Cap. 2 Sisteme radiante. Capitolul 2

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Cap. 2 Sisteme radiante. Capitolul 2"

Εὔα Αποστολίδης
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Cap. 2 Sisteme radiante

2 Cuprins mecanisme de radiație metode de analiză radiația dipolului electric parametrii fundamentali ai antenelor tipuri constructive de antene

3 2.1. Introducere antenă = sistem (dispozitiv) utilizat la emisia și/sau recepția undelor electromagnetice (radio) structură de tranziție între sursa de emisie și spațiul liber spațiul liber și receptor tipuri de antene cu conductor filiform (dipol liniar, buclă, elice) cu apertură (fantă, segment de ghid, horn piramidal sau tronconic) rețele de antene antene cu suprafețe reflectante antene cu lentile focalizatoare antene microstrip

4 2.1. Introducere

5 2.1.1 Mecanismul de radiație mecanismul prin care câmpul electromagnetic generat de sursă și ghidat spre antenă se desprinde pentru a forma o undă electromagnetică de spațiu liber Fie un conductor liniar în care sarcina electrică cu densitatea ρ v se deplasează cu viteza v; densitatea de curent în conductor este (5.1.1) J = v v pentru un conductor foarte subține, densitatea de sarcină devine liniară ρ l și (5.1.2) J = l v Dacă J este constant, atunci nu există radiație; pentru un curent variabil în timp într-un conductor de lungime l se poate scrie (5.1.3) dj dt = dv l dt = l a (5.1.4) l dj dt =l l a

6 2.1.1 Mecanismul de radiație pentru a se obține radiație electromagnetică trebuie să existe curent variabil în timp sau mișcare accelerată a sarcinii în cazul unui curent constant: nu există radiație pentru un conductor rectiliniu și infinit există radiație pentru un conductor curb, neomogen sau de lungime finită și neadaptat

7 2.1.1 Mecanismul de radiație

2.1.2 Dipol electric liniar în linia bifilară, câmpurile emise de fiecare conductor se anulează reciproc deoarece conductorii sunt apropiați crescând distanța dintre conductori, câmpul radiat devine

8 2.1.2 Dipol electric liniar în linia bifilară, câmpurile emise de fiecare conductor se anulează reciproc deoarece conductorii sunt apropiați crescând distanța dintre conductori, câmpul radiat devine nenul dipolul liniar (obținut prin îndoirea liniei la 90 ) face parte din categoria structurilor cu undă staționară jumătățile de dipol sunt în antifază și vor emite în spațiul liber sumându-se l=λ/2 dipol acordat, randament maxim

9 2.1.2 Dipol electric liniar lungimea electrică a unui dipol

10 2.1.3 Metode de analiză Metoda ecuațiilor integrale (Integral Equations IE) necunoscuta este parte a integrandului adecvată antenelor cu conductori filiformi și cu lungime mică (~λ) se parcurg 2 etape: formularea analitică completă a problemei metode numerice de rezolvare a ecuațiilor (de ex. metoda momentelor) cele mai cunoscute variante: ecuații integrale pentru câmpul electric (Electric Field Integral Equations EFIE) condiții la limită pentru câmpul electric tangențial ecuații integrale pentru câmpul magnetic (Magnetic Field Integral Equations MFIE) condiții la limită pentru curentul electric indus

11 2.1.3 Metode de analiză Metoda difracției (bazată pe teoria geometrică a difracției) Geometrical Theory of Diffraction GTD, extensie a Geometrical Optics GO adecvată antenelor de dimensiuni mari (>>λ) introduce mecanisme de difracție în optica geometrică pentru a evita limitările acesteia Metode hibride

12 2.2 Radiația dipolului electric dipolul electric de lungime foarte mică este sursă elementară de radiație se utilizează coordonate sferice

13 2.2 Tipuri de dipol electric dipol infinitezimal: l<λ/50 (curent constant) dipol mic: λ/50<l<λ/10 (curent triunghiular) dipol cu undă staționară: λ/2<l<4λ (curent sinusoidal)

14 Se utilizează potențialul vector rezolvând ecuația Helmholtz neomogenă (2.2.1) 2 A z r k 2 0 A z r = 0 J z, k 0 = 0 0 se presupune că, pentru distanțe mari (r>>l) A z (r, φ, θ) = A z (r) și se obține [ 1 d d r 2 dr r2 dr k ] (2.2.2) 2 A r = J 0 z 0 z Se face apel la funcția Green scalară ce satisface ecuația (în coordonate sferice): și are forma 2.2 Dipolul electric; funcția Green (2.2.3) [ 2] 1 d d r 2 dr r2 dr k G 0 0 r = r (2.2.4) G 0 r = e jk 0 r 4 r

