Teoria dell'antenna - Guida rapida

Una persona, che ha bisogno di trasmettere un pensiero, un'idea o un dubbio, può farlo voice communication.

La figura seguente mostra due persone che comunicano tra loro. Qui la comunicazione avviene attraversosound waves. Tuttavia, se due persone vogliono comunicare che si trovano a distanze maggiori, allora dobbiamo convertire queste onde sonore inelectromagnetic waves. Il dispositivo, che converte il segnale informativo richiesto in onde elettromagnetiche, è noto comeAntenna.

Cos'è un'antenna?

Un'antenna è un trasduttore che converte l'energia elettrica in onde elettromagnetiche e viceversa.

Un'antenna può essere utilizzata sia come transmitting antenna o a receiving antenna.

  • UN transmitting antenna è uno che converte i segnali elettrici in onde elettromagnetiche e li irradia.

  • UN receiving antenna è uno, che converte le onde elettromagnetiche dal raggio ricevuto in segnali elettrici.

  • Nella comunicazione a due vie, la stessa antenna può essere utilizzata sia per la trasmissione che per la ricezione.

L'antenna può anche essere definita come un Aerial. Plurale di esso è,antennae o antennas. Oggigiorno, le antenne hanno subito molti cambiamenti, a seconda delle loro dimensioni e forma. Esistono molti tipi di antenne a seconda della loro ampia varietà di applicazioni.

Le immagini seguenti sono esempi di diversi tipi di antenne.

In questo capitolo imparerai i concetti di base di antenna, specifiche e diversi tipi di antenne.

Necessità di antenna

Nel campo dei sistemi di comunicazione, ogni volta che sorge la necessità di una comunicazione wireless, si verifica la necessità di un'antenna. Antennaha la capacità di inviare o ricevere onde elettromagnetiche per motivi di comunicazione, dove non ci si può aspettare di stabilire un sistema di cablaggio. Il seguente scenario spiega questo.

Scenario

Per contattare un'area remota, il cablaggio deve essere posato lungo l'intero percorso lungo le valli, le montagne, i sentieri noiosi, i tunnel, ecc., Per raggiungere la posizione remota. L'evoluzione della tecnologia wireless ha reso l'intero processo molto semplice. L'antenna è l'elemento chiave di questa tecnologia wireless.

Nell'immagine sopra, le antenne aiutano a stabilire la comunicazione in tutta l'area, comprese le valli e le montagne. Questo processo sarebbe ovviamente più semplice rispetto alla posa di un sistema di cablaggio in tutta l'area.

Meccanismo di radiazione

L'unica funzionalità di un'antenna è power radiationo ricezione. L'antenna (sia che trasmetta, che riceva o che faccia entrambe le cose) può essere collegata al circuito della stazione attraverso una linea di trasmissione. Il funzionamento di un'antenna dipende dal meccanismo di radiazione di una linea di trasmissione.

Un conduttore, progettato per trasportare corrente su grandi distanze con perdite minime, è definito come a transmission line. Ad esempio, un filo, che è collegato a un'antenna. Una linea di trasmissione che conduce corrente con velocità uniforme, e la linea essendo una linea retta con estensione infinita,radiates no power.

Affinché una linea di trasmissione, per diventare una guida d'onda o per irradiare potenza, deve essere elaborata come tale.

  • Se la potenza deve essere irradiata, sebbene la conduzione della corrente sia a velocità uniforme, il filo o la linea di trasmissione devono essere piegati, troncati o terminati.

  • Se questa linea di trasmissione ha corrente, che accelera o decelera con una costante variabile nel tempo, irradia potenza anche se il filo è dritto.

  • Il dispositivo o tubo, se piegato o terminato per irradiare energia, viene chiamato come waveguide. Questi sono usati specialmente per la trasmissione o la ricezione a microonde.

Questo può essere ben compreso osservando il diagramma seguente:

Il diagramma sopra rappresenta una guida d'onda, che funge da antenna. La potenza dalla linea di trasmissione viaggia attraverso la guida d'onda che ha un'apertura, per irradiare l'energia.

Tipi di base di antenne

Le antenne possono essere suddivise in vari tipi a seconda di:

  • La struttura fisica dell'antenna.

  • Gli intervalli di frequenza di funzionamento.

  • La modalità delle applicazioni ecc.

Struttura fisica

Di seguito sono riportati i tipi di antenne in base alla struttura fisica. Imparerai a conoscere queste antenne nei capitoli successivi.

  • Antenne filari
  • Antenne ad apertura
  • Antenne riflettenti
  • Antenne per lenti
  • Antenne micro strip
  • Antenne array

Frequenza di funzionamento

Di seguito sono riportati i tipi di antenne in base alla frequenza di funzionamento.

  • Frequenza molto bassa (VLF)
  • Bassa frequenza (LF)
  • Media frequenza (MF)
  • Alta frequenza (HF)
  • Frequenza molto alta (VHF)
  • Frequenza ultra alta (UHF)
  • Super alta frequenza (SHF)
  • Microonde
  • Onde radio

Modalità di applicazioni

Di seguito sono riportati i tipi di antenne in base alle modalità di applicazione:

  • Comunicazioni punto a punto
  • Applicazioni di trasmissione
  • Comunicazioni radar
  • Comunicazioni satellitari

I parametri di comunicazione di base sono discussi in questo capitolo per avere un'idea migliore della comunicazione wireless tramite antenne. La comunicazione wireless avviene sotto forma di onde. Quindi, dobbiamo dare uno sguardo alle proprietà delle onde nelle comunicazioni.

In questo capitolo, discuteremo dei seguenti parametri:

  • Frequency
  • Wavelength
  • Adeguamento dell'impedenza
  • VSWR e potenza riflessa
  • Bandwidth
  • Larghezza di banda percentuale
  • Intensità delle radiazioni

Ora, impariamoli in dettaglio.

Frequenza

Secondo la definizione standard, "Il tasso di ripetizione di un'onda in un determinato periodo di tempo, è chiamato come frequency. "

Semplicemente, la frequenza si riferisce al processo con cui si verifica un evento. Un'onda periodica si ripete dopo ogni‘T’ secondi (periodo di tempo). Frequency dell'onda periodica non è altro che il reciproco del periodo di tempo (T).

