Capitolul 3 ANTENE PENTRU RADIOCOMUNICAII Antenaesteundispozitivrealizatdinmaterialeconductoarecareasigurla emisietransformareacurenilorderadiofrecvennundeelectromagnetice,iarla recepie asigur transformarea undelor electromagnetice n cureni de radiofrecven. Denumireadeantenareorigineancuvntullatinescantennacareare semnificaia de tij sau bar. Dinpunctdevedereconstructivantenaesteformatdinunulsaumaimulte conductoaresuspendatefadepmnt,olegturelectriccuemitorulsau receptorulioprizdepmnt,carereprezintpunctulcupotenialzerode radiofrecven. Din punct de vedere al acordului n frecven antenele pot fi: -antene neacordate; -antene acordate. Antenele neacordate se comport la fel pentru toate frecvenele radio. Antenele acordaterealizeazunctigsuplimentarpentrufrecvenelepentrucaresunt dimensionate.Antenelesuntdispozitivecarepermitradiereanspaiuaenergieide naltfrecvenceconineisemnaleledeinformaie.nprincipiu,oriceconductor electric poate constitui o anten. Se poate spune c antenele sunt reciproce, adic cele deemisiesepotutilizailarecepieiinvers.nsdinpunctdevedereal randamentului i calitii transmisiei nu orice anten de recepie se poate folosi cu bune rezultatela emisie. 3.1. Cmpul electromagnetic de radiaie al antenei Pentruaprofundareastudiuluiantenelorseutilizeaznoiuneadeantende referincarepoatefiidealsaureal.Anteneleidealesuntanteneteoreticecarese folosescpentrudefinireaunorparametriiaiantenelorsaucaetaloanepentruantenele reale, motiv pentru care sunt denumite antene de referin. Sunt cunoscute ca antene de referin [8]: Dipolul Elementar Electric (DEE) sau elementul de curent magnetic; ANTENE PENTRU RADIOCOMUNICAII 43Dipolul Elementar Magnetic (DEM) sau elementul de curent magnetic; Radiatorul Izotrop Punctiform (RIP). DipolulElementarelectric(DEE)esteunuldinelementeleradiantefrecvent folositnpracticaantenelor,careconstdintr-unconductorrectiliniudegrosime neglijabilidelungimemultmaimicdectlungimeadeund.DipolulElementar Electric este utilizat pentru determinarea cmpului radiant de ctre antenele liniare. Componenteleelectriceimagnetice(diferitedezero)alecmpuluiprodusde DipolulElementarElectric,orientatdupaxazntr-unsistemdecoordonatesferice, sunt prezentate n figura 3.1. Cmpul electromagnetic generat de o anten acoper trei zone de radiaie: -o zon apropiat, denumit Zona Fresnel; -o zon intermediar, denumit Zona Rayleigh; -o zon ndeprtat, denumit Zona Fraunkoffer. Pentru radiocomunicaii prezint interes deosebit zona ndeprtat, unde cmpul electromagnetic este descris de relaia: H e r l I k j Ejkr = = 120 sin 301; 0 = r E (3.1) unde: l lungimea dipolului elementar; I curentul de variaie armonic n timp care strbate antena; r distana de la anten la punctul (P) n care se determin intensitatea cmpului ; k - constant cu valoarea egal cu 2/. P E Hr Er z y x P Il Dipol Elementar cu un singur bra Fig.3.1. Componentele de cmp electromagnetic generate de unDipol Elementar Electric (cu un singur bra) de lungime l RADIOCOMUNICAII. BAZELE COMUNICAIILOR PRIN RADIO I TELEVIZIUNE 44Sepoateobservacceledoucomponentedecmp 0E i H suntnfaz,iar raportul lor este egal cu 120 i reprezint impedana de und. Antenelesuntformatedinsistemedeconductoareacrorgeometrieeste dependentdecaracteristicileenergieidenaltfrecvencareurmeazaseradiasau capta. Conform legii induciei electromagnetice uncircuit nchis parcurs de un curent electric variabil va produce n jurul su un cmp magnetic variabil. ncazuluneiliniibifilare(fig.3.2.)celedouconductoarefiindparcursede cureniegaliicusensuriopusegenereazcmpurimagneticecareseanuleaz