CAP .1 Introducere … … ..5 [631583]

1

2

3
CUPRINS
CAP .1 Introducere …………………………………………………………………………… …… …..5
1.1 Noțiuni generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 5
1.2 Scurt istoric GPS ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 6
1.3. Motivarea alegeri temei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 6
1.4. Descrierea proiectului de diploma ………………………….. ………………………….. ………………………. 7
CAP. 2 Sistemul GPS ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 8
2.1 Structura Sistemului GPS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 8
2.2 Conținutul semnalului GPS ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 12
2.3 Prelucrarea semnalului GPS ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 14
2.4 Politica de Siguranță a sistemului GPS ………………………….. ………………………….. ………………. 15
2.5 Poziționarea cu ajutorul Tehnologiei GPS ………………………….. ………………………….. ……….. 16
2.6 Integrarea diferitelor sisteme cu GPS -ul ………………………….. ………………………….. ………….. 17
2.7 GPS -ul și sistemul de telefonie celular ………………………….. ………………………….. ……………….. 18
CAP.3 Descrierea antenelor GPS utilizate în p rezent ………………………….. ………………………….. . 20
3.1 Descrierea antenelor utilizate ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 20
3.2 Parametrii de bază ai antenelor ………………………….. ………………………….. …………………………. 21
3.2.1 Frecvența de rezonanță ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 21
3.2.2 Câștigul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 21
3.2.3 Impedanța ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 22
3.2.4 Eficie nța ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 22
3.2.5 Lățimea benzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 23
3.2.6 Polarizarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 23
3.3 Propri etăți de bază ale antenei de tip patch ………………………….. ………………………….. ………… 24
3.4 Configurația unei antene de tip patch ………………………….. ………………………….. ………………… 25
3.4.1 Dimensiuni ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 26
3.4.2 Potrivirea impedanței ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 27
3.4.3 Diagrama radiațiilor polare ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 28
3.4.4 Câștigul antenei de tip patch ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 29
3.4.5 Banda de frecvență ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 29
CAP. 4 Analiza și simularea antenei de tip patch ………………………….. ………………………….. ……. 31
4.1 Descrierea softului utilizat pentru modelarea antenelor de tip patch ………………….. 31
4.2 Simularea în Programul Antenna Magus ………………………….. ………………………….. ……….. 33
4.3 Analiza și simularea antenei patch cu Network Analyzer E5062A ……………………… 40
Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 46

4

5

CAP.1 Introducere
1.1 Noțiuni generale

Deși necesitatea existenței unui s istem de localizare geografică la nivel global există
de mult timp, atât în domeniul civil cât și în domeniul militar, cauza principală care a condus
la apariția sistemului GPS a fost amenițarea unui atac nuclear la adresa Statelor Unite ale
Americii din timpul Răzb oiului Rece.
Sistemul GPS (Global Positioning System) este un sistem de localizare în spațiu folosit
de către Departamentul de Apărare (Department of Defence) al Statelor Unite ale Americii ,
încă din anii ′′ 70. Astfel în 1973 au fost puse baz ele rețelei de sateliți Navstar care stă la
baza sistemului GPS așa cum este și el cunoscut. Cu ajutorul sistemului GPS, orice utilizator
care deține un receptor GPS are acces în mod gratuit la rețeaua de sateliți putându -și stabili
locația obținând trei coordonate: latitudine, longitudine și altitudine. Inițial GPS a fost proiectat
pentru aplicații militare, curând după ce acest obiectiv a fost atins a devenit evident că GPS
va putea fi folosit și pentru scopuri civile păstrând to tuși anumite proprietăți numai pentru
domeniul militar. Primele două aplicații civile au fost navigația maritimă și măsurătorile
terestre. [1]
Domeniile de utilizare ale sateliților artificiali sânt numeroase și deosebit de
diversificate, printre acestea de o deosebită importanță strategică în domeniul militar și de
largă utilitate în domeniul civil fiind dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigație care
permit poziționarea deosebit de precisă a mijloacelor de transport aeriene, maritim e și terestre
aflate în mișcare sau în repaus.
Această tehnologie și -a găsit deasemenea o largă aplicabilitate și în domeniul
comunicațiilor mobile prin realizarea unor rețele la nivel național sau global, contribuții la
localizarea utilizatorului cu o precizie foarte exactă .

6
1.2 Scurt istoric GPS

Ideea de a utiliza sateliții ca ajutor în navigație a condus la lansarea de către US
Navy , a fost primul satelit de navigație (Transit 1B) la 13 aprilie 1960. Rețeaua a devenit
operațională din 1964 cu cinci sateliți i . În aceiași perioadă US Navy și US Air Force se
angajează separate în două programe ambițioase care vor fi reunite în 1973 de către DOD în
programul NAVSTAR -GPS.
Realizarea proiectului a debutat prin contractarea cu Rockwell International a 12
sateliți, numiți ulterior sateliții din Blocul I. Aceștia au fost lansați în perioada 1978 – 1985,
aveau orbite circulare cu înclinația de 63°, la bord exista u 2 ceasuri atomice cu rubidium și
unul cu cesiu iar durata lor de viață a fost de 5 ani , astazi acești sateliți nu mai sunt
operaționali. A urmat între 1989 -1990 lasanrea a 9 sateliți din Blocul II , cu durata de viață
7 ani, dotați cu două ceasuri atomice cu rubidium și două cu cesiu. Înclinația planurilor
orbitale era de 55°. Următori 18 sateliți ( Blocul IIA), lansați începând din 1990 , au același
producător și în principal același caracteristici ca precedenții. [2]
Dezvoltarea constelației a continuat cu lansarea sateliților din Blocul IIR fabricați de
Lockheed Martin și Blocul IIF . În noiembrie 2000, Lockheed Martin și Boeing după un
an de studiu , au început proiectarea următoarei generații de s ateliții GPS , care vor fi
cunoscuți ca Blocul III. [2]
Astăzi sunt peste 24 de sateliți pe orbită , constelația GPS a fost declarată operațională
după ce 24 de sateliți din a doua generație au fost puși în funcțiune în decembrie 1993, la
20 de ani după ce sistemul a fost propus prima dată. Revoluționarea conceptului de navigație
creat de GPS a constituit fundamental dezvoltarea de produse cu aplicație în domenii
recreative, siguranță și sănătatea publică, supravegherea mediul ui, transport, inginerie și
construcții, agricultură, cartografie , etc .

1.3. Motivarea alegeri temei

Motivul alegeri temei ,,Proiectarea unei antene de semnal GPS pentru distanțe scurte”
deriv ă din dorința de a dezbate un studiu de actualitate asu pra sistemelor GPS moderne
utilizate cu antene de tip patch care au construcție relativ simplă și posibilitatea de a se
optimiza în funcție de dorințele utilizatorului.
Acest studiu reflectă importanța sistemel or GPS moderne , cu aplicabilitatea în
majoritatea domeniilor de activitate existente cât și alegere unei soluții eficiente .

7
Această lucrare a fost elaborată în cadrul colaborări pe care am avut -o cu
domnul Inginer de Test Mircea Gavriluț din cadru Plexus Romania și sub îndrumarea
prof. univ dr. ing Gordan Cornelia, unde am avut posibilitatea de -a simula pe diferite
echipamente antena GPS.

1.4. Descrierea proiectului de diploma

Această lucrare se dorește a fi o scurtă descrie re a antenelor de tip patch care sunt din
ce în ce mai folosite în lumea modernă. Totodată se încearcă modelarea antenelor de ace st tip
cu ajutorul softului Antena Magus și urmărirea performanțelor acestui program prin
compararea r ezultatelor obținute cu unele re zultate pe cale experimentală. Se încearcă cu
ajutorul softului amintit demonstrarea unor ipoteze din teoria analizată precum faptul că atunci
când se crește feed offset point se observă o creștere a impedanței sau că per mitivitatea relativă
controlează câmpuril e din jurul antenei analizate.
După cum se poate observa, antenele sunt o parte indispensabilă a vieții noastre și de
aceea se încearcă î mbunătățirea continuă a acestora. Acest lucru s e poate face numai prin
analiza performanțelor antenelor, iar lucrarea de față dorește printre altele a fi o scurtă analiză
antenelor de tip patch cu ajutorul u nui pachet software denumit Antena Magus .
S-a observat că emisiile radiate de către o antenă p ot fi analizate cu acest program, fără
a fi nevoie ca să se analizeze experimental, lucru foarte costisitor în unele cazuri. Utilizatorul
va putea astfel să analizeze mai multe cazuri și să concretizeze doar varianta optimă. Se verifică
totodată variația e ficienței antenei la variația diferiților parametrii pentru a se alege cea mai
bună configurație.

