STUDIUL ANTENELOR FOLOSITE IN RADIOCOMUNICATII

1. Obiective

      Determinarea proprietatilor antenelor si studierea modului de conectare a acestora la receptor (emitator).

2.Introducere teoretica

2.1 Antena dipol in landa pe doi

      Antena dipol in landa/2 este raspandita la frecvente mai mari decat 30 MHz (domeniul undelor metrice si decimetrice). Deoarece are dimensiunile comparabile cu lungimea de unda, in lungul ei apar unde stationare. Dipolul simetric este compus din doua conductoare coliniare, capetele in din mijloc fiind legate la receptor (Fig.1). Se poate observa in Fig. 1.c, ca tensiunea este maxima la capetele antenei, iar curentul este maxim la mijlocul antenei.

Fig. 1 a. antena dipol , b caracteristica de directivitate in plan orizontal, c distributia tensiunii ai a curentului

Deoarece la frecvente inalte, undele radio se transmit in general cu componenta electrica orizontala rezulta ca cele doua conductoare trebuie sa fie orizontale. Impedanta dipolului depinde de diametrul conductoarelor, in Fig. 2 vizualizindu-se variatia rezistentei si reactantei echivalente functie de raportul l/landa (graficul din Fig. 2 fiind valabil numai in cazul conductoarelor foarte subtiri). Se observa ca pentru l/landa = 0,5,  impedanta dipolului este pur ohmica si are valoarea Ra = 75 ohmi. Astfel, fiecare antena corespunzator lungimii sale l, va rezona la o anumita frecventa si va avea o comportare asemanatoare circuitului acordat serie (RLC). Rezulta ca la o prima vedere, pentru receptionarea mai multor frecvente, de exemplu mai multe canale radio, avem nevoie de mai multe antene, fiecare construita sa rezoneze pe frecventa purtatoare a canalului selectat. Cu cat conductorul este mai gros cu atat banda este mai larga, de exemplu, un canal de televiziune are o banda de 8 MHz deci antena trebuie sa aiba cel putin aceasi banda.

Fig. 2 Variatia rezistentei si reactantei echivalente functie de raportul l/landa

Un alt tip de dipol in landa/2 este dipolul indoit sau inchis si este format din doi dipoli paraleli conectati intre ei la capetele libere. Distanta dintre dipoli nu trebuie sa depaseasca l /10 din lungimea lor (vezi Fig. 3). Pentru acest dipol avem Ra = 300 Ohmi .

Fig. 3 Dipolul indoit in landa/2- distributia curentului si a tensiunii la rezonanta

     Antenele YAGI sunt cele mai raspandite ele fiind realizate dintr-un dipol indoit in landa/2 (se mai numeste si vibrator) si o serie de elemente pasive plasate de o parte si de alta a dipolului. In Fig. 4. este reprezentata antena YAGI cu 3 elemente. Reflectorul este plasat la o distanta landa/4 de vibrator, avind lr > landa/2 si un caracter inductiv. El reflecta unda incidenta spre vibrator si deci determina cresterea de doua ori a intensitatii cimpului electric in jurul dipolului activ (vibratorul). Totodata, reflectorul atenueaza undele ce vin din sens invers, avind un aport semnificativ la diminuarea (dar nu inlatura complet) efectele nedorite ale propagarii multicale.

      Directorul este un dipol cu ld < landa/2 si are caracter capacitiv. El este plasat in fata dipolului, astfel incit cimpul focalizat de el inspre dipol sa se adune cu cel din jurul dipolului. Din cele expuse rezulta o crestere a semnalului furnizat si o accentuare a caracteristicii de directivitate (ce determina cresterea raportului fata/spate a antenei). Dintre parametrii generici ai antenelor, cei mai importanti sunt: impedanta antenei, bandai directivitatea.

Impedanta antenei - Za este raportul dintre tensiune si curent la bornele antenei,

banda de trecere a antenei se defineste ca diferenta intre frecventele f1 si f2 pentru care pe linia de alimentare a antenei s-ar obtine, din cauza dezadaptarii, un factor de unda stationara egal cu 2.Directivitatea antenei este reprezentarea in coordonate polare si reprezinta o variatiei in plan orizontal sau vertical a tensiunii din antena.

