TEMA: „STUDIUL ANTENELOR PENTRU COMUNICA ȚII PRIN SATELIT, CU APLICABILITATE MILITARĂ” CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC Prof. univ. dr. ing. BOGDAN OCTAVIAN… [617393]
1 din 71
2 din 71
LUCRARE DE LICENȚĂ
TEMA: „STUDIUL ANTENELOR PENTRU
COMUNICA ȚII PRIN SATELIT, CU APLICABILITATE
MILITARĂ”
CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC
Prof. univ.
dr. ing. BOGDAN OCTAVIAN -IOAN
AUTOR
Stud. sg.
ROMAN HOREA
-SIBIU, 20 16-
3 din 71
REFERAT DE APRECIERE
a lucrării de licență
1. Numele și prenumele absolvent: [anonimizat]:
_______________________________________________________________
_________________________________________________________
2. Domeniul de studii:
_________________________________________________________ ______
_________________________________________________________
3. Programul de studii universitare de licență:
_______________________________________________________________
_________________________________________________________
4. Tema lucrării de licență:
_______________________________________________________________
_________________________________________________________
_________________________________________________________________
_______________________________________________________________
5. Aprec ieri asupra conținutului teoretic al lucrării de licență (se marchează cu
X):
Criterii Nivel de îndeplinire a criteriului
minim mediu ridicat excelent
Identificarea stadiului actual al cercetării în
domeniu
Capacitatea de sinteză și construcția logică a
argum entației teoretice
Gradul de relevanță a conținutului teoretic în
raport cu tema lucrării
Capacitatea de operare cu concepte și teorii
specifice
Gradul de relevanță și actualitatea
bibliografiei
Citarea corectă a ideilor și a conceptel or
preluate din alți autori, evitarea plagiatului conform declarației pe propria
răspundere a autorului lucrării
4 din 71
6. Aprecieri asupra părții practic -aplicative a lucrării de licență (se marchează
cu X):
Criterii Nivel de îndeplinire a criteriului
minim mediu ridicat excelent
Caracterul logic al organizării demersului
practic -aplicativ
Formularea corectă a obiectivelor
Calitatea metodelor și instrumentelor de
lucru, corectitudinea utilizării acestora
Pertinența concluziilor și a p ropunerilor
formulate de autor, derivarea logică a
acestora din studiul realizat
Originalitatea abordării, contribuții personale
ale autorului
7. Aprecieri privind redactarea lucrării de licență:
Criterii Nivel de îndeplinire a criteriului
minim mediu ridicat excelent
Corectitudinea și claritatea exprimării,
utilizarea limbajului de specialitate
Calitatea grafică a lucrării
Respectarea exigențelor de redactare conform
Ghidului metodologic
8. Considerații finale:
_______________ __________________________________________________
_________________________________________________________________
______________________________________________________________
Apreciez lucrarea de licență cu nota _____________ și o recomand
pentru a fi susținută în prezența comisiei examenului de licență.
Data Conducător științific
5 din 71
CUPRINS
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 7
Capitolul 1: Antene utilizate în comunicațiile pr in satelit …………………………. 8
1.1Comunicații prin satelit. Evoluția sistemelor de radiocomunicații ……………. 8
1.2 Scopul comunicațiilor prin satelit ………………………….. ………………………….. . 8
1.3 Diferențe – comunicații satel itare vs comunicații terestre ……………………….. 8
1.4 Elemente constitutive și principiu de funcționare ………………………….. ……… 9
1.5 Aplicații și sisteme prin satelit ………………………….. ………………………….. …. 11
1.5.1 Rețelele VSAT ………………………….. ………………………….. …………………. 11
1.5.2 GEO – Orbita geostaționară a Pământului ………………………….. ………… 12
1.5.3 Global Positioning System ………………………….. ………………………….. …. 13
Capitolul 2: Tipuri de antene utilizate la comunicațiile prin satelit …………. 15
2.1 Noțiuni generale în problematica antenelor ………………………….. ……………. 15
2.2 Antene cu fir. Antena elicoidală ………………………….. ………………………….. . 16
2.3 Șiruri de antene ………………………….. ………………………….. ……………………… 16
2.4 Antene cu r eflector parabolic ………………………….. ………………………….. …… 17
2.4.1 Noțiuni generale ………………………….. ………………………….. ……………….. 17
2.4.2 Construcție ………………………….. ………………………….. ………………………. 18
2.4.3 Distribuția de curent ………………………….. ………………………….. ………….. 19
2.4.4 Funcția de directi vitate ………………………….. ………………………….. ………. 20
2.4.5 Caracteristica de radiație ………………………….. ………………………….. ……. 22
2.4.6 Câștigul ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 24
2.4.7 Iluminarea reflectorului de către sursa primară ………………………….. …. 25
2.5 Antena horn ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 27
2.5.1 Noțiuni generale ………………………….. ………………………….. ……………….. 27
2.5.2 Construcție ………………………….. ………………………….. ………………………. 27
2.5.3 Distribuția de curent ………………………….. ………………………….. ………….. 28
2.5.4 Caracteristica de radiaț ie ………………………….. ………………………….. ……. 30
2.5.5 Directivitate ………………………….. ………………………….. …………………….. 30
6 din 71
2.5.6 Câștigul ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 30
2.5.7 Impedanța de intrare ………………………….. ………………………….. …………. 31
2.5.8 Randamentul ………………………….. ………………………….. ……………………. 32
2.6 Comunicații militare prin satelit ………………………….. ………………………….. . 33
Capitolul 3: Studiul practic al principalelor tipuri de antene utilizate la
comunicațiile prin sateliți ………………………….. ………………………….. ……………… 35
3.1 Obiective, metode și instrumen te utilizate ………………………….. ……………… 35
3.2 Analiza antenei horn ………………………….. ………………………….. ………………. 36
3.2.1 Antena horn: izolată în spațiu vs influența Pământului …………………… 36
3.2.2 Impedan ța de intrare ………………………….. ………………………….. …………. 42
3.2.3 Analiza directivității ………………………….. ………………………….. ………….. 43
3.2.4 Variația câștigului în funcție de frecvență ………………………….. ………… 46
3.2.5 Analiza câștigului în funcție de unghiul φ ………………………….. ………… 47
3.2.6 Simulare vs Măsurare ………………………….. ………………………….. ……….. 48
3.2.7 Concluzii ………………………….. ………………………….. …………………………. 50
3.3 Analiza antenei parabolice ………………………….. ………………………….. ………. 51
3.3.1 Antena parabolică: izolată în spațiu vs influența Pământului …………… 52
3.3.2 Impedanța de intrare ………………………….. ………………………….. …………. 57
3.3.3 Analiza directivității ………………………….. ………………………….. ………….. 58
3.3.4 Variația câștigului în funcție de frecvență ………………………….. ………… 59
3.3.5 Concluzii ………………………….. ………………………….. …………………………. 61
3.4 Concluzii privind partea practică ………………………….. ………………………. 61
Concluzii finale ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 64
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 65
Anexe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 67
7 din 71
INTRODUCERE
Am optat pentru tema „Studiul antenelor pentru comunica ții prin satelit, cu
aplicabilitate militară ” deoarece am dorit să îmi îmbunătățesc cunoștințele în
acest domeniu. Consider că prin această lucrare voi dobândi abilită ți mai bune
pentru înțelegere a modul ui de funcționare a acestor echipamente .
Rolul antenelor în orice sistem de comunicație este unul foarte important.
Dacă pentru realizarea le găturii terestre sunt posibile ș i legăturile prin fir, în
cazul comunicațiilor satelitare nu este posibilă subs tituirea antenelor. În actualul
context global, având în vedere beneficiile pe care le oferă acest sistem și cererea
de astfel de legături, putem afirma ca sistemul de comunicații prin satelit a urmat
o treaptă de creștere exponențială. Importanța și preoc uparea pentru
echipamentele satelitare, printre care și antenele, este la nivel mondial. Astfel,
având în vedere aceste tendințe, consider că aprofundarea acestor echipamente
este benefică, cu atât mai mult în mediul militar.
Lucrarea este stucturată p e trei capitole. Primele două corespund părții
teoretice, iar al treilea corespunde părții practice. În primul capitol, „Antene
utilizate în comunicațiile prin satelit ”, sunt prezentate câteva date generale,
scopul acestui tip de comunicații, diferențe faț ă de comunicațiile terestre,
elemente constitutive, principiu de funcționare și câteva a plicații și sisteme prin
satelit . Al doilea capitol se numește „ Tipuri de antene utilizate la comunicațiile
prin satelit ” și prezintă patru tipuri de antene folosite la comunicați ile satelitare.
Șirurile de antene și antenele cu fir sunt prezentate succint, în timp ce antenele
parabolică ș i horn sunt prezent ate în amănunt, întrucat acestea vor fi studiate la
partea practică. Ultimul capitol, denumit “ Studiul practic al p rincipalelor tipuri
de antene utilizate la comunicațiile prin sateliți ” abordează comportamentul celor
două antene amintite anterior, res pectiv antena parabolică ș i antena horn.
Programele software folosite sunt MATLAB , utilizâ nd script -uri și SuperNEC 2.9
(cu precădere pentru reprezentare 3D ). Primele două capitole au o pondere
aproximativ egală cu cea a capitolului final, cel care conține partea practică.
În urma studierii acestor caracteristici, vom identifica trăsaturi specifice ale
celor două tipur i de antene, care se transformă în condiții de referință, absolut
necesare oricăror antene destinate acestui tip de comunicații. În plus, îmi propun
ca la finalul studiului, să trag câteva concluzii care să constituie un îndrumar în
alegerea tipului de ant enă potrivit.
8 din 71
1 Antene utilizate în comunicațiile prin satelit
1.1Comunicații prin satelit. Evoluția sistemelor de radiocomunicații
Primele idei privind sistemel e de radiocomunicații spațiale au fost avansate în
1945. Până în 1957, anul lansării pri mului satelit artificial al Pământului, aceste
idei au fost continuu îmbogățite, astfel încât, după anul 1957 progresele tehnico –
științifice s -au derulat în ritm susținut. Astăzi, sistemele de radiocomunicații care
cuprind sateliți artificiali ai Pământulu i au at ins performanțe foarte ridicate ș i s-
au creat sisteme naționale și internaționale capabile să transmită mesaje vari ate
destinatarilor dispuși aleator pe suprafața terestră.
1.2 Scopul comunicații lor prin satelit
Scopul urmărit de comunicațiile prin satelit este acela de a realiza rețele
integrate globale, care să permită oricu i, indiferent de poziția pe suprafața Terrei ,
să poată comunica simplu, rapid și ieftin, cu oricine altcineva, indiferent de
mediul în care aceștia se află: suprafața teres tră, apă, aer sau chiar mediul
cosmic. Există sute de mii de sateliți artificiali care se rotesc în jurul globului
terestru, fiind exploatați în cadrul unor activități diverse. Acești sateliți artificiali
se supun acelorași legi de rotație ca și Luna, sate litul natural al Pământului.
1.3 Diferențe – comunicații satelitare vs comunicații terestre
Din punct de vedere princip ial, între comunicațiile prin satelit și comunicațiile
terestre există câteva diferențe sensibile. Sistemul spațial este foarte suplu: odată
satelitul lansat, stațiile de pe Pământ pot fi instalate oricând și într -o ordine
arbitrară. În plus, aria de acoperir e a unui sistem de comunicații terestru este
inferioar ă uneia dintr -un sistem satelitar . Pentru sateliții geostaționar i, ante nele
aferente acestora sunt vizibil e pentru 25% din suprafața Pământului. De
asemenea, condițiile de comunicare sunt mult mai puțin variabile în cadrul
comunicațiilor prin satelit, costurile trasmisiei sunt independente de distanță,
asigurându -se o rată de transfer mult mai bună , comparativ cu sistemele terestre.
9 din 71
În plus, mai trebuie amintit faptul că, în cadrul comunicațiilor prin satelit,
aplicațiile punct la punct, multicast și br oadcast sunt direct disponibile.1
Satelitul unui sistem de comunicații s pațiale funcționează într -un mediu cu totul
diferit față de acela în care se află stația de la sol. La altitudinea satelitului
geostaționar, mediul este aproape vid, presiunea fiind mai mică decât 10-3 torr. În
aceste condiții , metalele sublimează. Gazele produse se pot condensa pe
suprafeț ele reci ale echipamentelor satelitului, constituind straturi conduct oare ce
scurtcircuitează izolatorii (zincul și cesiul se sublimează ușor). Este necesar ca
piesele să fie introdus e în incinte presurizate sau să se fol osească lubri fianți
speciali, puțini volatili .2
În vi d, cedarea căldurii prin convecț ie este eliminată, aceasta nu mai poate fi
avută în vedere la calculul temperaturii de regim a satelitului. Căldura de care
dispune satelitul este disipată de echipame ntele sale. Radiația solară, mai ales cea
din domeniul ultraviolet, produce fenomene de ionizare în material e, ce duc la
mărirea conductivității acestora, fapt neîntâlnit la comunicațiile terestre. Spațiul
interplanetar este străbătut și de fluxuri de part icule atomice: protoni, electroni,
sau diverse particule. De exemplu, Soarele produce în mod constant un flux de
protoni. Adăugată radiației cosmice galactice sau intergalactice, influențează
starea materialelor și mai ales a dispozitivelor semiconductoare .3 Pe de altă parte,
un avantaj major este acela că datorită faptului că traiectul ascendent și
descendent se găsesc aproape în totalitate în afa ra atmosferei terestre, legătura
spațială este puțin influențată de fenomenele meteorologice care perturb ă
puternic sistemele de radiocomunicații terestre.
