Antene de Referinta

1. NOȚIUNI GENERALE. ANTENE DE REFERINȚĂ

1.1 LOCUL ȘI ROLUL ANTENELOR

Pentru realizarea unei linii de radiocomunicație de orice tip, este necesar să existe un emițător, un receptor și instalațiile de antenă-fider, care realizează, adaptarea acestora cu mediul prin care se propagă undele electromagnetice.

Funcționarea aparaturii de emisie și recepție se studiază la cursuri independente. Pentru cunoașterea temeinică a funcționării liniei radio nu este sufieientă numai însușirea acestora, trebuie cunoscute și instalațiile de antenă-fider și de asemenea, particularitatea propagarii undelor radio.

Antenele se utilizează atât pentru radierea cât și pentru captarea undelor radio. Denumirea de antenă, vine de la cuvintul latin “antenna”, care înseamnă catarg, bară, tija. Aceasta se explică prin faptul că primele antene utilizate au fost realizate sub formă de bare sau tije metalice.

Antenele se leagă de emițător și receptor prin intermediul liniei de alimentare numită și fider. Cuvântul englez “feed” înseamnă a alimenta, iar feeder- alimentator. Fiderul este destinat pentru transmiterea energiei de înaltă frecvență de la emițător la antenă sau de la antenă la receptor. Ca fider se utilizează linia simetrică, nesimetrică sau ghidul de undă.

Energia dată de o sursă de curent continuu sau alternativ, ca să poată fi radiată, trebuie transformată în prealabil în energie a curenților de înaltă frecvență. Mai mult decât atât, pentru a transmite informație acești curenți trebuie să fie modulati, adică prin intermediul semnalului de transmis trebuie să fie modificată într-un fel amplitudinea, faza sau frecvența lor. Curenții de înaltă frecvență modulați intră în antenă (fig.1.1) care transformă energia lor în energia radiată sub forma undelor radio.

În unele cazuri, undele radio nu trebuie să fie radiate în toate direcțiile, ci numai într-o direcție determinată sau numai într-un anumit plan. La stațiile de radiodifuziune și televiziune este preferabil ca undele să se propage numai de-a lungul suprafeței pământului (în plan orizontal); la stațiile terestre pentru legături prin sateliți artificiali ai Pămintului, numai în direcția satelitului, la statiiile de radiolocație în direcția țintei etc. Deci este necesar ca instalațiile de antenă-fider să aibă o selectivitate spațială numită directivitate.

Fig.1.1. Schema bloc a instalației de emisie

Totodată antenele funcționează bine numai în banda de frecvențe și cu instalația pentru care au fost proiectate, ele au deci și o selectivitate în frecvență.

Antena de emisie are rolul de a transforma energia curenților de înaltă frecvență în energia undelor electromagnetice și de a asigura radierea acestora în direcții bine determinate.

Instalația de recepție are principalul rol de a reproduce semnalul purtător de informație, care a modulat undele radiate de antena de emisie. Energia necesară pentru reproducere este luată de la o sursă locală (fig.1.2). Rolul energiei captate de antenă, este de a comanda energia locală, dându-i forma necesară pentru reproducerea semnalului recepționat. În prealabil, este necesar să se efectueze transformarea energiei undelor, în energie a curenților de inalta frecvență.

Funcționarea instalației de recepție se complică datorită faptului că antena sa se găsește sub acțiunea unei multitudini de semnale perturbatoare, radiate de antenele altor stații de radio, provocate de descărcările electrice din atmosferă, de periile motoarelor de tramvai, troleibuz, etc.

Fig.l.2 Schema bloc a instalației de recepție.

Acțiunea dăunătoare a undelor radio nedorite poate fi înlăturată pe diferite cai. Metodele sunt expuse în manualele care tratează probleme legate de receptoare radio.

Deci, antena de recepție are rolul de a transforma energia undelor radio, în energia curenților de înaltă frecvență, asigurând în același timp și o selectare a semnalului util.

