SAT_pred4

5/13/2018 SAT_pred4 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/satpred4 1/46

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije

AnteneAntene

prof. dr. Nermin Suljanović

Satelitske telekomunikacije





UvodUvod U satelitskim komunikacijama, antene

predstavljaju vezu između prijemne, odnosnopredajne opreme sa jedne strane ikomunikacijsog puta kroz svemir sa drugestrane.

Općenito se klasificiraju u skladu sa njihovomfunkcijom, i to na predajne i prijemne antene.

Međutim, često se jedna antena koristi i kaopredajna i kao prijemna.

Teorem o reciprocitetu → osnova za većinuosobina antene, kao što su njena usmjerenost iprimjenljivost za oba režima rada.





UvodUvod Antene u satelitskim sistemima imaju dodatni

zahtjev minimizacije posebnih oblikainterferencije koji nisu prisutni u drugim radiosistemima.

Dodatna klasifikacija: antene na zemaljskim

stanicama i antene na satelitima. Zbog fizičkih ograničenja okoline u kojoj rade.





Teorem o reciprocitetu Teorem o reciprocitetu Primjenjen na antene.

Ako je struja I u anteni B koja radi u prijemnomrežimu, inducirana usljed djelovanjaelektromotorne sile (ems) na krajevimapredajne antene A, tada će jednaka ems koja

djeluje na krajevima B inducirati jednaku strujuu A.





Posljedice teorema o reciprocitetuPosljedice teorema o reciprocitetu Usmjerene antene emitiraju više energije u

nekim smjerovima nego u ostalim, i višeprimaju energije iz jednog smjera nego izostalih.

Usmjerenost antene u predajnom režimu je

jednaka usmjerenosti antene u prijemnomrežimu.

Impedansa antene je jednaka u oba radnarežima.





Koordinatni sistemKoordinatni sistem

U cilju analize usmjerenosti antene, neophodno

je postaviti koordinatni sistem prema kojem semože referencirati usmjernost.

Koristi se sferni koordinatni sistem.

Antena se postavlja u koordinatni početak.

Distantni vektor P usmjeren je premakoordinatnom početku i ima koordinate (r,θ,φ).

r određuje udaljenost između tačke P u prostoru

i antene. φ je ugao između x ose i projekcije P u xy

ravan.





Koordinatni sistemKoordinatni sistem

θ je ugao između z ose i vektora r .





Indukcijsko polje (Indukcijsko polje (d<<d<< λ λ))

U neposrednoj blizini antene električno polje se

razlikuje od polja na velikoj udaljenosti. INDUKCIJSKA ZONA

U indukcijskoj zoni uskladištena je reaktivnaenergija koja oscilira između izvora i polja, te ne

doprinosi zračenju. Jačina el. polja u ovoj zoni opada intenzivno sa

povećanjem distance d od antene, i to jednakomponenta se smanjuje proporcionalno

kvadratu distance a druga kubu. Zanemarivo za d>λ.





Estimacija distanci na kojim su ovaEstimacija distanci na kojim su ovapolja značajnapolja značajna

D → najveća dimenzija antene (npr. prečnikparaboličkog reflektora)





Radijacijsko polje (Radijacijsko polje (d>d> λ λ))

Fresnelova zona – bliža,

Fraunhofferova (udaljena) zona – daleka, namaod interesa.

U udaljenoj zoni, elektromagnetno polje formiratransverazalni elektromagnetni val.

Udaljena zona je na distancama većim od 2D2 /λ.

Električno polje u udaljenoj zoni se možepredstaviti preko dvije komponente, u sfernom

koordinatnom sistemu. Komponenta E

θje tangenta u tački P na kružni

luk poluprečnika r .

K t l lj F h ff jK t l lj F h ff j





Komponente el. polja u FraunhofferovojKomponente el. polja u Fraunhofferovojzonizoni

Komponenta Eφ

je tangenta u tački P na krug

radijusa rsinθ sa centrom na z osi. Rezultantno el. polje je jednako E= E

2

E

2





Električno polje anteneElektrično polje antene

Polje E0

u koordinatnom početku odgovara

vektoru el. polja antene. Npr. za rog antenu el. polje je prikazano na

donjoj slici (vektor el. polja leži u xy ravni).





Električno polje anteneElektrično polje antene

Magnetni vektor koji odgovara Eθ

leži paralelno

sa Eφ i označen je sa Hθ. Analogno, magnetni vektor koji odgovara E

φleži

paralelno sa Eθ

i označen je sa Hφ.