1.4 Elemente constitutive ș i princi piu de func ționare
Sistemele de comu nicații prin sateliți (CS) , sunt sisteme de radiocomunicații
dirijate, lucrând în domeniile începand cu 300 MHz și continuă p ână la 30 0GHz ,
alcatuite dintr-un număr de stații finale și doar o stație intermediară , ce se află în
componența satelit ului. Stațiile finale sunt dispuse pe suprafața Terrei și sunt
numite stații de sol . Acestea reprezintă segmentul de sol. S atelitul este parte
1 Aspecte generale privind sistemele de comunicație prin radiorelee și sateliți:
http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/vlcehan/discipline%20predate/rrcs/RRCS_cap%201.p
df
2 E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist vol 3 , Editura Tehnica, Bucuresti, 1989, p
273
3 Volakis, J. L., Antenna Engineering Handbook, Fourth Edition , New York, McGraw Hill
Book Company, 2007, p 143
10 din 71
component a segmentul ui spațial. În contextul comunicațiilor spațiale, intervalul
dintre o sta ție de sol și satelit poartă denumirea de traiect. Dacă transmisia are
loc de la sol la satelit, traiectul este unul ascendent, iar dacă transmisia are loc de
la satelit la sol, traiectul este unul descendent . În figura 1.1 sunt prezentate
benzile de frecvență pentru comunicaț iile prin s atelit, precum și c âteva aplicaț ii
generale.
Figura 1.1 Benzile de frecvență pentru comunicațiile prin satelit4
Benzile de frecvenț ă pentru comunicațiile prin satelit
Banda Gama de frecvență Lățimea de bandă Aplicații generale
L 1-2 GHz 1 GHz Serviciul de sateliti mobili(MSS)
S 2-4 GHz 2 GHz MSS,NASA, cercetarea spatiului
C 4-8 GHz 4 GHz Serviciul de sateliti ficsi(FSS)
X 8-12.5 GHZ 4.5 GHz FSS militar,sateliti meteorologici
Ku 12.5 -18 GHz 5.5 GHz FSS, serviciul de broadcast
K 18-26.5 GHz 8.5 GHz Serviciul satelitar broadcast(BSS)
Ka 26.5 -40 GHz 13.5 GHz BSS, FSS
Figura 1.1 Benzile de frecvență pentru comunicațiile prin s atelit
Segmentul de sol din cadrul comunicațiilor satelitare îndeplinește patru
funcții : recepționarea , prelucrarea semn alelor utile și suprapunerea acestora pe
un semnal de radiofrecvență purtător. A doua este emisia semnalului de
radiofrecvență sub formă de unde electomagnetice. Urmează recepția undelor
electomagnetice de radiofrecvență, iar ultimul pas este extragerea semnalelor
utile din semnalul de radiofrecvență și furnizarea acestora utilizatorilor .
Satelitul conține un subsistem de radiocom unicații. Acesta îndeplinește
funcțiile unei stații int ermediare, care asigură : recepția semnalelor de
radiofrecv ență de la stațiile din segmentu l de sol, translarea pe o altă frecvență
purtătoare și retransmisia semnalului de radiofrecvență spre mai alte stații de la
sol. Subsistem ul de radiocomunicații din satelit utilizează antene care
recepționează unde electroma gnetice purtătoare, cu frecvența în bandă l argă, a
căror valoare se situează în jurul unei frecvențe medii. Aceste antene emit unde
electromagn etice cu frecvenț e purtătoare într -o bandă diferită , de asemena în
jurul unei frecvențe medii, a cărei valoare este tot timpul inferioară frecvenței de
recepție. Fiecărei frecvențe purtătoare îi corespunde o unitate de recepție și
emisie . Ea poartă denumi rea de transponder. Acesta este format dintr -un filtru
de bandă de intrar e, pentru separarea purtătoarei: amplificatorul cu zgomot
4http://www.esa.int/Our_Activities/Telecommunications_Integrated_Applications/Satellite_fre
quen cy_bands
11 din 71
redus, sch imbă torul de frecvență cu oscil ator local și filtru de bandă, un lanț de
amplificatoare de radiofrecvență și un am plificator de putere final. În cadrul unui
satelit se poate găsi un număr maxim de 24 de transpon dere.
1.5 Aplicații și sisteme prin satelit
Necesitatea legăturilor satelitare crește pe zi ce trece . Companiile utilizează
legaturi prin mediul s pațial p entru a oferi utilizatorilor săi trafic IP .
Interconectarea uniformă cu rețele le terestre este crucială pentru succesul
serviciilor HSIS (High Speed Internet Services). Sistemele HSIS sunt compuse
dintr -un segment spați al, unul sau mai mulți sateliți și dintr-un segment terestru
compus dintr -un centru de control al rețelei, stații gateway și terminale
individuale de conectare la satelit. Sistemul HSIS ar oferi un serviciu IP general
care trebuie să evolueze odată cu Internetul, de exemplu: conectivitate pun ct-la-
punct, acces Internet, distribuția conținutului și streaming multimedia în timp
real.
1.5.1 Reț elele VSAT
Rețelele VSAT (Very Small Aperture T erminals Network) au ca destinație
transportul de date și voce. Avantajul acestora este prețul relativ scăzut și faptul
că pot acoperi mari suprafețe geografice . Un neajuns al rețelelor terestre este
suplinit de aceste rețele VSAT ș i aume faptul că oferă posibilitatea stabilirii
conexiunilor de tip pu nct-multipunct, precum și o gamă largă de rate de transf er,
cuprinse între 9,6 Kbps ș i 1,544 Mbps, mai mult decât suficientă pen tru cerinț ele
pentru care este întrebuințată.5
Hub-ul este o stație de sol a cărei rol este în coordonarea rețelei . Arhitectura
este tip stea . Beneficiile acesteia sunt concretiz ate printr -o bună flexibilitate,
conexiuni atât single -hop cât și double -hop. Ceea ce oferă carac terul de
single/double hop este numărul de terminale VSAT care sunt capabile să
transfere date în cadrul hub -ului, unu pentru single -hop, respectiv două pentru
double -hop. În modul double -hop, un terminal VSAT accesează alt terminal prin
intermediul hub -ului. H ub-ul îndeplinște funcțiile unui procesor, după cum
urmează: execută decodarea, demultiplexarea, regenerarea, multiplexarea,
codarea, emiterea tuturor d atelor care se regăsesc în cadrul rețelei.6
Există posibilitatea unor c onexiuni directe între t erminale VSAT. Factorul de
care depinde această legatură directă îl reprezintă puterea satelit ului. Acesta
5 ibidem
6 ibidem
12 din 71
trebuie sa fie capabil să recep ționeze semnal ul, p recum să îl și retransmită .
Avantajul de care dispune sistemul este economia acestuia. Stațiile VSAT au
antene ale căror diametre sunt sub 2,5m, deci reduse și putere de emisie de
asemenea mică . Totuși, conexiunile dire cte între stații sunt foarte greu
realizabile, astfel intervine rolul hub -ului, care este dotat cu o antenă mare,
capabilă să recepționeze sem nalele de putere redusă transmise de o antenă VSAT
și retransmise de satelit. Hub-ul amplifică puterea semnalului de date și îl
transmite mai departe antenelor cu diametru redus din cadrul terminalelor VSAT.
Mai mult, spre deosebire de un repetor clasic, care se regăsește în componența
sateliților, hub -ul asigură rularea traficului si comutarea în rețea.7
Limitările rețelelor VSAT care operea ză în gama 4 -6 GHz fac referire la
interfere nța cu sateliții din apropiere precum și cu rețele le terestre din gama
microundelor. Soluția a venit sub forma tehnicilor de t ransmisie în spectru
împrăștiat, chiar dacă se reduce capacitatea de transmisie a sate litului. O altă
variantă este lucrul în benzile 12GHz -14GHz. Aici sunt interfere nțe mai scăzute,
dar ne lovim de problema fenomenelor atmosferice , cu precădere ploaia fiind
principalul factor perturbator.8
1.5.2 GEO –Orbita geostaționară a Pământului
Orbita geostaționară este orbita unui satelit sincron , care se rotește pe o orbită
circulară în sensul de rotație al Pământului . Mișcarea are loc în planul ecuatorial
al acestuia , iar altitudinea este de 35800 km. Perioada de revoluție a unui satelit
geostaționar este de 24 ore , iar viteza sa este de 3,7km/s.
Datorită reglementărilor care se impun în acest domeniu, se impun cerinte
minime de construcție. S ateliții aflați pe orbite geostaț ionare trebuie s ă aibă
dimensiuni ridicate, pentru a fi capabi li să recepționeze puteri le scăzute și să
emită cu puteri suficient de mari .
Din punct de vedere al neajunsurilor, trebuie menționate trei aspecte: se
produc întârzieri ale semnalului, cauzate de distanța dintre sol și satelit. Aceste
întârzieri ajung până la 270 ms și pot constitui un inconvenient în cadrul
transmisiilor în timp real. A doua limitare ar fi că sistemul nu prezintă comutație
între sat eliți, iar ultima este faptul că nu oferă acoperire în zonele polare, la o
latitudine ce depășește 80 .9
1.5.3 Global Positioning System
7 http://www.bitnet.info/proiecte/hotsat/web_retele_wireless_heterogene_terestre_spatiale.pdf
8 J. J. Carr, Antenna Toolkit 2nd Edition , Oxford, Newnes, 2001, p. 47
9 http://ftp.utcluj.ro/pub/users/dadarlat/master -anVII/curs5 -com-satelit.pdf
13 din 71
NAVSTAR GPS, sau dup ă cum îl cunoaștem cu toții, GPS, a luat ființă în
anul 1973 , ca urmare a cerinței Departamentul ui pentru A părare al SUA .
Necesitatea imediată a fost crea rea unui sistem de poziționare bazat pe sat eliți,
care să furnizeze poziția și viteza unui obiec t oarecare ce se află în repaus sau în
mișcare .
Materializarea necesitatii s -a concretizat sub forma sistemului numit
NAVigation System with Timing And Rang ing – Global Positioning System.
Așadar , GP S este un sistem de poziționare globală pentru asistarea navigației
bazate pe măsurările de timp și de distanțe relative a le sateliților.10
Sistemul GPS are în componeță trei segmente, după cum urmează: segmentul
spațial care cuprinde sateliții sistem ului ș i semnalul transmis de sateliți.
Următorul este segmentul de control, care include stațiile de control ș i stațiile
master ; nu î n ultimul rand , segmentul utilizator, prin aparatura utilizată.
Segmentele spațial și de control se află în aria de respons abilitate a
Departamentului de Apărare a SUA.11
În ceea ce privește modul de funcționare, datele transmise de sateliții
NAVSTAR -GPS sunt semnale de timp sincronizate pe două frecvențe
purtătoare, parametri de poziție ai sateliților și informații adițion ale, de exemplu
starea sateliților. Un punct așezat pe suprafața Pamântului, indiferent de poziția
acestuia, are vizibilitate simultană spre minim patru sateliți. Există o perioadă de
vizibilitate de cinci ore a satelitului, atunci când acesta trece prin z enitul
obiectului vizat .
Procesul de transmitere a datelor are loc în felul următor: de la stați ile de
urmărire , a c ăror poziții au fost determinate, datele ajung la stația master. În
cadrul acesteia, orbitele sateliților sunt precalculate împreună cu c orecțiile de
ceas ale sateliților. Următoarea etapă este transmiterea acestor date sateliților
corespunzători , un pas foarte important în constituirea mesajului satelitului .12
Segmentul utilizator este alcătuit din diverse receptoar e și echipament
periferic. Acestea au rol în desfășurarea operațiilor de teren și prelucrarea
datelor. Receptoare le sunt cele mai importante parți ale segmentului utilizator și
sunt alcătuite din : rece ptorul GPS propriu -zis, antena, cablu l conector,
apărători le împotriva semn alelor reflectate, cabluri, baterie (internă și/sau
externă) și bastoane de măsurare a înălțimii antenei.
Punctul de referință este centrul de fază al antenei, care nu este în mod
obligatoriu centrul geometric al antenei. În acest centru de referință s e
recepționează semnalele de la sa teliții vizibili. Factorii care determină p oziția
10 http://www.ct.upt.ro/users/AlinaBala/Tehnologii_Geodezice_Spatiale.pdf
11 ibidem
12 ibidem
14 din 71
centrului de fază sunt modul de c onstrucție al antenei și variația unghiului de
incidență a semnalului de la satelit. Drumul parcurs de semnal trece prima da tă
pe la ampli ficatorul de semnal și mai apoi la unitatea de înaltă frecvență, care are
rol de unitate efectivă de recepție. La majoritatea receptoarelor, are loc dirijarea
semnalelor spre un canal unic. Tot în cadrul acestei structuri are loc identifi carea
și prelucrar ea semnalului .
Utilizatorul execută schimb de date cu receptorul prin unitate a de control, care
este constituită dintr -un monitor și o tastatură . Toate măsurătorile și mesajele de
navigație sunt salvate în memoria receptorului. Motivul care stă în spatele
prelucrării semnalului este determina rea timpul ui de propagare a semnalului ,
decodificarea semnalul ui de navigație ș i reconstrucția undei purtătoare a
semnalului. R ecepto arele capabile să înregistreze numai codurile și me sajele de
navigație, s e numesc receptoare de navigație .13
Având o gamă de aplicabilitate tot mai mare , sistemul GPS a căpătat
import anță globală . Atuurile care îi conferă capabilități greu de realizat de alte
sisteme de navigație sunt: capacitatea de a identifica cu exactit ate poziția pe
suprafața Terrei, indiferent de factorul timp , prețurile reduse ale receptoarelor
portabile.
Pentru a concluziona, si stemul GPS are un rol foarte important . Beneficiile ș i
implicațiile acestui sistem sunt deosebite. Dispune de p osibilit atea de diferențiere
a utilizatorilor și protecția informațiilor vehiculate , deci este un sistem fiabil și
securizat . Mai mult, au crescut performanțele și domeniul de aplicabilitate
datorită creării unui sistem auxiliar computerizat. În viitor, radionavig ația
terest ră, aeriană ș i navală vor beneficia de inovații tehnologice în ceea ce
privește sistemul de cartografiere numerică .14
13 ibidem
14 ibidem
15 din 71
2 Tipuri de antene utilizate la comunicațiile prin sateliți
2.1 Noțiuni generale în problematica antenelor
Antenele reprezintă un conductor sau un grup de conductori, folosiți fie pentru
radierea energiei electromagnetice în spațiu, fie pentru c aptarea ei. Acestea sunt
părți esențiale a le oricărui sistem de comunicați i wireless. Ele sunt dispoz itive ce
permit transferu l unui semnal (dintr -un sistem cu fir) , la o undă , care se propagă
prin spațiu și care va fi recepționată de antena de recepție. Mecanismul de
funcț ionare al an tenei se regă sește în figura 2.1. Antena de emisie are rolul de a
converti energia curenților d e înaltă frecvență în energie a undelor
electromagnetice și de a asigura transmiterea acestora în direcții bine
determinate, pe când anten a de recepție are rolul invers, de a transforma energia
undelor radio în energia curenților de înaltă frecve nță, concomi tent cu selectarea
semnalului util.
