ANTENE ELECTRICE

ANTENE ELECTRICE

Antena este un dispozitiv realizat din materiale conductoare care asigura la emisie transformarea curentilor de radiofrecventa in unde electromagnetice, iar la receptie asigura transformarea undelor electromagnetice in curenti de radiofrecventa.

Denumirea de antena are originea in cuvantul latinesc "antenna" care are semnificatia de tija sau bara.

Din punct de vedere constructiv antena este formata din unul sau mai multe conductoare suspendate fata de pamant, o legatura electrica cu emitatorul sau receptorul si o priza de pamant, care reprezinta punctul cu potential zero de radiofrecventa.

Exista mai multe tipuri de antene si anume [Balanis1997]

Antene filare ("wire antennas")

Antene tip aperturi ("aperture antennas")

Antene microstrip ("microstrip antennas")

Siruri de antene ("array antennas")

Antene reflector ("reflector antennas")

Antene lentile ("lens antennas")

Antenele filare sunt alcatuite din fire conductoare a caror diametru este neglijabil in raport cu lungimea de unda a campului. Ele sunt cele mai cunoscute si raspandite antene (antene dipol, antene baston, antene cadru, antene elicoidale, etc.).

Apertura este o deschidere (orificiu) practicata pe o suprafata. Aceste aperturi sunt usor realizabile la suprafata unui sistem, de exemplu avion, etc.

Antenele apertura sunt destinate frecventelor inalte, domeniului microundelor. De asemenea, antenele horn fac parte din aceasta categorie.

Antenele microstrip constau dintr-o banda metalica plasata pe un substrat dielectric, care la randul lui se afla pe un plan de masa. Grosimea benzii metalice si a substratului sunt mult mai mici decat lungimea de unda a radiatiei (l). Aceste antene pot fi realizate prin tehnica circuitelor imprimante. Ele pot fi montate la suprafata unui sistem dovedind robustete mecanica.

Sirurile de antene sunt alcatuite din mai multe elementare aranjate corespunzator in vederea obtinerii anumitor caracteristici.

Antenele reflector, utilizate inca din 1888 de catre Heinrich Hertz, au cunoscut o continua dezvoltare si multiple aplicatii (radar, radioastronomie, comunicatii in microunde, etc.). Cele mai cunoscute configuratii geometrice sunt reflectorul plan, reflectorul unghiular si reflectorul curbat (parabolic).

Lentilele sunt utilizate, in general, pentru transformarea unui camp electric divergent intr-o unda plana. Ele au aplicatii in domeniul frecventelor inalte (constrangeri dimensionale).

Antenele pot fi utilizate la masurarea campurilor electromagnetice, generate in mod intentionat sau neintentionat, de exemplu, in compatibilitatea electromagnetica, la testele de emisiuni radiate de echipamentele electrice.

De asemenea, antenele pot fi utilizate la generarea unui camp electromagnetic cu caracteristici (intensitate, frecventa, etc.) cunoscute si controlabile, de exemplu, in domeniul compatibilitatii electromagnetice la testele de susceptibilitate la perturbatii electromagnetice ale echipamentelor.

Studiul antenelor se face atat prin metode analitice, cat si prin metode numerice.

Dintre parametrii specifici antenelor utilizate la masurarea campurilor electromagnetice pot fi amintiti: lungimea efectiva sau aria efectiva, factorul de antena, domeniul dinamic, banda de frecventa.

Principalii parametrii ai antenelor de emisie utilizate la masurarile de susceptibilitate din domeniul compatibilitatii electromagnetice sunt: castigul, banda de frecventa, largimea sau deschiderea fascicolului electromagnetic ("beamwidth"), etc.

In cele ce urmeaza se vor prezenta cateva aspecte referitoare la utilizarea unor antene simple la masurarea campurilor electrice.

1. PARAMETRII DE CALITATE

Aceste antene sesizeaza campul electric E (V/m), de unde si numele, iar ca geometrie sunt realizate in doua forme de baza: tija sau dipol.

Asa cum s-a mentionat, principalii parametrii ai unei antene electrice sunt inaltimea efectiva, factorul de antena, castigul, directivitatea, deschiderea fascicolului, latimea de banda.

