topic 1 – introductionemlab.utep.edu/ee4382_antennaengineering/topic 1 -- introduction to... ·...

19
8/28/2017 1 Topic 1 – Introduction EE‐4382 Antenna Engineering Course Instructor Dr. Raymond C. Rumpf Office: A‐337 Phone: (915) 747‐6958 E‐Mail: [email protected] Outline Introduction Types of Antennas Radiation Mechanism Mathematical Preliminaries Antenna Parameters Communications Link 2 Introduction to Antennas Constantine A. Balanis, Antenna Theory,3 rd Ed., Wiley, 2005.

Upload: vodien

Post on 03-May-2018

221 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

8/28/2017

1

Topic 1 –Introduction

EE‐4382 Antenna Engineering

Course InstructorDr. Raymond C. RumpfOffice:  A‐337Phone: (915) 747‐6958E‐Mail: [email protected]

Outline

• Introduction

• Types of Antennas

• Radiation Mechanism

• Mathematical Preliminaries

• Antenna Parameters

• Communications Link

2Introduction to Antennas

Constantine A. Balanis, Antenna Theory, 3rd Ed., Wiley, 2005.

8/28/2017

2

Introduction

3Introduction to Antennas

What is an Antenna?

Introduction to Antennas Slide 4

Merriam‐Webster:A usually metallic device (such as a rod or wire) for radiating and receiving radio waves.

IEEE:The part of a transmitting or receiving system that is designed to radiate or to receive electromagnetic waves.

Constantine A. Balanis:The transitional structure between free‐space and a guiding device.

8/28/2017

3

What do Antennas Do?

• Convert between guided wave and external propagating wave

• Shape the radiation pattern

• Control polarization

• Cooperate with other antennas

Introduction to Antennas Slide 5

Types of Antennas

6Introduction to Antennas

8/28/2017

4

Antenna Categories

• Thin wire antennas

• Aperture antennas

• Microstrip antennas

• Array antennas

• Reflector antennas

• Lens antennas

Introduction to Antennas Slide 7

Wire Antennas

Introduction to Antennas Slide 8

Dipole Antenna

Loop Antenna

Helix Antenna

8/28/2017

5

Aperture Antennas

Introduction to Antennas Slide 9

Conical Horn

Rectangular Waveguide

Pyramidal Horn

Microstrip Antennas

Introduction to Antennas Slide 10

Circular Patch

Other Variants

Rectangular Patch

8/28/2017

6

Array Antennas

Introduction to Antennas Slide 11

Patch Array

Phased ArrayYagi‐Uda

Slotted Waveguide

Reflector Antennas

Introduction to Antennas Slide 12

Corner Reflector

Parabolic Dishes

Reflector Grid

8/28/2017

7

Lens Antennas

Introduction to Antennas Slide 13Ball Lens

Conical Horns + LensLens Concept

Radiation Mechanism

14Introduction to Antennas

8/28/2017

8

Fundamental Mechanism

Introduction to Antennas Slide 15

For radiation to occur, you must have:

1. Time‐varying current.

2. Acceleration (or deceleration) of charge.

Bent wire Discontinuous wire

Detachment Mechanism (1 of 3)

Introduction to Antennas Slide 16

8/28/2017

9

Detachment Mechanism (1 of 3)

Introduction to Antennas Slide 17

Detachment Mechanism (1 of 3)

Introduction to Antennas Slide 18

8/28/2017

10

Mathematical Preliminaries

19Introduction to Antennas

Radians

Introduction to Antennas Slide 20

r

r

8/28/2017

11

Steradian

Introduction to Antennas Slide 21

2A r

1 steradian

Antenna Parameters

22Introduction to Antennas

8/28/2017

12

Field Regions (1 of 3)

Introduction to Antennas Slide 23

D

R1

R23

1

2

2

0.62

2

DR

DR

Reactive Near‐Field Region

Radiating Near‐Field (Fresnel)Region

Radiating Far‐Field (Fraunhofer)Region

Field Regions (2 of 3)

• Reactive Near‐Field– Phase of E and H near quadrature (i.e. 90°)– Highly reactive wave impedance– High content of non‐propagating stored energy

