antene sa specijalnim karakteristikama
Post on 13-Jul-2015
283 Views
Preview:
TRANSCRIPT
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 1/14
Yagi-Uda antene
Yagi-Uda antenu su konstruisali Japanski istraživači H. Yagi i S. Uda sa Tokijskog
Univerziteta još 1926 godine za potrebe Japanske carske vojske. Ovaj tip antene se sastoji iz
niza dipola (elemenata antene) od kojih je samo jedan aktivan (vezan je za napajanje) a ostali
su pasivni (kratkospojeni su). Zbog međusobne indukcije i u pasivnim dipolima će teći struja.
Pasivni dipoli se mogu podeliti u dve grupe:
- grupa dipola koji se nazivaju direktori
- grupa dipola koji se nazivaju reflektori
Direktore predstavljaju pasivni dipoli koji su na nosaču antene raspoređeni u pravcu
prijema signala, u prostoru između aktivnog dipola i predajnika ako antena radi u prijemnomrežimu, odnosno dipoli koji su na nosaču antene raspoređeni u pravcu zračenja antene između
aktivnog dipola i prijemnika ako antena radi u predajnom režimu (slika 1).
Reflektori su dipoli koji se nalaze iza aktivnog dipola u odnosu na predajnik
(prijemnik) kao što je prikazano na slici 1.
Aktivni dipol je nešto malo kraći od polovine talasne dužine (λ /2) elektromagnetskog
talasa koji se emituje (prima) Yagi-Uda antenom. Reflektori su malo duži od aktivnog dipola
a direktori malo kraći od njega (slika1).
Slika 1. Arhitektura tipične Yagi-Uda antene koja ima ukupno šest antenskih elemenata
(jedan aktivni dipol, jedan reflektor i četiri direktora)
Tipična moderna Yagi-Uda antena sa šest elemenata antene sa dužinama dipola i
rastojanjima između nih data je na slici 1. Ona ima četiri direktora, jedan aktivni dipol i jedan
reflektor. Elementi antene se nalaze na metalnom nosaču i izolovani su u električnom smislu
od njega. Na slici je prikazano napajanje aktivnog dipola sa linijom za napajnje koja
predstavlja dvožični vod impedanse 300 Ω . Ako se koriste sklopovi za prilagođenje antene na
vodove različite impedanse u praktičnoj primeni je čest skučaj napajanja vodovima
impedanse 50 Ω i 75 Ω . Tipično pojačanje ove antene sa šest elemenata se kreće između 12
dB i 16 dB. Dijagram zrašenja u azimutalnoj i elevacionoj ravni je prikazana na slici 2.
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 2/14
Slika 2. Dijagram zračenja u azimutalnoj i elevacionoj ravni Yagi-Uda antene sa šest
elemenata
Ova antena je pripada rezonatnim ili uskopojasnim (kanalskim) antenama. Radna
frekvencija antene može da odstupa od centralne (rezonantne) frekvencije najviše ± 10 %.
Blago proširenje propusnog opsega se može postići povećanjem dužine reflektora i
skraćivanjem dužine direktora, kao i povećanjem debljine dipola.
Slika 3. Položaj reflektorske ravni u odnosu na aktivni dipol i direktorePovećanjem broja direktora se u manjoj meri može i povećati pojačanje antene. Za
više od šest direktora postavlja se 2-4 reflektora. Za manje od od šest direktora postavlja se 1-
2 reflektora. Reflektori se postavljaju jedan iznad drugog u vertikalnoj ravni formirajući tako
svojevrsnu reflektujuću ravan koja smanjuje list zračenja unazad i povećava usmerenost
antene (Slika 3). Primeri pojedinih Yagi-Uda antena sa reflektorskim ravnima date su na
slikama 4.a-4.b
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 3/14
(a) (b)
Slika 4. Primeri konkretne realizacije Yagi-Uda antene
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 4/14
Antene sa specijalnim karakteristikama
U opštem slučaju antene koje imaju specijalne karakteristike mogu da se svrstaju u
dve grupe:
- širokopojasne antene
- frekvencijski nezavisne antene
Širokopojasne antene imaju približno konstantnu ulaznu impedansu i
zadovoljavajuću karaktersitiku zračenja i pojačanje unutar šireg frekvencijskog opsega. Ove
antene ne moraju biti frekvencijski nezavisne u tom smislu da osim ulazne impedanse i ostali
parametri antene kao što su karakteristika zračenja antene, pojačanje i polarizacija budu
približno konstantne u širem frekvencijskom opsegu.
