antene pentru microunde

5/26/2018 Antene Pentru Microunde

1/9

1

L10 Antene pentru microunde

Obiective- clasificarea antenelor;- descriereaparametrilor care caracterizeazo anten;- metode de msurare a ctigului unei antene.

1 Noiuni teoretice

1.1 Defi ni rea antenei

Antena este un dispozitiv realizat din materiale conductoare, utilizat pentru a transformacurentul de radiofrecven n und electromagnetic i de a o radia n spaiul liber (anten deemisie) sau pentru a recepiona unda electromagneticdin spaiul liber i de a o transforma n

curent de radiofrecven (anten de recepie).Antena poate fi definit i ca un echipament de cuplaj ntre circuitele de microunde ispaiul liber.

Pentru studiul antenelor se utilizeaz o serie de antene de referin, care pot fi ideale saureale. Antenele ideale sunt antene teoretice care se folosesc pentru definirea unor parametri aiantenelor sau ca etaloane pentru antenele reale.

Radiatorul izotrop este o anten punctiform care nu poate fi realizat practic, dar sepoate utiliza ca etalon pentru evaluarea calitativ a antenelor reale. Radiaia antenei izotrope areaceeai intensitate n toate direciile, iar raza sferei va fi la un moment dat egal cu distana dintreemitor i receptor. Dac emitorul are puterea tPpe care o injecteaz n anten, densitatea de

putere pe sfera de raz R este:2

2[ / ]

4

TR

PW m

R

(1)

7.1.2 Clasifi carea antenelor

Exist mai multe criterii de clasificare a antenelor, cele mai importante dintre acesteafiind:

dup form:- antene filare: dipol (dipole), bucl (loop), elicoidal (helix);- antene cu apertur: (aperture antennas): horn (horn), fant (slot);- antene imprimate: (printed antennas): patch, dipol imprimat (printed dipol),

spiral (spiral). dup ctig:

- antene cu ctig foarte mare (high gain antennas): reflectorparabolic/hiperbolic (dish);

- antene cu ctig mediu (medium gain antennas): horn (horn);- antene cu ctig mic (low gain antennas): dipole (dipol), bucl (loop), fant

(slot), anten n tehnologie microstrip (patch). dup foma caracteristicii de directivitate:


2/9

2

- antene omnidirecionale: dipol, baston;- antene directive: antena parabolic, grid;- antene semidirecionale: patch, panel, Yagi;- antene cu lob de radiaie deformabil: arii (array).

dup banda de frecven:- de band ngust (slot, patch);- de band larg (logaritmic, elicoidal).

Parametrii antenelor

a. Caracteristica de radiaieDirectivitatea antenei este o caracteristic care se refer la modul de distribuie n spaiu a

intensitii undelor electromagnetice radiate de anten.

Antena nu radiaz uniform. Pentru distana r constant fa de anten, densitatea deputere radiat variaz cu direcia ( , ) .

Elevaia - variaia caracteristicii de radiaie n plan vertical)90,90( 00

Azimutul - variaia caracteristicii de radiaie n plan orizontal)360,0( 00

Dac din punctul n care se afl antena se construiesc vectori pentru toate direciile ( , ) din spaiu, avnd modulul proporional cu modulul densitii de putere radiat n direciarespectiv, extremitile tuturor acestor vectori determin o suprafa n spaiu denumitcaracteristica de radiaiea antenei.


3/9

3

Figura 1 Caracteristica de radiaie n reprezentare 3D

Pentru reprezentare se utilizeaz densitatea de putere relativ, prin raportare la densitateamaxim radiat de anten, adic se consider acea tensiune a antenei Va n raport cu tensiuneamaxim Vmaxcare apare n aa numita direcie privilegiat a antenei. Cea mai mare valoare este1, ea fiind orientat n direcia principal de recepie sub unghi de 0 o.

Puterea radiat(sau recepionat) de ctre o anten este funcie depoziia unghiularidistana radialde la anten. La distane mari (n comparaie cu lungimea de und), densitatea

de putere scade cu 1/R2n toate direciile. Variaia densitii de putere cupoziia unghiular estereprezent de caracteristica de radiaie. La distane considerabil mari (zon de cmp ndeprtatsau regiunea undelor plane), diagramele sunt independente de distan.

O direcie n care densitatea de putere radiat de anten estezero reprezint un nulsau unzero. Regiunea caracteristicii cuprins ntre dou nuluri succesive se numete lob. Valoareamaxim a densitii de putere radiat n interiorul unui lob se numete nivel al lobului, iardirecia ( , ) n care aceasta se realizeaz reprezint direcia(orientarea) lobului respectiv.

Unghiul format de direciile ( , ) dintr-un lob, pentru care densitatea de putere radiateste jumtate (-3dB) din nivelul lobului reprezint deschiderea unghiular a lobului respectiv.Folosind reprezentarea n mrimi relative, o anten are unul sau mai muli lobi de nivel 1 (lobiprincipali) i ali lobi de nivel mai mic dect 1 (lobi secundari, laterali sau auxiliari, lobul dinspate).

