Anteny i propagacja fal

Włodzimierz Zieniutycz

PROJEKT 1

Część wstępna

1.

Prezentacja wykresu Smitha

a) pojęcie impedancji charakterystycznej,
b) wizualizacja impedancji w danym przekroju linii,
c) wizualizacja przekrojów maksimum i minimum,
d) wizualizacja stopnia dopasowania.

2.

Prezentacja programu PCAAD

a) wykres Smitha,
b) wykres WFS, wsp. odbicia [dB].
c) metoda momentów [3] (funkcje bazowe, pobudzenie)

DIPOL PÓŁFALOWY

I Zadania do wykonania

I.1 Przebadać wpływ ilości funkcji bazowych na wyniki obliczeń (w szczególności
impedancji wejściowej) anteny dipolowej o długości 25 cm, średnicy 1, 3, 6 mm na
częstotliwości 600 MHz. Ilość funkcji bazowych: od 3 do 15 co 2. Określić, ile funkcji
bazowych jest niezbędnych aby części: rzeczywista i urojona w dwóch kolejnych iteracjach
(dla n, i dla n+2)nie różniły się więcej niż o 1%.

I.2 Przebadać wpływ średnicy przewodu na częstotliwość środkową, rezystancję
rezonansową, względną szerokość pasma zdefiniowaną na poziomie WFS=2 (jako
impedancję odniesienia przyjąć rezystancję rezonansową).

Dane do symulacji
- ilość funkcji bazowych – określona na podstawie pkt. I.1.
- średnice przewodu: 1, 3, 6 mm,
- długość anteny – 25 cm (co odpowiada w przybliżeniu f = 600 MHz).

ANTENA UDA-YAGI

II Zadania do wykonania

II.1 Przebadać wpływ dodatkowego elementu (reflektora) na charakterystykę promieniowania
(szerokość wiążki 3dB, poziom promieniowania wstecznego), kierunkowość i impedancję
wejściową anteny. Zmieniać częstotliwość wokół częstotliwości środkowej izolowanego
dipola

±

100 MHz co 10 MHz.

Dane do symulacji

- ilość funkcji bazowych – określona na podstawie pkt. I.1.
- średnice przewodów dipola i reflektora: - 3 mm,
- długość elementu aktywnego – 25 cm, reflektora – 26 cm
- odległość reflektor – dipol – 12 cm
II.2 Zaprojektować antenę Uda-Yagi z jednym dyrektorem na częstotliwość środkową f

0

=

560 MHz tak, aby uzyskać optymalny kompromis pomiędzy kierunkowością a
promieniowaniem wstecznym Wykorzystać wyniki symulacji z poprzedniego punktu.
Założyć, że długość direktora może zmieniać się od 22 cm do 24 cm (co 5mm), zaś odległość
direktor-element aktywny od 10 cm do 14 cm (co 5 mm). Podać uzyskane dopasowanie,
wartość zysku, stosunek promieniowania przód-tył.

Podstawy teoretyczne:

Dipol półfalowy to jedna z podstawowych anten zaliczanych do grupy tzw. anten liniowych.
W swojej klasycznej postaci jest odcinkiem nieskończenie cienkiego przewodu, wykonanego
z idealnego przewodnika, o długości równej połowie długości fali (w wolnej przestrzeni).
Przybliżona analiza teoretyczna pozwala określić impedancję wejściową tej anteny,
pobudzonej w środku odcinka (rys. 1).

Rys. 1 Dipol półfalowy w układzie współrzędnych

Wartość tej impedancji to z

we

≅

73 +j 42.5 [

Ω

]. Jeśli antenę nieco skrócimy, to uzyskamy

impedancję wejściową rzeczywistą, równą w przybliżeniu 70 [

Ω

]. Zysk kierunkowy takiej

anteny wynosi D = 1.64. Charakterystyka promieniowania anteny wyraża się wzorem:

θ

θ

π

θ

sin

2

cos

cos













=

f

(1)