8

CAP. 2. Sistemul GPS
2.1 Structura Sistemului GPS

Acest sistem de poziționare global funcționează pe principiul recepționării de către
utilizator a unor semnale radio emise de o constelație de sate liți de navigație, specializați care
se mișcă în jurul Pământului pe orbite circumterestre.
Sistemul a fost astfel proiectat încât permite ca în orice moment și oriunde pe suprafața
Pământului, un mobil aflat în mișcare sau în repaus, să aibă posibilitatea ca utilizând un
echipament, să își poată stabili în timp real poziția si viteza de deplasare pentru un mobil
aflat în mișcare și numai poziția pentru un mobil aflat în repaus, într -un si stem de coordonate
geometric tridimensional, propriu sistemului de poziționare GPS.
Sistemul GPS este conceput din 3 segmente principale (fig.2 .1)
 Segmentul spațial: construit din constelația de sateliți GPS;
 Segmentul de control: construit din staț iile de la sol, care monitorizează întregul sistem;
 Segmentul utilizatorilor : compus din utilizatorii civili și militari, care folosesc
receptoare GPS dotate cu antenă și anexele necesare; [1]

Fig. 2.1 Curs Tehnologii Geodezice Spatiale [1]

9
 Segmentul spațial
Sateliți NAVSTAR -GPS transmit semnale de timp sincronizate pe două frecvențe
purtătoare, parametri de poziție ai sateliților și informații adiționale cum ar fi starea sateliților.
Constelația NAVSTAR este compusă din 24 de sa teliți care oribitează pâmântul în 12 ore ,
sunt cazuri în care sunt mai mulți de 24 sateliți operaționali, când sunt lansați sateliți noi
pentru înlocuirea celor mai vechi .
Orbitele sateliților repetă aproape același traseu față de pămâ nt (în timp ce pământul
se rotește sub ei) odată în fiecare zi . Altitudinea orbitelor (20 200 km ) este astfel aleasă încât
sateliți repetă același traseu și aceiași configurație deasupra oricărui punct la fiecare 24 ore
aproximativ după cum se po ate observa și în figura 2.2 . Sunt 6 plane orbitale (cu 4 sateliți
fiecare ) , egal spațiate (la 60°) și înclinate la aproximativ 55° față de planul ecuatorial.

Fig. 2.2 Constela ția NASVTAR GPS [2]

Segme ntul spatial care în prezent care este complet, asigură ca la orice oră, în orice
loc pe suprafața Pământului, indiferent de condițiile meteorologice, din perioada din zi sau din
noapte, să se poată recepționa semnale radio de la minimum 4 sateliți dar și mai mulți 6 sau 8,
sub un unghi de elevație de 15° deasupra orizontului, condiții absolute necesare pentru
poziționare. Sarcina principală a sateliților este de a emite semnale, care să poată fi recepționate
cu receptoare adecvate. [1]
Pentru fiecare satelit este prevăzut cu ceasuri (oscilatoare) , un microprocessor și o
anten a, energia necesară fiind furnizată de bateriile solare . Codurile și mesajul de navigare
modulează purtătoarele sub forma unor modulații alternative. Purtătoarele și codurile sunt ma i
ales pentru a determina distan ța de la receptorul de utilizator până la satelit. Mesajul de

10
navigare conține, alături de alte informații, coordonatele (locația) sateliților ca și funcție de
timp.
Semnalele transmise sunt controlate de ceasuri atomice, foarte precise, aflate la
bordul sateliților. Pentru identificarea sateliților se folosește numărul SVN (Space Vehicle
Number) și PRN (Pseudorandom noise). Sursa primară de timp este data de ceasurile cu
Cesiu, este de remarcat ca doi dintre sateliții actuali, PRN05 și PRN06 sunt echipați cu
reflector optici pentru a fi urmăriți prin laser. [1]
Satelitul GPS are un oscilator de înaltă precizie cu frecvența de bază 10,23MHz din
care generează cele două unde purtătoare L1= 1 575,42 MHz și L2= 1 227,60 MHz. Fiecare
sau amândouă dintre aceste purtătoare poate fi modulate în fază cu un semnal complex, format
din 3 coduri binare și anume:
a) Codul C/A (cod achiziție de date) : rolul principal al acestui cod este acela de
a permite cal cularea timpului ,, de sosire” , timpul în care semnalul ajunge de
la satelit, având frecvența de 1,023MHz. Acest cod permite identificarea
precisă a poziției satelitului și receptionează informațiile primite de la
segmentul de control.
b) Codul Nav/ System Data : funcționează la frecvența de 50 Hz , fiind folosit
pentru diverse date transmise pe parcursul orbitării, cât și pentru corectarea
tactului sau a altori parametri de sistem.
c) Codul P (cod de protecție) : având frecvența de 10,230 MHz. C odul P se
modifică la 7 zile și include ,,Codul Y ” catalogat ca strict secret. [2]
În general, receptoarele sunt echipate cu ceasuri de cristal care nu pot stabiliza timpul
ca și ceasurile stabile ale satelitului, implicit și distanța măsurată va fi afectată de eroarea de
ceas a receptorului. Această cantitate măsurată este cunoscută ca ,,pseudodistanță" și de aceea
utilizatorul trebuie să urmărească 4 sateliți și să rezolve 4 ecuații cu 4 necunoscute :
componentele preciziei 3D(x,y,z) și corecția de ceas a receptorului (dT).
 Segmentul de control
Segmentul de control al sistemului GPS este construit din stațiile specializate de la sol
care actualmente sunt în număr de cinci și sunt dispuse aproximativ uniform în jurul
Pământului, î n zona ecuatorială (fig 2.3)

11

Fig 2.3 – Stațiile de control ale sistemului GPS [1]
Datele de la stațiile de urmărire (stații monitor), a căror poziții sunt bine cunoscute,
sunt transmise către stații master , aici orbitele satelițiilor sunt precalculate împreună cu
corecțiile de ceas ale sateliților. Aceste date sunt apoi tran smise satelițiilor corespunzători
formând o parte esențială a mesajului satelitului.
Sincronizarea timpului sateliților este una din funcțiile cele mai importante ale
segmentului de control. De aceea, stația master este conectată direct cu timpul st andard al
Observatorului Naval al USA din Washinton D.C. ,,Defense Mapping Agency ” (D.M.A) este
serviciul care furnizează efermeriade precise pentru sateliții sistemului GPS pe o bază de
calcul săptămânal .
D.M.A operează cu 5 stații monitor, distribuite global pentru a întări acoperirea
sateliților furnizate de către cele 5 stații monitor ale Fortelor Aeriene (U.S.A.F). Aceste stații
sunt: Colorado Spring din Colorado care este stația master (Master Control Station), Hawaii,
Kwajalein ( în insulele Marshall din Oceanul Pacific), Diego Garcia (insulă în Oceanul Indian)
și Ascension (insulă în Oceanul Atlantic). [1]
Vizibilitatea simultană a satelitului din două sau mai multe stații asigură urmărirea
continuă a acestui chiar dacă una sau mai multe nu funcționează corespunzător. În același
timp, aceste observații asigură formarea diferențelor simple sau duble pentru prelucrarea
datelor.

12
Toate s tațiile master au fost pozi ționate în sistemul de coordonate WGS 84 cu
ajutorul măsurătorilor Transit (Doppler). Pentru calcul efemeriadelor precise necesare în
special prelucrării măsurătorilor GPS cu utlizare în geodezie – geodinamică, se folosesc
măsurători și de la alte 5 stații terestre.
 Segmentul utilizator
Acest segment e con struit din totaliatea utilizatorilor deținători de receptoare GPS cu
antenă, în funcție de calitățile receptorului și antenei, rezultând astfel acuratețea precizei de
poziționare.
Antenele receptoarelor GPS pot fi : antene helix, ante ne spiral -helix și antene
microstrip (cu banda îngustă).Antenele recepționează semnalele de la sateliți vizibilii, punctul
de referinț ă fizic pentru semnalele recep ționate fiind centrul de fază care poate să difere
față de centrul geometric al a ntenei .[2]
Oricine din orice colț de lume poate fabrica și comercializa echipament de recepție
GPS. Nu sunt licențe, drepturi de autor sau orice alte restricții. Permisiunea ca sectorul
privat să proiecteze și să fabrice echipament de recepție are ca efect continuă reducerea a
dimensiunii și costului receptoarelor GPS și în același timp , extinderea utilizării
lor,îmbunătățirea caracteristicilor și diversificarea neașteptată a aplicațiilor potențiale.
2.2 Conținutul semnalului GPS

După cum s -a mentționat deja, sateliții GPS transmit un semnal radio în domeniul
microundelor , compus din două frecvențe purtătoare (sinusoidale), modulate de două coduri
digitale, numite mesaje de navigare .
Cele două semnale au frecvențele de 1 575,42 MHz (L1) și 1 227,60 MHz (L2), care
permit corecția unei erori majore al GPS -ului, numită întărziere ionosferică, codurile
modulatoare sunt diferite pentru fiecare satelit, ceea ce are rolul de a minimiza interferențele.
Cele două codu ri GPS sunt numite codul de achiziție brut (codul C/A – Coarse
Aquisition Code) și codul de precizie ( codul P – Precision Code), fie care cod const ă într -un
șir de biți. Codurile sunt numite coduri PRN fiindcă au aspectul unor semnale
pseudoaleatoar e, generat e cu ajutorul unui algoritm. [1]
Fiecare satelit GPS transmite semnale radio de joasă putere pe două purtătoare
prezentate in figura 2.4 . Cele două semnale purtătoare L1 și L2 sunt pilotate de un ceas
atomic (de obicei cu ce siu, deoarece are cea mai bună stabilitate pe termen lung) .