reciproc i la o distan d, suficient de mare, se poate considera c radiaia este nul. Deci,liniabifilarnuradiazundeelectromagnetice.Laacelairezultatse ajunge i n cazul utilizrii unui cablul coaxial. Fig.3.2. a) Circuit fr proprieti radiante; b) Circuit cu proprieti radiante (antena rombic) Pentruobinereaunuicircuitcuproprietiradiantetrebuiecatraseele circuitului s nu fie paralele. Astfel, prin plasarea conductoarelor sub un anumit unghi seobineuncircuitcuproprietiradiante(fig.3.2.b.),circuitcunoscutisub denumirea de anten rombic.ncazuluneiliniibifilareseconstatexistenaunuicmpelectricvariabil omogen n spaiul dintre conductoarele paralele. Conductoarele liniei sunt strbtute de uncurentdeconducie,iarnspaiuldintrefireapareuncurentdeconvecie (tDJD= ). Prinmodificareageometrieiconductoarelorlinieibifilare(fig.3.3.a)seobin circuitecuproprietiradiante(fig.3.3.bic.),atuncicndprindeplasarea conductoarelor se produce o deformare spaial a liniilor de cmp.Prinrotireaconductoarelorlinieibifilareseajungelasituaiancareliniile cmpului electromagnetic se nchid parial (fig.3.3.b) sau total n exteriorul circuitului (fig.3.3.c). Ultima variant de dispunere a conductoarelor st la baza antenei tip dipol.d ~ o oo oo o ZS sZ~ oo oo oO a)b) ANTENE PENTRU RADIOCOMUNICAII 45La alimentarea cu energie de radiofrecven, cu lungimea de und egal cu un multiplunallungimiilabraelordipolului(=nl),circuitulastfelformatse comport la fel ca un circuit LC la rezonan. Fig. 3.3. Modificri ale geometriei conductoarelor pentru obinerea de circuitecu proprieti radiante nfigura3.4.seprezintcircuitulelectricechivalentunuidipol,dinpunctde vederealformriioscilaiilor,cuinductivitiicapacitidistribuite.Deosebirea, const n spaiul n care se stabilesc oscilaiile i anume: la dipol energia oscilaiilor se transfernmediulexterior,iarlacircuitulLCtransferuldeenergiesestabileten interiorulcircuitului,printransformareaenergieicmpuluielectricalcondensatorului n energia magnetic din miezul bobinei i invers. Fig. 3.4. Circuit electric echivalent unui dipol nprincipiuoricegruparedeconductoareelectriceconectatcuuncablula receptorpoatescaptezeenergiedenaltfrecvendintr-uncmpelectromagnetic. Nutrebuiessetragconcluziapripitcodimensionarespecialaantenelorde o O ~ O ~ o O O ~ b) a) c) LA ~ O O ~ RADIOCOMUNICAII. BAZELE COMUNICAIILOR PRIN RADIO I TELEVIZIUNE 46recepie nu are o importan deosebit. O anten corect dimensionat permite o recepie optim pentru un anumit domeniu al lungimii de und a radiaiei. Cmpulelectromagneticradiatdeantenadeemisiesepropagconform diagrameideradiaieaacesteia,avndoanumitdistribuiecurent-tensiune.Datorit proprietilordereversibilitatecareseconstatncazulantenelor,studiulacestorase facenprocesulderadiaiealundelor,putndfiapoitranspusepentruprocesulde recepie.La calculul unei antene se urmrete obinerea unor condiii de eficien ct mai bun.Astfel,oinstalaiederadioemisiesepoateconsideracafiindformatdindou pri mari: sursa de radiofrecven (GRF) i antena de emisie (fig. 3.5). Puterea generat de sursa de radiofrecven PE este transmis antenei de emisie. Din aceast putere o parte P este radiat n spaiu, iar cealalt parte PD este disipat n rezistena de pierderi a antenei RD.DacseintroduceorezistenechivalentR,denumitrezistenderadiaie, puterea transmis de generator (puterea de emisie) se poate scrie ca o sum: ) (2 2 2D A D A A D ER R I R I R I P P P + = + = + = (3.2) unde: IA reprezint curentul prin conductorul antenei. Randamentulanteneiantseexprimprinraportuldintreputerearadiati puterea generatorului (de emisie):