Fig.4 Antena YAGI cu trei elemente

      Castigul antenei de receptie este raportul dintre tensiunea la bornele antenei considerate (U1) si tensiunea la bornele unei antene etalon (U2) ce lucreaza exact in aceasi pozitie si aceleasi conditii. Impedanta de sarcina a celor doua antene trebuie sa fie aceeasi. Antena etalon se considera, de obicei, dipolul drept in landa/2 sau antena izotropa (punctiforma). Daca cistigul se ofera in dBi, atunci ia ca referinta antena izotropa, iar daca se ofera in dBd, se refera la un dipol.

      Raportul fata spate este raportul dintre tensiunea obtinuta la bornele antenei cand receptia se face pe directia maximului principal al caracteristicii de directivitate si tensiunea obtinuta cand receptia se face pe directia opusa. Se noteaza cu F/S si se exprima in decibeli. Conectarea antenelor dipol in landa/2 la receptor se realizeaza prin linii de transmisie TEM (cablu coaxial sau bifilar), care au parametrii conform tabelului 1.

      Regimul de unda progresiva pe linia de transmisie se realizeaza daca linia este inchisa la ambele capete pe impedanta sa caracteristica (Z0). Astfel, la conectarea unei antene dipol in landa/2, la cablul bifilar sau coaxial trebuie sa se tina seama de adaptarea impedantei cablului la impedanta antenei, si, in plus, in cazul cablului coaxial sa se faca trecerea de la simetrie la asimetrie (antena este simetrica, cablul coaxial fiind asimetric). Conectarea dipolului inchis la cablul bifilar se poate face direct (Fig. 5, a) intrucat Za = Z0 = 300 Ohmi si, atat antena cat si cablul sunt simetrice.

      Cand legatura se face prin cablul coaxial, (Fig.5, b) bucla de cablu in landa/2 defazeaza cu 180° semnalul de la unul din capetele dipolului, aplicandu-l cablului de coborare in faza, cu semnalul de la celalalt capat. Pe de alta parte, impedanta de 300 Ohmi a antenei, consta din doua impedante de 150 Ohmi, intre fiecare borna si masa. Datorita buclei in landa/2 cele doua impedante de 150 Ohmi apar in paralel la intrarea cablului de coborare, realizandu-se astfel adaptarea. De mentionat ca lungimea buclei trebuie sa fie jumatate din lungimea de unda in cablul coaxial.

      In cazul conectarii dipol simplu la cablu coaxial, adaptarea este realizata si prin conectarea directa, deoarece Za=Z0=75 Ohmi. Pentru a se realiza trecerea de la simetric la asimetric (ceruta de protectia la perturbatii) se procedeaza ca in fig. 6.a. Impedanta dipolului simplu consta din doua impedante de 37,5 Ohmi, intre capete si masa.

Cablu	Impedanta caracteristica la 100m (dB)	Atenuare [dB/m]	Protectie la perturbatii	Timp de viata	Protectie la factori climatici
coaxial	75ohmi (asimetric)	6,5 dB/m  50 MHz 14 dB/m   200 MHz 26 dB/m   500 MHz 40 dB/m   800 MHz	foarte buna	5...8 ani	foarte buna
bifilar	300 Ohmi (simetric)	3 dB/m 50 MHz 7 dB/m 200 MHz 13 dB/m 500 MHz 18 dB/m 800 MHz	nu este protejat	1...3 ani	slab protejat

Tab.1 Valorile uzuale ale principalilor parametri ai cablurilor de radiofrecventa

Fig. 6 Tehnici de adaptare/simetrizare

vobuloscop, trei antene construite pentru 145Mhz, 450Mhz respectiv 432Mhz

microvoltmetru selectiv SMV85

4.1 Conectarea antenei dipol indoit la cablul coaxial

     Se vor confectiona buclele pentru cele trei antene, tinind cont de lungimea de unda in cablul coaxial, apoi se va face adaptarea si simetrizarea corespunzatoare adaptarii impedantelor. In practica bara de sprijin a elementelor antenei se face de obicei din metal si se leaga la pamant pentru a proteja primul tranzistor din circuitul de intrare al receptorului ampotriva descarcarilor electrice.

     Se foloseste microvoltmetrul selectiv in regimul de lucru (AVI) adica cu tasta respectiva apasata. In acest caz domeniul de masura pe instrumentul indicator este +/- 10 dB.