13
Fiind domeniul microundelor semnalele GPS se propagă în linie d reaptă , ceea ce
înseamnă că pentru a recepționa semnalele de la sateliți este necesar ca receptorul GPS să
aibă vizibilitate către aceștia .
Semnalele vor trece prin sticlă, nori și plastic dar nu și prin obiecte masive cum
sunt clădirile din marile concentrări urbane.

Figura 2.4 Strucutura semnalului GPS [2]

Codul C/A este modulat doar în purtătoarea L1, iar codul P este doar in purtătoare
L2. Modulația este numită bifazică, deoarece faza purtătoarei este schimbată cu 1800 la
trecerea de la zero la unu și invers. Codul C/A este un flux de 1023 de biți și se repetă la
fiecare milisecundă, ceea ce duce la o rată de transfer de 1,023 Mbps, conluzionând astfel
că durata unui bit în termeni de spațiu este de aproxi mativ 300 de metri. [2]
Fiecărui satelit îi este asociat un cod C/A unic ceea ce permite receptorului GPS să
identifice care satelit transmite un anumit cod. Determinarea poziției cu ajutorul codului C/A
este mai pu tin precis în cazul folosir i codului P , dar este mai simpl ă (mai ușor de decriptat)
și este disponibil tuturor utilizatorilor.
Codul P este de asemenea cu cod PRN transmis cu 10,23 Mbps, cu perioada de
repetiție foarte mare ( 7 zile) . Informația de bază conținut ă este tot momnetul transmisiei
din codul C/A dar cu o rezoluție de 10 ori mai bună . Pe de altă parte este o secvență foarte
lungă de biți care se repetă la fiecare 266 zile, fiind impărțit în 38 de segmente, fiecare cu
o lungime de o săptămână.
Oscilator f
0
,023 MHz
1
L1 carrier
MHz
1575,42
C/A code
,023 MHz
1
navigation
data
Hz
50
P or Y code
,23 MHz
10
L2 carrier
MHz
1227,60
+
X
2
+
φ

–
90
X
1
X
3
Σ
1
Σ
2

14
De menționat este faptul că fiecare satelit transmite un cod P unic timp de o
săptămână , schimbarea facându -se la miezul nopții sâmbătă spre duminică , restul de
șase segmente sunt rezervate pentru alte utilizări. Sp re deosebire de codul C/A, codul P
poate fi criptat printr -un proces cunoscut ca ,,anti -spoofing ” (AS) devind numitul cod Y.
Utilizarea acestui cod Y se poate face numai dacă receptorul conține un modul special
AS și accesibil numai utilizatorilor autorizaț i , cu chei de decriptare . Codul P (Y) este
bază pentru serviciul precis de poziționare GPS. Mesajul de navigare GPS este un flux de
date adăugat atât purătoarei L1 cât și L2, prin modulația bifazică la o ra tă de 50 kbps.
Constă din 25 de cadre de câte 1500 de biți fiecare, adică un total de 37 500 de biți.
Aceasta înseamnă că transmisia completă a unui mesaj de navig are dureaza 750 de secunde
sau 12, 5 minute.
Mesajul de navigare conține alături de alte elemente , coordonatele sateliților GPS
ca și funcție de timp, informații despre integritatea satelițiilor , corecția de ceas , date
atmosferice.

2.3 Prelucrarea semnalului GPS

Utilizatorul GPS trebuie să poată recepționa și urmări semn alul de la mai mulți
sateliți GPS simultan , în condițiile prezenței uneor diverse surse de zgomot. Acest lucru
este posibil prin folosirea tehnici de comunicație cu spectru împrăștiat și codare cu zgomot
pseudoaleator.
Conceptul de comunicație cu spectru împăștiat a apărut în Statele Unite, imediat după
cel de al -doilea război mondial. Lucrăr ile de cercetare din domeniu cu caracter secret, au
avut la bază teoriiile lui Claude Shannon și Norbert Wiener re feritoare la proprietățile
semnalelor aleatorii și pseudoaleatorii.
Deoarece un semnal cu spectru împrăștiat este deosebit de bine mascat, nefiind
sesizat de receptorii obișnuiții, până în 1985, această tehnică a fost utilizată aproape exclus iv
de militari (comunicații tactice în condiții bruiaj intens și radiodirijarea rachetelor). Au urmat
apoi și alte numeroase aplicații, atât militare cât și civile : secretizarea comunicațiilor radio,
comunicațiile prin satelit și sistemul de poziționare GPS. Un sistem de transmisie cu spectru
împrăștiat este caracterizat de faptul că semnalul transmis este ,,împrăștiat ” într-o bandă
foarte largă de frecvențe , mult mai largă decât cea necesară pentru transmitrea informației
de bază .

15
Lărgirea benzii se realizează cu ajutorul unui cod independent de mesaj, la recepție
fiind sintetizată o replică identică a acestui cod. Acest lucru dă posibilitatea de a reveni la
banda îngustă și la refacerea datelor informaționale.
Utilizarea sistemelor de comunicație cu spectru împrăștiat prezintă o serie de avantaje:
deosebită precizie a măsurărilor la distanț ă ,facilitatea de secretizare a mesajului,
probabilitate foarte mică de interceptare, imunitate foarte mare la interferențele naturale
provocate de furtunile magnetice la propagarea multical e a semnalelor radio , precum ș i
interferențele prov ocate de bruiaje.
Una din tehnicile folosite pentru a împrăștia lățimea de bandă a semnalului GPS ,
este metoda DS (Direct Sequence) care presupune ca datele digitale sunt direct codate la o
frecvență mult mai înaltă, codul este genera t pseudo -aleator, iar receptorul știe cum să
genereze același cod și corelează semnalul primit cu acel cod pentru a extrage datele.
Comunicațiile cu CDMA (Code Division Multiple Access) sunt o formă de comunicații cu
spectru împrăștiat prin sec vență directe (DS).

2.4 Politica de Siguranță a sistemului GPS

Departament of Defense a implementat două tipuri de degradare a preciziei pentru
utilizatorii civili: disponibilitatea selectivă (S/A) și anti -înșelătorie (a/s) . S/A poate fi privit
ca erori intenționate impuse semnalului GPS iar A/S este o criptare aplicată codului P. Din
anul 2000 , s -a renuțat la degradarea semnalului prin S/A.
Principalul scop al degradării A/S este de a împiedica anumiți utilizatori neaut orizați
să imite un semnal GPS, astfel încât este puțin probabil să fie dezactivată în viitorul
apropiat. Degradarea A/S nu pune probleme semnificative unui utilizator precis, deoarece
tehnicile GPS de precizie se bazează pe măsurarea fa zei semnalului purtător , mai degrabă
decât pseudodistanța obținută din codul P. [1]
Totuși pseudo -distanța este foarte utilă pentru anumiți algoritmi de poziționare , în
special în poziționarea rapidă necesară vehiculelor în deplasare.
Tehnica A/S realizează o recodificare a codului P , noul cod rezultat se numește codul
Y și este accesibil numai unui grup restrâns de utilizatori autorizați . Navigația în timp real
cu codul P este substanțial mai precisă față de navigația c u codul C/A și poate aduce avantaje
substanțiale în cazul unei conflagrații, fiind și motivul pentru care s-a recodificat si codul P.

16
Inițial era prevăzut ca metoda A/S să fie folosită după atingerea fazei finale din
punct de vedere mili tar când segemntul spațial este prevăzut numai cu sateliți din generația
,,Block II ’’.

2.5 Poz iționarea cu ajutorul Tehnologiei GPS

După cum am precizat încă de la început, GPS -ul a fost dezvoltat ca și sistem
militar, fiind pus ulterior la dispoziția civililor. Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS se
realizează prin determinarea distanțelor dintre punctul de staț ie și stateliții GPS vizibili,
matematic fiind necesare măsuratori la minimum 4 sateliți.
Acest număr de sateliți este necesar pentru a ne putea poziționa cît se poate de
precis, numai pe baza distanțelor măsurate la sateliți. Dacă am ave a măsurători la un singur
satelit și am cunoaște poziția acestuia, poziția noastră în spațiu ar fi o sferă.
Măsurî nd distanțe la doi sateliți ne aflam pe un cerc generat de intersecția celor două
sfere. În momentul în care avem măsurători și la un al treilea satelit, ne localizează în două
puncte din spatiu. Pentru o precizie ridicată este necesară a patra măsurătoare față de un al
patrulea satelit și atunci în mod cert punctul poziționării noastre va fi unic.
Poziționarea cu aju torul tehnologiei GPS se poate face în diferite modalități :
 Poziționearea abosultă : determinarea coordonatelor spațiale ale punctului P se
face cu două receptoare GPS, din care unul amplasat pe un punct care are
deja coordonate tridimensionale d eterminate într -un sistem de referință global
(WGS84, EUREF , etc) . [1]
 Poziționarea relativă : sunt determinate diferențele de coordonate între două
puncte sau compomentele vectorului (baseline) , ce unește cele două puncte
staționate cu receptoa re GPS.
 Poziționarea diferențială: este asem ănătoare ca procedeu cu poziționarea
absolută cu deosebirea că eroarea care afectează distanța de la satelit la
receptor este calculată și aplicată în timp de real , ca o corecție diferențială
dată de către receptorul care staționează pe un punct de coordonate cunoscute
către receptorul care staționeaz ă în punctul nou.
Poziționarea se realizează cu ajutorul retrointersecției spațiale de distanțe , în
sistemul de referință , reprezentat de elipsoidul WGS84. Sistemul WGS 84 definește înălțimea
geoidului pe tot întinsul globului, iar birourile de prelucrare a imaginilor prin satelit publică
hărți grilă din 10 în 10 grade ale înălțimii reale ale acestui geioid. Indiferent de tipul navigației

17
determinarea curentă a poziției pe glob se face exprimând în grade sau distanță față de Ecuator
sau Green wich coordonatele de longitudine sau latitudine.
Cu toate acestea, pentru a menține avantajul de partea militarilor, în Statele Unite,
Departamentul pentru Apărare furnizează două nivele de servicii GPS:
 Serviciul de Poziționare Precis (PPS –Precise Positiong Service)
 Serviciul Standard de Poziționare (SPS – Standard Positoning Service) [1]
SPS este cel mai utilizat la nivel global, fiind folosit de utilizatori civili, fără
restricție. Precizia semnalului este intenționat degrad at de catre Deparatamentul Apărării
SUA , considerându -se că în majoritatea cazurilor civile este suficient
PPS este folosit de armată și este cel mai precis sistem de poziționare autonomă .
Este accesibil doar unor persoanelor/ sistemelor a utorizate.

