Upload
poblemator1
View
338
Download
13
Embed Size (px)
Citation preview
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
1/123
RADIO TALASI
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
2/123
Šta su radio talasi?
Radio talasi suRadio talasi su ravanskiravanski eelektromagnetni talasi TEMlektromagnetni talasi TEMtipatipa čije sučije su učestanostiučestanosti niženiže od 3000 GHz (3THz).od 3000 GHz (3THz).TEM-transverzTEM-transverzaalni elektromanetni talasilni elektromanetni talasi
Š Š ta su elektromagnetni talasi?ta su elektromagnetni talasi?
EM talasi !redstavljajuo tok energijeelektromagnetnog polja kroz medijum u "ormielektrično !olja i manetno !olja.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
3/123
E E lektromagnetno poljelektromagnetno polje Def:Def: ElektromElektromaagnetno polje jegnetno polje je posebno zičko stanjeposebno zičko stanjesredinesredine u okolini naelektrisanih tela, provodnikau okolini naelektrisanih tela, provodnikaopticanih strujom i stalnih magneta,opticanih strujom i stalnih magneta, koje sekoje semanifestuje u pojavi mehaničke silemanifestuje u pojavi mehaničke sile na naelektrisanana naelektrisanatela, provodnike opticane strujom i stalne magnetetela, provodnike opticane strujom i stalne magnete
unete u polje, kaounete u polje, kao i u pojavi indukovanogi u pojavi indukovanogelektromagnetnog poljaelektromagnetnog polja u telima koja se nalaze uu telima koja se nalaze upolju promenljivom u vremenu, odnosno koja sepolju promenljivom u vremenu, odnosno koja sekreću kroz prostor u kome postoji polje.kreću kroz prostor u kome postoji polje.
Elektromagnetno polje je neraskidiv kompleksElektromagnetno polje je neraskidiv komplekselektričnog i magnetnog poljaelektričnog i magnetnog polja..
#s$iliraju%e električno !olje !roizvodi manetno koje i#s$iliraju%e električno !olje !roizvodi manetno koje isamo os$iluje da &i !onovo kreiralo električno !olje' itd.samo os$iluje da &i !onovo kreiralo električno !olje' itd.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
4/123
E E lektromagnetno poljelektromagnetno polje
romenljiva električna i maentna !olja !ovezanasu načelom EM induk$ije
*vako vremenski !romenljivo električno !olje indukujevremenski !romenljivo manetno !olje. *vako vremenski !romenljivo manetno !olje indukuje
vremenski !romenljivo električno !olje
+avlja se lančani !ro$es uzajamno stvaranja dvavremenski !romenljiva !olja odnosnoelektromanetni talas.
olja se karakteri,u vektorima jačine električno i
manetno !olja koji su uzajamno normalni.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
5/123
romene EM talasa(u vremenu i sa rastojanjem)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
6/123
Električnu komponentu EM polja Električnu komponentu EM polja
karakterišukarakterišu
- ve- vektor jačine električnog poljaktor jačine električnog polja intenzitet je u !"m#intenzitet je u !"m#
$ vektor di#električnog pomeraja ili električne$ vektor di#električnog pomeraja ili električneindukcijeindukcije intenzitet je u %"mintenzitet je u %"m&#
$ vektor jačine električne polarizacije$ vektor jačine električne polarizacije intenzitet je u %"mintenzitet je u %"m&#
!eza izme!eza izmeu njih jeu njih je
permitivnost u vakuumupermitivnost u vakuumu je je '"m#'"m#
P E D0
+=ε
π
ε
3
/0/012.
/4
0
−− ≈×=
E
D
P
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
7/123
Magnetnu komponentu Magnetnu komponentu EM polja EM polja
karakterišukarakterišu - v- vektor jačine magnetnog poljaektor jačine magnetnog polja intenzitet je u ("m# intenzitet je u ("m#
$ vektor magnetne indukcije$ vektor magnetne indukcije intenzitet je u )#intenzitet je u )#
$ vektor gustine magnetnog momenta$ vektor gustine magnetnog momenta intenzitet je uintenzitet je u("m#("m#
!eza izme!eza izmeu njih jeu njih je
permeabilnost u vakuumupermeabilnost u vakuumu je je *"m#*"m#
)( M H B
0 += µ 7
0 10 4
−= π µ
H
B
M
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
8/123
Teorija EM !olja
Teoriju elektromanetno !olja !ostavio je ,kotski "izičarDžejms Maxwell /2.od. !olaze%i od nekolikoeks!erimentalno otkriveni5 zakona (6ulonov zakon' zakono elektromanetnoj sili' 7m!erov i delimično 8aradejev).#n je !ostavio jo, četiri jednačine kojima su' uz dvenavedene konstitutivne veze' !ovezani vektori !olja (
) sa vektorom gustine električne struje izapremiskom gustinom električnih opterećenja ρ.Maksvelove jednačine predstavljaju osnovne jednačine
elektromagnetizma – daju matematičku formulacijuosnovnih postulata teorije makroskopskogelektromagnetskog polja, tj pokazuju uzajamneuzročno!posledične relacije koje postoje u pogleduvarijacija vektora električnog i magnetnog polja u
prostoru i vremenu
H'9':'E J ur
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
9/123
Ma;
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
10/123
Integralni oblik Maxwell-ovih Integralni oblik Maxwell-ovih
jedna jednačinačina
t
C
! dl J d =∫ ∫ uur r ur ur
+
C
d " E d l - - d dt dt Φ = =∫ ∫ ur r ur+
s # d $=∫
uur ur
+
" d %=∫ ur ur
+
agnetno polje stvarajuagnetno polje stvarajustruje nezavisno i potpunostruje nezavisno i potpunoravnopravno u odnosu naravnopravno u odnosu narazličit mehanizamrazličit mehanizam
provoprovoenja.enja. 'aradejev zakon o ind.'aradejev zakon o ind.elektromotornoj silielektromotornoj sili -vako-vako vremenski promenljivovremenski promenljivoelektrično polje stvaraelektrično polje stvaravremenski promenljivovremenski promenljivomagnetno poljemagnetno polje
ausov zakon magneausov zakon magnetizmatizma''luksluks vektoravektora magnetnmagnetnee
indukcijeindukcije kroz zatvorenu povrsinukroz zatvorenu povrsinu jednak je / jednak je /
Gausov zakonGausov zakon = zakon električno "luksa = zakon električno "luksa 00 1uks elektricnog polja kroz bilo koju1uks elektricnog polja kroz bilo kojuzatvorenu povrs jednak je ukupnomzatvorenu povrs jednak je ukupnomnaelektrisanju koje ona obuhvatanaelektrisanju koje ona obuhvata
(kruži% na interalu znači da se intera$ijavr,i !o zatvorenoj konturi)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
11/123
&okalni oblik Maxwell-ovih jedna &okalni oblik Maxwell-ovih jednačinačina
∫ ∫ ∫ ==C
t
d J d ! rot l d !
d t
" d E rot l d E
C ∫ ∫ ∫ ∂∂−==
s
'
$d' #div d # ==∫ ∫
0∫ ∫ == '
d' "div d "
t J ! rot =⇒
t " E rot ∂∂−=
⇒
⇒
⇒
s
#div ρ =
0= "div
#snovna kvantitativna rela$ija izmeumagnetnog polja i gustine stacionarnestruje "#mperov zakon$
Generalisani zakon induk$ije u di"eren$ijalnomo&liku (drua Ma;
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
12/123
Elektromanetni talasi
romenljivo vrtložno@ električno i manetno !olje' sauzajamnim s!renutnim indukovanjem' koja se !rostiru u
!rostoru' predstavljaju elektromagnetni talas
Ravan koju "ormiraju vektori električno i manetno !olja normalna je na !rava$ !rostiranja talasa tako daelektromanetni talas s!ada u transverzalne talase.
