ANTENE - ANTENE DE EMISIE, ANTENA DE RECEPTIE CA SENZOR DE CAMP ELECTRIC

ANTENE

ANTENE DE EMISIE

Descrierea comportarii dipolului Hertz de la 5.1 constituie premisa pentru descrierea comportarii unei antene cu structura fizica. In cazul dipolului (teoretic) s-a acceptat ca intensitatea curentului este uniforma pe lungimea l. In cazul unei antene acordate, lungimea antenei este de acelasi ordin de marime cu lungimea de unda a radiatiei emise, iar distributia curentului nu mai poate fi considerata uniforma; se accepta fie o distributie sinusoidala, fie o distributie liniara, adica curentul la baza antenei este cel mai mare, iar in varful antenei este nul. Functia antenei ramane identica cu a dipolului Hertz, si anume de a transforma energia de conductie in energie de radiatie.

1.1.ANTENE CU O EXTREMITATE LA PAMANT (MONOPOL)

Antena de emisie este acordata, ca dimensiune liniara, cu lungimea de unda a semnalului radiat. Conditiile de acord se stabilesc pe baza ecuatiilor telegrafistilor, cu toate ca antena verticala nu are constantele lineice uniform distribuite. Antena este excitata la baza, cu ajutorul unui cablu coaxial adaptat, care transfera antenei energia furnizata de un generator de inalta frecventa, ca in fig.1. Ecuatiile telegrafistilor sunt urmatoarele:

Notatiile din fig.1 sunt:

tensiunea si curentul la baza antenei, adica la x=0;

tensiunea si curentul la distanta x.

,constanta de propagare (5.35)

La o linie fara pierderi () se obtine:

(5.37)

Daca antena este acordata vor exista noduri de curent, adica puncte situate la distanta x fata de baza antenei in care curentul . in aceasta conditie, din relatia (5.34) rezulta impedanta de la baza antenei:

(5.38)

Pentru linia (antena) fara pierderi:

(5.39)

sau

Pentru frecventa de rezonanta, impedanta vazuta de la baza antenei, cu x=h, este nula, ceea ce conduce la:

(5.40)

Se observa ca:

si

Relatia (5.40) este satisfacuta pentru:

(5.41)

Pentru unda fundamentala: sau

Pentru armonica a treia: (5.42)

Pentru armonica a cincea:

Antena cu imagine. Antena verticala excitata la extremitatea spre pamant produce o componenta a campului electric care se inchide dupa o directie normala la suprafata pamantului, acesta fiind considerat cu o conductivitate electrica semnificativa.

In fig.2 s-a schitat acest aspect, pamantul fiind considerat cu o conductivitate infinita. In constructia tehnica a antenei, sub antena verticala, in scopul diminuarii pierderilor de energie in pamant, se executa o priza de pamant sub forma unei retele metalice, care constituie 'contragreutatea' antenei.

Pentru a calcula campul electric produs de o antena cu o extremitate la pamant, se foloseste modelul fizic al imaginii. Campul electric in punctul P determinat de

radiatia antenei verticale de inaltime h, in prezenta pamantului, este acelasi cu campul electric determinat de o antena de lungime 2h, in absenta pamantului.

1.2. ANTENA DIPOL CU EXCITATIE LA MIJLOC

Antenele de emisie in domeniul undelor scurte si ultrascurte se realizeaza de preferinta sub forma dipolului cu excitatie la mijloc. In acest mod se evita pierderile de energie in pamant, pierderi care apar la antena verticala. In plus, datorita dimensiunilor reduse, antena dipol poate fi acordata, ceea ce conduce la cresterea puterii radiate pentru un curent dat de antena. In fig.3. este schitata o asemenea antena, care poate fi excitata de preferinta astfel ca jumatate din lungimea dipolului sa fie l/2=l/4. Valoarea campului electric 'la departare' este identica cu aceea a campului electric produs de antena verticala (excitata la baza), dar puterea radiata este de doua ori mai mare, avand in vedere ca se poate considera ca antena dipol cu excitatie la mijloc radiaza in limitele unghiului q cuprins intre 0 si p

Radiatia este considerata ca fiind libera, adica fara influenta pamantului.

Ca urmare se conserva relatia (5.49) pentru campul electric, dar pentru puterea radiata expresia corespunzatoare este:

(5.58)

cu rezistenta de radiatie:

(5.59)

Integrala din relatiile (5.58) si (5.59) se evalueaza numeric.