2.6 Integrarea diferitelor sisteme cu GPS -ul

GPS-ul s -a răspândit în numeroase aplicații mai ales datorită preciziei sale,
disponibilității la scară globală și a costurilor scăzute de utilizare. Cu toate acestea din
păcate, există situații în care sistemul GPS poate fi obstrucționat în asemenea măsură încât
receptor ul să nu mai vadă suficienți sateliți pentru o poziționare exact ă.
Această problemă este întâlnită spre exemplu in marile concentrări urbane.
Problema se poate rezolva prin integrarea GPS -ului cu alte sisteme de poziționare , caz în
care se pot obține rezultate chiar mai bune decât în cazul folosirii individuale. Imbunătățirile
nu se referă doar la senzori : este posibilitatea integrare a GPS -ului cu sisteme de tip GIS
pentru o mai bună culegere și analiza a datelor din teren.
O altă aplicația a GPS -ului este determinarea vitezei, care se poate face prin mai
multe metode. Cea mai răspândită este ceea în care se face uz de efectul Doppler. Mai
exact se calculează frecvența Doppler, este cunoscut faptul că datorită deplasării relative
dintre satelit și receptor apare o deplasare de frecvență.
De asemnea GPS -ul poate fi folosit la determinarea atitudinii unui corp rigid,
precum ar fi un avion sau vapor. Altitudinea se determină echipând corpul cu minim trei
receptoare GPS (sau cu unul special, care de fapt le înglobează pe cele trei) , legate la trei
antene , dispuse necoliniar.

18

2.7 GPS -ul și sistemul de telefonie celular

Telefonia mobilă a devenit tot mai utilizată în zilele noastre, atât numărul abonați
cât și aria de acoperire sunt în continuă creștere. Pe lâ ngă aceasta exista tendința de
convergență a telefoniei (transmisie de voce) cu diferite servicii conexe, spre exemplu
transmisia de date. Una din problemele majore ale telefoniei mobile este imposibilitatea
de a stabili cu precizie poziția telefo nului.
Cu toate ca pot apărea reacții care iau în considerare dreptul la intimitate, există în
mod indubitabil aplicații în care cunoașterea poziției este întemeiată și utilă: spre exemplu
apelurile de urgență.
În consecință Comisia Federală pent ru Comunicații (FCC – Federal Comunications
Commission ) a impus începând cu octombrie 2001 ca apelurile de urgență să poată fi
localizate cu precizie de cel puțin 125 m (cu o probabilitate de 67%). Prevederea lasă la
latitudinea operatorilor mod ul în care se va face localizarea: la nivelul rețelei sau la nivelul
terminalului. [3]
Majoritatea rețelelor folosesc metoda diferenței timpului de sosire (TDOA – Time
Difference Of Arrival ) sau cea a unghiului de sosire (AOA – Angle Of Arrival) pentru a
determina poziția apelantului. Este evident că elementul fundamental în aceast ă tehnică este
sincronizarea în timp, care poate fi obținută prin echiparea stațiilor cu receptoare de baza de
timp bazate pe GPS. [3]
Pentru a crește precizia poziției calculate și pentru a reduce dimensiunea,
complexitatea și consumul rece ptoarelor GPS în cazurile utilizări terminalelor mobile a căror
funcției primară nu este obținerea poziției a fost dezvoltat cu sistem numit Assisted GPS
(A-GPS). Cu dezvoltarea acestui sistem prin intermediul unei rețele radio
(3G/WCDM A/GSM/WIFI) dispozitivu are acces, cu o viteză considerabil mai mare (de ordinul
sutelor de kbps), la un server dedicat care are un semnal GPS bun și primește și stochează
periodic informația orbitală de la sateliți.
Sistemul A -GPS are două mod uri de funcționare:
 Mobile Station Assited (MSA – Stație Mobilă Asistată) : în care
dispozitivul A-GPS primește un ceas de referință și asistență pentru
recepționarea informațiilor de la sateliți cu ajutorul cărora receptionează
aceste informații, l e trimite către serverul A -GPS, care îi calculează
poziția și i -o returnează.

19
 Mobile Station Based (MBS – Bazat pe stația mobilă) : în care dispozitivul
A-GPS primește informația orbitală, un ceas de referință și alte
informații opționale de asistență de la serverul A -GPS, dispozitivul
recepționează semnalul de la sateliți și iși calculează local poziția.
Metoda localizării la nivelul terminalului presupune încorporarea unui receptor GPS în
acesta. In condițiile actuale în care disponibilitate a selectivă a fost eliminată, cu această
metodă se pot obține precizii chiar și de zece ori mai mari decât cele impuse de FCC. [3]
Spre deosebire de localizarea la nivelul rețelei, localizarea la nivelul terminalului este
mult mai ușor de imple mentat și nu necesită instalarea de echipament suplimentar din partea
operatorului. Integrarea GPS -ului cu sistemele de telefonie mobilă și dezvoltarea serviciilor
3G, 4G are avantajul de a permite o mai bună și mai rapidă transmitere a datelor culese către
serverul principal.

20
CAP.3 Descrierea antenelor GPS utilizate în prezent

3.1 Descrierea antenelor utilizate

De-a lungul timpului antenele au fost de mare ajutor omenirii pentr u transmisia de
date. O antenă este un traductor creat pentru a transmite sau primi unde elect romagnetice.
Cu alte cuvinte antenele convertesc radiația electr omagnetică în cur ent electric, sau invers.
Antenele în general se ocupă cu trans misia și recepția undelor radio, și sunt considerate ca
părți necesare echipamentului radio.
Ante nele sunt folosite în diferite sisteme cum ar fii transmisiile radio și TV,
semnale GPS sau la comunicațiile mobile. Ele sunt cel mai frecvent utilizate în aer liber
sau în spațiul cosmic , dar pot fi utilizate și în apă și pe sol.
După cum se poate observa , antenele sunt o parte indisepensabilă a vieții noastre
și de aceea se încearcă îmbunătățirea conținuă a ace stora. Aceste lucru se poate face
numai prin analiza performanțelor antenelor , iar lucrarea de față se dorește a fi o scurtă
analiză a antelor de tip pach cu ajutorul unui pachet software denumit Antena Magus .
Astfel in lu crare vor fi studiate antene de tip microstip patch .
Aceste antene microstip sunt relativ construite usor prin imprimarea unei benzi
magnetice într -un strat iz olator. Antene microstrip , de asemenea, numit e antene patch -uri,
sunt f oarte populare în gama de frecvențe de microunde din cauza simplității și compatibilitatea
acestora cu tehnologia utilizată actual. O antenă microstrip este obținută prin montarea unei
foițe metalice peste un strat metalic (patch -ul) pe o bază denumită ground , iar ca dielectric
( poate fi și aerul) separă cele două straturi metalice.
Antene de patch -uri circul are sunt de obicei fabricate prin corodare elementul ui patch
antenă într -un substrat dielectric metalizat. Antenele mai mari sunt uneori construite prin lipirea
de metal cu decupaje la un substrat gol. Cele două straturi de metal formează un circuit de
lungime egală cu jumătate din lungimea de undă a radiației radio pe care vrea să o capteze
(sau să radieze). Principalul avantaj al antenelor de tip patch este că utilizează aceiași
tehnologie de fabricație ca orice alt cablaj imprimat. [4]

21

3.2 Parametrii de bază ai antenelor

Parametrii de bază care caracterizează performanțele antenei și care pot fi ajustați sunt:
frecvența de rezonanță, impedanța, câștigul, deschiderea sau diagrama polară de radiație,
polarizația, eficiența și lățimea de bandă.Toți acești parametrii pot fi măsurați.