Espressione matematica

Matematicamente, è scritto come mostrato di seguito.

$$f = \frac{1}{T}$$

Dove

  • f è la frequenza dell'onda periodica.

  • T è il periodo di tempo in cui si ripete l'onda.

Unità

L'unità di frequenza è Hertz, abbreviato in Hz.

La figura sopra rappresenta un'onda sinusoidale, che è tracciata qui per la tensione in millivolt rispetto al tempo in millisecondi. Questa onda si ripete ogni 2t millisecondi. Quindi, periodo di tempo, T = 2t millisecondi e frequenza,$f = \frac{1}{2T}KHz$

Lunghezza d'onda

Secondo la definizione standard, "La distanza tra due punti massimi consecutivi (creste) o tra due punti minimi consecutivi (avvallamenti) è nota come wavelength. "

Semplicemente, la distanza tra due picchi positivi immediati o due picchi negativi immediati non è altro che la lunghezza di quell'onda. Può essere definito comeWavelength.

La figura seguente mostra una forma d'onda periodica. Ilwavelength (λ)e l'ampiezza sono indicate nella figura. Maggiore è la frequenza, minore sarà la lunghezza d'onda e viceversa.

Espressione matematica

La formula per la lunghezza d'onda è,

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

Dove

  • λ è la lunghezza d'onda

  • c è la velocità della luce ($3 * 10^{8}$ metri / secondo)

  • f è la frequenza

Unità

La lunghezza d'onda λè espresso nelle unità di lunghezza come metri, piedi o pollici. Il termine comunemente usato èmeters.

Corrispondenza dell'impedenza

Secondo la definizione standard, "Il valore approssimativo dell'impedenza di un trasmettitore, quando è uguale al valore approssimativo dell'impedenza di un ricevitore, o viceversa, è definito come Impedance matching. "

L'adattamento dell'impedenza è necessario tra l'antenna e il circuito. L'impedenza dell'antenna, la linea di trasmissione e il circuito dovrebbero corrispondere in modo talemaximum power transfer avviene tra l'antenna e il ricevitore o il trasmettitore.

Necessità di abbinamento

Un dispositivo risonante è uno che fornisce un output migliore a determinate bande di frequenze strette. Le antenne sono taliresonant devices la cui impedenza, se abbinata, fornisce un'uscita migliore.

  • La potenza irradiata da un'antenna, sarà effettivamente irradiata, se il antenna impedance corrisponde all'impedenza dello spazio libero.

  • Per un receiver antenna, l'impedenza di uscita dell'antenna deve corrispondere all'impedenza di ingresso del circuito dell'amplificatore del ricevitore.

  • Per un transmitter antenna, l'impedenza di ingresso dell'antenna deve corrispondere all'impedenza di uscita dell'amplificatore del trasmettitore, insieme all'impedenza della linea di trasmissione.

Unità

L'unità di impedenza (Z) è Ohms.

VSWR e potenza riflessa

Secondo la definizione standard, "Il rapporto tra la tensione massima e la tensione minima in un'onda stazionaria è noto come Voltage Standing Wave Ratio. "

Se l'impedenza dell'antenna, la linea di trasmissione e il circuito non corrispondono tra loro, la potenza non verrà irradiata in modo efficace. Invece, una parte del potere viene riflessa.

Le caratteristiche principali sono:

  • Il termine che indica la mancata corrispondenza dell'impedenza è VSWR.

  • VSWRè l'acronimo di Voltage Standing Wave Ratio. È anche chiamato comeSWR.

  • Maggiore è il disadattamento di impedenza, maggiore sarà il valore di VSWR.

  • Il valore ideale di VSWR dovrebbe essere 1: 1 per una radiazione efficace.

  • La potenza riflessa è la potenza sprecata dalla potenza diretta. Sia la potenza riflessa che il VSWR indicano la stessa cosa.

Larghezza di banda

Secondo la definizione standard, "Una banda di frequenze in una lunghezza d'onda, specificata per la particolare comunicazione, è nota come bandwidth. "

Il segnale, quando trasmesso o ricevuto, viene trasmesso su una gamma di frequenze. Questa particolare gamma di frequenze è assegnata a un particolare segnale, in modo che altri segnali non possano interferire nella sua trasmissione.

  • Bandwidth è la banda di frequenze tra le frequenze superiori e inferiori su cui viene trasmesso un segnale.

  • La larghezza di banda, una volta assegnata, non può essere utilizzata da altri.

  • L'intero spettro è suddiviso in larghezze di banda da assegnare a diversi trasmettitori.

La larghezza di banda, di cui abbiamo appena discusso, può anche essere chiamata Absolute Bandwidth.

Larghezza di banda percentuale

Secondo la definizione standard, "Il rapporto tra la larghezza di banda assoluta e la frequenza centrale di tale larghezza di banda può essere definito come percentage bandwidth. "

La particolare frequenza all'interno di una banda di frequenza, alla quale la potenza del segnale è massima, è chiamata come resonant frequency. È anche chiamato comecenter frequency (fC) della band.

  • Le frequenze più alte e più basse sono indicate come fH and fL rispettivamente.

  • La larghezza di banda assoluta è data da: fH - fL.

  • Per sapere anche quanto è ampia la larghezza di banda fractional bandwidth o percentage bandwidth deve essere calcolato.

Espressione matematica

Il Percentage bandwidth viene calcolato per sapere quanta variazione di frequenza può gestire un componente o un sistema.

$$Percentage\ bandwidth = \frac{absolute\ bandwidth}{center frequency} = \frac{f_{H} - f_{L}}{f_{c}}$$

Dove

  • ${f_{H}}$ è una frequenza più alta

  • ${f_{L}}$ è la frequenza più bassa

  • ${f_{c}}$ è la frequenza centrale

Maggiore è la larghezza di banda percentuale, maggiore sarà la larghezza di banda del canale.