AajjednostavnijB ti! elektromanetno talasa =kom!onente !olja se menjanju !o sin zakonu
04
sin( ) E t ( π
ω λ
= −) 04
sin( ) ! t ( π
ω λ
= −*
@ silni$e (električno i manetno) !olja su zatvorenekružne linije (nemaju ni !očetak ni kraj)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
13/123
TEM = trans"erzalni EM talasi
Električno i manetno !olje su meuso&no normalni i normalni su na
!rava$ !rostiranja talasa (oso&ina transverzalnosti). rava$ !rostiranja je duž ( ose ⇒ !rava$ !ro!aa$iono vektora (oCntin-ov vektor).
v
) λ =
v- "azna &rzina !rostiranja EMT'(u slo&odnom !rostoru
vD*D3@/0ms) ) = učestanost EMT
Talasna dužina
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
14/123
Elektromanetni talasi
Fektori jačine električno i manetno !olja mou imatikom!onente u sva tri meuso&no ortoonalna !rav$a x+, i ( .ku!na jačina električno i manetno !olja se izračunava
kao
od transverzalni5 EM (TEM) talasa kom!onente
električno i manetno manetno !olja u !rav$u !rostiranja (duž ( -ose) su jednake 0' tj E ( D0 i ! ( D0
TEM talasi sadrže samo transverzalne kom!onente
4 4 4 4 4 4 x , ( x , ( E E E E ! ! ! ! = + + = + +
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
15/123
Tipovi elektromagnetnih talasa i sistemi prenosaTipovi elektromagnetnih talasa i sistemi prenosa
TEM = radio i sistemi za voenje sa dva !rovodnika iTEM = radio i sistemi za voenje sa dva !rovodnika iizolatorom izmeu (vazdu,ni' simetrični' koaksijalni)izolatorom izmeu (vazdu,ni' simetrični' koaksijalni) EEzzD0 i HD0 i HzzD0D0
TE i TTE i TMM = talasovodi (jedan !rovodnik is!unjen = talasovodi (jedan !rovodnik is!unjen
dielektrikom)dielektrikom) TETE EEzzD0? HD0? H;;' H' HCC' H' Hzz
TM HHzzD0? ED0? E;;' E' ECC' E' Ezz
Hi&ridni = Hi&ridni = dielektrični talasovodi-o!tička vlaknadielektrični talasovodi-o!tička vlakna Bmaju sve 3 kom!onente vektora E i sve 3 kom!onente vektora HBmaju sve 3 kom!onente vektora E i sve 3 kom!onente vektora H
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
16/123
*"erni EM talasi
dalekom !olju (na udaljenostima ve%imod "izički5 dimenzija antene)' antena semože !osmatrati kao tačkasti izvor EMtalasa.
EM talasi iz tačkasto izvora se !rostiru !o !rin$i!u s)ernih talasa' s o&zirom datalasni "rontovi (!ovr,i konstantne "aze) !rate !ovr,inu s"ere.koliko je sredina uni)ormnakoliko je sredina uni)ormna .i(otropna/.i(otropna/ talas se prostire od i(vora konstantnomtalas se prostire od i(vora konstantnombr(inom0br(inom0 1ako se talas prostire uni)ormno+ 1ako se talas prostire uni)ormno+mo(e se (aklju*iti da semo(e se (aklju*iti da se energija kodenergija kodsfernog talasa prenosi u svim pravcimasfernog talasa prenosi u svim pravcima podjednako podjednako + jer nema prav*a koji bi po + jer nema prav*a koji bi pone*emu bio privilegovanne*emu bio privilegovan00
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
17/123
Ravanski talasi Aa dovoljnoj udaljenosti od ta$kasto izvora'talasni "rontovi !ostaju skoro !aralelni' a zra$i'koji su ortoonalni na nji5 su takodjemedjuso&no skoro !aralelni. To zna$i da seuo$eni mali deo s"erno talasa !onasa kaoravanski talas. skladu sa time' ukoliko je rastojanje odizvora talasa mnogo vece od talasne duzine,
sferni talas se moze aproksimirati ravanskim.
Ravanski talasi su verna a!roksima$ija s"erni5 talasa na dovoljnoj udaljenosti od izvora-antene
Radio talasi su ravanski EM talasiI
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
18/123
+snovna odlika+snovna odlika ravanskih talasaravanskih talasa vektori !oljavektori !olja(električno i manetno)(električno i manetno) susu "unk$ija vremena i samo jedne"unk$ija vremena i samo jedne:ekartove koordinate.:ekartove koordinate.#va dva !olja su u fazi u &ilo kojoj tački u prostoru ivremenu. Aji5ove am!litude su konstantne u x, ravni ipovrina konstantne faze (talasni front) je ravan
!aralelna x, ravni ⇒ !oreklo naziva ravanski talasRastojanje izmedju dva susedna talasna "ronta je jednako
talasnoj duzini λ.
Ravanski talasi
;
C
z
v
*ki k EM l k ji
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
19/123
. k /β ⇔Talasni &roj ("azna konstanta) =označava &rzinu !romene "aze !olja sa rastojanjem ("aza se !romeni za k( radijana na rastojanju od ( metara). Rastojanje na kojem se "aza talasa !romeni za 4π rad !redstavlja talasnu dužinu λ. ro!aa$iono ka,njenje iznosi ( v sekundi.
Ravanski talasi
*ki$a ravansko EM talasa koji se !rostire u !ozitivnom smeru ( ose'
&rzinom v+ u trenutku t D0.
v
Električno !olje Manetno !olje
7m!litude električno i manetno !olja E % i ! % ostaju konstantne sa !romenomrastojanja (uz !ret!ostavku da je medijum &ez u&itaka)
v2λ ) v - &rzina !ro!aa$ije
Talasni "ront
Talasni &roj
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
20/123
8azna &rzina
9rzina neke tačke talasno "ronta EMT' odnosno )a(na br(ina v' sa kojomse talasni "ront kre%e u !rav$u ointin-ovo vektora' data je izrazom
ako je ω 23π ) i k23π 4 λ ⇒ v2λ ) ⇒
slo&odnom !rostoru' "azna &rzina v !ostaje
dok je u ostalim sredinama (µr J/εr J /)
/v
k
ω
µε = =
v
) λ =
[ ]/ 5
% %
v * 6 7% m s µ ε
= = = ×
[ ]
3K/0
r r v m s µ ε =
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
21/123
9rzina !rostiranja EM talasa
zavisi od dielektrični5 i manetni5 oso&inasredine kroz koju se talas !rostire
8 = (di)električna konstanta (!ermitivnost)' 82 8%8r 9 : manetna !ermea&ilnost sredine' 92 9% 9r
u slo&odnom !rostoru (L vakuumu) 8r D/' 9r 2/H
m
; % < 7% µ µ π
−= = ×8
m
73% 505= 7%ε ε
−= = ×
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
22/123
[ ]00
x
,
E E > ! !
µ ε = = = = Ω
)
*
%
% > 73% 6;;
µ
π Ω ε = = ≈u slo&odnom prostoru"vakuumu$' " r- r-.$
0
//0
3. ?
mε ε
π
−= =
#dnos am!lituda vektora jačine električno i manetno !olja u !roizvoljnoj tački medijuma je konstantan i naziva sekarakterističnom "talasnom$ impedansom sredine
0 2 /0 ! m µ µ
−= = ×
arakteristična (talasna) im!edansa
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
23/123
@ointingova teorema @ointingova teorema
( )4
v v s
dA J J Ed' d' E ! d
dt σ = + + ×∫ ∫ ∫
ur rr r r+
EnerijaEnerija talasatalasa se !renosi kroz elektrose !renosi kroz elektro--manetno !oljemanetno !olje
u !rav$u i smeru ointinovo vektorau !rav$u i smeru ointinovo vektora @ @ '' a količinaa količina !renesene enerije jednaka je njeovom intenzitetu (u !renesene enerije jednaka je njeovom intenzitetu (u jedini$i vremena i !o jedini$i !ovr,ine) jedini$i vremena i !o jedini$i !ovr,ine). ointinov. ointinovvektor je !o !rirodi !ovr,inska ustina snae zračenjavektor je !o !rirodi !ovr,inska ustina snae zračenja("luks snae)("luks snae)
**naa koju izvor !redaje domenunaa koju izvor !redaje domenu za!remine Fza!remine F2povećanje energije elektro magnetnog polja upovećanje energije elektro magnetnog polja udomenudomenu 2snaga D3ulovih gubitaka u provodnim delovimasnaga D3ulovih gubitaka u provodnim delovimadomenadomena
21uks vektora1uks vektora kroz graničnu povr4inukroz graničnu povr4inudomenadomena (-ointinov vektor)(-ointinov vektor)
E E
! !
