2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene

8/19/2019 2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene

1/123

RADIO TALASI


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.


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.


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.


5/123

romene EM talasa(u vremenu i sa rastojanjem)


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


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


8/123

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


9/123

Ma;


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)


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;


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)


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


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 ! ! ! ! = + + = + +


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


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


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


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


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


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 =


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

−= = ×


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


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 = × =


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


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.


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).


27/123

olariza$ija EM talasa

Pinearna ružna Eli!tična


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


29/123

@olari(a*ija EM talasa @olari(a*ija EM talasa


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.


31/123

ANTENE “Ne mislim daće bežični talasi koje

sam otkrio imati bilo kakvu praktičnuprimenu.” – Heinrich R. Hertz


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).


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


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.


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?


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


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


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.


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


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)


41/123


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


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

#


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.


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


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


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 ).


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


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


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 .


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


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


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


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


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)


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


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 ( )


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


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)


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


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


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


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 = =

−


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


65/123


66/123

Oblik G po azimutu 0 < φ < 2π , θ=π /2


67/123

Oblik G po azimutu φ =0, 0 < θ < 2π


68/123

Kompozitni oblik u ravni φ =0

Širina snopa zračenja


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


70/123

Dobitak i širina snopa zračenjanekih realnih antena


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.


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


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.


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)


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:


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


77/123


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


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.


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


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


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.


83/123

•Ako se posmatra odnos σ / ;


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


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


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


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


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


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


90/123

Raspodela struje duž dipola i dijagramzračenja za različite dužine dipola (1)



91/123

Raspode a st uje du d po a d jag a

zračenja za različite dužine dipola (2)



92/123

p j p j g


Pri promeni dužine L od 0.5λ do λ otvor glavnog snopazračenja se menja od780 do 470



93/123

p j p j g


Preko L=1.2λ zračenje ima više lobova što uglavnomnije dobro u praktičnom smislu


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.


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


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


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


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


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


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)


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


102/123

Vertikalni antenski niz dipola

• Omnidirektivno pokrivanje • Sektorisano pokrivanje

Yagi antena


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


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


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


106/123

b

Daleko polje

R

R

[ ]0.1 - 0.1η =

Primeri dijagrama zračenja parabolične antene


107/123

j g j p


108/123

Primarni izvor EM zračenjamože biti levak (horn) antena koja se

postavlja u žižuparaboloida

i “obasjava” ga.

Satelitske (parabolične) antene


109/123

Satelitske (parabolične) antene

Antene na principu sočiva


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


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


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


113/123

Zračenje ima isti oblik kao i Hertzov dipol – samo E i Himaju izmenjene uloge

Uglavnom se koriste kao prijemne antene

Helikoidalne 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


115/123

Tipičan dijagram zračenja patch 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


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).


118/123


119/123


120/123


121/123


122/123

Pasivnaantena


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.

Documents

2. Teorijske Osnove Radio Talasa i Antene