Intensità delle radiazioni

"Radiation intensity è definita come la potenza per unità di angolo solido "

La radiazione emessa da un'antenna che è più intensa in una particolare direzione, indica la massima intensità di quell'antenna. L'emissione di radiazioni nella massima misura possibile non è altro che l'intensità della radiazione.

Espressione matematica

L'intensità di radiazione si ottiene moltiplicando la potenza irradiata per il quadrato della distanza radiale.

$$U = r^{2} \times W_{rad}$$

Dove

  • U è l'intensità della radiazione

  • r è la distanza radiale

  • Wrad è la potenza irradiata.

L'equazione precedente indica l'intensità della radiazione di un'antenna. La funzione della distanza radiale è anche indicata comeΦ.

Unità

L'unità di intensità della radiazione è Watts/steradian o Watts/radian2.

L'intensità della radiazione di un'antenna è strettamente correlata alla direzione del raggio focalizzato e all'efficienza del raggio verso quella direzione. In questo capitolo, diamo uno sguardo ai termini che trattano questi argomenti.

Direttività

Secondo la definizione standard, "Il rapporto tra l'intensità di radiazione massima dell'antenna in oggetto e l'intensità di radiazione di un'antenna isotropa o di riferimento, che irradia la stessa potenza totale è chiamato directivity. "

Un'antenna irradia potenza, ma la direzione in cui si irradia è molto importante. L'antenna, di cui si stanno osservando le prestazioni, è denominatasubject antenna.

Suo radiation intensityè focalizzato in una particolare direzione, mentre trasmette o riceve. Quindi, si dice che l'antenna abbia il suodirectivity in quella particolare direzione.

  • Il rapporto dell'intensità della radiazione in una data direzione da un'antenna all'intensità della radiazione mediata su tutte le direzioni, è definito direttività.

  • Se quella particolare direzione non è specificata, allora la direzione in cui si osserva la massima intensità può essere presa come direttività di quell'antenna.

  • La direttività di un'antenna non isotropa è uguale al rapporto tra l'intensità della radiazione in una data direzione e l'intensità della radiazione della sorgente isotropa.

Espressione matematica

La potenza irradiata è funzione della posizione angolare e della distanza radiale dal circuito. Quindi, si esprime considerando entrambi i terminiθ e Ø.

$$Directivity = \frac{Maximum\ radiation\ intensity\ of\ subject\ antenna}{Radiation \ intensity \ of \ an\ isotropic \ antenna}$$ $$D = \frac{\phi(\theta,\phi)_{max}(from \ subject\ antenna)}{\phi_{0}(from \ an \ isotropic \ antenna) }$$

Dove

  • ${\phi(\theta,\phi)_{max}}$ è la massima intensità di radiazione dell'antenna del soggetto.

  • ${\phi_{0}}$ è l'intensità della radiazione di un'antenna isotropa (antenna con perdite zero).

Efficienza di apertura

Secondo la definizione standard, "Aperture efficiency di un'antenna, è il rapporto tra l'area di irradiazione effettiva (o area effettiva) e l'area fisica dell'apertura. "

Un'antenna ha un'apertura attraverso la quale viene irradiata la potenza. Questa radiazione dovrebbe essere efficace con perdite minime. Anche l'area fisica dell'apertura dovrebbe essere presa in considerazione, poiché l'efficacia della radiazione dipende dall'area dell'apertura, fisicamente sull'antenna.

Espressione matematica

L'espressione matematica per l'efficienza dell'apertura è la seguente:

$$\varepsilon_{A} = \frac{A_{eff}}{A_{p}}$$

dove

  • $\varepsilon_{A}$ è l'efficienza dell'apertura.

  • ${A_{eff}}$ è un'area efficace.

  • ${A_{p}}$ è l'area fisica.

Efficienza dell'antenna

Secondo la definizione standard, "Antenna Efficiency è il rapporto tra la potenza irradiata dell'antenna e la potenza in ingresso accettata dall'antenna. "

Semplicemente, un'antenna ha lo scopo di irradiare la potenza fornita al suo ingresso, con perdite minime. L'efficienza di un'antenna spiega quanto un'antenna è in grado di fornire efficacemente la sua uscita con perdite minime nella linea di trasmissione.

Questo è altrimenti chiamato come Radiation Efficiency Factor dell'antenna.

Espressione matematica

Di seguito viene fornita l'espressione matematica per l'efficienza dell'antenna:

$$\eta_{e} = \frac{P_{rad}}{P_{input}}$$

Dove

  • $\eta_{e}$è l'efficienza dell'antenna.

  • ${P_{rad}}$ è la potenza irradiata.

  • ${P_{input}}$ è la potenza in ingresso per l'antenna.

Guadagno

Secondo la definizione standard, "Gain di un'antenna è il rapporto tra l'intensità della radiazione in una data direzione e l'intensità della radiazione che si otterrebbe se la potenza accettata dall'antenna fosse irradiata isotropicamente ".

Semplicemente, il guadagno di un'antenna tiene conto della direttività dell'antenna insieme alle sue prestazioni effettive. Se la potenza accettata dall'antenna è stata irradiata isotropicamente (ovvero in tutte le direzioni), l'intensità della radiazione che otteniamo può essere presa come riferimento.

  • Il termine antenna gain descrive quanta potenza viene trasmessa nella direzione della radiazione di picco a quella di una sorgente isotropa.

  • Gain è solitamente misurato in dB.

  • A differenza della direttività, il guadagno dell'antenna tiene conto anche delle perdite che si verificano e quindi si concentra sull'efficienza.

Espressione matematica

L'equazione del guadagno, G è come mostrato di seguito.

$$G = \eta_{e}D$$

Dove

  • G è il guadagno dell'antenna.

  • $\eta_{e}$è l'efficienza dell'antenna.

  • D è la direttività dell'antenna.

Unità

L'unità di guadagno è decibels o semplicemente dB.

Dopo i parametri dell'antenna discussi nel capitolo precedente, un altro importante argomento di considerazione è il campo vicino e le regioni di campo lontano dell'antenna.

