Colegiul National „Gheorghe Sincai”

ANTENE

Cimpoeru Dorina Alexandra

Clasa XI F

Profesor:Florin Cotolan

Data:28.05.2013

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

O antenă este un dispozitiv electric ce transformă curenții electrici variabili în unde radio și invers. Aceasta este utilizată de obicei ca emițător, sau receptor radio. În transmisie, un emițător radio furnizează un curent electric variabil cu o frecvență din domeniul radio la bornele antenei, iar antena radiază energia curentului electric sub formă de unde electromagnetice (unde radio). La recepție, antena captează o parte din energia unei unde electromagnetice, pentru a produce o mică tensiune la terminalele sale. Aceasta se aplică unui receptor, pentru a fi amplificată.

Antenele sunt componente esențiale ale tuturor echipamentelor care utilizează unde radio. Ele sunt folosite în sisteme cum ar fi radiodifuziune, televiziune, comunicații radio bi- și multidirecționale, radar, telefonie mobilă, comunicații prin satelit, telecomanda radio, microfon fără fir, dispozitive Bluetooth, rețele wireless pentru calculatoare etc.

De obicei, o antenă constă într-un aranjament de conductori metalici, conectați electric (de multe ori printr-o linie de transmisie) la receptor sau emițător. Un curent variabil prin antenă va crea un câmp magnetic variabil în jurul elementelor antenei, în timp ce sarcina electrică din aceasta, de asemenea variabilă, creează un câmp electric variabil de-a lungul elementelor. Aceste câmpuri variabile în timp radiază departe de antena, în spațiu sub forma unei unde electromagnetice formate dintr-un ansamblu de câmpuri electrice și magnetice variabile, transversale. În schimb, în timpul recepției, câmpurile electrice și magnetice ale unei unde radio exercită forțe asupra electronilor din elementele antenei, făcându-i sa se miște într-un sens și invers, creând curenți oscilanți în antenă.

Antenele pot conține, de asemenea, elemente, sau suprafețe reflectoare, sau directoare, care nu sunt conectate la emițător sau receptor, cum ar fi elementele pasive, reflectoarele parabolice sau horn, care se utilizează pentru direcționarea undelor radio, într-un fascicul sau orice alt model de radiație. Antenele pot fi proiectate pentru a transmite sau a recepționa undele radio în toate direcțiile în mod egal (antene omnidirecționale), sau pentru a le emite într-un fascicul pe o anumită direcție, și a le recepționa doar pe o anumită direcție(antene direcționale).

Primele antene au fost construite în 1888 de către fizicianul german Heinrich Hertz în experimentele sale de pionierat pentru a dovedi existența undelor electromagnetice prezise de teoria lui James Clerk Maxwell. Hertz a plasat antene dipol în punctul focal al unui reflector parabolic, atât pentru emisia cât și pentru recepția undelor radio. Rezultatele cercetărilor lui au fost publicate în Annalen der Physik und Chemie.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Originea cuvântului antenă, relativ la aparatura de transmisie fără fir este atribuită pionierului italian în domeniul radio, Guglielmo Marconi. În 1895, în timp ce testa aparatura radio în Alpii Elvețieni, la Salvan (Elveția), în regiunea Mont Blanc, Marconi a făcut experimente cu antene sub forma unor fire conductoare lungi. El a folosit un stâlp vertical, de 2,5 metri, cu un fir ce lega capătul de sus de emițător, ca un element aerian de recepție și radiație. În limba italiană un stâlp de cort este numit l'antenna centrale, de unde, stâlpul cu sârmă a fost numit, pur și simplu antenă. Până atunci, elementele de transmisie fără fir erau cunoscute sub denumirea de element aerian de emisie, sau recepție. Datorită recunoașterii internaționale a lui Marconi, utilizarea cuvântului antenă (termenul italian pentru stâlp, par) s-a împrăștiat în rândul celor care aveau preocupări în domeniul transmisiilor fără fir, iar mai târziu la publicul larg.[1]

În limbajul de zi cu zi,cuvântul antenă se poate referi în general la un întreg ansamblu, incluzând structura suportului, anexele (atunci când există), alături de elementele funcționate. Mai ales la frecvențe de microunde, o antenă de recepție poate include nu numai antena electrică propriu-zisă, ci și un preamplificator, sau un mixer integrat.

Prezentare generală Antenele sunt necesare oricărui receptor, sau emițător radio, pentru a cupla conexiunea sa electrică la câmpul electromagnetic. Undele radio sunt unde electromagnetice, care transportă semnale prin aer (sau alte medii), cu viteza luminii. Emmițătoarele și receptoarele radio sunt folosite pentru a transmite semnale (informații), inclusiv în sistemele de radiodifuziune, televiziune, telefonie mobilă, Wi-Fi (WLAN), rețele de date, comunicații punct-la-punct (telefon, rețele de date), legături prin satelit, dispozitive controlate de la distanță și multe altele. Undele radio sunt, de asemenea, utilizate direct pentru măsurători în tehnologii, inclusiv radar, GPS, și radioastronomie. În fiecare caz, emițătoarele și receptoarele sunt uneori ascunse (cum ar fi antena interioară a unui receptor radio, sau dispozitivul interior al unui laptop dotat cu Wi-Fi).

În funcție de aplicațiile lor și de tehnologia disponibilă, antenele se încadrează, în general, într-una din cele două categorii:

Antene omnidirecționale, sau doar slab direcționale, care recepționează, sau radiază unde electromagnetice (mai mult sau mai puțin) uniform din/în toate direcțiile. Acestea sunt utilizate în cazul în care poziția relativă a celeilalte stații este necunoscută, sau arbitrară. Ele sunt folosite, de asemenea, la frecvențe joase, unde o

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

antenă direcțională ar fi prea mare, sau costurile ar fi prea mari, sau pentru reducerea costurilor în cazul în care nu este necesară o antenă direcțională.