Note.

a) In tehnica CEM, antena dipol este folosita atat ca antena de emisie, cat si ca antena de receptie in intervalul de frecventa: 30 MHz.. 300 MHz.

b) Factorul de scurtare. In relatiile privind puterea radiata si rezistenta de radiatie, s-a admis ca lungimea antenei este l = l/2. La antenele realizate, la care conductorul antenei difera de conceptul 'filiform' si deci la care acest conductor are un diametru d bine determinat, relatia de dependenta, la rezonanta, este , unde k_S este factorul de scurtare, care depinde de raportul l/d. Pentru antenele construite, factorul de scurtare variaza intre 0,82 si 0,96 , pentru raportul l/d cuprins intre 4 si 2000. Factorul de scurtare se explica prin urmatoarele:

*Viteza de propagare a curentului in conductorul antenei este mai mica decat viteza de propagare a undei electromagnetice in spatiul vid.

*Frecventa de rezonanta este modificata de 'efectul de capat' si de capacitatile parazite mai importante fata de pamant, datorate sistemelor mecanice de sprijinire a antenei la extremitati. Efectul de capat este mai pregnant la antenele ale caror extremitati sunt mentinute de izolatoare. In acest caz curentul din extremitatile antenei nu este nul; un curent mic de natura capacitiva se scurge spre pamant.

c)Impedanta antenei. Pentru o antena dipol cu lungimea curentul prezinta un minim la extremitati si un maxim la mijlocul antenei, adica in zona de excitatie; tensiunea este cea mai mica la mijlocul antenei si maxima la extremitati. Rezulta de aici ca in lungul antenei impedanta este variabila, si anume este maxima la extremitati si minima in zona de excitatie.

Impedanta de intrare a antenei este definita ca impedanta aparenta in zona de alimentare (excitatie a antenei). La antenele dipol construite cu excitatie la mijloc, impedanta de intrare este de aproximativ 60 W

d)Tensiunea de alimentare a antenei dipol. Schema echivalenta simplificata a unei antene dipol cu excitatie la mijloc consta dintr-un circuit cu componentele R, L, C conectate in serie. La rezonanta, tensiunea de alimentare U=RI , unde R se compune din rezistenta de radiatie la care se adauga rezistenta de pierderi, iar I este curentul in punctul de excitatie. In practica este necesar sa se tina seama si de caderea de tensiune datorata unei inductivitati reziduale.

1.3. ANTENA CADRU

In tehnica CEM, antena cadru este folosita la determinarea eficientei de ecranare a cabinelor ecranate, a ferestrelor de tip fagure si a garniturilor de inalta frecventa. In acest scop se foloseste o pereche de antene, din care una este de emisie si cealalta este de receptie. Banda de frecventa este cuprinsa intre 9 kHz si 30 MHz, iar verificarea eficientei de ecranare se efectueaza la componenta de camp magnetic. Aceasta componenta este relativ intensa in apropierea antenei cadru. Intre antena cadru si antena dipol exista un anumit dualism, in sensul ca antena dipol creeaza, in apropiere, o componenta intensa de camp electric, iar antena cadru creeaza, in apropiere, o componenta intensa de camp magnetic. Dupa cum se va observa, acest dualism se manifesta si in expresiile componentelor de camp magnetic, respectiv electric.

Antena cadru consta dintr-o bucla circulara de raza a parcursa de un curent de inalta frecventa . In fig.4, bucla de curent este plasata in planul x0y, cu centrul in centrul sistemului de coordonate. Pentru calculul componentelor de camp electromagnetic, peste sistemul cartezian x, y, z se suprapune sistemul de referinta cilindric. Punctul P(r, q j=0), in care se calculeaza componentele de camp, este situat in planul x0z. Triunghiul Pab este dreptunghic, cu unghiul drept in punctul a

Este de notat ca o antena cadru, indiferent daca este de emisie sau de receptie, functioneaza acordat si in aceasta situatie la extremitatea buclei, formata de cele mai multe ori dintr-o singura spira, se conecteaza un condensator. Astfel, campul electric este concentrat la bornele condensatorului, iar campul magnetic este concentrat la maximum in zona centrala a spirei.

Randamentul antenei care functioneaza acordat se evalueaza cu relatia (5.113), in care se arata ca raportul intre rezistenta de pierderi R_P si rezistenta de radiatie R_r joaca un rol determinant. Pentru a diminua rezistenta de pierderi si deci a imbunatati randamentul antenei de emisie, este necesar sa se foloseasca conductoare scurte de conductivitate cat mai mare (Cu), cu efect pelicular cat mai redus si sa se realizeze contacte electrice (la conectarea condensatorului) de rezistenta cat mai mica, ceea ce se obtine prin procedeul tehnologic de lipitura tare de suprafata mare. In acelasi timp prin reducerea lungimii periferice se elimina formarea, la rezonanta, de noduri si ventre in lungul conductorului.

