UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
1
ÎNDRUMAR DE LABORATOR
ANTENE ŞI PROPAGARE
Asist. Drd. Daniela DEACU
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
2
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
3
CUPRINS
LABORATOR 1 (2 ore)
Antena. Elementul de imagine. Parametrii antenelor
LABORATOR 2 + LABORATOR 3 (4 ore)
Antena dipol în λ/2
LABORATOR 4 (2 ore)
Antena dipol scurt
LABORATOR 5 + LABORATOR 6 (4 ore)
Antena dipol repliat
LABORATOR 7 (2 ORE)
Antena monopol
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
4
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
5
LAB 1
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
6
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
7
Antena. Elementul de imagine.
Parametrii antenelor
A. Antena. DefiniŃie. Caracterizare
Antena este un dispozitiv care asigură la emisie transformarea curenŃilor de
radiofrecvenŃă în unde electromagnetice, iar la recepŃie asigură transformarea undelor
electromagnetice în curenŃi de radiofrecvenŃă.
Antenele pot fi clasificate din multe puncte de vedere:
• dupa principiul de funcŃiuonare - electrice magnetice
• dupa forma elementului radiant – liniare, de suprafata
• dupa destinaŃie – de emisie, de recepŃie, mixte
B. Elementul de curent
Pentru aprofundarea studiului antenelor se utilizeaza noŃiunea de antena de referintă care
poate fi ideala sau reala. Antenele ideale sunt antene teoretice care sunt folosite ca etaloane
pentru antenele reale sau pentru definirea unor parametri ai antenelor. Ca exemplu de antena de
referintă putem aminti elementul de curent.
Deoarece elementul de curent poate fi privit ca o antenă elementară, acesta a fost asociat
cu o serie de caracteristici de bază, descrise de parametrii utilizaŃi pentru a caracteriza antenele în
general. Cei mai importanŃi parametri ai antenelor sunt diagrama de radiaŃie, deschiderea lobului
principal la -3 dB, directivitatea, câştigul, rezistenŃa de radiaŃie, impedanŃa de intrare a antenei.
Prin elementul de curent înŃelegem un radiator elementar, presupus că fiind filar şi de
lungime infinitezimală, parcurs de un curent de amplitudine constantă de-a lungul său.
Studierea radiaŃiei elementului de curent este importantă deoarece orice antenă poate fi
împărŃită în elemente infinitezimale de curent, câmpul electromagnetic radiat de antenă într-un
punct din spaŃiu fiind suma contribuŃiilor tuturor elementelor de curent.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
8
θ
ϕ
aθr
aϕr
rar
Fig.1.1 Elementul de curent în coordonate sferice
În această figură este prezentat elementul de curent localizat în origine şi orientat de-a
lungul axei z .
Având în vedere faptul că în general sistemul de coordonate este cel sferic, exprimarea
operatorilor diferenŃiali se realizează cu ajutorul parametrilor Lame (a cosinuşilor directori):
Coordinate Lame coefficient
r h1= 1
θ h2= r
φ h3= rsinθ
Tab.1.1- coeficienŃii Lame pt coordonate sferice
Aşa cum se observă din fig. următoare cordonatele sferice ale elementului de suprafaŃă şi
ale elementului de volum pot fi scrise astfel:
2 sindS r d dθ θ ϕ= ⋅ (1.1)
unde dS reprezintă aria secŃiunii transversale a elementului de curent de lungime dl ;
dV dSdl= (1.2)
volumul ocupat de curent este de dimensiune infinitezimală, astfel sursa poate fi
considerată ca fiind localizată într-un punct.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
9
Fig.1.2 Elementul de suprafaŃă şi elementul de volum în coordonate sferice
Câmpul electromagnetic generat de o antenă acoperă trei zone de radiaŃie:
• zona apropiată
• zona intermediară
• zona de câmp indepărtat
În câmp îndepărtat vom avea două componente de câmp Eθ şi Hφ. Trebuie specificat faptul
că filamentul de curent produce o undă transversal electromagnetică atât timp cât EH şi egale
cu impedanŃa de undă Z0. Această impedanŃă de undă ne arată că în câmp îndepartat doar aceste
două componente transmit puterea reală, puterea radiată.