Antene direcționale, sau antene cu fascicul, care sunt destinate să emită, sau să recepționeze unde electromagnetice preferențial, într-o anumită direcție, ori configurație direcțională.

În utilizarea comună, "omnidirecțional" se referă de obicei la toate direcțiile orizontale, tipic cu performanțe reduse pe direcția spre cer, sau cea spre pământ (un radiator izotropic real nu este posibil). O antenă direcțională este destinată, de obicei, pentru maximizarea cuplajului său la câmpul electromagnetic în direcția celeilalte stații, sau uneori să acopere un anumit sector, cum ar fi o configurație orizontală cu deschidereaa de 120°, în cazul unei antene panel, de la stația unei celule de telefonie mobilă.

Un exemplu de antenă omnidirecțională este cel foarte comun, de antenă verticală, sau antenă vergea (whip antenna), constând dintr-o bară metalică (adesea, dar nu întotdeauna, cu lungimea egală cu un sfert de lungime de undă). O antenă dipol este similară, dar constă din doi astfel de conductori orientați pe aceeați direcție, în sensuri contrare, cu o lungime totală care este adesea, dar nu întotdeauna, egală cu o jumătate de lungime de undă. Dipolii sunt de obicei orientați orizontal, caz în care sunt slab direcționali: semnalele sunt destul de bine radiate sau recpționate din toate direcțiile, cu excepția direcției de-a lungul conductorului însuși; această regiune este numită conul orb al antenei, sau nul.

Antenă dipol semiundăAtât antenele verticale, cât și antenele dipol sunt constructiv simple și relativ ieftine. Antena dipol, care este baza de proiectare pentru majoritatea antenelor, este un dispozitiv echilibrat (simetric), cu tensiuni și curenți egali dar opuși în fază, aplicați la terminalele sale printr-o linie de transmisie echilibrată (simetrică), sau o linie de transmisie coaxială, prin intermediul unei așa-numite "bucle de adaptare a impedanței". Antena verticală, pe de alt parte, este o antenă monopol. Este de obicei conectată la conductorul interior al unei linii coaxiale de transmisie (sau la o rețea de adaptare); ecranul (conductorul exterior) al liniei de transmisie este connctat la pământ. În acest fel, pământul, sau orice suprafață conductoare de mari dimensiuni, joacă rolul celui de-al doilea conductor al dipolului, formând astfel un circuit închis. Deoarece antenele monopol se bazează pe o masă conductoare, poate fi utilizată o

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

așa-numită structură de împământare, pentru a oferi un mai bun contact cu pământul, sau care să se comporte ca o legătură la pământ, pentru a îndeplini această funcție, indiferent de (sau în absența) unui contact real cu pământul.

Antene mai sofisticate decât antenele dipol, sau verticale sunt proiectate cu scopul de a crește directivitatea și, în consecință, câștigul antenei. Acest lucru se poate obține în mai multe moduri, ce duc la o multitudine de tipuri de antene. Marea majoritate a acestora sunt alimentate cu linii echilibrate (simetrice) și se bazează pe structura antenei dipol cu elemente componente adiționale, care le cresc directivitatea.

De exemplu, o rețea fazată constă din două sau mai multe antene simple, care sunt conectate împreună printr-o rețea electrică. Acest lucru implică de multe ori o serie de antene dipol paralele cu o anumită spațiere între ele. Rețelele de antene pot folosi orice tip de antenă de bază (omnidirecționale sau slab direcționale), cum ar fi buclă, dipol etc. Aceste elemente sunt adesea identice.

Totuși, o antenă log-periodică constă într-o serie de elemente dipol de lungimi diferite, în scopul de a obține o antenă întrucâtva direcțională, având o lățime de bandă extrem de largă. Astfel de antene sunt utilizate frecvent pentru recepția de televiziune în zonele marginale. Antenele dipol care o compun sunt toate considerate "elemente active", deoarece toate sunt conectate electric împreună (și la linia de transmisie). Pe de altă parte, o rețea de dipoli similară, antenă Yagi-Uda (sau pur și simplu "Yagi"), are un singur element dipol cu o conexiune electrică; celelalte, așa-numitele elemente parazite interacționează cu câmpul electromagnetic, în scopul de a realiza o antenă relativ direcțională, dar una care este limitată la o lățime de bandă destul de îngustă. Antena Yagi are elemente parazite dipol asemănătoare, dar care acționează în mod diferit, datorită lungimii lor oarecum diferite. Pot exista un număr de așa-numite "elemente directoare" în fața elementului activ pe direcția de propagare și, de obicei, un singur (dar posibil mai multe) "reflector" pe partea opusă a elementului activ.

Reciprocitate Aceasta este o proprietate fundamentală a antenelor, prin care caracteristicile electrice ale acestora, descrise în secțiunea următoare, cum ar fi câștigul, diagrama de directivitate (diagrama de radiație), impedanța, lățimea de bandă, frecvența de rezonanță și polarizarea sunt același, indiferent dacă antena transmite sau primește semnale. De exemplu, "diagrama de recepție" (sensibilitatea în funcție de direcție) a unei antene atunci când ea este utilizată pentru recepție este identică cu diagrama de

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

radiație a antenei, atunci când ea este funcționează ca un emițător. Aceasta este o consecință a teoremei reciprocității, din electromagnetism. Prin urmare, în discuțiile despre proprietățile antenei nu se face de obicei distincție între terminologia de recepție, sau emisie, iar antena poate fi privită fie ca emițător, fie ca receptor, după cum una, sau ala dintre situații este mai convenabilă.