Intenzitet vektora H određen je intenzitetom E preko valne impedance i za radio valove uslobodnom prostoru vrijedi

Ova impedansa se koristi kao aproksimacija kod prostiranja radio valova kroz Zemljinu atmosferu.

Z W

= E

H =

E

H =120





Gustoća snageGustoća snage Gustoća fluksa se definira uz pretpostavku da je

predajna antena u centru zamišljene sfere.

Antena emitira snagu prema vani, okomito napovršinu sfere, i gustoća snage odgovara snazipo jedinici površine sfere.

To je vektorska veličina, sa intenzitetom

E je efektivna jačina polja.

S obzrom da je jačina polja obratnoproporcionalna distanci, to će gustoća snageopadati sa kvadratom distance.

=E

2

Z W

[W /m2]





Izotropni radijatorIzotropni radijator Zamišljena antena koja zrači u svim smjerovima

jednako.

Referentna antena za poređenje sa ostalimantenama.

Hipotetski, ova antena je 100% efikasna što znači

da u potpunosti emitira svu snagu koja se dovodedo antene.

Ako je izotropni radijator u centru zamišljene sferepoluprečnika r , ako mu dovodimo snagu P

S, s

obzirom da zrači jednako na sve strane, gustoćasnage na udaljenosti r je

i=PS

4r2[W /m2]





Dobitak anteneDobitak antene Gustoća snage realne antene će zavisiti od

smjera, ali svaka realna antena ima određenmaksimum.

Dobitak antene je veličina koja govori kolikoputa veća treba biti ukupna zračena snaga

izotropnog radijatora od ukupne dovedenesnage razmatrane antene da bi se izotropnimradijatorom na određenoj udaljenosti postigla

jednaka gustoća što je ima razmatrana antenau smjeru maksimalnog zračenja.

G=i

M





Usmjerenost anteneUsmjerenost antene Razlika u odnosu na dobitak jeste u određivanju

izotropne gustine snage i stvarne gustoćesnage Prad

koju emitira realna antena umjesto

snage PS

koja se dovodi do antene.

Za određivanje emitirane snage koristi sestepen iskorištenja antene η A.

Usmjerenost antene je omjer gustoće snage u

smjeru maksimalnog zračenja i srednje gustoćesnage na fiksnoj udaljenosti od antene.

Prad= A PS





Usmjerenost anteneUsmjerenost antene Usmjerenost i dobitak su povezani relacijom

Usmjerenost ne uključuje gubitke zbogneusaglašenosti impedanse ili polarizacijskegubitke.

Razmatrani dobitak je izotropni (iako to ne morabiti uvijek slučaj).

Npr. dobitak za antenu reflektorskog tipa semože definirati u odnosu na antenu kojaosvjetljava reflektor.

Prilikom navođenja dobitka treba znati za kojuse antenu navodi.

D= AG





Dijagram zračenjaDijagram zračenja Pokazuje kako se mijenja dobitak antene

zavisno od smjera. Svako EM zračenje koje proizvede antena bilo

kakve geometrije ponaša se kao sferni val, ako je udaljenost od antene dovoljno velika.

Prema tome, za velike udaljenosti svaka seantena može predočiti tačkastim izvorom EM

zračenja koje zrači energiju radijalno.

Raspodjela gustoće snage na površini kugle

dovoljno velikog poluprečnika nazivamoPROSTORNI DIJAGRAM ZRAČENJA.

č





Dijagram zračenjaDijagram zračenja U nekoj tački r, dobitak zavisi od θ i φ, te ga

možemo označiti sa G(θ, φ). Dijagram zračenja odgovara dobitku koji se

normalizira u odnosu na maksimalnu vrijednostG.

Prikazuje direkciona svojstva antenenormalizirane na maksimalnu vrijednost dobitka.

Trodimenzionalni dijagram prikazuje glavnokrilo.

g ,=G ,

G

čij č j





Dijagram zračenjaDijagram zračenja Dužina radijalne linije do proizvoljne tačke na

površini krila daje vrijednost funkcije zračenja u tojtački.

Maksimalna vrijednost je normiran na jedinicu.

Ose ne predstavljaju distancu (data je vektorom r ),

tj. dijagram predstavlja dobitak kao funkciju uglovaθ i φ.

ij č jDij č j





Dijagram zračenjaDijagram zračenja Glavno krilo predstavlja snop zračenja, a širina

snopa odgovara uglu unutar kojeg gustoća zračenesnaga ne pada ispod polovice one snage koja sezrači u smjeru maksimalnog zračenja (-3 dB).

