antene i prostiranje

7/24/2019 Antene i Prostiranje

1/19

1PROSTIRANJE ELEKTROMAGNETNIH

TALASA

1.1UVODNA RAZMATRANJA

U sistemima beinih komunikacija predajnik svojim zraeim elementom - antenomemituje elektromagnetske (EM) talase u okolni prostor !eka se predajnik " nalazi u

koordinatnom poetku pravouglog koordinatnog sistema #$z% kao na slici &' i neka emituje usvim pravcima elektromagnetski talas koji se sastoji od elektrine komponente opisanevektorom elektrinog polja E i magnetne komponente opisane vektorom magnetskog poljaH koji su medjusobno upravni ko posmatramo ta se deava du pravca z moemo davidimo da talas koji je u trenutku t B*Bemitovan u okolni prostor iz take " dosee do take M utrenutku t+ tB0B, a zatim i do take Mu trenutku t+ ti tako, tokom protoka vremena, doostalih taaka koje su jo dalje na osi z #va pojava se jednostavno naziva prostiranje ili

propagacija elektromagnetskog talasa #vu pojavu je prvi eksperimentalno veriikovao Herzkrajem '. veka


2/19

Slika 2.1. Prostiranje EM talasa

"alasni ront je skup taaka u prostoru koji je dosegnut u nekom trenutku t EM

talasom emitovanim u trenutku tB0B/ t 0oto je za sve take u talasnom rontu protekao istivremenski interval od emisije EM talasa do trenutka kada su dosegnute tim talasom,

*ttt = , talas u svim takama ronta ima istu azu 1a sluaj da je propagacioni medijumhomogen i izotropan, brzina EM talasa je u svim pravcima ista 2toga se moe rei da talasniront predstavlja seru koja opisuje izvor zraenja i koja ima poluprenik ( )*ttvr = , gde v

predstavlja brzinu prostiranja EM u medijumu ko je medijum slobodan vazduni prostorbrzina je priblino jednaka brzini svetlosti, c3 4'*P5Pm6s "alas sa sernim talasnim rontom senaziva serni talas

U sluaju kada je poluprenik sere talasnog ronta mnogostruko vei od talasneduine, serna povrina u okolini posmatrane take talasnog ronta je vrlo bliska tangencijalnoj

ravni u toj istoj taki #vo omoguava da se u ovom sluaju talasni ront razmatra kaoravanski ront kome je ravan upravna na osu prostiranja z "alas sa talasnim rontom ije supozicije tokom prostiranja medjusobno paralelne ravni, odnosno talas sa ravanskim rontomnaziva se ravanskim talasom

Slika 2.2.Huygens-ov princip i prostiranje ravanskog talasa

7eometrijski principi u reavanju prostiranja EM talasa koji se primenjuju u opticimogu se uz odgovarajue modiikacije koristiti i kod radio talasa 8edan od tih principa koji jeizveden iz Maxwell-ovih jednaina je Huygens-ov princip u modelovanju talasnog ronta0rema ovom principu svaka taka u posmatranom talasnom rontu se moe smatrati kao noviizvor EM zraenja koji generie novi serni talas U ostalim takama u prostoru rezultujue

polje se moe odrediti kao superpozicija sernih talasa svih taaka talasnog ronta 0rimenaovog principa na modelovanje prostiranja ravanskog talasa data je na slici && !eka je utrenutku 't ravanski talas dosegao poziciju 0remaHuygens-ov principu svaka taka koja

pripada ovoj poziciji stvara sopstveni serni talas iji talasni ront dostie isti radijus r u

trenutku &t + 't !ova pozicija ravanskog talasa u trenutku &t je ravan 99koja tangiratalasne rontove prouzrokovane zraenjem taaka pozicije 2umirajui uticaje svih


3/19

sekundarnih talasa taaka ravni matematiki se moe relativno lako dokazati da u svakojtaki ravni 99vektor rezultujueg polja, bilo magnetskog bilo elektrinog, pripada toj ravnito znai da se zadrava pravac prostiranja talasa, dok mu aza kasni za &r6u odnosu naodgovarajuu taku u ravni :rugim reima superpozicijom sekundarnih sernih talasamedjusobno se ponitavaju njihovi uticaji u svim pravcima osim u pravcu kretanja ravanskogtalasa

1a odredjivanje snage koja se u sistemima beinih komunikacija moe preneti EMtalasima od znaaja je odredjivanje vektorskog proizvoda vektora elektrinog polja E ivektora magnetskog polja H

HEp = (&')

