antene de comunicatii

Colegiul Tehnic “Transilvania” Deva-2014

Cuprins

Argument.......................................................................................................................2

1.Antene pentru microunde..........................................................................................3

2.Tipuri de antene.......................................................................................................12

Bibliografie..................................................................................................................17

Antene de comunicatii


Argument

Tema aleasă,Antene de comunicatii, are ca scop atingerea standardelor curriculare solicitate

de specializarea pe care am făcut-o în liceu contribuind astfel la o bună formare profesională în

domeniu.

În cei patru ani de studiu am abordat întreaga gamă de module de pregătire în domeniu însă

cel mai mult m-a atras modulul care are o largă aplicabilitate în domeniul automaticii.

În cadrul elaborării proiectului meu a trebuit să-mi extind aria de cunoştinţe studiind

bibliografia recomandată de coordonator, fapt ce îmi permite o pregătire profesională mai bună,

proiectul meu având aplicabilitate în multe domenii ale mecatronicii.

Tema aleasă este structurată în capitole abordate separat ca părţi distincte.

Contribuţia personală privind elaborarea proiectului constă în selectarea informaţiilor

tehnice/practice şi teoretice specifice specializării, structurarea pe capitole a acestora.

Lucrarea prezintă în mod sintetic şi actualizat sub forma unor scheme principalele aspecte,

importanţa, rolul, identificarea tipurilor de antene de comunicatii.

În elaborarea lucrării am folosit cunoştinţe tehnice/teoretice asimilate la diferite obiecte de

învăţământ studiate în anii de liceu: electrotehnică, automatizări, discipline de specialitate şi

laboratoare practice.

În partea finală a lucrării am specificat bibliografia utilizată.

In continuare se trateaza elemente care sunt caracteristice tuturor tipurilor de antene ,cum

ar fi ,puterea receptionata de o antena ,castigul antenei,rezistenta de intrare si de

radiatie ,randamentul antenei,caracteristica de radiatie .

Antenele sunt necesare pentru a transmite energia campului electromagnetic de la sisteme ce

utilizeaza microundele inspre spatiul liber si invers



1.Antene pentru microunde

Antenele sînt utilizate pentru a radia şi a recepţiona energia electromagnetică, ele putînd fi

definite ca dispozitive de cuplaj între circuitele de microunde şi spaţiul liber. La frecvenţele din

domeniul microundelor există antene într-o mare varietate de forme şi configuraţii. Sînt antene în

sfert de undă, în semiundă, arie de antene, iar radiatoarele pot fi parabolice, cilindrice, horn, fantă

sau dielectrice .

Dimensiunea fizică a unei antene este funcţie de lungimea de undă care la rîndul ei depinde de

frecvenţa de lucru. La frecvenţe mai joase decît gama microundelor, doar antenele în sfert de undă şi

cele în semiundă au dimensiuni acceptabile. In domeniul microundelor însă, lungimile de undă fiind

relativ mici, de la milimetri pînă spre 30 cm, multe configuraţii de antene devin utilizabile, sisteme

de antene, antene horn, fantă, dielectrice, alegerea lor făcîndu-se funcţie de aplicaţie şi frecvenţa de

lucru.

Deoarece antenele sînt elemente de cuplaj între generatoarele de microunde respectiv receptoarele

şi spaţiul liber ele trebuie să fie adaptate atît la intrare cît şi la ieşire, aceasta din două motive. Mai

intai pentru a asigura transferul maxim de putere în spaţiul liber şi invers şi apoi pentru a evita

reflectarea unei parti din puterea de ieşire înapoi spre generator.

Tipuri de antene pentu microunde : a) dipol in semiunda . b) antena compusa . c) horn d). parabola

sferica . e) parabola cilindrica .f) antena fanta . g) lentila dielectrica . h) elicoidala



1.1 Dipolul radiant

Antena elementară este dipolul radiant cu o caracteristică de directivitate izotropă. O caracte-

ristică de radiaţie izotropă are aceeaşi rază în toate direcţiile aşadar ,reprezintă o sferă în jurul

antenei. O antenă dipol aproximează antena ideală deşi nu există radiaţie de-a lungul axei

antenei .Rezultă prin urmare o caracteristică de radiaţie de forma unei gogoaşe în raport cu axa

antenei.

