Antene

САДРЖАЈ УВОД ......................................................................................................................................... 1 ПАРАМЕТРИ АНТЕНА .......................................................................................................... 2 Дијаграм зрачења антене ..................................................................................................... 2 Добитак антене ..................................................................................................................... 5 Ефективна површина антене ............................................................................................... 6 Реципроцитет антена ............................................................................................................ 6 Коефицијент појачања антене ............................................................................................. 7 Импеданса антене ................................................................................................................. 8 Поларизација антене ............................................................................................................ 8 АНТЕНЕ УКТ ПОДРУЧЈА...................................................................................................... 9 Јаги-антена ............................................................................................................................ 9 Логаритамско-периодична антена .................................................................................... 10 Хеликоидална антена ......................................................................................................... 12 Параболична антена ........................................................................................................... 14 Cassegrain-антена ................................................................................................................ 16 ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................................ 17

УВОД Веза између предајне, и пријемне радио-станице остварује се радио таласима које зрачи предајник а прима пријемник. Према томе, ова веза не предвиђа директно спрезање неком проводном структуром, например, жичаном везом, што значи да се морају обезбедити специјалне геометријске структуре које треба да омогуће првенствено зрачење, а затим и апсорбовање садржине емитованог радио-таласа. Те структуре од електропроводног материјала називају се антенама. По својој намени, антене се деле на предајне, пријемне и примопредајне. Свака предајна антена може и да прима енергију. Другим ријечима, антене имају особину реципрочности, која дозвољава коришћење исте антене и за пријем и за емитовање енергије. Предајна антена дефинише се као елемент радио-предајника који претвара енергију модулисаних струја високе фреквенције у енергију радио-таласа и обезбеђује зрачење тих таласа у задатим смеровима. Пријемна антена је елемент радио-пријемника који претвара енергију радиоталаса у енергију струја високих фреквенција, обезбеђујући при томе издвајање таласа који долазе из одређених смерова. Обе функције – емитовање и пријем енергије – антена ће ефикасно извршавати само у одређеном фреквенцијском подручју и уколико је испуњен и додатни услов – да је антена прилагођена по импенданси са радио-предајником, односно радиопријемником. У зависности од ширине фреквенцијског опсега у ком је антена прилагођена, постоје ускопојасне (резонантне) и широкопојасне (апериодичне) антене.

1

ПАРАМЕТРИ АНТЕНА Параметри антена су њихове карактеристичне величине које остају непромењене без обзира да ли се антена користи као предајна или као пријемна. Постоји читав низ параметара, а овде ће бити описани само најосновнији, као што су: -

дијаграм зрачења,

-

добитак,

-

ефективна површина,

-

реципроцитет,

-

појачање,

-

импенданса,

-

поларизација

Дијаграм зрачења антене Антена се сматра усмереном ако у тачкама простора које су од ње једнако удаљене ствара изразито различите величине електричног и магнетног поља. Усмереност антене одређује се дијаграмом зрачења. Дијаграм зрачења антене је угаона зависност интензитета поља или густине флукса енергије изазване антеном у једнако удаљеним тачкама од антене. У случају изотропног радијатора, тачке које су једнако удаљене од антене леже на сферној површини. Положај било које тачке на тој површини одређују два угла: угао у хоризонталној равни – азимут, и угао у вертикалној равни – месни угао. Према томе, дијаграм зрачења антене је функција две независно променљиве – азимута и месног угла. Код реалних антена дијаграм зрачења као функција две променљиве никако не може бити сфера већ је то нека неправилна просторна површна. С обзиром на то да су криволинијске просторне површине крајње неподесне за приказивање у равни, дијаграм зрачења приказује се обично у једној равни – било хоризонталној, било вертикалној. Дијаграм зрачења антене у вертикалној равни представља зависност од месног угла, интензитета електричног поља или густине флукса енергије у тачкама које су једнако удаљене од антене у вертикалној равни. Дијаграм зрачења у хоризонталној равни представља зависност истих величина у хоризонталној равни од азимута. 2

На сликама приказани су дијаграми зрачења антене за поље и за снагу у хоризонталној равни.

Слика 1. – Дијаграм зрачења за поље

Слика 2. – Дијаграм зрачења за снагу Дијаграм зрачења за снагу је оштрији од дијаграма за поље због тога што је густина флукса енергије (снага) пропорционална квадрату интензитета поља.

3

Слика 3. Дијаграм зрачења антене са умереним зрачењем На

слици

је

приказан

типичан

дијаграм

зрачења

антене

у области

центиметарских таласа. Овакав дијаграм сликовито приказује колико је пута енергија зрачења у било ком правцу мања од енергије у правцу максималног зрачења.