C. Parametrii antenelor
Cei mai importanŃi parametri ai antenelor sunt diagrama de radiaŃie, deschiderea lobului
principal la -3 dB, directivitatea, câştigul, rezistenŃa de radiaŃie, impedanŃa de intrare a antenei.
C.1 Diagrama de radiaŃie
Diagrama de radiaŃie este o reprezentare grafică a modului în care variază modulul
câmpului electric şi al celui magnetic în spaŃiu, în raport cu unghiul θ şi ϕ , considerând distanŃa
r fixată.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
10
DistribuŃia relativă a puterii radiate ca funcŃie de direcŃie în spaŃiu este diagrama de
radiaŃie a antenei.
Întrucât raportul dintre câmpul electric şi cel magnetic este constant şi egal cu Z0, atunci
când este trasată o diagramă de radiaŃie într-o zonă de câmp îndepărtat, va există o singură
reprezentare a funcŃiei de radiaŃie , atât pentru câmpul electric, cât şi pentru cel magnetic.
Fig.1.3 Planul E perpendicular pe planul H
Două dintre cele mai importante aspecte ale diagramei sunt planul E şi planul H. Planul
E este cel care conŃine antena, iar planul H este cel perpendicular pe antenă.
Diagramele de radiaŃie se clasifică în
• diagrame în plan (2D) şi
• diagrame în spaŃiu (3D).
Diagramele 2D pot fi trasate atât în planul E, cât şi în planul H, atunci când fie θ fie φ
este fixat, curbele în plan fiind astfel obŃinute prin secŃionare diagramei tridimensionale.
Pentru θ variabil fi φ fix - se reprezintă diagrama de radiaŃie în planul E.
Pentru θ fix şiφ variabil vom reprezenta diagrama de radiaŃie în planul H.
Fig.1.4 Diagrama de radiaŃie în planul E
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
11
Fig.1.5 Diagrama de radiaŃie în planul H
În planul H diagrama de radiaŃie este omnidirecŃională, câmpul nu depinde de unghiul ϕ .
În cazul diagramelor 3D, în locul sistemelor de coordonate plane polare, se face o
reprezentare în coordonate sferice, variind atât θ , cât şiϕ .
C.2 Câştigul intrinsec. Câştigul realizat
Un radiator izotrop este un radiator fictiv ce radiază în mod egal în toate direcŃiile.
Directivitatea este o fucŃie de coordonate unghiulare ce arată cum o antena concentrază puterea
radiată comparativ cu radiatorul izotrop.
Puterea radiata pe unitatea de unghi solid ( , ) ( / )( , )
( , )Puterea medie radiata pe unitatea de unghi solid / (4 )
r
r
dP dD
P
θ ϕ θ ϕθ ϕ
πΩ
= = (1.3)
Mai simplu, directivitatea de antenă este o măsură a raportului dintre intensitatea radierii
într-o direcŃie dată şi intensitatea radierii produse de o sursă izotropă.
Fie ca (θ0, φ0 ) să fie direcŃia lobului principal.
0 0( , )iG D θ ϕ= (1.4)
Astfel formula 3.3 este numit câştig intrinsec sau simplu câştig. Acesta ia în considerare
doar proprietaŃile de radiaŃie a antenei. Dezadaptarea la intrarea anteni poate fi luată în
considerare cu scopul de a realiza o cifră totală de merit care este numită câştig realizat.
0 0Puterea radiata pe unitatea de unghi solid ( , ) ( / )( , )Puterea la intrarea antenei / (4 )
r rr i i
t t
dP d PG G G
P P
θ ϕ θ ϕη
πΩ
= = = =
(1.5)
unde η ste eficienta antenei.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
12
C.3 EficienŃa antenei
EficienŃă unei antene ia în calcul pierderile ohmice şi dielectrice ale antenei datorate
materialelor utilizate şi pierderile referitoare la dezadaptare. EficienŃa de dezadaptare şi eficienŃa
de radiere sunt cei doi termeni care permit definirea eficienŃei totale a antenei.