L'intensità della radiazione quando misurata più vicino all'antenna, differisce da ciò che è lontano dall'antenna. Sebbene l'area sia lontana dall'antenna, è considerata efficace, poiché l'intensità della radiazione è ancora elevata.

Campo vicino

Il campo, che è più vicino all'antenna, è chiamato come near-field. Ha un effetto induttivo e quindi è anche noto comeinductive field, sebbene abbia alcune componenti di radiazioni.

Campo lontano

Il campo, che è lontano dall'antenna, è chiamato come far-field. È anche chiamato comeradiation field, poiché l'effetto delle radiazioni è elevato in quest'area. Molti dei parametri dell'antenna insieme alla direttività dell'antenna e al diagramma di radiazione dell'antenna sono considerati solo in questa regione.

Modello di campo

La distribuzione del campo può essere quantificata in termini di intensità del campo è indicata come modello di campo. Ciò significa che la potenza irradiata dall'antenna quando tracciata è espressa in termini di campo elettrico, E (v / m). Quindi, è noto comefield pattern. Se è quantificato in termini di potenza (W), allora è noto comepower pattern.

La distribuzione grafica del campo o della potenza irradiata sarà in funzione di

  • angoli spaziali (θ, Ø) per il campo lontano.

  • angoli spaziali (θ, Ø) e distanza radiale (r) per il campo vicino.

La distribuzione delle regioni di campo vicino e lontano può essere ben compresa con l'aiuto di un diagramma.

Il modello di campo può essere classificato come:

  • Regione di campo vicino reattiva e regione di campo vicino radiante - entrambe definite come campo vicino.

  • Regione di campo lontano che irradia - chiamata semplicemente come campo lontano.

Il campo, che è molto vicino all'antenna è reactive near field o non-radiative fielddove la radiazione non è predominante. La regione accanto può essere definita comeradiating near field o Fresnel’s field poiché la radiazione predomina e la distribuzione angolare del campo, dipende dalla distanza fisica dall'antenna.

La regione accanto è radiating far-fieldregione. In questa regione, la distribuzione del campo è indipendente dalla distanza dall'antenna. Il diagramma di radiazione efficace si osserva in questa regione.

La radiazione è il termine usato per rappresentare l'emissione o la ricezione del fronte d'onda all'antenna, specificandone l'intensità. In ogni illustrazione, lo schizzo disegnato per rappresentare la radiazione di un'antenna è il suoradiation pattern. Si può semplicemente comprendere la funzione e la direttività di un'antenna osservando il suo diagramma di radiazione.

La potenza irradiata dall'antenna ha il suo effetto nelle regioni di campo vicino e lontano.

  • Graficamente, la radiazione può essere tracciata in funzione di angular position e radial distance dall'antenna.

  • Questa è una funzione matematica delle proprietà di radiazione dell'antenna rappresentata in funzione delle coordinate sferiche, E (θ, Ø) e H (θ, Ø).

Modello di radiazione

L'energia irradiata da un'antenna è rappresentata dal Radiation patterndell'antenna. I modelli di radiazione sono rappresentazioni schematiche della distribuzione dell'energia irradiata nello spazio, in funzione della direzione.

Esaminiamo lo schema della radiazione energetica.

La figura sopra mostra il diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo. L'energia irradiata è rappresentata dai modelli disegnati in una particolare direzione. Le frecce rappresentano le direzioni di radiazione.

I modelli di radiazione possono essere modelli di campo o modelli di potenza.

  • Il field patternsvengono tracciati in funzione dei campi elettrici e magnetici. Sono tracciati su scala logaritmica.

  • Il power patternssono tracciati in funzione del quadrato dell'intensità dei campi elettrici e magnetici. Sono tracciati su scala logaritmica o comunemente su scala dB.

Modello di radiazione in 3D

Il diagramma di radiazione è una figura tridimensionale e rappresentato in coordinate sferiche (r, θ, Φ) assumendo la sua origine al centro del sistema di coordinate sferiche. Sembra la figura seguente:

La figura data è un diagramma di radiazione tridimensionale per un Omni directional pattern. Questo indica chiaramente le tre coordinate (x, y, z).

Modello di radiazione in 2D

Il modello bidimensionale può essere ottenuto dal modello tridimensionale dividendolo in piani orizzontali e verticali. Questi modelli risultanti sono noti comeHorizontal pattern e Vertical pattern rispettivamente.

Le figure mostrano il diagramma di radiazione omnidirezionale nei piani H e V come spiegato sopra. Il piano H rappresenta il modello orizzontale, mentre il piano V rappresenta il modello verticale.

Formazione del lobo

Nella rappresentazione del diagramma di radiazione, spesso ci imbattiamo in forme diverse, che indicano le aree di radiazione maggiori e minori, con le quali il radiation efficiency dell'antenna è noto.

Per una migliore comprensione, si consideri la figura seguente, che rappresenta il diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo.

Qui, il diagramma di radiazione ha lobo principale, lobi laterali e lobo posteriore.

  • La maggior parte del campo irradiato, che copre un'area più ampia, è il main lobe o major lobe. Questa è la parte in cui esiste la massima energia irradiata. La direzione di questo lobo indica la direttività dell'antenna.

  • Le altre parti del modello in cui la radiazione viene distribuita ai reparti laterali sono note come side lobes o minor lobes. Queste sono le aree in cui l'energia viene sprecata.

  • C'è un altro lobo, che è esattamente opposto alla direzione del lobo principale. È noto comeback lobe, che è anche un lobo minore. Anche qui si spreca una notevole quantità di energia.

Esempio

Se le antenne utilizzate nei sistemi radar producono lobi laterali, il tracciamento del bersaglio diventa molto difficile. Questo perché i falsi bersagli sono indicati da questi lobi laterali. È complicato rintracciare quelli veri e identificare quelli falsi. Quindi,elimination di questi side lobes è necessario, per migliorare le prestazioni e risparmiare energia.

Rimedio

L'energia irradiata, che viene sprecata in tali forme, deve essere utilizzata. Se questi lobi minori vengono eliminati e questa energia viene deviata in una direzione (cioè verso il lobo maggiore), allora ildirectivity dell'antenna viene aumentata, il che porta a prestazioni migliori dell'antenna.