P P
@ E ! = ×
44
NEm/40a
E @ E ! π = × =
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
24/123
olariza$ija EM talasaoložaj vektora električnog polja, u !osmatranojtački na !rav$u !ro!aa$ije EM talasa' u toku jedne
!eriode talasa' odreuje polari(a*iju radio talasa.olariza$ija može &iti linearna - vektor električno !olja' u
!osmatranoj tački !rostora' tokom vremenazadržava isti !rava$' a menja mu se intenzitet ismer (vr5 vektora o!isuje !ravu liniju' a vektorleži u jednoj ravni).
kružna - menja se !rava$ i smer vektora tokom
vremena' a intenzitet ostaje $onst (o!isuje kru). eli!tična - menja se i !rava$ i smer i intenzitetvektora električno !olja tokom vremena(o!isuje eli!su).
E
E
E
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
25/123
olariza$ija EM talasaOa linearno !olarizovane talase koji se
!rostiru &lizu zemljine !ovr,ine koristese termini vertikalna+ hori(ontalna ili kosa polari(a*ija' u zavisnosti od
!oložaja ravni u kojoj leži električno
!olje u odnosu na !ovr,inu OemljeRavan koju o&razuju električno !olje i
!rava$ !rostiranja (ointinov vektor)naziva se ravan polari(a*ije0 (kodvertikalne !olariza$ije' ravan
!olariza$ije je normalna na !ovr,inuOemlje).Fertikalna !olariza$ija se koristi u nižim"rekven$ijskim o!sezima (:T' *T)' dokse na vi,im "rekven$ijama !rimenjuju ivertikalna i 5orizontalna !olariza$ija.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
26/123
olariza$ija EM talasaod kružne (eli!tične) !olariza$ije'vr5 vektora električno !olja o!isujekru (eli!su)' !ri rota$iji za 300 tokom !ro!aa$ije od jedne talasne
dužine' u ravni normalnoj na !rava$(vektor &rzine) !rostiranja talasaružna i eli!tična' zavisno od smerakruženja vektora mou &iti leva ilidesna (n!r. desna kružna !olariza$ijaznači da vektor električno !oljakruži u smeru kazaljke na satu' atalas se !rostire od !osmatrača).
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
27/123
olariza$ija EM talasa
Pinearna ružna Eli!tična
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
28/123
@olari(a*ija EM talasa @olari(a*ija EM talasaPinearna' kružna ili eli!tična !olariza$ija mou se ostvariti su!er!ozi$ijom4 linearne antene' !ostavljene normalno jedna u odnosu na druu' koje sena!ajaju strujama (na!onima) izmeu koji5 !ostoji "azna razlika δ.7ko talas ima samo jednu ( E x ili samo E , / kom!onentu električno !olja'on je linearno polarizovan. o!,tem slučaju' talas može imati o&e kom!onente E x i E , koje nisu u "azi.
koliko su o&e kom!onente iste am!litude ( E ox2E o,) i ukolio je "azni !omeraj izmedju nji5 δ= Q- 0o' tada je !olariza$ija kružna.koliko kom!onente E x i E , imaju različite am!litude .E oxBE o, / ili je "azni !omeraj izmeu nji5 različit od 00 ' tada je !olariza$ija eliptična
s!e$ijalnom slučaju' kada je δD0o ili /0o' eli!sa se trans"ormi,e u !ravu
!a je talas linearno !olarizovan
( ) x %x E E *os t ( ω β = − ( )δ β ω +−= ( t *os E E o, ,
/
44
=
+
o,
,
ox
x
E
E
E
E
0=
±
o,
,
ox
x
E
E
E
E
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
29/123
@olari(a*ija EM talasa @olari(a*ija EM talasa
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
30/123
@olari(a*ija EM talasa @olari(a*ija EM talasa
#dovaraju%i ti! !olariza$ije EMT !ostiže sekonstruktivnim karakteristikama antene i iz&oromodovaraju%e !oložaja !redajne antene u odnosu nazemlju.olariza$ija radio-talasa je veoma &itna karakteristika' jer
!olariza$ija !rijemne antene i radio-talasa moraju da se !okla!aju.7ko !olariza$ija nije usala,ena' dolazi do sla&ljenja
!rimljeno sinala (od nekoliko d9 do čak 40 d9).Radio talas !ri !ro!aa$iji može !romeniti svoju
!olariza$iju (u odnosu na !redajnu)' n!r z&o re"leksije odneke !ovr,ine na zemlji ili sloja atmos"ere.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
31/123
ANTENE “Ne mislim daće bežični talasi koje
sam otkrio imati bilo kakvu praktičnuprimenu.” – Heinrich R. Hertz
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
32/123
Generisanje radio talasa
• Radio talasi se generišu pomoću antena, koje (napredajnoj strani) vrše pretvaranje električne energije RFsignala u elektromagnetnu energiju koja se zrači u okolni(slobodan) prostor.
• Na prijemnoj strani, vrši se obrnut proces, odnosnopromenljivo EM polje u prostoru oko prijemne antene
indukuje električni signal u anteni, koji se zatim dovodina ulaz prijemnika.
• Drugim rečima, predajna antena je uređaj koji vršipretvaranje vođenih u nevođene elektromagnetne talase,a prijemna antena obrnut postupak.
• Ista antena se može koristiti i za predaju i za prijem EMenergije (teorema o reciprocitetu).
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
33/123
Antena kao tranzicioni region iz
vođenih u nevođene EM talase
Predajna antena je sklop (naprava) koji konvertuje vođene talase iz talasovoda,kabla za napajanje (feeder cable) ili transmisione linije u izračene EM talase koji
se nevođ
eni prostiru kroz slobodan prostor, tj. Antene se mogu shvatiti kao kao prelaz između sistema za vođenje EM talasa i
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
34/123
• Antene sustrukturenapravljene od metala ilidielektrika, čiji je zadatak da što veći deo energije kojidolazi od generatora (predajnika) transformišu uenergiju slobodnog EM talasa, tj.
•antenatreba da budetako konstruisana i realizovanada se ovaj proces obavlja što je moguće efikasnije (uz
što manje gubitke i refleksije –uslov prilagođenja)• Antene čije su fizičke dimenzije mnogo manje od
talasne dužine nisu efikasne u pogledu zračenja (uelektričnom smislu su male)
•Da bi zračenje bilo efikasnije, antena treba da budedimenzija reda veličine barem ½ talasne dužine iliviše.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
35/123
Antene
•Generalno, antena je oscilatorno kolo
kod koga je potrebno da se električno i
magnetno polje prožimaju u svakoj tačkiu prostoru
•Hertz je prvi konstruisao napravu koja
zadovoljava ovaj uslov– Hertzov dipol1887.
Kako se realizuje antena?
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
36/123
a) Hertzov dipol b) polutalasni dipol
c) ekvivalentno kolo polutalasnog dipolaDvožični vod čiji su krajevi nadužini 5 /4 razmaknuti;
Dve provodne kugle čine kondenzator,
kalem ih povezuje, napajanje na sredini
Podužne induktivnosti i kapacitivnostielementarnih sekcija formiraju oscilatorno kolo
P l k ič lj k 5/2 di l
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
37/123
Promene električnog polja oko 5 /2 dipola sapromenom napona u toku jedne periode
Napon je 0 i
nema el. polja
Max napona u
T/4 daje max
energiju polja
t>T/4, U E6 jer se6energija vraća u dipol.Za dovoljno visoke f celokupna energija nemože da stigne da sevrati u dipol
Deo električneenergije posta je slobodan u prostoru(odvaja se od dipola)
U T/2 napon je promenio smer i u prostoru je ponovo
počelo da se generiše E polje(suprotnog smera), kojedostiže max u ¾T
U prostoru oko dipola
postoji promenljivo E polje
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
38/123
•Na sličan način se formira i promenljivo slobodnomagnetno polje pod uticajem promena struje.