O antenă dipol, în semiundă, constă dinţr-un ansamblu de două conductoare de lungime un sfert

de undă, plasaţi în continuare, ansamblu alimentat la mijloc de un generator RF, Fig.1.2a. Atunci

cand acest generator este conectat în centrul antenei, la un moment dat, borna pozitivă este legată

spre exemplu la jumătatea dreaptă iar borna negativă la jumătatea stingă a dipolului. Sarcinile

pozitive se vor îndepărta de borna pozitivă iar cele negative se vor îndepărta şi ele de borna negativă

a generatorului, Fig.1.2b. Tensiunea va fi maximă la capetele dipolului şi minimala centrul său.

Deoarece curentul reprezintă numărul de sarcini pe unitatea de timp, acesta va fi zero la capetele

antenei şi maxim la centrul antenei .

Se stabileşte un cîmp electric ale cărui linii încep pe sarcinile negative şi se termină pe sarcinile

pozitive. Distribuţia sarcinilor de-a lungul dipolului duce la stabilirea unui cîmp electric repartizat

pe axa antenei, Fig.1.2c. De asemenea se stabileşte întotdeauna şi un cîmp magnetic în jurul

curentului ce rezultă deplasarea sarcinilor, direcţia acestui cîmp identificîndu-se cu regula

burghiului, Aşadar miscarea linilor electrice pe axa dipolului duce la apariţia unui cîmp magnetic în

jurul antenei camp ce are maximul in jurul centrului antenei şi minimul la capetele ei, Fig.1.2d.

Cîmpurile magnetic şi electric din jurul antenei sînt defazate cu 90°. Cîmpul electric si magnetic

din imediata apropiere a antenei sînt numite campuri de inducţie, existenţa lor depinzand de

distributia de sarcini de a lungul dipolului .Aceste campuri ,unde electromagnetice ,exista numai intr

un spatiu limitat in jurul dipolului ,de cateva lungimi de unda si nu radiaza in mediul inconjurator.



Figura 1.2 a) Antena dipol în semiundă. b) Tensiunea, V, şi curentul, I, de-a lungul antenei c)

Distribuţia liniilor de cîmp electric de-a lungul dipolului d) Distribuţia cîmpului magnetic de-a

lungul dipolului

La o distanţă de antenă mai mare decat cîteva lungimi de undă se produce un cîmp

electromagnetic de radiaţie, în care cîmpul electric depinde de schimbarea cîmpului magnetic şi

reciproc. Existenţa acestui cîmp de radiaţie nu depinde de sarcinile de pe antenă. Cîmpul electric

variabil produce în imediata sa vecinătate un cîmp magnetic variabil şi reciproc. Această combinaţie

de cîmp electric şi magnetic care se condiţionează şi se generează reciproc se numeşte cîmp

electromagnetic. Direcpa de deplasare a cîmpului electromagnetic este dată de vectorul Poynting.

O antenă are proprietatea duală de a transmite şi a recepţiona, caracteristicile ei rămînlnd în

ambele situaţi aceleaşi. Prin urmare o bună antenă de emisie va fi şi o antenă bună la receptie

Dacă emisia şi recepţia se face cu dipoli, orientarea lor trebuie să fie aceiaşi, orientare ce este-

denumită polarizarea antenei.



1.2 Puterea primita de la o antena

De la o sursa ,antena ,punctula antena radiaza in mod egal in toate directiile . Frontul undei

radiate se considera a fi sferic ,a carui raza creste pe masura ce unda se propaga departandu se de

sursa . Aria suprafetei unei astfel de sfere depinde de distanta la punctul unde se afla sursa si este

egala cu :

Aria sferei (m2

) = 4 (1.1)

Daca puterea transmisa este P_trans atunci densitatea de putere receptionata la distanta r este direct

proportional cu puterea transmisa si invers proportionala cu patratul distantei la sursa .