15 2.2 Dipolul electric; funcția Green Soluția ecuației (2.2.1) este de forma (2.2.5) A z r = 0 4 unde V 0 este volumul ce conține sursa. e jk 0 r I 0 l este numit momentul dipolului electric infinitezimal pentru un dipol mic (cu distribuție de curent triunghiulară) r V 0 J z dv 0 Pentru un dipol infinitezimal parcurs de un curent constant I 0 se obține l /2 (2.2.6) J z dv 0 = I 0 dl=i 0 l l /2 V 0 (2.2.7) I z z ={ I 0 1 2z/l, 0 z l /2 I 0 1 2z/l, l /2 z 0

16 2.2 Dipolul electric; curenți și pentru (2.2.6) se obține (2.2.8) 0 l /2 l /2 I 0 1 2z/l dz 0 I 0 1 2z/l dz= I 0 l 2 în continuare se va utiliza doar relația pentru dipolul infinitezimal pentru potențialul vector se va obține (2.2.9) A z r = 0l I 0 4 e jk 0 r r câmpul electromagnetic se determină din (2.2.10) H r = 1 0 A z r (2.2.11) E r = j A z r j 0 0 A z r

17 2.2 Dipolul electric în coordonate sferice (2.2.12) A z r = k A z r = r cos sin A z r = A r A (2.2.13) A r = r A z cos, A = A z sin se au în vedere transformările de coordonate (2.2.14) [ r ]=[ sin cos sin sin cos ] cos cos cos sin sin sin cos 0 [ i j k ] și (2.2.15) A z r =[ 1 r r ra 1 r A r ]

18 2.2 Dipolul electric; componente câmp câmpul magnetic este atunci (2.2.16) H r =H r = l I jk r 1 r 2 e jk r 0 sin în locul relației (2.2.11) este preferabilă utilizarea ecuației Maxwell (2.2.17) și având în vedere (2.2.18) H r = H = r [ E r = 1 j 0 H r 1 rsin H sin ] [ 1 r r ] r H se obține (2.2.19) E r = j l I k 0 jk 0 r 1 2 r 3 e jk r 0 cos r j l I k 0 k 2 0 r jk 0 r 1 2 r 3 e j k 0r sin

19 2.2 Dipolul electric; zone de câmp spațiul liber din jurul antenei este divizat în trei zone: zona apropiată reactivă zona apropiată de emisie (Fresnel) zona îndepărtată de emisie (Fraunhofer) Se consideră zona îndepărtată pentru care k 0 r >>1 zonele apropiate corespund termenilor în r -2 și r -3 zona îndepărtată corespunde termenilor în r -1 din (2.2.16) și (2.2.19) se obțin pentru zona îndepărtată (2.2.20) H r =H r = jk 0 l I 0 e jk r 0 sin 4 r (2.2.21) E r =E = j k 0 l I 0 0 e jk r 0 sin 4 r relații ce satisfac ecuația undelor sferice (2.2.22) 0 H r = r E r

20 2.3 Parametrii fundamentali ai antenelor Frecvența de lucru și banda de trecere În intervalul de frecvențe în care adaptarea antenei la fider se realizează cu un factor de undă staționară mai mic de 1,1 se consideră că antena funcționează corect Frecvența de lucru f 0 este frecvența pentru care antena este perfect adaptată la fider =1 Banda de trecere B este dată de variația relativă a frecvenței pentru care antena funcționează corect (2.3.1) B= f max f min f Diagrame de radiație = f f 0 = f f 0 [ 100%] reprezentarea (tridimensională) a unei funcții F(θ,ϕ) a valorilor relative ale intensității câmpului sau ale puterii radiate în raport cu unghiurile θ și ϕ pentru valori constante ale distanței r de la punctul de măsură (în zona Fraunhofer) și antenă, raportate la valorile maxime corespunzătoare

21 2.3.2 Diagrame de radiație se utilizează diagrame bidimensionale care reprezintă curbe obținute prin secționarea suprafețelor în plane adecvat selectate Diagrame de câmp E, (2.3.2) F E, = E M pentru dipolul electric se obține E, (2.3.3) F E, = = sin E /2,

22 Diagrame de putere (2.3.4) Diagrame de radiație E, 2 F P, = E M 2 Puterea radiată de antenă în zona îndepărtată este dată de vectorul Poynting (2.3.5) P, = 1 2 R E H * = 1 2 li 0 2 k 0 2 Z 0 4 r 2 sin 2 r iar pentru dipol (2.3.6) F P, = P, P /2, =sin2

