ELEMENTELE UNUI SISTEM DE ANTENA

ELEMENTELE UNUI SISTEM DE ANTENA

Nu este posibil ca elementele antenei sa fie considerate izolat unul fata de altul. Este necesar sa se ia in consideratie intregul sistem de antena si sa se optimizeze functionarea intregului sistem. Sistemul de antena poate fi impartit in trei parti principale: elementele antenei, feederul si blocul de adaptare, care sigura adaptarea perfecta intre antena si feeder.Feederul este folosit pentru a transfera puterea din locul in care este amplasata antena pana la receptor.

1. Feederul

Scopul unui feeder este de a transporta semnalul de radiofrecventa de la un punct la altul cu minimun de pierderi de semnal. Avand in vedere ca sunt transportate semnale de radiofrecventa, firele obisnuite ca acelea folosite pentru alimentarea de la retea sunt nepotrivite. Sunt necesare feedere cu caracteristici potrivite de radiofrecventa. Un feeder prost poate duce la degradarea intregului sistem de antena. Prin urmare, este foarte important sa se foloseasca un feeder potrivit.

Figura 4.Un sistem de antena

Comportarea unui feeder poate sa nu fie atat de clara cum ar putea parea la o prima vedere. Feederul are cateva caracteristici de care trebuie sa tinem seama.

1.1.Impedanta feederului

Una dintre primele caracteristici care trebuie stiute despre un feeder este impedanta. Asa cum orice antena are o anumita valoare de impedanta, cum un receptor sau un emitator au o impedanta de iesire, respectiv de intrare, un feeder are o impedanta caracteristica. Aceasta este foarte importanta deoarece trebuie adaptata impedantei receptorului sau emitatorului si impedantei antenei, daca vrem sa obtinem performantele maxime.

Impedanta feederului este determinata de o multime de factori. O importanta mare o au dimensiunile, precum si constanta dielectrica a mediului din interiorul si din jurul feederului. Prin controlarea acestor factori se pot fabrica feedere de impedantele dorite.

1. Unde stationare

Atunci cand intregul sistem de antena este perfect adaptat se obtine transferul maxim de putere. Cand nu se petrece acest lucru, ceea ce este cazul intr-o anumita masura in sistemele reale in feeder apar unde stationare.

Cand se transfera putere dintr-o sursa intr-o sarcina, transferul maxim are loc daca sursa si sarcina au aceeasi impedanta si spunem atunci ca sunt adaptate. In cazul unui feeder si al unei antene, feederul actioneaza ca o sursa si antena ca o sarcina. Daca este o adaptare proasta intre ele, numai o fractiune din putere va fi transferata din feeder in antena. Puterea ramasa in feeder nu poate sa dispara pur si simplu si este reflectata inapoi in feeder. Cand se intampla acest lucru, tensiunile si curentii din feeder se aduna si se scad in diferite puncte de-a lungul feederului. Rezultatul consta in formularea undelor stationare.

Modul in care se produce acest lucru poate fi prezentat prin analogie cu unduirea unei corzi (de sfoara). Daca un capat este lasat liber si celalalt este miscat in plan vertical, in sus si in jos, asa ca in Figura 5., se poate vedea miscarea undei de-a lungul corzii. Insa daca un capat al sforii este fixat, atunci se pot vedea unde stationare si puncte de maxim si de minim ale undelor.

Figura 5.Analogie cu undele stationare

Cand feederul si sarcina sunt perfect adaptate, curentul si tensiunea vor fi constante de-a lungul feederului, asa cum se poate vedea in Figura 6.

Daca impedanta de sarcina nu este adaptata cu cea a feederului, se creeaza o discontinuitate. Feederul vrea sa furnizeze un anumit raport intre tensiune si curent, in timp ce sarcina trebuie sa respecte legea lui Ohm si nu poate sa accepte acelasi raport tensiune/curent. Sa luam exemplul unui fededer de 50 ohmi in care intra o putere de 100W, ceea ce va da o tensiune de 70,7 volti si un curent de 1,414 amperi. O sarcina de 25 de ohmi va necesita o tensiune de 50 volti si un curent de 2 amperi pentru a disipa aceeasi putere. Pentru a rezolva aceeasta discontinuitate, puterea este reflectata si se formeaza unde stationare.