Frekvencijski nezavisne antene imaju približno konstantnu impedansu, karakteristiku
zračenju antene, pojačanje i polarizaciju unutar šireg frekvencijskog opsega.
Širokopojasne antene
Tipični primeri osnovnih širokopojasnih antena su „vulkanski dim” i Alpina horn
antena. Postepeni prelaz sa koaksijalnog voda ili simetričnog dvožičnog voda na zračeću
strukturu obezbeđuje približno konstantnu ulaznu impedansu u širem frekvencijskom opsegu.
Vulkanski dim antena predstavlja postepeni blagi prelaz sa koaksijalnog voda na
zračeću strukturu. Na slici 1. je dat prikaz ove antene
Slika 1. Vulkanski dim antena
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 5/14
Alpina horn antena predstavlja postepeni blagi prelaz sa simetričnog dvožičnog voda
na zračeću strukturu. Na slici 2. je dat prikaz ove antene
Slika 2. Alpina horn antenaMaksimalna (gornja) radna frekvencija odnosno minimalna talasna dužina ove antene
je ograničena međusobnim rastojanjem provodnika voda kojim se napaja antena
10
g d
λ =
Minimalna (donja) radna frekvencija odnosno maksimalna talasna dužina ove antene je
ograničena otvorom antene
2
d Dλ
=
Na osnovu ovoga može se proračunati radni frekvencijski opseg antene koji zavisi od fizičke
konstrukcije antene
d
D
d
D
f
f B
g
d ⋅=⋅⋅
===5
1
10
2
min
max
λ
λ
Za slučaj D = 1000d ( D = 1 m d = 1 mm) za širinu propusnog opsega Alpina horn antene
dobija se B=200:1.
Na slici 3 je prikazana praktična realizacija Alpina horn antene koja se napaja
koaksijalnim kablom impedanse 50 Ω .
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 6/14
Slika 3. Praktična realizacija Alpina horn antene
Frekvencijski nezavisne antene
Frekvencijski nezavisne antene su zasnovane na Remzijevom ( Ramsey) principu
frekvencijske nezavisnosti. Ovaj princip glasi: Ulazna impedansa i krakteristika zračenjaantene biće frekvencijski nezavisne ako se geometrujski oblik antene može opisati samo
preko uglova antene (geometrujski oblik antene se može predstaviati u funkciji uglova
antene). Remzijev princip je izveden iz Mušiakeove postavke samo-komplemetranih antena.
Samo-komplementarne antene su one antene kod kojih se rotacijom ili translacijom u ravni
metalne zračeće površine mogu poklopiti sa površinama nezračećih otvora u ravni. Da bi ovaj
uslov teorijski bio ispunjen antene bi morale da imaju beskonačne dimenzije. Primeri tri
teorijske samo-komplemetarne antene beskonačnih dimenzije date su na slikama 4.a-4.c
Slika 4. Primeri tri samo-komplemetarne antene koje ispunjavaju Mušiakeove postavke
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 7/14
Teorijska ulazna impedansa samo-komplemetarnih antena je Z 0/2=188 Ω . U realnom
slučaju praktično se ne može realizovati antena beskonačnih dimezija. Zato realne samo-
komplemetarne antene konačnih dimenzija imaju približne karakteristike idealnih teorijskih
samo-komplemetarni antena.
Frekvencijski nezavisna planarna logaritamska spiralna antena
Frekvencijski nezavisna planarna logaritamska spiralna antena (ili kraće planarna log-
spiralna antena) u osnovi se bazira na planarnoj konstrukciji čije su površine ograničene
matematičkom log-spiralom. Jednačina matematičke log-spirale je
ar ar lnlnili ⋅θ==θ
gde r predstavlja udaljenost tačke P na spirali od centra spirale, θ je ugao tačke u odnosu na
osu x a a predstavlja konstantu spirale. Na slici 5. je prikazana konkretna matematička log-
spirala koja se koristi za realizaciju frekvencijski nezavisne planarne logaritamske spiralne
antene.