O condiție necesară pentru proprietatea de reciprocitate menționată mai sus este faptul că materialele din antenă și mediul de propagare sunt liniare și reciproce. Reciproc (sau bilateral), înseamnă că materialul are același răspuns la un curent electric, sau câmp magnetic într-un sens, va și în sensul opus. Majoritatea materialelor folosite în antene îndeplinesc aceste condiții, dar unele antene de microunde utilează componente de înaltă tehnologie, cum ar fi izolatori și circulatoare, realizate din materiale non-reciproce, cum ar fi ferita sau granatul. Acestea pot fi folosite pentru a conferi antenei un comportament diferit la recepție față de cel de la emisie, fapt ce poate fi util în aplicații cum ar fi radarul.

Parametrii antenelorCâştigul

Indiferent dacă antenele sunt utilizate pentru emisie sau pentru recepție, un parametru important al acestora îl reprezintă câștigul. Unele antene sunt directive, aceasta însemnând că o cantitate mai mare de energie este radiată într-o anumită direcție decât în celelalte. Raportul dintre cantitatea de energie radiată pe direcția principală și cea radiată de o antenă nedirectivă (radiator izotrop) poartă denumirea de câștigul antenei. Dacă o antenă ce are un anumit câștig la emisie este folosită ca antenă de recepție, ea va avea același câștig și la recepție.

Caracteristica de directivitate

Majoritatea antenelor radiază mai multă energie într-o anumită direcție decât în celelalte. O astfel de antenă poartă numele de radiator anizotrop. Măsurând cantitatea de energie radiată în diverse puncte din jurul unei antene se poate stabili diagrama de radiație a acesteia și se pot face comparații între diferite antene.

Energia radiată de o antenă formează un câmp electromagnetic ce are o anumită distribuție în spațiu. Această distribuție a energiei radiate în spațiu poartă numele de caracteristică (diagramă) de directivitate. Caracteristica de directivitate este de fapt o reprezentare grafică în spațiu a energiei radiate de către o antenă. Pentru a determina caracteristica de directivitate, energia radiată este măsurată în puncte

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

aflate la aceeași distanță dar pe direcții diferite față de antenă. Forma caracteristicii de directivitate depinde de tipul de antenă utilizat

.

Figura 1: Caracteristica de directivitate în coordonate polare

Figura 2: Aceeaşi caracteristică de directivitate, în coordonate rectangulare

Pentru reprezentarea caracteristicii de directivitate sunt utilizate două tipuri de grafice, unul în coordonate polare, celălalt în coordonate rectangulare. Graficul în coordonate polare s-a dovedit foarte util în studiul caracteristicilor de directivitate.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Diagrama este reprezentată circular, exact cum apare în realitate. Cercurile reprezintă niveluri de intensitate a energiei radiate. Un exemplu de astfel de grafic este reprezentat în Figura 1.

Lobul principal reprezintă zona de radiație maximă a caracteristicii de directivitate (de obicei aflată între punctele de -3dB față de intensitatea maximă). În Figura 1 lobul principal se află pe direcția nord.

Lobii secundari (laterali) sunt lobi de putere mai mică, dispuși pe alte direcții față de lobul principal. Acești lobi reprezintă energia radiată pe direcții nedorite și nu pot fi complet eliminați. Nivelul lobilor secundari reprezintă un parametru important ce caracterizează diagrama de directivitate. Acest parametru este definit ca diferența dintre puterea lobului principal și cea a celui secundar și este exprimat în Decibeli. Lobul secundar aflat pe direcția diametral opusă față de cel principal se numește lob posterior.

Următorul grafic, din Figura 2, este o reprezentare a aceleiași caracteristici de directivitate, dar în coordonate rectangulare. Într-un grafic în coordonate rectangulare, caracteristica este reprezentată pe două axe perpendiculare. Axa orizontală corespunde cercurilor din graficul în coordonate polare, adică nivelurile de intensitate. Axa verticală reprezintă direcția de radiație. Valorile pot fi reprezentate pe o scală liniară sau pe una logaritmică.

Lăţimea caracteristicii de directivitate

Lățimea caracteristicii de directivitate este definită ca unghiul în care este radiată o putere egală cu cel puțin jumătate din valoarea maximă. Limitele acestui unghi sunt deci punctele în care energia radiată are o putere cu 3 dB mai mică față de valoarea maximă. Acest unghi mai este numit și unghiul la 3 dB, fiind notat cu Θ (mai rar φ). Unghiul Θ reprezintă unghiul dintre cele două linii roșii din figurile de mai sus. Lățimea caracteristicii Θ poate fi exprimată atât în plan orizontal (ΘAZ), cât și în plan vertical (ΘEL).

Suprafaţa efectivă

Suprafaţa efectivă (apertura) Ae reprezintă aria echivalentă de radiație a unei antene. Aceasta este un parametru de bază al antenei, ce influențează și ceilalți parametri. Între câștigul antenei și suprafața efectivă există următoarea relație:

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Randamentul suprafeței antenei depinde de distribuția radiației (iluminării) pe toată suprafeța antenei. Dacă distribuția este liniară atunci Ka= 1. Randamentul ridicat obținut printr-o iluminare uniformă are ca dezavantaj un nivel ridicat al lobilor secundari. Astfel, în cazul antenelor reale proiectate să aibă niveluri reduse ale lobilor secundari, randamentul suprafeței este subunitar (Ae< A).

Lobi principali şi secundari

Caracteristica de directivitate reprezentată în figurile de mai sus este formată din mai mulți lobi. Intensitatea energiei este considerabil mai ridicată într-unul din lobi decât în ceilalți. Lobul cu energia cea mai mare este numit lob principal; ceilalți sunt lobi secundari (laterali). Deoarece rețelele de antene au caracteristici de directivitate complicate, este foarte important să se facă deosebirea între lobii principali și cei secundari. În general, lobii principali sunt aceia în care este radiată cea mai mare cantitate de energie. Lobii secundari sunt aceia în care energia radiată are valori mai reduse.