Inaltimea efectiva

Denumirea de inaltime a antenei a rezultat din considerente istorice si nu are nimic comun cu inaltimea fizica de amplasare a antenei fata de sol. Despre lungime efectiva se discuta de obicei in legatura cu antenele simetrice, iar despre inaltime efectiva, in legatura cu antenele nesimetrice. Ambele notiuni se refera la lungimea unei antene fictive care receptioneaza (emite) aceeasi energie ca si antena reala, dar la care curentul este constant pe toata lungimea sa si egal cu valoarea efectiva a curentului sinusoidal la baza antenei reale (de aici rezulta indicele 'ef' pentru lungimea efectiva a antenei). Intr-o schema echivalenta cu surse de tensiune pentru antena electric scurta, inaltimea efectiva depinde printre altele de asa-numita capacitate moarta (capacitatea parazita intre bornele antenei in apropierea bazei acesteia). O capacitate moarta mare determina o inaltime, respectiv o lungime efectiva mica a antenei. Datorita reactantei capacitive dependente de frecventa a antenei, inaltimea efectiva a antenei creste proportional cu frecventa

Se va prezenta acest parametru cu referire, mai intai, la antena tija (monopol), concluziile ramanand valabile si pentru antena dipol. Antenele electrice pot functiona atat in regim acordat (Fig. 1b) cat si neacordat (Fig. 1a).

Definirea parametrului. Campul electric de masurat (E) induce in antena un curent, care poate fi convertit (la baza antenei) intr-o tensiune de iesire (U_e) cu ajutorul unui condensator sau transformator (elemente nefigurate). Intre campul de masurat (E), inaltimea efectiva a antenei (h) si tensiunea de iesire in gol (U_e) exista relatia fundamentala.

(1)

Calculul inaltimii efective (h). Se va deduce mai intai expresia generala a lui h dupa care aceasta va fi particularizata pentru cele doua tipuri de baza de antene electrice: tija si dipol.

Expresia generala. Pentru deducerea acestei expresii se utilizeaza principiul reciprocitatii si anume: puterea primita de o antena receptoare este egala cu puterea radiata de aceeasi antena, alimentata la tensiunea U_e si curentul I₀ (Fig. 1), adica:

(2)

de unde, tinand cont ca in zona antenei campul e uniform, deci E_x=E= const. (unda plana, sau dimensiunea antenei este foarte mica, l<<l), se ajunge la relatia:

din care prin comparare cu (11) se obtine expresia generala cautata

(3)

1.1. Inaltimea efectiva la antena-tija

Acest tip de antena, numita si vergea, poate functiona, dupa cum s-a mai spus, in regim neacordat sau acordat.

Antena tija in regim neacordat - unde lungi si medii. In acest caz (l<<l) distributia curentului in antena, I(x), este liniara (Fig. 1a) si ca urmare: I(x)=xI₀/l, rezultand pentru inaltimea efectiva valoarea.

(4)

Antene tija in regim acordat - unde scurte. In regim acordat antena functioneaza ca o linie in sfert de unda si deci distributia curentului devine sinusoidala (Fig. 7b):

situatie in care h, conform (13), capata expresia:

Deci:

(5)

1. Cazul antenei dipol

Antena dipol (Fig. 2) poate fi considerata ca fiind alcatuita din doua antene tija si ca urmare inaltimea efectiva a acesteia in regim acordat rezulta, ca si in cazul acestei antene din Fig. 1b, prin inlocuirea lungimii fizice "l" din (5) cu lungimea fizica a antenei dipol "":

(6)

Pentru a realiza rezonanta lungimea fizica a dipolului () trebuie sa fie putin mai mica decat valoare teoretica "", si anume [Kanda 1993]:

(7)

unde "" este lungimea fizica necesara a dipol pentru a realiza rezonanta, a este raza firului din care este confectionat dipolul, iar l este lungimea de unda a campului.

Lungimea efectiva a dipolului in apropierea rezonantei este [Bronaugh1989], [Kanda1993]:

(8)

Pentru (valoarea teoretica a lungimii fizice pentru obtinerea rezonantei), rezulta pentru inaltimea efectiva a dipolului:

(9)

Aceasta valoare a inaltimii efective a dipolului este identica cu cea data de relatia (16).