(1.2)

, unde PREC este densitatea de putere receptionata la distanta r [W/ ]

este puterea transmisa ,[W]

r este distanta la emitator

1.3 Câştigul antenei

Conceptul de castig in putere al unei antene diferă de noţiunea similară referitaore la un

amplificator . In cazul unui amplificator puterea de intrare este amplificată prin cîştigul

amplificatorului.La o antena in schimb ,este radiata o putere fixa ,primita de la emitator. Pentru, o

antenă izotropă aceasta putere este radiata in toate directiile ,valoarea puterii receptionate intr un

punct din spatiu fiind data de relatile 1.3.si 1.4 Daca o antena este proiectata pentru a radia putere


r2

π

PREC=P trans

4 πr 2

m2

Ptrans


pentru un anumit azimut ,iar nu in toate directile ,puterea receptionata in punctul vizat in spatiu va

creste prin adaugarea puterii redirectionate spre el.

Cîştigul unei antene se determină comparînd o antenă izotropă cu una necunoscută. Cîştigul de

putere al unei antene se defineşte ca raportul puterii pe unitatea de suprafaţă recepţionată de la

antena necunoscuta într-un punct din spaţiu şi puterea recepţionată de la o antenă izotropă în

acelaşi spaţiu, ambele antene radiind aceeaşi putere.

(1.3)

unde :

G este cistigul antenei.

P este densitatea de putere in punctul situat la distanta r de antena, [W/m2]

P_izotropic este densitatea de putere, in punctul r,receptionata de catre antena izotropa, [W/m2]

Densitatea de putere receptionata la distanta r fata de o antena cu cistigul G este:

(1.4)

unde:

P _rec este densitatea de putere receptionata la distanta r, [W/m2]

P_trans este puterea transmisa (emisa), [W]

G este cistigul antenei.

r este distanta la emitator, [m]

Deoarece o antena cu castig, concentreaza intreaga putere radiata intr-o anumita regiune a

spatiului, antena de receptie trebuie sa fie si ea situata in aceasta regiune.


G= PPizotropic

Prec=G⋅Ptrans

4 πr2


1.4 Rezistenta de intrare a antenei

Rezistenta de intrare a antenei se determina cu ajutorul tensiunii si a curentului la punctul de

conectare a ei fiind data de:

(1.5)

unde:

Z este impedanta de intrare a antenei, [Ω ]

V este tensiunea de RF la punctul de alimentare al antenei, [V]

I este curentul de RF la punctul de alimentare al antenei, [A]

Tintad cont de distributia curentului si a tensiunii in cazul dipolului drept in semiunda, Fig.1.2b,

se constata ca rezistenta maxima de intrare se obtine acolo unde tensiunea are cea mai mare valoare

iar curentul este cel mai mic, conditii ce se indeplinesc la capetele dipolului. In schimb, rezistenta de

intrare minima se va obtine in punctul unde tensiunea este cea mai mica, iar curentul are valoarea

maxima, adica in centrul dipolului. In scopul de a adapta linia de transmisie cu antena trebuie cautat

un punct de conexiune unde rezistenta antenei este egala sau aproape egala cu impedanta

caracteristica a liniei. Impedanta unui dipol variaza de la 73 Ω la centrul dipolului la 2500 Ω la

capetele lui

1.5 Rezistenta de radiatie

Puterea primita de o antena de la emitator este radiata in spatiu, disipata sub forma de caldura in

structura antenei sau reflectata inapoi pe linia de transmisie de alimentare. Relatia dintre putere,

curent si rezistenta este:

(1.7)

(1.6)


Z=VI

r=P

i2P=i2⋅r


Rezistenta de radiatie a unei antene se defineste ca fiind puterea medie radiata impartita la patratul

valorii efective a curentului in antena.

(1.8)

unde:

r este rezistenta de radiatie a antenei, [Ω ]

P_med este puterea medie radiata de catre antena, [W]

i este valoarea efectiva a curentului in antena, [A]

Rezistenta de radiatie a dipolului drept in semiunda este 73 Ω la orice frecventa.

1.6 Randamentul radiatiei

Randamentul radiatiei este raportul dintre puterea radiata de catre antena si puterea de intrare in

antena:

unde: (1.9)

este puterea radiata de antena,[W] este puterea la intrarea in antena, [W]

1.7. Caracteristica de radiatie

Intensitatea cimpului electric si caracteristica de radiatie a puterii pentru o antena pot fi

reprezentate in coordonate polare. In aceasta situatie, pozitia unui punct din plan se precizeaza in

functie de lungimea r si unghiul θ . Sistemul de coordonate polare este mult mai convenabil in


r=Pmed

i2

η=P rad

P int r

Prad

Pint r


raport cu cel rectangular atunci cind se lucreaza cu unghiuri in analiza caracteristicii de directivitate

(de radiatie a antenei neizotrope).