Randamentul faţă-spate (direcţional)

Randamentul față-spate al unei antene reprezintă raportul dintre cantitatea de energie radiată pe direcția principală și cea radiată în direcția opusă. Acest parametru trebuie să aibă valori ridicate, ceea ce înseamnă că în direcția nedorită este radiată o cantitate minimă de energie.

Antena cu reflector parabolicAntena cu reflector parabolic este cel mai întâlnit tip de antenă din compunerea radarelor. În Figura 1 este prezentată o astfel de antenă. Ea este formată dintr-un reflector parabolic şi o sursă de radiaţie dispusă în focarul reflectorului. Sursa de radiaţie este numită „sursă primară” sau „radiator”.

Reflectorul paraboloid este realizat dintr-o suprafaţă metalică, fie depusă pe o structură din materiale compozite, fie sub forma unei plase metalice. În ultimul caz, dimensiunile ochiurilor plasei trebuie să fie mai mici de λ/10. Suprafaţa metalică a reflectorului acţionează ca o oglindă parabolică asupra undelor electromagnetice.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Conform legilor opticii, undele reflectate de suprafaţa paraboloidului vor fi paralele cu axa reflectorului, rezultând astfel un fascicul liniar, fără lobi secundari, paralel cu axa optică a reflectorului. Câmpul electromagnetic generat de sursa primară are un front de undă sferic. Pe măsură ce fiecare punct al frontului de undă loveşte reflectorul, este defazat cu 180 de grade şi trimis înapoi pe direcţii paralele.

Cazul prezentat este al unei antene ideale; caracteristica de directivitate va avea o formă tip „creion”. Dacă reflectorul are o formă eliptică, atunci caracteristica va avea forma unui evantai. Radarele de supraveghere utilizează două forme diferite ale caracteristicii de directivitate în fiecare plan. În plan orizontal este folosită o caracteristică foarte îngustă, pentru o precizie mare în azimut, în timp ce în plan vertical este utilizată o caracteristică evantai clasică de tip cosecant pătratică.

Cazul ideal prezentat în figura de mai sus nu se regăseşte şi în practică. Antenele cu reflector parabolic reale au caracteristica de directivitate de formă conică datorită neregularităţilor apărute în procesul de producţie. Lăţimea lobului principal poate varia de la unul sau două grade la unele radare, până la 15 la 20 grade la altele.

Caracteristica de directivitate a unei antene parabolice reale este formată dintr-un lob principal, orientat pe direcţia axei optice a antenei, şi mai mulţi lobi secundari. Cu ajutorul acestui tip de antene se pot obţine lobi foarte înguşti.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Câştigul G al unei antene cu reflector parabolic poate fi determinat astfel:

Aceasta este o formulă aproximativă ce poate fi utilizată într-o serie largă de aplicaţii; valoarea câştigului depinde de funcţia de iluminare.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

ANTENA CU CARACTERISTICA COSECANT2

Antenele cu caracteristica de directivitate tip cosecant pătrat sunt antene special proiectate pentru radarele de supraveghere aeriană. Acest tip de caracteristică asigură o mai bună distribuţie a energiei radiate în cadrul caracteristicii, rezultând o mai bună explorare a spaţiului aerian.

Caracteristica tip cosecant pătrat asigură obţinerea la intrarea receptorului a unei puteri constante a semnalului recepţionat de la o ţintă ce zboară la aceeaşi înălţime (deducerea termenului „cosecant pătrat”.)

Pentru obţinerea unei caracteristici tip cosecant pătrat, în practică se folosesc o serie de metode:

utilizarea unui reflector parabolic de formă specială obţinerea unei caracteristici multifascicul prin folosirea mai multor radiatoare.

Prima metodă constă în modificarea formei reflectorului parabolic. Un reflector parabolic normal produce o caracteristică de directivitate de forma unui lob îngust. Pentru obţinerea unei caracteristici de formă cosecant pătratică este necesar ca o parte din energia radiată să fie dirijată în sus. Aceasta se poate realiza prin îndoirea la un unghi mai mic a părţii superioare a reflectorului. Energia care loveşte această porţiune va fi reflectată în sus. O altă posibilitate similară constă în îndoirea mai accentuată a părţii inferioare a reflectorului.

Datorită faptului că energia la marginile reflectorului este mai slabă decât la centru, energia radiată în sus va avea o densitate de putere mai mică, limitând astfel înălţimea maximă de descoperire.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Caracteristica de tip cosecant patratica multifascicul

O caracteristică de directivitate de tip cosecant pătrat poate fi obţinută şi prin utilizarea a două sau mai multe surse primare pentru acelaşi reflector.

Fiecare sursă primară radiază directiv, având o caracteristică de tip lob (fascicul). Prin alimentarea cu puteri diferite a radiatoarelor se poate obţine o caracteristică de formă cosecant pătrat. Aceasta va fi formată dintr-o succesiune de fascicule, decalate în plan vertical.

Dacă se foloseşte pentru fiecare radiator un canal de recepţie separat, cu ajutorul caracteristicii multifascicul se poate realiza şi măsurarea înălţimii ţintelor. Înălţimea se determină în funcţie de unghiul de înclinare al fasciculului în care este recepţionat semnalul ecou (în care se află ţinta).

Caracteristica de tip cosecant pătrat nu este specifică doar antenelor cu reflector parabolic. Ea poate fi obţinută şi cu alte tipuri de antene. În cazul unei reţele de antene Yagi, caracteristica tip cosecant pătrat se formează prin interferenţa undelor radiate direct cu cele reflectate la suprafaţa Pământului. (în prima zonă Fresnel).