Reprezentarea se face n coordonate polare, poziia unui punct din plan se precizeaz nfuncie de lungimea r i unghiul .

Reprezentarea n plan a caracteristicii de radiaie spaial nu permite vizualizareasimultan a tuturor regiunilor ei, de aceea se utilizeaz intersecii ale acesteia cu diverse plane ce


4/9

4

conin antena considerat punctiform: planul vertical, planul orizontal, planul vectorului E,planul vectorului H.

Pentru a obine performane ridicate, cea mai mare parte a puterii este concentrat nlobul principal, n lobii secundari i n cel din spate nivelul puterii trebuie s fie ct mai redus.

Figura 2 Caracteristica de radiaie n plan orizontal

b. Unghiul de deschidereUnghiul de deschidere sau unghiul de radiaie se definete ca fiind unghiul solid ce

restrnge direciile de eficien ale antenei. n interiorul acestui unghi solid format n cadrullobului principal de radiaie, este asigurat o putere mai mare de jumtate din puterea maximradiat. Unghiul ofer informaii cu privire la forma lobului principal i asupra directivitiiantenei.

Dac unghiul de deschidere este mai mic de 045 , antena este directiv, focaliznd energiape o direcie dorit, iar dac este ntre 045 i 090 antena este sectorial, radiaia fiind unadispersiv.

Unghiul de radiaie HP se definete la -3 dB, iar unghiul dintre primele dou nuluri

consecutive (first null), FN , este delimitat de primele dou minime ce ncadreaz lobul principalpe caracteristic.Cu excepia lobului principal (main lobe), ceilali lobi sunt secundari (minor lobes).

Primii doi lobi secundari suport o atenuare de -10 dBfa de nivelul maxim al puterii radiate,fenomen ce este apreciat de parametrul SLL (Side Lobes Level), definit ca fiind egal cu atenuareaprimilor doi lobi secundari fa de nivelul maxim al puterii.


5/9

5

FN

0 dB

HP

-3 dB

0dB

-10 dB

-3dB

-40dB

HP

FN

Unghiul

SLL

a) b)

Figura 3Msurarea unghiului de radiaie (half beam) pe o caracteristic de radiaie:

a)polar 2D; b)cartezian 2D

c. DirectivitateaDirectivitatea este capacitatea unei antene de a concentra puterea radiat pe anumite

direcii i se definet n raport cu o anten de referin (radiatorul izotrop).Directivitatea unei antene se apreciaz prin raportul dintre densitataea de putere radiat

ntr-un unghi solid i densitatea de putere radiat n acelai unghi solid de un radiator izotropcare radiaz aceeai putere total.

Unitatea de msur pentru directivitate este dBi.

d. Aria efectivO anten ce lucreaz ca receptoare i se afl n regiunea de radiaie a antenei de emisie

primete unde electromagnetice transversale. Puterea electric pe care o transfer sarciniidepinde de parametrii undei recepionate i nu de proprietile antenei de emisie.

Receptorul capteaz o mic parte din puterea radiat, parte care este proporional cudensitatea de putere radiat i depinde de aria pe care antena o interpune n calea undelor.


6/9

6

Aria efectiv a unei antene este dat de suprafaa de eficien a unei antene de recepie,find definit ca aperturamaxim echivalent a unei antene.

ReR

R

PA

(2)

unde: rP -puterea electric furnizat de anten la bornele sale;

R - densitatea de putere n vecintatea antenei.

Aria de eficien trebuie s fie corelat cu directivitatea antenei D: o anten directiv areun ctig mare, deci va trebui s aib i o arie efectiv mai mare.

Aria efectiv a unei anteneAeeste corelatcu ctigul antenei astfel:

AeGo

2

4

(3)

e. Ctigul anteneiCtigul de putere al unei antene se definete ca produsul dintre directivitatea sa i

eficiena de radiaien raport cu antena izotrop.

2 2

4 4( )Trad rad em e

RF

PG D D A A

P

(4)

unde: G - ctigul antenei;

TP -puterea radiat de anten;

RFP -puterea de radiofrecven injectat n anten.

Egalitatea e rad emA A se interpreteaz prin faptul c aria efectiv maxim este aria fizic

a aperturii antenei, iar aria efectiv va fi ntotdeauna mai mic (deoarece 1rad ). Ctigul

antenei crete prin mrirea suprafeei ei de eficien (crete dimensinea antenei) sau princreterea frecvenei (scade lungimea de und).

f. Banda de frecvenBanda de frecven defineten spaiul frecvenelor domeniul de eficien al antenei.