;ektor p se nazivaPoynting-ov vektor i ima dimenziju


4/19

1.1.1 BLISKA I DALEKA ZONA ZRAENJA ANTENE

0rilikom emisije elektromagnetskog talasa od strane antene raspodela elektrinog imagnetskog polja u bliskoj okolini antene moe imati veoma sloenu zavisnost U toj bliskojokolini elektromagnetski talas ima serni karakter jer je njegov predjeni put uporediv sadimenzijama antene, a takodje je i veoma izraen uticaj geometrije zraeih elemenata antenekao i uticaj raspodele struje unutar njih, na raspodelu jaine elektrinog i magnetnog polja uokolnom prostoru 2toga se karakteristike antene koje opisuju polje zraenja deiniu za oblastu prostoru koja je od antene dovoljno udaljena tako da se u njoj emitovani elektromagnetskitalas moe smatrati ravanskim i gde se gore navedeni uticaji mogu zanemariti #va oblast senaziva zonom dalekog polja ili dalekom zonom zraenja a ponekad se u literaturi koristi i krainaziv >zona zraenjaA (2lika &4) U skladu sa tim oblast u prostoru izmedju antene i dalekezone zraenja naziva se zonom bliskog polja ili bliskom zonom zraenja Udaljenost granice u

prostoru zraenja antene gde se moe smatrati da se zavrava bliska zona a poinje dalekazona zraenja antene moe se odrediti prema ormuli

&&Drdz= (&&)

gdeDpredstavlja najveu dimenziju zraeeg otvora antene, a talasnu duinu

Slika 2.3. Bliska i daleka zona zraenja antene

1.1.2 PRIMARNE KARAKTERISTIKE ANTENE

0od primarnim karakteristikama antene mogu se smatrati one karakteristike elektrineprirode koje su ?vidljiveA od strane pobudnog kola antene "u pre svega moemo spomenutikarakteristike kao to su impedansa antene, radni rekvencijski opseg antene, otpornostzraenja antene i eikasnost antene


5/19

1.1.2.1Impedansa antene

@mpedansa antene predstavlja radnu elektrinu impedansu koju ona ima na svojim

prikljucima, tj onu impedansu koju ?vidiA predajnik koji tu antenu napaja strujom (signalom)odredjene rekvencije ntena se u skladu sa tim moe predstaviti ekvivaletnim kolom ijaulazna impedansa sadri otpornu, induktivnu i kapacitivnu komponentu

1.1.2.2Radni frekvencijski opseg antene

Bezonatna rekvencija antene predstavlja rekvenciju signala kojim se napaja antena, prikojoj impedansa antene pokazuje isto otporni karakter #va rekvencija se obino uzima kaocentralna radna rekvencija antene i prema njoj se vri prilagodjenje antene na vod koji jenapaja ko se, poevi od rezonantne (centralne) rekvencije, rekvencija signala smanjuje ili

poveava dolazi do poveavanja reaktanse antene i pojave relektovanog talasa "ime dolazi dosve veeg neprilagodjenja izmedju antene i napojnog voda i do poveanja gubitaka u prenosu

energije ka anteni tako da antena zrai sve manjom snagom Cto je neprilagodjenje vee,eikasnost antene u odnosu na releksiju,

&' =re , je manja !ajee se smatra da su

gubici usled neprilagodjenja podnoljivi sve dok koeicijent stojeeg talasa (=2") ima vrednostmanju ili jednaku 'D ko =2" ima vrednost koja je vea od 'D smatra se da antena zraisuvie malo energije u odnosu na energiju koju generie predajnik pa se odgovarajuerekvencije ne mogu smatrati radnim rekvencijama antene rekvencije df i gf na slici

predstavljaju granine rekvencije signala kojim se antena napaja, pri emu je unutar opsegaogranienim ovim rekvencijama postignut uslov da =2" bude manji od 'D 2toga se ovajopseg naziva radnim rekvencijskim opsegom antene Badni rekvencijski opseg antene semoe na istovetan nain deinisati i za antene koje rade u prijemnom reimu, s tim to se

razmatra snaga EM talasa koja se prikuplja antenom i koja se predaje prilagodjenomprijemniku

Slika 2.4 Radni frekvencijski opseg antene

1.1.2.3Otpornost zraenja antene


6/19

#tpornost zraenja antene je deo ulazne otpornosti antene koja je prouzrokovanaemisijom elektromagnetskih talasa sa antene i moe se izraunati prema jednaini

