Antene si propagare

Acest site se adreseaza celor care doresc sa afle cateva aspecte generale legate de functionarea antenelor de receptie, particularizate din punct de vedere teoretic prin dipolul Hertz, precum si legaturile acestora cu liniile de transmisie, mai exact prin cablu coaxial (75W), impreuna cu problema adaptarii acestora.

1. Generalitati despre antene

Transmisia datelor la distante mari a devenit indispensabila pentru omenire. Un mijloc eficient si economic este transmisia prin intermediul cāmpului electromagnetic. Acesta se propaga la distante mari prin aer (sau alte medii) cu pierderi suficient de mici pentru a nu atenua prea mult semnalul īntr-o anumita zona (de emisie). In acest scop se folosesc undele radio.
Frecventele folosite difera īn functie de distanta la care se doreste propagarea, cantitatea de informatie necesara, de calitatea (interferente, zgomot, paraziti) acesteia si de alti parametri specifici domeniului de utilizare. De exemplu, īn telefonia celulara, standardul GSM foloseste frecventele 900 MHz sau 1800 MHz. Astfel se poate transmite o cantitate mare de informatie, cu perturbatii mici, dar aria de acoperire a unui emitator este relativ mica (īn general de ordinul a zecilor de km). Pentru comparatie, semnalul emis de un emitator radio īn domeniul undelor lungi (sute de KHz) este puternic afectat de paraziti, dar se poate propaga la mii de km distanta.

2. Notiuni introductive

Antena reprezinta interfata dintre instalatia de emisie sau receptie si campul electromagnetic. Antena de emisie, impreuna cu linia de alimentare asigura ca de la emitator energia electromagnetica alternativa sa fie radiata in spatiu in modul dorit. Antena de receptie asigura extragerea optima a energiei din campul electromagnetic si canalizarea ei, printr-o linie de alimentare spre receptor. Nici o instalatie de comunicatii nu se poate dispensa de antene de emisie si receptie.
Pentru transmiterea informatiei prin intermediul undelor electromagnetice, acestea se moduleaza. Aceasta īnseamna suprapunerea peste semnalul purtator (unda electromagnetica) a īnca unui semnal ce contine informatia. Deoarece sunt unde sinusoidale, īn general se folosesc trei tipuri de modulari: - modularea īn amplitudine = MA (/AM īn engleza) - se modifica amplitudinea semnalului; - modularea īn frecventa = MF (/FM īn engleza) - se modifica frecventa semnalului; - modularea īn faza = MP (/PM īn engleza) - se modifica faza semnalului;
In practica se intalnesc numeroase tipuri de antene, incepand cu unele rudimentare si terminand cu structuri complexe, formate din mii de elemente dispuse convenabil sau din mari structuri reflactante, cum este reflectorul de 300m diametru de la Arecibo, Porto Rico. In cele ce urmeaza vor fi prezentate unele tipuri de antene uzuale.

3. Tipuri de antene

Primele tipuri de antene studiate au fost: dipolul, antena verticala si cadrul.

Antene filare

In cazul antenelor pentru receptoarele obisnuite de radio si televiziune, antena se reduce deseori la o bucata de conductor legata la aparat. Se constata insa cu usurinta ca, in cazul televizoarelor, receptia se imbunatateste considerabil daca se recurge la antene mai complicate. Desigur ca va este familiar desenul din figura de mai jos:

   Antena de receptie de televiziune cu noua elemente

Trecand la antenele de emisie se constata o varietate foarte mare de tipuri utilizate. In cazul undelor lungi sunt uzuale antene formate dintr-un fir vertical, care se termina printr-o mare capacitate terminala (vezi figura 1). Daca ne intereseaza undele medii vom folosi piloni radianti. In domeniul undelor scurte, se utilizeaza antene directive, care concentreaza energia spre anumite directii. Aceasta concentrare a energiei se realizeaza cu structuri proiectate in mod special.
Antene speciale
Cateva din acestea ar fi: Antena Beverage, antena V si antena rombica, caracterizate prin aceea ca impedanta la intrare ramane practic constanta intr-o banda mai mare de frecvente. In domeniul microundelor se utilizeaza foarte multe reflectoare parabolice, antene-fanta si chiar antene dielectrice. Antene parabolice
Antenele parabolice au fost utilizate chiar de Hertz, pentru a concentra energia electromagnetica. Stadiul tehnologiei din acel moment nu a permis insa utilizarea mai departe a undelor decimetrice produse de Hertz.
In ceea ce priveste antenele-fanta, constructiv se prezinta deosebit de simplu, fiind niste crestaturi practicate in peretii unor ghiduri de unde. Dispunand de mai multe fante de-a lungul unui ghid de unda se realizeaza un sistem care are proprietati directive foarte bune. De altfel trebuie retinut faptul ca in domeniul microundelor se pot realiza concentrari mari de energie, cu ajutorul unor sisteme de antene bine proiectate si reglate. Aceasta prezinta un interes deosebit, deoarece prin concentrarea energiei se pot stabili legaturi care sa consume puteri foarte mici.
Antenele dielectrice constructiv sunt cu totul deosebite de celelalte tipuri de antene intalnite pana in prezent.
Alaturi de aceste tipuri mai mentionam antenele elicoidale (antena de la majoritatea aparatelor GSM) si antenele de suprafata.
Antena elicoidala Antena de suprafata
             Antena elicoidala                     Antena de suprafata

 

3.1. Antene elicodale

Un tip de antena filara, avand proprietati independente de frecventa intr-o banda larga este antena elicoidala. La acest tip de antena, radiatia se produce de-a lungul axei antenei.
Din punct de vedere constructiv, antenele elicoidale se pot prezenta sub diferite forme: cilindrice, conice, etc. Se utilizeaza de asemenea sisteme de mai multe antene elicoidale.
De la inceput trebuie sa se faca cateva precizari asupra modului in care este distribuit curentul in aceste antene. Se poate considera ca o antena elicoidala este echivalenta cu o succesiune de spire. Deci, s-ar putea aplica principiul suprapunerii, reducand antena la un sistem radiant, format din mai multe cadre coaxiale si calculand campul total prin adunarea campurilor produse de fiecare cadru in parte. In acest caz, este clar ca nu se poate obtine o radiatie in axa antenei, daca distributia de curent din cadrele elementare in care se descompune antena elicoidala este aceeasi ca si in cazul celorlalte. Intr-adevar, la cadre, campul este nul de-a lungul unei axe perpendiculare pe cadru si care trece prin centrul sau. Rezulta ca la antenele elicoidale distributia de curent trebuie sa fie diferita de cea existenta la cadre, pentru a se obtine o concentrare radiata in directia axei elicei.
In fapt, pentru a avea o radiatie axiala importanta, unghiul trebuie sa fie de aproximativ 14 grade.
La aceste antene se urmareste obtinerea unui timp maxim in directia axei antenei. Daca, spre exemplu, consideram o antena elicoidala cu a=14 grade, n=6, L=78 cm, se va observa ca intr-o gama larga (de la 290 pana la 500 MHz), antena lucreaza in conditii de radiatie axiala.

              Sistem de patru antene elicoidale

Adesea antenele elicoidale se utilizeaza in sisteme directive, formate din patru antene identice, dispuse in varfurile unui patrat. Sistemul este usor de realizat, nu ocupa spatiu mult si poate fi utilizat si pentru explorarea unei zone date, prin montarea sa pe un suport mobil.