+=+= =RRR RRPPDD Eant11 (3.3) Cu ct raportul RRD este mai mic, cu att eficiena antenei este mai bun. P r GRF PE A Fig. 3.5. Transmisia undelor printr-o anten izotrop ANTENE PENTRU RADIOCOMUNICAII 47nstudiulantenelor,pentrusimplificareacalculelor,sefolosetenoiuneade antenizotrop.Aceastantengenereazundeelectromagneticecuodistribuie uniform n spaiu, deci cu o simetrie sferic.Dacseconsideroantenizotropplasatncentruluneisferederazrse poate determina densitatea de putere radiat pizo prin suprafaa sferei (A): ] / [422m WrPAPpizo = = (3.4) Dacrazasfereirestemultmaimaredectlungimeadeundaradiaiei (r>>),ntr-unpunctdepeaceastsfer,radiaiaemisdeantenaplasatncentrul sferei poate fi considerat o und plan. Pentru aceast und, densitatea puterii radiate este egal cu vectorulUmov-Poyting S:

0224;ZErPS pefizo= =(3.5) unde: Z0 - reprezint impedana caracteristic a vidului. Dinrelaia(3.5)rezultintensitateacmpuluielectricprodusdeoanten izotrop ntr-un punct situat la distana r:

rPrPrPrP ZEef === 5 , 530412042 20 (3.6) n relaie s-a folosit valoarea impedanei caracteristice a vidului || = 1200Z . Seconstat(relaia(3.6)cintensitateacmpuluielectricesteproporionalcu Pi invers proporional cu distana r, rezultnd o atenuare de propagare. Valoarea instantanee a intensitii cmpului electric are expresia: ) ( sin 2 ) (vrt E t Eef = (3.7) unde: v este viteza de propagare a undei. Raportul(r/v)reprezintintervaluldetimpnecesarfrontuluiundeipentrua strbate distana r. Exemplu: Un emitor cu puterea de radiofrecvenPE = 20 kWeste conectat la o anten izotrop cu randament de 0,8. S se determine: rezistena de pierderi a antenei, curentul RADIOCOMUNICAII. BAZELE COMUNICAIILOR PRIN RADIO I TELEVIZIUNE 48de radiofrecven prin anten i nivelul cmpului electric care se obine la o distan r = 4000 km. Rezolvare: Prinprelucrarearelaiei(3.3)ncareseintroduceR=Z0=120[],Z0 impedana intrinsec a vidului, rezult: = = =36 , 75 24 ) 18 , 01( 120 ) 11( antDR R . Introducnd R i RD n relaia (3.2) se obine: AR RPIDEA65 , 624 12010 203+=+= . Conform relaiei (3.3) i (3.6) se obine: mVmVrPrPEEef9 , 173 10 739 , 110 400010 20 8 , 05 , 5 5 , 5 5 , 5433= == . 3.2. Calculul puterii necesare la emisie Proprietateadereversibilitateaantenelorpermiteapreciereacaracteristicilor acestora la recepie n funcie de caracteristicile lor la emisie i invers. Astfel, ctigul uneiantenefolositelarecepieGrvafiegalcuctigulGe pecareaceastantenl realizeaz cnd este folosit n emisie. PentrustabilireaputeriideemisiePEnecesarpentruasigurareauneilegturi prinunderadiolaoanumitdistanrsevaconsideraunsistemderadiocomunicaii formatdintr-unemitoriunreceptor(fig.3.6).Considerndcantenelesunt orientate una spre cealalt, cu axele principale de radiaie, densitatea de putere (p) care apare la distana r de emitor, conform relaiei (3.5) este: 24 rP GpE= (3.8) Pentruapreciereacaracteristiciianteneiderecepieseintroducenoiuneade suprafa efectiv a antenei de recepie Ar, definit prin raportul dintre puterea total recepionat de anten Pr i densitatea de putere p n punctul de recepie: ANTENE PENTRU RADIOCOMUNICAII 49