4

Добитак антене Добитак је карактеристика антене да може да усмери енергију у строго одређеном правцу, односно да прими енергију претежно из смера предајне антене. Добитак, као један од параметара антене, могуће је објаснити и на други начин, користећи метод поређења. Од две антене на слици 4. једна је изотропни радијатор, а друга је она којој желимо да утврдимо величину добитка. Обе

антене

налазе

се

на

једнаком

растојању од неке тачке С и у том случају добитак антене показује колико пута треба

да

се

повећа

снага

зрачења

изотропног радијатора у односу на антену која зрачи у правцу

свог максималног

зрачења, па да поље и од једне и од друге буде на истом дстојању. Као параметар антене добитак је посебно значајан код антена које нису Слика 4.

намењене за дифузно зрачење (зрачење

у свим правцима), већ за зрачење у строго одређеном правцу.

5

Ефективна површина антене Ефективна површина представља способност антене да може апсорбовати енергију долазећег радио-таласа. Дефинише се као однос из максималне снаге (Wmax) који пријемна антена апсорбује из долазећег радио-таласа и површинске густине снаге (P) на месту пријема. Овај параметар не зависи ни од вредности Wmax ни од вредности P, јер са повећањем интензитета пријемног поља долази и до повећања апсорбоване енергије. Према томе, Seff представља коефицијент сразмерности између Wmax и P, а како има димензију површине, назива се ефективна површина антене. За антене које се примењују у усмереним радио-везама Seff је нешто мања од геометријске површине и израчунава се према обрасцу:

S eff

где је k – фактор ефикасности: k

k S

0,4 0,8

Реципроцитет антена Без обзира да ли је реч о антенама за емитовање или за пријем радио-таласа, њихове карактеристике су исте, а то значи да ће однос примљене и емитоване снаге остати исти уколико антене замене своје улоге. Користећи ту чињеницу могуће је доказати да је добитак антене g (енгл. gain) у сталном односу са ефективном површином, што се види из релације:

g / Seff

4 /

2

,

где је λ – таласна дужина радио-таласа који се емитује, односно прима. Ова релација омогућава да се одреди добитак антене, при чему је потребно да се познају њена геометријска површина и фактор ефикасности за тај тип антена, тј.:

g

4

Seff 2

4

ks 2

6

.

Ова релација показује да за постизање великих добитака антене и сама антена мора имати велике димензије. Из тога се закључује да се само у области УКТ могу реализовати антене, чије су димензије прихватљиве у пракси, а имају врло велике добитке. У специјалним случајевима, као што су сателитске комуникације и радиотелескопи, граде се антенски системи огромних димензија, а све у циљу постизања што већег добитка антене.

Коефицијент појачања антене Дијаграм зрачења антене даје само просторну расподелу зрачене снаге, без обзира на то колика је приведена снага и колики су губици у антени. Као податак који карактерише антену у целини, како у погледу губитака приликом трансформације енергије, тако и у погледу њене расподеле у простору, уводи се тзв. коефицијент појачања антене. Он се израчунава као производ коефицијента корисног дејства и коефицијента усмереног дејства антене, тј.:

P2 r E 2 , Puk E sr2

A

при чему је коефицијент корисног дејства дат односом снаге коју антена зрачи и снаге која јој се приводи, а коефицијент усмереног дејства као однос квадрата интензитета електромагнетног поља у посматраном правцу и квадрата средње вредности тог поља у ма ком правцу. За већину антена са усмереним зрачењем коефицијент корисног дејства је приближно једнак јединици, те је:

E2 E sr2

A

7

Импеданса антене Свака емисиона антена може се представити као пасивни дипол, а однос напона и струје на крајевима тог дипола представља импедансу антене. На величину импедансе утичу и сви премети који се налазе у близини антене на удаљености од неколико таласних дужина. Уколико се антена налази у слободном простору где су сви објекти смештени на великој удаљености, реч је о сопственој импеданси антене. Омска компонента импедансе антене састоји се од отпора зрачења Rzr и отпора губитака Rg услед расипања енергије у самом материјалу од којег је антена направљена. Отпор зрачења је дефинисан као еквивалентан отпор на коме се троши снага једнака укупној зраченој снази антене, уколико је струја кроз тај отпор једнака струји на прикључцима антене. На сличан начин може се дефинисати и отпор губитака преко укупне дисипиране снаге. Реактивна компонента импедансе антене зависи од тзв. индукционог поља које се јавља искључиво у непосредној близини антене.