 

3.2. Antene fanta

In domeniul frecventelor foarte inalte, un rol important revine problemelor privind antenele-fanta si sirurile formate din astfel de antene.
Pentru inceput sa ne reamintim unele probleme privind ghidurile de unda, considerate uniforme, cu dielectric fara pierderi si cu peretii perfect conductori. In aceste conditii, orice ghid se caracterizeaza printr-o frecventa critica sub care propagarea este onsotita de o atenuare a campului. La frecvente mai mari decat cea critica, propagarea are loc fara atenuare in conditiile specificate. In ghid apar moduri, fie TE (transversal electrice), la care componenta longitudinala Ez este nula, fie TM (transversal magnetice) la care Hz este 0. Fiecare mod este caracterizat printr-o pereche de numere naturale m si n. Un mod caracterizat prin perechea de numere intregi m,n este superior modului caracterizat prin perechea m1 , n1 daca are loc cel putin una dintre perechile de relatii: m > m1, n = n1; m = m1, n > n1.
Pentru ghidul de sectiune dreptunghiulara, frecventa critica fc este data de relatia: fc = k/2p(em)1/2 = (c/2)((n/a)2 + (m/b)2)1/2
unde c este viteza luminii in vid. In cazul n = 1, m = 0, fc = c/2a.
Practic se lucreaza la o frecventa mai mare decat fc si mai mica decat frecventa critica a modului imediat superior, pentru a evita ca si acesta sa se propage pe ghid.
Cunoscand campul in ghid, se pot calcula curentii in peretii ghidului, conform unor echivalari care asimileaza asimileaza discontinuitatile in componenta tangentiala a lui H cu o panza de curent.
Mentionam ca formulele date anterior pentru structura campului se refera la ghidul fara discontinuitati. Orice modificare locala a structurii ghidului face ca sa apara in ghid moduri superioare, care se propaga din punctul de neregularitate in ambele sensuri.

     Distributii de curenti superficiali
Distributii de curenti superficiali in peretii unui ghid de unde

In cazul analizat, situatia se prezinta ca in figura urmatoare a), pentru liniile de curent, respectiv b) pentru liniile de camp magnetic.
O fanta practicata in peretii ghidului duce la sectionarea curentilor de suprafata din peretii ghidului. Legea de continuitate duce atunci la aparitia unor curenti de linie in marginea fantei, care devine astfel echivalenta cu un cdru care radiaza. Deci se poate spune ca antenele fanta sunt excitatede curenti care circula pe fata interioara a peretelui ghidului de unda. Antenele-ghid de unda cu fante radiaza cu intensitate maxima, iar impedanta de intrare a fantei are numai parte activa daca lungimea fantei este chiar lungimea de rezonanta. Prin analogie cu lungimea de rezonanta a dipolului simetric, lungimea de rezonanta a fantei este 2l = l - 2Dl, unde l este lungimea de unda in aer si 2Dl marimea cu care trebuie micsorata lungimea fantei pentru ca partea reactiva a impedantei de intrare sa fie nula. Pentru ca impedanta fantei, raporatata la ventrul de tensiune, sa aiba numai parte activa, fanta trebuie situata in antinodul de curent, perpendiculara sau inclinata fata de liniile de curent. Deoarece liniile de curent sunt intersectate de catre fanta, pe marginile fantei apar aglomerari de sarcini si curenti de linie. Cu cat este mai mare numarul de linii de curent intersectate de fanta, cu atat este mai mare si densitatea de sarcini la marginea ei si intensitatea campului si puterea radiata de fanta.

 

3.3.Antene parabolice

Antenele parabolice se utilizeaza azi in mod curent in diferite domenii de frecventa, dar nu exista indoiala ca antena parabolica pentru undele electromagnetice de frecvente relativ joase a fost utilizata pentru prima data in anul 1888 de catre Heinrich Hertz pentru a pune in evidenta tocmai existenta undelor electromagnetice prezise teoretic de James Clerk Maxwell. Lucrarile au stagnat mult timp si se schimba radical in anii 1940 - 1945, cand necesitatile de a perfectiona radarul au condus la studierea intensiva a antenelor parabolice.