VSWR-ul ideal pentru o anten este 1, coeficientul de reflexie la intrare fiind | | 0 ,adic toat puterea transmis este radiat sau toat puterea recepionat este oferit sarcinii. Nuse dorete obinerea unui 1VSWR deoarece banda antenei este cu att mai mare cu ct VSWR-ul este mai mare. Se produce astfel o dezadaptare intenionat la intrare pentru lrgirea benzii detrecere, limita de dezadaptare fiind 2VSWR . Peste aceast valoare dezadaptarea devineinacceptabil, antena putnd deprecia substanial parametrii funcionali ai echipamentului detransmisie.

n Figura 4 este prezentat evoluia n frecven a pierderilor de reflexie:


7/9

7

1120lg | | [ ]RL S dB (5)

Parametrul RL prezint o scdere brusc ce marcheaz frecvena la care antena seacordeaz (frecvena de acord). La frecvena

0f antena se adapteaz la sarcin i pierderile sunt

foarte mici. Banda antenei BW (bandwidth) este limitat de frecvena inferioarL

f (low

frequency) i frecvena superioar Hf (high frequency) la care 11% din puterea incident

furnizat antenei este reflectat (bounce back).

f0

-5

-10

-15

-20

-9,54 VSWR=2

f fL H

f0

BW

dB

dB

Pierderi de reflexie

Figura 4 Banda de frecven delimitat de un VSWR=2

Antena horn

Antena horn este format dintr-un ghid de und, care la unul din capete are una sauambele dimensiuni mrite, sub forma unui horn. Antena horn a aprut din dorina de a se obineun fascicul cu o deschidere mic i un ctig mai mare dect un radiator cu ghid de und deschis.

Banda de frecven n care poate lucra aceast anten este foarte larg: de la 50 MHz pn la 40 GHz.

n Figura 5 sunt prezentate mai multe variante constructive ale acestor antene n funciede dimensiunile modificate. Alegerea formei geometrice a hornului se face pentru optimizareaunui parametru din cei trei parametri de baz: ctig, caracteristica de radiaie, impedana deintrare.


8/9

8

a) b) c)

Figura 5 Antena horn: a) piramidal; b) sectorial; c) conic

Ctigul antenei horn depinde de raportul dintre suprafaa de deschidere a hornului ilungimea de und cu care se lucreaz. Modificarea ctigului se poate face prin redimensionareaantenei, dar n aplicaiile practice valoarea este limitat la maxim 20dB.

Antenele horn, indiferent de frecvena de lucru, se caracterizeaz printr-un VSWR mic.Se folosesc singure n aplicaiile care nu necesit ctig mare, sau n combinaie cu un reflectorparabolic pentru obinerea de performane superioare. n acest caz antena horn constituie fiderullanului de transmisie, iar antena parabolic mrete directivitatea i ctigul.

Figura 6 Antena horn cu reflector parabolic

Antena parabolic

Antenele cu reflector parabolic sunt cele mai utilizate antene din domeniul microundelor,n special pentru legturi satelitare punct-la-punct. Reflectorul parabolic permite obinerea unuilob principal cu deschiderea mai mic de 015 i a unor lobi secundari de nivel mic. Acesteproprieti asigur un ctig ridicat ansamblului anten-reflector, (ntre 20 i 40 dBi, dar i pnla 60 dBi n domeniul microundelor) i o poziionare precis a unei inte n spaiu.

Antena este compus din dou pri: o surs de radiaie (radiator) i un reflector.Radiatorul sau excitatorul este o mic anten horn, iar reflectorul este o suprafa metalicobinut dintr-un paraboloid de rotaie. Unda emis de excitator, care este plasat n focarulsuprafeei parabolice, este reflectat paralel cu axa de rotaie. Deci, fronturile de und sferice

emise de sursa plasat n focar sunt transformate n fronturi de und plane de ctre reflectorulparabolic.n Figura 7 sunt prezentate cteva tipuri constructive de antene cu reflector parabolic:


9/9

9

O

a) standard b) offset

c) cassegrain d) cassegrain offset

Figura 7 Tipuri constructive de antene cu reflector parabolic

Varianta cea mai des utilizat este ceastandardn care excitatorul este aezat n focarulreflectorului, coaxial cu axa de rotaie. Antena parabolic offset are excitatorul nclinat sub unanumit unghi fa de axa de rotaie. Aceast anten are avantajul de a elimina zona de umbrlsat de excitator pe suprafaa reflectorului. Ctigul acestei antene este ceva mai mare dect celal antenei de tip standard, dar apare o depolarizare a undei reflectate, datorit asimetriei, ceea cemicoreaz separarea undelor recepionate cu polarizare ncruciat.

Structura cassegrain are excitatorul amplasat n primul focar al unui subreflector cusuprafa hiperbolic, iar cellalt coincide cu focarul reflectorului parabolic principal. Aceastconstrucie este mai complicat, dar are avantajul plasrii ghidului de alimentare a excitatoruluin spatele reflectorului, iar n cazul comunicaiilor spaiale are avantajul unei temperaturi dezgomot mai mici, datorate deschiderii excitatorului spre spaiu astfel nct antena nu varecepiona zgomotul termic al pmntului.

antene pentru microunde

Documents