Поларизација антене Под поларизацијом неке антене подразумева се поларизација њеног таласа у смеру максималног зрачења. Пренос електромагнетне енергије између предајне и пријемне антене знатно зависи и од њихових поларизација. Када обе антене имају исту поларизацију, у пријемној антени ће се индуковати максимални високофреквентни напон. Сваки други положај пријемне антене у односу на предајну, тј. други однос њихових поларизација, неизбежно доводи до губитака у ефикасности преноса. У екстремном случају када је једна од њих поларизована хоризонтално а друга вертикално, теоријски не би требало да постоји пријем енергије. Најчешће коришћена поларизација је линијска. На нижим фреквенцијама радиоталасног подручја (дуги и средњи таласи) користи се искључиво вертикална поларизација. У подручју кратких и УКТ користе се обе врсте поларизација – и хоризонтална и вертикална.

8

АНТЕНЕ УКТ ПОДРУЧЈА На основу важеће поделе фреквенција за потребе остварења бежичних веза на даљину, УКТ подручје лоцирано је између подручја које припада класичној радиотехници и оптичког подручја. Зато антена за покривање УКТ подручја треба да садржи карактеристике оба суседна таласна подручја. Наиме, у конструкцији ових антена могуће је користити технику обичних радијатора радио-таласа, важећу у конструкцији антена у подручју класичне радио-технике, а и технику усмереног зрачења које припада подручју оптике.

Јаги-антена Јаги-антену пројектовао је још 1928. године Јапанац Јаги, а масовну примену имала је тек у ери црно-беле телевизије као антена за пријем TV програма. Јаги-антена спада у тзв. вишеструке антене и састоји се од једног активног и неколико пасивних елемената. Сви елементи су међусобно паралелни и налазе се у једној равни, а причвршћени су за метални носач.

Слика 5. – Јаги антена Активним елементом назива се онај елеменат који је преко спојног вода прикључен на радио-предајник или радио-пријемник, а пасивним елементом онај кроз који тече струја под дејством поља активног елемента. Пасивни елементи обично се називају директори (Д) и рефлектори (Р), а активни елемент дипол (ДП). Јаги-антена има обично један рефлектор и 5-7 директора. Јаги-антена усмерава енергију у једном правцу, тако да се енергија коју зрачи активни елемент рефлектором усмерава ка директору Д1, а од њега ка директору Д2 итд., стварајући на тај начин таласни канал који усмерава радио-таласе у једном смеру. На слици 6. приказан је карактеристичан дијаграм зрачења једне Јаги-антене. 9

Слика 6. – Дијаграм зрачења јаги-антене у вертикалној равни Јаги-антена је веома погодна за масовну примену јер је крајње једноставне конструкције, лака за монтажу, а самим тим и јефтина. Недостатак ове антене је у томе што је изразито ускопојасна, па је потребно додатно подешавање њених димензија за сваки радни талас који се разликује више од 2 % од таласа за који је конструисана. За одступања већа од 7% Јаги-антена губи својство антене са усмереним зрачењем.

Логаритамско-периодична антена Логаритамско-периодична антена, позната под комерцијалним називом ЛОГА, спада у групу шрокопојасних антена са добитком око 15dB. Однос максималне и минималне радне фреквенције може да буде до 10:1, па и више. Логаритамскопериодична антена састоји се од низа активних дипола и због својих добрих особина има масовну примену у области УКТ за пријем TV програма покривајући при томе и VHF и UHF подручје (приближно од 40 до 800 MHz).

10

Слика 7. Конструкција логопериодичне антене Најдужи дипол на антени представља полуталасни дипол за минималну радну фреквенцију, а најкраћи дипол представља полуталасни дипол за највишу радну фреквенцију. Разлика између максималне и минималне радне фреквенције представља у том случају радни опсег антене. Дужине осталих дипола су тако одабране да увек важи услов:

L2 / L1

L3 / L2

L4 / L3

...

Ln / Ln 1

C

const.

где се константа С креће од 0,5 до 0,96. И међусобно растојање дипола такође је сразмерно датој константи, тј.:

D2 / D1

D3 / D2

D4 / D3

11

...

Dn / Dn 1

C

const.

Вредност константе С има важну улогу при конструисању шрокопојасних антена. Наиме, да би нека антена била шрокопојасна, њени параметри морају бити приближно константни у целом радном фреквенцијском (таласном) опсегу. Међутим, дијаграм зрачења и импеданса антене веома зависе од геометријских димензија антене и од радне фреквенције. Да би се наведени параметри одржали константним, у истом односу морају се мењати димензије антене и радна таласна дужина. На пример, уколико се радна таласна дужина двоструко умањи, мора се смањити и њена дужина за исти износ. Само у том случају параметри антене неће бити промењени. Управо на том принципу конструисана је логопериодична антена. Сваки наредни дипол, идући здесна налево, краћи је од претходног за (С) пута, те се може написати:

L2

CL1

L3

C 2 L1

L4

C 3 L1

итд.