Antena cadru de receptie este introdusa intr-un ecran circular intrerupt pentru a nu forma o spira in scurtcircuit. In acest mod, la antenele de receptie, se elimina posibilitatea ca antena cadru sa fie sensibila si la componenta de camp electric a radiatiei electromagnetice.

1.4. ANTENA BICONICA

Functionarea antenei biconice se explica cu ajutorul unui model fizic in care cele doua conuri au o extindere foarte mare, teoretic infinita. Un asemenea model este schitat in fig.5, in care se observa ca aceasta antena este un dipol conic cu excitatie la mijloc. Prin ipoteza se accepta o componenta, normala la con, de camp electric, adica si o componenta tangentiala de camp magnetic, adica .

In coordonate sferice, componentele rotorului sunt urmatoarele:

*dupa directia r:

(5.73)

*dupa directia q

(5.74)

*dupa directia j

(5.75)

Se observa ca, in ipoteza conurilor extinse la infinit, curentul se mentine constant, dar in continua defazare

Impedanta antenei biconice. Prin efectuarea raportului intre U(r, q) si I(r) se obtine impedanta antenei conice:

(5.91)

Puterea radiata. Radiatia este de tip TEM si deci si se afla in cuadratura spatiala. Puterea specifica radiata se calculeaza cu ajutorul vectorului Poynting, care, ca modul si valoare de varf, este:

(5.92)

Unghiul q variaza intre si . Valoarea cea mai mare a puterii specifice se obtine pentru q si q

Puterea radiata, ca valoare de varf, este:

(5.93)

Puterea medie radiata se calculeaza cu ajutorul relatiei (5.93):

(5.94)

Nota. Important este ca antena conica, asa cum se arata in relatia (5.91), are o impedanta Z_con independenta de frecventa. Acest aspect permite o buna adaptare a cablului coaxial care alimenteaza antena, pentru o banda larga de frecventa, de exemplu intre 400 MHz la 1 GHz. In realitatea fizica, antena biconica este limitata ca extindere.

2. ANTENA DE RECEPTIE CA SENZOR DE CAMP ELECTRIC

Pe baza teoriei reciprocitatii (a se vedea 5.4) orice antena de emisie poate fi antena de receptie. Esential insa este faptul ca din punct de vedere termic antena de emisie se dimensioneaza pentru curentul introdus in antena (de exemplu,100A), in timp ce antena de receptie se dimensioneaza pentru curentul receptat (de exemplu, 10 mA).

In cele ce urmeaza se prezinta functionarea antenelor de receptie dipol si cadru.

2.1. ANTENA DE RECEPTIE DIPOL

Aceasta antena este folosita conform normelor CISPR 18 si DIN VDE 0877 la masurarea semnalelor de interferenta radio in banda 30 MHz 300 MHz. Sarcina antenei de receptie, utilizata in tehnica CEM, este impedanta de intrare Z_r=50 W a unui voltmetru de perturbatii sau a unui analizor de spectru. Conexiunea intre antena si aparatul de masurat (voltmetru sau analizor de spectru) se realizeaza prin intermediul unui cablu coaxial cu impedanta caracteristica Z_c=50 W. In acest caz se poate spune ca impedanta de sarcina Z_s a antenei receptoare este . Schita fizica a antenei receptoare este prezentata in fig. 6. Unda electromagnetica plana excita antena sub unghiul de incidenta q, cu viteza de propagare . Tensiunea in gol culeasa de antena este:

(5.97)

Factorul de conversie al antenei. Antena ca senzor serveste la masurarea campului electric E. Milivoltmetrul sensibil nu masoara direct un camp electric, ci o tensiune pe impedanta de sarcina de 50W. In scopul obtinerii unei informatii utile cu ajutorul voltmetrului de perturbatii, se defineste un factor de conversie al antenei sub forma urmatoarelor variante:

a) Raportul intre intensitatea campului electric E si tensiunea U, masurata pe impedanta de sarcina a milivoltmetrului, adica :

[1/m] (5.102)

b) Logaritmul raportului dat de relatia (5.102) : [dB(1/m)] (5.103)

c) Daca instrumentul de masurat (milivoltmetrul de perturbatii) este etalonat in dB, adica tensiunea masurata este :

[dB(1mV)] (5.104)

iar intensitatea campului electric :

[dB(1mV/m)] (5.105)

2.2 ANTENA DE RECEPTIE CADRU

Aceasta antena este in esenta o bucla conductoare, de cele mai multe ori de forma circulara, ca in fig.7.