Tipi di modelli di radiazione

I tipi comuni di schemi di radiazione sono:

  • Motivo omnidirezionale (chiamato anche motivo non direzionale): il motivo di solito ha una forma a ciambella nella vista tridimensionale. Tuttavia, nella vista bidimensionale, forma un modello a figura di otto.

  • Motivo a matita: il raggio ha un motivo a forma di matita direzionale nitido.

  • Motivo a ventaglio - Il raggio ha un motivo a ventaglio.

  • Schema del raggio sagomato - Il raggio, che non è uniforme e privo di motivi, è noto come raggio sagomato.

Un punto di riferimento per tutti questi tipi di radiazioni è la radiazione isotropa. È importante considerare la radiazione isotropa anche se non è pratica.

Nel capitolo precedente abbiamo esaminato il diagramma di radiazione. Per avere una migliore analisi della radiazione di un'antenna è necessario un punto di riferimento. La radiazione di un'antenna isotropa riempie questo spazio.

Definizione

Isotropic radiation è la radiazione proveniente da una sorgente puntiforme, che irradia uniformemente in tutte le direzioni, con la stessa intensità indipendentemente dalla direzione di misurazione.

Il miglioramento del diagramma di radiazione di un'antenna viene sempre valutato utilizzando la radiazione isotropica di tale antenna. Se la radiazione è uguale in tutte le direzioni, allora è nota comeisotropic radiation.

  • La sorgente puntiforme è un esempio di radiatore isotropo. Tuttavia, questa radiazione isotropa è praticamente impossibile, perché ogni antenna irradia la sua energia con una certa direttività.

  • La radiazione isotropa non è altro che Omni-directional radiation.

  • Ha un motivo a forma di ciambella se visualizzato in 3D e un motivo a otto se visualizzato in 2D.

Le figure sopra riportate mostrano il diagramma di radiazione di un diagramma isotropo o omnidirezionale. La Figura 1 illustra il motivo a forma di ciambella in 3D e la Figura 2 illustra il motivo a figura di otto in 2D.

Guadagno

Il radiatore isotropo ha un guadagno unitario, il che significa avere un fattore di guadagno 1 in tutte le direzioni. In termini di dB, può essere chiamato guadagno 0dB (perdita zero).

Potenza irradiata isotropica equivalente

Secondo la definizione standard, "La quantità di potenza che un'antenna isotropica irradia per produrre la densità di potenza di picco osservata nella direzione del guadagno massimo dell'antenna, è chiamata come Equivalent Isotropic Radiated Power. "

Se l'energia irradiata di un'antenna viene fatta concentrare su un lato o in una particolare direzione, dove la radiazione è equivalente alla potenza irradiata isotropa di quell'antenna, tale radiazione sarebbe denominata EIRP, cioè Equivalent Isotropic Radiated Power.

Guadagno

Sebbene la radiazione isotropa sia immaginaria, è il meglio che un'antenna può dare. Il guadagno di tale antenna sarà 3dBi dove 3dB è un fattore 2 e "i" rappresenta il fattore di condizione isotropa.

Se la radiazione è focalizzata in un certo angolo, l'EIRP aumenta insieme al guadagno dell'antenna. Il miglior guadagno dell'antenna si ottiene focalizzando l'antenna in una certa direzione.

Potenza irradiata effettiva

Se la potenza irradiata viene calcolata prendendo come riferimento il dipolo semionda, piuttosto che un'antenna isotropa, allora può essere definita come ERP (Effective Radiated Power).

$$ERP(dBW) = EIRP(dBW) - 2.15dBi$$

Se l'EIRP è noto, l'ERP può essere calcolato dalla formula data sopra.

Questo capitolo tratta i parametri del fascio irradiato dell'antenna. Questi parametri ci aiutano a conoscere le specifiche del raggio.

Area del fascio

Secondo la definizione standard, "l'area del fascio è l'angolo solido attraverso il quale tutta la potenza irradiata dall'antenna fluirebbe se P (θ, Ø) manteneva il suo valore massimo su Ω A ed era zero altrove".

Il raggio irradiato dell'antenna esce da un angolo in corrispondenza dell'antenna, noto come angolo solido, dove l'intensità della radiazione di potenza è massima. Questosolid beam angle è definito come il beam area. È rappresentato daΩA.

L'intensità della radiazione P (θ, Ø) deve essere mantenuta costante e massima per tutto l'angolo del fascio solido Ω A , il suo valore è zero altrove.

$$Power\ radiated = P(\theta,\Phi)\Omega_{A} \:watts$$

L'angolo del fascio è un insieme di angoli tra i punti di metà potenza del lobo principale.

Espressione matematica

L'espressione matematica per l'area del raggio è

$$\Omega_{A} =\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi}P_{\pi}(\theta,\Phi)d\Omega\ wattts$$ $$d\Omega = \sin\theta\ d\theta\ d\Phi\ watts$$

Dove

  • $\Omega_{A}$ è l'angolo del fascio solido.
  • $\theta$ è la funzione della posizione angolare.
  • $\Phi$ è la funzione della distanza radiale.

Unità

L'unità dell'area del fascio è watts.

Efficienza del fascio

Secondo la definizione standard, "The beam efficiency indica il rapporto tra l'area del raggio del raggio principale e l'area totale del raggio irradiato. "

L'energia irradiata da un'antenna viene proiettata secondo la direttività dell'antenna. La direzione in cui un'antenna irradia più potenza ha la massima efficienza, mentre parte dell'energia viene persa nei lobi laterali. La massima energia irradiata dal raggio, con perdite minime, può essere definita comebeam efficiency.

Espressione matematica

L'espressione matematica per l'efficienza del raggio è:

$$\eta_{B} = \frac{\Omega_{MB}}{\Omega_{A}}$$

Dove,

  • $\eta_{B}$ è l'efficienza del raggio.
  • $\Omega_{MB}$ è l'area della trave principale.
  • $\Omega_{A}$ è l'angolo del fascio solido totale (area del fascio).