3.2.1 Frecvența de rezonanță

Frecvența de rezonanță sau rezonanța electrică depinde de lungimea electrică a antenei.
Lungimea electrică reprezintă de fapt raportul dintre lungimea fizică a firului împărțită la
factorul de viteză. Ea funcționează pentru o gamă de frecvențe care sunt de obicei cen trate pe
aceea frecvență rezonanț ă. De obicei, antena este caracteristică pentru o frecvență specifică, dar
este funcțională pe o gamă de frecvențe care sunt centrate în acea frecvență rezonan tă. Totuș i,
și alte proprietăți ale antenei se modifică cu frecvența, cum ar fi diagrama polară de radiații și
impedanța.
Antenele pot fi făcute să fie rezonante pe frecvențe armonice cu lungimi care sunt
fracțiuni din lungimea de undă țintă, această rezonanță dă o cuplare mult mai bună undei
electromagnetice. Unele antene au mai multe frecvențe de rezonanță și unele sunt re lativ
eficiente pe o gamă foarte largă de frecvențe. Cel mai cunoscut tip de bandă largă aeriană este
cea logaritmică sau log periodică, dar câștigul este de obicei mult mai mic decât cel al unei
benzi mai înguste sau specifice.

3.2.2 Câștigul

Câștigul ca un parametru măsoară eficiența unei antene cu privire la o anumită normă,
de obicei obținut prin modificarea direcționalității. O antenă cu un câștig mai mic emite radiații
cu aproximativ aceeași putere în toate direcțiile, iar o antenă cu un câștig ma re va radia
preferențial într -o anum ită direcție. Specific câștigul directiv sau câștigul de putere al unei
antene este definit ca raportul dintre intensitate (putere pe unitatea de suprafață) radiat de antenă
pe o anumită suprafață la o distanță arbitrară și intensitatea radiată la aceeași distanță de o antenă
izotropică ipotetică. [5]

22
Câștigul un ei antene este un fenomen pasiv, nu e adăugată putere de către antenă, ci pur
și simplu redistribuită pentru a furniza mai multă putere radiată întru -o anumită d irecție care ar
fi transmisă de o antenă izotropică. Dacă o antenă are un câștig mai mare de unu într -o anumită
direcție, trebuie să aibă un câștig m ai mic de unu în alta direcție.

3.2.3 Impedanța

În momentul în care unda electromagnetică trece prin dif erite părți ale sistemului de
antene (radio, linie de alimentare, antenă, aer liber) va întâmpina diferențe de impedanță (E/H,
V/I, etc.). La fiecare interferență, în funcție de impedanță, o fracțiune din energia undelor va fi
reflectată înapoi la sursă, f ormând o undă statică în linia de alimentare. Raportul dintre puterea
maximă și puterea minimă poate fi măsurat și e numit raportul undei statice (standing wave
ratio) ( SWR ).
Un SWR d e 1:1 este ideal. Un SWR de 1.2 este considerat a fi acceptabil margin al în
aplicații de putere mică unde pierderile de putere sunt mai critice, cu toate că un SWR de până
la 1.2 ar putea fi folosit cu un echipament potrivit. Minimizarea diferențelor impedanțelor la
fiecare interferență (impedance matching) va reduce SWR și va maximiza transferul de putere
prin fiecare parte a sistemului de antenă. Impedanța complexă a unei antene este legată de
lungimea electrică a antenei și de lungimea de undă folosită. [5]

3.2.4 Eficiența

Eficiența este cantitatea de putere radiată efectiv la terminalele antenei. O sarcină de
probă poate avea un SWR de 1:1 dar o eficiență de 0, deoarece absoarbe toată puterea și radiază
căldură dar nu și energie RF, arătând că SWR singur nu e o măsură efectivă pentru eficiența
unei antene. Radiația î ntr-o antenă este cauzată de rezistența la radiație care poate fi măsurată
numai ca o parte a rezistenței totale care include și rezistența la pierderi.
Rezistența la pierderi rezultă de obicei la generarea căldurii și nu din cauza radiației, și
reduce ef iciența. Matematic, eficiența e calculată ca rezistența la radiație divizată la rezistența
totală.

23

3.2.5 Lățimea benzii

Lățimea benzii unei antene este gama de frecvențe pe care aceasta este eficientă, de
obicei fiind centrată pe o frecvență rezonantă. Lățimea de undă poate fi mărită prin mai multe
tehnici, incluzând folosirea unor fire mai groase, înlocuirea firelor cu cu ști pentru a simula un
fir mai gros, componente conice ale antenei și combinarea mai multor antene într -un singur
ansamblu care să permită impedanței naturale să selecteze antena corectă.
Antenele mici sunt preferate de obicei pentru comoditate, dar este o limită fundamentală
legată de lățimea de bandă, mărime și eficiență.

3.2.6 Polarizarea

Planul electric variază se mai numește și plan de polarizare. Patch -ul de bază despre care
am vorbit până acum este polarizat liniar deoarece câmpul electric vari ază într -o direcție.
Aceasta polarizare poate fi verticală sau orizontală, depinzând de orientarea patch -ului. O
antenă care tra nsmite are nevoie de o antenă receptoare cu aceeași polari zare pentru o operare
optimă. Când antena este rotită cu 90°, curentul trece prin planul vertical, și este apoi polarizat
vertical.
Un număr mare de aplicații, incluzând comunicații prin satelit, au probleme cu
polarizarea liniară deoarece orientarea antenei este variabilă sau necunoscută. Din fericire,
există un alt tip de polarizare și anume polarizarea circular ă .
Polarizarea antenei este orientarea câmpului electric (E -plane), a undei de radiație cu
privire la suprafața pământului și este determinată de structura fizică a antenei și de orientarea
acesteia. Nu are nici o l egătură cu termenii de direcționalitate a antenei și anume : "orizontal",
"vertical" și "circular".
Cu toate acestea, o antenă simplă de tip fir va avea o polarizare când e montată vertical,
și o altă polarizare când e montată orizontal. Filtrele de polar izare a undelor electromagnetie
sunt structuri care pot fi puse să acționeze direct asupra undelor electromagnetice pentru a filtra
direct energia undelor unei polarizări nedorite și de a trimite energia undelor spre o polarizație
dorită.
Reflecțiile de obicei afectează polarizația. Pentru undele radio, cel mai important
reflector este ionosfera – semnalele care se reflec tă de la ea vor avea polarizarea schimbată
întrun mod impredictibil. Pentru semnalele care sunt reflectate de ionosferă, polarizația nu

24
poate fi invocată. Pentru comunicările cu linie la vedere unde polarizația poate fi invocată, avea
un transmițător și un receptor folosind aceeași polarizație poate să facă o diferență mare în
calitatea semnalului.
Polarizația este suma orientării planelor E în timp , proiectate pe un plan perpendicular
pe direcția de mișcare a undei radio. În cazul cel mai general, polarizația este eliptică, ceea ce
înseamnă că polarizația undelor radio variază în timp.
Două cazuri speciale sunt polarizația liniară (elipsa se transformă într -o linie) și
polarizația circulară (în care cele 2 axe ale elipsei sunt egale). La polarizația liniară a unei antene
impune câmpul electric a undelor radio emise cu o anumită orientare . Depinzând de modul în
care e poziționată antena, cazurile obișnuite de polarizație liniară sunt polarizație orizontală și
verticală.
La polarizația circulară, antena variază continuu câmpul electric a undei radio prin toate
valorile posibile a orientăr ii ei față de suprafața pământului. Polarizațiile circulare, precum cele
eliptice, sunt clasificate ca polarizații de mână dreaptă și polarizații de mână stângă folosind
regula ”degetul în direcția de propagare”. Cercetătorii din punct de vedere optic folo sesc aceeași
regulă a degetului, dar cu orientare spre direcția emitorulu i, nu în direcția propagării.

3.3 Proprietă ți de bază ale antenei de tip patch

O antenă patch este o antenă cu profil redus care are câteva avantaj e în comparație cu
alte ante ne ,este ușoară ieftină și ușor de integrat între celelalte componente electronice.
Numele ei este atri buit datorită faptului că este a lcătuită dintr -un patch din metal suspendat
peste planul de masă. Ansamblul este de obicei conținut într -un plastic, car e protejează structura
antenei de stricăciuni. Antenele microstrip sunt simplu de fabricat și ușor de modificat și
personalizat.
Cu toate că antena poate avea o structură 3 -D (înfășurată în jurul unui obiect, de
exemplu), elementele sunt de obicei plate, de aici și celălalt nume al antenelor de acest tip,
antene planare.
De notat e că o antenă planară nu e întotdeauna o antenă de tip patch. Următorul desen
prezintă o antenă de tip patch cu forma ei de bază: o placă plană peste un plan de masă.
Conductorul din centru axului servește ca sondă de alimentare ce cuplează energia
electromagnetică spre sau dinspre “patch“. Tot aici e prezentată și distribuția de câmp electric
pe patch -ul dreptunghiular.