EficienŃa er de dezadaptare este direct legată de parametrul S11 şi este definită de:
211(1 | | )re S= − (1.6)
EficienŃa de radiere ia în calcul pierderile prin conducŃie şi pierderile dielectrice ale
materialelor şi este determinată experimental prin măsurători efectuate în cameră anecoidă.
EficienŃa de radiere este determinată prin raportul puterii radiate, Prad la puterea de intrare
la bornele a antenei Pin:
EficienŃa de radiere se determină astfel prin următoare expresie:
radrad
in
Pe
P= (1.7)
EficienŃa totală η a antenei este practic produsul dintre cei doi termeni anteriori (eficienŃa
de radiere şi eficienŃa de dezadaptare):
211(1 | | )rad
r rad
in
Pe e S
Pη = ⋅ = − (1.8)
C.4 Parametri electrici de intrare
C.4.1 ImpedanŃa de intrare a unei antene
ImpedanŃa unei antene este impedanŃa din perspectiva extremităŃilor exclusiv ale antenei
(fără raportare la o sarcină). Această impedanŃă este definită ca raportul dintre tensiune şi curent
la bornele antenei sau ca raportul dintre componentele corespunzătoare ale câmpurilor electrice
şi magnetice. Notăm cu Zant această impedanŃă dependentă de frecvenŃă.
Zant = Rant (f) + jXant (f) (1.9)
Partea reală este alcătuită dintr-o parte datorată radierii (Rrad) şi o parte datorată
pierderilor ohmice şi dielectrice ale materialelor.
C.4.2 Coeficient de reflexie şi VSWR
Se consideră un sistem alcătuit din antenă, un generator, o linie de transmisie de
impedanŃă caracteristică Zc.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
13
Generator Linie de transmisiune Sarcină
Fig.1.6 Schema unei antene conectate la o linie de transmisie şi un generator.
Parametrului de reflexie Γ
11ant c
ant c
Z ZS
Z Z
−= Γ =
+ (1.10)
Raportul de Undă StaŃionară (VSWR) prin raportul dintre tensiunea maximală şi
tensiunea minimală:
max 11
min 11
1 | |1 | |
V SVSWR
V S
+= =
− (1.11)
şi invers
11
1| | | |
1VSWR
SVSWR
−= Γ =
+ (1.12)
VSWR este o măsură a dezadaptării între linia de transmisie şi sarcină (în cazul de faŃă,
antena). Cu cât VSWR este mai mare, cu atât este mai puŃin bună adaptarea. Minimul VSWR
corespunde unei adaptări perfecte, egal deci cu 1. Transferul de putere maximală nu poate fi
realizat decât dacă impedanŃa antenei este adaptată celei a generatorului.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
14
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
15
LAB 2+LAB 3
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
16
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
17
Antena dipol în λ/2
A. Introducere teoretică
Fie o linie de transmisiuni de lungime λ/4 terminată în gol, a carei distributie de curent va fi
urmatoarea: la capatul în gol curentul se anulează.
Fig 2.3.1. Linie de transmisiune terminată în gol
Dacă se depărtează cele două conductoare ale liniei obŃine o antenă dipol, curentul pe
cele două brate fiind unul în prelungirea celuilalt.
Fig 2.3.2. Dipolul în λ/2
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
18
În cazul unei linii fără pierderi
2
_ 0S
cin linie
S Z
ZZ
Z→∞
= = (2.3.1)
unde Zc este impedanta caracteristica a liniei
Zs este impedanta de sarcină.
Cand linia devine antenă, aceasta radiază, transmite energie, puterea activa de la
generator, deci impedanŃa de intrare a ntenei conŃine o componentă rezistivă.
Zin_antena este mare pentru un curent mic.
_in antena
UZ
I= (2.3.2)
Fig.2.3.3 RezistenŃa şi ReactanŃa la intrarea antenei
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
19
B. Desfăşurarea lucrării
B.1 Să se reprezinte impedanŃa de intrare reala şi imaginara a antenei dipol în λ/2 ,
utilizând programul antenei dipol în spatiu liber optimizat pentru rezonanŃă la 300 MHz.
Din interfata de intrare a pogramului GNEC ver. 1.6 alegeŃi File-> Open.