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Termenul „Cosecant pătrat”

Unghiul de înălţare ε este determinat cu ajutorul înălţimii H şi distanţei R ...

Reamintim ce am spus la început:

„Caracteristica de directivitate tip cosecant pătrat asigură obţinerea la intrarea receptorului a unui semnal de putere constantă de la o ţintă ce zboară la aceeaşi înălţime.”

Dacă transformăm formula înălţimii şi exprimăm distanţa, apare deja termenul „cosecant”…

Exprimăm puterea recepţionată conform ecuaţiei radiolocaţiei:

Dacă semnalul ecou are puterea constantă la intrarea receptorului, atunci distanţa la puterea a patra este direct proporţională cu câştigul antenei la pătrat.

Simplificăm puterile…Înlocuim distanţa cu formula de mai sus, în care apare termenul „cosecant”. Conform ipotezei de mai sus, înălţimea este de asemenea constantă. Putem astfel elimina înălţimea, fără a afecta proporţionalitatea din formulă.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Am obţinut astfel formula matematică ce descrie antena cu „caracteristică de tip cosecant pătrat”!

Retele de antene fazate

O reţea fazată de antene este formată dintr-un anumit număr de radiatoare elementare, fiecare cu un defazor. Caracteristica de directivitate se formează prin combinarea în spaţiu a energiei radiate de fiecare element, pe baza fenomenului de interferenţă. Direcţia caracteristicii de directivitate poate fi deplasată electronic prin comanda fazei semnalului aplicat fiecărui radiator.

În figura 1 este prezentat principiul de formare a unei caracteristici şi de deplasare electronică a acesteia pentru două elemente radiatoare, alimentate de la acelaşi emiţător. În partea stângă, ambele elemente sunt alimentate în fază. Pe direcţia principală undele radiate se însumează în urma interferenţei constructive. Pe alte direcţii undele se anulează reciproc în urma interferenţei distructive. Se obţine astfel un fascicul îngust pe direcţia principală de radiaţie, perpendiculară pe planul celor două radiatoare. De asemenea, se observă că în urma interferenţei rezultă şi o serie de lobi secundari.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

În figura de sus cele două elemente sunt alimentate cu un defazaj de 22° între ele. Semnalul este radiat mai devreme în spaţiu de elementul de jos faţă de cel de deasupra. Din acest motiv fasciculul este deplasat în sus cu un anumit unghi faţă de direcţia principală.

(Observaţie: În exemplul din figura 1 radiatoarele sunt fără reflector. Astfel, lobul posterior al caracteristicii de directivitate va avea aceeaşi formă şi mărime cu cea a lobului principal.)

Fasciculul principal va fi întotdeauna orientat spre direcţia defazajului pozitiv. Dacă defazoarele radiatoarelor pot fi comandate electronic, rezultă că direcţia fasciculului poate fi înclinată electronic. Totuşi, deplasarea electronică nu este nelimitată. Unghiul maxim de înclinare este în jur de 60°, rezultând un sector de observare total de maxim 120°. Pe măsura creşterii unghiului de deplasare faţă de direcţia principală, creşte şi numărul şi nivelul lobilor laterali, precum şi lăţimea lobului principal. Defazajul necesar între elementele antenei pentru a deplasa caracteristica la un anumit unghi poate fi calculat uşor folosind funcţia trigonometrică sinus.

Ca antene elementare în reţelele fazate se pot folosi orice tip de antene, cele mai întâlnite sunt dipolii. Pentru explorarea întregului spaţiu supravegheat, caracteristica de directivitate trebuie deplasată după o anumită regulă într-unul sau ambele planuri, orizontal sau vertical. Aceasta necesită o foarte bună coordonare a defazajelor aplicate fiecărui element, mai ales că numărul de antene elementare utilizat este foarte mare. Ca exemplu, antena radarului FPS-117 foloseşte un număr de 1584 de elemente radiatoare, dispuse într-o structură de formare analogică a caracteristicii de directivitate. Radarele moderne multirol folosesc antene active, cu formarea digitală a caracteristicii de directivitate.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

* Limitarea sectorului de observare poate fi eliminată prin utilizarea unei arhitecturi tridimensionale a elementelor radiatoare. Un astfel de exemplu este antena „crow's nest” („cuib de cioară”).

Tipuri de arhitecturi

Reţele liniare

Aceste rețele sunt formate dintr-un anumit număr de rânduri de elemente, fiecare rând având un singur defazor. Din acest motiv, deplasarea electronică a caracteristicii de directivitate este posibilă doar într-un singur plan (vertical). Rândurile sunt paralele, dispuse în același plan.

Avantaj: construcție simplă

Dezavantaj: deplasarea caracteristicii este posibilă doar într-un singur plan

Exemple:

PAR-80 (deplasare orizontală a caracteristicii)

RRP-117 (deplasare verticală a caracteristicii)

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Antene cu deschidere largă în plan vertical LVA (Large Vertical Aperture), antene cu caracteristică de directivitate fixă.

Acest tip de rețele sunt des întâlnite, ele folosind baleierea electronică a caracteristicii într-un plan și deplasarea mecanică a acesteia în celălalt (FPS-117).

Rețele planare

Aceste rețele sunt formate dintr-o serie de elemente radiatoare, fiecare cu propriul defazor comandat. Elementele sunt dispuse în același plan, într-o structură tip matrice, pe rânduri și coloane.

Avantaje: deplasarea electronică a caracteristicii este posibilă în ambele planuri; este posibilă formarea digitală a caracteristicii de directivitate.

Dezavantaje: structură mai complicată și necesitatea unui număr mult mai mare de defazoare comandate electronic.