•Proces je identičan stvaranju električnog polja, samo
se sada magnetno polje odvaja od dipola u svakojneparnoj četvrtini periode.
•Znači da se u svakoj tački prostora oko antene u istovreme prožimaju promenljivo električno i promenljivomagnetno polje. Dakle, elektromagnetno polje
predstavlja polje koje je sastavljeno od električnog imagnetnog polja, koja su međusobno neodvojivopovezana, tako da jedno od njih neprekidno stvara onodrugo i obratno.
•Ovo polje se ne lokalizuje u nekoj oblasti u prostoru,već se premešta u svim pravcima od tačke u kojoj jeprvobitno nastalo. Otuda se i kaže da antena zrači(emituje) EM talase.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
39/123
Neophodni uslovi za radijaciju – šta razlikujestruju u anteni od struje u strukturi sa vođenim talasima
Samo ubrzana naelektrisanja (sa
brzinom promenljivom tokom
vremena) proizvode radijaciju.
a. Naelektrisanja koja seuniformno kreću (ili stacionarnanaelektrisanja) ne proizvode EMzračanje
b. Naelektrisanja koja stignu na
kraj provodnika proizvodezračenje kada se kreću usuprotnom smeru
c. Brzina naelektrisanja ostaje istaali se menja pravac i to izaziva
zračenjed. Praktičan slučaj: periodičnokretanje je posledicasinusoidalne eksitacijepredajnika
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
40/123
Slučajevi b, c id
♦Dolazi do radijacije jer se brzinanaelektrisanja menja u vremenu ⇒ antenemogu da se posmatraju kao naprave koje
prouzrokuju ubrzavanje naelektrisanja nanačin koji proizvodi zračenje sa željenimkarakteristikama
♦Slično, česte promene pravca u strukturiprojektovanoj da vodi talase mogu daizazovu neželjenu radijaciju (štampana kolagde vf struje menjaju pravac na kratkomrastojanju)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
41/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
42/123
Regioni bliskog i dalekog polja
antene
•U blizini antene polje se vrlo brzo menja sa rastojanjem i
sadrži i izračenu i reaktivnu komponentu (osciluje ka iod antene koja se ponaša kao reaktansa – samo sakupljaenergiju, nema disipacije)
•Dalje od antene reaktivno polje je zanemarljivo ⇒ postoji samo izračena energija
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
43/123
Blisko polje:
-Prostorna raspodela energije
zavisi od rastojanja r od antene
-Dominantne su reaktivnekomponente polja (elektrostatičkoi indukciono)
Daleko polje:
Prostorna raspodela energije ne
zavisi od rastojanja r,
Dominantna je komponenta
izračenog polja
2D2 / λ 30.4 # λ
#
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
44/123
• Granica između bliskog i dalekog regiona je:
D [m] je najveća linearna dimenzija predajne antene ili prečniknajmanje sfere koja obuhvata antenu, λ [m] je talasna dužinaradio talasa
• Unutar radijusa R je region bliskog polja (Frenel-ov region), a izvannjega je region dalekog polja (Fraunhofer-ov region)
44
' ' #
C C # C= >> >>
44 #
C =
Oa rastojanja ne važi ?riis-ova "ormula.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
45/123
•U regionu dalekog polja talasni front možedobro da se opiše sferom (sferni talasi). Talasise prostiru od izvora na sve strane, ali
zračenje nije podjednako u svimpravcima, pa je značajna samo snaga koja seizrači u određenom pravcu (bez obzira naposeban oblik antene)
•Na velikom odstojanju od izvora zračenja,sferni talasi, lokalno gledano, imajuosobine uniformnih ravanskih talasa.
•Pri postavljanju antene mora da se vodi računao tome da nema nikakvih objekata u regionu
bliskog polja (oni menjaju raspodelu struja uanteni)
•Merenja izračene snage treba da se obave daljeod granice, u oblasti dalekog polja
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
46/123
Zračenje žičanih antena u dalekom polju – može da seizračuna na osnovu poznavanja raspodele struje
• Najjednostavnija žičana antena je
Hertzov dipol - dužina žice L idijametar su mnogo manji od talasne
dužine struje I čija je raspodelauniformna duž dipola
• Ako se dipol postavi u koordinatni
početak duž z-ose, Maxwellove j-ne sesvode na:
sferne koordinate (r ,θ , φ)
0'0'0
sin/
/2
)0(
$os/
/2
)0(
sin//
/2
)0(
40
40
===
+=
+=
+=
−
−
−
φ θ
φ
θ
θ π
θ π
θ π
E ! !
jkr r
&ekI j !
jkr r
&ekI > E
kr jkr r
&ekI j> E
r
jkr
jkr
r
jkr
Komponente polja:
= / 4r : polje (račenja .br(opromenljivo EM polje/+ = / 4r 3 : induk*iono polje
= / 4r 6 : kva(ielektrostatičko polje
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
47/123
•Iz prethodnih izraza, vidi se da su intenzitetielektričnog (E) i magnetnog polja (H)proporcionalni struji dipola I i njegovojelektričnoj dužini kL=(2π /λ )L.
•Zavisnost polja od rastojanja data je prekoelektrične dužine κ r funkcijom oblika e-jkr / r, tj.amplituda je obrnuto srazmerna rastojanju, afaza se menja linearno sa rastojanjem(karakteristika sfernih talasa).
•Kako je κ =2π /λ , polje dipola zavisi od njegoverelativne dužine ( L/λ ) i od relativnograstojanja u odnosu na talasnu dužinu (r / λ ).
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
48/123
•U tačkama prostora za koje važi da je r L), odnosno (blisko polje), u
izrazima za električno polje dominirajukomponente proporcionalne sa 1/ r 3 , a zamagnetno polje komponente ~1/ r 2.
•Sa porastom udaljenosti r, postepeno dolaze do izražajakomponente sa manjim eksponentom uz r. Ako jer>>λ, odnosno kr>>1 (daleko polje – zona zračenjaantene) dominiraju komponente ~1/ r , dok komponente ~1/ r 2 i 1/ r 3 brzo isčezavaju. U regionudalekog polja, električno i magnetno polje se svodena :
kr 7
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
49/123
•Na osnovu prethodnih relacija moguće je zaključiti sledeće:–Samo transverzalne komponente polja Eθ i H φ su ≠ 0. Električno i
magnetno polje su upravni na pravac prostiranja (TEM talas) iantena proizvodi čistu linearnu polarizaciju u pravcu θ.
– E i H polje su međusobno upravni u svakoj tački prostora, a njihovodnos u bilo kojoj tački je Eθ / H φ = Z0⇒polja su u fazi i talasnaimpedansa je 120π Ω (u sredini bez gubitaka)
–Intenziteti E i H polja su ~1/r. Pravci E, H i r prate pravilo desnezavojnice, a Poyntingov vektor je u pravcu r i nosi snagu od izvora usvim pravcima (Poiningov vektor je realan, a intenzitet mu opada sar2)
–Sve komponente E i H polja jednake su nuli za θ=0 ili π , akomponente Eθ i H φ dostižu maksimum za θ=π /2 u x-y ravni
•U dalekom polju talasi su lokalno ravanski (razlikuju se odravanskih samo po tome što im je amplituda ~1/r ⇒ talasni frontovi su u su štini (globalno gledano) sferič ni, aliu malim sekcijama talasni frontovi se ne razlikuju odravanskih ukoliko se posmatraju dovoljno daleko od antene.
Karakteristike EM zračenja u dalekom polju
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
50/123
Zračenje (tok) EM energije
•Pod zrač enjem se podrazumeva generisanje EMtalasa u slobodnom prostoru.
•U slobodnom prostoru i na velikim udaljenostima,antena zrači energiju u radijalnim pravcima, tj.
Pointingov vektor ima samo radijalnu komponentu usfernom koordinatnom sistemu.
•Pri tome je fluks Pointigovog vektora kroz sferu Spoluprečnika r konstantan (jer površina sfere rastesrazmerno kvadratu odstojanja r), i predstavlja
srednju snagu zračenja antene (usrednjeno povremenu)
•Izvor koji zrači energiju uniformno u svim pravcimanaziva se izotropnim izvorom (izotropna antena). Zatakav izvor, radijalna komponenta Pointingovogvektora je nezavisna od θ i φ .