Fig.2.3.4 Fişierul EXAMPLES
Din folderul EXAMPLES se alege DIPOLE.nec; astfel se deschide în fereastra pincipală
codul pentru o antena dipol în spaŃiul liber la frecventa de rezonaŃă de 300MHz; dupa care
salvează proiectul cu denumirea dipollamdape2.nec într-un folder cu numele dumneavoastră.
În continuare se vor face modificări asupra codului pentru o antena dipol în λ/2.
Dublu click pe linia GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.2.3.5 .
Fig.2.3.5 Fereastra de generare a elementului antenei
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
20
Dublu click pe linia GE – End Geometry. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.2.3.6 .
Fig.2.3.6 Fereastra End Geometry
Dublu click pe linia EX – Excitation. În fereastra apărută se vor face modificări conform
Fig.2.3.7 .
Fig. 2.3.7 – Fereastra Excitation
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
21
Dublu click pe linia FR – Frecvency Specification. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.2.3.8 .
Fig.2.3.8 Banda de frecvenŃă analizată
Dublu click pe prima linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.2.3.9 .
Fig.2.3.9 – Fereastra de editare a coordonatelor diagramei de radiaŃie
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
22
Dublu click RP pe a doua linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.2.3.10 .
Fig 2.3.10 – Fereastra de editare a coordonatelor diagramei de radiaŃie.
Dupa toate aceste modificări se rulează programul prin click pe butonul RunNec.
ApasaŃi orice tastă pentru a merge mai departe!
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
23
În Comands-> Necvu se poate observa configuraŃia antenei dipol în λ/2.
Fig.2.3.11 – Antena Dipol în λ/2
Pentru reprezentarea impedanŃei de intrare a antenei se dă click pe butonul
Rectangular Plot. Se alege Input Impedance şi se apasă OK, conform Fig.2.3.12 .
Fig.2.3.12 Fereastra Rectangular Plot
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
24
În continuare se alege pe rând reprezentarea părŃii reale şi imaginare a impedanŃei de
intrare a antenei, conform Fig.2.3.13 .
Fig.2.3.13 Alegerea părtii reale şi imaginare a impedantei de intrarea pentru reprezentarea
grafică
B.2 Să se deseneze cele două grafice şi să se noteze rezistenŃa de radiaŃie şi reactanŃa la
frecvenŃa de rezoanŃă, pentru cazul antenei dipol în λ/2! Ce se observă?
B.3 Să se reprezinte şi să se deseneze impedanŃa de intrare până la frecvenŃa de 1800
MHz. Să se stabilească punctele de rezonanŃă şi antirezonanŃă!
B.4 Să se reprezinte diagrama de radiatie a antenei dipol în λ/2, în planul vertical şi în cel
orizontal. Să se completeze următorul tabel la frecvenŃele punctelor de rezonanŃă şi
antirezonanŃă! Ce se observă?
Tabelul nr. 2.3.1
F[MHz] Nr lobi G[dB] Ung -3dB
Pentru reprezentarea grafică a diagramei de radiaŃie se dă click pe butonul Polar Plos,
după care conform Fig.2.3.14 se alege Power Gains.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
25
Fig.2.3.14 Selectarea tipului de reprezentare
După selectarea Power Gains se alege frecvenŃa dorită pentru reprezentarea diagramei de
radiaŃie, conform Fig.2.3.15.
Fig.2.3.15 Fereastra de selectare a diagramei de radiaŃie ce urmează a fi reprezentată
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
26
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
27
LAB 4
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
28
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
29
Dipolul scurt A. Introducere teoretică
Antena dipol este una dintre cele mai simple şi mai des întâlnite antene. Din punct de vedere
a distribuŃiei de curent, aceasta se comportă ca o linie de transmisiune terminată în gol.
În cazul în care avem o antena dipol foarte scurtă, distribuŃia de curent pe antena poate fi
considerată triunghiulară ( aproximativ liniară ). DistribuŃia pe antena foarte scurtă devine o
distribuŃie de curent aproape liniară. Astfel se va echivala antena dipol scurtă cu o antena care
prezintă dublul elementului de curent.
Fig.4.1 DistribuŃia echivalentă
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
30
Din punct de vedere a radiaŃiei, distribuŃia liniară de curent este echivalentă cu o
distribuŃie constantă de curent a carei valoare e egala cu jumatate din valoarea lui I0’.