&eff

radrad

I

P

R = (&4)

gde radP predstavlja snagu koja se emituje sa antene u okolni prostor posredstvomelektromagnetskih talasa i koja se obino naziva jo i snagom zraenja antene, dok effI

predstavlja eektivnu vrednost struje na ulazu antene #tpornost zraenja je iskljuivoodredjena geometrijom antene to znai da ne zavisi od vrste materijala koji je upotrebljen zarealizaciju antene

1.1.2.4Efikasnost antene

ntena ima dobru eikasnost ako gubi mali deo energije kroz proces zraenja6prijema2vaka antena, poto kroz nju tee struja, bilo da radi u prijemnom ili predajnom reimu, zbogsvoje elektrine otpornosti provodnika od kojih je napravljena, troi jedan deo energijenapajanja na toplotu 0oto je to, u ovom sluaju, energija koja se gubi, snagu toplotnogzagrevanja nazivamo snagom gubitaka #va snaga predstavlja razliku u snazi kojom se antenanapaja i snage koja se realno emituje sa antene u okolni prostor posredstvomelektromagnetskih talasa

radtloss PPP = (&F)

U skladu sa ovim eikasnost zraenja antene se deinie na nain

t

loss

t

losst

t

rad

rad P

P

P

PP

P

P

e =

== ' (&D)

gde tP predstavlja snagu napajanja antene, a lossP snagu gubitaka antene Eikasnost anteneje uvek manja ili jednaka jedinici i obino se izraava u procentima Mada se eikasnost deinieza emisioni reim rada antene ona je ista i za prijemni reim rada

1.1.3 SEKUNDARNE KARAKTERISTIKE ANTENE

2ekundarne karakteristike antene deiniu polje zraenja antene u dalekoj zoni U ove

karakteristike spadaju karakteristika zraenja antene, trodecibelska irina glavnog lista zraenjaantene, pojaanje (dobitak) antene, direktivnost antene i eektivna povrina antene

1.1.3.1Karakteristika zraenja antene i trodecibelska irina glavnog listazraenja

=arakteristika zraenja antene (po snazi) deinie zavisnost kvadrata intenzitetaizraenog elektrinog polja od ugaonih koordinata i pri konstantnom rastojanju rod antene

const,G),(G

G),(G),(

&

ma$

&

== rE

EF

, (&H)


7/19

gde je ugao u azimutalnoj ravni a ugao u elevacionoj ravni sernog koordinatnog sistemasa centrom na poziciji antene @ako se radi o unkciji dve ugaone koordinate, iz razloga

jednostavnosti, u praksi se najee koristi graika predstava ove zavisnosti sa projekcijom u

elevacionoj ili azimutalnoj ravni #vakva graika predstava se naziva dijagramom zraenjaantene "ipian dijagram zraenja antene je prikazan na slici &D 8asno se uoava glavni list(snop) zraenja antene, boni listovi zraenja i list zraenja unazad 0ored toga na slici jeoznaena trodecibelska irina glavnog lista zraenja koja predstavlja veoma vanu sekundarnukarakteristiku antene Badi se o uglu (o ugaonoj irini) dB4 izmedju pravaca pri kojimagustina izraene snage (intezitetPoynting-ovog vektora) opadne za 4 d9 u odnosu na gustinusnage u pravcu maksimalnog zraenja "rodecibelska irina glavnog lista zraenja je, drugimreima, deinisana pravcima pri kojima je intezitet elektrinog polja & puta manji odintenziteta polja u maksimumu zraenja

Slika 2.5. Dijagram zraenja antene

ko se poznaje karakteristika zraenja antene, u svakom trenutku se moe odreditinivo elektrinog polja u dalekoj zoni zraenja antene kao

I6J)I,(),(J),,(*

mr

eFFr

r!"

+=

E (&K)

gde E predstavlja vektor elektrinog polja emitovanog elektromagnetnog talasa, ),( F i),( F su karakteristike zraenja antene u azimutalnoj i elevacionoj ravni respektivno, dok

su i jedinini vektori sernog koordinatnog sistema Llanovi r!"e * gde *" predstavljaaznu konstantu, i '6ropisuju promenu aze i amplitude emitovanog elektromagnetskog talasarespektivno u zavisnosti od rastojanja rod antene

1.1.3.2Pojaanje antene

0ojaanje (dobitak) antene u odredjenom pravcu je deinisano kolinikom snage

napajanja (ulazne snage) iktivne izotropne antene, koja podjednako zrai u svim pravcima i


8/19

snage napajanja (ulazne snage) posmatrane antene pri uslovu da obe antene stvaraju polje istoginteziteta u nekoj taki na posmatranom pravcu, tj