Slika 5. Log-spirala koja se koristi za realizaciju frekvencijski nezavisne planarne
logaritamske spiralne antene
Počevši od prvobitne jednačine
ar ar lnlnili ⋅θ==θ
Diferenciranjem jednačine spirale po θ lako se izvodi i sledeća relacija
β=
θ=
tan
1
d
d ln
r
r
a
i na kraju se dobija izraz
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 8/14
r lntan ⋅β=θ
Na osnovu konkretnih geometrijskih parametara sa slike 5 koji nameću uslov da za
ugao θ = 0 rad imamo vrednost r = 1 i za ugao θ = π rad imamo vrednost r = 2 dobija se
za
β = 77.6° i konstantu spirale a = 1.247.
U planarnoj tehnici zračeće metalne površine su ograničene sa četiri matematičke log-
spirale čije su jednačine
θ= ar 1
δ−θ= ar 2
π−θ= ar 3
δ−π−θ
= ar 4
gde je δ ugaoni pomeraj spirale u ravni. Izgled planarne log-spiralne antene ograničene sa
četri matematičke log-spirale dat je na slici 6.
Slika 6. Izgled planarne log-spiralne antene ograničene sa četri matematičke log-spirale
Ako se za ugao δ uzme vrednost π /2 dobija se samokomplemetrna planarna antena
čiji je naziv Dajsonova planarna log-spiralna antena. U centru spirale se nalaze terminalni
konektori za napajanje antene. Maksimalna (gornja) radna frekvencija odnosno minimalna
talasna dužina ove antene je ograničena međusobnim rastojanjem dva spiralna kraka antene u
centru antene na koje se spajaju terminalni konektori pomoću kojih se napaja antena
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 9/14
10
g d
λ =
Minimalna (donja) radna frekvencija odnosno maksimalna talasna dužina ove antene jeograničena otvorom antene koji je predstavljen međusobnim rastojanjem u ravni završetka
oba spiralna kraka
2
d Dλ
=
Na osnovu ovoga može se proračunati radni frekvencijski opseg antene koji zavisi od fizičke
konstrukcije antene
d
D
d
D
f
f B
g
d ⋅=⋅⋅
===5
1
10
2
min
max
λ
λ
Za slučaj D = 25d ( D = 25 mm d = 1 mm) za širinu propusnog opsega Dajsonove planarne
log-spiralne antene dobija se B=5:1.
Beskonačna Dajsonova planarna log-spiralna antena ima beskonačni propusni opseg i
teorijsku impedansu od Z 0/2=188 Ω . Ograničena Dajsonova planarna log-spiralna antena ima
ograničeni propusni opseg i realnu impedansu od 50 Ω do 100 Ω .
Frekvencijski nezavisna konusna logaritamska spiralna antena
Projekcijom planarne logaritamske spiralne antena na konusnu površinu nastaje
frekvencijski nezavisna konusna logaritamska spiralna antena. Ako je iskorišćena Dajsonova planarna log-spiralna antena nastaje Dajsonova konusna log-spiralna antena (Slika 7).
Frekvencijski opseg Dajsonove konusne log-spiralne antene je isti kao i kod korišćene
Dajsonove planarne logaritamske spiralne antene ali je kod konusne varijante potisnut list
zračenja unazad uz širenje glavnog lista zračenja unapred i ostvarenje cirkularne polarizacije.
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 10/14
Slika 7. Dajsonova konusna log-spiralna antena
Ulazna impedansa beskonačna Dajsonova konusne log-spiralna antena je Z 0/2=188 Ω .
Ograničena Dajsonova konusna log-spiralna antena ima ograničeni propusni opseg i realnu
impedansu od 100 Ω do 150 Ω . Tipična vrednost vršnog ugla konusa je negde između 20° i
60°.
Frekvencijski nezavisna log-periodična antena
Frekvencijski nezavisna log-periodična antena se sastoji od niza dipola koji su
montirani na nosaču antene. Dužine dipola i njihovo međusobo rastojanje raste krećući se u
odnosu na vrh antene po zakonu
k s
s
l
l
n
n
n
n==
++ 11
dok vrhovi dipola zadržavaju ugao α u odnosu na vrh antene (Slika 8). U izrazu k predstavlja
konstantu log-periodične antene.
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 11/14
Slika 8. Arhitektura log-periodične antene
Može se videti da se cela konstrukcija antene može opisati preko ugla antene α čime
je obezbeđena frekvencijska nezavisnost (Slika 9).