DistribuŃia echivalentă constantă de valoare I0’/2 poate fi aproximată din punct de vedere
al rezistenŃei de radiaŃie şi al câmpului produs cu elementul de curent.
RezistenŃa de radiaŃie pentru o antenă tip element de curent ( pentru o distributie liniara
de curent ) este definită astfel:
22 '
80a
dzR π
λ =
(4.1)
Puterea radiată este aceeaşi si în cazul dipolului scurt şi în cazul elementului de curent:
2 20 0
_ _ _ _ _
1 '2 2 4r a dipol scurt a elem crt echiv
I IP R R= ⋅ = ⋅ ⋅ (4.2)
2 22 2
_ _
220 80a dipol scurt
l lR π π
λ λ = =
(4.3)
ReactanŃa dipolului scurt este practic similară aceleia unei linii scurte de transmisiune
terminată în gol.
2
2 2 2S
s cc c
a c
c sZ
lZ jZ tgk
Z ZjX Z j
l l lZ jZ tgk jctgk tgk
→∞
+= = = −
+ (4.4)
12
2
2
c ca
lk
Z ZX
l klctgk
<<
= − = − (4.5)
Din punct de vedere al radiaŃiei diagrama de radiaŃie este identică cu cea a elementului de
curent, caracteristica de radiaŃie fiind F(θ)=|sin θ |.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
31
B. Desfăşurarea lucrării
B.1 Pentru ca antena dipol să funcŃioneze ca o antenă scurtă, trebuie să rezoneze la o
frecvenŃă foarte mare. Se consideră o antena dipol scurtă, cu l=λ/40, ce rezonează la 300
MHz. Să se calculeze lungimea de undă.
B.2 Să se calculeze rezistenŃa de radiaŃie pentru l= λ /40.
B.3 Să se reprezinte impedanŃa reală şi imaginară a antenei dipol scurt , utilizând programul
antenei dipol în spaŃiu liber optimizat pentru rezonanŃă la 300 MHz.
După ce se deschide din folderul EXAMPLES programul DIPOLE.nec se salvează proiectul
cu denumirea dipolscurt.nec într-un folder cu numele dumneavoastră.
În continuare se vor face modificări asupra codului pentru o antena dipol în scurt conform
indicaŃiilor următoare:
Dublu click pe linia GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.4.2 .
Fig.4.2 Fereastra de generare a elementului antenei
Dublu click pe linia GE – End Geometry. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.4.3 .
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
32
Fig.4.3 Fereastra End Geometry
Dublu click pe linia FR – Frecvency Specification. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.4.4 .
Fig.4.4 Fereastra de specificare a frecvenŃei
Dublu click pe prima linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.4.5 .
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
33
Fig.4.5 Fereastra de editare a coordonatelor diagramei de radiaŃie
Dublu click RP pe a doua linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.4.6 .
Fig.4.6 Fereastra de editare a coordonatelor diagramei de radiaŃie
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
34
Dupa toate aceste modificari se rulează programul prin click pe butonul RunNec.
Se apasa orice tasta pentru a merge mai departe!
În Comands-> Necvu se poate observa configuraŃia antenei dipol scurt.
Fig. 4.7 Antena dipol scurt
Pentru reprezentarea impedanŃei de intrare a antenei se dă click pe butonul
Rectangular Plot. Se alege Input Impedance şi se apasă OK, conform Fig.4.8 .
Fig.4.8 Fereastra Rectangular Plot
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
35
În continuare se alege pe rând reprezentarea părŃii reale şi imaginare a impedanŃei de
intrare a antenei, conform Fig.4.9 .
Fig.4.9 Alegerea părtii reale şi imaginare a impedantei de intrarea pentru reprezentarea
grafică
B.4 Ce se observă? Valorile obŃinute coinci cu valorile deduse analitic în cazul elementului
de curent?
B.5 Care este rezistenŃa echivalentă a acestei antene? Ce se observă?
B.6 Stiind că din punct de vedere a radiaŃiei, diagrama de radiaŃie a dipolului scurt este
identică cu ce a elementului de curent, caracteristica de radiaŃie fiind F(θ)=|sin θ |, calculaŃi
analitic câştigul antenei şi comparati-l cu cel obŃinut cu ajutorul Programuli GNEC.