Antenele de emisie și de recepție, care transformă energia dintr-o formă în alta, fac parte din clasa motoarelor și generatoarelor, întrebuințate în diferite domenii ale tehnicii. Aceasta constatare este foarte importantă din doua puncte de vedere. În primul rând, permite o justă orientare în condițiile tehnice pe care trebuie să le satisfacă antenele. În al doilea rând, permite să se folosească în studiul antenelor, unele legi comune tuturor generatoarelor de o forma sau alta.

O antenă de recepție, care apare în esență ca un generator de energie electrica, se supune în ce privește calculul curentului la borne, a puterii ș.a.m.d, acelorași legi de bază ca și generatoarele de curent. Un motor electric și un generator sunt reversibile. După cum se va arăta, și antenele (de emisie și recepție) sunt reversibile și permit să se determine proprietățile unei antene de recepție, pe baza datelor de funcționare ale aceleiași antene, utilizată ca antenă de emisie și invers.

1.2 DEZVOLTAREA TEORIEI ȘI TEHNICII ANTENELOR

Istoria radiocomunicațiilor se caracterizează prin inventarea aproape simultană a emițătoarelor și receptoarelor și a instalaițiilor de antene corespunzătoare. Bazându-se pe experiențele lui Michael Faraday, James Clerk Maxwell a formulat modelul matematic al electromagnetismului în lucrarea “A Treatise on Electricity and Magnetism” apărută în anul 1873. El a arătat că și lumina este o undă electromagnetică (EM) și că toate undele EM se propagă prin spațiu cu aceeași viteză, care depinde de proprietățile dielectrice si magnetice ale mediului.

În anul 1886 Heinrich Rudolph Hertz a confirmat, pe cale experimentală, legile lui Maxwell. Hertz a folosit trei tipuri de radiatoare ca dispositive de transformare a energiei curenților de înaltă frecvență în energia undelor electromagnetice. La început Hertz a folosit dipolul simetric elementar electric. Acesta se compune din două tije groase sau două sfere metalice legate la secundarul unei bobine de inducție. La apariția unei scântei între sfere (tije), în dipol au loc oscilații amortizate. Dipolul lui Hertz a fost primul generator de oscilații amortizate din lume. Prima antenă de recepție de tip cadru a fost dipolul elementar magnetic, numit rezonatorul lui Hertz. Acesta a fost o antenă formată dintr-o spiră cu distribuția uniformă a curentului. Mai târziu Hertz a construit o antenă de emisie-recepție cu reflector. Reflectoarele folosite au fost parabolice și cilindrice și au fost realizate din foi metalice. De-a lungul axei focale au fost fixați dipoli simetrici electrici.

Odata cu inventarea radioului, a fost folosită și antena, ca parte componentă a emițătorului și receptorului radio. Încă de la începutul secolului al XX-lea, antena este considerată o construcție independentă a instalațiilor de emisie și recepție.

A doua etapă a dezvoltarii radiocomunicațiilor și a tehnicii antenelor poate fi caracterizată prin trecerea de la undele foarte scurte (66 cm și mai scurte), folosite în experiențele lui Hertz la undele medii și lungi. Având la bază rezonatorul lui Hertz se realizează în tehnica antenelor de receptie – antenele directive tip cadru. În anul 1895 Alexander Popov a utilizat ca antenă conductorul vertical și cel înclinat, puse la pământ. Acestea au fost primele antene nesimetrice utilizate în practică. Din punct de vedere teoretic antenele nesimetrice au fost studiate în anul 1901 de către omul de știință german M. Abraham.

Guilermo Marconi (părintele radioului) a reușit să transmită semnale la distanțe foarte mari. În 1901 el a realizat prima transmisie transatlantică din Poldhu (Cornwall- England) până în Newfoundland, Canada.