25

Fig. 3.1 . Antenă microstrip patch tipică cu distribuția ei de câmp electric [6]

Câmpul electric este zero în centrul patch -ului, maxim (pozitiv) pe o parte și minim
(negativ) pe partea opusă. Trebuie sp ecificat că maximul și minimul î și schimbă partea continuu
în funcție de faza instantanee a semnalului aplicat.
Câmpul electric nu se oprește dintr -o dată la marginea patch -ului ca și într -o cavitate;
mai degrabă câmpurile se extind puțin în exterior. Aceste extensii ale câmpului sun t cunoscute
ca și câmpuri “fringing” și fac patch -ul să radieze. Unele tehnici analitice populare de modelare
pentru antenele de acest tip sunt bazate pe acest concept de cavitate cu scurgeri.
În telecomunicații, sunt mai multe tipuri de antene microstrip (cunoscute ca antene
imprimate), cea mai comună fiind antena microstrip patc h. O ast fel de antenă are o bandă
îngustă de frecvență și un fascicul larg. Antenele microstrip comune au forme pătrate,
dreptunghiulare, circulare și eliptice, dar orice formă c ontinuă este posibilă.
Aceste antene se folosesc la UHF sau la frecvențe mai ridicate deoarece mărimea antenei
e legată direct de lungimea de undă la frecvența de rezonanță. O antenă cu un singur patch are
un câștig maxim de aproximativ 6 -9 dBi.

3.4 C onfigurația unei antene de tip patch

Cea mai simplă antenă de tip patch folosește un patch (“plasture”) care este lung de o
jumătate de lungime de undă cu încărcătura dielectrică inclusă peste un plan de masă de care e
separată de o grosime constantă.

26
Planele de masă mari din punct de vedere electric produc tipare stabile ș i o sensibilitate
a mediului mai mică, dar fac ca antena să fie de dimensiuni mai mari. Nu este neobișnuit ca
planul de masă să fie puțin mai mare decât patch -ul activ. Când planul de masă este apropiat de
dimensiunea radiatorului, poate să se cupleze și să producă curenți de -a lungul marginilor
planului de masă care radiază de asemenea.
Fluxul de curent este pe direcția liniei de alimentare, deci vectorul potențialului
magnetic și câmpul electric urmăresc cure ntul, așa cum e arătat în figura 3.2 prin s ăgeata notată
cu E. O antenă simplă ca aceasta de tip patch radiază o undă aproape polarizată. Radiația poate
fi considerată ca fiind produsă de “sloturile radiante” de sus și jos, sau echivalent ca rezultat a
curgerii curentului pe patchuri și pe planul de masă.

Fig.3.2 . Configurația unei antene de tip patch [6]

3.4.1 Dimensiuni

Lungimea rezonantă determină frecvența rezonantă și e aproximativ λ/2 pentru un patch
dreptunghiular alimentat în mod fundamental. Patch -ul este de fapt din punct de vedere electric
puțin mai mare decât dimensiunea lui fizică datorită câmpurilor de tip “fringing”. Deviația
dintre mărimea fizică și cea electrică depinde în cea mai mare parte de grosimea și constanta
dielectrică a plăcii PC.
O mai bună aproximare pentru lungimea de rezonanță: 𝐿≈0.49λ𝑑λ0
√𝜀𝑟
Această formulă conține o corecție de prim ordin pentru extinderea marginii datorată
câmpurilor “fringing”, cu:
• L = lungimea rezonantă

27
• λd = lumgimea plăcii PC
• λ0 = lungimea undei în spațiu liber

• εr = constanta dielectrică a materialului plăcii PC Al ți parametri
care vor influența frecvența de rezonanț ă:
• Μărimea planului de sol
• Grosimea metalului (cuprului)
• Lățimea patch -ului (impedanței)

3.4.2 Potrivirea impedanței

Uitându -ne la variațiile curentului (câmpul magnetic) și ale tensiunii (câmp electric) de –
a lungul patch -ului, curentul e maximal la centru și minimal lângă marginile stângă și dreaptă,
în timp ce câmpul electric este zero în centru, maximal langă marginea din stânga și minimal
lângă marginea din dreapta. Figurile de mai jos clarifică aceste cantități.

Fig. 3.3 . Distribuția cur entului pe suprafața patchului

28

Fig.3.4 Distribuția tensiunii(U), curentului (I) și a impedanței de -a lungul lungimii
rezonante a patchului [6]

Din mărimea curentului și a tensiunii, putem trage concluzia că impedanța este minimă
(teoretic zero Ω) în mijlocul patch -ului și maximă (tipic în jur de 200 Ω, dar depinde de Q -ul
cavității de scurgere) lângă margini. Altfel spus, este un punct unde impedanța este de 50 Ω
undeva de -a lungul "resonant length" -lungimii rezonante, adică axa x a elementului.

3.4.3 Diagrama radiațiilor polare

Radiația patch -ului la câmpuri “fringing” rezultă într -o răspândire a radiațiilor de câmp
îndepărtat. Această răspândire arată că antena radiază mai puternic în anumite direcții. Se
presupun e că antena are o directivitate anume. Aceasta e exprimată de obicei în dB.
O estimare a directivității așteptate a patch -ului poate fi derivată cu uș urință. Câmpurile
“fringing” la marginile care radiază pot fi văzute ca 2 sloturi poziționate deasupra planului de
masă. Presupunând că radiațiile au loc într -o jumătate a emisferei, va rezulta o directivitate de
3 dB. Acest caz e adesea descris ca fiind un raport perfect față -spate; toate radiațiile îndreptate
spre față și nici o radiație spre spate. [8]
Raportul față -spate este dependent de mărimea și forma planului de masă în cazurile
practice. Încă 3 dB pot fi adăugați deoarece sunt 2 sloturi. Sloturil e sunt luate ca să aibă
lungimea egală cu banda de impedanță (lungimea în conformitate cu axa y) a patchului și o
lățime egală cu înălțimea substratului. Un astfel de slot are de obicei un câștig de aproximativ
2 până la 3 dB. Va rezulta un câștig total de 8 până la 9 dB. Patch -ul dreptunghiular excitat în
mod fundamental are o directivitate maximă în direcția perpendiculară pe patch.

29

3.4.4 Câștigul antenei de tip patch

Câștigul antenei este definit ca directivitatea ant enei înmulț ită cu un factor re prezentând
eficiența radiației. Eficiența este definită ca raportul dintre puterea radiată (Pr) și puterea de
intrare (Pi). Puterea de intrare este transformată în putere radiată și putere a undei de suprafață,
în timp ce o parte mică din aceasta este disi pată prin piederi prin materialele folosite ca și
conductoare și dielectrice. Undele de suprafață sunt unde ghidate care se află în substrat și sunt
parțial radiate și reflectate spre marginile substratului. Sunt câteva tehnici pentru a preveni sau
elimina undele de suprafață. [8]
Câștigul antenelor mai poate fi specificat folosind eficiența totală care e o combinație
între eficiența radiației și eficiența potrivirii impedanței antenei.
Câștigul antenei de tip patch de formă dreptunghiulară cu aer pe post de dielectric poate
fi aproximativ estimat după cum urmează. Deoarece lungimea patch -ului, jumătate de lungime
de undă, este aproximativ aceeași cu lungimea unui dipole rezonant, avem un câștig de cam 2
dB de la directivitatea relativă la axa verticală a patchului. Dacă patch -ul este pătrat, modelul
planului orizontal va fi direcțional, ca și cum patch -ul ar fi o pereche de dipoli separați de o
jumătate de undă; acesta aduce încă 2 -3 dB câștigului. [8]
În final, atunci când se ia în considerare și planul d e masă, acesta “taie” majoritatea
radiațiilor din spatele antenei, reducând puterea pe toate direcțiile cu un factor de 2 (și totuși
mărind câștigul cu 3 dB). Adunând toate acestea, avem aproximativ 7 -9 dB pentru tot patch -ul
pătrat. [5]

3.4.5 Banda de fr ecvență

Un alt parametru important al oricărei antene este banda de frecvență pe care o acoperă.
Doar impedanța benzii de frecvență este specificată în cele mai multe cazuri.
Totodată, e important de înțeles că există câteva definiții importante cu privire la banda
de frecvență – impedanța benzii de frecvență, directivitatea benzii de frecvență, polarizarea
benzii de frecvență și eficiența benzii de frecvență. Directivitatea și eficiența sunt de obicei
combinate pentru a obține câștigul benzii de frecvență.
 Impedanța benzii de frecvență
Aceasta este gama de frecvențe în care structura are o bandă de frecvențe folositoare
comparată cu o anumită impedanță, de obicei de 50 Ω .