GGG),(G,),( izt

iz

EEP

P# == (&5)

7eometrijska interpretacija ove deinicije pojaanja je data na slici &H(a)

(a) (b)

izP

Slika 2.6 Grafike interpretacije definicija pojaanja antene

0ojaanje se moe alternativno deinisati i kao kolinik kvadrata intenziteta elektrinog

polja koje stvara posmatrana antena i kvadrata intenziteta elektrinog polja koje bi stvaralaizotropna antena u istoj taki na na posmatranom pravcu, pri emu bi se obe antene napajaleistom snagom

izt

iz

PPE

E# == ,

GG

G),(G),(

&

& (&.)

7eometrijska interpretacija ove deinicije pojaanja je data na slici &H(b)0ojaanje antene je unkcija ugaonih koordinata Uobiajeno je, medjutim, da se u

praksi pod pojmom pojaanja podrazumeva maksimalna vrednost pojaanja

ma$),( ## = (&'*)

i najee se izraava u decibelima

## log'*Id9J = (&'')

ko je poznata maksimalna vrednost pojaanja i ako je poznata karakteristika zraenjaantene ),( F , pojaanje u bilo kom pravcu se moe lako izraziti kao

),(),( F## = (&'&)

1.1.3.3Direktivnost antene

:irektivnost antene u odredjenom pravcu je deinisana kolinikom snage zraenja

iktivne izotropne antene (koja je jednaka njenoj snazi napajanja) i snage zraenja posmatrane


9/19

antene pri uslovu da obe antene stvaraju polje istog inteziteta u nekoj taki na posmatranompravcu, tj

GGG),(G,),( izrad

iz

EEP

PD == (&'4)

:irektivnost antene je kao i pojaanje unkcija ugaonih koordinata @ ovde jeuobiajeno da se u praksi pod pojmom direktivnosti podrazumeva maksimalna vrednostdirektivnosti

ma$),( DD = (&'F)

:irektivnost antene u bilo kom pravcu se kao i pojaanje moe izraziti prekokarakteristike zraenja

),(),( FDD = (&'D)

0olazei od izraza (&D) moe se doi do veze izmedju pojaanja i direktivnosti antene

DeP

Pe

P

P# rad

rad

izrad

t

iz=

== (&'H)

=ada je koeicijenat iskorienja antene blizak jedinici pojaanje postaje samokarakteristika usmeravanja izraene energije odnosno direktivnost

1.1.3.4Efektivna povrina antene

@ako su prethodne deinicije za karakteristiku zraenja, pojaanje i direktivnost antenedate u uslovima predajnog reima antene, one u potpunosti vae i u uslovima prijemnogreima 1a prijemni reim rada antene od izuzetnog je znaaja odrediti koliku snagu antenamoe da primi od elektromagnetskog talasa kojim je zahvaena U potpunosti vai injenica dae antena vie primiti snage ako je gustina snage elektromagnetskog talasa vea U skladu satim moe se rei da je snaga koju antena prihvata od elektromagnetskog talasa i koju predaje

prilagodjenom prijemniku proporcionalna gustini izraene snage (intenzitetu Poynting-ovogvektora) na mestu prijemne antene, to se moe predstaviti izrazom

$%P er = (&'K)

gde je rP snaga koja se prima i predaje prilagodjenom prijemniku,$je gustina izraene snage

elektromagnetskog talasa, a e% je konstanta proporcionalnosti 0otoPoynting-ov vektor imadimenziju


10/19

Eektivna povrina antene je u praksi uvek neto manja od izike povrine antene jersu prisutni gubici u anteni U sluaju kada su gubici veoma mali odnosno kada je eikasnostantene bliska jedinici, eektivna povrina antene je bliska izikoj

aerade &% ' (&'.)

gde je sa a& oznaena izika povrina anteneEektivna povrina antene u prijemnom reimu rada je unkcija ugaonih koordinata

Moe se pokazati da su ugaone zavisnosti pojaanja kada antena radi u emisionom reimu ieektivne povrine iste antene u ulozi prijemne antene identine =ao i u sluaju pojaanja, u

praksi je uobiajeno da se pod pojmom eektivne povrine podrazumeva maksimalna vrednostove veliine,

ma$),( ee %% = (&&*)

2aglasno tome za eektivnu povrinu u proizvoljnom pravcu vai

),(),( F%% ee = (&&')

