L 10 Antene Antene pe pentr u micr ounde
Obiective - clasificarea antenelor; - descrierea parametrilor descrierea parametrilor care caracterizează o antenă; - metode de măsurare a câştigului unei antene. 1 Noţiuni teoretice 1.1 D efi ni rea antenei antenei
Antena este un dispozitiv realizat din materiale conductoare, utilizat pentru a transforma curentul de radiofrecvenţă în undă electromagneticǎ şi de a o radia în spaţiul liber (antenǎ de emisie) sau pentru a recepţiona unda electromagnetică din spaţiul liber şi de a o transforma în curent de radiofrecvenţă radiofrecvenţă (antenǎ de recepţie). Antena poate fi definitǎ şi ca un echipament de cuplaj între circuitele de microunde şi spaţiul liber . Pentru studiul antenelor se utilizează o serie de antene de referinţă, care pot fi ideale sau reale. Antenele ideale sunt antene teoretice care se folosesc pentru definirea unor parametri ai antenelor sau ca etaloane pentru antenele reale. Radiatorul izotrop este o antenă punctiformǎ care nu poate fi realizată practic, dar se
poate utiliza ca etalon pentru evaluarea calitativă calitativă a antenelor reale. Radiaţia antenei izotrope are aceeaşi intensitate în toate direcţiile, iar raza sferei va fi la un moment dat egală cu distanţa dintre emiţător şi receptor. Dacă emiţătorul are puterea P t pe care o injectează injectează în antenă, densitatea de putere pe sfera de rază R este: R
P T 4 R
[W / m2 ]
2
(1)
7.1.2 7.1.2 Clasifi carea carea antenelor antenelor
Există Există mai multe criterii de clasificare a antenelor, cele mai importante dintre acestea fiind: după formă: formă: - antene filare: dipol (dipole), buclă (loop), elicoidală elicoidală (helix); - antene cu apertură: (aperture antennas): horn (horn), fantă ( slot slot ); ); - antene imprimate: ( printed printed antennas): patch, dipol imprimat ( printed dipol ), ), spirală ( spiral spiral ). ). după câştig: - antene cu câştig foarte mare (high gain antennas): reflector parabolic/hiperbolic (dish); - antene cu câştig mediu (medium gain antennas): horn (horn); - antene cu câştig mic (low gain antennas): dipole (dipol ), ), buclă (loop), fantă ( slot slot ), ), antenă în tehnologie microstrip ( patch patch). după foma caracteristicii de directivitate:
1
- antene omnidirecţionale: dipol, baston; - antene directive: antena parabolică, grid; - antene semidirecţionale: patch, panel, Yagi; - antene cu lob de radiaţie deformabil: arii (array). după banda de frecvenţă: - de bandă îngustă (slot, patch); - de bandă largă (logaritmică, elicoidală).
Parametrii antenelor
a. Caracteristica de radiaţie
Directivitatea antenei este o caracteristică care se referă la modul de distribuţie în spaţiu a intensităţii undelor electromagnetice radiate de antenă. Antena nu radiază uniform. Pentru distanţa r constantă faţă de antenă, densitatea de putere radiată variază cu direcţia ( , ) . Elevaţia - variaţia caracteristicii de radiaţie în plan vertical (900 ,900 )
Azimutul - variaţia caracteristicii de radiaţie în plan orizontal (0 0 ,3600 )
Dacă din punctul în care se află antena se construiesc vectori pentru toate direcţiile ( , ) din spaţiu, având modulul proporţional cu modulul densităţii de putere radiată în direcţia respectivă, extremităţile tuturor acestor vectori determină o suprafaţă în spaţiu denumită caracteristica de radiaţie a antenei.