Figura 2.1 Mecanismul de radiaț ie al antenei15
15 http://www.ve3sqb.com/
16 din 71
În cadrul comunicațiilor prin satelit, se folosesc cu precădere patru tipuri de
antene. Pe scurt, o să prezint câteva date despre primele două tipuri, apoi o să
tratez pe larg antenele horn și parabolică, întrucât ele fac obiectul studiului meu.
2.2 Antene cu fir. Antena elicoidală
Primul tip este reprezentat de antenele cu fir, cum ar fi dipolul sau antena
elicoidală . Să luam drept exemplu antena elicoidală .16Acea sta radiază un câmp
polarizat circular î n directia axei sale. E ste aplicată extensiv în gama undelor
centimetr ice si decimetrice. Antena este realizată dintr -un fir cu o lungime totală
de cateva lungimi de undă dipus sub formă de elice , avâ nd diametru l apropiat de
. Un capăt este lă sat liber, iar celă lalt este conectat la conductorul central a l
unei linii coaxiale. Pentru a întelege modul de funcț ionare al a cestui tip de
antenă , trebuie să ne-o imagină m ca fiind alcatuită dintr -un numă r de bucle
circula re plane cu diametrul D
, plasate la distanț e S î n lungul axei antenei.
Dacă diametrul ante nei elicoidale este foarte mic în comparație cu lungimea de
undă (D ), distribuț ia de cure nt are caracterul unei unde staț ionare,
rezistența de radiați e a fiecarei b ucle compone nte fiind foarte mică. În cazul î n
care di ametrul elicei este mare, curenț ii din puncte diametral opuse ale
înfașură rii a u un defazaj prea mare, datorită cupla jului mutual dintre ei ,
rezistența scăzâ nd și nu mai este posibilă o dist ribuție progresivă .
2.3 Ș iruri de antene
A doua categorie sunt antenele de tip array (șiruri de antene). Acestea sunt
constituite din mai multe elemente simetrice, care radiază pe ac eeași direcție.
Fenomen ul de radiație poate fi văzut ca o putere care părăsește zo na surselor ce o
produc, propaganda -se din aproape în aproape , în tot spațiul. Condițiile de
radiație arată că la distanțe foarte mari de sursă, vectorii ⃗ și ⃗⃗⃗⃗ au proprietăți
identice cu cele ale undelor plane. În majoritatea cazurilor se urmărește o
concentrare a puterii radiate, cerință ce se realizează prin intermediul unor
sisteme radiante: linie dreaptă , cerc, pătrat, dreptunghi sau tridimensional cu
baza formată din formele de mai sus. Șirurile liniare sunt formate din elemente
16 E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist, vol 1 , Editura Tehnica, Bucuresti -1987,p
441
17 din 71
radiante dispuse la distanțe d k față de origine și excitate de curenții I R. Câmpul
produs într -un punct din spațiu este : 17
( ) ∑
( ) ( ), (1.1)
unde R 0 este distanț a de la șir la punctul de observație al c âmpului.
Sistemele radiante circulare sunt constituite din elemente radiante dipuse pe
un cerc și sunt utilizate la emisie pentru obținerea unei caracteristici speciale, dar
și la receptive, pentru precizarea direcției undei incident e. La emisie se impune
obținerea unei caracteristici de radiație omnidirecțională într -un plan
perpendicular pe elementele radiante, plan tangent la suprafața Pământului.
2.4 Antene cu reflector parabolic
2.4.1 Noț iuni generale
Benzile care conferă ef iciență antenelor sunt în general benzi înguste. După ce
are loc recepționarea semnalului de către antenă , aceasta îl emite mai departe în
spațiul liber. Pentru antenele parabolice, o variație cu câteva grade poate cauza
diminuarea sau chia r dispariția sem nalului, întrucâ t unghiul de desch idere este
foarte redus, așadar poziționarea antenelor una față de cealaltă este foarte
importantă. De exemplu, pentru sateliții de mare putere, dacă diminuăm puterea
cu un sfert, linia de comunicație nu va fi afectată pr ea tare. Dar dacă satelitul
dispune de o putere mai scazută, această descreștere în putere poate cauza cu
ușurință dispariția semnalului. Scăderi le de care am menționat anterior pot fi
cauzate de exemplu , la antenele mobil e, dacă se eșuează poziționarea ex actă a
acestora pe satelit . În cazul antenelor cu diamentru l mare, nivelul relativ
înregistrează un progre s, ceea ce este de dorit, un nivel relativ ridicat fiind o
calitate a antenei. În plus, unghiul de deschidere se îngustează.18
Am inclus antenele p arabolice în studiul meu întrucât acestea reprezintă cele
mai des întâlnite antene în cadrul echipamentelor radar. Au anumite avantaje
care nu se întâlnesc la alte antene. În cadrul comunicațiilor prin satelit,
directivitatea crescută este crucială. Avân d în vedere aceasta , precum și că acest
tip de antenă conferă posibiliatea alinierii echipamentelor chiar și la un unghi de
1-2o, o atenuare mare a lobilor secundari, un câștig ridicat și caracteristici
superioare de radiație, antena parabolică satisface c erințele comunicațiilor
satelitare, astfel ocupând un loc important în studiul meu.
17ibidem, p 496
18 Antene si Feedhornuri
http://www.antena -satelit.ro/upload/fck/File/Antene%20si%20%20Feedhornuri -1.pdf
18 din 71
2.4.2 Construcț ie
Suprafața paraboloidală este locul geometric al punctelor egal depărtate de un
punct numit focar și un plan. Paraboloidul de rotație se obține prin ro tirea unei
parabole în jurul ax ei sale de simetrie (vezi figura 2.2). Dreapta ce unește vârful
parabolei cu focarul se numește axa focală. Marginile antenei rezultă din
intersecția cu un plan, a suprafeței paraboidale. Planul este de obicei
perpe ndicular p e axa focală. Suprafața circulară rezemată pe marginile antenei
este apertura .19
Figura 2.2 Construcț ia antenei parabolice
Aria suprafeței efective a antenei cu reflector parabolic se poate calcula cu
relația:20
Aef = Sg – Su unde, (1.2)
‟‟ este coeficientul de utilizare a suprafeței de deschidere a antenei, ‟Sg‟ este aria
acestei suprafețe iar ‟Su‟ este aria suprafeței de umbrire. Suprafața de umbrire
‟Su‟ este dată de elementele metalice care sunt în fața suprafeței de deschidere.
Această suprafață se obține prin proiectarea ortogonală pe suprafața de
deschidere a conturului elementelor metalice (sur să primară, linie de alimentare,
etc.) care sunt în fața reflectorului. Pentru antenele cu o bună construc ție,
valoarea lobilor secundari este mică .
19 E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist vol 3 , Editura Tehnica, Bucuresti -1989,p
276
20 ibidem, p 278
19 din 71
Din definiția matematică a suprafeței paraboidale se deduce că , plasând în
focar o sursă punctiformă de unde electromagnetice, undele ajung în toate
punctele aperturii cu aceași fază și aceași amplitudine. Explicația constă în faptul
că drumul parcurs are aceași lungime pentru toate direcții le de propagare de la
focar la reflector și la apertură . Rezultă că , unda sferică radiată din focar ajunge
ca undă plană în apertură și evident î n orice plan paralel cu ape rtura . Invers, dacă
în apertură există o undă plană (în sens de recepție), aceasta este transformată de
reflectorul parabolic în undă sferică, cu centrul în focar.21
Alimentarea antenelor cu reflector parabolic se poate face în două moduri:
”front fed” sau “Cassegra in fed”. În cazul alimentării tip “front fed”, sursa
primară (care poat e fi un dipol , o antenă Yagi -Uda sau chiar o antenă horn de
dimensiuni red use) se află în fața reflectorului, orientat spre focar. Limitările în
acest design sunt aduse de lungimea crescută a li niei care alimentează sursa
primară , întrucât echipamentele de emisie/recepție se poziționează de regulă în
spatel e sau sub reflectorul parabolic și astfel pot apărea pierderi care depășesc
standardele impuse. Al do ilea tip, antenele alimentate tip Cassegrain,
funcționează după un princip iu mai complex, oferind eficienț ă. Se bazează pe
principiul că undele incidente paralele pot fi focalizate într -un punct anume,
folosind doi reflector i. Primul dintre ei, reflectorul principal, trebuie să fie o
parabolă, în timp ce al doilea refl ector trebuie să fie o hiperbolă . Sursa este
așezată în lungul axei parabolei. Astfel, undele radiate de sursă ajung la
reflectorul secundar, apoi se reflectă spre reflectorul primar, unde are loc
conversia în u nde paralele. Așadar , echipamentele de emisie/recepție pot fi
poziționate fără nicio problemă în spatele reflectorului primar .22
În cazul paraboloidului de rotație , un parametru geometric important este raza
deschiderii (R). Alți parametri sunt: distanț a focală (f) și unghiul de deschidere al
reflectorului ( 0). Acesta din urmă este unghiul format de axa focală și dreapta
care unește focarul cu un punct de pe marginea reflectorului. Între cei trei
parametri enumerați există relația:23
R =
(1.3)
2.4.3 Distribuția de curent
Paraboloidul este locul geometric al punctelor din spaț iu egal depă rtate de un
plan fix și un punct fix neconț inut î n plan, denumit focar. Consider ând că
distanța focală a para boloidului este suficient de mare în raport cu lungimea de
undă radiată , suprafața reflectoare se află în regiunea de radiație a antenei
21 ibidem, p 276
22 C. A. Balanis, ANTENNA THEORY ANALYSIS AND DESIGN, 3rd edition, Inc 2005, p. 893
23 Bogdan, O. I., Antene și linii, Curs , Sibiu, Editura Academiei Trupelor de Uscat, 2000, p 73
20 din 71
primare din focar . Folosind sistemul de coordonate sferice cu centrul în focar,
condiția de undă plan ă a câmpului electromagnetic incident se scrie sub forma : 24
Hi=
Ry Ei, unde (1.4)
Ry este ecuatia paraboloidului î n sistem ul de coordonate sferice cu centrul î n
focar și Ei este modulul compone ntei electrice.
Considerând că re flexia se face fără pierderi dar cu inversarea fazei, modulele
vectorilor câmp electric și magnetic rămân nemodificate după re flexie, iar fazele
lor se mo difică cu π. Câmpul incident î n punctul P induce un curent Js , care la
rândul lui, creează câmpul reflectat. Expresia curentului Js este:25
JS=
[ ( ) – cos
] (1.5)
Această expresie a curentului J s evidențiază existența unei componente
parale le cu axa de simetrie Oz a paraboloidului, denum ită longitudinală, și a
component ei perpendiculare pe această axă , denumită transversală. Componenta
transversală are radiația principală pe direcția lobului principa l (axa O z) și
influențează în mod decisiv câștigul reflectorului, dar contribuie și la radiația
lobilor secundari ai acestei caracteristici.26
2.4.4 Funcț ia de directivitate
Funcți a de directivitate leagă intensitatea câmpului electric ( ) și coordonatele
sferice (r, ,). În sistemul de coordo nate carteziene, un punct M se reprezintă
sub forma M(x,y,z), iar în sistemul de coordonate sferice el se reprezintă astfel:
M(r,,). Reprezentarea se poate studia î n fig ura 2.3.27 Între coordonatele
carteziene și cele sferice ale lui M există următoarea l egătură: x= rsincos; y=
sin sin; z= rcos.
24 Bogdan, I., Miroiu, C., Sofron, E., Comunicații moderne, Antene (vol. 1) , București, Editura
Sel Soft Computer, 1995, p 152
25 ibidem
26 ibidem, pp.152 -156
27 http://www.ve3sqb.com/
21 din 71
Figura 2.3 Reprezentarea coordonatelor sferice ale unui punct M
-azimut, -zenit ; R -distanța de la originea sistemului de axe de coordonate
unde se află antena, până la punctul din zona de radiație ; f(,) -funcția d e
directivitate de amplitudine (FDA); (,) -funcția de directivitate de fază
(FDF); u( ) -vector unitate ce reprezintă funcția de directivitate de polarizare
(FDP) .28
Funcția de directivitate de amplitudine este funcția care repre zintă legătura
dintre amplitudinea câmpului electric al undelor radiate în zona de radiație și
coordonatele unghiulare ( ,). În cazul comunica țiilor prin satelit, prezintă
interes antenele care concentrează puterea radiată într -un unghi solid relativ mic.
În acest caz , funcția f( ,) are mai multe extreme, printre care și un maxim
maximorum. Direcția acestui maxim este determinată de unghiurile 0 și 0, iar
valoarea funcției f max=f(0,0). Unghiurile 0 și 0 determină așa numit ă direcție
de radiație max imă (DRM). Pe baza principiului reversibilității antenelor, această
direcție este și direcția de recepție maximă.29
Dacă se ține seama de legătura dintre densitatea fluxului de putere radiată și
intensitatea câmpului electric, coeficientul de directivi tate poate fi definit ca
28 F. T. Ulaby, Fundamentals of Applied Electromagnetics, Fifth Edition , New Jersey, Pearson
Prentice Hall, 2006, p. 421.
