέκτη.

Ο τρίτος λόγος για την τοποθέτηση επί της κεραίας: αν το σήμα ενισχυόταν μετά το καλώδιο, θα είχε ήδη εξασθενήσει και ο λόγος σήματος προς θόρυβο θα ήταν ανεπανόρθωτα χαμηλός. Γι' αυτό ο πρώτος ενισχυτής μπαίνει αμέσως μετά τη χοανοκεραία.

Το συμπληρωματικό σύστημα (σελ. 229): υπάρχει ένα σύστημα περιστροφής της κεραίας… Το σύστημα αυτό ονομάζεται πολική στήριξη, γιατί ο άξονάς του είναι παράλληλος με τον άξονα της γης, και πίσω από το κάτοπτρο… τοποθετείται ένας μηχανισμός που ονομάζεται ενεργοποιητής (actuator).

Ο παράγοντας που καθορίζει το μέγεθος του κατόπτρου (σελ. 229): το μέγεθος του απαιτούμενου παραβολικού κατόπτρου εξαρτάται από την ένταση του δορυφορικού σήματος στο σημείο λήψης και από τη στάθμη του ηλεκτρονικού θορύβου που εισάγει στο σήμα το LNB — δηλαδή όσο καλύτερο το LNB, τόσο μικρότερο το πιάτο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μονάδα LNB, από τα αρχικά Low Noise Block-down converter, δηλαδή Μετατροπέας Χαμηλού Θορύβου, είναι το πρώτο στάδιο του δορυφορικού δέκτη και τοποθετείται κατευθείαν μετά τη χοανοκεραία, πάνω στο κάτοπτρο. Περιλαμβάνει τρία μέρη: μια διάταξη επιλογής της πόλωσης του λαμβανόμενου κύματος, έναν ενισχυτή κατασκευασμένο με ειδικά τρανζίστορ πολύ χαμηλού θορύβου, και έναν μετατροπέα συχνότητας, ο οποίος υποβιβάζει τη συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος από τα έντεκα γιγαχερτς που εκπέμπει ο δορυφόρος στο ένα γιγαχερτς. Ο υποβιβασμός είναι απαραίτητος για να μπορεί το σήμα να οδηγηθεί με ομοαξονικό καλώδιο στην εσωτερική μονάδα IDU, όπου γίνεται επιπλέον ενίσχυση και επιλογή του επιθυμητού προγράμματος. Ο χαμηλός θόρυβος είναι κρίσιμος γιατί το δορυφορικό σήμα είναι εξαιρετικά ασθενές, αφού οι δορυφόροι DBS εκπέμπουν με ισχύ που δεν ξεπερνά τα πενήντα βατ από απόσταση τριάντα έξι χιλιάδων χιλιομέτρων· γι' αυτό και ο πρώτος ενισχυτής τοποθετείται αμέσως μετά τη χοανοκεραία.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Προηγούμενο Στοιχείο

Επιστροφή στην Ενότητα

Επόμενο Στοιχείο