2
Figura 1 Caracteristica de radiaţie în reprezentare 3D
Pentru reprezentare se utilizează densitatea de putere relativă, prin raportare la densitatea maximă radiată de antenă, adică se consideră acea tensiune a antenei Va în raport cu tensiunea maximă Vmax care apare în aşa numita direcţie privilegiată a antenei. Cea mai mare valoare este 1, ea fiind orientată în direcţia principală de recepţie sub unghi de 0 o. Puterea radiată (sau recepţionată) de către o antenă este funcţie de poziţia unghiulară şi distanţa radială de la antenă. La distanţe mari (în comparaţie cu lungimea de undă), densitatea de putere scade cu 1/R 2 în toate direcţiile. Variaţia densităţii de putere cu poziţia unghiulară este reprezentă de caracteristica de radiaţie. La distanţe considerabil mari (zonă de câmp îndepărtat sau regiunea undelor plane), diagramele sunt independente de distanţă. O direcţie în care densitatea de putere radiată de antenă este zero reprezintă un nul sau un zero. Regiunea caracteristicii cuprinsă între două nuluri succesive se numeşte lob. Valoarea maximă a densităţii de putere radiată în interiorul unui lob se numeşte nivel al lobului, iar direcţia ( , ) în care aceasta se realizează reprezintă direcţia (orientarea) lobului respectiv. Unghiul format de direcţiile ( , ) dintr-un lob, pentru care densitatea de putere radiată este jumătate (-3dB) din nivelul lobului reprezintă deschiderea unghiulară a lobului respectiv. Folosind reprezentarea în mărimi relative, o antenă are unul sau mai mulţi lobi de nivel 1 (lobi principali) şi alţi lobi de nivel mai mic decât 1 (lobi secundari, laterali sau auxiliari, lobul din spate). Reprezentarea se face în coordonate polare, poziţia unui punct din plan se precizeazǎ în funcţie de lungimea r şi unghiul . Reprezentarea în plan a caracteristicii de radiaţie spaţială nu permite vizualizarea simultană a tuturor regiunilor ei, de aceea se utilizează intersecţii ale acesteia cu diverse plane ce 3
conţin antena considerată punctiformă: planul vertical, planul orizontal, planul vectorului E, planul vectorului H. Pentru a obţine performanţe ridicate, cea mai mare parte a puterii este concentrată în lobul principal, în lobii secundari şi în cel din spate nivelul puterii trebuie să fie cât mai redus.
Figura 2 Caracteristica de radiaţie în plan orizontal
b. Unghiul de deschidere
Unghiul de deschidere sau unghiul de radiaţie se defineşte ca fiind unghiul solid ce restrânge direcţiile de eficienţă ale antenei. În interiorul acestui unghi solid format în cadrul lobului principal de radiaţie, este asigurată o putere mai mare de jumătate din puterea maximă radiată. Unghiul oferă informaţii cu privire la forma lobului principal şi asupra directivităţii antenei. Dacă unghiul de deschidere este mai mic de 450 , antena este directivă, focalizând energia pe o direcţie dorită, iar dacă este între 450 şi 900 antena este sectorială, radiaţia fiind una dispersivă. Unghiul de radiaţie HP se defineşte la -3 dB, iar unghiul dintre primele două nuluri consecutive (first null), FN , este delimitat de primele două minime ce încadrează lobul principal pe caracteristică. Cu excepţia lobului principal (main lobe), ceilalţi lobi sunt secundari (minor lobes). Primii doi lobi secundari suportă o atenuare de -10 dB faţă de nivelul maxim al puterii radiate, fenomen ce este apreciat de parametrul SLL (Side Lobes Level ), definit ca fiind egal cu atenuarea primilor doi lobi secundari faţă de nivelul maxim al puterii.
