Antena – urządzenie zapewniające przejście od fali prowadzonej w prowadnicy falowej do fali rozchodzącej się w wolnej przestrzeni (antena nadawcza) lub odwrotnie (antena odbiorcza).

Prawo indukcji EM Faradaya: $\oint_{}^{}{\overrightarrow{E}d\overrightarrow{l}} = - \frac{d\phi_{B}}{\text{dt}}$

Prawo Ampere’a: $\oint_{}^{}\overrightarrow{B}d\overrightarrow{l} = \mu_{0}I + \mu_{0}\varepsilon_{0}\frac{d\phi_{E}}{\text{dt}}$

Prawo Gaussa dla elektrycznoś: $\oint_{S}^{}\overrightarrow{E}d\overrightarrow{S} = \frac{Q}{\varepsilon_{0}}$

Natężenie pola elektrycznego zależy jedynie od ładunku. Całkowity strumień indukcji magnetycznej przechodzący przez zamkniętą powierzchnię jest równy 0: $\oint_{S}^{}\overrightarrow{B}d\overrightarrow{S} = 0$

Prąd przesunięcia: $I = \frac{\text{dQ}}{\text{dt}} = \varepsilon_{0}\frac{d(ES)}{\text{dt}} = \varepsilon_{0}\frac{d\phi_{E}}{\text{dt}}$

Charakterystyka promieniowania - jest to graficzne odzwierciedlenie zdolności promieniowania energii przez antenę w różnych kierunkach. Jest ona definiowana jako rozkład pola elektrycznego na powierzchni kuli, której środek pokrywa się ze środkiem badanej anteny. Dzięki temu nie zależy ona od odległości od anteny, a tylko od kątów.

Podstawowe rodzaje anten: drutowe, reflektorowe (paraboliczne), aperturowe, mikropaskowe, dielektryczne, z falą bieżącą.

Amplitudowa charakterystyka promieniowania - funkcja opisująca rozkład amplitudy pola elektrycznego na powierzchni kuli w strefie dalekiej we współrzędnych sferycznych. Składowe charakterystyki promieniowania to listek główny, listki boczne i wsteczne.

Amplitudowa charakterystyka promieniowania daje nam:

• szerokość wiązki głównej – szerokość użyteczna określana jest na poziomie -3dB w stosunku do wartości maks.

• Charakterystykę listków bocznych:

• Poziom pierwszego listka bocznego w stosunku do wartości maksymalnej

• Kierunek pierwszego listka bocznego względem kierunku max. promieniowania.

• Poziom promieniowania wstecznego – określający poziom promieniowania na kierunku przeciwnym do wiązki głównej charakterystyki względem poziomu promieniowania na kierunku maksymalnego promieniowania.

Unormowana charakterystyka promieniowania:

Parametry Anten:

Obwodowe:

• Impedancja wejściowa Zwe – obciążenie, jakie przedstawia sobą antena dla bezpośrednio zasilającego generatora. Rez. wej. składa się z rez. promieniowania i rez. strat.

• Współczynnik odbicia i WFS

• Względna szerokość pasma pracy anteny B – przedział częstotliwości, w którym wszystkie charakterystyki i parametry nie ulegają zmianie (mieszczą się w paśmie tolerancji).

• Rodzaj zasilania – symetryczne (dipol pętlowy) i niesymetryczne (monopol)

• Sprawność promieniowania

Polowe:

• Polaryzacja

• Charakterystyka promieniowania

• Kierunkowość anteny – miara zdolności anteny do koncentrowania energii w jednym, wyróżnionym kierunku kosztem innych kierunków.

• Zysk energetyczny – definiowany jest jak zysk kierunkowy, tylko uwzględnia także straty powstałe w antenie.

$G = \frac{P_{z}}{P_{\text{wz}}}$ P_z = P_pr + P_start G = n * D

n - sprawność, G- z. energetyczny, D – z. kier.

• Temperatura szumowa T_wsz – szumy wywołane ruchami cieplnymi w materiale, z którego wykonana jest antena T_wsz = T_a(1 − n),

P_wsz = k * T_wsz * f

• Sprawność promieniowania - charakteryzuje efektywność anteny jako układu przekształcającego energię doprowadzaną do anteny w en. promieniowania pola EM. Stosunek mocy promieniowania do mocy doprowadzonej:

$$n = \frac{P_{\text{prom}}}{P_{\text{dopr}}} = \frac{P_{\text{prom}}}{P_{\text{prom}} + P_{\text{strat}}}$$

Zysk kierunkowy – zdolność do kierunkowego promieniowania energii EM przez jedną antenę w porównaniu do anteny przyjętej za wzorzec.