30
Impedanța benzii de frecvență depinde de un număr mare de parametrii legați de antena
de tip patch (de exempu factorul de calitate) și de tipul de alimentare folosit. Banda de frecvență
e limitată la câteva procente. Acesta este dezavantajul major la ante nele de tip patch de bază.
Există tehnici pentru a îmbunătăți lărgimea benzii de frecvență.
 Directivitatea/câștigul benzii de frecvență
Aceasta este gama de frecvențe în care antena are anumite ce rințe de directivitate/câștig
 Eficiența benzii de frecve nță
Aceasta este gama de frecvențe în care antena are o radiație/eficiență totală rezonabilă.
 Polarizarea benzii de frecvență
Aceasta este gama de frecvențe în care antena își menține polarizarea.
 Rația axială a benzii de frecvență
Această bandă de frecvență este legată de polarizarea benzii de frecvență și acest număr
exprimă calitatea polarizației circulare a antenei. [5]

31
CAP . 4 Analiza și simularea antenei de tip patch

4.1 Descrierea softului utilizat pentru modelarea antenelor de tip patch

Antena Magus este un software de analiză electr omagnetică (EM), bazându -se pe
tehnicile EM (CEM) de ultimă oră pentru a oferi utilizatorilor un software care poate rezolva o
gamă variată de probleme de electromagnetism. Multipl ele tehnici de soluți onare disponibile în
cadrul Anten a Magus fac ca acest program să poată fi aplicabil la o gama variată de probleme
pentru o mare variatate industrii. Aplicațiile tipice includ :
• Antene: analiza antenelor de tip horn, microstrip, ante ne fir, antene de tip
reflector analysis of horns, microstrip patches, wire antennas, reflector antennas,
antene de bandă largă de frecvență, etc.
• Poziționarea antenelor: analiza modelelor de radiații ale antenelor, zone cu risc
de iradiere, cand e vorba de poziționarea lor pe structuri mari .
• EMC: analiza diverselor probleme de EMC, incluzând ecranarea efectivă a unei
incinte, analiza cuplajelor din tre cabluri în medii complexe, ca de exemplu
cablurile dintr -o mașină
• Bio-electromagnetism: analiza corpurilor omogene sau neomogene, extracția
SAR
• Componente RF:analiza structurilor conducătoare de unde
• Circuite 3D EM: analiza filtrelor microstrip, cu plajelor, inductorilor, etc.
• Probleme aleatoare: analiza multiplelo r straturi de dielectric dintr -o structură
mare
• Probleme de dispersie: Analiza RCS a structurilor mari și mici
Caracteristici:
– gamă largă de primitive pentru crearea modelelor (e.g. helix, con, fir, paraboloid,
hiperboloid, curbe Bezier)
– Importarea din exterior de liste de puncte calculate pentru crearea de linii,
poligoane, etc.
– Accesul te tip arbore la elementelor de simulare (setări, materiale, grille, rezultate,
etc.)
– Selecție, zoom , manipularea 3 -D cu ajutorul mouse -ului, etc.

32
Programul lucrează cu rețele de discretizare. Densitățile acestora sunt variabile, deci se
poate modela cu acestea precis și eficient trăsăturile unor suprafețe mici cum ar fi antenele de
tip microstrip.
Pe fețe și margini, densitatea rețelei de discretizare poate fi de asemenea specificată, iar
instrumentele de fixare po t fi discretizate de asemenea. Post-proces, se pot urmări următoarele:
vederi 2-D și 3 -D,schițe 2 -D XY , diagramă polară, diagramă Smith, diagrama polara de radiatii
(3-D în model, 2 -D XY/polar), date despre radiații și câmp îndepărtat, Secțiune transversală
radar (RCS), SAR, extragerea parametrilor -S multi port, câteva opțiuni de v izualizare pentru
suprafețe, incuzând izosuprafețele, secțiuni și altele. [7]
La baza programului stă Metoda momentelor (MoM). Câmpuile electromagnetice sunt
obținute prin calcularea în primă instanță a curenților suprafețelor electrice și magnetice pe
suprafețele solidelor dielectrice.
Curenți sunt calculați folosind o combinație liniară a unor funcții de bază, unde
coeficienții sunt obținuți rezolvând un sistem de ecuații liniare. Odată ce distribuți a curentului
e cunoscută, o sume denie de alți parametr i ca și câmpul indepărtat, câmpul apropiat, dispersia,
directivitatea sau imp edanța de intrare a antenelor. În Antena Magus , MoM este hibridizatăcu
următoarele soluții tehnice: o Metoda elementului finit (FEM) o Optica fizică (PO) o Optică
geometrică (GO ) o Teoria uniformă a difracției (UTD).

Fig. 4.1 Folosirea metodele de soluționare în Antena Magus depinzând de dimensiunea
electrică și de complexitatea materialelor [7]
Această hibridizare presupune ca tehnicile de soluționare pot fi aplicate diferitelor părți
ale aceluiași model pentru a optimiza timpul de soluționare și a rezultatelor. Pentru modelarea
corpurilor dielectrice/magnetice, MOM a șa cum este implementată în Antena Magus , oferă un

33
număr de tehnici diferite precum principiul de echi valență al suprafețelor, principiul de
echivalență al volumelor, funcția specială Green pentru un plan multistrat, și aproximări pentru
foi subțiri de dielectric. Fișierele de ieșire ASCII (*. out) și binary (*.bof) ale Antena M agus
conțin toate informaț iile despre soluție. Câmpul și/sau curenții rezultați pot fi afișați – 2D sau
în combinați e cu geometria, 3D . [7]
Antena Magus simplifică procesul de proiectare a unei antene microstrip cu setul lui
de cuprinzător de instrumente de calcul. Metoda moment elor calculează cu precizie distribuția
de curent pe toate elementele metalice a unei antene microstrip și apoi calculează
caracteristicil e antenei din acești curenți.
Funcția specială Green este aplicată antenelor cu mai multe straturi, care să perm ită o
analiză a suprafețelor și firelor cu formă arbitrară și orientate. Structurile metalice pot trece
chiar și prin limitele straturilor de dielectric.

4.2 Simularea în Programul Antenna Magus

Toți param etrii unei antene de tip patch de formă dreptunghiulară (L, W, h,
permitivitate) controlează proprietățile antenei. Ca atare, se dau idei generale despre cum acești
parametrii afectează performanța, pentru a înțelege procesul de proiectare. În cele ce urmează
se dorește a se face o com parație între diferite antene patch la care difera feed offset point ..
Folosind programul Antenna Magus am încercat sa simulăm o antenna de tip
patch la care sau stabilit o biectivele următoare :
Name Description Value
f₀ Centre frequency 1.575 GHz
Rin Input resistance 50 Ω
Name Substrate: The
substrate name. Polyethylene
Substrate Thickness Substrate: The
thickness of the substrate. 5 mm

34
Relative Permittivity Substrate: The
relative permittivity of the
substrate. 2.25
Tan Delta Substrate: The loss
tangent of the substrate. 1e-3

Utilizând astfel de antene patch dorim sa obtinem o antenă care să fie câ t mai
stabilă la interferențe, zgomote si cu o laț ime de bandă cat mai mică . In exemplu
următor s -au stabilit următori parametri ale antenei patch:
Name Description Value
D Patch diameter 70.81 mm
Sf Feed offset 9.259 mm
R Feed pin radius 625 μm
H Substrate height 5 mm
εr Relative permittivity 2.25
tanδ Loss tangent of the
substrate medium 1e-3
Name Description Value
X Patch diameter 70.81 mm
Y Patch diameter 70.81 mm
Z Substrate height 5 mm

35

Cu ajutorul program ului Antenna Magus se pot studia diferite rezultate ale
antenei de tip pach i nfluentate î n mod direct de feed offset point . Datorită simulărilor
efectuate se încearcă a se găsi o soluție ideală de antenă de tip patch care să se aproprie
de impedanța reală egală cu 50 Ω iar impedanța imaginară sa fie egală cu zero.
Odată cu modificare feed offset point de la valoarea 8, 31 mm la 11,05 mm se
poate consta ca impedanța reală crește direct proport ional cu mărirea feed offset point
iar impendența scăzând invers propoțional cu feed offset point .
S-a constat faptul ca odată cu stabilirea feed offset -ului point la o distanță de
11,05 mm se obține un s emnal GPS 1,575 MHz cu o valoare a impedanței reale de 44 Ω
după cu cum se po ate observa și în figura 4.2.

Figura 4.2 Impedanța în funcție de frecvență

36
Pentru a se putea opține o anten ă cat mai eficientă se dorește un VSWR cât mai
aproape de 1. Acest raport fiind unul ideal dar in practică se poate tolera pănă la o
valoare de 1,2 utilizat în semnalele GPS .
Pentru a se putea evidenția acest raport VSWR am simulat o antenna de tip patch
la care îi diferă feed offset point . In prima simulare s -a folosit aceiași paremtri utilizaț i
și sus cu feed off set la valorea 8,31 mm opținându -se un zgomot foarte mare cee ce
înseamnă că semnalul transmis în parte parte este reflectat înapoi . Odată cu modicarea
feed offset point -ului la o valoare de 11,05 mm se obține un VSWR mult mai eficient
aproape de cel ide al reprezentat în figura 4.3 .

Figura 4.3 Raport ul semnalului VSWR
Acest program utizlizat în simularea antenei de tip patch dispune de reprezentarea
formei semnalului sub formă de diagrama smirt chart. Orice impedanță complexă poate
fi reprezentată printr -un punct, aflat î ntr-un semiplan infinit, d eterminat de abscisă și ordonată.
In cazul unei linii de tran smisie, se pote efectua o operație de normalizare, adică de
împărț ire a valorii impedan ței cu valoarea impedanț ei caracteristic e a liniei de transmisie.