Antena de receptie cadru este sensibila la componenta de camp magnetic. Daca bucla are N spire, iar componenta de camp magnetic face unghiul a cu planul buclei, tensiunea in gol indusa este :

(5.108)

Cu , rezulta :

(5.109)

Din punct de vedere constructiv N=1, pentru ca lungimea conductorului sa fie mica in raport cu lungimea de unda. De asemenea, conductorul bucla care formeaza antena este introdus intr-un ecran tubular nescurtcircuitat, ca in fig. 8, antena de receptia cadru fiind folosita la masurarea componentei de camp electric pe baza relatiei .

In figura 8 se arata schema electrica a sistemului AMZ-3/50 de fabricatie INCO, schema in care se poate observa modul de asimetrizare a antenei. Antena capteaza intre bornele a si b un semnal izolat fata de pamant, iar cablul coaxial are ecranul conectat la pamant. Pentru acordarea antenei se foloseste un sistem de inductivitati cuplate cu condensatoare variabile.

2.3. CUPLAJUL NTRE ANTENA DE EMISIE I CEA DE RECEPTIE

Datorit faptului c antena de receptie determin n sarcin o radiatie electromagnetic

secundar, se poate spune c exist o interactiune cu caracter mutual ntre antena de emisie i cea de receptie. Curentul care parcurge antena de emisie (primar) determin n antena de receptie tensiunea electromotoare:

(5.123)

unde: este impedanta de cuplaj ntre antena de emisie i cea de receptie.

Curentul din antena de receptie determin n antena de emisie o tensiune electromotoare:

(5.124)

unde: este impedanta de cuplaj ntre antena de receptie i cea de emisie. Din motive de simetrie . n general, cuplajul ntre cele dou antene se cuantific sub forma:

Tensiunea de excitatie a antenei de emisie:

(5.125)

Tensiunea captat de antena de receptie:

(5.126)

n relatiile (5.125) i (5.126), i sunt impedantele proprii ale antenelor. Relatiile mentionate au o valoare functional calitativ pentru c curentii i nu sunt mrimi constante n antene. n figura 9 se arat schema de principiu a cuplajului ntre cele dou antene, schem care satisface relatiile (5.125) i ( 5.126).

Teorema reciprocittii. Aceasta a fost formulat de A. Sommerfeld pentru sistemul compus din dou antene de acelai tip, ca n fig. 10 i 11, i are urmtorul continut:

O anten de emisie 1 cu curentul de baz determin tensiunea n gol n antena

de receptie,

Dac antena 2 devine emittoare cu curentul de baz =, tensiunea n gol captat

de antena 1 este =, ca n figura 11.

Cu referire la relatiile (5.123) i(5.124) se scrie:

* n primul caz (5.127)

* n cazul al doilea (5.128)

relatii din care rezult:

(5.129)

ETALONAREA ANTENEI

Aceast operatie se poate efectua n 'putere' sau n 'camp electric'.

Etalonarea n putere. n acest caz se urmrete s se determine ceea ce se numete catigul practic G_p al unei antene, definit ca raportul ntre puterea receptionat P_rec pe impedanta nominal (50 W) a antenei i puterea teoretic P_teor receptionat de o anten de referint orientat optim n camp omogen i fr pierderi :

 ; (5.133)

Determinarea catigului practic se efectueaz, conform normelor DIN 45003, cu ajutorul a dou antene identice, pe baza teoremei reciprocittii, dup cum urmeaz :

Se msoar atenuarea de propagare a_p ntre cele dou antene identice (una de emisie i alta de receptie).

Se calculeaz atenuarea teoretic a_t n cazul radiatorului izotrop, cu ajutorul relatiei (5.122)

Dependenta ntre a_p, g_p i a_t este :

[dB] (5.134)

relatie din care se scoate expresia catigului practic:

(5.135)

n fig. 12 se prezint schema electric a instalatiei cu ajutorul creia se msoar atenuarea de propagare a_p. Antenele 1 i 2 sunt identice. Distanta r ntre antene satisface conditia :

(5.136)

unde : W este cea mai mare dimensiune linear a unei antene;

l este lungimea de und.

nltimea h a antenei fat de sol va fi h>2l, pentru a se neglija influenta solului. Conexiunile vor respecta conditia l₁+l₂=l₃+l₄. Atenuatorul D este evaluat n valori absolute i regleaz pan cand receptorul R va indica aceeai diviziune n ambele pozitii. Atenuarea a_t este citit direct pe atenuator.

Dependenta ntre catigul practic G_p i factorul de conversie al antenei F_c este dat de relatia :

(5.137)

Antenele folosite n tehnica CEM sunt etalonate 'n camp electric'. O diagram a factorului de conversie este prezentat n fig. 12.