29 Bogdan, O. I., op. cit., p 129
22 din 71
raportul dintre pătratul intensității câmpului electric radiat de antena directivă pe
direcția de radiație maximă, la o distanță dată oarecare (r) și valoarea medie a
pătratului intensității câmpului electric radiat de antenă în to ate direcțiile, la
aceeași distanță:30
( ) (1.6)
Coeficientul de directivitate este extrem de important pentru aprecierea
directivității antenelor, pentru calculul altor parametri , dar și pentru calculele de
proiectare ale instalațiilor de comunicații radio.
2.4.5 Caracteristica de radiație
Expresia câmpului reflectat de paraboloid se poate obține pe baza distribuției
de curent pe suprafață sau a distribuției de câmp în apertu ră. Deși câmpul din
apertură rezultă din radiația distri buției de curent de pe suprafața parabolică,
expresiile obținute prin cele două metode nu sunt identice. Explicația constă în
faptul că expresia curentului conține două componente, transversală și
longitudinală , în timp ce câmpul are numai componenta transversală. Expresia
obținută pe baza curentului de suprafață este mai apropiată de caracteristica
măsurată a paraboloidului, mai ales în zona lobilor secundari și constituie limita
pentru λ tinzând cătr e zero, a expresiei obținute pe baza câmpului din apertură.31
Ideea principală este că se poate utiliza câmpul din apertură p entru a
determina caracteristica de radiație a re flectorului, dar pentru frecvenț e foarte
mari (cu lungimea de undă mult mai mic ă decât diametrul cercului mare al
parabolei) sau numai pentru regiune a din jurul lobului principal al caracteristicii,
pentru frecvenț e mai mici. Când este necesară o analiză precisă a structurii de
lobi secundari a caracteristicii de radiație trebuie uti lizată expresia dis tribuției de
curent pe suprafața paraboloidului.
Este “o funcție matematică sau un grafic care reprezintă proprietățile de
radiație a le antenei , în funcție de coordonatele spațiale”.32 Modelul de radiație se
poate referi la densitatea puterii de radiație, intensitat ea câmpului, directivitate,
etc. Dacă din punctul în care se află antena se trasează vectori pentru fiecare
direcție din spatiu, având modulul proporț ional cu modulu l densității de putere
radiate pe direcția vectorului trasat , caracteristica de radiație nu este altceva
decât suprafața determinată de extremitatile vectori lor.
30 ibidem
31 ibide m, pp.154 -155
32 ibidem
23 din 71
Figura 2.4 Caracteristica de radiație a antenei cu reflector parabolic33
În cele ce urmează, u tilizăm curentul de pe suprafața reflectoare, deoarec e
expresia obținută este mai precisă. Facem obse rvatia că la studiul radiației unei
distribuții arbitrare de curent s -a demonstrat că , în regiunea de radiație, câmpul
electromagnetic este transversal având numai component a după θ v și ψ v.
Componentele după θv și ψ v ale câmpului sunt determinate de același versor al
curentului. Folosind expresia curentului J S exprimată mai sus, în relația 1.5
obținem:34
Eθ=
∫ r [sinθ( nver)+ erθv cos
] (1.7)
Eψ=
∫ r er v cos
(1.8)
Din relațiile de mai sus se observă că întradevăr, compon enta longitudin ală a
curentului de pe suprafața parab olică n u influențează componenta Eψ a câmpului
radiat și infl uențează foarte puțin componenta Eθ în regiunea lob ului principal
unde sinθ este foarte mic. Această componentă variază foarte mult numai în
direcții θ mult diferite de 0. Pentru reflec toare foarte mar i în comparație cu
lungimea de undă, cu directivitate foarte mare, ac este direcții sunt mult în afara
loblui principal și se poate considera că radiația principală se datorează numai
componentei transversale a curentului. Pentru determinarea precisă a dire cției și
nivelului lobilor secundari, l uarea în considerare a component ei longitudinale a
curentului este obligatorie.35
33 http://www.ve3sqb.com/
34 Curs Parametrii Antenelor , online:
http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electronica/parametrii -antenelor -111205.html,
35 Milligan, T. A., Modern Antenna Design, Second Edition , New Jersey, John Wiley & Sons,
Inc, 2 005, p 280
24 din 71
2.4.6 C âștigul
Câștigul antenelor este raportul dintre densitatea fluxului de putere radiată de
către antenă pe direcția de radiați e maximă și densitatea fluxului de putere
radiată de un radiator izotrop punctiform ideal (fără pierderi), puterile de radiație
fiind egale, adică :36
G=
(1.9)
Spre deos ebire de coeficientul de directivi tate, unde antena de studiat se
compară cu o antenă nedirectivă cu pierderi , câștigul antenei se definește
comparând antena de studiat cu o antenă nedirectivă fără pierderi.
Cunoscandu -se eficienț a reflectorului parabo lic e A, (este în practică 50%) care
poate fi calculată cu relaț ia 1.1 2 și lungimea de undă , se poate calcula
câștigul antenei. În formula lungimii de undă, „c‟ constituie viteza de propagare a
undei î n mediul în care are loc propagarea. Dacă nu s e cunoaște, se poate utiliza
valoarea din vid, adică 300000 km /s. Formula de calcul a câștigului este
urmatoarea : 37
(
) (1.10 )
După înlocui rile respective, putem face următoarele ob servații: câștigul
antenei parabolice este proporțio nal cu eficiența acesteia și cu pătratul frecvenței.
Implicațiile acestei observații se referă la măsurile de compensare ce trebuie
adoptate. Astfel, pentru antenele parabolice care lucrează în benzile de frecvență
inferioare, câștigul este mai mic, așadar trebuie s ă se crească dimensiunile,
făcând ajustări pe partea de construcție.
Câștigul antenei cu reflector parabolic este determinat de tre i factori. Primul
este dependența deschi derii Ψ optime de cara cteristica de radiație a antenei
primare. De cele mai multe ori, antena primară are lobul principal orientat către
vârful paraboloidului, având drept urmare faptul că, câștigul G al acesteia poate
fi aproximat cu o lege sub forma :38
G( )=G 0cosn( ) (1.11 )
Pentru o antenă tip ape rtură, raportul dintre suprafața efectivă și aria e i
geometrică se numește eficiența aperturii și este subunitară. Se notează e A și
poate fi obținută prin relația:39
( )
(∫√ ( )
) (1.12)
Pe baza acestei expresii se poate calcula variația eficienței aperturii
paraboloidului cu unghiul de deschidere Ψ al acesteia, pentru valori diferite a lui
36 Bogdan, I., Miroiu, C., Sofron, E., op.cit., p 158
37 ibidem
38 ibidem
39 ibidem
25 din 71
n. Mai exact, eficiența prezi ntă un maxim egal cu 0,83, indi ferent de valoarea lui
n, dar poziția maximului se deplasează către valori mici a lui Ψ, pe măsură ce n
crește. Ca și concluzie cu privire la acest aspect , deschiderea unghiulară Ψ
optimă a paraboloidului scade odată cu creșterea d irectivității antenei primare .40
Al doilea factor este interferența lobului principal al caracteristicii secundare
cu lobul din spate le sursei primare. Am considerat implicit până acum că sursa
primară radiază numai către reflector. În mod real însă, o fracțiune importantă
din putere este radiată prin lobii laterali ai caracteristicii de radiație. Aceasta
conduce în primul rând la micșorarea eficienței sursei primare, dar dacă unul din
lobi este orientat chiar pe dire cția lobului principal al reflectoru lui parabolic și
este de nivel important, poate să modifice sensibil nivelul câștigului
reflectorului.
Interferența cu lobul din spate al sursei primare influențează câștigul cu
aproximat iv 3%. Influența este mai mare pentru antene cu raportul D/λ mai mic,
deci pentru antene nu prea mari în raport cu lungimea de undă radiată, având de
aceea un câștig modest.
Ultimul factor sunt erorile de fază ale câmpului din apertură. În planul
aperturii câmpul are faza constanță . Această condiție nu este respecta tă dacă:
suprafața de reflexie are abateri de la paraboloidul geometric; antena primară
este deplasată față de focar sau frontul de undă radiat de către sursa primară nu
este perfect sferic.41
2.4.7 Iluminarea reflectorului de că tre sursa primară
Spectrul electromagnetic este influențat permanent de mi șcarea moleculară.
Această mișcare moleculară încetează doar la temperatura de zero absolut, adică
0 K. Totuși, nu putem vorbi de această temperatură nici măcar în spațiul cosmic,
aceasta având valoarea de cel putin cateva zeci de grade K .42
Acest fenome n are loc la antena de recepție . În continuare trebuie exp licat ce
presupune el . Așadar, este evident că antena parabolică este orientată spre
mediul cosmic, deoarece trebui e să fie orientată spre sateli t, deci spre zona cu
temperatura care tinde spre zero absolut. Cu toate acestea , sursa primară trebuie
orienată spre antenă și spre spațiul liber de care aceasta este delimitată . Având în
vedere acestea, trebuie s ă ținem cont modul cum sursa primară ilumin ează
reflectorul. În cazul în care sursa vede și zgomotul atmosferic din jurul antenei,
spunem ca ea suprailuminează reflectorul. Drept urmare, se va înregistra o
diminuare a intensitații semnalului, ca o consecință a îmbinării temperaturii de
40 ibidem, p.161
41 ibidem, p 165
42 Ulaby, F. T., Fundamentals of Applied Electromagnetics , Fifth Edition, New Jersey,
Pearson Prentice Hall, 2006, p 315
26 din 71
zgomot cu ce a a echipamentelor. În cel de -al doilea caz, al subiluminării
parabolei, are loc urmatoarea relație cauză -efect: sursa primară nu vede o
anumită porțiune de la exteriorul antenei, deci implicit vom avea o diminuare în
câștig. Această variantă reprezintă o cale de mijloc între câștigul antenei și
suprailuminarea acesteia.
Distanța focală „F‟ și diametrul antenei „d‟, sunt componente al e unui raport
„F/d‟, foarte important în caștigul și eficiența antenei. Împreun ă cu procesul de
iluminare prezentat ante rior, constituie doi factori decisivi în proiectarea corectă
a antenelor parabolice, care s ă corespundă bineînteles cerințelor de utilizare, cu
precădere a cerințelor de putere a semnalului recepționat și a câștigului mediu.43
Figura 2.5 Iluminarea r eflectorului de că tre sursa primară44
În concluzie, raportul „F/d‟ este într-o relație de invers proporționalitate cu
variația de câștig. Dacă avem un raport care tinde spre 0.5 (valoarea maximă) ,
variația de ca știg tinde evident spre minim . Ideal este ca variația câștigului în
funcție de iluminare să nu depășească -10 dB, de la margine față de centru.
Această valoare implică un raport „F/d‟= 0.4. Valoarea men ționată este ideală,
întrucât nu contribuie la mărirea zgomotul ui indus de sursa primară .45
43 ibidem
44 http://www.ve3sqb.com/
45 ibidem
27 din 71
2.5 Antena horn
2.5.1 Noț iuni generale
Comunicațiile în gama microunde lor prezintă un grad relativ scăzut de
similitudine cu cele în gama unde lor scurte sau ultrascurte. Principalele cauze
care stau la baza acestor neconcordanțe este faptul că strat urile superioare ale
atmosferei nu reflectă microundele. Lucrul pe frecvențe începând cu banda X,
presupune automat un factor perturbator în plus , adică precipitațiile atmosferice,
care aduc după sine atenuări suplimentare.
Emițătorul și receptorul tr ebuie să fie amplasate la limita de vizibilitate
directă . Această condiție e ste un rezultat al propagării f ără reflexii, specifică
gamei microundelor. Tot pentru a compensa pierderile, trebuie să se utilizeze
antene cu o bună directivitate, un câștig cresc ut, a căror aliniere se face mai
greu.46
Având în vedere cele amintite mai sus, am ales să abordez antena horn drept
obiect al studi ului meu, întrucât este o antenă cu o con strucț ie foarte bună, pentru
a satisface aceste nevoi. Are o directivitate și un câștig crescut, un raport față –
spate crescut, este puțin influențabilă de procesele atmosferice și conferă o bună
mane vrabilitate. Astfel ea se transformă într -una din cele mai adecvate antene
utilizate în comunicațiile prin satelit .
2.5.2 Constru cție
Antenele horn sunt printre cele mai vechi și mai populare antene pentru
microunde. Au o construc ție solidă d in metal, oferă o mare manevrabilitate în
putere și pot produce o directivitate cuprinsă între 10dB și 30dB. De aceea,
antenel e horn pot f i folosite chiar ca sursă primară pentru realizarea unor antene
cu aperturi foarte mari. Antenele horn cele mai utilizate sunt cele sectoriale ,
piramidale sau conice (figura 2.6). Acestea sunt excitate de un ghid de undă ce
conține un dipol elementar în c are se injectează semnalul de microunde.
46 http://www.antena -satelit.ro/upload/fck/File/Antene%20si%20%20Feedhornuri -1.pdf
28 din 71
Tip H Tip E Dreptunghiulară Conică
Figura 2.6 Tipuri le E si H de configuraț ii ale antenei horn47
Antenele horn pot f i construite dintr -o varietate de materiale, în funcție de
scopul pentru care sunt create. Totuși, pentru a se îndeplini anumite standard e
minime, suprafața metalică interioară trebuie să fie un bun conductor, cu o
conductivitate mai mare de 1×107 S/m. Câteodată se folosesc materiale mai puț in
conductoare, pentru a câștiga la capitolul masă, dar aceste a se acoperă cu un
metal izolator cu o conductivitate foarte bună, cu m ar fi cuprul, aurul sau
argintul. Există și antene horn cu reflector parabolic. Acestea au hornul de formă
piramidală sau conică și apertura efectivă o suprafață parabolică. Caracterist icile
acestor antene sunt superioare altor tipuri: au un raport de undă staționară minim,
atenuare mare a lobilor secundari, acoperind tot odată benzi mai mari de
frecvenț e.