În cea de-a treia etapă, începând cu perioada anilor 1924-1927, tehnica antenelor se îmbogățește cu o serie de antene de tipuri noi, sub formă de antene directive de unde scurte. Dipolul lui Hertz este înlocuit cu o antenă simetrică, formată, dintr-un conductor cu lungimea egală cu jumătatea lungimii de undă. Această antenă, numită dipol simetric în , se folosește separat sau ca element component al unor antene complexe. La începutul deceniului al IV-lea apar antena în V și cea rombică. Aceste antene funcționează atât cu unde staționare cât și cu unde progresive. În cel de-al IV-lea deceniu al secolului XX, în domeniul radiocomunicațiilor s-a revenit la utilizarea undelor foarte scurte, însă la un nivel științific și tehnic mai ridicat decât pe timpul când se efectuau primele experiențe cu aceste unde. Utilizarea undelor foarte scurte în radiocomunicații a marcat apariția de noi tipuri de antene, mult diferite de cele utilizate în gama undelor lungi, medii și scurte. Proiectarea acestor antene necesită calcule mult mai complicate iar realizarea lor necesită o tehnologie și o execuție tehnică mult mai pretențioase.

Aceasta este cea de-a patra etapă în dezvoltarea teoriei și tehnicii antenelor. Trebuie remarcat că, dezvoltarea teoriei și tehnicii antenelor este strâns legată de dezvoltarea tehnologică a societății. Fără o industrie bine dezvoltată nu ar fi posibilă realizarea unor antene având diametrul reflectorului de peste 500 de metrii, folosite în radioastronomie. Astfel se explică și faptul că teoria și tehnica antenelor au căpătat o largă dezvoltare mai ales în țările avansate din punct de vedere industrial.

În etapa actuală rezultate importante s-au obținut în domeniul tehnicii antenelor utilizate la noile sisteme de telecomunicații terestre și spațiale, nave și navete spațiale și la stațiile automate interplanetare. Realizarea unor antene, care să intre în compunerea instalațiilor sateliților artificiali, să permită instalarea acestora pe rachete purtătoare și după desprinderea lor să asigure legatura cu centrele de comandă de pe Pamânt, a constituit o mare realizare a savantilor și cercetătorilor, care lucrează în acest domeniu.

Transmiterea fotografiei reversului Lunii de către o stație automată interplanetară în octombrie 1959, transmiterea în anii următori a unor imagini de pe planetele Marte, Mercur și Venus și a unor rezultate ale masurătorilor efectuate în atmosfera și la suprafața acestor planete, au necesitat și instalașii de antene speciale. Faptul că receptionarea imaginilor și a datelor transmise a fost fa-cută în foarte bune condiții a demonstrat înaltul nivel atins de știință și tehnică în acest domeniu.

O dezvoltare deosebită au căpătat în ultimul timp și antenele de unde metrice și decimetrice utilizate în radiorelee la vizibilitate directă, radiorelee troposferice, radiodirijare, ratdiolocație, radioastronomie etc.

Rețelele de antene au un rol deosebit de important deoarece cu ele se poate realiza balansarea fascicolului undelor radio fără mișcarea antenei. Ca un exemplu putem da panoul (rețeaua) sistemului de dirijare Patriot ce conține 10.000 de antene comandate în fază montate pe o matrice de 100 x 100 de antene primare.

În România, în 1914, a fost instalat un post de emisie-receptie, care a stabilit legătura cu Parisul, folosind o antenă de 75 m. În anul 1915 Vasilescu Karpen instalează antena unui post de 40 kW pe doi piloni de câte 80 m. În anul 1916 se instalează o antenă susținută de opt piloni de câte 100 m înaltime pentru un emitator de 150 kw etc.

În ceea ce privește aportul adus dezvoltării teoriei telecomunicațiilor în general și a antenelor în special, trebuie amintită activitatea depusă de prof.ing. I. Constantinescu (1884-1963), realizatorul și organizatorul primului laborator de telecomunicatii. Prof. I. Constantinescu a publicat lucrări științifice de valoare și a ținut numeroase conferințe, de înalt nivel științific, dezvoltând interesul studenților pentru cele mai noi probleme din tehnica telecomunicatiilor. Domeniul antenelor a devenit o preocupare a oamenilor de știință și tehnicienilor din țara noastră. Din punct de vedere teoretic s-au ocupat mai îndeaproape de problemele antenelor profesorul Tudor Tanasescu (1901-1961) profesorul Gheorghe Cartianu, profesorul Vasile Catuneanu și profesorul Edmond Nicolau.