• Radiating Near‐Field– E and H predominantly in phase (i.e. 0°)– Waves do not yet have spherical wavefront and so pattern varies 

with distance

• Radiating Far‐Field– Waves have spherical wavefront and so pattern remains uniform 

with distance– E and H are in phase (i.e. 0°)– Wave impedance is real– Power predominately real because it is propagating

Introduction to Antennas Slide 24

8/28/2017

13

Field Regions (3 of 3)

Introduction to Antennas Slide 25

Input Impedance, Zin

Introduction to Antennas Slide 26

To an electrical circuit, an antenna just look like a lumped impedance element.  The impedance seen by the circuit is the input impedance of the antenna.

inZinZ

8/28/2017

14

The Isotropic Radiator

Introduction to Antennas Slide 27

Perfectly isotropic radiation is impossible in practice, but we can talk about it mathematically.

Power Density

rad0 2 2

W

4 m

PW

r

Radiation Intensity

0

W

4 Sr

PU

rad total power radiated by sourceP Sources look dimmer from farther away.  Power density is this metric.

Even though sources look dimmer from farther away, the power they are putting out does not change.  Radiation intensity is this metric.

Radiation Pattern

Introduction to Antennas Slide 28

A line or surface quantifying the radiation properties of an antenna as a function of direction, usually  and .  Usually, this is relative to the ideal isotropic radiator.

8/28/2017

15

HPBW and FNBW

Introduction to Antennas Slide 29

We need metrics to characterize the main beam from an antenna.  Two common metrics are the half-power beam width (HPBW) and the first null beam width (FNBW).

Directivity, D

Introduction to Antennas Slide 30

An antenna can enhance how much of a signal it transmits in one direction by transmitting less in another direction.

Directivity is a measure of how directional an antenna’s radiation pattern is.

The isotropic radiator has zero directionality and so D = 1 (or 0 dB).

rad

10

4,

dB 10log

D UP

D D

Linear directivity

Logarithmic directivity

8/28/2017

16

Antenna Efficiency, 

Introduction to Antennas Slide 31

1

Reflection loss due toimpedance mismatch

2Ohmic loss in conductors

3Ohmic loss in dielectrics

0 total radiation efficiency

21

Reflection Efficiency

rad Radiation Efficiency

Antenna Gain, G (1 of 2)

Introduction to Antennas Slide 32

Consider what can happen to a signal when applied to an antenna. 

1. Mismatch – Part of the signal may be reflected back to the source due to an impedance mismatch to the antenna.

2. Efficiency – Part of the signal may be absorbed due to ohmic loss.

3. Directivity – Different parts of the signal may be radiated in different directions.

Gain is the quantity that accounts for all of these and it is expressed relative to the 100% efficient isotropic radiator.

Usually antennas are well impedance‐matched and the efficiency is high and gain mostly conveys directivity.  Many people are incorrectly conditioned to think gain is only directivity.

8/28/2017

17

Antenna Gain, G (2 of 2)

Introduction to Antennas Slide 33

rad

rad

radiation intensity4

total accepted power

radiation efficiency directivity

4,

G

D

UP

Note:  Mismatch loss is not included in gain.

Beam Efficiency, BE

Introduction to Antennas Slide 34

12

0 02

0 0

total power in main beamBE

total radiated power

, sin

, sin

U d d

U d d

8/28/2017

18

Polarization

Introduction to Antennas Slide 35

Different antennas will transmit/receive different polarizations.

Linear Polarization       

Circular Polarization       

Polarization Loss Factor, PLF

Introduction to Antennas Slide 36

Suppose a wave with polarization vector         is incident onto an antenna designed to receive waves with polarization vector        .

If these two polarizations are not matched, some portion of the signal will not be received.

incp̂antp̂

2

inc ant

10 inc ant

ˆ ˆPLF 0 PLF 1

ˆ ˆPLF dB 20log PLF dB 0

p p

p p

perfect match

perfect mismatch

8/28/2017

19

Communications Link

37Introduction to Antennas

Friis Transmission Equation

Introduction to Antennas Slide 38

2

2 2rt r t r

t

1 1 PLF4

PG G

P R

Loss due to impedance mismatch at transmitter.

Loss due to impedance mismatch at receiver.

Propagation loss factor

Gain of transmitting antenna

Gain of receiving antenna

Polarization loss factor