Factorul de antena, F_a

Cei mai multi dintre producatorii de antene, precum si laboratoarele de calibrare a antenelor ofera factorul de antena calibrat, intrucat acesta reprezinta im descriptor standard in metrologia antenelor. Factorul de antena este definit ca fiind raportul dintre campul electric incident si tensiunea receptionata de antena pe o sarcina de 50Ω, cu alte cuvinte, tensiunea obtinuta la bornele receptorului:

(10)

U, de asta data, este tensiunea livrata de antena unei sarcini Z_s (de exemplu, Z_s=50 W

Definitia factorului de antena este valabila numai in camp departat. Factorul de antena se poate defini pentru spatiul liber, atunci cand antena este plasata in spatiul liber si campul electromagnetic incident este o unda plana si, respectiv, pentru conditii ambientale date, cand pot sa intervina o serie de reflexii. Factorul de antena al spatiului liber este o proprietate intrinseca a antenei si el nu variaza prea mult in timpul calibrarii, insa, asa cum umiditatea sau caldura poate modifica lungimea fizica a antenei, tot asa si mediul in care este plasata antena are un impact asupra factorului de antena.

Diferitele tipuri de antene pot interactiona in mod diferit cu o suprafata plana sau obstacolele din zona, facand ca factorul de antena sa fie un parametru specific antenei respective pentru conditii externe date. Studiile au aratat ca performantele antenei se pot schimba cu cativa decibeli daca antena este plasata deasupra unei suprafete conductoare, aceasta fiind specifica fiecarui tip de antena.

Daca se scrie factorul de antena sub forma:

(11)

se pun in evidenta doi parametri si anume factorul de conversie si factorul de corectie al sarcinii .

Alti coeficienti inclusi in factorul de antena sunt legati de pierderile efective la interfata antena-sarcina.

Pentru schema echivalenta din Fig. 8c

(12)

Conform relatiei (20), unitatea de masura a factorul de antena este [1/m]. De multe ori factorul de antena este dat in dB(1/m). In acest caz valoarea campul electric se calculeaza in dB cu o relatia obtinuta din (10). Daca se neglijeaza pierderile pe cablul de transmisie antena - analizor de spectru, pentru tensiunea afisata pe analizor in dBmV si factorul de antena dat in dB(1/m), rezulta valoarea campului electric E in dBmV/m:

(13)

In cazul in care pe analizorul de spectru se citeste puterea componentei de frecventa in dBm, aceasta se transforma in tensiune "dBmV" cu (1.34), dupa care se determina E.

Uneori, in cartile tehnice ale antenelor, factorul de antena este dat cu omisiunea lui (1/m) adica in "dB" sau sub forma "dB/m"

Antena tija si antena dipol sunt doua antene electrice simple utilizate pentru masurarea campurilor electromagnetice in domeniul de frecventa, Hz - 1 GHz.

FORME CONSTRUCTIVE

In majoritatea cazurilor, functionarea antenei este influentata de suprafata pamantului sau, in cazul antenelor montate pe obiecte mobile, de alte suprafete (fuselajul avionului, puntea navei, caroseria automobilului). In functie de lungimea de unda a undei electromagnetice, pamantul poate fi privit ca un conductor (λ>100m) sau ca un dielectric (λ <10m) si exercita o influenta diferita asupra antenei. La antenele monopol (vibrator nesimetric) pamantul participa direct la functionarea antenei (reducerea pierderilor de energie), astfel ca tensiunea de iesire a antenei depinde de locul de amplasare al acesteia.

Acestea se prevad cu o contragreutate, care are tocmai rolul de a mari pe cale artificiala conductibilitatea solului din apropierea antenei, amplasand pe acesta conductoare de punere la pamant in forma de stea. La antenele dipol (vibrator simetric), orizontale sau verticale, amplasate la inaltimi mai mari fata de sol, tensiunea de iesire nu depinde, intr-o prima aproximatie, de locul de instalare.

Antenele electrice prezentate in Fig. 1 si Fig. 2 sunt antene elementare (modele pentru calcul) ale antenelor fizice reale pe care le prezentam in cele ce urmeaza.