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
51/123
Izotropna antena
• Antena koja zrači ravnomerno(uniformno)u svimpravcima naziva se izotropna antena. Ovakva antena
ne postoji u praksi(hipotetička), jer svaka antena imaodređenu usmerenost, ali se koristi kao referentnada
bi se u odnosu na nju poredile k-ke ostalih (realnih)antena
:ijaram zaračenja izotro!ne antene a) !rostorni &) u ravni
x ili ,
z
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
52/123
Parametri antena
DijagramDijagram zračenjazračenja
DirektivnostDirektivnost
Otpornost zračenja i efikasnostOtpornost zračenja i efikasnostDobitakDobitak ((snagesnage))
Propusni opseg Propusni opseg
Otvor prijemne anteneOtvor prijemne antene
Širina snopa zračenjaŠirina snopa zračenjaFriisova formula: antene u slobodnom prostoru
Podešavanje polarizacije
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
53/123
Dijagram zračenja
• Na udaljenosti r, od izvora zračenja, intenzitet električnog imagnetnog polja u zoni zračenja antene (dalekom polju), zavisi samood sfernih koordinata θ i φ .
• Prostorni dijagram zračenja (radiation pattern) antene je grafičkapredstava osobina zračenja antene u dalekom polju u funkcijiprostornih koordinata (θ ,φ ) (u dalekom polju prostorna raspodela
izračene snage ne zavisi od rastojanja r)• Preciznije: to je dijagram raspodelesnage izračene sa antene po jediničnom prostornom uglu, ili dijagram intenziteta zrač enja U (W po jediničnom prostornom uglu)
• razlikuje se za različite radne učestanosti i primenjenu polarizaciju talasa
4
4
2
2
r
@
površina
@
@ r -
π
π
==
== •r rastojanje•S gustina snage[W/m2]• P ukupna snaga koju antena izrači
Dijagram račenja antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
54/123
Dijagram zračenja antene(često se prikazuje u određenoj ravni- praktično prikazivanje)
P t i đ j t d fi i i dij č j
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
55/123
Parametri za poređenje antena definisani na dijagramu zračenja:–Otvor glavnog snopa (loba) zračenjaOtvor glavnog snopa (loba) zračenja (HPBW, half-power-beamwidth)
je ugao unutar koga se izrači polovina maksimuma snage uglavnom snopu – u log razmeri je to ugao unutar koga nivosnage opadne za 3 dB u odnosu na nivo u pravcu max zračenja(za Hertzov dipol ½ max je između 8 =π /4 i 8=3π /4 ⇒ otvor snopa je π /2)
–Odnos napred-nazadOdnos napred-nazad (front-back ratio) je odnos između maxsnageu smeru glavnog snopa zračenja i u suprotnom – u log je torazlika u dB
–Nivo bočnih lobovaNivo bočnih lobova je odnos max zračenja u najvećem bočnomlobu i max u glavnom snopu zračenja – u log razmeri je torazlika u dB
– sa dijagrama zračenja može da se odredi i koliko snage izrači po bilokom azimutu)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
56/123
Dijagram zračenja (Hertzovog dipola)
Dijagram zračenja Hertzovog dipola je const (neusmeren) u horizontalnojravni (b) (omnidirektivno zračenje, npr kod radiodifuznih predajnika), a menjase (usmeren je) u vertikalnoj ravni (a) (maksimum zračenja je u horizontalnimpravcima, za
θ =90o, kako bi se smanjilo nepotrebno zračenje uvis).
Zračenje po z
osi je 0
ravan koja prolazi
kroz osu dipola,
ravan normalna
na osu dipola (zosu)
θ
z
1 1' 1 1'
(a) (b)
prostorni u ravni: a) vertikalnoj b) horizontalnoj
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
57/123
Usmerene antene
• Svaka (realna) antena zračiviše energije u nekom pravcuu odnosu na ostale pravce(usmerene antene)
• Idealizovan slučaj usmerene
antene : zračenje jefokusirano unutar levka
• Što je dijagram zračenja uži,to je zračenje anteneusmerenije.
• Dobitak usmerenih antena -povećanjem fluksa snage.
• Primer korišćenja usmerenihantena: RR veze
k ( )
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
58/123
Direktivnost (D)
• Direktivnost je k-ka antene koja pokazuje stepen usmerenosti
(koncentracije) zračenja u određenom pravcu• Direktivnost je f-ja pravca zračenja (sfernih koordinata θ , φ ) i definiše
se kao:
• Kada se direktivnost daje bez naznake pravca, podrazumeva se pravacmax zračenja D( θ ,φ )=Dmax
• Direktivnost (usmerenost) neke posmatrane antene pokazuje kolikoputa je maksimalni intenzitet Pointigovog vektora te antene (na sferipoluprečnika r) veći od intenziteta Pointingovog vektora izotropneantene (konstantan je u svim pravcima i iznosi P zr /4π r2, gde je P zr –srednja snaga zračenja antene).
• Alternativno, ako znamo intenzitet Pointingovog vektora, direktivnost
posmatrane antene pokazuje koliko je puta potrebna manja snagazračenja te antene u odnosu na snagu izotropne antene.
( )( ' )
( ' )
Inten(itet (ra*enja antene u posmatranom prav*u D+
rednji inten(itet (ra*enja u svim prav*ima
Inten(itet (ra*enja antene u posmatranom prav*u Inten(itet (ra*enja i(otropne antene koja (ra*i istu ukupnu s
D = =
=
φ θ φ
θ φ nagu
D k
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
59/123
Direktivnost
•Uobičajeno je da se direktivnost izražava u dB (u odnosu na
izotropni radijator):
(izotropna antena; D=1 (0 dB))
# # lo/0Sd9iT =
(Hercov)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
60/123
Otpornost zračenja i efikasnost
Ekvivalentno kolo
predajne antene
Otpornost zračenja
Otpornost gubitaka
Disipacija snage na Rr je ono što
antena izrači, a na Rl je deosnage koja se izgubi u samoj
anteni (snaga Džulovihgubitaka) - u provodnim ili
dielektričnim delovima antene
(snaga koja se pretvori u
izra$ena snaa
snaa koju je antena !ri5vatila
r
r l
C
C Cη = =
+
Efikasnost zračenja
ili stepen korisnog dejstva antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
61/123
• Antena sa velikom efikasnošću zračenja ima veliku otpornost zrač enja Rr u poređenju sa otpornošću gubitaka Rl..( teži se daη91 ). Kod realnih antena η je tipično u granicama 0.5 do 0.8.
• Kod antena koje su u električnom smislu male (mali odnos h/λ ),efikasnost zračenja je mala.
Otpornost zračenja dipola ufunkciji odnosa h / λ
Snaga zračenja antene Pr
proporcionalna je kvadratu
referentne struje, pri čemu koef.
proporcionalnosti imadimenziju otpornosti i naziva se
otpornost zračenja antene Rr
Pr=Rr I 2 Rr= Pr/I
2
Za Hertzov dipol: Rr=20( β l) 2
Rr ne predstavlja termogenu otpornost
(koju karakteriše pretvaranje EMenergija u toplotu), već je karakterišepretvaranje jednog vida EM energije
(vođenih EM talasa) u energiju
slobodnog EM talasa (ima prirodu
Rr
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
62/123
•Reaktivni deo impedanse antene (reaktansa X a)ne doprinosi njenom zračenju. Naprotivpostojanje ove komponente ima za posledicurefleksiju jednog dela energije koja se dovodina ulaz antene, nazad ka predajniku.
•Ukoliko je ovaj član manji, efikasnost zračenja je veća.
• Ako je ulazna reaktansa antene X a=0 tada setakva antena naziva rezonantna, u suprotnomantene se nazivaju reaktivne.
• Ako su impedansa izvora Z s=R s+jX s iimpedansa antene Za=Rr+Rl+jX a konjugovanokompleksne (| Z s|=|Za|), izvor je prilagođenanteni i u tom slučaju se anteni predaje
maksimum snage izvora.