Ce valoare are unghiul la -3dB? Ce observaŃi?
Pentru reprezentarea grafică a diagramei de radiaŃie se dă click pe butonul Polar Plos,
după care conform Fig.4.10 se alege Power Gains.
Fig.4.10 Selectarea tipului de reprezentare
După selectarea Power Gains se
alege frecvenŃa dorită pentru reprezentarea
diagramei de radiaŃie şi se da click pe
Generate Graph pentru reprezentarea
diagramei de radiaŃie.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
36
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
37
LAB 5 + LAB 6
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
38
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
39
Dipolul repliat A. Introducere teoretică
În această lucrare se urmăreste calcularea impedantei de intrare pentru o antena dipol
repliat (Folded Dipole Antenna). Pentru a se putea calcula această impedanŃă se descompune
problema în doua subprobleme, una de mod par şi una de mod impar, in final aplicandu-se
principiul suprapunerii efectelor.
Fig.5.6.1 Antena dipol repliat – circuitul echivalent
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
40
Modul par
Fig.5.6.2 Modul Par
Se constată un dipol simplu ale carui braŃe
sunt constituite din câte doua ramuri
parcurse de 2 curenti I1, ambii în acelaşi
sens; asadar modul par este radiant,
contribuŃiile curenŃilor în câmp îndepărtat
însumându-se.
Modul impar
Fig.5.6.3 Modul impar
Se constată că modul impar nu conduce la
radiaŃie de energie electromagnetică, acesta
fiind un mod neradiant deoarece în acest caz
cele doua ramuri paralele sunt parcurse de
curenŃi egali în modul dar de sens contrar.
Circuitul fiind echivalend cu doua linii de
transmisiune în scurtcircuit.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
41
Din analiza de mai sus, rezultă că modul par este responsabil de partea reală (rezistenŃa
de radiaŃie) a impedanŃei de intrare a dipolului repliat. În cazul modului impar, impedanŃa de
intrare, va fi una pur imaginară ca în cazul liniilor.
Presupunând că antena de radiaŃie se află la rezonanŃă , rezistenŃa de radiaŃie a unui dipol
simplu, corespunzătoare modului par are formula:
1
'4a
VR
I= (5.6.1)
Pe de altă parte rezistenŃa de radiaŃie a dipolului repliat are formula:
1
4 'a a
VR R
I= = (5.6.2)
I2=0 la rezonanŃă.
Astfel, rezistenŃa de radiaŃie a unui dipol repliat este de 4 ori mai mare decât cea a unui
dipol simplu.
Partea reactivă se calculează ca fiind suma dintre reactanŃa dipolului simplu
corespunzătoare modului par şi reactanŃa de intrare corespunzatoare modului impar, adică a celor
două tronsoane de linie in scurt circuit.
B. Desfăşurarea lucrării
B.1 Să se reprezinte şi să se analizeze impedanŃa de intrare a antenei dipol repliat în
spatiul liber, făcându-se o comparaŃie cu cazul antenei dipol simplu studiată în laboratorul
nr.2 .
După ce se deschide din folderul EXAMPLES programul DIPOLE.nec se salvează
proiectul cu denumirea dipolrepliat.nec într-un folder cu numele dumneavoastră.
În continuare se vor face modificări asupra codului pentru o antena dipol repliat conform
indicaŃiilor următoare:
Se vor pune doi dipoli în paralel la o distanŃă de 0,05λ. (5 cm).
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
42
Se va copia linia GW şi se vor adăuga suplimentar trei linii GW pentru configurarea
corectă a antenei dipol repliat.
Dublu click pe prima linie GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.5.6.4 .
Fig.5.6.4 Generarea elementului 1- Wire 1
Dublu click pe linia 2 GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.5.6.5 .
Fig.5.6.5 Generarea elementului 2 –Wire 2
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
43
Dublu click pe linia 3 GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.5.6.6 .
Fig.5.6.6 – Generarea elementului e – Wire 3
Dublu click pe linia 4 GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.5.6.7 .
