Antene Sa Specijalnim Karakteristikama

5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 1/14

Yagi-Uda antene

Yagi-Uda antenu su konstruisali Japanski istraživači H. Yagi i S. Uda sa Tokijskog

Univerziteta još 1926 godine za potrebe Japanske carske vojske. Ovaj tip antene se sastoji iz

niza dipola (elemenata antene) od kojih je samo jedan aktivan (vezan je za napajanje) a ostali

su pasivni (kratkospojeni su). Zbog međusobne indukcije i u pasivnim dipolima će teći struja.

Pasivni dipoli se mogu podeliti u dve grupe:

- grupa dipola koji se nazivaju direktori

- grupa dipola koji se nazivaju reflektori

Direktore predstavljaju pasivni dipoli koji su na nosaču antene raspoređeni u pravcu

prijema signala, u prostoru između aktivnog dipola i predajnika ako antena radi u prijemnomrežimu, odnosno dipoli koji su na nosaču antene raspoređeni u pravcu zračenja antene između

aktivnog dipola i prijemnika ako antena radi u predajnom režimu (slika 1).

Reflektori su dipoli koji se nalaze iza aktivnog dipola u odnosu na predajnik

(prijemnik) kao što je prikazano na slici 1.

Aktivni dipol je nešto malo kraći od polovine talasne dužine (λ /2) elektromagnetskog

talasa koji se emituje (prima) Yagi-Uda antenom. Reflektori su malo duži od aktivnog dipola

a direktori malo kraći od njega (slika1).

Slika 1. Arhitektura tipične Yagi-Uda antene koja ima ukupno šest antenskih elemenata

(jedan aktivni dipol, jedan reflektor i četiri direktora)

Tipična moderna Yagi-Uda antena sa šest elemenata antene sa dužinama dipola i

rastojanjima između nih data je na slici 1. Ona ima četiri direktora, jedan aktivni dipol i jedan

reflektor. Elementi antene se nalaze na metalnom nosaču i izolovani su u električnom smislu

od njega. Na slici je prikazano napajanje aktivnog dipola sa linijom za napajnje koja

predstavlja dvožični vod impedanse 300 Ω . Ako se koriste sklopovi za prilagođenje antene na

vodove različite impedanse u praktičnoj primeni je čest skučaj napajanja vodovima

impedanse 50 Ω i 75 Ω . Tipično pojačanje ove antene sa šest elemenata se kreće između 12

dB i 16 dB. Dijagram zrašenja u azimutalnoj i elevacionoj ravni je prikazana na slici 2.



Slika 2. Dijagram zračenja u azimutalnoj i elevacionoj ravni Yagi-Uda antene sa šest

elemenata

Ova antena je pripada rezonatnim ili uskopojasnim (kanalskim) antenama. Radna

frekvencija antene može da odstupa od centralne (rezonantne) frekvencije najviše ± 10 %.

Blago proširenje propusnog opsega se može postići povećanjem dužine reflektora i

skraćivanjem dužine direktora, kao i povećanjem debljine dipola.

Slika 3. Položaj reflektorske ravni u odnosu na aktivni dipol i direktorePovećanjem broja direktora se u manjoj meri može i povećati pojačanje antene. Za

više od šest direktora postavlja se 2-4 reflektora. Za manje od od šest direktora postavlja se 1-

2 reflektora. Reflektori se postavljaju jedan iznad drugog u vertikalnoj ravni formirajući tako

svojevrsnu reflektujuću ravan koja smanjuje list zračenja unazad i povećava usmerenost

antene (Slika 3). Primeri pojedinih Yagi-Uda antena sa reflektorskim ravnima date su na

slikama 4.a-4.b



(a) (b)

Slika 4. Primeri konkretne realizacije Yagi-Uda antene



Antene sa specijalnim karakteristikama

U opštem slučaju antene koje imaju specijalne karakteristike mogu da se svrstaju u

dve grupe:

- širokopojasne antene

- frekvencijski nezavisne antene

Širokopojasne antene imaju približno konstantnu ulaznu impedansu i

zadovoljavajuću karaktersitiku zračenja i pojačanje unutar šireg frekvencijskog opsega. Ove

antene ne moraju biti frekvencijski nezavisne u tom smislu da osim ulazne impedanse i ostali

parametri antene kao što su karakteristika zračenja antene, pojačanje i polarizacija budu

približno konstantne u širem frekvencijskom opsegu.