Ak d d l d d
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
63/123
• Ako podešavanje nije idealno, tada se nepodešenost meri koeficijentom refleksije ρ definisanim kao:
V r i V i su amplitude talasa reflektovanog od antene i incidentnog odpredajnika ka krajevima antene, respektivno (analogno koeficijenturefleksije talasa na vodu – transmisiona linija do antene)
• Uobičajeno je da se nepodešenost meri preko koeficijenta stojećihtalasa (Γ ) čija je optimalna (minimalna) vrednost 1:
• Koef. stojećih talasa predstavlja odnos max i min efektivnevrednosti napona u vodu i uvek je >1, osim u slučaju kada nemarefleksije ( ρ =0), tj. pri uslovu prilagođenja, kada je Γ =1.
• Standardne ulazne impedanse za koje se projektuju antene su 50Ω ili 75Ω
sa
sa
i
r
> >
> >
'
'
+−
== ρ
ma;
min
: 7
: 7
ρ
ρ
+Γ = =
−
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
64/123
Dobitak antene ( power gain)
• Problem u definiciji direktivnosti je da se u njoj ne uzimaju uobzir gubici (otpornost gubitaka) nastali u samoj anteni. Stoga seumesto direktivnosti, uobičajeno koristi pojam dobitka antene.Direktivnost se odnosi na snagu izračenu sa antene, dok se
dobitak odnosi na snagu koja se dovodi na ulaz antene• Dobitak snage (dobitak antene) G je odnos intenziteta zračenja
posmatrane antene u nekom pravcu i zračenja izotropne(referentne) antene koja zrači istu ukupnu snagu kao snaga kojuprihvata posmatrana (realna) antena
• Kada proizvođači antena navedu gain neke antene, podrazumevase max vrednost dobitka (dobitka u pravcu max zračenja).
i
@ . + / @
θ φ =U nekoj tački naposmatranom pravcu
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
65/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
66/123
Oblik G po azimutu 0 < φ < 2π , θ=π /2
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
67/123
Oblik G po azimutu φ =0, 0 < θ < 2π
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
68/123
Kompozitni oblik u ravni φ =0
Širina snopa zračenja
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
69/123
Širina snopa zračenja(beamwidth)
•To je ugao između pravaca na kojima intenzitet(snaga) zračenja opadne na polovinu maksimalnevrednosti (3dB), odnosno polje E na u odnosu na
Emax
.
•Direktivnost antene raste kako se smanjuje širinasnopa zračenja, jer je izračena energija koncentrisanau manjem prostornom uglu.
/E 4
Dobitak i širina snopa zračenja
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
70/123
Dobitak i širina snopa zračenjanekih realnih antena
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
71/123
Propusni opseg antene
•Propusni opseg antene predstavlja njenu sposobnost daradi u širokom opsegu radnih frekvencija.
•Često se definiše kao opseg unutar koga gain neopadne za više od 3 dB u odnosu na maksimalnu
vrednost, ili opseg unutar koga koeficijent stojećihtalasa nije veći od 2:1 (uzima se onaj koji je manji).
•Propusni opseg se obično daje kao procenat nominalnevrednosti na radnoj frekvenciji.
•Dijagram zračenja antene se veoma bitno menja izvanspecificiranog radnog propusnog opsega.
•Posebnim konstrukcijama je moguće obezbediti dapropusni opseg bude dovoljno velik – širokopojasneantene.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
72/123
•U prethodnim izlaganjima, antene su posmatrane kaopredajne. Međutim, na osnovu primene teoreme oreciprocitetu moguće je na sličan način anlizirati iosobine prijemnih antena.
•Prijemna antena vrši suprotan proces od predajne:
energiju EM talasa pretvara u električnu struju.Pojave koje se dešavaju u prijemnoj anteni su znatnosloženije od onih u predajnoj anteni.
•Svaki elementarni deo prijemne antene, pod dejstvom okolnog EM polja, ponaša se kao posebna elementarna
antena koja generiše elementarnu pobudu, pa se moravršiti sabiranje (integraljenje) duž cele dužine antene.Međutim, za primenu je dovoljna teoremareciprociteta.
Prijemne antene – teorema o reciprocitetu
T i i
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
73/123
Teorema o reciprocitetu
Ako se pri primeni nekog napona na krajevima antene A, na
krajevima antene B izmeri određ ena struja, onda ć e ista tolika
struja biti izmerena na krajevima antene A kada se na krajeve
antene B dovede isti taj napon.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
74/123
•Direktna posledica teoreme o reciprocitetu je
da je gain antene isti bez obzira da li se onakoristi kao predajna ili kao prijemna.
•Teorema o reciprocitetu važi generalno zasvaki linearan vremenski invarijantan
medijum.
•Teorema o reciprocitetu NE TVRDI da je
raspodela struje duž antene ista kada radi kao
prijemna ili predajna, kao i da će način na kojise polje menja u vremenu ili prostoru oko dve
antene biti isti.
Efektivni otvor (apertura)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
75/123
Efektivni otvor (apertura)
prijemne antene
• Apertura (efektivni otvor, u m2) je konstantakonstantaproporcionalnosti između gustine fluksaproporcionalnosti između gustine fluksasnagesnage SS (W/m(W/m22) talasa na prijemu i snage) talasa na prijemu i snage P Prr (W) koju taj talas proizvede na impedansi(W) koju taj talas proizvede na impedansipotrošačapotrošača (ulazna impedansa prijemnika
najčešče).• Za neke antene (horn, parabolična) apertura
ima očiglednu fizičku interpretaciju – skoro je jednaka fizičkoj površini, ali ovaj konceptvaži i za svaku drugu antenu.
• Apertura može, posebno za žične antene dabude i mnogo veća od fizičke veličine.
• Apertura se smanjuje sa smanjenjemefikasnosti
Veza izmeđugainai aperture antene
r e @ F =
i
ee3
e
F < F
F
π η η
λ = =
i
3
e F
<
λ
π
=Kod izotrop.
antene
Antene u slobodnom prostoru:
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
76/123
Antene u slobodnom prostoru:
Friisova formula
•Neka su antene A i B tako postavljene da sunjihovi dobici podešeni tako da su immaksimumi na istom pravcu; podešene su im ipolarizacije, a udaljene su za dovoljno r da se
jedna u odnosu na drugu nalaze u domenu
dalekog polja.
• Ako je snaga na ulazu antene A Pt, gustina
incidentne snage na anteni B biće:
42 r
@ at
π = Ga je max gain antene A
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
77/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
78/123
Polarizacija antene
Polarizacija je određena krivom koju opisuje vektor električnog polja u toku
propagacijeradio talasa(jednog ciklusa sinusoide).
Polarizacija može biti linijska kružna i eliptična.
U slobodnom prostoru stanje polarizacije primljenog talasa je isto kao
na predajnoj anteni, ali u situacijama kada se javljaju fenomeni
osetljivi na polarizaciju kao što su refleksija, refrakcija i difrakcija
radio talasa, polarizacija se menja tokom propagacije.
Gubitak usled polarizacije
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
79/123
Gubitak usled polarizacije
(Polarization loss factor, PLF)
Ako se polarizacija prijemne antene ne poklapa sa polarizacijomdolaznogradiotalasa (signala), taj signal će biti primljen slabije.
Ako se ose polarizacija razlikuju sa 45 stepeni dolazi do slabljenja od 3 dB,
Ako je radio talas kružno polarisan, a prijemna antena je linerano polarisana
slabljenje je 3 dB.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
80/123
Uticaj zemlje na zračenje antene
•Uticaj zemlje, kao provodne sredine na osobinezračenja antene je značajan (ne može se zanemariti).
•Pri nailasku EM talasa na površinu zemlje, u njoj se(zbog njene dobre provodnosti) javljaju struje koje sasvoje strane stvaraju sekundarno polje i u znatnoj
meri menjaju sliku (dijagram) zračenja antene.•Struje koje se javljaju u zemlji zavise od učestanosti
EM talasa i električnih osobina zemljišta (σ i εr) (µ=µ
o
praktično uvek)•Smatrajući da je zemlja, u prvoj aproksimaciji,
savršen provodnik, moguće je pomoću teoreme lika uogledalu odrediti uticaj zemlje na polje zračenjaantene
T lik l d l
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
81/123
Teorema lika u ogledalu
• Polje koje stvara antena iznad savr š eno provodne ravni isto je kaoi polje koje bi u slobodnom prostoru stvarao sistem od antene injenog električ nog lika u provodnoj ravni kao ogledalu.