Fig.5.6.7 Generarea elementului 4 – wire 4
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
44
Dublu click pe lini EG – End Geometry pentru a se stabili o antena dipol repliat în spatiu
liber. În fereastra apărută se vor face modificări conform Fig.5.6.8.
Fig.5.6.9 – Fereastra EndGeometry
Dublu click pe linia FR – Frecvency Specification. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.5.6.10.
Fig.5.6.10 Fereastra de specificare a frecventei
Dublu click pe prima linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.5.6.11.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
45
Fig.5.6.11 Fereastra de editare a coordonatelor diagramei de radiatie
Dublu click pe linia 2 RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.5.6.12 .
Fig.5.6. 12 Fereastra de editare a coordonatelor de radiaŃie
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
46
Dupa toate aceste modificari se rulează programul prin click pe butonul RunNec.
Se apasă orice tastă pentru a merge mai departe!
În Comands-> Necvu se poate observa configuraŃia antenei dipol repliat.
Fig.5.6.13 Antena dipole repliat
Pentru reprezentarea impedanŃei de intrare a antenei se dă click pe butonul
Rectangular Plot. Se alege Input Impedance şi se apasă OK, conform Fig.5.6.14 .
Fig.5.6.14 Fereastra Rectangular Plot
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
47
În continuare se alege pe rând reprezentarea părŃii reale şi imaginare a impedanŃei de
intrare a antenei, conform Fig.5.6.15 .
Fig.5.6.15 Alegerea părtii reale şi imaginare a impedantei de intrarea pentru reprezentarea
grafică
B.2 ReprezentaŃi şi analizaŃi diagrama de radiaŃie în planul orizontal şi vertical.
Pentru reprezentarea grafică a diagramei de radiaŃie se dă click pe butonul Polar Plos,
după care conform Fig.5.6.16 se alege Power Gains.
Fig.5.6.16 Selectarea tipului de reprezentare
După selectarea Power Gains se alege frecvenŃa dorită pentru reprezentarea diagramei de
radiaŃie şi se da click pe Generate Graph pentru reprezentarea diagramei de radiaŃie.
B.3 Care este valoarea castigului şi unghiul la – 3dB pentru antena dipol repliat la o
frecvenŃa de rezonanŃă de 300 MHz? Ce observaŃi?
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
48
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
49
LAB 7
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
50
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
51
Antena monopol A. Introducere teoretică
În analiza antenei monopol se pleaca de la convenŃia unui plan de masă perfect conductor
şi infinit. Efectul de imagine face ca elementul radiant al monopolului împreună cu imaginea sa
în planul de masă să constituie o antena dipol.
Fig.7.1 Antena monopol. Efectul de imagine
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
52
Ambele antene sunt parcurse de acelaşi curent, antena monopol fiind excitată de un
generator cu Vg, iar cea dipol cu 2 Vg.
/4
m
rm
in
dP dG
Pπ
Ω= (7.1)
/4
m
rm
in
dP dG
Pπ
Ω= (7.2)
În ambele cazuri Pr este aceeaşi întrucât curentul ce parcurge antena este acelaşi, câmpul
electric radiat a celor două antene este identic, iar puterea radiată este proporŃională cu E2
(Pr ≈ E2) .
În cazul în care planul de masa al antenai monopol are dimensiuni reduse devine
important efectul difracŃiei câmpului electromagnetic pe planul de masă. DifracŃia este legată de
existenŃa unor discontinuităŃi în mediul de propagare. ConsecinŃa este pe de o parte modificarea
diagramei de radiaŃie şi chiar apariŃia unor lobi sub planul de masă, şi pe de altă parte caracterul
infinit are influenŃă şi asupra impedanŃei, aceasta se poate considera neglijabilă atunci când
dimensiunile planului de masa > 1,5λ.
Fig.7.2 (a) Monopol pe plan de masă infinit (b) Monopol pe plan de masă finit
Avantajul antenei monopol cel mai important este posibiliatatea utilizării cablului coaxial
întru-cât atât antena cât şi cablu sunt asimetrice. În cazul antenei dipol se deformează diagrama
de radiaŃie datorită efectului curenŃilor care se închid pe exteriorul cablului coaxial. Un dipol
trebuie alimentat mereu printr-o linie de transmisiune simetrică.