Frekvencijski nezavisne antene imaju približno konstantnu impedansu, karakteristiku

zračenju antene, pojačanje i polarizaciju unutar šireg frekvencijskog opsega.

Širokopojasne antene

Tipični primeri osnovnih širokopojasnih antena su „vulkanski dim” i Alpina horn

antena. Postepeni prelaz sa koaksijalnog voda ili simetričnog dvožičnog voda na zračeću

strukturu obezbeđuje približno konstantnu ulaznu impedansu u širem frekvencijskom opsegu.

Vulkanski dim antena predstavlja postepeni blagi prelaz sa koaksijalnog voda na

zračeću strukturu. Na slici 1. je dat prikaz ove antene

Slika 1. Vulkanski dim antena



Alpina horn antena predstavlja postepeni blagi prelaz sa simetričnog dvožičnog voda

na zračeću strukturu. Na slici 2. je dat prikaz ove antene

Slika 2. Alpina horn antenaMaksimalna (gornja) radna frekvencija odnosno minimalna talasna dužina ove antene

je ograničena međusobnim rastojanjem provodnika voda kojim se napaja antena

10

g d

λ =

Minimalna (donja) radna frekvencija odnosno maksimalna talasna dužina ove antene je

ograničena otvorom antene

2

d Dλ

=

Na osnovu ovoga može se proračunati radni frekvencijski opseg antene koji zavisi od fizičke

konstrukcije antene

d

D

d

D

f

f B

g

d ⋅=⋅⋅

===5

1

10

2

min

max

λ

λ

Za slučaj D = 1000d ( D = 1 m d = 1 mm) za širinu propusnog opsega Alpina horn antene

dobija se B=200:1.

Na slici 3 je prikazana praktična realizacija Alpina horn antene koja se napaja

koaksijalnim kablom impedanse 50 Ω .



Slika 3. Praktična realizacija Alpina horn antene

Frekvencijski nezavisne antene

Frekvencijski nezavisne antene su zasnovane na Remzijevom ( Ramsey) principu

frekvencijske nezavisnosti. Ovaj princip glasi: Ulazna impedansa i krakteristika zračenjaantene biće frekvencijski nezavisne ako se geometrujski oblik antene može opisati samo

preko uglova antene (geometrujski oblik antene se može predstaviati u funkciji uglova

antene). Remzijev princip je izveden iz Mušiakeove postavke samo-komplemetranih antena.

Samo-komplementarne antene su one antene kod kojih se rotacijom ili translacijom u ravni

metalne zračeće površine mogu poklopiti sa površinama nezračećih otvora u ravni. Da bi ovaj

uslov teorijski bio ispunjen antene bi morale da imaju beskonačne dimenzije. Primeri tri

teorijske samo-komplemetarne antene beskonačnih dimenzije date su na slikama 4.a-4.c

Slika 4. Primeri tri samo-komplemetarne antene koje ispunjavaju Mušiakeove postavke



Teorijska ulazna impedansa samo-komplemetarnih antena je Z 0/2=188 Ω . U realnom

slučaju praktično se ne može realizovati antena beskonačnih dimezija. Zato realne samo-

komplemetarne antene konačnih dimenzija imaju približne karakteristike idealnih teorijskih

samo-komplemetarni antena.

Frekvencijski nezavisna planarna logaritamska spiralna antena

Frekvencijski nezavisna planarna logaritamska spiralna antena (ili kraće planarna log-

spiralna antena) u osnovi se bazira na planarnoj konstrukciji čije su površine ograničene

matematičkom log-spiralom. Jednačina matematičke log-spirale je

ar ar lnlnili ⋅θ==θ

gde r predstavlja udaljenost tačke P na spirali od centra spirale, θ je ugao tačke u odnosu na

osu x a a predstavlja konstantu spirale. Na slici 5. je prikazana konkretna matematička log-

spirala koja se koristi za realizaciju frekvencijski nezavisne planarne logaritamske spiralne

antene.