Pentru o antenă polarizată liniar, performanța este adesea descrisă deseori de
caracteristicile de radiație în planul E și respectiv H. Astfel, antenele horn pot fi
excitate TE sau TH (funcție de tipul de undă). Planul E este definit ca fiind
planul care conține vectorul câmpului electric și direcția maximă de radiație, iar
planul H este definit ca fiind planul care conține vectorul câmpului magnetic și
direcția de radiație maximă .48
2.5.3 Distribuția de curent
Dacă vorbim despre distribuția de curent în antena horn, ea este similară cu
distribuția dintr -un ghid de undă dreptunghi ular, excitat de un dipol. Ghidul
47 http://www.ve3sqb.com/
48 Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, Third Edition , New Jersey, John
Wiley & Sons, Inc, 2005, p 739
29 din 71
metalic poate fi de lungime finită, deci geometric limitat, dar electric uniform,
ceea ce înseamnă că se comportă similar cu ghidul infinit de lung. Îndeplinirea
acestei condiții se realizează pornind de la observația că p e un ghid infinit nu
apare undă reflectată. Diferența între antena horn și ghidul de undă este că în
timp ce în ghid, câmpul se comportă ca o undă plană, în cazu l antenei, câmpul se
comportă c a o undă cilindrică. Puterea radiată influențează propagarea pe ghid,
pe care se poate considera că apar conectate rezistența de radiație și rea ctanț a
antenei . 49
xy
y-z (planul E)
x-z (planul H)
z
P = E x H
Figura 2.7 Distribuția de curent în antena horn50
Excitația hornului, adică alimentarea acestuia de la generat or, ca și studiere a
câmpului electromagnetic , impu ne cunoașterea formei liniilor de câmp și a
curenților. Densitățile de curent ale antenei horn, pentru cea de plan sectorial E și
plan sectorial H, au expresii asemănăto are, fiind definite prin următoarele
expresii :51
(
) ( ) ;−a/2 ≤ x’≤ a/2 ( 1.13)
(
) ( );
cu menț iunea ca î n planul H, x‟ va fi î nlocuit cu y‟ î n cadrul expresiei date.
În plus, în antena horn sectorială de tip H, a cărei secțiune transversală este un
dreptunghi iar în secțiune longitudinală un triunghi, faza frontului de undă
formează o undă cilindrică, astfel încât faza câmpului este diferită în toate
punctele apert urii.52
49 E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist vol 1 , Editura Tehnica, Bucuresti -1989, p
338
50 http://www.ve3sqb.com/
51 Bogdan, I., Miroiu, C., Sofron, E., op.cit., p 173
52 E. Nicolau, op. cit., p 454
30 din 71
2.5.4 Caracteristica de radiație
În an tena horn, câmpul se comportă ca o undă cilindrică. Considerând câmpul
la distanțe foarte mari de originea hornului, prin dezvoltarea funcț iilor Hankel se
pot dezvoltă asi mptotic, obținându -se o undă transv ersală cu componentele Ey si
Hy=
. În apertura antenei horn de tip H, faza câmpului este diferită în toate
punctele aperturii. Faza în secți unea longitudinală este de forma
.
Cunoscând câmpurile Ey și Hx din apertur ă, se pot calcula componentele
câmpului de distanță față de sursă, caracter isticile de radiaț ie și câștig . Astfel,
obținem în plan orizontal cara cteristica de radiație definită astfel:53
[( ( ) ( )) ( ( ))] ,( ( ) ( )) ( ( ) ( ))-
(1.14)
unde, R 1 este lungimea hornului; C 1, S -integralele Fresnel
v1,v2,v3,v4= .
√ /,(
√ ) √ .(
) (
)/-
Pe de altă parte, vizualizarea integrală a regiunilor caracteristicii de radiație nu
este posibilă utilizând reprezentarea în plan a caracter isticii de radiație spațiale.
Soluția se prezintă su b forma utilizării unor intersecții ale planului cu alte plane
din care face parte antena considerată punctiformă.
2.5.5 Directivitatea
Directivitatea unei antene se apreciază prin raportul dintre densitatea de putere
radiată într -un unghi solid și d ensitatea de putere radiată în același unghi solid de
un radiator izotrop, care radiază cu aceași putere totală.54
D(θ,ϕ)= ( )
Raportul adimenional furnizat de defin ițiile anterioare se exprimă în dB, iar
pentru a evidenția utilizarea radiatorului izo trop drept antenă de referință,
unitatea de măsură se notează c u dBi. Valoarea directivității maxime în cazul
antenei horn se obține utilizând expresia 1.15, unde S și C sunt integrale
Fresnel :55
√
*, ( ) ( ) ( ) ( )- , ( ) ( ) ( )
( )-+ (1.15)
53 E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist vol 3, Editura Tehnica, Bucuresti -1989, p
456
54 ibidem
55 ibidem
31 din 71
2.5.6 Caș tigul
Orice antenă prezintă pierderi, în sensul că doar o parte din puterea furnizată
antenei este radiată ulterior. Câștigul se exprimă printr -un raport și diferă de
directivitate prin fapt ul că tratează și aspecte ce privesc eficacitatea antenei.
Toate tipurile de antene directive radiază mai multă energie pe o direcție și
mai puțină energie pe altă direcție . Singura antenă care radiază egal în toate
direcțiile este antena izotropică, f ață de care raportăm câștigul. La studiul
câștigului, de regulă , aria de interes o reprezintă câștigul maxim .
Pentru antenele a căror eficienț ă este 100%, directivitatea are aceaș i valoa re
cu câș tigul maxim G. Dacă antena prezintă pierderi, câș tigul m axim este mai mic
decat directivitatea , p rintr-un factor egal cu eficienț a sa. Antenele horn au foarte
puține pierderi, astfel că câștigul antenei aproape că se poate aproxima la
directivitatea antenei, și se poate exprima prin formula :56
(1.16)
A-suprafața aperturii; e A-eficiența aperturii (parametru adimensional); λ -lungimea
de undă.
Eficiența aperturii are valori cuprinse între 0.4 -0.8, în practică. Pentru antenele
horn ideale, e A=0,511, s e poate aproxima valoare a cu 0,5. Mai trebuie menționat
că eficienț a aperturii și implicit câștigul antenei, sunt direct proporționale cu
lungimea hornului.
2.5.7 Impedanț a de intrare
O linie de transmisie de regulă, sau un ghid de undă alimentează ante nele
pentru a fi capabile să radieze. Calitatea transmiterii puterii de la linia de
transmisie depinde în principiu de raportul dintre impedanța liniei de transm isie
și cea de intrare în antenă -figura1.8 ( cea de intrare reprezintă raportul între
amplitudinea complexă a tensiunii și a curentului la intrarea în linie).
Aceasta din urmă are două componente: una reactivă și una rezistivă. Cea
reactivă își are originea în câmpul indus în corpurile ce se află în vecinătatea
antenei. Între aceste corpuri și antenă există permanent un schimb de putere,
acțiune care conduce la acumularea u nei puteri reactive. Pierderile de putere
determină componenta rezistivă. Partea corespunzătoare pierderilor prin radiație
este cea utilă și se numește re zistență de radiație. Aceasta r eprezintă valoarea
rezistenței unui rez istor care disipă o putere egală cu puterea totală radiată de
antenă , la momentul când este parcurs de un curent egal c u curentul de intrare în
antenă .57
56 ibidem
57 C. A. Balanis, Modern Antenna Handbook , New Jersey, John Wiley & Sons, Inc, 2008, p.
74
32 din 71
Figura 2.8 Impedanța de intrare
Impedanț a poate fi definită similar pentru orice punct „z‟ de pe line și este
funcție de trei mărimi: lungimea liniei, frec vența și sarcina. În practică, lungimea
liniei este de cele mai multe ori dată și s e lucrează în jurul unei frevenț e date.
În ceea ce privește impedanț a de intrare a antenei și a cablului de alimentare,
se impune condiția ca acestea să coincid ă, pentru un transfer opti m de energie.
De obicei, impedanț a liniilor de transmisie înregistrează o valoare de 50 ohm.
Dacă observăm di ferențe, se impune intercalarea unui circuit adaptor, pentru a
compensa pierderile. Pe lângă cantitatea de energie care se pierde prin radiație,
există bineînțeles și alte pierderi. Doua exemple sunt pierderile prin efectul Joule
și cele prin curenți i induși în planul de masă. Acești curenți se încearcă a fi aduși
prin construcț ie și amplasare corespunzătoare la o valoare minimă.58
2.5.8 Randamentul
Orice antenă trebuie construită în așa fel încât cea mai mare parte a puterii
curenților de înaltă fre cvență să fie transformați în puterea undelor radio.
Parametrul care evidențiază cât din puterea curenților se transformă în puterea
undelor, se numește randament. O transformare totală a puterii curenților în cea a
undelor este imposibilă, astfel, o parte din putere se disipă prin conductoarele și
izolatoarele antenei. Această putere se numește putere de pierderi, acesteia
putându -i-se asocia o rezistență de pierderi, definită prin relatia:59
Rp=
, (1.17 )
Puterea de pierderi este caracterizată de rezistența de pierderi. Această
rezistență este raportată la o anumită valoare a curentului din antenă, de regulă
considerându -se curentul de la bornele antenei.
58 C. A. Balanis, op. cit., p 82
59 O. I. Bogdan, op. cit., p 135
33 din 71
Puterea în antenă, adică pu terea dată de emițător în antenă, se împarte în
puterea de radiație și puterea de pierderi, adică:60
𝑃𝑎=𝑃𝛴+𝑃𝑝=
2( 𝛴+ 𝑝) (1.18)
Rezistența activă a antenei este definită de următoarea relație:
Ra=
(1.19)
Cu ajutorul acestor mărimi, se poate determina randamentul antenei, adică
raportul dintre puterea utilă (puterea de radiație) și puterea totală consumată
(puterea din antenă):61
(1.20)
Din această din urmă relație, rezultă că este necesară micșorarea rezistenței de
pierderi prin orice mijloc posibil, pe ntru îmbunătățirea funcționării antenei și
pentru mărirea randamentului ei.62
2.6 Comunicaț ii mili tare prin satelit
La începutul dezvoltării radio, sisteme le de comunicații mobile au fost
concepute pentru transmiterea și primirea semna lelor de telegrafie și telefonie
prin intermediul antenelor de pe nave, blindate, trenuri și aeronave. Luarea în
considerare a capacității de transmisie a antenei este inevitabilă, mai ales în
sistemele GMSC (Sistemul Global pentru Comunicații Mobile), deoarece
caracteristicile lor de propagare sunt mult mai afectate de diferitele medii locale
schimbătoare în timpul mișcării și diferă în mare măsură, de cele observate în
sistemele de comunicații fixe prin satelit .63
Antenele militare pentru comunicațiil e prin satelit trebuie să satisfacă anumite
cerințe mecanice, în ceea ce privește instalarea , flexibilitate și masă . În cazul
navelor militare, cerințele de instalare nu sunt atât de severe precum în cazul
aeronavelor sau a vehicolelor terestre, întrucât c hiar și dacă nava e de dimensiuni
reduse, există suficient spațiu pentru instalare. Cea mai mare problemă în acest
60 ibidem
61 ibidem
62 ibidem
63 S.D.ILICEV, Global Mobile Satellite Comunications for Maritime, Land and Aeronautical
Applications , Springer, 2005, p 558
34 din 71
caz o reprezintă vibrațiile produse sub acțiunea vântului puternic și a valurilor,
precum și coroziunea materialelor în contactul cu apa sărată. Având în vedere
acestea, antenele montate pe nave trebuie să fie protejate în permanentă de un
radom (cupolă ) și montarea lor să aibă loc pe un catarg solid, special proiectat
pentru susținerea antenei și în concordanță cu dimensiunile acesteia. În caz ul
aeronavelor și a vehicolelor, se impune o nouă cerință esențială: dimensiuni și
masă reduse ale antenei. O comparație în subsidiar prezintă faptul că antenele
destinate vehiculelor sunt mai reduse ca și dimeniuni, la fel și în cazul
aeronavelor, cu menț iunea că aici intervine un parametru foarte important de
care trebuie ținut cont: caracterul aerodinamic al antenei, întrucât rezistența la
înaintare trebuie să fie minimă.64
Cu referire la caracteristicile electrice, este cunoscut faptul că designul
compact la care sunt constrânse antenele din acest domeniu, implică două
dezavantaje majore în ceea ce privește caracteristicile de radiație: câștig redus și
o directivitate nu foarte bună. Cu referire la câștig , ținând seama de capacitatea
limitată de furni zare a puterii electrice și de faptul că acesta este determinat și de
dimensiunile fizice ale antenei înseamnă că , proiectând antena în așa fel încât să
fie compactă, implicit reducem câștigul. Soluția la această prob lemă vine sub
forma unor antene foarte mari incluse în cadrul sateliților, care dispun de o
putere electrică ridicată și de o capacitate de transmisie/recepție suficientă. Pe
cealaltă parte, cea a directivității scăzute, acest aspect implică o serie de urmări
nedorite: transmiterea și recepțion area semnalelor din direcții nedorite,
interferența cu alte sisteme, efecte de fading sau r eflexie (de exemplu cu
suprafața mării). Pentru a combate aceste efecte este necesar integrarea unui
sistem compact, special destinat acestui scop, care folosește di ferite scheme de
modulație, cum ar fi OFDM , Orthogonal Frequency -Division Multiplexing sau
CDMA , Code Division Multiple Access .
64 ibidem
35 din 71
Capitolul 3: Studiul practic al principalelor tipuri de antene
utilizate la comunicațiile prin sateliți
3.1 Obiective, me tode și instrumente utilizate
Pentru studi ul practic, am folosit programele MATLAB și SuperNEC . Deși
programul este mai vechi, oferă posibilitatea unei game largi de antene ce pot fi
simulate , acesta fiind un mare avantaj al său . În plus, are o interfa ță prietenoasă
(figura 3.1), care n u îl face deloc greu de folosit și returnează rezultate exacte.
Desigur, vine și cu un dezavantaj semnificativ: frecvența de lucru la care permite
să fie efectuate simulările. Așadar, datele obținute nu pot fi implementat e în mod
real, au rol pur educațional, permițând utilizatorului să își formeze o idee despre
subiectul abordat.