1.1.3.5Polarizacija antene

0olarizacija nekog elektromagnetskog talasa je deinisana kao orijentacija vektoranjegovog elektrinog polja U sluaju ravanskog talasa koji se prostire du z ose vektorelektrinog polja moe da ima samo $ i % komponente tako da se on moe predstaviti kao

z!"yx eEE *)( **

+= yxE (&&&)

gde x!xx eEE ***

= i y!yy eEE ***

= predstavljaju kompleksne amplitude $ i % komponenti sa

poetnim azama x* i y* respektivno ko vai da je yE* 3 * onda je talas linearnopolarizovan u $ ravni, a ako je xE* 3 * onda je talas linarno polarizovan u % ravni ko je,pak, yx EE ** = onda je talas linearno polarizovan u ravni koja sa $ i % ravni zaklapa ugao odFD 7eneralno, ako su kompleksne amplitude $ i % komponenti u azi onda je talas linearno

polarizovan u ravni koja sa $ i % ravni moe zaklapati proizvoljan ugao

Bazmotrimo sada sluaj kada $ i % komponente elektrinog polja imaju isti intenzitetkompleksnih amplituda ali razliite aze "ako na primer, neka vai da je xx EE ** = i

xy !EE ** = , to znai da su komponente elektrinog polja azno pomerene za .* ;ektorelektrinog polja u vremenskom domenu se moe dobiti mnoenjem izraza (&&&) sa t!e i zaovaj sluaj dobija se

t!z!"yx eeE!Etyzx

+=

*)BeM(),,,( ** yxE


11/19

)Isin()cos(JNBeM***

)&6(

*

)(

*

** z"tz"tEeEeEx

z"t!

x

z"t!

x

+=+= +

yxyx

(&&4)0osmatrajui ovaj izraz mogu se uoiti dve bitne stvari 0rva stvar je da vektor

elektrinog polja i dalje ima samo $ i % komponente :ruga stvar je da posmatrajui du z-osevektor elektrinog polja rotira u $-% ravni kako vreme tee U ovom sluaju smer rotacije jesuprotan smeru kazaljki na asovniku #va polarizacija se naziva OPQ0 ( left'(and circular

$olarization) polarizacijom ko se promeni znak yE* lana dobija se BPQ0 (rig(t'(andcircular $olarization) polarizacija ko amplitude xE* i yE* nisu jednake onda amplitudavektora elektrinog polja varira tokom rotacije oko z-ose, tanije vrh ovog vektora opisujeelipsu #vakva polarizacija se naziva eliptika polarizacija i ona je generalizacija gorenavedenih cirkularnih polarizacija

0rema @EEE standardu polarizacija antene se deinie kao polarizacijaelektromagnetnog talasa koji je izraen tom antenom U praksi se obino za analizu zraenjaantene koristi serni koordinatni sistem umesto pravouglog, tako da se talas koji je linearno

polarizovan u ravni koja je paralelna azimutalnoj ravni smatra horizontalno polarizovanim atalas koji je linearno polarizovan u ravni koja je paralelna elevacionoj ravni smatra vertikalno

polarizovanim0olarizacija antene utie na snagu koja se prenosi elektromagnetnim talasima izmedju

predajne i prijemne antene Maksimalna energija se moe preneti samo ako i predajna iprijemna antena imaju istu polarizaciju, to e detaljnije biti objanjeno u sledeim poglavljima

1.1.4 TIPOVI ANTENA

0ostoji veliki broj kriterijuma prema kojima moe da se izvri klasiikacija antena Udaljem tekstu panja e se usmeriti na sledee klasiikacijeR klasiikaciju na osnovu izikegeometrije odnosno konstrukcije, klasiikaciju na osnovu usmerenosti karakteristike zraenjaantene i klasiikaciju na osnovu radnog rekvencijskog opsega Cto se tie klasiikacije naosnovu izike geometrije odnosno konstrukcije antene, generalno gledajui, mogu serazlikovati tri osnovne grupe antena 0rvu grupu ine iane antene, drugu grupu ine antene uobliku zraeih otvora (en a$erture antennas) i treu grupu ine sloene antene #d ianihantena bie pomenute dipol i monopol antene U okviru antena u obliku zraeih otvora bie

pomenute levak (horn), relektor antene, antene sa soivima, prorezne antene i tampaneantene #d sloenijih antena bie pomenuta 8agi-Uda antena Cto se tie tampanih antena biepredstavljene mikrostrip $atc( antene =lasiikacija antene na osnovu usmerenostikarakteristike zraenja antene nee biti posebno obraSena ve e se antene koje su podvrgnutenekoj drugoj katergorizaciji jednostavno svrstavati u slabo ili izrazito usmerene antene ko se

posmatra klasiikaciju na osnovu radnog rekvencijskog opsega onda se antene mogu svrstati usledee tri osnovne anteneR kanalske (uskopojasne) antene, irokopojasne antene i rekvencijskinezavisne antene