Figura 6.Valorile tensiunii si curentului de-a lungul unei linii perfect adaptate

Cand rezistenta de sarcina este mai mica decat impedanta feederului, apar tensiuni si curenti avand caracteristici prezentate in Figura 7. In acest caz, curentul total in punctul de sarcina este mai mare decat cel care ar aparea in cazul liniei perfect adaptate, in timp ce tensiunea este mai mica. Valorile curentului si tensiunii in lungul feederului variaza dupa cum se vede in figura. Pentru valori mici ale puterii reflectate, forma de unda este aproape sinusoidala, dar pentru valori mai mari devine mai asemanatoare cu o forma de unda sinusoidala redresata. Aceasta forma de unda consta din curentul si tensiunea undei directe insumate cu curentul si tensiunea puterii reflectate. La o distanta egala cu un sfert de lungime de unda fata de sarcina, tensiunile combinate dau un maxim in timp ce curentii dau un minim. La o distanta de o jumatate de lungime de unda, tensiunea si curentul rezultate sunt identice cu cele de la sarcina.

Rezistenta de sarcina este mai mica decat impedanta feederului

Rezistenta de sarcina este mai mare decat impedanta feederului

Figura 7.Amplitudinile curentului si tensiunii pentru o linie neadaptata

O situatie similara apare cand rezistenta de sarcina este mai mare decat impedanta feederului ; in acest caz insa, tensiunea totala la sarcina este mai mare decat in cazul adaptarii perfecte.Tensiunea atinge un minim la o distanta de un sfert de lungime de unda fata de sarcina, iar curentul are aici un maxim. Curentul si tensiunea sunt egale cu cele de la sarcina la o distanta de jumatate de lungime de unda fata de sarcina.

Adesea este necesar sa se masoare cantitatea de putere care se reflecta. Aceasta este importanta mai ales in cazul emitatoarelor, deoarece curentii sau tensiunile ridicate pot duce la defectarea feederului sau chiar a emitatorului daca ating valori mult prea mari. Parametrul care se foloseste de obicei pentru masurarea undelor stationare este numit factor de unda stationara (SWR=Standing Wawes Ratio) si este raportul intre valorile maxime si minime pe linie. In cele mai multe cazuri marimea luata in calcul este tensiunea (VSWR=VoltajSWR).

Factorul de unda stationara este raportul intre valorile maxime si minime ale undelor stationare dintr-un feeder. Coeficientul de reflexie (ρ) este definit ca raportul intre vectorul curent sau tensiune reflectata si vectorul curent sau tensiune directa. Prin urmare, factorul de unde stationare (SWR) este foarte usor de calculat. Valoarea minima a undei stationare este (1-ρ), iar valoarea maxima este (1+ρ). Factorul de unda stationara devine: SWR=1+ρ/1-ρ

De aici se poate vedea ca o linie perfect adaptata va da un factor de 1/1, in timp ce o linie complet neadaptata va da un factor ∞/1. Desi este perfect posibil sa se obtina VSWR mai mici decat unitatea, exista conventia ca factorul de unda stationara sa fie exprimat prin valori supraunitare.

Chiar daca tensiunea si curentul variaza in lungul feederului, valoarea puterii ramane constanta daca se ignora pierderile. Aceasta inseamna ca factorul de unda stationara ramane constant de-a lungul intregii lungimi a feederului.

Adesea pot fi masurate puterea directa si puterea reflectata. Cu toate acestea este usor sa se calculeze coeficientul de reflexie astfel:

unde: este puterea reflectata , si

este puterea directa

1.3. Pierderile

Un alt aspect important care priveste feederele este constituit de pierderile pe care le introduc intr-un sistem. Situatia ideala este ca la capatul feederului sa apara aceeasi putere care a intrat de la generator. In realitate, puterea de radiofrecventa care paraseste capatul indepartat al cablului este totdeauna mai mica decat cea de la intrare.

Exista mai multe motive pentru acest lucru. In primul rand, conductoarele feederului au o anumita rezistenta si, ca urmare, o parte din putere este disipata prin caldura. Pentru a reduce acest efect, conductorul se poate face mai gros, dar aceasta mareste dimensiunile intregului cablu si creste costurile.