S obzirom da u opštem slučaju snop nije simetričan,obično se prikazuje širina snopa u H ravni i E ravni.

E k i šiE kti ši t





Eektivna površina anteneEektivna površina antene

AZ

T Z

0U

Prijemna

antena

Razmatramo ravanski EM val gustoće snage ψ kojidolazi do prijemne antene.

P.p. da je antena idealno usaglašana sa kablom,odnosno da prijemniku predaje punu primljenusnagu P

rec.

Kada je antena podešena za maksimalni prijem,primljena snaga će biti proporcionalna gustoćisnage dolaznog vala.

Konstanta proporcionalnosti je efektivna površinaantene.

Prec= Aef

E kti ši tE kti ši t





Eektivna površina anteneEektivna površina antene

Ako EM val uniformno obasjava fizički otvor antene,

tada je efektivna površina jednaka fizičkoj.

Fundamentalna relacija dobitka i efektivne površineantene, za ravanski sinusni val je

S obzirom da je dobitak veličina koja se mjeri, na

osnovu prethodne relacije se može odreditiefektivna površina.

Aef = I A phy , I =0.5−0.8

Aef

G=2

4

A t tA t t





Apertura anteneApertura antene Primjer je otvoreni valovod, koji može zračiti

energiju koju nosi ali i primati energiju od

elektromagnetnog vala. Drugi primjer su rog antena i reflektorska antena.

Idealna površina (apertura) je pravougaonik

stranica a i b na beskonačnoj provodnoj ravni (npr.zemlja).

A t tApertura antene





Apertura anteneApertura antene Uniformno električno polje postoji duž površine,

paralelno stranici b.

Zračenje sa različitih dijelova površine (aperture) seu nekim smjerovima dodaje konstruktivno a unekim destruktivno, tako da se dobija dijagramzračenja koji ima glavno krilo i brojna bočna krila.

Primjeri dijagrama zračenja za električno imagnetno polje su dati na slici.

a=3 ,b=2

Apertura anteneApertura antene





Apertura anteneApertura antene Uniformno električno polje postoji duž površine,

paralelno stranici b.

Zračenje sa različitih dijelova površine (aperture) seu nekim smjerovima dodaje konstruktivno a unekim destruktivno, tako da se dobija dijagramzračenja koji ima glavno krilo i brojna bočna krila.

Primjeri dijagrama zračenja za električno imagnetno polje su dati na slici.

Rog (Rog (hornhorn) antene) antene





Rog (Rog (hornhorn) antene) antene Osigurava gladak prelaz sa valovoda u prostor, sa

velikom površinom.

Koristi se za zračenje na satelitu za obasjavanjevelikih površina na Zemlji.

Koristi se i kao primarna napojna antena kod antena

reflektorskog tipa.

Parabolički reflektorParabolički reflektor





Parabolički reflektorParabolički reflektor Koriste se u satelitskim komunikacijama za

povećanje dobitka antena.

Koncentriše se energija zračenja u jednom smjerupomoću mehanizma za fokusiranje.

Parabolički reflektor obično ima kružni otvor.

Česta primjena za satelitski prijem TV signala.






Parabolički reflektorParabolički reflektor Posjeduje osobinu fokusiranja, fenomen koji je dobro

poznat kod svjetlosti.

Paralelne zrake koje se odbijaju od reflektor sefokusiraju u jednoj tački koju nazivamo fokus.

Analogno, zrake koje se emitiraju iz fokusa seodbijaju kao paralelne.

Dužina puta svih zraka od fokusa do površine otvoraantene je jednaka.






Parabolički reflektorParabolički reflektor Geometrijska svojstva ovih antena su opisana

parabolom.

S → fokus, A → tjeme, SP → fokalna distanca, SA →fokalna dužina (f ).

Zraka je određena tačkama SPQ.

Za bilo koju tačku P, sve dužine puteva SPQ su jednake.






Parabolički reflektorParabolički reflektor Jednakost dužine puteva znači da valovi koji dolaze

od izotropnog tačkastog izvora imaju uniformnu

faznu raspodjelu na otvoru (površini) antene. Reflektirani val je očigledno planarni val, dok val

koji stiže do reflektora od izotropnog izvora imasfernu frontu.

Gustoća snage planarnog vala ne zavisi oddistance.

U slučaju sfernog vala, gustoća snage opada sakvadratom distance.

Posljedica je da će obasjavanje reflektora biti manjena njegovom kraju nego na tjemenu ( parabola).