Polarizzazione dell'antenna

Un'antenna può essere polarizzata a seconda delle nostre esigenze. Può essere polarizzato linearmente o circolarmente. Il tipo di polarizzazione dell'antenna decide l'andamento del raggio e la polarizzazione alla ricezione o alla trasmissione.

Polarizzazione lineare

Quando un'onda viene trasmessa o ricevuta, può essere eseguita in direzioni diverse. Illinear polarizationdell'antenna aiuta a mantenere l'onda in una particolare direzione, evitando tutte le altre direzioni. Sebbene venga utilizzata questa polarizzazione lineare, il vettore del campo elettrico rimane sullo stesso piano. Quindi, usiamo questa polarizzazione lineare per migliorare ildirectivity dell'antenna.

Polarizzazione circolare

Quando un'onda è polarizzata circolarmente, il vettore del campo elettrico sembra essere ruotato con tutti i suoi componenti che perdono l'orientamento. La modalità di rotazione può anche essere diversa a volte. Tuttavia, utilizzandocircular polarization, l'effetto del multi-path viene ridotto e quindi viene utilizzato nelle comunicazioni satellitari come GPS.

Polarizzazione orizzontale

La polarizzazione orizzontale rende l'onda debole, poiché i riflessi dalla superficie terrestre la influenzano. Di solito sono deboli alle basse frequenze inferiori a 1 GHz.Horizontal polarization viene utilizzato nella trasmissione di TV signals per ottenere un migliore rapporto segnale / rumore.

Polarizzazione verticale

Le onde polarizzate verticalmente a bassa frequenza sono vantaggiose per la trasmissione delle onde di massa. Questi non sono influenzati dai riflessi superficiali come quelli polarizzati orizzontalmente. Quindi ilvertical polarization è usato per mobile communications.

Ogni tipo di polarizzazione ha i suoi vantaggi e svantaggi. Un progettista di sistemi RF è libero di selezionare il tipo di polarizzazione, in base ai requisiti del sistema.

In questo capitolo, discuteremo di un altro importante fattore nel diagramma di radiazione di un'antenna, noto come beam width. Nel diagramma di radiazione di un'antenna, il lobo principale è il raggio principale dell'antenna in cui fluisce l'energia massima e costante irradiata dall'antenna.

Beam widthè l'angolo di apertura da cui viene irradiata la maggior parte della potenza. Le due considerazioni principali di questa larghezza del fascio sono la metà della larghezza del fascio(HPBW) e Larghezza della prima trave nulla (FNBW).

Larghezza del fascio a metà potenza

Secondo la definizione standard, "La separazione angolare, in cui l'ampiezza del diagramma di radiazione diminuisce del 50% (o -3dB) dal picco del raggio principale, è la Half Power Beam Width. "

In altre parole, l'ampiezza del raggio è l'area in cui viene irradiata la maggior parte della potenza, che è la potenza di picco. Half power beam width è l'angolo in cui la potenza relativa è superiore al 50% della potenza di picco, nel campo irradiato effettivo dell'antenna.

Indicazione di HPBW

Quando viene tracciata una linea tra l'origine del diagramma di radiazione e i punti di mezza potenza sul lobo maggiore, su entrambi i lati, l'angolo tra questi due vettori viene definito come HPBW, metà larghezza del fascio di potenza. Questo può essere ben compreso con l'aiuto del diagramma seguente.

La figura mostra i punti di mezza potenza sul lobo maggiore e HPBW.

Espressione matematica

L'espressione matematica per la metà della larghezza del fascio di potenza è -

$$Half\: power\: Beam \:with=70\lambda_{/D} $$

Dove

  • $\lambda$ è la lunghezza d'onda (λ = 0,3 / frequenza).

  • D è il diametro.

Unità

L'unità di HPBW è radians o degrees.

Larghezza della prima trave nulla

Secondo la definizione standard, "L'estensione angolare tra i primi nulli del modello adiacenti al lobo principale, è chiamata come First Null Beam Width. "

Semplicemente, FNBW è la separazione angolare, citata dal raggio principale, che viene tracciata tra i punti nulli del diagramma di radiazione, sul suo lobo maggiore.

Indicazione di FNBW

Disegna tangenti su entrambi i lati partendo dall'origine del diagramma di radiazione, tangenziale al raggio principale. L'angolo tra queste due tangenti è noto come Larghezza della prima trave nulla(FNBW).

Questo può essere meglio compreso con l'aiuto del diagramma seguente.

L'immagine sopra mostra la larghezza del fascio a metà potenza e la prima larghezza del fascio nulla, contrassegnate in un diagramma di radiazione insieme ai lobi minori e maggiori.

Espressione matematica

L'espressione matematica di First Null Beam Width è

$$FNBW = 2 HPBW$$ $$FNBW\:2\left ( 70\lambda/D \right )\:=140\lambda/D$$

Dove

  • $\lambda$ è la lunghezza d'onda (λ = 0,3 / frequenza).
  • D è il diametro.

Unità

L'unità di FNBW è radians o degrees.

Lunghezza effettiva e area effettiva

Tra i parametri dell'antenna, sono importanti anche la lunghezza effettiva e l'area effettiva. Questi parametri ci aiutano a conoscere le prestazioni dell'antenna.

Lunghezza effettiva

Antenna La lunghezza effettiva viene utilizzata per determinare l'efficienza di polarizzazione dell'antenna.

Definition- "Il Effective length è il rapporto tra l'ampiezza della tensione ai terminali aperti dell'antenna ricevente e l'ampiezza dell'intensità del campo del fronte d'onda incidente, nella stessa direzione della polarizzazione dell'antenna. "

Quando un'onda incidente arriva ai terminali di ingresso dell'antenna, questa onda ha una certa intensità di campo, la cui ampiezza dipende dalla polarizzazione dell'antenna. Questa polarizzazione dovrebbe corrispondere all'ampiezza della tensione ai terminali del ricevitore.

Espressione matematica

L'espressione matematica per la lunghezza effettiva è -

$$l_{e} = \frac{V_{oc}}{E_{i}}$$

Dove

  • $l_{e}$ è la lunghezza effettiva.