În dezvoltarea tehnicii antenelor, un rol însemnat le revine și radioamatorilor din lumea întreagă. Pasiunea lor pentru realizarea unor legături cât mai variate, interesul pe care 1-au manifestat față de tehnica radio în general și față de antene în special, a dus la realizarea multor tipuri noi de antene, îmbogățind astfel tehnica antenelor. Nu odată ei au găsit soluții ingenioase, care apoi au fost studiate teoretic și generalizate în practică. Și în prezent, activitatea lor are o mare însemnătate în ce privește dezvoltarea tehnicii antenelor precum și prin observațiile făcute în legătura cu propagarea undelor radio.

CLASIFICAREA ANTENELOR

Principiile de funcționare și particularitățile constructive ale antenelor de diferite tipuri depind în sare măsură, de gama de frecvențe în care lucrează. Din acest motiv înaintea clasificării propriuzise a antenelor, se va face o prezentare a modului cum este împărțit convențional spectrul undelor electromagnetice. Undele radio sunt unde electromagnetice cu frecventa cuprinsă între limitele .

Cercetarile din ultimii ani arată că în natură, există fenomene la care apar unde radio de frecvență foarte joasă, ce poate fi exprimată în miimi de Hz. Astfel de unde apar din cauza fluctuațiilor fluxului de electroni și protoni, emis de Soare, la trecerea acestora prin atmosfera terestră.

Undele radio cu frecvența foarte joasă sunt strâns legate de undele mecanice, care apar într-o plasmă și care au primit denumirea de unde magnetohidrodinamice. Unde radio cu frecventă foarte joasă apar și la descărcările electrice atmosferice.

În ce privește limita superioară a frecvenței undelor radio, pâna nu de mult, se indicau frecvențe în jur de , în gama undelor submilimetrice. Cercetarile din ultimul timp au aratat ca generatoarele moleculare permit generarea undelor radio din gama optică, care cuprinde și gama undelor ultraviolete.

Pe măsura dezvoltării științei și tehnicii limita superioară a frecvenței undelor radio va depași limita convențională de . Clasificarea undelor radio și denumirea lor se face în multe moduri. Cea mai cunoscută este însa așa numita împărțire zecimală (Tabelul 1.1). Denumirea undelor este legată de lungimea de undă în vid. Tabelul 1.1

Benzile de frecvențe reglementate de IEEE US sunt:

Benzile de frecvențe folosite în domeniul radiocomunicațiilor militare și codificarea acestora, adoptate de țările membre U.E. si N.A.T.O. sunt:

Benzile de frecvență utilizate pentru ghiduri de undă:

1.4 ANTENE DE REFERINȚĂ

Studiul teoretic al oricărui tip de antenă se poate face cu ajutorul antenelor de referință teoretice și a antenelor de referință reale.

În grupa antenelor de referință teoretice intră: dipolul elementar electric- DEE, dipolul elementar magnetic-DEM și radiatorul izotrop punctiform-RIP. Ca antene de referință reale, în practică cele mai uzuale sunt dipolul simetric în /2 pentru antenele liniare și antena ghid de undă pentru antenele de suprafață. Antenele de referință sunt foarte importante și pentru faptul că parametrii lor sunt „etaloane“ la care se raportează parametrii tuturor antenelor reale, făcând deci posibilă determinarea lor univocă.

1.4.1. DIPOLUL ELEMENTAR ELECTRIC (DEE)

Prin dipol elementar electric se înțelege o antenă formată dintr-un conductor cu diametrul d, cu o lungime foarte mică în comparație cu lungimea de undă dl (practic, l<λ/50) , de-a lungul căruia curentul are aceeași amplitudine și fază.