37
Aplicând apoi o transformare conformă, orice valoare a impedanței normaliza te poate fi
reprezentată pe o diagramă cu suprafața finită, numită diagrama Smith (Smith chart) .
În figura 4.4 se poate ob eserva și caracterul capacitiv al imp edanței conform
diagramei S mith Chart . Diagrama Smith a fost propusă în anul 1939 fiind inițial o tehnică
grafică ce p ermitea proiectarea liniilor de transmisie și a circuitelor de microunde. Măsurătorile
punct cu punct permiteau reprezentarea unei curbe ș i calculul impedanței în planul diagram ei
Smith (un cerc intersectat cu arce de cerc de rezistență și reactanța constantă). [12]
Reprezentările bidimensionale ale unor astfel de curbe nu permit însă vizualizarea și
interpretarea tuturor situațiilor de interes . Modelul și aplicaț ia prezentate în aceasta lucrare sunt
însă prima realizare c oncretă, materializată prin model matematic complet, extins prin model
grafic și de interfațare cu calculatorul . Prima antenna va fi neutilizabilă deoarece suferă
pierderi mari, semnalul fiind reflectat in pare parte înapoi . Se poate spune că tot cu un
feed offset point de 11,05 mm se ajunge la valorea ideală a semnalui GPS.

Diagrama Smirt Chart

Figura 4.4 Impedanța semnalului GPS sub forma Diagramei Smirt Chart

38

Odată cu modificare feed offset point se poate observa modificarea coeficientului
de reflexie a undei . Coeficientul de reflexie p se definește prin raportul dintre expresiile în
complex ale tensiunii inverse (reflectate) Ui2 și a celei directe (incidente) Ud2, la sfârșitul liniei
(x=0) . Coeficientul de reflexie fiind mai mic in primul exemplu și crescând odată cu
modific area offsetului , la fel cum se poate observa în figura 4.5
La fel cu creșterea semnalului GPS apar perturbațiile care afectează acuratețea
semnalului. Putem spune că coeficientul de reflexie ideal care am dori sa îl obținem
sa fie cat mai mic sau egal cu zero, el fiind măsurat în dB.

Figura 4.5 Coeficientul de reflexie

O altă reprezentare a semnalului GPS este ceea 3D unde putem observa ca puterea
este radiată în partea de sus ; ajută la vizualizarea semnalului din mai multe unghiuri
prezent în figura 4.6
-28-23-18-13-8-31,417878 1,467878 1,517878 1,567878 1,617878 1,667878 1,717878Reflection coefficient (dB)
Frequency (GHz)Design 2 – Port 1 Tweak 2 1 – Port 1
Tweak 2 2 – Port 1 Tweak 2 3 – Port 1

39

Figura 4.6 Reprezentare 3D a semnalului GPS
Se poate spune că directivitatea semnalui este orientată în partea de sus . Cu
ajutorul programului Antenna Magus se poate vizualiza sub diverse forme semnalul
GPS, reprezentat sub o formă 3D ca și în figura 4.7 .

Figura 4.7 Reprezentare 3D semnal GPS

40
4.3 Analiza și simularea antenei patch cu Network Analyzer E5062A

Cu ajutorul analizatorului Network Analyzer E5062A care oferă posibilitatea de
realiza difertă măsurători utilizate în dezvoltare si cercetare pentru diferite filtre,
antene . Cu acest analizator se pot măsura caracterist icile de transmisie sau de reflexie
sau pentru testarea unor anumite filtre sau antene.
Este un dispo zitiv ușor de utilizat având o interfanță cu sistem de operare
Windows , care permite utilizatorului să realizeze o gamă largă de măsurăto ri și testări
cu parametri bine definiți de către utilizator. Produsul este fabricat de catre compania
Agilent care oferă o gamă variată de astfel de analizatoare adaptive fiecărui utilzator
împarte . [9]
În cadru colaborări pe care am avut -o cu Plexus România unde s -a făcut și
testarea antenei de tip patch forma fiind dreptunghiulară care a avut următoarele obiective:
 lățimea : 46,17 mm
 lungimea : 58,01 mm
 feed offset point : 11, 41 mm
 permitivitatea : 2.25 εr
Am simul at antenna de tip patch între frecvențele 1, 55 M hz și 1,6 0 Mhz , unde
pentru semnalul GPS de 1,57542 M hz (market 1) am obținut un raport al VSWR de 1,19
ce reprezintă un semnal care este transmis aproape în totaliate si ca re poate fi utilizat
la recepție , după cum se poa te oberva și în figura 4.8 . [10]

41

Figura 4.8 Raport între Frecvența și VSWR
În următorul grafic 4.9 am dorit sa obținem un raport mai mic la VS WR și
am modificat parametri frecvenței antenei care au următoarele valori :
 market 1 : 1,5754200 G hz cu un VSWR de 1,1972
 market 2 : 1, 5769787 G hz cu un VSWR de 1,1755
Odată cu creșterea frecvenței semnanului GPS se obține un VSWR aproape
,,ideal” de valoarea 0, putem spune c ă avem o antenă mult mai stabilă , ea poate fii
folosită fără pierderi mari .

42

Figura 4.9 Raport Frecvență și VSWR
Un alt grafic obținut cu ajutor ul analizatorului Network Analyzer E5062 A este o
reprezentare sub forma unei diagrame Smirt Chart unde se poate observa că reactanț a
are un caracter capacitiv , antena este una utilizabilă în practică rezistentă la perturbați le
externe după cum se poate observa în figura 4.10.

43

Figura 4.10 Diagrama Smirt Chart obținută cu analiz atorul Network Analzyer
E5062A

4.4 Testarea antenei GPS cu stația Sepura STP 900
Antena testată este aceiași care s -a utilizat ș i cu analizatorul E 5062 A de formă
dreptunghiulară și cu același dimensiuni. La testarea antenei s -a folosit un GPS Simulator
101 setat la o putere de 130 dB conectat printr -o sondă BNC cu un conductor de 15
cm si o stație Sepura STP 9000 încorporat cu receptor GPS. Semnalul recepționat de
la antenna GPS a suferit diferite modificări datorită poziției stației după cum observăm
în figur a 4.11. [11]

44

Figura 4.11 Antena G PS și Stația Sepura STP 9000
Distanța fiind una foarte mică semnalul recepționat de către stație ajunge la o
valoare de 25dB, la modificarea poziției stației la o distanță de aproximativ 10 cm
prezentat în figura 4.12 am obținut o valoare de 38 dB antena fiind una utilizabilă.

Figura 4.12 Antena GPS și Stația Sepura STP9000

45
Antena testată are o directivitate în sus la fel cum s -a obținut și simulat cu
programul Antenna Magus , acest parametru poate fi modificat ușor cu ajutorul feed
offset point .
Directivitatea antenei studiate este una pentru distanțe scurte , acest factor l -am
testat poziționând stația la o distanță de aproximativ 45 cm dis tanță prezentat în figura
4.13 față de antenă calitatea semnal ului recepționat fiind una slabă la o valoare de 19 dB .
Semnalul optim poate fii utilizat pe o distanță de 10…15 cm receptionat fără a
exista riscu de a suferi erori , odată cu creșterea distanței semnalul transmis nu v -a
mai fi recepționat .

Figura 4.13 Antena GPS și Stația Sepura STP9000

46

Concluzii

Drept urmare a aplicării acestor tehnologii moderne se schi mbă structura unei lumi
întregi, multe valori, precum educația, accesul la informație în scopul cunoașterii, dreptul la
liberă exprimare, nu mai pot fi îngrădite ușor. În noul context creat, tot mai multe structuri
administrative, educaționale sau politice se redefinesc pe ele însele. La baza acestei lumi
informaționale se află tehnologia, dar mai ales competențele profesionale și potențialul uman.
Scopul acestei lucr ării este de a găsi o antenă care să se adapteze cerințelor
actuale ale pieței și care se poate construi relativ simplu. O astfel de antenă se poate
adapta ușor în sistemele GPS actuale, se dorește totodată o antenă fia bilă și stabilă la
perturbațiile externe.
La elaborarea acestei lucrării s -a utilizat programul de simulare Antena Magus și
s-a obervat că odată cu modificarea feed offset point la valorea 11,05 mm obținem o
antenă care se aproapie de impedanța reală de 50 ohmi , cu un VSWR aproape de
valoarea 1.
În opinia autorului o antenă patch cu respectarea obiectivelor și parametri
menționați mai sus se poate utiliza cu ușurință în practică având aplicabilitate la sistemele
acutale GPS

47

Bibliografie

 http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989 -7603EN.pdf [9 ]
 http://www.antennamagus.com/ [7]
 http://www.antenna -theory.com/antennas/patches/antenna.php [6 ]
 http://www.ct.upt.ro/users/AlinaBala/Tehnologii_Geodezice_Spatiale.pdf [1]
 http://www.sepura.com/ [11]
 https://en.wikipedia.org/wiki/Patch_antenna [4 ]
 https://mail.uaic.ro/~gasner/FT4_Fizica_Microundelor/smithchart.pdf [12]
 https://ro.scribd.com/doc/213309995/Metode -de-Localizare -a-Echipamentelor –
Mobile -Pe-Teritoriul -Retelelor -Celulare [3 ]
 Păunescu Cornel, Sorin Dimitriu și colab. ,, Sisteme de poziționare “[2]
 Prof. Dr. Georg Splitt, Nov. 2002 ,“ Microstrip Antenna Design using Mstrip40 ” [8]
 S. C. Wu, N. G. Alexopoulos, and O. Fordham, Oct. 1992 , “ Feeding structure
contribution to radiation by patch antennas with rectangular boundaries ,” IEEE Trans.
on Antennas and Propagation, vol. 40 [5]
 www.plexus.com [10]