O alta cauza a pierderilor provine de la dielectric. Intre conductoarele feederului se foloseste un material dielectric care actioneaza ca izolator si ca distantier, pentru a tine conductoarele la o anumita distanta. Dielectricele de proasta calitate pot sa disipe putere. Din acest motiv, multe dielectrice sunt semi-spatiate cu aer, majoritataa realizate din materiale plastice cu compartimente sau gauri. Daca umezeala patrunde in dielectric, ea poate duce la cresterea dramatica a pierderilor. De aceea, trebuie ca orice cablu care urmeaza a fi folosit afara sa fie bine inchis in izolatie.

In sfarsit, se poate pierde putere si prin radiatie. La multe tipuri de cablu puterea pierduta prin radiatie este relativ mica. Totusi, efectul invers poate fi suparator in unele cazuri. Daca feederul trece prin zone in care exista un nivel mare de zgomot, el poate capta niveluri semnificative de interferenta care pot afecta negativ receptia, in ciuda unei antene foarte bune si a unei localizari a antenei intr-un loc cu niveluri de interferenta slaba.

Pierderile introduse de anumite tipuri de feedere sunt proportionale cu lungimea lor. De aceea, valorile care specifica aceasta comportare sunt date in functie de lungimea cablului,de obicei pentru 10m. Ele sunt exprimate in decibeli. Frecventa are si ea o influenta, pierderile crescand cu frecventa. Prin urmare, o specificatie tipica pentru un cablu ar putea spune ca are o pierdere de 1,0dB la 100MHz si 3,8dB la 100MHz pe fiecare 10m. Pentru o functionare cat mai buna este necesar sa ne asiguram ca pierderile sunt minime, in conditiile pastrarii la niveluri rezonabile a pretului feederului.

1.4. Factorul de propagare

Cand un semnal se propaga in spatiul liber, el are viteza luminii. El s-ar deplasa si printr-un cablu cu aceeasi viteza, daca acesta nu ar contine material dielectric. Acest material este folosit pentru a distanta conductoarele din feeder si poate fi din material plastic sau chiar din aer. Viteza semnalului este redusa cu un factor de (1/S)^{1/2 ,} unde S este constanta dielectrica. Constanta dielectrica este totdeauna mai mare ca 1 si, de aceea , viteza de propagare este totdeauna mai mica decat viteza luminii. Pentru multe tipuri de feedere coaxiale factorul de propagare este in jurul valorii de 0,66 (adica viteza de propagare este de 0,66 din viteza luminii), desi in unele cazuri poate ajunge pana la numai 0,5 sau mai mult in altele. Pentru feedere deschise, factorul de propagare poate fi mult mai mare,ajungand pana la 0,98.

In afara de reducerea vitezei de propagare a semnalului, lungimea de unda se schimba si ea si este redusa cu acelasi factor. Aceasta rezulta din faptul ca, cu cat viteza este mai mica, cu atat distanta parcursa este mai mica in aceeasi unitate de timp. In multe cazuri aceasta nu creeaza probleme, dar pentru aplicatii in care feederul este taiat pentru a avea un anumit numar de lungimi de unda, poate fi crucial.

1.5. Tipuri de feedere

Exista mai multe tipuri de feedere care pot fi folosite in functie de cerintele aplicatiei. Unele sunt mai potrivite pentru aplicatii profesionale sau pentru cerinte foarte precise, in timp ce altele, cum ar fi binecunoscutul cablu coaxial, se comporta bine intr-o plaja larga de domenii.

5.1.Feederul coaxial

Acest tip de feeder este cel mai mult utilizat, gasindu-se in cele mai multe case pentru coborarea semnalului de televiziune sau pentru receptia Mfin VHF. In afara de aceasta, este folosit intr-un numar de domenii in care este necesar un feeder de radiofrecventa.

Feederul coaxial consta din doua conductoare concentrice, separate printr-un dielectric izolator, asa cum se arata in Figura 8. Conductorul interior poate fi monofilar sau multifilar, dar cel de exterior este de obicei o impletitura (tresa), asa cum se vede in figura 8. Exteriorul cablului este acoperit cu o teaca protectoare care previne patrunderea umezelii si asigura o protectie mecanica.

Figura 8.Sectiune transversala printr-un cablu coaxial

Cablul coaxial este cel mia des utilizat ca feeder. El are mai multe avantaje, inclusiv faptul ca nu este afectat de obiectele din jur. Aceasta inseamna ca poate fi utilizat in numeroase aplicatii. Desi el poate capta sau radia cantitati foarte mici de semnal, acestea sunt in general suficient de neinsemnate pentru a fi neglijate. Cand este necesara o ecranare mai buna, ecranul se poate face din doua straturi impletite. In unele cazuri poate fi facut din cupru solid, desi acesta il face foarte greu de indoit.