4
0dB -3dB
0 dB
SLL
Θ HP
-3 dB -10 dB
ΘFN
-40dB Unghiul
Θ
ΘHP Θ FN
a)
b)
Figura 3 Măsurarea unghiului de radiaţie (half beam) pe o caracteristică de radiaţie: a) polară 2D; b) carteziană 2D
c. Directivitatea
Directivitatea este capacitatea unei antene de a concentra puterea radiată pe anumite direcţii şi se defineşt în raport cu o antenă de referinţă (radiatorul izotrop). Directivitatea unei antene se apreciază prin raportul dintre densitataea de putere radiată într-un unghi solid şi densitatea de putere radiată în acelaşi unghi solid de un radiator izotrop care radiază aceeaşi putere totală. Unitatea de măsură pentru directivitate este dBi. d. Aria efectivă
O antenă ce lucrează ca receptoare şi se află în regiunea de radiaţie a antenei de emisie primeşte unde electromagnetice transversale. Puterea electrică pe care o transferă sarcinii depinde de parametrii undei recepţionate şi nu de proprietăţile antenei de emisie. Receptorul captează o mică parte din puterea radiată, parte care este proporţională cu densitatea de putere radiată şi depinde de aria pe care antena o interpune în calea undelor. 5
Aria efectivă a unei antene este dată de suprafaţa de eficienţă a unei antene de recepţie, find definită ca apertura maximă echivalentă a unei antene. AeR
P R
(2)
R
unde: P r - puterea electrică furnizată de antenă la bornele sale; R - densitatea de putere în vecinătatea antenei. Aria de eficienţă trebuie să fie corelată cu directivitatea antenei D: o antenă directivă are un câştig mare, deci va trebui să aibă şi o arie efectivă mai mare. Aria efectivă a unei antene Ae este corelată cu câştigul antenei astfel: G
4 2o
(3)
Ae
e. Câştigul antenei
Câştigul de putere al unei antene se defineşte ca produsul dintre directivitatea sa şi eficienţa de radiaţie în raport cu antena izotropǎ. G Drad
D
P T P RF
4
2
( rad Aem )
4 2
Ae
(4)
unde: G - câştigul antenei; P T - puterea radiată de antenă; P RF - puterea de radiofrecvenţă injectată în antenă. Egalitatea Ae rad Aem se interpretează prin faptul că aria efectivă maximă este aria fizică a aperturii antenei, iar aria efectivă va fi întotdeauna mai mică (deoarece rad 1 ). Câştigul antenei creşte prin mărirea suprafeţei ei de eficienţă (creşte dimensinea antenei) sau prin creşterea frecvenţei (scade lungimea de undă). f.
Banda de frecvenţă
Banda de frecvenţă defineşte în spaţiul frecvenţelor domeniul de eficienţă al antenei. VSWR-ul ideal pentru o antenă este 1, coeficientul de reflexie la intrare fiind | | 0 , adică toată puterea transmisă este radiată sau toată puterea recepţionată este oferită sarcinii. Nu se doreşte obţinerea unui VSWR 1 deoarece banda antenei este cu atât mai mare cu cât VSWRul este mai mare. Se produce astfel o dezadaptare intenţionată la intrare pentru lărgirea benzii de trecere, limita de dezadaptare fiind VSWR 2 . Peste această valoare dezadaptarea devine inacceptabilă, antena putând deprecia substanţial parametrii funcţionali ai echipamentului de transmisie. În Figura 4 este prezentată evoluţia în frecvenţă a pierderilor de reflexie: 6
(5)
RL 20lg | S11 | [dB]
Parametrul RL prezintă o scădere bruscă ce marchează frecvenţa la care antena se acordează (frecvenţa de acord). La frecvenţa f 0 antena se adaptează la sarcină şi pierderile sunt foarte mici. Banda antenei BW (bandwidth) este limitată de frecvenţa inferioară f L (low frequency) şi frecvenţa superioară f H (high frequency) la care 11% din puterea incidentă furnizată antenei este reflectată (bounce back ). fL
0
f H
f
BW -5
-10
VSWR=2 -9,54 dB
-15
-20 f 0
dB Pierderi de reflexie
Figura 4 Banda de frecvenţă delimitată de un VSWR=2
Antena horn
Antena horn este formatǎ dintr -un ghid de undǎ, care la unul din capete are una sau ambele dimensiuni mǎrite, sub forma unui horn. Antena horn a apărut din dorinţa de a se obţine un fascicul cu o deschidere mică şi un câştig mai mare decât un radiator cu ghid de undă deschis. Banda de frecvenţă în care poate lucra această antenă este foarte largă: de la 50 MHz până la 40 GHz. În Figura 5 sunt prezentate mai multe variante constructive ale acestor antene în funcţie de dimensiunile modificate. Alegerea formei geometrice a hornului se face pentru optimizarea unui parametru din cei trei parametri de bază: câştig, caracteristica de radiaţie, impedanţa de intrare.