Moc strat składa się :

• mocy traconej na ciepło

• mocy traconej w izolatorach (straty w dielektrykach)

• mocy traconej na indukowanie prądu w metalowych częściach anteny

Długość skuteczna anteny l_sk – długość równoważnego dipola Hertza o rozkładzie prądu równym prądowi na zaciskach wejściowych anteny rzeczywistej, jeżeli obie anteny w kierunku maksymalnego promieniowania i na tej samej odległości wytwarzają jednakowe natężenie pola elektr.

Powierzchnia skuteczna anteny – pow. równoważna równomiernie promieniująca energię EM wytwarzająca w kierunku prostopadłym na odległość $r \geq 2\frac{l^{2}}{\lambda}$ pole elektryczne o tym samym natężeniu

$$A_{\text{sk}\max} = \frac{D*\lambda^{2}}{4\pi}$$

W przypadku anteny odbiorczej jej powierzchnią skuteczną określamy jako stosunek mocy P oddawanej przez antenę do odbiornika, do gęstości mocy S padającej na antenę fali płaskiej. $A_{\text{sk}} = \frac{P}{S}$

Wytrzymałość elektryczna – maksymalna moc jaką można doprowadzić do anteny.

Warunki, które powinny być spełnione w trakcie pomiarów charakterystyk kierunkowości:

• Odległość między anteną badaną i anteną pomocniczą spełnia warunek strefy dalekiej i war. fali płaskiej

• Fale odbite nie powinny wpływać na pomiary

• Wzajemne sprzężenia EM między antenami w stanowisku pomiarowym powinno być na tyle małe, by można było je pominąć.

Strefy wokół anteny:

Obszar indukcji – pole EM związane jest równaniami Maxwella z prądem wzbudzającym w antenie

Strefa bliska (Fresnela) – fala jest falą kulistą, ampl. i faza natężeni pola zależy od kwadratu odległości od rożnych części anteny

Strefa daleka (Fraunhoffa) – char. fali płaskiej. Jest to kryterium oceny minimalnej odległości między antenami. $r_{\min} > \frac{{2D}^{2}}{\lambda}$

Warunek fali płaskiej – (War. amplitudy i fazy)jest on równoważny z koniecznością wzbudzania każdego punktu anteny na wyjściu, której mierzony jest sygnał polem o jednakowej amplitudzie i fazie.

W. ampl.R ≥ 1, 19(D₁ + D₂)

W. fazy: $R \geq \frac{2({D_{1} + D_{2})}^{2}}{\lambda}$

D₁ – max. poprzeczny rozmiar ant. nadawczej D₂ – max. poprzeczny rozmiar ant. odbiorczej

Antena liniowa – jeden wymiar jest znacznie większy od pozostałych: średnica drutu <<< wymiar liniowy anteny, metalowy drut, kształt owalny, wymiary:$\text{\ λ}\frac{5}{8},\lambda\frac{3}{2},\frac{\lambda}{4},\frac{\lambda}{2}$. Należą do nich: antena dipolowa, Uda-Yagi

Konstrukcje dipola symetrycznego:

Układ anten liniowych – poprawę właściwości kierunkowych anten liniowych można uzyskać stosując elementy promieniujące nie połączone z torem przesyłowym, czyli elementy bierne. Prądy w tych elementach płyną pod wpływem pola wytwarzanego przez element zasilany, zwany elementem czynnym.

Metoda zwierciadlanego odbicia – ścisła analiza właściwości kierunkowych anten. Wymaga określenia rozkładu prądów na reflektorze, dlatego przy obliczeniach inżynierskich korzysta się z uproszczonej metody lustrzanych odbić.

Antena ścianowa - w celu uzyskania dużego zysku energetycznego składa się ona z pewnej liczby elementów promieniujących ułożonych w szeregi i piętra.

Antena Uda-Yagi – jest to bierny układ antenowy złożony z równoległych dipoli (rozmieszczonych elementów promieniujących w postaci prętów lub rurek o długości około połowy fali). Prostota wykonania, niska cena przy dobrych parametrach elektrycznych, możliwość uziemienia elementów biernych.

Elementy bierne – są one pobudzane polem bliskim wytwarzanym przez elementy aktywne.

Wibrator – dipol półfalowy w rezonansie, jeśli umieścimy element bierny blisko wibratora, to w elemencie biernym wzbudza się prąd, który wytwarza pole elektryczne.

Apertura – określa ograniczoną płaszczyznę w przestrzeni, przez którą przechodzą fale elektromagnetyczne wypromieniowane lub odebrane przez antenę.

Wpływ odchyleń fazowych na char. prom. apertury:

• Liniowe odchylenie rozkładu fazy daje w efekcie przesunięcie charakterystyki o dany kąt, przy zachowaniu takiego samego kształtu charakterystyki jak dla apertury pobudzanej współfazowo

• Kwadratowe odchylenie roz. fazy -zmniejszenie zysku energetycznego, wzrost poziomu listków bocznych, wypełnienie miejsc zerowych na charakterystyce

• Sześcienne odch. roz. f. – przy symetrycznej funkcji rozkładu powoduje zmianę kierunku maksymalnego promieniowania.