Antene parabolice

Indiferent de modul de realizare, toate antenele parabolice isi bazeaza functionarea pe acelasi principiu: la emisie o susa primara dispusa in focar produce, dupa reflexie, o unda plana (teoretic). La receptie, o unda plana este reflectata si concentrata in focar.
De asemenea, treptat s-a trecut de la reflectoarele cu o singura suprafata la cele cu doua suprafete.
Prin definitie, randamentul unui reflector parabolic este raportul dintre castigul reflectorului in conditii reale si castigul aceluiasi reflector in conditiile iluminarii uniforme a aceleiasi arii. Rezulta ca randamentul antenei parabolice depinde atat de dimensiunile sale, cat si de caracteristica de directivitate a sursei dispusa in focar. caracteristica de radiatie
Caracteristica de radiatie a unui ghid circular cu diametrul 0.84l

Calculele arata ca randamentul teoretic maxim ce se poate atinge cu o astfel de antena este de circa 80%. In realitate, datorita unor factori cum ar fi imperfectiunile suprafetei, probleme legate de polarizare s.a., randamentul este foarte mic. In concluzie in randament de 65% trebuie considerat foarte bun.

 

3.4.Antene dielectrice

Un tip de antena dielectrica este cel reprezentat mai jos. Acesta consta dintr-o piesa dielectrica - 1 - montata intr-un segment de ghid circular - 2- in care se afla si structura excitanta - 3.

Antena dielectrica
In ghid se produce o unda de tip TH11. In dielectric, aceasta unda se transforma intr-o unda TEM11. Experimental se constata ca sectiunea transversala a piesei dielectrice, S, trebuie sa satisfaca o anumita relatie, pentru a avea o situatie optima:
         0.13l2 < (n2 - 1)S < 0.28l2,
unde n este indicele de refractie al materialului dielectric, iar l - lungimea de unda in vid.
Se stie de asemenea ca viteza de faza a undei H11 intr-un ghid de sectiune transversala depinde de raza a a ghidului. De asemenea, raportul dintre puterea Pi transportata de camp in interiorul ghidului si puterea Pa transportata de camp in exteriorul ghidului depinde de dimensiunile ghidului si de indicele de refractie al materialului din ghid.
Pentru ca o unda de tip H11 sa se propage in ghidul circular cu dielectric, este necesar ca diametrul d = 2a > 0.6l/n. In acelasi timp, diametrul trebuie sa fie suficient de mic spre a impiedica propagarea unor moduri nedorite, deci d < 1.22l/n.
Referitor la unda EM11, se stie ca ea se poate propaga in conditii foarte largi. Dar unda urmatoare, EM12, trebuie eliminata. Lungimea de unda critica a acestei unde este lcr = d(n2-1)1/2/3.83. Daca se ia lcr = l, rezulta limitele in care trebuie sa se incadreze diametrul ghidului: dmax = 0.6 l(n2-1)-1/2; dmin = 0.4 l(n2-1)-1/2. In planul care trece prin vibratorul de excitatie si prin axa antenei dielectrice (planul E) caracteristica de directivitate a antenei - considerata ca o linie indefinita - este:
f(q) = ((sinx)/x)(J1(ka sin q)/ka sin q)
unde x = (kL/2) (h/k - cosq), h fiind coeficientul de propagare al undei TEM11 in ghidul circular de diametru d si umplut cu dielectricul respectiv.
Se remarca faptul ca in caracteristica de directivitate a antenei dielectrice, apare un produs de doi termeni, din care primul corespunde unei antene cu unde progresive. Cel de al doilea factor corespunde caracteristicii de directivitate obtinuta din propagarea in ghid a undei TEM11.
Randamentul antenei dielectrice se exprima prin relatia: G = 4AL/l, unde coeficientul A depinde de marimea L/l (c/v-1), L fiind lungimea antenei, iar v - viteza de faza. Dimensionarea optima a antenei corespunde la A maxim, iar aceasta conduce la un castig maxim G = (7.2-8)L/l.