Sisteme de antene - Sistem cu doua elemente, liniare

Sisteme de antene

In unele aplicatii diagramele de radiatie orizontala - circulare - ale unei antene dipol sunt nesatisfacatoare. Punand mai multi dipoli in linie putem modifica diagrama de radiatie asa incat sa obtinem o mare varietate a diagramelor de radiatie functie de parametrii sistemului. Vom incepe cu cel mai simplu sistem, format din doua elemente, iar apoi vom examina sisteme cu mai multe elemente asezate in linie si egal distantate. S-au studiat si alte sisteme, mai complexe, detalii referitoare la aceste sisteme putand fi gasite in Krans².

Sistem cu doua elemente

In figura 7, elementele sunt alimentate cu curentii I₀ si I₁ care vor avea amplitudini egale, dar vor fi defazati, adica:

Daca punctul de observatie P este situat in campul indepartat, diferenta de drum de la P la cele 2 elemente va fi aproximativ egala cu dcosf unde d este distanta intre elemente.

Fig.

In pozitia din figura, faza in P a radiatiei provenite de la elementul 1 va fi in avans cu y fata de cea provenita de la elementul ), unde:

fiind constanta de faza a undei transmise.

Daca, in punctul P, campul datorat elementului 0 este E₀, atunci campul total E_p va fi:

a carui amplitudine este

(18)

adica

(19)

Asadar, cunoscand distanta si defazajul dintre cele doua elemente, putem determina diagrama de variatie, care descrie variatia lui E, functie de f. Se pot produce modificari importante in diagrama polara variind d/l si a Desenarea diagramei de radiatie si compararea rezultatelor pentru diferite valori ale d/l si a constituie un exercitiu util. Jordan¹, Kraus², si Jasih³ infatiseaza multe astfel de diagrame.

Sisteme liniare

Mai multe elemente in linie formeaza un sistem liniar. In aceasta sectiune ne indreptam atentia asupra celui mai simplu sistem, in care n elemente egal departate sunt alimentate cu curenti de amplitudine egala, iar diferenta de faza intre oricare doua elemente adiacente este constanta.

Din figura 8, campul intr-un punct indepartat P este:

(20)

unde, la fel ca mai inainte, E₀ este campul in P datorat radiatiei elementului 0, iar y este diferenta de faza in P datorata radiatiei elementului 1 comparata cu radiatia elementului 0, adica:

(21)

Pentru a gasi amplitudinea lui E_p vom folosi egalitatea:

(22)

Amplitudinea din ecuatia (20) este:

(23)

Raportul se numeste factorul sistemului deoarece el determina forma diagramei de radiatie. Folosind regula lui l'Hospital, obtinem minimumul factorului sistemului pentru y adica daca:

Alegand corect a putem amplasa maximumul acolo unde dorim. Vom da doua exemple:

Sistem de flanc:

Maximumul este perpendicular pe axa elementelor, pe directia f p . radiatia elementelor trebuie sa fie in faza pe aceasta directie, si conform ecuatiei (21, aceasta cere ca elementele sa fie alimentate in faza, adica a

Sistem in axa:

Aici maximumul este plasat pe axa elementelor, adica pe directia f . Aici radiatiile elementelor adiacente se vor aduna pe o directie si se vor scadea pe sensul opus. Din nou, conform ecuatiei (21), vom gasi relatia de faza intre doua elemente adiacente ca fiind:

Ia bd

asa incat diferenta de faza intre curentii din elementele 0 si 1, de exemplu, va fi anulata de distanta dintre ele.

Fig. 8.

In ambele cazuri si, in general pentru orice sistem liniar, latimea lobului principal scade la cresterea numarului de elemente, ceea ce este echivalent cu cresterea lungimii fizice a sistemului.

Pentru a gasi forma diagramei de radiatie a unui sistem anume, de obicei este, suficient sa determinam directia maximumului, din ecuatia (23) si sa gasim pozitiile nulurilor. Aceste directii ale nulurilor, cand campul in P este zero, se pot determina mult mai usor decat directiile maximelor lobilor secundari. Conform ecuatiei (23), un camp zero apare cand factorul sistemului este zero, adica:

sau (24)

unde k=1,2,3,. Comportarea acestor sisteme este examinata mai in profunzime in problemele 3, 4 de la sfarsitul capitolului.

O evaluare detailata a factorului sistemului este necesara daca se cere o diagrama de radiatie completa. Cu toate acestea, in unele cazuri este suficienta o estimare a lobilor monori, obtinuta prin calcularea a una sau doua valori ale unghiurilor dintre doua nuluri adiacente.

Multiplicarea diagramei

Exista unele combinatii liniare de elemente mai complexe care pot fi analizate prin descompunerea sistemului in componente care au o diagrama de radiatie cunoscuta, sau usor de aflat, si apoi, combinand aceste rezultate, putem afla diagrama globala. Aceasta metoda de multiplicare a diagramei se intelege usor daca vom da un exemplu. Fie sistemul de elemente din figura 9.a.

Daca presupunem ca elementele sunt izotrope, putem descompune sistemul in:

a) un sistem liniar de 3 elemente, cu d=3l si a (figura 9.b).

b) fiecare din aceste trei elemente este de fapt un sistem de doua elemente cu: d=0,6l si a (figura 9.c).

In acest exemplu cele 6 elemente ale sistemului initial ABCDEF au fost inlocuite de trei elemente RST, unde R a inlocuit pe A si B, S pe C si D, T pe E si F.