1.1.4.1Dipol antene


12/19

Elektrini mali dipol predstavlja najprostiji tip zraeeg elementa koji ima praktinuupotrebu !a slici &K (a) prikazan je dipol, postavljen du z-ose, koji se sastoji od tanke ice

poluprenika a i duine)sa napajanjem u sredinjem delu Ekvivalentno kolo dipola prikazano

je na slici &K (b)

(c)

Slika 2.7. Elektrino mala (kratTka) dipol antena.T(a) Geometrija antene i raspodela struje

(b) Ekvivalentno kolo antene (c) Slika tipine dipol antene na nosau

a) kratki dipol

"ermin elektrino >mali? ili >kratak? se koristi kada je duina dipola manja od polovinetalasne duine zraenja tj)/ 6& Baspodela struje u metalnom provodniku dipola je takva da

je ona na krajevima priblino jednaka nuli a na polovini duine u taki napajanja imamaksimalnu vrednost IB0B U drugim takama kratkog dipola nema drugih minimuma imaksimuma struje Moe se pokazati da je jaina elektrinog polja kratkog dipola u dalekojzoni zraenja

*,cosF

****==

Eer

)Iz!"E

r!" (&&F)

za vrednosti ugla -6&6& #vo pokazuje da karakteristika zraenja dipola ima maksimumu pravcima koji pripadaju horizontalnoj (azimutalnoj) ravni ( 3 *) i da su talasi koji se zrae

ovim dipolom vertikalno polarizovaniUlazna impedansa dipola je *BinB3RBradBTRBlossBTj+ Elektrina otpornost ili otpornost

gubitaka za kratak dipol iznosi

a

)Rloss

H&

* = , (&&D)

dok je otpornost zraenja

=

)

Rrad&&* (&&H)

Beaktansa kratkog dipola je


13/19

= 'ln

H*

a

)

)+

(&&K)

Moe se lako pokazati da je reaktansa kratkog dipola reda veliine nekoliko stotina tako da kratki dipol iziskuje komplikovana kola za prilagodjenje na standardne vodove zanapajanje 0ojaanje kratkog dipola je priblino 'KH d9

a) polutalasni dipol

2a porastom duine dipola otpornost gubitaka raste ali se reaktansa koja je sve manjekapacitivna smanjuje 0ri vrednosti)3 6& dipol ulazi u rezonansu tako da je tada reaktansa

priblizno jednaka nuli #vakav dipol se naziva polutalasni dipol Moe se pokazati da je ulaznaimpedansa polutalasnog dipola priblino jednaka K&Tj* to pokazuje da je on veoma

pogodan za prilagodjenje na standardni napojni vod koji najee ima vrednost karakteristinr

impedanse od D* ili KD

Moe se pokazati da je jaina elektrinog polja polutalasnog dipola u dalekoj zonizraenja

*,sin

cos&

cos*

* =

=

Er

eE

r!" , (&&5)

gde je B0B napon napajanja antene =arakteristika zraenja polutalasnog dipola je slinakarakteristici kratkog dipola, s tim to je glavni list zraenja neto malo ui tj usmereniji (2lika

&5) "rodecibelska irina glavnog lista zraenja je priblino jednaka K5 #tpornost gubitakapolutalasnog dipola je ranga otpornosti gubitaka kratkog dipola dok mu je eikasnost znatnovea od kratkog i priblino je jednaka '** 0ojaanje polutalasnog dipola je priblino &&d9

a) dugi dipol

2a daljim porastom duine dipola koja je sada vea od 6& karakteristika zraenjadipola postaje sloenija U dijagramu zraenja se moe uoiti porast broja listova to se moevideti na slikama &'* i &'' gde su prikazani dijagrami zraenja za )3 n6& (n34,F,'*) :ugidipoli ija je duina)3 n6& gde jenceo broj nazivaju se rezonatnim dipolima

8aina elektrinog polja rezonantnog dipola u dalekoj zoni zraenja za neparno nje

*,sin

cos&

cos*

* =

=

Er

e

n

Er!" , (&&.)