Slika 8. Arhitektura log-periodične antene se može opisati preko ugla antene
Sa slike se može videti da dva susedna dipola imaju suprotnu orijentaciju napajanja
koja se lako rešava izradom nosača preko dve nosačke grede i naizmeničnom konekcijom
dipola na jednu li drugu gredu (slika 9)
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 12/14
Slika 9. Varijante napajanja dipola log-periodične antene: (a) varijatna sa 50 Ω koaksijalnim
vodom i (b) varijanta sa 300 Ω paricom
Dipoli antene mogu da pripadaju jednom od tri regiona koji mogu da se uoče na log-
periodičnoj anteni. To su:
- čeoni neaktivni region ili region transmisione linije
- aktivni region ili zračeći region
- zadnji nekativni region ili stop region
Čeoni neaktivni region ili region transmisione linije čine dipoli čija je dužina manja
od polovine talasne dužine talasa koji se emituje ili prima (l < λ /2). Dipoli u ovom regionu
imaju izrazito kapacitivni karakter i za radnu frekvenciju se ponašaju kao provodni elementi
koji vode signal do aktivnog regiona.
Aktivni region ili zračeći čine dipoli čija je dužina približno jednaka polovini talasne
dužine talasa koji se emituje ili prima (l ≈ λ /2). Dipoli u ovom regionu imaju samo otporni
karakter (reaktansa teži 0) i sposobni su da emituju ili primaju elektromagnetski talas na
radnoj frekvenciji f = c/λ .
Zadnji neaktivni region ili stop region čine dipoli čija je dužina veća od polovine
talasne dužine talasa koji se emituje ili prima (l > λ /2). Dipoli u ovom regionu imaju izrazito
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 13/14
induktivni karakter i za radnu frekvenciju se ponašaju kao neprovodni elementi koji blokiraju
dalje vođenje signala iza aktivnog regiona.
Za dva elementa koji pripadaju aktivnom regionu važi
1
111
+
+++==≈=
n
n
n
n
n
n
n
n
f
f
f
c
f
c
k l
l
λ
λ
Tako da se odnos radnih frekvencija dva susedna dipola u aktivnom regionu može predstaviti
k f f
k f
f nn
n
n 1logloglog
11
1 =−⇒= ++
Primenom ove relacije na sve dipole koji promenom radne frekvencije mogu pripadati
aktivnom regionu dobija se
k f f f f f f f f nnnn
1logloglogloglogloglogloglog 122311 =−=−==−=−
−+
Odavde se može videti da log-periodična antena ima puno bliskih radnih frekvencija koje su
međusobno udaljene za log(1/k ) (slika 10)
Slika 10. Radne frekvencije log-periodične antene
Geometrija antene se u potpunosti može opisati preko vršnog ugla antene α tako da
važi (slika 8)
1
1
1
1
1
1
1
211
22tan+
+
+
+
+
+
+ ⋅
−
=−
=−
=n
n
n
n
n
n
nn
s
l k
s
k
l
l
s
l l
α
Kada je dipol aktivan onda važi l n+1 ≈ λ /2 tako da se gore navedeni izraz može napisati kao
λ
λ
α s
k
s
k
n ⋅−
=⋅
−
=+ 4
)/1(14
11
tan1
gde je α vršni ugao log-periodične antene, k predstavlja konstantu log-periodične antene a sλ
predstavlja rastojanje dipola u talasnim dužinama.
5/12/2018 Antene Sa Specijalnim Karakteristikama - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/antene-sa-specijalnim-karakteristikama 14/14
Kako se radna frekvencija menja tako pojedini dipoli prelaze iz aktivnog u neaktivno
stanje i obrnuto. Stoga se sa promenom radne frekvencije i aktivni region pomera i to od vrha
antene ka njenom širem kraju pri smanjivanju frekvencije elektromagnetskog talasa i od šireg
kraja ka vrhu pri povećanju frekvencije elektromagnetskog talasa koji se emituje ili primalog-periodičnom antenom.
Propusni opseg antene se može izraziti kao odnos najveće i najmanje frekvencije
elektromagnetskog talasa koji može da se emituje (primi) log-periodičnom antenom
n
n
n
n
n
n
n
k l
l
c
c
f
f
f
f B ======
++
+
+
11
1
1
1
1
min
max
λ
λ
λ
λ
Na slikama 11.a-11.b prikazane su konkretne realizacije nekoh log-periodičnih antena
(a)
(b)
Slika 11. Primeri konkretne realizacije log-periodične antene
top related