Slika 5. Log-spirala koja se koristi za realizaciju frekvencijski nezavisne planarne

logaritamske spiralne antene

Počevši od prvobitne jednačine

ar ar lnlnili ⋅θ==θ

Diferenciranjem jednačine spirale po θ lako se izvodi i sledeća relacija

β=

θ=

tan

1

d

d ln

r

r

a

i na kraju se dobija izraz



r lntan ⋅β=θ

Na osnovu konkretnih geometrijskih parametara sa slike 5 koji nameću uslov da za

ugao θ = 0 rad imamo vrednost r = 1 i za ugao θ = π rad imamo vrednost r = 2 dobija se

za

β = 77.6° i konstantu spirale a = 1.247.

U planarnoj tehnici zračeće metalne površine su ograničene sa četiri matematičke log-

spirale čije su jednačine

θ= ar 1

δ−θ= ar 2

π−θ= ar 3

δ−π−θ

= ar 4

gde je δ ugaoni pomeraj spirale u ravni. Izgled planarne log-spiralne antene ograničene sa

četri matematičke log-spirale dat je na slici 6.

Slika 6. Izgled planarne log-spiralne antene ograničene sa četri matematičke log-spirale

Ako se za ugao δ uzme vrednost π /2 dobija se samokomplemetrna planarna antena

čiji je naziv Dajsonova planarna log-spiralna antena. U centru spirale se nalaze terminalni

konektori za napajanje antene. Maksimalna (gornja) radna frekvencija odnosno minimalna

talasna dužina ove antene je ograničena međusobnim rastojanjem dva spiralna kraka antene u

centru antene na koje se spajaju terminalni konektori pomoću kojih se napaja antena



10

g d

λ =

Minimalna (donja) radna frekvencija odnosno maksimalna talasna dužina ove antene jeograničena otvorom antene koji je predstavljen međusobnim rastojanjem u ravni završetka

oba spiralna kraka

2

d Dλ

=

Na osnovu ovoga može se proračunati radni frekvencijski opseg antene koji zavisi od fizičke

konstrukcije antene

d

D

d

D

f

f B

g

d ⋅=⋅⋅

===5

1

10

2

min

max

λ

λ

Za slučaj D = 25d ( D = 25 mm d = 1 mm) za širinu propusnog opsega Dajsonove planarne

log-spiralne antene dobija se B=5:1.

Beskonačna Dajsonova planarna log-spiralna antena ima beskonačni propusni opseg i

teorijsku impedansu od Z 0/2=188 Ω . Ograničena Dajsonova planarna log-spiralna antena ima

ograničeni propusni opseg i realnu impedansu od 50 Ω do 100 Ω .

Frekvencijski nezavisna konusna logaritamska spiralna antena

Projekcijom planarne logaritamske spiralne antena na konusnu površinu nastaje

frekvencijski nezavisna konusna logaritamska spiralna antena. Ako je iskorišćena Dajsonova planarna log-spiralna antena nastaje Dajsonova konusna log-spiralna antena (Slika 7).

Frekvencijski opseg Dajsonove konusne log-spiralne antene je isti kao i kod korišćene

Dajsonove planarne logaritamske spiralne antene ali je kod konusne varijante potisnut list

zračenja unazad uz širenje glavnog lista zračenja unapred i ostvarenje cirkularne polarizacije.



Slika 7. Dajsonova konusna log-spiralna antena

Ulazna impedansa beskonačna Dajsonova konusne log-spiralna antena je Z 0/2=188 Ω .

Ograničena Dajsonova konusna log-spiralna antena ima ograničeni propusni opseg i realnu

impedansu od 100 Ω do 150 Ω . Tipična vrednost vršnog ugla konusa je negde između 20° i

60°.

Frekvencijski nezavisna log-periodična antena

Frekvencijski nezavisna log-periodična antena se sastoji od niza dipola koji su

montirani na nosaču antene. Dužine dipola i njihovo međusobo rastojanje raste krećući se u

odnosu na vrh antene po zakonu

k s

s

l

l

n

n

n

n==

++ 11

dok vrhovi dipola zadržavaju ugao α u odnosu na vrh antene (Slika 8). U izrazu k predstavlja

konstantu log-periodične antene.



Slika 8. Arhitektura log-periodične antene

Može se videti da se cela konstrukcija antene može opisati preko ugla antene α čime

je obezbeđena frekvencijska nezavisnost (Slika 9).