  • $V_{oc}$ è la tensione a circuito aperto.

  • $E_{i}$ è l'intensità del campo dell'onda incidente.

Area efficace

Definition - "Effective area è l'area dell'antenna ricevente, che assorbe la maggior parte della potenza dal fronte d'onda in arrivo, all'area totale dell'antenna, che è esposta al fronte d'onda. "

L'intera area di un'antenna durante la ricezione, si confronta con le onde elettromagnetiche in arrivo, mentre solo una parte dell'antenna riceve il segnale, noto come effective area.

Solo una parte del fronte d'onda ricevuto viene utilizzata perché una parte dell'onda viene dispersa mentre una parte viene dissipata come calore. Quindi, senza considerare le perdite, l'area, che utilizza la massima potenza ottenuta per l'area effettiva, può essere definita comeeffective area.

L'area effettiva è rappresentata da $A_{eff}$.

Un'antenna può essere utilizzata sia come antenna trasmittente che come antenna ricevente. Durante l'utilizzo, potremmo incontrare una domanda se le proprietà dell'antenna potrebbero cambiare quando viene modificata la sua modalità operativa. Fortunatamente, non dobbiamo preoccuparci di questo. Le proprietà dell'antenna che sono immutabili sono chiamate proprietà direciprocity.

Proprietà sotto Reciprocità

Le proprietà di trasmissione e ricezione dell'antenna che mostrano la reciprocità sono:

  • Uguaglianza dei modelli direzionali.
  • Uguaglianza di direttività.
  • Uguaglianza delle lunghezze effettive.
  • Uguaglianza delle impedenze dell'antenna.

Vediamo come vengono implementati.

Uguaglianza dei modelli direzionali

Il radiation pattern dell'antenna trasmittente1, che trasmette all'antenna ricevente2 è uguale al diagramma di radiazione dell'antenna2, se trasmette e l'antenna1 riceve il segnale.

Uguaglianza di direttività

Directivity è lo stesso sia per le antenne trasmittenti che per quelle riceventi, se il valore di direttività è lo stesso per entrambi i casi, cioè le direttività sono le stesse sia che siano calcolate dalla potenza dell'antenna trasmittente che dalla potenza dell'antenna ricevente.

Uguaglianza delle lunghezze effettive

Il valore dell'apertura massima effettiva è lo stesso sia per le antenne trasmittenti che per quelle riceventi. Equality nel lengths di entrambe le antenne trasmittenti e riceventi è mantenuta in base al valore della lunghezza d'onda.

Uguaglianza nelle impedenze dell'antenna

L'impedenza di uscita di un'antenna trasmittente e l'impedenza di ingresso di un'antenna ricevente sono uguali in una comunicazione efficace.

Queste proprietà non cambieranno sebbene la stessa antenna venga utilizzata come trasmettitore o ricevitore. Quindi ilproperty of reciprocity è seguito.

Le antenne irradiano energia elettromagnetica per trasmettere o ricevere informazioni. Pertanto, i terminiEnergy e Powersono associati a queste onde elettromagnetiche e dobbiamo discuterne. Un'onda elettromagnetica ha campi sia elettrici che magnetici.

Considera l'onda in qualsiasi istante, che può essere visualizzata in entrambi i vettori. La figura seguente mostra la rappresentazione dei componenti del campo elettrico e magnetico in un'onda elettromagnetica.

L'onda elettrica è presente verticalmente alla propagazione dell'onda EM, mentre l'onda magnetica è posizionata orizzontalmente. Entrambi i campi sono ad angolo retto tra loro.

Vettore Poynting

Il vettore Poynting descrive l'energia dell'onda elettromagnetica per unità di tempo per unità di area in un dato istante di tempo. John Henry Poynting per la prima volta derivò questo vettore nel 1884 e quindi prese il suo nome.

Definition - "Il vettore Poynting fornisce la velocità di trasferimento di energia per unità di area"

o

"L'energia che un'onda trasporta per unità di tempo per unità di area è data dal vettore di Poynting."

Il vettore Poynting è rappresentato da Ŝ.

Unità

L'unità SI del vettore di Poynting è W/m2.

Espressione matematica

La quantità che viene utilizzata per descrivere la potenza associata alle onde elettromagnetiche è quella istantanea Poynting vector, che è definito come

$$\hat{S} = \hat{E} \times \hat{H}$$

Dove

  • $\hat{S}$ è il vettore Poynting istantaneo (W/m2).

  • $\hat{E}$ è l'intensità del campo elettrico istantaneo (V/m).

  • $\hat{H}$ è l'intensità del campo magnetico istantaneo (A/m).

Il punto importante da notare qui è che la grandezza di E è maggiore di H all'interno di un'onda EM. Tuttavia, entrambi contribuiscono con la stessa quantità di energia. Ŝ è il vettore, che ha sia direzione che grandezza. La direzione di Ŝ è uguale alla velocità dell'onda. La sua grandezza dipende da E e H.

Derivazione del vettore Poynting

Per avere un'idea chiara del vettore di Poynting, esaminiamo la derivazione di questo vettore di Poynting, in un processo graduale.

Immaginiamo che un'onda elettromagnetica passi un'area (A) perpendicolare all'asse X lungo il quale viaggia l'onda. Passando per A, in un tempo infinitesimale (dt), l'onda percorre una distanza (dx).

$$dx = C\ dt$$

Dove

$$C = velocity\ of\ light = 3\times 10^{8}m/s$$ $$volume, dv = Adx = AC\ dt$$ $$d\mu = \mu\ dv = (\epsilon_{0}E^{2})(AC\ dt)$$ $$= \epsilon_{0} AC \ E^{2}\ dt$$

Pertanto, l'energia trasferita nel tempo (dt) per area (A) è -

$$S = \frac{Energy}{Time\times Area} = \frac{dW}{dt\ A} = \frac{\epsilon_{0}ACE^{2}\ dt}{dt\ A} = \epsilon_{0}C\:E^{2}$$

Da

$$\frac{E}{H} = \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\epsilon_{0}}} \ then\ S= \frac{CB^{2}}{\mu_{0}}$$

Da

$$C = \frac{E}{H} \ then \ S = \frac{EB}{\mu_{0}}$$ $$= \hat{S} = \frac{1}{\mu_{0}}(\hat{E}\hat{H})$$

Ŝ denota il vettore Poynting.