Figura 3.1 Interfaț a SuperNec
Pentru a -mi putea forma o părere mult mai obiectivă asupra situației, am
utilizat scripturi în MAT LAB. Astfel, prin utilizarea anumitor coduri am reușit să
observ f uncționarea antenelor la frevenț e mai apropiate de zona reală. Un astfel
de script MAT LAB arată precum cel din figura 3.2, în partea stâng ă a acesteia. În
restul imaginii se poate observa interfața MATLAB . Modalitatea în care acest
program returnează rez ultate este sub forma unor grafice .
36 din 71
Figura 3.2 Interfaț a & cod MathLab
3.2 Analiza antenei horn
Am studiat antena horn pe trei etape. În prima, am folosi t Super NEC , care
datorită infrastructurii sale, mi -a permis să realizez simulări la frevenț e reduse:
300, 600 și 900MHz. Acestea au au fost făcute pentru a avea acces l a
caracteristica de radiație 3D și pentru a putea observa efectele suprafe ței
Pământu lui asupra caracteristicii de radiație . Practic, nu se poate realiza o antenă
horn ca re să lucreze la aceste frecvenț e, întrucât dimensiunile acesteia ar fi
ridicol de mari, dacă nu chiar imposibil de construit. Tot în cadrul acestor
frecvenț e, am simulat condițiile de adaptare a impedanț ei. A două etapă a
presupus utilizarea unui script în MATLAB , în care am introdus dimensiunile
unei antene (pe care ulterior am simulat -o practic, în etapa cu numărul trei).
Parametri abordați aici au fost: directivitate, v ariația câștigului în funcție de
frecvență și analiza câștigului în funcție de unghiul φ. Frecvența de lucru a fost
una în concordanță cu cerințele de funcționare ale anten ei horn, 9,5 GHz. În
cadrul ultimei etape, am efectuat măsurătorile practice ale ant enei ale cărei
dimensiuni au fost simulate în etap a anterioară. Tot în cadrul acestei etape am
comparat rezulatele obținute în cadrul etapelor doi și trei, etapă esențială în
validarea rezultatelor.
3.2.1 Antena horn: izolată în spațiu vs influența Pământ ului
Influența Pământului asupra caracteristicii de radiație reprezintă primul pas
din cadrul etapei cu numărul unu. Mai precis, un model al antenei horn
dreptunghiulară a fost supus pe rând, freventelor de 300, 600 și respectiv
37 din 71
900MHz. În primul caz î ntr-un mediu ideal, fără nicio influență de la suprafața
Pământului, iar în al doilea caz a fost introdusă o suprafață finită, cu o
conductibilitate de 0,04 S/m și o permitivitate de 4 F/m. Laturile care formează
deschiderea hornului au dimensiunile: 0,5m în planul E, respectiv 0,3m în planul
H. Antena este alimentată de un dipol format din trei segmente, care are
tensiunea de 1V și este amplasat în centrul ghidului de undă care alimentează
hornul (figura 3.3).
Figura 3.3 Vedere de ansamblu asupra modelul ui creat
În urma simulării a m obținut următoarele rezultate, ce se găsesc în figura 3.5,
în ordinea crescătoare a frecvenț elor. Așadar, se poate observa că la antena
izolată în spațiu, caracteristicile de radiație se aplatizează pe măsură ce crește
frecvența (fapt valabil și la frecvențe de ordinul GHz), valorile maxim e ale
câștigului fiind de 9,4dBm pentru 300MHz; 13,4 dBm pentru 600 MHz și
respectiv 16,7 dBm pentru 900MHz.
Figura 3.4 Reprezentare 2D a caracteristicii de radiație
38 din 71
Chiar de la aces te frecven țe foarte mici, se poate observa cum la frecvența de
600MHz, lobul principal începe să prindă contur, delimitâ ndu-se clar de lobii
secund ari. Pentru o mai bună întelegere, am întocmit caracteristica de radiație
2D, în planul zenitului, în figura 3.4, corespunzătoare frecvenței de 600 MHz.
Caracteristicile de radiație 2D pentru 300 și respectiv 900 MHz pot fi găsite în
anexa 2 . Lobul principal are deschiderea între θ=37° și θ=84° , având o valoare a
câștigului în banda la 3 dB de aproximativ 10,5 dBm .
39 din 71
Figura 3.5 Caracteristica de radiație 3D. Antena horn izolată în spaț iu
40 din 71
În cazul al doilea, introducând planul Pământului în simulare, se obține o
îmbunătățire a caracteristicii de radiație a antenei. La frecvențe mici,
caracteristica de radiaț ie se încrețește. Observăm o creștere evidentă a numărului
de lobi secundari, concomitent cu scăderea acestora în intensitate . De asemenea,
se remarcă diminuarea puterii cu care antena radiază spre înapoi. Mai mult,
directivitatea se îmbunatățește, deoarec e caracteristica de radiație, cu precădere
lobulul principal , tinde să se aplatizeze.
Dovada influenței benefice a suprafeței conductoare asupra caracteristicii de
radiație vine sub forma progresului în câștig, înregistrat de antenă. La frecvența
de 30 0 MHz, câștigul maxim a crescut de la 9,4 dBm la 12,2 dBm; la 600 MHz,
acesta a crescut de la 13,4 dBm la 14,1 dBm, pentru ca doar pentru frecvența de
900 MHz, câștigul maxim să rămână constant.
41 din 71
Figura 3.6 Caracteristica de radiație. Influența Păm ântului asupra acesteia
42 din 71
Pentru o mai bună înțelegere a efectului pozitiv pe care îl are suprafața
Pământului asupra caracteristicii de radia ție, în tabelul de mai jos (figura 3.7),
este prezentată o analiză comparativă a datelor obținute.
Figura 3.7 Îmbun ătățirea câștigului după introducerea unei suprafețe conductoare
G(dBm ) Fără Pământ Cu influență
300 MHz 9,4 dBm 12,2 dBm
600 MHz 13,4 dBm 14,1 dBm
900 MHz 16,7 dBm 16,7 dBm
În ciuda faptului ca la 900 MHz nu se înregistrează o creș tere a câș tigului
maxim, efectele pozitive rămân cele amintite anterior. Pentru aprofundare,
caracteristicile de radiație 2D ale antenei horn, sub influența Pământului , la toate
cele trei frecvențe menț ionate, pot fi găsite în anexa 3 .
3.2.2 Impedan ța de int rare
O să prezint pe scurt importanța impedanț ei. Aceasta își găsește rolul în
adap tarea liniei cu sarcina. Prin adaptarea liniei cu sarcina se înțelege
îndeplinirea practică a condiției Z s=Zc. Impedanța are caracter pur re zistiv și este
o mărime constan tă, standardiza tă. Rezisten ța Rs diferă de Z c în general. Totuși,
trebuie să avem în vedere că pentru realizarea adaptării este necesar un
transformator de impedan ță care, dispus la sarcină sau în apropierea acesteia, să
realizeze transformarea rezistențelor de la R S la Z C și transformarea reactanțelor
de la ±X S la 0.
Figura 3.8 Rezistența si reactanța antenei horn
43 din 71
După cum prezintă și graficul de mai sus, r eactanța nulă există pentru f=570
MHz și f=700 MHz, deci antena îndeplinește condiția. Concluzia și ideea de
bază care trebuie reținută aici este următoarea: pentru un transfer optim de
energie ,impedanța antenei și a cablului de conectare trebuie să fie a ceeași (în
general impedanța liniilor de transmisie este de 50 ohm). Când există o diferență
trebuie să intercalăm un circuit adap tor pentru a reduce pierderile.
Sistemul de antenă -fider trebuie să fie adaptat fie cu emițătorul fie cu
receptorul. Adap tarea antenei de emisie cu fiderul, asigură un regim de undă
progresivă în fider, pe când adaptarea fiderului cu emițătorul asigură o
funcționare normală a acestuia
3.2.3 Analiza directivității
Mai departe, vom trece la simulările mult mai apropi ate de realitate, făcute la
o frecvență de 9,5 GHz. În cadrul acestei etape, am efectuat sim ulări ale unei
antene, a cărei parametri sunt prezentați mai jos:
Figura 3.9 Caracteristicile antenei simulate
Dimensiuni Valoare
Lațimea ghidului de undă 0.023 m
Înalțimea ghidului de undă 0.01 m
Lațimea canalului 0.132 m
Înalțimea canalului 0.134 m
Lungimea unei muchii 0.305 m
Lungimea de undă 0.0316 m
Acest parametru este foarte important pentru comunicațiile prin satelit și se
poate analiza în ma i multe moduri. O bună reprezentare grafică, din care
observăm tiparul de emitere a câmpu lui electric se găsește în figura de mai jos.
44 din 71
Figura 3.10 Diagrama polară de radiație a intensității
În această figură am întocmit diagrama polară de radia ție a intensității, cu
valorile normalizate, din care se obsevă forma alungită a acesteia, tin zând spre o
carateristică de tip “creion”. Un alt mod de a masura proprietaț ile di rective ale
antenei este prin mă surarea unghiului de deschidere , când E=0,707E max. În
graficul din fig ura 3.11 se prezintă aceași caracteristică de radiație a intensității
ca în figura precedent ă, doar că am utilizat coordonate carteziene. Valorile sunt
de asemenea normalizate. Unghiul de deschidere în punctul î n care
E=0,707Emax este .
45 din 71
Figura 3.11 Unghiul de deschidere 2
Un alt unghi important pentru funcț ia de directivitate, este unghiul 2γ. Acest
unghi delimitează direcțiile în care nivelul câmpului electric radiat este 0. În
cazul lobului principal, acest unghi are valoarea de 27,57o. Această valoare
corespunde lă țimii fascicolului de intensitate radiat de direcția principală de
radiaț ie, adică în direcț ia unghiului .
Un al treilea indicator al directivității antenei î l constituie procentul , care ne
indică cât la sută reprezintă primul lob secundar, din totalul lobului principal.
Folosim formula: ξ=
. Numărătorul reprezintă intensitatea pr imului lob
secundar, iar fiindcă valorile sunt normalizate, E max=1. Astfel, pr ocentul ξ este
egal cu 21,05%. Această proporț ie poate fi cel mai bine observată în figura de
mai jos:
46 din 71
Figura 3.12 Primul lob secundar vs Lobul principal
3.2.4 Variația câștigului în funcție de frecvență
Câștigul este un parametru foarte important pentru antene și mai ales pentru
comunicațiile prin satelit. Am efectuat simularea câștigului în banda de frevente
cuprinse între 7,5GHz și 9,5GHz, pentru a studia comportamentul antenei. Spre
surpinderea mea, maximul înregistra t în această gam ă de frec vente, 12,1 dB m,
s-a înre gistrat la frcevența de 8,5GHz și nu la frecvenț a maximă, conform
așteptărilor personale.
Din graficul aferent (figura 3.13), remarcăm o pantă strict ascendentă până în
dreptul frecvenței de 8,5GHz, începând cu un câștig minim de 10,4 dB m. După
îregistrarea valorii maxime, câștigul capătă o pantă descendentă, înregistrând în
dreptul frecvenței maxime o valoare a câștigului de 11,6 dB m. Valorile unghiului
pentru care s -a făcut simularea au fost si .
Figura 3.13 Variația câștigului în funcție de frecvență
47 din 71
3.2.5 Analiza câștigului în funcție de unghiul φ
În următoarea etapă, voi prezența măsurătorile practice pe care le -am făcut.
Am folosit două antene, una dintre ele fiind o antenă etalon iar cealaltă fiind
antena de măsurat. Dimensiunile antenei au fost cele pe care le -am folosit și la
simulările anterioare și pot fi găsite în tabelul din figura 3.9 . Antenele au fost
plasate într -o cameră izolată fonic, la distanța R una de cealaltă, antena de
măsurat fiind mo ntată pe un suport rotativ, a cărui bază a fost un cadru metalic.
PM EA R
Legend ă: G …generator pe und e de înalta frecvență
MA ….antena de măsurat
EA … ..antena etalon
PM … .analizator de putere
R … ….distan ța
LC1, LC2……pierderile pe fir
PG GET GM MA
PR
PC LC1 LC2
G
Suport
rotativ
Cameră izolată fonic
Figura 3.14 Figura l ogică a procesului de simulare
Pe lângă cele două antene, am mai folosit un analizator d e putere, un generator
de unde de înaltă frecve nță și un laptop, pentru analiza datelor. Procesul s -a
desfășurat astfel: antena măsurată, fixată pe suportul rotativ, a efectuat o mișcare
pe orizontală, de la unghiul până la . Unghiul
corespunde direcției în care antenele sunt aliniate perfect. Distanța R dintre
antene a fost de 5,5m.
Frecvența de lucru rămâne constantă, schimbând doar orientarea antenei
măsurate, ale cărei dimensiuni le -am precizat anterior. Analizatorul de putere
trimite datele la PC, care le interpre tează și îmi returnează un set de valori,
corespunzătoare gamei de la -90 la +90 , cu un pas de 2 . Datele obținute pot fi
găsite în tabelul din anexa 1 , atât în dB cât și în dBm. Pentru o mai bună ilustrare
a datelor, am întocmit un grafic al câștigului, cu valorile măsurate în dBm .
48 din 71
Figura 3.15 Variația câștigului în funcție de unghiul φ
Astfel, câștigul maxim se obține pe direcția unghiului θ=90°, φ=0°.
Cuantizează un total de -25,51 dBm. Acest lucru se datorează datorită formei
foarte alungi te a caracteristicii de ra diație și caracterului directiv al antenei. În
zona dintre unghiurile ±40°, câș tigul se menține peste nivelul -58dBm, pentru că
valoarea minimă să se înregistreze în jurul valorii de -72dBm, în dreptul
unghiurilor ±80°.
3.2.6 Sim ulare vs Măsurare
În această ultimă etapă, o să abordez comparativ simulările făcute în MATLAB
cu ajutorul script -urilor și graficele obținute în urma măsurătorilor efec tive în
laborator . Așadar, mai jos în fig ura 3.16, am întocmit un grafic care prezi ntă
caractristica de radiație a antenei măsurate, făc ând transformarea din dBm în
mW.