pPArr = (3.9) Fig. 3.6.Explicativ asupra caracteristicilor unui sistem de radiocomunicaii Prin introducerea nrelaia (3.9) a densitii de putere (relaia 3.9), rezult: 24 rP GGAerr=(3.10) DinaceastrelaiesepoateexprimaraportuldintreputereadeemisiePEi puterea recepionat Pr: e r ant rEG ArPP =24(3.11) Conformteorieireversibilitiiantenelorrezultcsistemulpoatefiutilizatcu aceleaiperformaneincondiiileinversriisensuluidetransmisie.nacestcaz,se obineacelairaportpentruputereaemisirecepionat,darnrelaia(3.11)se introduce Aen loc deAr i Gr n loc de Ge: r e ant rEG ArPP =24(3.12) Egalnd relaiile (3.11) cu (3.12) n care se consider ant=1, se obine: . ; constAGAGsau A G A Geerre r r e= = = (3.13) Raportulstabilitprinrelaia(3.13)arevaloarea 24[12],undereprezint lungimea de und a radiaiei. Ca urmare, suprafaa efectiv a unei antene devine: ZR IA GE P EG ZE Gr r PR Anten emisieAnten recepie RADIOCOMUNICAII. BAZELE COMUNICAIILOR PRIN RADIO I TELEVIZIUNE 50 42G Aef = (3.14)

nlocuind n (3.12) expresia suprafeei efective din relaia (3.14) rezult raportul puterilor de emisie i de recepie: 24 1||

\|=rG G PPe r rE(3.15) Factorul 24||

\|rreprezint atenuarea de propagare pe distana r i se noteaz cuaP. Prin logaritmarea expresiei (3.15) rezult: | | | | | |dB e dB r dB P dBrEe rrEG G aPPG GrPP =((

= lg 10 lg 104lg 20 lg 10sau(3.16) Dinrelaia(3.16)rezultcputereanecesarlaemisiesepoatereducedacse mresc ctigurile antenelor folosite la emisie i la recepie. Exemplu: SsedetermineputereadeemisienecesarunuipostderadiodeUUS(f=90 MHz) pentru a obine la recepie, la distana r=25 km de emitor o putere Pr=0,1mW. SeconsidercantenadeemisieareunctigdeGe=10dB,iarlarecepiectigul antenelor este Gr=20 dB. Rezolvare: Se calculeaz lungimea de und: mfc33 , 310 9010 368= = iar prin nlocuire n relaia (3.16) se obine: dB G GrPPe r dBrE3010 9010 310 25 4lg 20 lg 10 lg 104lg 20683 = =((

ANTENE PENTRU RADIOCOMUNICAII 51 dBPPdBrE70 ((

Deci,kW P Pr E1 10 10 1 , 0 107 3 7= = = 3.3. Adaptarea antenei EnergiaderadiofrecvengeneratdegeneratorulGRFestetransferatantenei deemisie,prinliniadecoborre,nvederearadieriinspaiuncazulsistemelorde emisie sau este captat de antena de recepie i transferat receptorului la sistemele de recepie. Adaptareaanteneideemisiesauderecepielalinia(cablul)decoborre urmreteobinereaunuitransfermaximdeputerectreantensaudelaantenla receptor.nfigura3.7.seprezintansamblulantenliniedecoborrereceptori circuitul electric echivalent. ncircuitulechivalent(fig.3.7.b)intervinimpedanelecorespunztoareantenei Zin-AiimpedanadeintrarealinieidecoborreZin-L,mrimicarelaexprimarean complex pot fi scrise sub forma: A in A A inX j R Z + = i L in L L inX j R Z + = (3.17) Puterea activ PAtransmis pe linia coborre este: 2 222) ( ) (L in A in L DL AntL AX X R R RR UI R P + + + += = (3.18) Pentru adaptare trebuie ndeplinit condiia: A in L inX X = Fig. 3.7.a) Ansamblul anten receptor; b) Circuitul echivalent anten receptor. Zin-A Linia de coborre Antena UAnt Zin-L Pr Zin Linia de coborre Anten Receptor a)b) RADIOCOMUNICAII. BAZELE COMUNICAIILOR PRIN RADIO I TELEVIZIUNE 52DacseconsidercrezistenadepierderiaanteneiRDestemultmaimic dect rezistena de radiaie R (RD