Cablul conduce curenti atat prin conductorul interior cat si prin cel exterior. Cum ei sunt egali, dar de sensuri contrare, campurile generate de ei se anuleaza reciproc in afara feederului si ramane un camp numai in interiorul conductorului. Acesta este motivul pentru care ele nu sunt afectate de proximitatea altor obiecte.

Exista mai multe tipuri de cabluri coaxiale. Caracteristica principala care le distinge este impedanta. Pentru cele mai multe aplicatii casnice si pentru televiziune a fost adoptata valoarea de 75 ohmi, standardizata. Pentru aplicatii comerciale, de radioamatori si profesionale se foloseste valoarea de 50 ohmi.

Impedanta este determinata de dimensiunile conductoarelor si de constanta dielectrica a materialului dintre ele. Ea se poate calcula cu formula:

Z₀=(138/ S) log ₁₀(D/d)

Unde: D este diametrul interior al conductorului exterior (al tresei)

d este diametrul exterior al conductorului interior

S este constanta dielectrica a materialului dintre cele doua conductoare

In afara de pierderile prin cablu pe care le-am prezentat, un alt aspect legat de feederul coaxial este acela ca el este ceea ce se numeste feeder asimetric. Aceasta inseamna ca unul dintre conductoare este legat la masa (la pamant). Asa cum ne asteptam, tresa este cea legata totdeauna la masa si actioneaza ca un ecran. Cablul coaxial fiind asimetric, inseamna ca el trebuie folosit numai cu sistemel care suporta feeder asimetric. Aceasta nu reprezinta in general nici o problema pentru emitatoare sau receptoare, dar unele antene cer feeder asimetric. In asemenea cazuri trbuie folosit un balun. Acesta este in esenta un transformator de radiofrecventa folosit pentru a izola semnalele de conectarea directa la masa.

5.Feederul simetric

In unele cazuri trebuie folosite feedere simetrice pentru anumite sisteme de antene. Uneori numit feeder bifilar sau pereche, acest tip de cablu nu este la fel de folosit ca acela coaxial, dar are unele avantaje in anumite aplicatii.

Un feeder bifilar sau simetric consta din doua conductoare paralele, asa cum se arata in Figura 9. Curentii care circula prin cele doua conductoare sunt egali si de sens contrar. Prin urmare, campul generat de ei se anuleaza in spatiul din exteriorul feederului si nu se radiaza sau capteaza nici o putere. Pentru a asigura o functionare eficienta, distanta intre conductoare este pastrata in jurul a 0,01 din lungimea de unda.

Acest tip de feeder poate lua mai multe forme. Un feeder "cu fire deschise" poate avea doua conductoare mergand paralel unul cu altul. Se folosesc distantiere la fiecare 15-30 centimetri, pentru a mentine distanta intre fire. Distantierele sunt facute din plastic sau din alt material izolant. Feederul se poate procura si ca panglica avand impedanta caracteristica de 300 ohmi si constand din doua fire distantate intr-o panglica de plastic continua. Acesta este adesea folosit pentru antene de interior pentru VHF si MF. El mai poate fi realizat intr-un plastic negru cu gauri ovale la intervale regulate. Ultimul da rezultate mai bune decat cel cu panglica de plastic continua, care absoarbe umezeala daca este folosit in exterior.

Figura 9.Feeder bifilar

Ca si in cazul cablului coaxial, impedanta feederului bifilar este determinata de dimensiunile conductoarelor, de distanta intre ele si de constanta dielectrica a materialului care le separa.. Aceasta impedanta se poate calcula cu formula:

Z₀=(276/ S) log₁₀(D/d)

Unde : D este distanta intre cele doua conductoare

d este diametrul exterior al conductoarelor

S este constanta dielectrica a materialului dintre cele doua conductoare

Feederele bifilare nu sunt la fel de larg utilizate ca si cele coaxiale, desi ele ofera o solutie ideala pentru multe aplicatii, mai ales pentru cele din domeniul undelor scurte. Ele au un factor de propagare de aproape 0,98 pentru versiunile cu fire deschise si pot oferi niveluri foarte mici de atenuare, daca sunt tinute departe de alte obiecte. Principalul dezavantaj este ca sunt afectate de obiectele din vecinatate si ca urmare pot fi instalate in cladiri, la fel ca acelea coaxiale. Aeasta le limiteaza considerabil utilitatea si de aceea sunt rar intalnite in aplicatii casnice, cu exceptia antenelor de camera pentru VHF si FM.