49 din 71
Figura 3.16 Caracteristica de radiaț ie a antenei mă surate
După cum putem observa, pe direcția unghiului φ=0°, antena înregistrează
aproximativ 2,8 mW. O altă o bservație interesantă pe care am remarcat -o aici, a
fost că, făcând transformarea în mW, dup ă ce antena măsurată este defazată față
de antena etalon cu mai mult de 30°, valorile înregistrare tind către 0. De aici
ajungem la o proprietate absolut necesară p e care trebuie să o avem în vedere în
cazul acestor antene și pe care am amintit -o în partea teoretică: necesitatea
alinierii precise între antene. Nu în ultimul rând, am normalizat valorile puterilor
în W a le celor două caracteristici de radiație (simulat e și măsurate) și le-am
suprapus în același grafic, pentru a observa diferențe le- figura 3.1 7.
50 din 71
Figura 3.17 Caracter istica de radiație ideală vs cea măsurată
Așadar, putem observa că graficul antenei simulate (albastru) are o formă de
perfectă si metrie în jurul axei delimitate de unghiul φ=0°, pe când caracteristica
de radiație a antenei măsurate, datorită construcției imperfecte și a erorilor de
măsurare, prezintă o asimetrie în z ona lobului principal, între 0° și 10°. Din
punctul de vedere al un ghiului de deschidere în banda la 3dB diferențele sunt
greu sesizabile: 12,03° simulat și 12,1° măsurat. Valabil și dimensiunea primului
lob secundar raportată la lobul principal, care rămâne într -un raport de 1/5. Însă
remarcăm totuși o diferență majoră în cadrul lățimii undelor radiate, a lobului
principal. Dacă la simulare am obținut o deschidere de 27,57°, în urma
măsurătorilor efective am constatat că antena nu posedă caracteristicile întocmai
cum s-a presupus , înregistrându -se o înrăutățire a unghiulu i, la valoare a de 38°.
3.2.7 Concluzii
În urma efectuării simularilor, măsurătorilor și analizei as upra
comportamentului antenei horn, se pot trage următoarele concluzii:
suprafețele conductoare au efect benefic asupra caracteristicii de radiație ,
înregistrandu -se o creștere substan țială în câștig și directivitate .
cu p rivire la impedanță, adaptarea este realizabilă, întrucât se respectă
condiția react anței nule, pentru două frecven țe: 570 MHz și 700 MHz .
51 din 71
directivitatea și alinierea anten elor reprezintă ca lități esențiale pentru
antena horn . Având o lațime a fascicu lului de unde radiate de 38° și un
procent al primului lob secundar în raport cu lobul principal de 21,05% ,
antena horn asigură transmit erea undelor în direcția dorită, cu condiția
respectării c ondiției de aliniere a antenelor .
datorită erorilor de construcție și a celor de măsurare, valorile măsurate
sunt mai slabe de cât cele obținute prin simulare.
3.3 Analiza a ntenei parabolice
Antenele parabolice pot fi la rândul lor de mai multe t ipuri, în funcț ie de tipul
de reflector : paraboloid de rotație, reflector de tip offset , reflector parabolic
cilindric sau tip Cassegrain. În cadrul studiul practic al antenelor parabolice, am
ales sa abordez doar problematica antenelor cu reflector paraboloid de rotație.
Pentru o mai bună reprezentare a acestora, am întocmit figura 3.18, care
cuprinde urmatorii parametri : f- distan ța focală , cu valoarea de 1 m; D – diametrul
reflectorului avâ nd valorea de 1 m , α este unghiul între marginile si centrul
reflectorului, iar „v‟ reprezintă coeficientul de deschidere al paraboloidului de
rotație. Drept sursă primară am folosit o antenă Yagi -Uda, având tensiunea de
1V, din care am păstrat doar două elemente, dipolul activ si reflectorul. Sursa
este poziționat ă în focarul reflectorului.
f V D=1 m
distanța focală apertură
Antena Yagi -Uda
Figura 3.18 Stuctura antenelor cu reflector paraboloid de rotație
52 din 71
Studiul antenei parabolice are în componență cinci subcapitole, dintre care
ultimul reprezintă concluziile trase în urma primelor patru. Așadar, cele patru
subcapitole prezintă fiecare o cara cteristică, în ordinea urmă toare: influența
Pământului asupra caracteristicii de radiație, raportată la antena izolată în spațiu;
impedanța de intrare, studiul directivității și variația câștigul ui în funcție de
frecvență.
Pentru primele trei din cele patru etape am utilizat programul SuperNEC . Am
luat în considerare frecvențele 300MHz, 600MHz și 900MHz. După cum am
menționat și la studiul antenei horn, aceste frecvențe nu sunt utilizate în pr actică.
Le-am folosit doar cu scop scolastic , pentru a ne contura o idee asupra
fenomenului în cauză. Motivul este de înțeles și bine cunoscut: imposibilitatea
construcției unor antene la asemenea dimensiuni, care să funcți oneze la
frecvențele menționate. Directivitatea a fost studiată utilizând un script
MATLAB . Frecvența utilizată a fost 9.5 GHz, o frecvență din banda X, bandă
utilizată în practică de antenele parabolice.
3.3.1 Antena parabolică: izolată în spațiu vs influența Pământului
În acest subcapitol am proiectat o antenă cu reflector parabolic, ale cărei
dimensi uni au fost precizate în capitolul an terior. Sursa primară este, dup ă cum
am menționat, o antenă Yagi -Uda cu două elemente. În figura de mai jos aveți o
privire de ansamblu asupra mode lului creat.
Figura 3.19 Vedere de ansamblu asupra modelului creat
În prima etapă, antena este izolată în spațiu . Caracteristica de radiație se
prezintă foarte bine, avand un aspect unitar, cu un lob principal bine conturat.
Câștigul maxim la frecvența de 300 MHz are valoarea 13 dBm. Paradoxal, se
înregistrează 10,4 dBm la 600 MHz, iar pentru frecvența de 900 MHz câștigul
53 din 71
maxim are valorea de 13,4 dBm. Se observă că o parte din putere se radiază spre
înapoi.
54 din 71
Figura 3.20 Caracteristica de radiație 3D. Antena izolată în spațiu
Numărul lobilor secundari este redus, după cum se poate observa și din
caracteristica de radiație 2D la 600 MHz, pentru un zenit (vezi figura
3.21). Caracteristicile 2D pentru zenit, la frecvențele de 300 MHz și 900 MHz se
găsesc în anexa 4. Din caracteristica de radiație 2D, deschiderea lobului principal
are 20 , înregistrate între , și o valoare a câștigului în banda
la 3 dB de aproximativ 7,8 dB.
Figura 3. 21 Reprezentare 2D a car acteristicii de radiație
55 din 71
În etapa a doua, se introduce un plan conductor cu o conductibilitate de 0,04
S/m și o permitivitate de 4 F/m. Principalul avantaj al introducerii suprafeței
conductoare pentru antena cu reflector parabolic este diminuarea puterii pe care
antena o radiază în spate. La o analiză comparativă pentru frecvențele de 900
MHz, rezultatele sunt impresionante. Lobul care radia înspre înapoi aproape s -a
suprimat (vezi caracteristica de radiație 2D, anexa 5) , iar câștigul minim a
înregistrat o îmbunătățire de la 25,8 dBm la -16 dBm. Și în ceea ce privește
câștigul maxim, rezultatele indică un progres. La frecvența de 300 MHz, câștigul
maxim se modifică de la 10,4 dBm la 13dBm; la 600 MHz antena se comport ă
diferit. Caracteristica de rad iație se aplatizează, deci directivitatea crește. Așadar,
se obține o diminuare în câștig de la 13 dBm la 11,4 dBm. Iar pentru frecvența
de 900 MHz, se continuă tendința de aplatizare a caracteristicii de radiație, cu un
ușor progre s în câștig, de 0,2 dBm .
56 din 71
Figura 3.22 Caracteristica de radi ație 3D cu influența Pământului
57 din 71
Ca și concluzie, observăm ca Pământul are o influență pozitivă asupra
caracteristic ii de radiație, prin aplatiz area acesteia. Astfel, se accentu ează
directivit atea și are loc o creștere în câștig. De asemenea, atât suprafața
conductoare cât și creșterea frecvenței au ca efect creșterea numărulu i de lobi
secundari, deci apariția mai multor valori de minim și maxim.
3.3.2 Impedanța de intrare
Impedanța de intrare, repr ezintă impedanța întâlnită la bornele de intrare ale
antenelor de căt re curentul generatorului . În cazul general, antena se comportă ca
o sarcină complexă . Impedanța are două componente: rezistența R S și reactanța
XS. Rezistența are de obicei o valoare con stantă, 50 ohm. Pentru a realiza a ceastă
condiție se poate utiliza un transformator de impedanță, care este de obicei un
transformator în /4 care are dr ept obiectiv cre șterea valo rii „văzută” de antenă
la intrarea sa la rezistența de intrare a antenei, care reprezintă sarcina pentru linia
de transmisie.
Figura 3.23 Rezistența și reactanța antenei cu reflector parabolic
În ceea ce privește cealaltă condiție de adaptare, pentru a mări eficacitatea
funcționării antenelor, acestea se construiesc de aș a natură înc ât să funcționeze la
rezonanță (𝑋 =0). Astfel, componenta reactivă a imp edanței de intrare devine
zero, antena față de generator comportându -se ca o sarcină pur activă. După cum
reiese din fig ura 3.23 , reactanța nulă se obține pentru f=4 60 MH z și f=900 MHz,
așadar nu mai sunt necesare ajustări.
Impedanța de intrare se determină de cele mai multe ori pe cale experimentală,
deoarece pentru determinarea acesteia trebuie să se cunoască distribuția tensiunii
și a curentului din antenă, calculul fiind greoi, iar relațiile de calc ul obținute fiind
aproximative.
58 din 71
3.3.3 Analiza directivității
Pentru analiza directivității, s -a folosit o antenă simulată la frecvența de 9,5
Ghz. În primul rând, pentru a ne face o idee de ansamblu asupra caracterulu i
directiv al antenei paraboloid de rotație, diagrama polară a intensitații ne oferă o
privire de ansamblu foarte utilă. Comparativ cu aceași caracteristică de radi ație
pentru antena horn, observă m în figura 3.24 că antena parabolică are proprietăți
direct ive mai accentuate.
Figura 3.24 Diagrama polară de radiație a intensității
În ciuda caracterului directiv al antenei horn, caracteristica de radiație polară a
antenei cu reflector parabolic pre zintă o formă chiar mai alungită, deci un
caracter d irectiv mai bun. Un alt aspect de remarcat sunt lobii secundari, care
59 din 71
sunt radiaț i pe direcția lobului principal și nu spre înapoi, ca în cazul antenei
horn.
Tot în sprijinul studierii directivității vine si unghiul de deschidere 2 α. Acesta
se obține a nalizând caracteristica de radiație carteziană a puterii, la jumătate din
valoarea acesteia. Acest unghi mai este numit și unghiul în banda la 3 dB.
Valorea unghiului 2α ca fiind aproximativ 6,5 .
Al treilea indicator al directivității este ξ. Acesta este un număr procentual
care prezintă importanța primului lob secundar față de lobul principal. Formula
de calcul al acestui procent este ξ=
, iar reprezentarea grafică se gă sește
în diagrama de mai jos. Valoarea procentului este ξ=18%. Raportat la valoarea
antenei horn, constatăm o îmbunătățire cu trei procente.
80 60 40 20 0 20 40 60 80 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
P=0.5P - 3dB
ξ = 18%
max
===
Putere(norm)
[°] 2α=6,5°
6,5°.
Figura 3.25 Analiza directivității
3.3.4 Variația câș tigului în funcție de frecvență
Pentru a studia variația câștigului în funcție de frecvență am întocmit un
grafic. Acesta se întinde în gama 300 MHz -900MHz și se regăsește în figura
3.24. Unghiul pentru care se studiază câștigul este unghiul și θ=0°.
60 din 71
Figura 3.26 Variația câștigului în funcție de frecvență
În graficul prezentat, o antenă parabolică a fost supusă influenței Pământului.
Comportamentul este valabil și antenei izolate în spațiu, adică odată cu creșterea
frecvenței de lucru, se îmbunătățește câștigul. Așadar, se observă că valoarea
minimă, 1 4,2 dBm, se obține pentru valoarea minimă a frecvenței, f=300 MHz.
Apoi graficul are o pantă ascendentă pronunțată, până la valoarea frecvenței de
600 MHz. Aici valoarea înregistrată a câștigului este de 15,9 dBm. Mai departe,
se menține caracterul ascende nt al valorilor, dar ritmul de creștere este mai
scăzut: de la 600 MHz la 900 MHz avem o creștere de doar 0,1 dBm. Tabelul din
figura 3.27 prezintă analiza comparativă a datelor.
Figura 3.27 Influența Pământului și a frecvenței asupra câștigului
Comparativ cu antena horn, putem trage concluzia că introducerea suprafeței
conductoare a avut un efect mai scăzut. Totuși, ca fapt valabil pentru întreg
studiul , atât Pământul cât și creșterea frecvenței au consecințe pozitive în materi e
de câștig produs.
G(dBm) Fără Pământ Cu influență
300 MHz 13,9 dBm 14,2 dBm
600 MHz 15,8 dBm 15,9 dBm
900 MHz 15,9 dBm 16 dBm
61 din 71
3.3.5 Concluzii
La finalul stud iului antenei cu reflector parabolic , am tras următoarele
concluzii:
deși cre ște numărul lobilor secundari, aceștia t ind să își diminueze din
putere , sub influența Pământului, ceea ce o face să fie o influență benefică.
condițiile de adaptare a impedanței sunt respectate. Antena funcționează la
rezonanță în gama undelor 300MHz – 900MHZ, pentru f= 460 MHz ș i f=
900 MHz .
dispunând de un unghi de deschidere în banda la 3dB, 2α= 6,5° si un
procent de 18% în ceea ce privește proporția primul ui lob secundar față de
cel principal , antena cu reflector parabolic prezintă un caracter directiv
foarte pronunțat. Securitatea comunicaț iilor este asigurată cu condiția une i
alinieri corecte între antene .
creșterea frecvenței de luc ru determină creșterea câștigului maxim și
reducerea celui minim, concomitent cu suprimarea cantității de putere
radiate spre înapoi.