Parabolički reflektorParabolički reflektor Prema tome, dolazimo do neuniformne raspodjele

amplituda na površini otvora antene i smanjenja

stepena iskorištenja iluminacije (ηi). Za neku fokalnu distancu ρ i fokalnu dužinu f , vrijedi

relacija (donja slika)

f =sec

2

2Određuje konusiluminacije!






Parabolički reflektorParabolički reflektor Funkcija slabljenja u prostoru (space attenuation

function-SAF) predstavlja odnos snaga u tačkama P

i A, i uzimajući u obzir da gustina snage opada sakvadratom distance, ona je jednaka

Antene u satelitskim komunikacijama trebaju imatišto veći stepen iskorištenja iluminacije.

Da bi se to postiglo, dijagram zračenja primarne

antene u fokusu treba biti inverzna funkcijaslabljenja u prostoru (SAF-1).

SAF = f 2

=cos4

2

Parabolički reflektor-Parabolički reflektor-dijagram zračenjadijagram zračenja





Parabolički reflektorParabolički reflektor dijagram zračenjadijagram zračenja Vidjeli smo da je stepen iskorištenja mjera kako dobro

koristimo površinu (otvor) antene.

Kada bi obasjavali cijeli reflektor, tada bi koristili cijelupovršinu antene.

U tom slučaju bi trebali imati uniforman dijagramzračenja koji obasjava cijelu površinu.

Parabolički reflektor-Parabolički reflektor-dijagram zračenjadijagram zračenja





Parabolički reflektorParabolički reflektor dijagram zračenjadijagram zračenja Međutim, gustoća snage opada sa kvadratom distance i

manja snaga zračenja dolazi do ivica antene nego do

centra. Ova pojava se naziva prostorno slabljenje ili prostorni

konus.

Da bi se ova pojava kompenzirala, bilo bi potrebno

emitirati veću snagu prema krajevima reflektora negoprema centru.

Parabolički reflektor-Parabolički reflektor-gubicigubici





Parabolički reflektorParabolički reflektor gubicigubici Jednostavne primarne antene, kao što je konusni rog

imaju dijagram zračenja kao na donjoj slici.

Vidimo da imamo veći intenzitet zračenja u centru negona rubovima, a dio zračenja uopšte ne stiže doreflektora.

Parabolički reflektor-Parabolički reflektor-gubicigubici





Parabolički reflektorParabolički reflektor gubicigubici Nedostajuća energija na ivicama reflektora se naziva

iluminacijski gubitak (na slici označen plavom bojom).

Energija koja promašuje reflektor, odnosno nikada nestiže do reflekktora se naziva gubitak širenja (na slicioznačen plavom bojom).






Parabolički reflektor Značajan parametar za ove antene je odnos

dijametra otvora i fokalne dužine.

Ako dijametar označimo sa D, onda vrijedi

Upravo je ovaj odnos dobar način da se opiše oblikparabole.

Sve navedene antene imaju oblik paraboličnepovršine, zavisno od odnosa f/D neke će biti dublje

a neke pliće.

f

D=0.25cot

0

2






Sve antene koje imaju jednak f/D zahtjevaju jednaku geometriju za primarnu antenu (izvor

zračenja). f/D se obično mijenja u opsegu od 0.25 do 0.65.

Sa smanjenjem f/D, dijagram zračenja postaje širi.

Ako je f/D<0.25, primarna antena leži u prostoruizmeđu reflektora i otvora te se dijagram zračenjaširi van granica reflektora.

Iluminacija reflektora za različiteIluminacija reflektora za različitevrijednostivrijednosti f/Df/D (rog antena primarna)(rog antena primarna)





vrijednostivrijednosti f/Df/D (rog antena primarna)(rog antena primarna)

Ova granica je određenauglom Ψ 0!


















Fokalna dužina se može izraziti preko dubinereflektora d i njegovog prečnika D.

Dubina d je okomita distanca od ravni otvora dotjemena.

Može se pokazati da vrijedi relacija

Fizička površina otvora antene je

f = D2

16d

A= D2

4






Sada možemo odrediti dobitak antene na osnovupoznatih relacija

Dijagram zračenja će imati glavno krilo i bočna

krila.

G=4

2 I ⋅ A=

I D 2

LiteraturaLiteratura





D. Roddy, Satellite communications, McGraw-Hill,4d ed., 2006.

M.O. Kolawole, Satellite CommunicationEngineering, Marcel Dekker Inc, 2002.

Documents

SAT_pred4