Exemple: AN-FPS-85 și Thomson Master-A

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Antene cu comanda în frecvenţă a deplasării caracteristicii

Comanda în frecvență reprezintă o altă modalitate de realizare a deplasării electronice a caracteristicii de directivitate. Balansarea electronică a fasciculului se obține prin modificarea frecvenței semnalului de emisie ce alimentează antena. Unghiul de înclinare depinde de valoarea frecvenței de emisie.

Alimentarea elementelor rețelei se realizează prin intermediul unui ghid de undă îndoit ca în figura 5, în care segmentele de ghid au rol de circuite defazoare. Lungimea segmentelor de ghid dintre două radiatoare alăturate l este astfel aleasă încât la frecvența nominală F1 defazajul între elemente să fie de n·360°. Elementele fiind alimentate în fază, rezultă că direcția fasciculului este perpendiculară pe planul rețelei.

Modificând frecvența de emisie, elementele nu vor mai fi alimentate în fază, deoarece lungimea electrică a segmentelor de ghid are o altă valoare, prin modificarea lungimii de undă. Rezultă că fasciculul se va deplasa în sus sau în jos, în funcție de sensul și valoarea frecvenței, astfel:

Dacă frecvența crește, fasciculul este deplasat în sus;

Dacă frecvența scade, fasciculul este deplasat în jos.

Valoarea unghiului de înclinare Θs al caracteristicii este proporțională cu valoarea modificării frecvenței de emisie. Prin modificarea liniară a frecvenței se obține o balansare liniară a caracteristicii de directivitate în plan vertical. Radarele ce utilizează o astfel de balansare electronică sunt radare tridimensionale. Înălțimea este determinată în funcție de frecvența semnalelor recepționate, fiecare frecvență corespunzând unui anumit unghi de înclinare.

Această metodă de balansare electronică a fasciculului are avantajul că este foarte simplă. Totuși, utilizarea modulației de frecvență pentru balansarea caracteristicii face imposibilă utilizarea altor tehnici, cum ar fi compresia impulsului).

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Determinarea defazajuluiPentru deplasarea electronică a caracteristicii este necesar ca defazajul Δφ dintre două elemente radiante vecine să fie constant. Cu ajutorul figurii 6 vom determina valoarea necesară a defazajului pentru a înclina caracteristica la un anumit unghi dorit.

Elementele sunt dispuse într-un aranjament liniar, fiind alimentate cu un defazaj constant de la un element la altul. Din triunghiul dreptunghic format de direcția de radiație și perpendiculara pe aceasta putem determina diferența de drum x dintre undele radiate de două elemente vecine. Diferența de drum este constantă de la un element la altul deoarece defazajul este constant.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Antena „Crow's-Nest”4Antena „crows nest” (CNA) reprezintă o rețea fazată de antene omnidirecțională, cu elementele dispuse sub forma unei sfere. Acest tip de antenă a fost dezvoltat și brevetat de „Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques FHR”. Elementele radiante sunt dispuse conform unei anumite distribuții statistice, pentru a evita repetarea periodică a lobului principal și pe alte direcții. Distribuția elementelor în sferă are o densitate constantă, ceea ce permite obținerea unei caracteristici tip fascicul creion uniform pentru toate direcțiile, atât în azimut, cât și în unghi de înălțare. Defazajele necesare pentru deplasarea electronică a fasciculului sunt calculate și controlate de către un computer. Utilizând o formare digitală a caracteristicii de directivitate se obține un fascicul foarte îngust, ce poate fi orientat aproape instantaneu în orice direcție, 360° în azimut și 180° în plan vertical. Fiderii sunt fixați în planul de masă și între ei folosind un dielectric, cu permitivitatea relativă εr≈ 1 pentru a evita distorsiunile provocate de reducerea vitezei de propagare a undelor electromagnetice în interiorul rețelei.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

O astfel de antenă realizată pentru aplicații în banda X are un diametru de circa 2 m și conține aproximativ 2000 de elemente radiante. Numele antenei vine de la denumirea de „crow's nest“ dată platformei din vârful unui catarg de corabie, folosită ca punct de observare.

DefazoareDefazoarele comandate cu diode PIN au avantajul că sunt foarte rapide. În figura 1 este prezentat un defazor comandat pe 4 biți, cu diode PIN și linii de întârziere, din compunerea unui radar cu rețea fazată de antene. Prin comanda comutatoarelor cu diode PIN traseul semnalului este schimbat prin diferitele linii de întârziere, defazajul fiind proporțional cu întârzierea semnalului. Se pot obține astfel 16 defazaje diferite între 0° și 337,5°, în trepte de 22,5°.

În figură pot fi observate și traseele tensiunilor de polarizare a celor 24 de diode PIN, împreună cu inductanțele cu rol de filtre trece jos (liniile subțiri, cu meandre). Comanda comutatoarelor cu diode PIN se realizează prin intemediul tensiunilor de polarizare.

Deoarece acest modul defazor lucrează atât la emisie cât și la recepție, la intrarea și ieșirea circuitului sunt prevăzute comutatoare comandate cu diode PIN, pentru comutarea succesivă a defazorului la traseul de emisie, respectiv de recepție.

Principala aplicație a acestui defazor este de a asigura defazajele necesare pentru formarea și deplasarea electronică a caracteristicii de directivitate a rețelelor de antene fazate. Direcția caracteristicii de directivitate depinde de defazajele care există între semnalele aplicate elementelor rețelei de antene. Același defazaj este folosit atât la emisie cât și la recepție, deci comanda diodelor PIN trebuie să fie

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

identică. Motivul este simplu: caracteristica de directivitate trebuie să fie orientată la recepție în aceeași direcție în care a fost emis semnalul de sondaj.