Ako se antena postavi blizu
savršeno provodne površine,tada se dobija efekat kao da likove antene postoji ispod te
površine na istom rastojanjusa druge strane
Struja u liku je ista po
amplitudi kao ona u pravoj
anteni, ali je suprotnog smera
T lik l d l
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
82/123
Teorema lika u ogledalu
•Ako je zemlja savršen provodnik ukupno EM polje unekoj tački se može dobiti sabiranjem direktnog talasai talasa koji u tu tačku stiže iz druge virtuelne antenekoja je identična prvoj i nalazi se simetrično u dubinizemlje.
•Time se uticaj zemlje na zračenje antene zamenjujenjenim "likom u ogledalu", kao što je prikazanoisprekidanom linijom. Tako će se na primer polutalasnavertikalna antena ponašati kao simetrična talasna dipol antena.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
83/123
•Ako se posmatra odnos σ / ;
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
84/123
Podela antena prema obliku i
konstrukciji
•Lineične (žičane) antene–Načinjene su od izduženih provodnika čije su
poprečne dimenzije (presek) mnogo manje odtalasne dužine
–Primeri: dipol, monopol, romb, Yagi, log-periodična, oblika petlje, helikoidalna i dr.
•Sa zračećom površi:–Poseduju fizički otvor iz kojeg se zrači EM
energija:–Primeri: prorezne (slot), levak antene,
reflektorske antene (parabolične), antene naprincipu sočiva
d l t
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
85/123
...podela antena
• Prema obliku dijagrama zračenja– neusmerene (omnidirekcione)
– usmerene (direktivne)
• Prema širini radnog opsega učestanosti:– Uskopojasne
– Širokopojasne
• Prema polarizaciji:– Sa linearnom polarizacijom
– Sa kružnom / eliptičnom polarizacijom
• Prema radnom opsegu učestanosti:– KT (kratkotalasne),
– VHF/UHF (mikrotalasne)• Prema primenama:
– Radiodifuzne, radio-relejne, radarske i sl.
Di li
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
86/123
Dipoli
Krajevi voda, rastavljeni na dužini L/2 isavijeni pod pravim uglom u odnosu na vod,
formiraju (simetrični) dipol
• Ako se krajevi voda otvore, talas se reflektuje unazad i interferira sa
t l k ji ti di kt t j ći t l i
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
87/123
talasom koji se prostire u direktnom smeru ⇒ stojeći talas sa max inulama na fiksiranim mestima duž voda.•U žicama struja teče u suprotnim smerovima i ne postoje uslovi za bilo
kakvo zračenje ⇒ nema zračenja dalekog polja
•Struje u savijenim krajevima su
sada u istom smeru i dolazi do
zračenja.
•Iako zračenje donekle menjaraspodelu struje, generalni oblik
raspodele struje ostaje isti ⇒ zaanalizu zračenja može da se koristi
sinusoidalna aproksimacija
Di l j k ž i t ič k j
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
88/123
•Dipol je kružno simetričan oko svoje ose ⇒ omnidirekciono zračenje bez obzira na raspodelu
struje•Rastojanje krakova dipola od svake tačke u ravni
postavljenoj kroz vod (linija prenosa) i ravni
postavljenoj upravno na nju je jednako ⇒
doprinosi zračenju svih delova dipola će biti u fazii uvek će se napraviti lob
•Struja je uvek u direktnom ili suprotnom smeru
od svih tačaka na osi dipola, tako da nema
radijacije ⇒ nula je u tim tačkama•Za Hertzov dipol izračeno polje je proporcionalno
dužini dipola. Poželjno je da se ukupno poljeantene poveća povećanjem direktivnosti antene.
đ
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
89/123
•Tačno određivanje raspodele struje duž dipola morada uzme u obzir varijaciju kapacitivnosti i
induktivnosti duž transmisione linije (voda) kao iefekat zračenja od antene.
•Standardno se uzima da je:
gde je I(0) struja u tački napajanja (feed point), apodrazumeva se da je dipol postavljen duž z ose
•Može da se pokaže da je ovo egzaktan rezultat ako sužice koje formiraju dipol infinitezimalno tanke, a da jeto dobra aproksimacija u slučaju da su žice maledebljine u poređenju sa njihovom dužinom
−= ( &
k I ( I 4sin)0()(
Raspodela struje duž dipola i dijagram
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
90/123
Raspodela struje duž dipola i dijagramzračenja za različite dužine dipola (1)
Raspodela struje duž dipola i dijagram
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
91/123
Raspode a st uje du d po a d jag a
zračenja za različite dužine dipola (2)
Raspodela struje duž dipola i dijagram
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
92/123
p j p j g
zračenja za različite dužine dipola (3)
Pri promeni dužine L od 0.5λ do λ otvor glavnog snopazračenja se menja od780 do 470
Raspodela struje duž dipola i dijagram
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
93/123
p j p j g
zračenja za različite dužine dipola (4)
Preko L=1.2λ zračenje ima više lobova što uglavnomnije dobro u praktičnom smislu
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
94/123
•Uobičajena dužina je L=λ/2 – polutalasni dipolkoji ima dovoljnu direktivnost, veliku
efikasnost i relativno je kompaktan.•Direktivnost polutalasnog dipola je 1.64 dB,
odnosno 2.15 dBi ⇒ mala vrednost i zato sečesto koristi kao referentna antena i
proizvođ
ači, kada u odnosu na nju daju gain,dodaju “d”⇒ 0 dBd=2.15 dBi
•Ulazna impedansa λ /2 dipola Za=73 +j42.5Ω, može da se postigne da bude rezonantnaako se dužina smanji na 0.48λ.•U realnosti, osobine dipola zavise od debljine
provodnika od kojeg je dipol naparavljen.
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
95/123
UV WXYVZ[X\ ]^_Z[V`XZ[' \_bVUV WXYVZ[X\ ]^_Z[V`XZ[' \_bVZ_ cYX Z[XfV' gVX WYVfhZ_ cYX Z[XfV' gVX WYVfhZ[XfV. [X YVXV ]V^gZ[XfV. [X YVXV ]V^gWX Z_ Y_[gX gXYZ[_.WX Z_ Y_[gX gXYZ[_.
Monopoli
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
96/123
Monopoli
Monopol antene su rezultat primene teorije lika u
ogledalu na dipole
Ako se element dužine L/2 postavi iznadprovodne ravni zemlje, on će se ponašati
kao dipol dužine L, osim što će do zračenjadoći samo iznad površine
Direktivnost (i dobitak) monopola će bitiudvostručena (za 3 dB veće od dipola), aotpornost zračenja prepolovljenja ⇒ četvrt-talasni monopol (visine L/2=λ /4)aproksimira polutalasni dipol
primeri antena (automobil, štap antene)
Kratki vertikalni monopol (h / λ
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
97/123
Antenski nizovi• Max direktivnost koja može da se postigne jednim dipolom je
ograničena na malo više od jedne talasne dužine• Veća direktivnost (usmerenost) može da se postigne ako se više
dipola postavi tako da se dobije antenski niz. Pod antenskim
nizom (sistemom) podrazumeva se skup jednakih i jednako
orijentisanih elemenata.