Doua reprezentari grafice in coordonate polare, in plan orizontal si vertical sint folosite pentru a

descrie caracteristica de radiatie a dipolului in spatiu. Caracteristica in plan vertical consta in doua

cercuri, Fig.8.3a. Centrul fiecarui cerc indica faptul ca puterea este radiata in mod egal in toate

directile, de la 0° la 360°. Caracteristica de radiatie in plan orizontal a dipolului in semiunda este un

cerc asa cum se vede din Fig.1.3b. In cazul acestui dipol, caracteristica de directivitate in plan

vertical este aceeasi pentru orice plan vertical rotativ in jurul axului antenei, Pentru o rotatie in

spatiu cu 360° se obtine caracteristica de radiatie in spatiu.

Lungimea, modulul, vectorului cu. originea in centrul antenei si virful pe curba caracteristici de

radiatie, in orice directie, este proportionala cu intensitatea cimpului radiat in acea directie.

Latimea de banda a caracteristicii de directivitate prezentate de o antena este definita ca unghiul

dintre doua puncte in care intensitatea cimpului electric se reduce la 0,707 din valoarea sa maxima.

In Fig.8.4a este pusa in evidenta latimea de banda corespunzitoare unghiului θ .

Vedere laterala Vedere de sus

Figura 8.3 a) Caracteristica de radiatie in plan vertical a dipolului in semiunda. b) Caracteristica lui de radiatie in plan orizontal

a) b) Puterea este proportionala cu patratul tensiunii si prin urmare latimea de banda pentru

puterea radiata va fi (0,707)2 deci 0,5. Aceasta inseamna.ca unghiul caracteristicii puterii radiate,

adica banda antenei raportata la putere, va fi unghiul dintre doua puncte in care caracteristica

antenei se modifica la jumatate din valoarea maxima, Fig.1 .4b.



1.8 Lungimea electrica a unei antene

Lungimea fizica a unei antene in semiunda, in mod normal, nu este egala cu lungimea sa electrica.

Pentru o antena subtire, izolata in spatiul liber, lungimea fizica si cea electrica difera foarte putin.

Lungimea electrica este influentata de faptul ca viteza undei de-a lungul antenei este mai mica decit

viteza luminii.

Prin urmare lungimea antenei apare mai scurtă din punct de vedere electric datorită reducerii

vitezei în lungul ei. Lungimea electrică a antenei poate fi de asemenea influenţată de obiectele

inconjuratoare atunci cînd aceasta nu este izolată. Lungimea electrică a antenei este cu 5 % mai

scurtă decît semiunda în spaţiul liber datorită efectelor de margine (end effect). Efectul de margine

al antenei se datorează mediului dielectric ce înconjoară antena.



2.Tipuri de antene

Antenele utilizate in comunicatii pot fi clasificate in urmatoarele categorii:- colectoare de unde

- antene acordate

2.1 Colectoare de unde

Colectoare de unde, denumite si antene neacordate, sunt utilizate pentru receptia transmisiilor de

radiodifuziune si pot fi grupate in:

- antene exterioare

- antene interioare

- antene auto

- antene antiparazite

2.2 Antenele exterioare

Sunt realizate din unul sau mai multe conductoare orizontale, vertical sau inclinate, dispuse cat

mai departate de obiectele inconjuratoare fixate cu ajutorul suportilor de sustinere si a izolatorilor.

Prin amplasare si pozitie fata de sol au impedanta predominant capacitive si sunt influentate de

paraziti de natura electrica.

Caracteristicile antenelor de receptive filare din domeniul undelor UL-US sunt stabilite

urmatoarele cerinte:

- conductorul, este recomandat a fi realizat din sarma de cupru,cositorit sau bronz fosforos

- izolatoarele au rolul de a izola din punct de vedere electric conductorul antenei de partea

de fixare; sunt realizate din portelan, folosindu-se de obicei cate 2 la 4 bucati la fiecare

capat al conductorului antenei, pentru cresterea rezistentei de izolatie si reducerea

capacitatii parasite;

- legatura la suporti, asigura suspendarea si intinderea conductorului antenei

- cablul de coborare serveste la realizarea legaturii dintre conductorul de antenna si

instalatia de emisie sau de receptive.