1. Antena tija

Antena tija (vergea, baston) este un conductor subtire (ajustabil sau nu ca lungime) situat deasupra unui plan de masa, care constituie referinta antenei. In cele ce urmeaza se va considera antena electric mica (lungimea ei fizica nu depaseste 15 % din l

Fig. 3 Antena tija: a) configuratie, b) circuit echivalent antena, c) circuit echivalent antena plus inductanta de acord

Antena pasiva

Antena tija prezinta o capacitate echivalenta de baza (capacitate fata de pamant), C, care depinde de lungimea antenei (de exemplu, C = 10 pF pentru sau). Din acest motiv este nevoie de un set de inductante L pentru a asigura rezonanta intr-un domeniu mare de frecventa si a obtine astfel o impedanta rezistiva. In Fig. 9 este ilustrat acest lucru. De asemenea, adaptarea antena-cablu poate fi facuta si cu transformatoare, sau inductanta (bobina) cu prize.

Aceasta antena este utilizata la masurarea campului electromagnetic in camere ecranate sau acolo unde este disponibil un plan de masa ca referinta, iar domeniul de frecventa tipic este 10 kHz - 30 MHz.

Planul de masa trebuie sa fie suficient de mare ca arie (pentru a nu influenta valoarea lui C), iar distanta antena - pereti laterali si tavan (elemente conductoare) trebuie sa fie mare (in caz contrar apare capacitatea C_e, Fig. 9c).

Dezavantajul acestei antene este banda ingusta de masurare (necesitatea schimbarii inductantelor, L), deci timpul mare de masurare.

Antena activa

Antenele monopol scurte se utilizeaza in majoritatea cazurilor ca antene active de banda larga cu preamplificator, care reduce nu numai factorul antenei ci si dependenta de frecventa a acestuia. Intensitatile de camp mari ale perturbatorilor de banda larga provoaca cu usurinta la antenele active fenomene de supraexcitare si intermodulare. In afara de frecventa reglata la receptorul de masurare, in antena exista si multe alte frecvente ale caror sume si diferente (produse de intermodulare) dau diferite combinatii de frecvente care pot falsifica rezultatele masuratorilor efectuate cu respectiva antena.

Prin utilizarea amplificarii electronice, la antenele active se elimina acordul pe benzi de frecventa specific antenelor pasive. Se obtine astfel un raspuns constant in frecventa si o sensibilitate mare, permitand scaderea duratei testului sau efectuarea de masurari automate in domeniul compatibilitatii electromagnetice. In acest caz, incarcarea antenei este facuta de catre un circuit electronic cu mare impedanta de intrare si mica impedanta de iesire. Impedanta mare de intrare este ceruta pentru a asigura o impedanta mare antenei, necesara in domeniul scazut de frecventa (20 Hz-50 kHz), unde impedanta de unda este foarte inalta (poate atinge 1000 MW). Impedanta joasa de iesire (50 W sau 600 W) este necesara pentru conectarea la aparatele de masura.

In Fig. 10 se prezinta o antena activa, si un masurator triaxial compact ce are la baza trei astfel de antene.

Principalele dezavantaje ale antenelor active sunt:

necesitatea bateriilor de alimentare;

necesitatea protectiei circuitelor electronice (FET) la descarcarile ce se pot produce la manevrarea antenei;

distorsiunile de intermodulatie (domeniul dinamic redus).

Antene dipol (Fig. 2)

Acestea sunt alcatuite din doua conductoare subtiri, rectilinii cu un interstitiu intre ele. Antenele dipol permit ca masurarea sa se faca echilibrat (fara referinta de masa) cu toate avantajele ce decurg de aici (portabilitate, posibilitatea de a face masurari oriunde deasupra planului de masa).

Ele sunt utilizate ca:

antene electric mici (2l < 0,15l

antene acordate (2l = 0,5l

Antenele dipol electric mici

Sunt folosite la masurarea campurilor electrice, dar stau si la baza unor sonde etalon. La National Institute of Standards and Technology - NIST, SUA sunt realizati senzori de camp electric dupa configuratia din Fig. 5.