Tabelul 2

lR =425 mm dR =94 mm

lv =346 mm dD1=27 mm

lD1=258 mm dD2=77 mm

lbucla = 209 mm

Se conecteaza o antena YAGI la iesirea generatorului din microvoltmetru (atentie la mufa corespunzatoare domeniului de frecventa 300 MHz...1000 MHz) si o antena YAGI la intrarea in receptorul microvoltmetrului. Cele doua antene se pun la o distanta cat mai mare intre ele (de cel putin 10l ).

Etapele masuratorii sunt urmatoarele:

1 - se fixeaza frecventa de masura cu comutatorul de domenii si cu acordul receptorului.

2 - atenuatorul IF se pune pe 0 dB, iar atenuatorul FI pe 10 dB.

3 - comutatorul modurilor de demodulare se pune pe AM.

4 - tasta acordului automat al frecventei se apasa (AFC).

5 - se porneste generatorul intern.

6 - comutatorul etalonare/masura se pune in pozitia masura (apasat).

7 - se alege latimea de banda 120 KHz.

In aceasta situatie, generatorul este acordat pe frecventa receptorului in mod constant, aprinzandu-se becul rosu.

8 - se citeste atenuarea in cazul in care directiile celor doua antene sunt coliniare si sunt puse fata in fata.

9 - se scoate bucla de adaptare de la una din antene si se masoara atenuarea introdusa de dezadaptare prin comparatie cu masuratoarea de la punctul 8.

4.2 Studiul proprietatilor antenei dipol indoit prin introducerea reflectorului si a primilor doi directori

10. in situatia de la punctul 8 se procedeaza la scoaterea reflectorului si a celor doi directori in cazul antenei de receptie. Se masoara atenuarea in acest caz si se compara cu cea obtinuta anterior. In acest caz antena nu are fata sau spate si pentru a dovedi acest lucru se poate intoarce antena cu 180° si se face acelasi lucru ca si inainte.

11. se monteaza din nou reflectorul si se determina raportul fata-spate a antenei prin raportarea atenuarii masurate cand receptia se face din fata si a atenuarii cand receptia se face din spate.

12. se masoara castigul antenei de receptie prin introducerea reflectorului.

13. se monteaza primul director si se masoara din nou raportul fata-spate si castigul antenei. Se monteaza al doilea director si se masoara aceiasi parametri.

4.3 Determinarea benzii de trecere a unei antene

Cele doua antene sunt identice si se conecteaza una la iesirea generatorului vobulat si cealalta la dioda detectoare a vobuloscopului. Se fixeaza vobuloscopul in jurul frecventei de 475 MHz care este al 13-lea marker in cazul conectarii vobuloscopului in banda extinsa de 350¸ 500 MHz.

      Datorita faptului ca antena de emisie este selectiva in frecventa rezulta ca se va determina curba de selectivitate a sistemului format din cele doua antene si nu numai a antenei de receptie. Dar antenele fiind identice, banda de trecere citita de pe aceasta curba de selectivitate va avea o panta de cadere dubla fata de antena individuala, deci banda se modifica semnificativ.

      Diferenta dintre curba de selectivitate a sistemului format din cele doua antene si curba de selectivitate a unei singure antene consta in panta de cadere mai mare in cazul sistemului de antene.

      Citirea benzii de trecere de pe curba de selectivitate aratata de vobuloscop se face in felul urmator:

- se fixeaza palierul de atenuare "0" pe un reper al ecranului

- se mareste cu 3 dB nivelul de iesire al generatorului vobulat si se citesc frecventele la care se situeaza intersectiile curbei de selectivitate cu reperul dinainte stabilit. Diferenta dintre cele doua frecvente este tocmai banda de trecere.

Se face comparatie intre aceasta banda de trecere si banda unui canal TV.

      Se roteste cu un anumit unghi antena de receptie si se fac observatii asupra modificarilor intervenite in curba de selectivitate.

Se desface bucla de adaptare la una din antene si se fac observatii asupra modificarilor intervenite in curba de selectivitate.

Bibliografie

1. T.Niculescu, D.Danoiu - Antene TV de banda larga

2. A. Young, Communications

3. Note de curs - Cluj-Napoca