0m gP V I= (7.3)
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
53
02d gP V I= (7.4)
Din formulele (7.3) şi (7.4) rezultă
2m dG G= (7.5)
3
[ ] [ ] 10log 2m d
dB
G dB G dB= +123
(7.6)
2d
m
in
in
ZZ = (7.7)
De aceea impedanŃa caracteristica a cablului de alimentare pentru antena monopol,
trebuie aleasa la jumatatea celor folosite pentru alimentarea antenelor dipol. Valoare uzuală a
impedanŃei caracteristice petru antena monopol este:
B. Desfăşurarea lucrării
B.1 Să se reprezinte şi să se analizeze impedanŃa de intrare reală şi imaginară a antenei
monopol, utilizând programul antenei dipol în spatiu liber optimizat pentru rezonanŃă la 300
MHz.
După ce se deschide din folderul EXAMPLES programul DIPOLE.nec se salvează
proiectul cu denumirea monopol.nec într-un folder cu numele dumneavoastră.
În continuare se vor face modificări asupra codului pentru o antenă monopol.
Dublu click pe linia GW – Generate Wire. În fereastra apărută se vor face modificări
conform Fig.7.3.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
54
Fig 7.3 Generarea elementului antenei
Dublu click pe linia EG – End Geometry pentru a se stabili un plan de masă. În fereastra
apărută se vor face modificări conform Fig.7.4.
Fig.7.4 Fereastra End Geometry
Dublu click pe linia GP – Ground Parameters pentru a se stabili un plan de masă perfect
conductor. În fereastra apărută se vor face modificări conform Fig.7.5.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
55
Fig. 7.5 Fereastra de stabilire a parametrilor planului de masă
Dublu click pe linia FR – Frecvency Specification. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.7.6.
Fig 7.6 Stabilirea benzii de frecvenŃă ce urmează a fi analizată
Dublu click pe prima linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.7.7
Fig.7.7 Fereastră de editare a coordonatelor diagramei de radiaŃie
Dublu click pe prima linie RP – Radiation Patern. În fereastra apărută se vor face
modificări conform Fig.7.8.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
56
Fig.7.8 Fereastra de editare a coordonatelor diagramei de radiatie
Dupa toate aceste modificări se rulează programul prin click pe butonul RunNec.
Se apasă orice tastă pentru a merge mai departe!
În Comands-> Necvu se poate observa configuraŃia antenei monopol.
Fig.7.9 Antena monopol
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
57
Pentru reprezentarea impedanŃei de intrare a antenei se dă click pe butonul
Rectangular Plot. Se alege Input Impedance şi se apasă OK, conform Fig.7.10 .
Fig.7.10 Fereastra Rectangular Plot
În continuare se alege pe rând reprezentarea părŃii reale şi imaginare a impedanŃei de
intrare a antenei, conform Fig.7.11 .
Fig.7.11 Alegerea părtii reale şi imaginare a impedantei de
intrarea pentru reprezentarea grafică
B.2 Să se observe şi să se noteze valoarile reală şi imaginară ale impedanŃei de intrare a
antenei monopol la frecvenŃa de rezonanŃă şi să se compare aceste valori cu cele obtinute in
cazul unui dipol simplu studiat in Laboratorul nr.2.
UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANTA ANTENE ŞI PROPAGARE
58
B.3 ReprezentaŃi şi analizaŃi diagrama de radiaŃie în planul orizontal şi vertical. Ce se
observă?
Pentru reprezentarea grafică a diagramei de radiaŃie se dă click pe butonul Polar Plos,
după care conform Fig.7.12 se alege Power Gains.
Fig.7.12 Selectarea tipului de reprezentare
După selectarea Power Gains se alege frecvenŃa dorită pentru reprezentarea diagramei de
radiaŃie şi planul în care se doreşte reprezentarea şi se dă click pe Generate Graph pentru
reprezentarea diagramei de radiaŃie.
B.4 Care este valoarea câştigului şi unghiul la – 3dB pentru o antena monopol, pe un plan
de masă perfect conductor, optimizată la o frecvenŃa de rezonanŃă de 300 MHz?
Top Related