Хеликоидална антена За пренос енергије у области дециметарског таласног подручја УКТ често се користи хеликоидална (спирална) антена. Она се формира у виду цилиндричне или конусне спирале од бакарног проводника или бакарне цеви. Ради механичке заштите спирале, преко ње је навучена заштитна навлака од пластичне масе. Један крак спирале прикључује се за унутрашњи проводник коаксијалног кабла, који се најчешће користи као фидер, а други обично остаје слободан. Да би се постигла једнострана усмереност зрачења, користи се плочасти рефлектор. Његове димензије износе приближно 0,8 λ где је λ средња таласна дужина. Дужина једног завојка спирале L обично је приближна таласној дужини. Moћ хеликоидалне антене да усмери зрачење у жељеном правцу зависи од броја завојака, угла, корака спирале α и односа L/λ .

12

Слика 8. – Хеликоидална антена Ове антене имају обично 6 завојака. На слици 9. приказан је дијаграм зрачења једне типичне хеликоидалне антене за разне радне фреквенције.

Слика 9. – Дијаграм зрачења хелокоидалне антене за разне радне фреквенције Хеликоидална антена спада у групу широкопојасних антена. Она задржава карактеристике антене са усмереним зрачењем при промени таласне дужине радног таласа за ± 25 % од средње таласне дужине за коју је димензионисана.

13

Параболична антена Антена са параболичним рефлектором или, краће, параболична антена, представља основну врсту антене у подручју центиметарских таласа, мада се често може срести и у дециметарском таласном подручју. Основни делови сваке параболичне антене су радијатор и рефлектор. Радијатор представља извор зрачења радио-таласа. Најчешће коришћени радијатор је тзв. левакантена. Ова антена је отворени проширени завршетак тзв. таласовода, металне цеви чији је отвор проширен у облику левка, по чему је и добила назив. Рефлектор је израђен од пуног или перфорираног лима у облику ротационог параболоида. Овај параболоид је геометријско тело добијено ротацијом параболе око своје осе. Конструкција параболичног рефлектора захтева изузетну прецизност у свим областима примене параболичне антене. Тако, на пример, одступање закривљености параболоида од математичке законитости параболе код пријемних антена за 12 GHz не сме бити веће од ± 1 mm. Радијатор параболичне антене, се смешта у фокусну раван параболоида тј. раван која пролази кроз фокус (жижу) параболоида и која је нормална на оптичку осу. Функционисање параболичне антене објашњава се на следећи начин: радијатор зрачи радио-таласе који падају на површину параболичног рефлектора, a рефлектовани таласи се простиру у уском снопу, уколико су димензије параболичног рефлектора довољно велике у односу на таласну дужину зрачећег таласа. Стварање уског снопа радио-таласа објашњава се следећим особинама параболичне антене: -

зраци који полазе из жиже простиру се након рефлектовања

паралелно са оптичком осом -

зраци који полазе из жиже и који се рефлектују на параболичној површини

прелазе исто растојање од површине отвора, тј. FAA1 = FBB1 = const. Раван отвора параболоида нормална је на оптичку осу и додирује крајеве параболоида. Према томе, ако се у жижу параболоида смести тачкасти зрачећи елемент, тада ће сви зраци одбијени од параболичног рефлектора доћи у раван отвора са једнаком фазом, пошто су прешли исти пут. Раван отвора параболоида назива се у том случају синфазна раван.

14

Слика 9. – Симфазна раван параболоида Код стварне параболичне антене раван отвора није строго синфазна пошто радијатор има коначне димензије, па таласи прелазе различите путеве од различитих тачака радијатора до равни отвора.

15

Cassegrain-антена Због велике густине радио канала, који се користе у савременим радио-релејним системима преноса, потребно је обезбедити антене за усмерено зрачење са могућношћу двоструке поларизације. Овај услов испуњава Cassegrain-антена која ради на принципу тзв. каскадне рефлексије.

Слика 12. – Шематски приказ Cassegrain-антене Примена Cassegrain-антена нарочито је економична код антена великог пречника, на пример код антена земаљских станица У систему сателитских комуникација.

16

ЛИТЕРАТУРА -

Метзгер, Б.: Радио приручник за аматере и техничаре, Београд, 1972.

-

Милановић, Б.: Радио-релејни преносни системи, Београд, 1976.

-

Стојановић, И.: Основе телекомуникација, Београд, 1977.

-

Шегуљев, Д.: Техника високофреквентног преноса, Београд, 1989.

17