Diagrama de radiatie a lui RST, presupunand fiecare element izotrop se obtine din sectiunea 13. Rezultatul se observa in figura 9.b. Diagrama de radiatie a lui R (sau S, sau T) se gaseste din ecuatia (19) si are forma din figura 9.c.

Fig. 9.

Diagrama de radiatie ce rezulta pentru sistemul de 6 elemente va fi produsul diagramei sistemului (figura 9.b) si a diagramei grupului (figura 9.c).

Se observa ca numarul de nuluri din diagrama globala este suma nulurilor diagramelor componente, adica patru nuluri datorate diagramei de grup si sapte nuluri datorate diagramei sistemului, rezultand in total unsprezece nuluri (figura 9.d).

Adaptarea antenelor

Eficienta conexiunii dintre linia de transmisie "feeder" si antena depinde de adaptarea impedantelor celor doua. In aplicatiile de banda ingusta impedanta antenei poate fi masurata sau calculata, si deci vom putea utiliza o linie de transmisie adecvata, cu unitate de adaptare daca este necesar.

In aplicatiile de banda larga o asemenea adaptare este imposibila. Antenele nerezonante au latime de banda mare deoarece variatia impedantei antenei cu frecventa este mult mai mica decat in cazul structurilor rezonante.

Putem observa efectul rezonantei asupra impedantei la terminalele antenei daca examinam un dipol jumatate de unda. Figura 3 prezinta modul tipic de variatie pentru diferite grosimi ale tijei antenei.

Lungimea de rezonanta este cea care produce o impedanta pur rezistiva, si putem observa din desen ca reactanta este zero pentru o lungime putin mai mica decat l , depinzand de grosimea tijei dipolului. Cand diametrul tijei scadespre zero lungimea de rezonanta se apropie de l . Aceasta se datoreaza in parte efectului capacitiv al capetelor tijei.

Impedanta dipolului jumatate de unda la rezonanta este in jur de 73 W de aceea un cablu cu impedanta caracteristica nominala 75 W va asigura o adaptare buna. In unele aplicatii este mai util cablul simetric de 300 W, care nu se adapteaza cu dipolul de 73 W. Daca inchidem dipolul ca in figura 10, impedanta sa va fi de aproximativ 300 W, care se adapteaza cu impedanta caracteristica a liniei.

Fig. 10.

Exista si alte avantaje daca folosim un dipol inchis: este mai robust din punct de vedere mecanic, poate fi fixat mai usor pe un suport, iar suprafata de radiatie nu este influentata de consola - suport.

Elemente pasive

Cand am discutat despre dipol am stabilit ca diagrama sa polara orizontala este circulara, si in concluzie nu are proprietati directive. Folosind mai multi dipoli in linie vom obtine o antena mai directiva, dar asta nu e intotdeauna convenabil. Conectarile alimentarilor, care necesita amplitudini si faze ale curentilor din fiecare element specificate, cresc si mai mult complexitatea, deci costul antenei. In emisiile domestice, in acele game de frecventa in care dipolul jumatate unda are dimensiuni convenabile, se vor folosi elemente pasive pentru distorsionarea campului dipolului, obtinandu-se o diagrama de radiatie directiva. Un element pasiv nu are cablu feeder. El este amplasat langa elementul alimentat si culege curent de la el prin inductanta mutuala. Elementul pasiv se comporta ca un radiator separat si diagrama de radiatie rezultanta este o combinatie a radiatiei dipolilor condus si pasiv. Pozitia elementului pasiv fata de directia fascicolului principal ii determina functia. In figura 11 elementul pasiv actioneaza ca un director, fiind plasat la o asemenea distanta in fata elementului alimentat incat campurile celor doua elemente se aduna pe linia ce le uneste, pe directia maximumului cerut. Un element pasiv amplasat an spatele elementului alimentat se comporta ca un reflector, energia reradiata adaugandu-se la cea a elementului alimentat, tot pe directia maximumului (fura 12).

Fig. 11.

Fig. 12.

Folosind mai multi directori, cum se obisnuieste la o antena VHF, (figura 13) se obtine un fascicul foarte directional. Daca este folosita pentru receptie, acest tip de antena este foarte sensibil spre fata, deci va discrimina semnalele provenite din alte directii. Directivitatea creste cu cresterea numarului de elemente.

Fig. 13.

Antena a fost botezata dupa Hiditsugn Yagi, care a activat in domeniul comunicatiilor de inalta frecventa. Descrierea antenei proiectata de el a fost publicata in "Proceedings of the Institute of Radio Engineers" in 1925. Amplificand directivitatea sistemului, el a numit-o proiector de unda sau tub de unda.

Nu vom analiza aceste antene. Cuplajul mutual este complex, depinzand de amplasarea, lungimea, diametrul si materialul de confectionare a fiecarui element, si apare nu numai intre elementele parazite si elementul alimentat, ci si intre elementele parazite. Proiectarea antenelor multi-element se bazeaza pe experienta empirica, si mult mai putin pe analiza matematica, din cauza dificultatii modelarii interactiunilor dintre elemente.

1 Antene de microunde

La frecvente apartinand domeniului microundelor, antenele sunt mult mai mari decat lungimea de unda, ceea ce permite utilizarea unor tehnici inrudite cu cele din optica, cum sunt reflectoarele si lentilele; de aceea antenele de microunde sunt intrucatva diferite de cele utilizate la frecvente mai joase. Gama de aplicatii ale microundelor in domeniile radar si al comunicatiilor este foarte mare si in crestere, de aceea cererea de antene eficiente, robuste si ieftine va creste, in special in domeniul undelor milimetrice.

In sectiunea 14.5 sunt prezentate unele probleme de proiectare ale antenelor de satelit.