Principiul de funcționare a defazorului constă în rutarea semnalului pe trasee de lungime diferită, în funcție de defazajul dorit. Liniile de întârziere întârzie semnalul, acesta având la ieșire un anumit defazaj, în funcție de drumul parcurs. Figura 2 prezintă trei exemple de defazaje introduse de un defazor cu trei etaje de linii de întârziere. Comutatoarele sunt diodele PIN cu acționare rapidă. Defazajul necesar fiecărui element al rețelei de antene este calculat de un computer, care stabilește comenzile necesare fiecărui comutator cu diode PIN pentru a asigura combinația corespunzătoare de linii de întârziere prin care va trece semnalul.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Antene monoimpulsAntenele monoimpuls sunt rețele de antene la care fiderii asigură nu doar însumarea semnalelor elementelor rețelei, ci și realizarea unor anumite diferențe ale acestor semnale. Astfel, la recepție se obțin mai multe semnale de la rețeaua de antene, acestea fiind folosite pentru determinarea precisă a coordonatelor unghiulare, folosind un singur impuls recepționat de la ținte. Exemple:

1. La radarul primar RRP-117

la emisie, toate elementele rețelei sunt alimentate în fază, energia emisă de fiecare însumându-se în spațiu

la recepție, energia recepționată de elementele de antenă este însumată rezultând un semnal sumă, dar se realizează și anumite diferențe, rezultând semnalele de recepție diferență.

Toate semnalele obținute sunt apoi comparate în procesor pentru a calcula cu precizie azimutul și unghiul de înălțare al țintei. Folosirea mai multor canale la recepție permite determinarea coordonatelor unghiulare ale țintei cu doar un singur impuls recepționat de la țintă.

2. La radarele secundare, de exemplu IFF/SIF Siemens 1990

un grup de impulsuri este emis pe canalul sumă, iar

un impuls este emis pe canalul diferență.

În acest fel se realizează suprimarea lobilor secundari.

Antenele monoimpuls nu reprezintă o categorie separată de antene, tehnica monoimpuls fiind aplicată în structura de fideri rețelelor de antene. Interogatorul IFF Siemens 1990 folosește o rețea de antene log-periodice iar radarul FPS-117 utilizează o rețea fazată de antene.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Conceptul monoimpuls

ehnica monoimpuls își are originea în sistemele radar de urmărire din anii 1970, fiind utilizată în prezent pe scară largă de radarele primare și secundare.

O țintă va fi detectată de radar atunci când se află pe direcția lobului principal al caracteristicii de directivitate. Un radar de supraveghere clasic va recepționa un anumit număr de impulsuri de la țintă la trecerea caracteristicii peste țintă. Când ținta se află pe direcția maximului lobului principal, impulsul recepționat va avea amplitudinea maximă. Radarul va avea o anumită eroare în determinarea direcției țintei, din cauză că va presupune că ținta se află pe direcția maximului lobului principal, indiferent de direcția acesteia. Această eroare este proporțională cu lățimea lobului caracteristicii de directivitate.

O metodă simplă de a reduce această eroare constă în recepționarea tuturor impulsurilor reflectate de țintă la trecerea caracteristicii peste aceasta și determinarea direcției țintei în momentul în care semnalul ecou recepționat are amplitudinea maximă.

Din păcate această metodă este afectată de erorile cauzate de zgomotul termic și de fluctuațiile suprafeței efective de reflexie a țintei. Aceste erori au ca rezultat

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

distorsionarea amplitudinii trenului de impulsuri recepționate de la țintă. O altă metodă constă în recepționarea tuturor impulsurilor de la țintă și calcularea direcției ca media dintre direcțiile pe care au fost recepționate primul și ultimul impuls.

Un singur impuls receptionat este suficient!

Tehnica monoimpuls permite eliminarea acestor neajunsuri, asigurând determinarea cu precizie a coordonatelor unghiulare ale țintei. Prin prelucrarea ulterioară a informațiilor obținute utilizând tehnica monoimpuls se pot determina coordonatele unghiulare ale unei ținte folosind un singur impuls recepționat de la aceasta (de unde și denumirea de monoimpuls).

Pentru a înțelege principiul monoimpuls vom considera cazul determinării azimutului folosind rețeaua liniară din figura 1. Aceasta este formată dintr-o serie de elemente dispuse orizontal pe un singur rând împărțit în două jumătăți cu același număr de elemente. Cele două jumătăți sunt simetrice față de axa focală a rețelei (numită și axă electrică). Determinarea azimutului prin metoda monoimpuls cu această rețea de antene presupune folosirea la recepție a două carcteristici de directivitate, Sumă și Diferență. La emisie (Tx) toate elementele rețelei sunt alimentate în fază rezultând o caracteristică de directivitate numită Sumă sau Σ (reprezentată cu culoarea albastră în figura 4).

La recepție (Rx) se pot obține mai multe caracteristici de directivitate. Însumând în fază semnalele recepționate de la toate elementele rețelei se obține semnalul recepționat pe caracteristica Sumă (identică cu cea de la emisie). Dacă însumăm în antifază semnalele recepționate pe cele două jumătăți ale rândului vom obține un semnal diferență ΔAz, corespunzător caracteristicii Diferență sau Δ. Această caracteristică este formată din doi lobi dispuși simetric față de axul electric al antenei, reprezentați cu roșu și verde în figură. Semnalele de pe cele două canale, Σ și Δ, sunt comparate în procesor rezultând o valoare foarte precisă a azimutului.

Unghiul dintre axa electrică a antenei și direcția țintei se întâlnește în literatura de specialitate sub denumirea de unghi OBA (Off-Boresight Angle).

Radarele tridimensionale pot determina și unghiul de înălțare, din care se calculează apoi înălțimea. Pentru aceasta raționamentul este identic, dar în plan vertical. În acest plan se vor folosi două caracteristici de directivitate, Sumă (identică cu cea din plan orizontal) și diferență ΔEl sau Delta Elevație.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Pentru obținerea celor trei semnale monoimpuls (Σ, ΔAz și ΔEl) corespunzătoare celor trei caracteristici de directivitate, întreaga rețea de antene poate fi împărțită în patru zone (Figura 5).