Slika 8. Arhitektura log-periodične antene se može opisati preko ugla antene

Sa slike se može videti da dva susedna dipola imaju suprotnu orijentaciju napajanja

koja se lako rešava izradom nosača preko dve nosačke grede i naizmeničnom konekcijom

dipola na jednu li drugu gredu (slika 9)



Slika 9. Varijante napajanja dipola log-periodične antene: (a) varijatna sa 50 Ω koaksijalnim

vodom i (b) varijanta sa 300 Ω paricom

Dipoli antene mogu da pripadaju jednom od tri regiona koji mogu da se uoče na log-

periodičnoj anteni. To su:

- čeoni neaktivni region ili region transmisione linije

- aktivni region ili zračeći region

- zadnji nekativni region ili stop region

Čeoni neaktivni region ili region transmisione linije čine dipoli čija je dužina manja

od polovine talasne dužine talasa koji se emituje ili prima (l < λ /2). Dipoli u ovom regionu

imaju izrazito kapacitivni karakter i za radnu frekvenciju se ponašaju kao provodni elementi

koji vode signal do aktivnog regiona.

Aktivni region ili zračeći čine dipoli čija je dužina približno jednaka polovini talasne

dužine talasa koji se emituje ili prima (l ≈ λ /2). Dipoli u ovom regionu imaju samo otporni

karakter (reaktansa teži 0) i sposobni su da emituju ili primaju elektromagnetski talas na

radnoj frekvenciji f = c/λ .

Zadnji neaktivni region ili stop region čine dipoli čija je dužina veća od polovine

talasne dužine talasa koji se emituje ili prima (l > λ /2). Dipoli u ovom regionu imaju izrazito



induktivni karakter i za radnu frekvenciju se ponašaju kao neprovodni elementi koji blokiraju

dalje vođenje signala iza aktivnog regiona.

Za dva elementa koji pripadaju aktivnom regionu važi

1

111

+

+++==≈=

n

n

n

n

n

n

n

n

f

f

f

c

f

c

k l

l

λ

λ

Tako da se odnos radnih frekvencija dva susedna dipola u aktivnom regionu može predstaviti

k f f

k f

f nn

n

n 1logloglog

11

1 =−⇒= ++

Primenom ove relacije na sve dipole koji promenom radne frekvencije mogu pripadati

aktivnom regionu dobija se

k f f f f f f f f nnnn

1logloglogloglogloglogloglog 122311 =−=−==−=−

−+

Odavde se može videti da log-periodična antena ima puno bliskih radnih frekvencija koje su

međusobno udaljene za log(1/k ) (slika 10)

Slika 10. Radne frekvencije log-periodične antene

Geometrija antene se u potpunosti može opisati preko vršnog ugla antene α tako da

važi (slika 8)

1

1

1

1

1

1

1

211

22tan+

+

+

+

+

+

+ ⋅

−

=−

=−

=n

n

n

n

n

n

nn

s

l k

s

k

l

l

s

l l

α

Kada je dipol aktivan onda važi l n+1 ≈ λ /2 tako da se gore navedeni izraz može napisati kao

λ

λ

α s

k

s

k

n ⋅−

=⋅

−

=+ 4

)/1(14

11

tan1

gde je α vršni ugao log-periodične antene, k predstavlja konstantu log-periodične antene a sλ

predstavlja rastojanje dipola u talasnim dužinama.



Kako se radna frekvencija menja tako pojedini dipoli prelaze iz aktivnog u neaktivno

stanje i obrnuto. Stoga se sa promenom radne frekvencije i aktivni region pomera i to od vrha

antene ka njenom širem kraju pri smanjivanju frekvencije elektromagnetskog talasa i od šireg

kraja ka vrhu pri povećanju frekvencije elektromagnetskog talasa koji se emituje ili primalog-periodičnom antenom.

Propusni opseg antene se može izraziti kao odnos najveće i najmanje frekvencije

elektromagnetskog talasa koji može da se emituje (primi) log-periodičnom antenom

n

n

n

n

n

n

n

k l

l

c

c

f

f

f

f B ======

++

+

+

11

1

1

1

1

min

max

λ

λ

λ

λ

Na slikama 11.a-11.b prikazane su konkretne realizacije nekoh log-periodičnih antena

(a)

(b)

Slika 11. Primeri konkretne realizacije log-periodične antene

Documents

Antene Sa Specijalnim Karakteristikama