W praktyce dipole wykonuje się z przewodnika o skończonej średnicy. Średnica

przewodu powinna być tak dobrana, aby zapewnić antenie trwałość mechaniczną niezależnie
od warunków środowiska, w której się ona znajduje. Antenę liniową, której średnicy
przewodu nie można zaniedbać w analizie (co prowadzi do błędów nie do zaakceptowania)
określa się mianem anteny cylindrycznej. Dla anteny cylindrycznej określenie jej parametrów
wymaga rozwiązania określonych równań całkowych (Poclingtona lub Hallena [1]) metodami
przybliżonymi (numerycznymi). W chwili obecnej na rynku są dostępne programy o różnym
stopniu złożoności, umożliwiające symulację własności anten cylindrycznych lub anten
stanowiących układy anten cylindrycznych (np. anteny Uda-Yagi, anteny LPDA). W
literaturze technicznej i naukowej dostępne są wyniki symulacji własności półfalowych dipoli

z

λ/2

y

Z

we

cylindrycznych. Dla tego typu anten (tj. anten cylindrycznych) często wprowadza się pojęcie
współczynnika smukłości:

d

L

s

=

(2)

gdzie L oznacza długość anteny, zaś d jest średnicę przewodu, z którego wykonano antenę.
Współczynnik smukłości określa więc, w jakim stopniu antena odbiega od idealnej anteny
liniowej. W zależności od współczynnika smukłości określa się impedancję wejściową
anteny, co pozwala określić częstotliwość rezonansową czy też wymiar rezonansowy anteny.
W tablicy 1 podano przykładowe długości rezonansowe dla kilku wybranych
współczynników smukłości.

Tablica1

Długości rezonansowe anteny cylindrycznej w zależności od współczynnika smukłości [2]

Współczynnik smukłości

Długość rezonansowa

5000

0.49

λ

50

0.475

λ

10

0.455

λ

Jednocześnie, z maleniem współczynnika smukłości rośnie pasmo pracy liczone dla z góry
zadanego współczynnika fali stojącej WFS. W większości zastosowań wystarczającym jest
poziom WFS=2.

Antena Uda-Yagi (lub po prostu antena Yagi) należy do grupy anten z falą bieżącą. W

zakresie częstotliwości do kilku gigaherców oferuje możliwości uzyskania zysku rzędu
kilkunastu dB przy stosunkowo prostej budowie. W swojej klasycznej postaci antena składa
się radiatora wzbudzającego pole elektromagnetyczne, reflektora oraz tzw. direktorów.
Schematycznie antenę przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2 Budowa klasycznej anteny Uda-Yagi

Radiatorem wzbudzającym pole elektromagnetyczne jest najczęściej dipol prosty lub dipol
pętlowy. Reflektor spełnia funkcję obniżania promieniowania wstecznego. W najprostszej
postaci jest to dipol o długości nieco większej niż

λ

/2, jakkolwiek stosuje się również bardziej

rozbudowane układy reflektorów [1]. Direktory to również anteny liniowe, lecz o długości
nieco mniejszej niż

λ

/2. Zysk trzyelementowj anteny Yagi (reflektor, dipol, dyrektor) wynosi

ok. 9 dB. Powyżej pięciu elementów przyrost zysku anteny Yagi staje się wyraźnie mniejszy.

reflektor

dipol

direktory

Z punktu widzenia maksymalnej kierunkowości odległości pomiędzy elementami powinny
wynosić od 0.15

λ

do 0.25

λ

. Długość reflektora powinna być o ok.5% większa a direktora o

ok. 5% mniejsza od długości radiatora wzbudzającego. Precyzyjne projektowanie wymaga
użycia symulatorów komputerowych.

Forma sprawozdania (dotyczy wszystkich sprawozdań)

Nazwa skompresowanego pliku zawierającego sprawozdanie powinna mieć następującą
formę:

nazwisko1_nazwisko2_grupaX_ projektY.zip

gdzie nazwisko1,2 to nazwiska wykonawców projektu (bez polskich liter), X to numer grupy a
Y

numer projektu.

Sprawozdanie powinno zawierać się na 3 (maksymalnie 4) stronach dokumentu Word
(czcionka max. 12pt., 1.5 interlinii) i powinno zawierać następujące elementy:

1.

Numer i tytuł projektu.

2.

Nazwiska wykonawców, numery indeksów i data wykonania.

3.

Cel projektu (zadania).

4.

Rysunek konfiguracji anteny wraz z oznaczeniami istotnych dla projektu wymiarów.

5.

Omówienie sposobu realizacji projektu (strategia projektowania).

6.

Wstępne wyniki obliczeń, niezbędne dla właściwych obliczeń projektowych (np.
określenie ilości funkcji bazowych w metodzie momentów).

7.

Prezentacja wyników obliczeń związanych z projektem oraz ich omówienie.

8.

Ostateczny wynik projektu zawierający wymiary struktury oraz parametry anteny.

Literatura

[1] D. Bem: „Anteny i rozchodzenie się fal radiowych”, WNT, Warszawa, 1973.
[2] W.L. Stutzman, G.A. Thiele: „ Antenna Theory and Design”, J. Wiley & Sons, 1981
[3] W. Zieniutycz: „Anteny – podstawy polowe” WKŁ, 2001