14/19

Slika 2.8 Dijagram zraenja polutalasnog dipola (a) trodimenzionana predstava (b) u

vertikalnoj ravni (c) u horizontalnoj ravni

Slika 2.9 Poreenje dijagrama zraenja kratkog dipola i polutalasnog dipola

u elevacionoj ravni


15/19

dok je za parnon

*,sin

cos&

sin*

* =

=

Er

e

n

Er!" , (&4*)

1.1.4.2Monopol antene

ko se, kao to je to prikazano na slici &., dipol antena isee po sredini duine, azatim se na tom mestu na osnovu teoreme lika u ogledalu smesti uzemljena provodna povrina(en ground $lane), dobija se antenska struktura koja se naziva monopol antenom !aponnapajanja monopol antene ja sada B0B6& 8aina elektrinog polja u dalekoj zoni zraenja u

prostoru iznad uzemljene provodne povrine ostaje ista kao i kod dipola (jednaina(&&F))

Slika 2.10. Evolucija monopol antene poevi od dipol antene. (a) Dipol antena i njen

dijagram zraenja, (b) Dipol antena sa podeljenim naponom napajanja u serijsku vezu dva

napona, (c) Monopol antena montirana na uzemljenoj provodnoj povrini.

Moe se zakljuiti da se zahvaljujui prisutnosti uzemljene provodne povrine, sa duplomanjom izraenom snagom monopol antene postie ista jaina polja kao i kod dipol antene "oznai da je pojaanje monopol antene duplo vee od dipol antene, tj iznosi 'KH d9 T 4 d9 3FKH d9 2lino za monopol antenu koja ima duinu)3 6F vai da ima pojaanje && d9 T 4d9 3 D& d9 "akodje se moe pokazati da je ulazna impedansa monopol antene duplo manjaod ulazne impedanse monopol antene

di$olemono$ole ** =&

' (&4')

"o znai da 6F-ska monopol antena ima ulaznu impedansu koja je priblino jednaka 4H


16/19

:ipol kao i monopol antene se, zbog osobine da slabo usmeravaju izraenuelektromagnetsku energiju u odredjenom pravcu, redje upotrebljavaju kao samostalne antene umikrotalasnim komunikacionim sistemima !ajee se upotrebljavaju u realizaciji sloenijih

antenskih struktura koje imaju jako izraenu direktivnost a saglasno tome i veliko pojaanjekao to su npr relektor antene

Slika 2.11. Dijagram zraenja monopol antene u vertikalnoj ravni

1.1.4.3Levak (horn) antene

Elektromagnetska energija se moe primati i slati u okolni prostor preko otvorenogkraja talasovoda (2lika &'*(a)) Medjutim to nije eikasan nain za sprezanje talasovoda saokolnim prostorom jer nagla promena povrine poprenog preseka stvara releksije a time ivelike gubitke u prenosu EM energije 2 druge strane otvoren kraj talasovoda zrai sa veomaslabom usmerenou Mnogo eikasnija sprega se postie postepenim irenjem talasovoda(postepenim poveanjem povrine poprenog preseka) ime se dobija struktura poznata kaotalasovodni levak "ime se znaajno smanjuju releksije a dobija se i na usmerenosti zraenja(2lika &'*(b)) ntene bazirane na talasovodnom levku nazivaju se levak (horn) antenama

Slika 2.10. Zraenje (a) otvorenog kraja talasovoda

(b) kraja talasovoda koji se iri u obliku levka


17/19

Slika 2.11 Tipovi talasovodnih levaka

1a sluaj talasovoda sa pravougaonim poprenim presekom irenje talasovoda se moeizvriti samo u ravni vektora magnetskog polja (P ravni) ime se dobija sektorski levak u Pravni, samo u ravni vektora elektrinog polja (E ravni) ime se dobija sektorski levak u E ravniili u obe ravni istovremeno ime se dobija piramidalni horn (slika &'') ko je talasovodkrunog poprenog preseka uniormnim irenjem poprenog preseka dobija se konini levak,

prikazan na istoj slici ;eliina na slici naziva se ugao irenja levka ko je ugao irenja suvieveliki talasni ront emitovan levak antenom e biti znaajno zakrivljeniji u odnosu na rontravanskog talasa a odstupanje aze talasa na krajevima i u centru otvora bie izraenije #vo

dovodi do toga da se direktivnost a samim tim i pojaanje antene smanjuje 2 druge strane, akoje ugao irenja suvie mali, smanjuje se eikasnost zraenja antene zbog loeg prilagodjenja naokolni prostor, smanjuje se eektivna povrina antene a samim tim se smanjuje i pojaanjeantene koje je proporcionalno eektivnoj povrini #ptimalni ugao irenja moe se priblinoodrediti na osnovu relacije