Fig. 1.3 Dipolul elementar electric

Realizarea unei antene de dimensiuni finite, în care amplitudinea și faza curentului să fie invariabile pe toată lungimea ei, nu este posibilă. De aceea DEE este o antenă fictivă, un radiator convenabil studiului teoretic. O antenă reală de lungime finită poate fi considerată ca fiind compusă dintr-o sumă de DEE. Prin însumarea câmpurilor radiate de DEE considerați, se poate obține câmpul radiat de antena liniară. Pentru determinarea intensității câmpului electric și a celui magnetic în jurul DEE se utilizează relațiile care dau aceste mărimi în functie de potentialul vector și potențialul scalar , și anume:

(1.1)

și:

(1.2)

Dacă se presupune că oscilațiile sunt armonice, se poate scrie:

De aici rezultă că:

(1.3)

(1.4)

Între potențialul vector și potențialul scalar , există relația de legătură , numită și condiția Lorentz:

(1.5)

Dacă se înlocuiește în această relație valoarea lui din relația (1.3) se obține:

(1.6.)

De asemenea, dacă se înlocuiește valoarea lui din (1.4.) și a lui din

(1.6) în relația (1.2.), se obține:

(1.7.)

Această relație, împreună cu relația (1.1.) dă posibilitatea să se calculeze toate componentele unui câmp electromagnetic, în cazul în care se cunoaște potențialul vector .

Potențialul vector este dat de relația:

(1.8)

unde dV este elementul de volum în care este dată densitatea curentului (), iar r este distanța de la elementul de volum până la punctul în care se determină valoarea lui ; v este viteza de propagare a undelor electromagnetice în mediul respectiv.

Pentru curenți liniari si oscilații armonice ale acestora relația (1.8.) devine:

(1.9)

unde este curentul de conducție care circulă prin conductor, = este constanta de de faza, iar l lungimea conductorului dat.

Fig. 1.4 Dispunerea DEE în coordonate sferice

Pentru DEE, conform definiției, rămâne invariabilă pe toată lungimea conductorului l și poate fi scoasă de sub semnul integralei. În afară de aceasta, presupunând ca , pot fi considerați constanți și termenii care depind de r.

În felul acesta se obține relația:

(1.10)

Dacă se alege în mod convenabil sistemul de axe de coordonate și anume axa z să coincidă cu axa dipolului, iar originea sistemului să fie în mijlocul dipolului, atunci vectorul nu are componente de–a lungul axelor x și y, adică , iar .

Din cauza simetriei axiale a dipolului elementar electric, este convenabil să se folosească relații care determină câmpul electric și cel magnetic în sisteme de coordonate sferice sau cilindrice.

Intensitatea câmpului electric și a celui magnetic, în sistemul de coordonate sferice, sunt date de componentele: ,,,,și . Ținând seama de faptul că:

și

și de relațiile de legătură dintre coordonatele carteziene și cele sferice, se ajunge în final la următoarele relații pentru componentele vectorilor și :

,

,

(1.11)

Reamintim ca în sistemul internațional de unitați (S.I.), E se exprimă în V/m iar H în A/m.

Câmpul radiat de DEE se poate împărți în trei zone: zona apropiată sau zona de inducție cand , zona îndepartată sau de radiație unde și zona intermediară unde .

În zona de inducție fiecare din componentele câmpului E și H sunt determinate, în principal, de termenul cu puterea cea mai mare a lui 1/r. Prin urmare, câmpul electric se modifică invers proportional cu puterea a treia a lui r, ceea ce este caracteristic pentru câmpul electric al dipolului static, iar câmpul magnetic se modifică invers proportional cu puterea a doua a distanței r, ceea ce este caracteristic pentru câmpul magnetic al elementului de curent constant. În această zonă câmpurile electric și magnetic sunt defazate cu 90. În zona apropiată câmpul dipolului elementar electric este cvazistationar. În zona de radiație fiecare din componentele câmpului E și H sunt determinate, în principal de termenul cu puterea cea mai mică a lui 1/r. Prin comparație se neglijează și se obțin pentru zona de radiație expresiile:

,

iar

(1.12)

unde este versorul razei vectoare.