7
a)
b) c) Figura 5 Antena horn: a) piramidalǎ; b) sectorialǎ; c) conicǎ
Câştigul antenei horn depinde de raportul dintre suprafaţa de deschidere a hornului şi lungimea de undǎ cu care se lucreazǎ. Modificarea câştigului se poate face prin redimensionarea antenei, dar în aplicaţiile practice valoarea este limitatǎ la maxim 20 dB. Antenele horn, indiferent de frecvenţa de lucru, se caracterizează printr -un VSWR mic. Se folosesc singure în aplicaţiile care nu necesitǎ câştig mare, sau în combinaţie cu un reflector parabolic pentru obţinerea de performanţe superioare. În acest caz antena horn constituie fiderul lanţului de transmisie, iar antena parabolicǎ mǎreşte directivitatea şi câştigul.
Figura 6 Antena horn cu reflector parabolic Antena parabolică
Antenele cu reflector parabolic sunt cele mai utilizate antene din domeniul microundelor, în special pentru legături satelitare punct-la-punct. Reflectorul parabolic permite obţinerea unui lob principal cu deschiderea mai mică de 150 şi a unor lobi secundari de nivel mic. Aceste proprietăţi asigură un câştig ridicat ansamblului antenă-reflector, (între 20 şi 40 dBi, dar şi până la 60 dBi în domeniul microundelor) şi o poziţionare precisă a unei ţinte în spaţiu. Antena este compusǎ din douǎ pǎrţi: o sursă de radiaţie (radiator) şi un reflector. Radiatorul sau excitatorul este o micǎ antenǎ horn, iar reflectorul este o suprafaţă metalicǎ obţinutǎ dintr -un paraboloid de rotaţie. Unda emisǎ de excitator, care este plasat în focarul suprafeţei parabolice, este reflectatǎ paralel cu axa de rotaţie. Deci, fronturile de undă sferice emise de sursa plasată în focar sunt transformate în fronturi de undă plane de către reflectorul parabolic. În Figura 7 sunt prezentate câteva tipuri constructive de antene cu reflector parabolic:
8
O
a) standard
b) offset
c) cassegrain
d) cassegrain offset
Figura 7 Tipuri constructive de antene cu reflector parabolic
Varianta cea mai des utilizatǎ este cea standard în care excitatorul este aşezat în focarul reflectorului, coaxial cu axa de rotaţie. Antena parabolicǎ offset are excitatorul înclinat sub un anumit unghi faţǎ de axa de rotaţie. Aceastǎ antenǎ are avantajul de a elimina zona de umbrǎ lǎsatǎ de excitator pe suprafaţa reflectorului. Câştigul acestei antene este ceva mai mare decât cel al antenei de tip standard, dar apare o depolarizare a undei reflectate, datoritǎ asimetriei, ceea ce micşoreazǎ separarea undelor recepţionate cu polarizare încrucişatǎ. Structura cassegrain are excitatorul amplasat în primul focar al unui subreflector cu suprafaţă hiperbolică, iar celălalt coincide cu focarul reflectorului parabolic principal. Această construcţie este mai complicată, dar are avantajul plasării ghidului de alimentare a excitatorului în spatele reflectorului, iar în cazul comunicaţiilor spaţiale are avantajul unei temperaturi de zgomot mai mici, datorate deschiderii excitatorului spre spaţiu astfel încât antena nu va recepţiona zgomotul termic al pământului.
9