Instalatiile de antena pentru transmisiile radio sunt prevazute cu priza de pamant sau contragreutate.

Aceasta asigura potentialul de referinta de valoare zero, pentru campul electromagnetic.

Priza de pamant constituie potentialul de referinta al campului electric, ea trebuie sa aiba o

rezistenta de trecere cat mai redusa.

Contragreutatea este realizata dintr-o retea de conductoare intinsa pe sol sau deasupra solului.

2.3 Antenele radio interioare

Sunt utilizate in interiorul cladirilor si sunt folosite numai la receptive. Acestea pot fi realizate

dintr-un conductor emailat, fixat de peretii incaperii cu ajutorul unor izolatori din portelan sau

material plastic de dimensiuni mici. Cablul de coborare se leaga la conductorul antenei intr-un punct

convenabil.

2.4 Antenele auto

Sunt dispuse in exterios pentru a asigura receptia programelor de radiodifuziune in automobile a

caror caroserie metalica constituie un ecran electromagnetic. Functionarea motorului automobilului

genereaza paraziti electrici prin intermediul bujiilor, motoarelor electrice, etc.



Antenele auto sunt fixate la exterior, de caroseria automobilului prin intermediul unui isolator.

Legatura la conductorul antenei este realizata prin cablu ecranat pentru reducerea parazitilor

electrici.Antenele antiparazite au fost realizate pentru eliminarea parazitilor industrial precum si a

parazitilor care actioneaza component electrica a campului electromagnetic.Antenele tip cadru,

denumite si cadre antiparazite sunt antene realizate sub forma unor cadre bobinate dispuse atat in

exteriorul instalatiilor de emisie-receptie cat si in interiorul acestora. Prin constructia lor cadrele

antiparazite au un character inductiv, nu sunt influentate de parazitii electrici.

2.5 Antene acordate

Antenele acordate sunt antenele a caror dimensiuni sunt strict legate de gama de frecvente pe care

este stabilita legatura de comunicatie. Cele mai uzuale antene acordate

sunt folosite pentru transmisii si receptii in domeniul comunicatiilor prin radio si televiziune.



2.5 Antena fir lung

Cunoscuta si sub denumirea de antenna long-wire este cea mai simpla si cea mai folosita antena

acordata in specia in domeniul undelor scurte. Antena fir lung are o constructive simpla, este

formata dintr-un conductor de antenna suspendat cu ajutorul izolatorilor si legaturilor pe doi stalpi

dispusi vertical. Lungimea conductorului este de regula mai mare decat lungimea de unda a legaturii

radio.

2.7 Antena„ Zeppelin”

Este construita dintr-un fir conductor cu alimentare la unul din capete printr-o linie acordata, care

indeplineste rolul de cablu de coborare.

Antena semiunda este o antena acordata pe frecventa de emisie/receptive a legaturii de

comunicatie, este realizata din material conductor sub forma simetrica sau asimetrica.

Antena semiunda simetrica denumita si antenna dipole simetric este realizata din doua conductoare

dispuse pe aceeasi directie. Conductoarele antenei se caracterizeaza printr-o inductanta si o

capacitate proprie, ceea ce permite tratarea antenei ca un circuit resonant deschis cu parametrii



inductanta si capacitate repartizate uniform pe toata lungimea sa. Frecventa de accord a antenei

depinde de valorile inductantei si ale capacitatii antenei, marimi care sunt in totala dependent de

dimensiunile antenei.

Antena semiunda in bucla, cunoscuta si sub denumirea de antenna dipol repliat, este rezultatul

legarii in paralel a doi poli simetrici.



Bibliografie:

TUDOR PALADE – TEHNICA MICROUNDELOR

http://vega.unitbv.ro/~nicolaeg/TFI/Cap4%20Antene.pdf

http://users.skynet.be/chricat/horn/horn-javascript.html

http://www.qsl.net/n1bwt/chap4.pdf


http://vega.unitbv.ro/~nicolaeg/TFI/Cap4%20Antene.pdf

antene de comunicatii

Documents