Din relațiile (1.12) se vede, că la distanțe mari de DEE se formează o undă electromagnetică sferica transversala (T) care are următoarele caracteristici:

punctele de egală fază a câmpului se gasesc pe sfera de r=constant cu centrul în punctul de dispunere a dipolului;

componentele electrică și magnetică ale câmpului sunt în fază;

câmpul este polarizat liniar, cu orientarea vectorului câmp electric aceeași cu axa de coordonată (tangentă la meridianul ce trece prin punctul de interes M ), iar a vectorului câmp magnetic aceeași cu a axei de coordonate (tangentă la o paralelă ce trece prin M); ambii vectori fiind tangenți la suprafața sferei în M;

raportul dintre vectorul câmp electric și cel magnetic este ;

pentru o valoare dată a curentului, intensitatea câmpului magnetic și a celui electric sunt proporționale cu raportul l/.

Expresia câmpului electric din relația (1.12.), în urma unor transformări simple, poate fi scrisă și sub următoarele forme:

, (1.13.)

, (1.14.)

1.4.2. DIPOLUL ELEMENTAR MAGNETIC (DEM)

S–a stabilit că un curent electric circular crează un câmp magnetic cu aceeași structură ca și câmpul electric radiat de un dipol electric. Curentul electric circular a primit denumirea de dipol magnetic.

Dacă printr–o spiră trece curent electric de înaltă frecvență circular, ea radiază un câmp electromagnetic. Un curent de înaltă frecvență circular se numește DEM, dacă:

spira este plană ;

perimetrul spirei p este mult mai mic decât lungimea de undă ;

curentul I are aceeași amplitudine și fază în orice punct a spirei I(,t)=const. unde este coordonata punctelor spirei (unghiul la centru).

În cazul DEM ne plasăm în sistemul de coordonate sferice. Componentele câmpului electromagnetic radiat de DEM, se determină în mod analog cazului câmpului radiat de DEE. Utilizând principiul reciprocitații se obțin relațiile corespunzătoare pentru zona de radiație:

(1.15)

în care este așa numitul curent magnetic, care are sens numai din punct de vedere teoretic și poate fi determinat pe baza principiului înlocuirilor reciproce, iar l este lungimea dipolului electric echivalent prin care trece curentul . Din relațiile (1.12) și (1.15 ) rezultă că, dacă momentul curentului din dipolul electric este egal cu cel din dipolul magnetic , atunci câmpul magnetic al dipolului electric este numeric egal cu câmpul electric al dipolului magnetic și de semn opus. Câmpul electric al dipolului electric, în același caz este mai mare de ori, decât câmpul magnetic și au același semn.

Fig. 1.5. DEM

Atât DEE cât și DEM au aceeași funcție de directivitate normată F()=sin. Pentru a reprezenta diverse funcții de directivitate se poate folosi mediul de programare MATHCAD.

1.4.3 RADIATORUL IZOTROP PUNCTIFORM

Din punct de vedere teoretic o importanță deosebită are noțiunea de radiator izotrop punctiform RIP. Aceasta este o antenă fictivă ce nu poate fi realizată practic. Ea radiază uniform, având aceleași proprietăți de radiație în toate direcțiile. Fiind o antenă ideală ea este considerată fără pierderi. În unele situații se poate forța definiția antenei considerând-o cu pierderi sau cu radiație directivă. Prin analogie cu expresia câmpului radiat de DEE se poate considera expresia câmpului radiat de un RIP este de forma:

(1.16)

Dacă se consideră că RIP este o antenă directivă, la relația (1.16.) se mai adaugă ca factor funcția de directivitate .

1.4.4 ANTENE DE REFERINȚĂ REALE

Antenele de referință prezentate mai sus sunt pur teoretice, ele nu există în realitate și deci la ele nu putem referi antenele reale. Pentru determinarea parametrilor în cazul antenelor reale este necesar să avem ca referințe tot antene reale. Este unanim acceptat că antenele de referință reale sunt: dipolul simetric în pentru antene liniare și antena ghid de undă pentru antene de suprafață. Dipolul simetric în este o antenă liniară cu lungime și diametrul conductorului . Antena ghid de undă este așa cum arată și numele suprafața de deschidere a unui ghid dreptunghiular, circular sau eliptic.