5.3.Ghiduri de unda

Al treilea tip important de feedere este numit ghid de unda. Acesta este folosit numai pentru fecvente din domeniul mocroundelor si consta dintr-o teava goala prin care se propaga undele. Ghidurile de unda pot fi circulare, dar cel mai adesea se intalnesc tipurile dreptunghiulare, asa cum se prezinta in Figura 10. Ele difera de formele conventionale de feedere prin aceea canu au doua conductoare. In schimb, semnalul este introdus in ghidul de unda si acesta il transporta cat de departe este nevoie, peretii impiedicand semnalul sa scape.

Figura 10.Un ghid de unda dreptunghiular

Un semnal poate intra in ghidul de unda in mai multe feluri. Forma cea mai directa este cunoscuta ca excitator. Aceasta este in esenta o mica sonda care patrunde pe o distanta mica in centrul ghidului de unda, asa cum se vede in Figura 11. Adesea aceasta sonda poate fi conductorul central al unui cablu coaxial conectat la ghidul de unda. Sonda este orientata astfel incat sa fie paralela cu liniile de camp electric care trebuie sa fie generate in ghid. O alta metoda este de a avea o bucla care sete conectata la peretele ghidului. Aceasta inconjoara liniile de camp magnetic si genereaza in acest fel undele electromagnetice. Totusi, pentru cele mai multe aplicatii este mai convenabil sa se foloseasca sonda in circuit deschis. Excitatoarele pot fi folosite pentru trimiterea undelor in ghid ca si pentru captarea lor din ghid.

Figura 11.Excitatia unui ghid de unda

Dimensiunile ghidului de unda sunt foarte importante. S-a observat ca sub o anumita frecventa numita frecventa critica, un ghid de anumite dimensiuni nu va putea functiona. De asemenea, daca ghidul este prea mare, costul lui va creste si mai exista si posibilitatea de propagare a unor moduri de ordin superior, care pot crea probleme. Prin urmare, exista o serie de dimensiuni standardizate de ghiduri de unda si poate alege ghidul corect in functie de recventa care trebuie utilizata. Lor li sa-u alocat coduri numerice, de exemplu, ghidul de unda WG10 se foloseste pentru frecvente intre 2,60 si 3,95GHz. Avantajul unui ghid de unda este ca la aceste frecvente, pierderile pe o distanta de 30m ar putea fi in jurul a 1dB in functie de frecventa exacta si de materialul din care facut ghidul-cupru sau aluminiu. Acest ghid are dimensiunile interne de 72x34mm si are o frecventa de taiere de 2,08GHz.

Semnalele pot fi trimise din ghidul de unda direct afara in spatiul liber. Desi proprietatile directionale nu sunt foarte bune, pentru a radia semnalele nu este neaparat necesara o antena. Ca o consecinta, este extrem de important sa nu priviti NICIODATA intr-un ghid de unda, deoarece este posibil ca el sa radieze putere daca este conectat la o sursa de putere de radiofrecventa. Niveluri ridicate de putere radiata pot foarte repede sa afecteze ochii.

Blocul de adaptare

Pentru a permite transferul maxim de semnal din antena in feeder, impedantele celor doua trebuie sa fie identice. Din pacate, impedanta antenei se va schimba cu frecventa si deci, chiar daca ar fi proiectata sa ofere o buna adaptare la o frecventa, adaptarea nu va mai fi valabila la alta frecventa. De asemenea, este posibil ca antena sa nu fie adaptata cu feederul. Acesta este si cazul cand antena este mai scurta decat un sfert din lungimea de unda.

Figura 1Folosirea unui bloc de adaptare pentru antena

Pentru a asigura cea mai buna adaptare, se poate folosi un bloc de adaptare sau o unitate de acord. Exista mai multe circuite pentru aceste blocuri, care contin bobine si condensatoare (fixe si variabile) si in unele cazuri se folosesc si rezistente, pentru a obtine o buna adaptare intre antena si feeder. In acest fel antena poate sa functioneze cu cea mai mare eficienta si fara niveluri mari de reflexii (VSWR).