3.4 Concluzii privind partea practică
Partea practică a lucrării a presupus abordarea celor două tipuri de antene
prezentate pe larg și la partea teoretică, adică antena horn și antena cu refl ector
parabolic. Cu ajutorul pro gramului software SuperN EC, ambele tipuri au fost
supuse frecvențe lor de 300 MHz, 600 MHz și 900 MHz, tocmai pentru ca
rezultatele s ă aibă un grad de verosimilitate și similitudine.
Mi-am p ropus ca rezultatele obținute să fie raportate atât individual, pentru
fiecare antenă în parte în contextul comunicațiilor satelitare, cât și una față de
cealaltă.
O să începem prin abordarea subiectului privind antenele izolate în spațiu,
verus antenele supuse influenței unei suprafețe conductoare, cum este suprafața
Pământului. Concluzia privind acest sub iect se aplică ambelor tipuri de antene:
introducerea suprafeței conductoare crește numărul lobilor secundari,
concomitent cu aplatizarea acestora, reducându -se din puterea acestora . Pentru
exemplificare, antena horn la frecvența de 300 MHz, unghiul , nu
prezint ă lobi secundari, fără o suprafață conductoare în apropiere. După
introducerea suprafeței cu parametri prezentați , apare un lob secundar pe lângă
62 din 71
cel principal . Mai clar, în cadrul antenei cu reflector parabolic, numărul de lobi
secundari la f recvența de 300 MHz crește de la doi la patru.
Adaptarea impedanței este ușor realiza bilă ambelor tipuri de antene, întrucât
se întâlnesc două frecvenț e pentru care reactanța este nulă, asfel: antena horn la
f=570 MHz și f=700 MHz, respectiv antena c u reflector parabolic la f=460 MHz
și f=900 MHz. Impedanța de intrare se determină de cele mai multe ori pe cale
experimentală, deoarece pentru determinarea acesteia trebuie să se cunoască
distribuția tensiunii și curentului din antenă .
Directivitatea este capitolul în care antena cu reflector parabolic a depășit ca
performanțe antena horn. Rezultatele obținute pe ntru antena parabolică la
unghiurile si , au fost următoarele: unghiul în banda la 3dB, 2α=
6,5 ; valoarea procentului ξ=18% și o caracteristică de radiație ilustrată în fig ura
3.24, care confirmă caracterul foarte directiv al antenei. Și antena horn se
comport ă bine la capitolul directivitate, datele obținute la unghiurile și
, fiind: unghiul de deschidere în pun ctul î n care E=0,707Emax este
, ξ= 21,05% și o lățime a lobului principal de 27,57o.
Consider că cel mai bun exemplu pentru a sublinia importanța alienierii corecte
a antenelor îl reprezintă variația câștigului în funcție de unghiul φ . Reamintesc
faptul ca antena a fost una de mici dimensiuni , iar frecvența a fost f= 9,5 GHz.
Câștigul maxim s -a obținut pe d irecția unghiului θ=90°, φ=0°, cu o valoare
negativă, -25,51 dBm. În zona unghiurile dintre ±40°, câștigul se menține peste
nivelul -58dBm, pentru că valoarea minimă să se învârtă în jurul valorii de –
72dBm, în dreptul unghiurilor ±80°. O privire completă asupra datelor se găseș te
în tabelul aferent anexei nr.1.
Nu în ultimul rând, trebuie să precizăm câteva concluzii privind frecven ța de
lucru. O frecvență de lucru redusă , implică dimensiuni mari ale antenei și
viceversa, operarea într -o frecvență ridicată permite utilizarea unor a ntene mai
reduse ca dimensiuni.
Figura 3.28 Creșterile în câștig datorate creșterii frecvenței
Antena parabolică Antena horn
G(dBm) Fără
Pământ Cu
influență Fără
Pământ Cu
influență
300
MHz 10,4 dBm 13 dBm 9,4 dBm 12,2 dBm
600
MHz 13 dBm 11,4 dBm 13,4 dBm 14,1 dBm
900
MHz 13,4 dBm 13,6 dBm 16,7 dBm 16,7 dBm
63 din 71
Din tabelul de mai sus concluzionăm că pentru antena parabolică s -au obținut
creșteri cuprinse între -1,6 dBm , valoare obținută pentru trecerea de la 300 MHz
la 600 MHz și 2,6 dBm , valoarea maximă , obținută pentru același set de
frecvențe, cu mențiunea că v aloarea de min im a fost obținută în cadrul simularii
cu prezența suprafeței Pământului , iar valoarea maximă, în cadrul antenei izolate
în spațiu . Pentru antena horn, creșterile au valori cuprinse între un mini m de 1,9
dBm și un maxim de 4 dBm. O observație interesantă l a acest aspect face referire
la comportamentul antenei horn, care se comportă similar antenei parabolice :
pentru același set de fr ecvențe, are același set de minim ( simulare influențată de
Pământ) și maxim ( antena izolată).
O decizie finală asupra supe riorității unui tip de antenă asupra celuilalt nu
poate fi luată, dar în urma prezentării proprietăților, acestea se transfo rmă în
avantaje sau dezavantaje, utile în vederea efectuarii unei alegeri, în fu ncție de
nevoi și împrejurări.
64 din 71
Concluzii finale
Prezenta lucrare prezintă o abordare teoretică și practică asupra problematicii
antenelor, în contexul comunicațiilor prin satelit. Consider că mi -am atins
obiectivul propus la începutul lucrării, de a -mi îmbogăți cunoștințele în ac est
domeniu.
Studiul a fost împărțit pe trei capitole. Primele două au drept scop fixarea
noțiunilor teoretice despre familia antenelor utilizate în comunicațiile satelitare și
prezintă , următoarele tipuri de antene: antenele cu fir, șirurile de antene , antena
horn și antena parabolică. Un alt scop al părții teoretice a fost prezentarea
principiului care stă la baza comunicațiilor prin satelit, precum și a elementelor
componente. Documentarea a atins probleme referitoare la elemente precum
caracterist ica de radiație, câștig, directivitate, distribuția de curent sau impedanța
de intrare și s-a dovedit utilă la întreprinderea studiului practic.
Partea practică a lucrării s -a bazat pe programul SuperN EC și două scripturi
MATLAB . Cele două antene studi ate au obținut rezultate foarte bune în materie
de câștig, directivitate, impedanță de int rare. Totuși, acestea au avut un
comportament diferit, înregistrând rezultate mai bune sau mai slabe, comparativ
cu cealaltă antenă.
Antenele pentru comunicații prin satelit , joacă un rol important în cadrul
echipamentelor militare de comunicații, fiind componentele cheie ale acestora.
Aleg erea tipului potrivit de antenă pentru o anumită aplicație militară, este o
decizie deloc ușor de luat. Astfel, consider că , deși nu stabilește o antenă general
superioară celorlalte, studiul de față este util, simplificând luarea u nei asemenea
decizii. De aceea, alegerea tipu lui potrivit de antenă pentru o anumită aplicație
militară, este o decizie ce implică responsabilitate , care trebuie facută în funcție
de cerințele impuse, nevoi și resursele avute la dispoziție.
65 din 71
BIBLIOGRAFIE
Autori români:
1. Bogdan, I., Miroiu, C., Sofron, E., Comunica ții moderne, Antene (vol. 1) ,
București, Editura Sel Soft Computer, 1995
2. Bogdan, O. I., Antene și linii, Curs , Sibiu, Editura Academiei Trupelor de
Uscat, 2000
3. E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist vol 1, Editura Tehnica,
Bucuresti, 1987
4. E. Nicolau, Manualul Ingineristului Electronist vol 3, Editura Tehnica,
Bucuresti, 1989
Autori străini:
5. Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, Third Edition , New
Jerse y, John Wiley & Sons, Inc, 2005
6. Balanis, C. A., Modern Antenna Handbook , New Jersey, John Wiley &
Sons, Inc, 2008.
7. Carr, J. J., Antenna Toolkit 2nd Edition , Oxford, Newnes, 2001.
8. Johnson, R. C., Antenna Engineering Handbook, Third Edition , New
York, McGraw Hill Book Company, 1993.
9. Milligan, T. A., Modern Antenna Design, Second Edition , New Jerse y,
John Wiley & Sons, Inc, 2005
10. S.D.ILICEV, Global Mobile Satell ite Comunications for Maritime, Land
and Aeronautical Applications, Springer, 2005
11. Ulaby, F. T., Fundamentals of Applied Electromagnetics , Fifth Edition,
New Jersey, Pearson Prentice Hall, 2006
12. Volakis, J. L., Antenna Engineering Handbook, Fourth Edition , New
York, McGraw Hill Book Company, 2007
Surse Internet:
13. Aplicații telecomunicații:
http://www.esa.int/Our_Activities/Telecommunications_Integrated_Appli
cations/Satellite_frequency_bands
14. Antene si Feedhornuri: http://www.antena –
satelit.ro/upload/fck/File/ Antene%20si%20%20Feedhornuri -1.pdf
15. Aspecte generale privind sistemele de comunicație prin radiorelee și
sateliți :
http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/vlcehan/discipline%20predate/rrc
s/RRCS_cap%201.pdf
16. Comunicații prin satelit: http://ftp.utcluj.ro/p ub/users/dadarlat/master –
anVII/curs5 -com-satelit.pdf
66 din 71
17. Curs Parametrii Antenelor, online:
http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electronica/parametrii -antenelor –
111205.html
18. Design antene: http://www.ve3sqb.com/
19. Tehnologii geodezice spațiale:
http://www.ct.upt.ro/users/AlinaBala/Tehnologii_Geodezice_Spatiale.pdf
20. Tehnologii si arhitecturi pentru puncte de acces la satelit si
servicii de date:
http://www.bitnet.info/proiecte/hotsat/web_retele_wireless_heterogene_ter
estre_spatiale.pdf
67 din 71
Anexe:
Anexa nr. 1
Măsurători practice ale câștigului antenei horn, în funcție de unghiul
[°] P
[dBm] P
[dB] [°] P
[dBm] P
[dB]
[°] P
[dBm] P
[dB]
-90 -68.05 -98.05 -30 -47.96 -77.96 30 -44.05 -74.05
-88 -70.6 -100.6 -28 -44.2 -74.2 32 -43.78 -73.78
-86 -71.2 -101.2 -26 -40.73 -70.73 34 -44.8 -74.8
-84 -70.9 -100.9 -24 -39.55 -69.55 36 -48.23 -78.23
-82 -71.3 -101.3 -22 -43.14 -73.14 38 -57.7 -87.7
-80 -72 -102 -20 -54.2 -84.2 40 -56 -86
-78 -72.3 -102.3 -18 -41.5 -71.5 42 -52.72 -82.72
-76 -68.7 -98.7 -16 -37.47 -67.47 44 -56.8 -86.8
-74 -71.2 -101.2 -14 -35.8 -65.8 46 -61.15 -91.15
-72 -67.3 -97.3 -12 -35.04 -65.04 48 -64.9 -94.9
-70 -71.5 -101.5 -10 -34.2 -64.2 50 -64.5 -94.5
-68 -65.7 -95.7 -8 -31.3 -61.3 52 -63.65 -93.65
-66 -71.4 -101.4 -6 -28.75 -58.75 54 -68.1 -98.1
-64 -68 -98 -4 -26.92 -56.92 56 -61.9 -91.9
-62 -65.3 -95.3 -2 -25.91 -55.91 58 -69.2 -99.2
-60 -64.7 -94.7 0 -25.51 -55.51 60 -65.3 -95.3
-58 -64.3 -94.3 2 -26.63 -56.63 62 -71.4 -101.4
-56 -62 -92 4 -26.98 -56.98 64 -65.5 -95.5
-54 -69 -99 6 -28.28 -58.28 66 -69.3 -99.3
-52 -59.7 -89.7 8 -30.12 -60.12 68 -67.7 -97.7
-50 -65.15 -95.15 10 -31.65 -61.65 70 -71.1 -101.1
-48 -69 -99 12 -33.96 -63.96 72 -68.7 -98.7
-46 -58.1 -88.1 14 -38.12 -68.12 74 -70.6 -100.6
-44 -53.4 -83.4 16 -44.34 -74.34 76 -70.2 -100.2
-42 -58.3 -88.3 18 -47.26 -77.26 78 -69.5 -99.5
-40 -57.5 -87.5 20 -40.04 -70.04 80 -72.2 -102.2
-38 -52.43 -82.43 22 -38.25 -68.25 82 -69.5 -99.5
-36 -50.83 -80.83 24 -39.57 -69.57 84 -71.7 -101.7
-34 -51.69 -81.69 26 -44.4 -74.4 86 -70.8 -100.8
-32 -53.01 -83.01 28 -45.5 -75.5 88 -71.2 -101.2
90 -71 -101
68 din 71
Anexa nr. 2
Caracteristicile de radia ție 2D pe ntru zenit ale antenei horn , consider ând antena
izolat ă în spa țiu, la fr ecvențele 300MHz, 600 MHz, 900 MH
69 din 71
Anexa nr. 3
Caracteristic ile de radiație 2D pentru zenit ale antenei horn, în apropierea unei
suprafețe conductoare , la frecvențele 300MHz, 600 MHz, 900 MHz
70 din 71
Anexa nr. 4
Caracteristi cile de radiație 2D pentr u zenit ale antenei parabolice , considerând
antena izolată în spațiu , la frecvențele 300MHz, 600 MHz, 900 MHz
71 din 71
Anexa nr. 5
Caracteristicile de radiație 2D pentru zenit ale antenei parabolice , în apropierea
unei suprafețe conductoare, la frecvențele 300MHz, 600 MHz, 900 MHz
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: TEMA: „STUDIUL ANTENELOR PENTRU COMUNICA ȚII PRIN SATELIT, CU APLICABILITATE MILITARĂ” CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC Prof. univ. dr. ing. BOGDAN OCTAVIAN… [617393] (ID: 617393)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.