Acesti senzori, realizati in varianta uniaxiala (Fig. 5), sau triaxiala (trei dipoli ortogonali), pot fi utilizati atat la masurarea campului electric cat si ca sonde etaloane de transfer (au mare stabilitate).

Senzorii sunt compacti, portabili, permit masurarea punctiforma a campului (rezolutie spatiala buna) si au un raspuns constant in domeniul kHz GHz. Sunt variante de antene dipol rezistiv cu diode de detectie ce functioneaza pana la 40 GHz.

Principalele lor dezavantaje sunt slaba sensibilitate si pierderea informatiei de frecventa.

Antenele dipol acordate au avantajul unei sensibilitati mari, dar nu pot fi folosite decat la o anumita frecventa, deci nu sunt potrivite pentru masurari curente (de exemplu in compatibilitate electromagnetica).

Utilizarea unui dipol acordat la masurarea CEM este data in Fig. 6.

Deoarece multe aparate de masurat au intrare asimetrica, s-a interpus un transformator de adaptare (BALanced to UNbalanced transformer - BALUN) intre iesirea simetrica a dipolului si intrarea asimetrica (cablu coaxial, aparat de masura).

Antena dipol trebuie utilizata la distanta mare (d >> l) de planul de masa.

Ca exemplu de realizare practica a acestui tip de antena se poate aminti dipolul ajustabil Model 3121C ETS, realizata de EMCO. Aceasta contine si patru transformatoare BALUN (DB-1, pentru domeniul de frecventa 28 - 60 MHz; DB-2, pentru domeniul 60-140 MHz; DB-3, pentru domeniul 140-400 MHz; DB-4, pentru domeniul 400-1000 MHz). Astfel prin modificarea lungimi dipolului telescopic de la 2577 mm la 71 mm se poate realiza rezonanta si deci se poate masura campuri electrice cu frecvente in domeniul 28-1000 MHz.

La masurarile de camp electromagnetic cu aplicatii in compatibilitatea electromagnetica unde timpul de masurare este prioritar si sunt necesare masurari automate, se utilizeaza antene dipol de banda larga (dipoli biconici 20 MHz 300 MHz; dipoli log. periodici 200 MHz 1 GHz) sau alte antene de banda larga.

Antena horn

Antena horn a aparut in dorinta de a se obtine un fascicul cu o deschidere mica si un castig mai mare decat un radiator cu ghid de unda deschis. Aceasta asigura, datorita hornului, o adaptare continua a impedantei unui ghid de unda deschis la capat la impedanta de unda a mediului inconjurator

In figura 4.10.a. este prezentat un horn piramidal adaptat la un ghid dreptunghiular standard, iar in figura 4.10.b. este un horn tronconic excitat de un ghid cilindric.

Fig.7. Antene horn: a) horn piramidal; b) horn conic

Cu notatiile din figura 8, pentru hornuri piramidale si conice, se pot determina dimensiunile optime pentru un castig dat si o caracteristica de radiatie dorita, folosind graficele din figurile 9, si 9.

Dimensiunile optime ale unui horn piramidal se determina din figura 7. cunoscand castigul si lungimea de unda de lucru.

Variatia diagramei de radiatie in functie de dimensiunile L si / se poate estima din figura 10., unde este trasata variatia unghiului de deschidere a diagramei cp (fata de axa de radiatie) la diferite amplitudini ale campului in planul HsiE.

Fig.8. Principalele dimensiuni ale antenelor horn

Fig.9. Dimensiunile optime pentru un horn piramidal in functie de castig

Pentru o antena horn conica se pot determina dimensiunile optime in functie de castig, cu graficul din figura 10.

Fig. 10. Dimensiunile optime pentru un horn conic in functie de castig

Dimensiunile optime din punct de vedere al castigului maxim la antenele horn piramidale sunt: D=11,5, l=9, 4 si R iar pentru antenele horn conice D=3,4 si R=3,5.

Daca antenele horn se folosesc pentru excitarea unei antene parabolice, atunci este mai importanta diagrama de radiatie decat castigul, iar proiectarea antenelor horn va porni invers de la unghiul de radiatie si apoi se va verifica castigul.