Charakterystyki kierunkowe dipola półfalowego symetrycznego w zależności od l∖λ:

Anteny mikropaskowe:

Zalety:

• mała waga i objętość

• można umieszczać na pow. płaskich, cylindrycznych, czy kulistych.

• niskie koszty produkcji

• możliwe uzyskanie polaryzacji kołowej i liniowej

• możliwość tworzenia rozbudowanych struktur antenowych

Wady:

• wąskie pasmo pracy

• mała kierunkowość poj. promiennika

• niepożądane promieniowanie z obwodów zasilających

• ograniczenia mocy dla anten nadawcz

• niekorzystne zjawisko generacji fal powierzchniowych

Wykorzystanie:

• systemy radiolokacyjne i radiokomunikacyjne

• lotnicze systemy nawigacyjne i wysokościomierze

Sposoby zasilania: kablem współosiowym lub linią mikropaskową

Zależność sprawności i szerokości pasma anteny mikropaskowej od grubości dielektryk

Antena tubowa - powstaje przez obcięcie końcówki falowodu. Wyróżniamy anteny typu E i H zależnie od płaszczyzny, w której występuje zwiększenie rozmiarów falowodu.

Jeżeli chcemy uzyskać koncentrację w obu powierzchniach to wykorzystujemy tubę piramidalną

Właściwości anten tubowych:

• duży zysk energetyczny

• mała wartość WFS

• względnie szerokie pasmo pracy

• mała waga

• prosta konstrukcja

• zmiana szerokości wiązki promieniowania wraz z długością fali

Sposoby zasilania anten tubowych – szczelinowe, Unipolem (PIN – filtr), za pomocą pętli sprzęgających, dipolem

Tuba optymalna - tuba o wymiarach, dla których anten tubowa ma maksymalny zysk.

Anteny z reflektorem parabolicznym:

Anteny aperturowe – źródło oświetlające wytwarza falę kulistą, a zadaniem anteny (reflektora, soczewki) jest przekształcenie tej fali w falę płaską.

1. Tubowe – sektorowe, piramidalne, stożkowe

2. Soczewkowe – dielektryczne, metalowe i metalowo-dielektryczne

3. Szczelinowe – na płaskiej pow., na cylindrze, specjalne

4. Reflektorowe – paraboliczne obrotowe, paraboliczne cylindryczne

Anteny reflektorowe – połączenie anteny oświetlającej z inną dowolną anteną.

Reflektor - element kształtujący charakterystykę promieniowania źródeł pierwotnych. Za pomocą reflektora o odpowiedniej wielkości, kształcie i odpowiednio oświetlonego można uzyskać prawie każdą charakterystykę promieniowania

Rodzaje reflektorów

Antena kątowa – jest to połączenie elementu czynnego z dwoma reflektorami płaskimi przecinającymi się pod pewnym kątem.

Zysk anteny dla danego kąta wzrasta ze zmniejszaniem odległości dipola od wierzchołka reflektora, natomiast rezystancja wejściowa maleje, osiągając 0 dla b=0. Przy bardzo małych wartościach b gwałtownie maleje sprawność anteny.

Sposoby oświetlania reflektorów parabolicznych:

Anteny paraboliczne dwureflektorowe:

Poważnym mankamentem reflektora parabolicznego ze źródłem oświetlającym w ognisku jest trudność umieszczenia mało szumiącego odbiornika w ognisku reflektora. Konieczność stosowania długich torów zasilających wiąże się z wprowadzeniem dodatkowych strat, a więc ze wzrostem szumów. Niedogodność tę można usunąć stosując dwureflektorowe układy antenowe. Wprowadzenie reflektora pomocniczego nie zmienia charakteru rozkładu pola w płaszczyźnie ogniskowej, a zmienia jedynie skale tego rozkładu. Zwiększa długość ogniskowej reflektora głównego.

Podział fal ze względu na rozchodzenie się – przyziemna, troposferyczna, jonosferyczna, rozchodząca się w wolnej przestrzeni.

Anteny soczewkowe - składa się z soczewki i źródła oświetlającego. Specyfikacja rodzajowa anten soczewkowych polega głównie na różnicach w konstrukcji soczewki i we współczynniku załamania ośrodka, z którego wykonano soczewkę. Wyróżniamy soczewki opóźniające i przyśpieszające. Zastosowanie – korekcja rozkładu fazy w aperturze anten tubowych, układy z przemiataniem wiązki.

Antena logarytmicznie periodyczna – jest to rodzaj anteny spiralnej, w której zastosowano struktury zawierające okrągłe lub proste krawędzie, jest ona określana głównie za pomocą kątów. Jej impedancja i charakterystyka promieniowania powtarza się okresowo wraz z logarytmem częstotliwości. W praktyce okresowe zmiany są niewielkie i dlatego antenę tą uważamy za szerokopasmową.