6

6

&cos

)

)

+= , (&4&)

gde predstavlja maksimalnu razliku u azi talasa u ravni zraeeg otvora koja jenormalizovana u odnosu na opseg od 4H*(na primer za aznu razliku od 4Hiznosi *')"ipine vrednosti za pojedine tipove levak antene suR sektorski levak u E ravni3 *&D, sektorski levak u P ravni 3 *F, konini levak 3 *F U sluaju piramidalnoghorna za svaku od ravni se izraunava zaseban ugao irenja

0ojaanje levak antene se moe izraunati po aproksimativnoj ormuli

HErad dde# = &F

, (&44)

gde su Ed i Hd dimezije otvora levak antene Eikasnost levak antene rade zavisi kako odugla irenja antene tako i od drugih geometrijskih i izikih parametara antene "akodje ova

veliina zavisi i od pobudjenog talasnog moda 1a veinu levak antena ova veliina se kree od


18/19

*D do *5' "ako, na primer, za piramidalnu levak antenu sa optimalnim uglom irenja, koja senapaja talasovodom u kome je pobudjen "E B'*Btip talasa, eikasnost antene je priblino *5

1.1.4.4Paraboloidna reflektor antena

Belektor antene koriste metalne relektujue povrine za usmeravanje (okusiranje)EM zraenja u eljenom pravcu #ve antene pripadaju grupi antena koje su jako usmerene toznai da imaju snaan i uzak snop zraenja odnosno u karakteristici zraenja dominantan im jeuzak glavni list zraenja uz veliko maksimalno pojaanje antene

U mikrotalasnim komunikacijama najee se koristi paraboloidna relektor antena(slika &'&) #na se sastoji od metalnog paraboloidnog relektora i primarne antene koja jesmetena u ii relektora U predajnom reimu primarna ili id (enfeed) antena ima zadatakda vri emisiju EM zraenja ka relektoru #vo zraenje se naziva iluminacija ili osvetljavanjerelektora i tei se da ono bude to uniormnije Belektor ima zadatak da prikupi EM zraenjeiz ie i ormira uzak paralelni snop zraenja u eljenom pravcu U prijemnom reimu relektorima zadatak da ravanski talas koji stie u obliku paralelnog snopa zraenja koji je kolinearan sanjegovom osom okusira u iu gde e signal dalje prihvatiti primarna antena 1a realizaciju

primarne antene najee se koriste dipol ili horn antene

(a) (b)

Slika 2.12. Paraboloidna reflektor antena (a) geometrija (b) slika na nosau

1raenje primarne antene koje nije obuhvaeno paraboloidnim relektorom odlazi uokolni prostor ne uestvujui u ormiranju sekundarnog snopa zraenja #vaj gubitak energije

primarnog zraenja zove se spilover (en s$illover) U prijemnom reimu rada antene spilovereekat dovodi do toga da primarna antena osim to prikuplja talas sa relektora prikuplja idruge talase iz okolne sredine koji predstavljaju um 2pilover se moe smanjiti ako se glavnilist zraenja primarne antene koji vri iluminaciju relektora suzi ili se ia priblii relektoruMedjutim to dovodi do toga da je iluminacija relektora neuniormna tj gustina snageiluminacionog talasa u oblasti bliske obodu relektora je mnogo manja nego u centralnom delurelektora =ao rezultat toga javlja se znaajno smanjenje pojaanja relektor antene i irinesekundarnog snopa zraenja i u tom sluaju se smatra da raspoiva releksiona povrina antenenije dovoljno iskoriena 0rilikom konstrukcije relektor antene trai se kompromis izmedjuzahteva za eliminacijom spilovera i zahteva za uniormnom iluminacijom U takvom postupku


19/19

veliku vanost ima izbor karakteristike zraenja primarne antene kao i odredjivanje optimalnogodnosa aDf (a$erture num,er)

Eektivna povrina paraboloidne relektor antene je data izrazom%e% rade = , (&4F)

gde % predstavlja iziku povrinu zraeeg otvora antene i iznosi DBa PB- P6F, dok eikasnostantene eBradBu ovom sluaju predstavlja eikasnost otvora antene (ili drugim reima eikasnostiluminacije) !a osnovu (&4D) pojaanje paraboloidne relektor antene je

&

=

De# rad (&4D)

Eikasnost otvora antene zavisi od geometrije relektora, broja otvora antene kao i odkarakteristike zraenja primarne antene U praksi ova veliina najee uzima vrednostiizmedju *D i *K

antene i prostiranje

Documents