23 2.3.3 Directivitate deschiderea unghiulară = unghiul θ0 dintre punctele de pe diagramă în care puterea radiată scade cu 3dB față de puterea maximă Directivitatea Intesitatea de radiaţie pe direcţia, (5.3.7) D, = Intesitatea de radiaţie a sursei izotrope = P, Intensitatea de radiație pe o direcție dată este definită ca puterea radiată de antenă în unitatea de unghi solid și este egală cu produsul dintre densitatea de radiație (egală cu vectorul Poynting mediat, real) și pătratul distanței până în punctul respectiv: P 0

24 2.3.3 Directivitate (2.3.8) P, =r 2 S r, [W /sr ] Puterea totală radiată de antenă în zona îndepărtată este (2.3.9) P= P, ds S unde S este o suprafață ce înconjoară complet antena. Pentru un radiator izotrop (2.3.10) de unde (2.3.11) P 0 = S P 0, ds=p 0 P 0 =P 0 /4 cu care directivitatea devine D, = P, (2.3.12) P 0 d =4 P 0 =4 P, P 0

25 2.3.3 Directivitatea dipolului electric pentru dipolul electric, puterea radiată este (2.3.13) P= l I 0 2 k din (2.3.13) (2.3.8) se găsește pentru dipol: (2.3.14) sin 2 d d = l I 0 2 k D, =4 l I 0 2 k sin 2 /32 k li 0 2 /12 = 3 2 sin2 pe direcția de maximă intensitate de radiație θ 0 = π/2, ϕ 0 =0 directivitatea este maximă: (2.3.15) D max =D 0 = P max P 0 =4 P max P =1,5 se definesc directivități parțiale pe direcțiile de polarizare D 0 =D D (2.3.16)

26 2.3.4 Câștigul antenei Câștigul pe o anumită direcție este definit ca raportul dintre intensitatea de radiație a antenei și intensitatea de radiație a unei antene izotrope, ambele alimentate cu aceeași putere Pin: (2.3.17) G, = P, =4 P, P 0 P in =const P in Câștigul unei antene este un parametru ce descrie eficiența antenei, pe când directivitatea măsoară doar proprietățile directive ale acesteia Dacă prin η A se notează randamentul sau eficiența globală antenei, definit prin raportul dintre puterea radiată de antenă și puterea aplicată acesteia (2.3.18) A =P / P in câștigul poate fi scris sub forma (2.3.19) G, = A 4 P, = P A D,

27 2.3.4 Câștigul antenei câștigul maxim se va afla pe direcția de maximă directivitate sau de radiație maximă (2.3.20) G, max =G M = A D 0 eficiența antenei η A este dată de (2.3.21) A = c d R η c pierderile în conductori η d pierderi în dielectrici η R = 1- Γ 2 pierderi prin reflexie

28 2.3.5 Impedanța de intrare impedanța pe care o are antena la punctul de conectare cu linia de alimentare, fiind în general o mărime complexă (2.3.22) Z A =R A j X A

29 2.3.5 Impedanța de intrare în condiții de adaptare jumătate din puterea captată este furnizată sarcinii propriuzise iar cealaltă jumătate (P+P P ) este împrăștiată (radiată) (P) și disipată pe rezistența de pierderi (P P ) la antenă fără pierderi (R P =0) numai jumătate din puterea recepționată ajunge pe sarcină iar cealaltă jumătate este reradiată (împrăștiată), de unde noțiunea de arie efectivă

30 2.3.6 Polarizarea polarizarea undelor emise de către antenă pe direcția specificată (dacă direcția nu este specificată atunci se ia direcția de directivitate maximă)

31 2.4 Tipuri de antene

32 2.4 Dipolul radiant

33 2.4 Antena în sfert de lambda și dipolul îndoit

34 2.4 Arii de antene; controlul fazei

35 2.4 Arii de antene; controlul fazei

36 2.4 Arii de antene

37 2.4 Arii de antene; dipol cu reflector

38 2.4 Antene Yagi

39 2.4 Antene cu reflector diedru

40 2.4 Antene cu reflector paraboloid

41 2.4 Antene Horn

42 2.4 Lentile

43 2.4 Arii de lentile

44 2.4 Antene microstrip

Σχετικά έγγραφα

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare 1 Planul în spaţiu Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru 2 Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Fie reperul R(O, i, j, k ) în spaţiu. Numim normala a unui plan, un vector perpendicular pe