• Napajanje svakog od elemenata niza(npr. dipola) može da serazlikuje po amplitudi i fazi (može biti elektronski kontrolisano)
Antenski nizovi
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
98/123
Antenski nizovi
•Podešavanjem efektivnih amplituda i faza strujakojima se napajaju pojedinačne antene (elementi niza)može se postići:–usmeravanje rezultujućeg zračenja u željenom pravcu,
–smanjivanje bočnih lobova u dijagramu zračenja,
–potiskivanje signala smetnji koji dolazi iz nekog pravca(pravljenjem nule u dijagramu zračenja za taj pravac)
•KombinacijomKombinacijom različitih faza moguće je “skrojiti”“skrojiti”dijagram zračenja u dalekom polju prema potrebi, ilimenjati skeniranje zraka bez ikakvog pomeranja
antene (promena dijagrama zračenja elektronskimputem)
• Ako se amplituda i faza kontrolišu elektronski,moguće je vrlo brzim skeniranjem pratiti promene ukomunikacionom kanalu (prilagođenje promenama
signala)
Tipovi antenskih nizova
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
99/123
Tipovi antenskih nizova
•Prema prostornom rasporedu elemenata i prema zakonu raspodele struje u elementima
•Osnovni tipovi antenskih nizova:
–Linearni – elementi niza raspodeljeni su duž jedne ose
(kolinearni niz)–Planarni – elementi niza raspoređeni po ravnoj površi
•Uniformni niz – niz čiji su elementi ravnomernoraspodeljeni u prostoru, a struje svih elemenata su
iste amplitude i konstantnog faznog pomeraja odelementa do elementa.
Tipovi antenskih nizova: linearni i planarni
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
100/123
Najjednostavniji tip su uniformni linearni
nizovi ⇒ oblik zračenja se dobija kaoproizvod individualnih zračenja i faktora
multiplikacije
Linearni nizovi (kolinearne antene) imaju
jednu dimenziju kontrole ⇒ daju
direktivnost u jednoj ravni
Max gain je za 20 log n
dB veći od gainapojedinačnih elemenata
2D planarni niz
(antenska rešetka)
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
101/123
Širina snopazračenja
Dobitak niza o!nosna po"ta"asni !ipo"#o! antena bazni$ stanica
običajeno se koristi "inearnivertika"ni antenski nizpo"ta"asni$ !ipo"a (pane"i)
Ose dipola poklapaju se sa osom niza
(kolinearni niz dipola)
Vertikalni antenski niz dipola
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
102/123
Vertikalni antenski niz dipola
• Omnidirektivno pokrivanje • Sektorisano pokrivanje
Yagi antena
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
103/123
Yagi antena
• Primer korišćenja matričnog rasporeda dipola u kome
se povećanje direktivnosti postiže pasivnim elementima• Elementi koji se napajaju (driven) indukuju struju upasivnim (samo jedan dipol je direktno napajan)
• Ako se dužina i pozicija pasivnih elemenata dobro izaberu,dolazi do konstruktivnih sabiranja zračenja sa pobuđenog ipasivnih elemenata u jednom pravcu
• Dipoli su dužine približno λ /2 driven element je običnomalo kraći od λ /2, direktori su malo kraći od njega, areflektor je nešto duži
• Razmak između elemenata je oko λ /4.• Uskopojasne antene, dobitak: 5-16dBi, polarizacija
linearna, TV i FM (prijemne), WLAN
Veći broj direktoradaje veći gain, ali sesa udaljenjem
direktora od driven-a
gubi ovaj efekat
Log periodične antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
104/123
Log-periodične antene
• Log-periodični niz dipola (nekoliko 10-inadipola), kod koga se dužine dipola i razmakizmeđu njih povećavaju geometrijskomprogresijom (od početka ka kraju niza).
• Širokopojasna antena (npr TV): na jednoj
radnoj učestanosti aktivna je samo grupa odnekoliko dipola čija je dužina oko λ /2 (nagornjoj granici propusnog opsega aktivni su
najkraći dipoli – na kraju antene, i obrnuto)
• Dobitak: 7-10dBiPravac maksimalnog
zračenja
Napajanje
antene
Parabolični reflektor
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
105/123
Orak koji !olazi od !rimarno radijatora(na!ojni element u žiži !ara&ole)' !oslere"leksije od !ara&oloidno re"lektora' ide !aralelno osi !ara&oloida.ao da !ostoji &eskonačan &roj likova takolo$irani5 da !roizvode !aralelne zrake od
re"lektora.*vi elementi talasno "ronta izračeni iz !rimarno radijatora na izlazu iz !ara&oloida %eimati istu "azu. 8ormira se 5omoeni talasni"ront ,to je uslov za visok ste!en iskori,%enja
Jako usmerena antena – gain i do 100dB zavisi od prečnika tanjira, talasnedužine i efikasnosti (materijal i izrada)koristi se u satelitskim komunikacijama
i u dugim RR vezama
Koriste se za frekvencije iznad 1GHz
S eff – efektivna površina antene
D-prečnik paraboloida
Parabolični reflektor
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
106/123
b
Daleko polje
R
R
[ ]0.1 - 0.1η =
Primeri dijagrama zračenja parabolične antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
107/123
j g j p
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
108/123
Primarni izvor EM zračenjamože biti levak (horn) antena koja se
postavlja u žižuparaboloida
i “obasjava” ga.
Satelitske (parabolične) antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
109/123
Satelitske (parabolične) antene
Antene na principu sočiva
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
110/123
Antene na principu sočivaf>100GHz
Koriste pojavu prelamanja EM talasa (promenu brzine prostiranja faze priprelasku iz jedne sredine u drugu) za pretvaranje sfernog talasnog fronta u
ravan.
Sočiva su izrađena od materijala kao što je polietilen, ili pleksiglas (r≅2.5,indeks prelamanja n=1.6)
Horn (levak) antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
111/123
( )
• Talasovod čiji su krajevi rastavljeni tako da liče
na strukturu megafona• Dimenzijama otvora može da se kontrolišeraspodela polja
• Veoma usmerena – najbolje zračenje se postižekada je dužina horna velika u poređenju saaperturom
• Koristi se za visoke frekvencije (~GHz) (urasponu radnih frekvencija od 20:1 (npr. od 1do 20 GHz), najčešće kao feed element zaparabolične antene u satelitskim vezama
• Dobitak: tipično 10-20dBi
3
< F
π η
λ
= A -površina otvora levka
0.4
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
112/123
(antene sa malom petljom)
• Antene sa malom petljom (provodnik savijen Antene sa malom petljom (provodnik savijentako da prati neki geometrijsku figurutako da prati neki geometrijsku figurupovršine manje od oko 0,01površine manje od oko 0,01λλ 2 2) imaju takođe) imaju takođeusmereno zračenje.usmereno zračenje.
•Tipičan predstavnik je romb antenaTipičan predstavnik je romb antena
Struja I po konturi je skoro const
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
113/123
Zračenje ima isti oblik kao i Hertzov dipol – samo E i Himaju izmenjene uloge
Uglavnom se koriste kao prijemne antene
Helikoidalne antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
114/123
Provodnik savijen u spiralu - mogu da se posmatraju kao vertikalni
niz loop antena (bar kada je prečnik petlje mali u poređenju sa
talasnom dužinom)
kružna polarizacija, dobitak 10-18dBi
Kada je prečnik reda talasne dužine ili malo veći, zračenje postajeaksijalno i ova antena funkcioniše slično Yagi anteni. Polja kojestvaraju pojedinačni zavojci (petlje) se konstruktivno sabiraju upravcu ose helikoide.
upotreba kod usmerenih radio veza i u satelitskim komunikacijama
posebno za niže frekvencije gde su parabolične prevelike i nepraktične
Pravac najvećeg zračenja
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
115/123
Tipičan dijagram zračenja patch antene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
116/123
Prikazan je slučaj kada je polarizacija skoro linearna upravcu 8
Patch antene mogu da daju i kružnu polarizaciju promenomoblika patch-a ili napajanja
Obično se koriste u matricama gde se i napajanje i mreža zaprilagođenje prave kao jdna štampana struktura
SmartAntene
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
117/123
Smart Antene
•Smart antene su antene čiji dijagramzračenja nije fiksan, već se prilagođava(adaptira) trenutnim uslovima.
•To se može shvatiti kao usmeravanje snopazračenja samo u onim pravcima na kojima senalaze učesnici u komunikaciji.
•Smart antene mogu doprineti značajnom
povećanju kapaciteta sistema ( do 3 puta kodTDMA sistemai 5 puta kod CDMA sistema).
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
118/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
119/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
120/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
121/123
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
122/123
Pasivnaantena
8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene
123/123
Pasivna antena
•Pasivni reflektor se može postaviti i na većim
rastojanjima od predajnika. To se čini onda
kada je zbog geografske konfiguracije terena
skupo postaviti predajnik u neposrednoj blizini
antene.