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Prin însumarea corespunzătoare în traseele de fideri a semnalelor recepționate pe cele patru zone ale antenei rezultă semnalele monoimpuls:

Semnalul Sumă Σ ( I + II + III + IV )

Semnalul Diferență în azimut ΔAz ( I + IV ) - ( II + III )

Semnalul Diferență în elevație ΔEl ( I + II ) - ( III + IV )

Semnalul ·Auxiliar Ω

Deși nu are nicio legătură cu tehnica monoimpuls, rețelele de antene ale radarelor 3D folosesc un al patrulea semnal de recepție pentru reducerea efectului lobilor secundari ai antenei. Acest semnal este recepționat printr-o mică antenă suplimentară, numită de obicei antenă Auxiliară sau SLS. Această antenă are o caracteristică omnidirecțională și este utilizată și pentru detecția prezenței bruiajului activ. Fiecare din cele patru semnale vor fi prelucrate prin propriul canal de recepție, rezultând astfel patru canale de recepție paralele.

În funcție de modul de extragere a informației privind coordonatele unghiulare din semnalele recepționate, tehnica monoimpuls poate fi: de amplitudine sau de fază.

Comutatorul de antenaSistemele radar utilizează aceeași antenă atât pentru emisie cât și pentru recepție. Acest lucru este posibil deoarece emisia și recepția sunt procese separate în timp. Rezultă astfel că este nevoie de un dispozitiv care să conecteze emițătorul cu antena pe timpul emisiei, respectiv antena la receptor pe durata recepției. Acest dispozitiv poartă numele de comutator de antenă, sau comutator emisie – recepție (în engleză: duplexer). Comutarea între emisie și recepție trebuie să fie foarte rapidă, de ordinul microsecundelor și chiar mai puțin, ceea ce face ca utilizarea unor comutatoare mecanice să fie practic imposibilă. De aceea se utilizează comutatoarele electronice.

Constructiv, întâlnim mai multe tipuri de comutatoare de antenă, cum ar fi:

Circulatoare cu ferită sau

Comutatoare pe ghid de undă sau cu cavități rezonante,

cu tuburi descărcătoare,

sau cu diode pin.

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

Cea mai simplă soluție ar fi utilizarea circulatoarelor cu ferită. Totuși, realizarea unor circulatoare care să funcționeze la puteri de sute de kilowați este destul de complicată. În plus, circulatoarele au un factor de decuplare (izolație) de maxim 30 – 40 dB, și de aceea nu pot proteja suficient receptorul sensibil de semnalele puternice de la emițător. Pe de altă parte, circulatoarele prezintă avantajul că permit trecerea semnalelor ecou de la antenă spre receptor și pe timpul emisiei. Astfel, circulatoarele nu influențează distanța minimă de descoperire a radarului, cum este cazul altor comutatoare de antenă. Circulatoarele cu ferită sunt utilizate în general la radarele cu puteri de emisie relativ reduse, cum ar fi DPR886. Există, totuși, și situații de utilizare a circulatoarelor și la radare cu puteri mari de emisie.

În cazul radarelor cu puteri mari de emisie sunt folosite comutatoarele de antenă cu descărcători. Tuburile cu descărcare în gaze au dezavantajul că prezintă un anumit timp de reacție, de ordinul nanosecundelor. În acest timp energia de la emițător pătrunde în receptor! Viteza de reacție a descărcătorilor poate fi crescută prin aplicarea unei tensiuni de preionizare (în engleză: keep-alive voltage) de aproximativ 800 la 1200 V. Aceasta permite ionizarea mai rapidă a gazului la apariția impulsului de sondaj.

Comutatoarele cu diode pin nu prezintă acest dezavantaj. Totuși, aceste comutatoare au nevoie pentru a funcționa de aplicarea uneia sau mai multor tensiuni de comandă. Lipsa unei comenzi poate avea efecte negative asupra radarului.

Antena, o necesitate!Faptul că pentru recepția semnalelor tv este necesară o antenă e un adevăr cunoscut de toată lumea. Fiecare post de transmisie emite pe o anumită lungime de undă, aleasă astfel incăt să nu se suprapună unele peste altele. Recepția este ideală cănd antena este acordată la aceeași lungime de undă cu semnalul. De asemenea, antena trebuie orientată pe direcția postului emitent. Aceste antene se numesc antene unidirecționale sau de tip Yagi, după numele inventatorului. Există insă un singur impediment, și anume că ar trebui căte o antenă pentru fiecare post. Așa că, in practică, se folosesc antene acordate astfel incăt lungimea lor de undă să fie situată undeva intre lungimile de undă dorite a fi recepționate, iar direcția lor de orientare este aleasă corespunzător cam intre locația acestor posturi. Acestea sunt tot antene tip Yagi, numai că numărul mare de elemenți le situează in categoria antenelor de bandă largă de frecvență. Semnalul este decodificat de aparatul tv și cu ajutorul acordului din selector putem vizualiza, individual, fiecare canal. Principiul de funcționare este oarecum identic și in cazul antenelor parabolice (antene de satelit),

Colegiul National „Gheorghe Sincai”

numai că aici semnalul emis de o stație tv este preluat, amplificat și retransmis de un satelit de telecomunicații.

BIBLIOGRAFIE: http://ro.wikipedia.org/wiki/Anten%C4%83_(radio)

http://www.radartutorial.eu/06.antennas/an26.de.html

http://jurnalul.ro/timp-liber/casa/ce-trebuie-sa-stim-despre-antene-si-firmele-tv-prin-cablu-307628.html