L'equazione precedente ci fornisce l'energia per unità di tempo, per unità di area in un dato istante di tempo, che è chiamata come Poynting vector.

Le antenne devono essere classificate per comprendere più chiaramente la loro struttura fisica e funzionalità. Esistono molti tipi di antenne a seconda delle applicazioni delle applicazioni.

Tipo di antenna Esempi Applicazioni
Antenne a filo Antenna dipolo, antenna monopolare, antenna Helix, antenna Loop Applicazioni personali, edifici, navi, automobili, navicelle spaziali
Antenne ad apertura Guida d'onda (apertura), antenna a tromba Applicazioni da incasso, aeromobili, astronavi
Antenne riflettenti Riflettori parabolici, Riflettori angolari Comunicazione a microonde, localizzazione satellitare, radioastronomia
Antenne per lenti Lenti piano convesso, piano concavo, convesso-convesso, concaveconcave Utilizzato per applicazioni ad altissima frequenza
Antenne micro strip Toppa metallica di forma circolare e rettangolare sopra il piano di massa Aeromobili, astronavi, satelliti, missili, automobili, telefoni cellulari ecc.
Antenne array Antenna Yagi-Uda, array di patch micro strip, array di aperture, array di guide d'onda scanalate Utilizzato per applicazioni a guadagno molto elevato, soprattutto quando è necessario controllare il diagramma di radiazione

Parliamo in dettaglio dei suddetti tipi di antenne nei prossimi capitoli.

Le antenne filari sono i tipi di base di antenne. Queste sono antenne ben note e ampiamente utilizzate. Per avere un'idea migliore di queste antenne filari, diamo prima uno sguardo alle linee di trasmissione.

Linee di trasmissione

Il filo o il file transmission lineha una certa potenza, che viaggia da un'estremità all'altra. Se entrambe le estremità della linea di trasmissione sono collegate ai circuiti, le informazioni verranno trasmesse o ricevute utilizzando questo filo tra questi due circuiti.

Se un'estremità di questo cavo non è collegata, l'alimentazione in esso tenta di sfuggire. Questo porta alla comunicazione wireless. Se un'estremità del filo è piegata, l'energia cerca di fuoriuscire dalla linea di trasmissione, in modo più efficace di prima. Questa fuga intenzionale è nota comeRadiation.

Affinché la radiazione avvenga in modo efficace, l'impedenza dell'estremità aperta della linea di trasmissione deve corrispondere all'impedenza dello spazio libero. Si consideri una linea di trasmissione della dimensione di un quarto d'onda. L'estremità più lontana è tenuta aperta e piegata per fornire un'alta impedenza. Questo funge dahalf-wave dipole antenna. Già, ha una bassa impedenza a un'estremità della linea di trasmissione. L'estremità aperta, che ha un'elevata impedenza, corrisponde all'impedenza dello spazio libero per fornire una migliore radiazione.

Dipolo

La radiazione di energia quando viene eseguita attraverso un tale filo piegato, l'estremità di tale linea di trasmissione è chiamata dipole o antenna a dipolo.

La reattanza dell'impedenza di ingresso è una funzione del raggio e della lunghezza del dipolo. Più piccolo è il raggio, maggiore è l'ampiezza della reattanza. È proporzionale alla lunghezza d'onda. Quindi, anche la lunghezza e il raggio del dipolo dovrebbero essere presi in considerazione. Normalmente, la sua impedenza è di circa 72Ω.

Questo è meglio compreso con l'aiuto della figura seguente.

La figura mostra lo schema elettrico di un normale dipolo collegato ad una linea di trasmissione. La corrente per un dipolo è massima al centro e minima alle sue estremità. La tensione è minima al centro e massima alle estremità.

I tipi di antenne filari includono dipolo a semionda, dipolo piegato a semionda, dipolo a onda intera, dipolo corto e dipolo infinitesimale. Tutte queste antenne saranno discusse nei capitoli successivi.

L'antenna a dipolo viene tagliata e piegata per una radiazione efficace. La lunghezza del filo totale, che viene utilizzato come dipolo, è uguale alla metà della lunghezza d'onda (cioè, l = λ / 2). Tale antenna è chiamata comehalf-wave dipole antenna. Questa è l'antenna più utilizzata per i suoi vantaggi. È anche conosciuto comeHertz antenna.

Intervallo di frequenze

L'intervallo di frequenza in cui opera il dipolo a semionda è compreso tra 3 KHz e 300 GHz. Viene utilizzato principalmente nei ricevitori radio.

Costruzione e funzionamento del dipolo a semionda

È una normale antenna a dipolo, dove si trova la frequenza del suo funzionamento half of its wavelength. Quindi, è chiamato antenna dipolo a semionda.

Il bordo del dipolo ha la massima tensione. Questa tensione è di natura alternata (CA). Al picco positivo della tensione, gli elettroni tendono a muoversi in una direzione e al picco negativo, gli elettroni si muovono nell'altra direzione. Ciò può essere spiegato dalle figure fornite di seguito.

Le figure sopra riportate mostrano il funzionamento di un dipolo a semionda.

  • La figura 1 mostra il dipolo quando le cariche indotte sono in semiciclo positivo. Ora gli elettroni tendono a muoversi verso la carica.

  • La figura 2 mostra il dipolo con cariche negative indotte. Gli elettroni qui tendono ad allontanarsi dal dipolo.

  • La figura 3 mostra il dipolo con il successivo semiciclo positivo. Quindi, gli elettroni si muovono nuovamente verso la carica.

L'effetto cumulativo di questo produce un effetto di campo variabile che viene irradiato nello stesso schema prodotto su di esso. Quindi, l'uscita sarebbe una radiazione efficace che segue i cicli del modello di tensione di uscita. Quindi, un dipolo a semiondaradiates effectively.

La figura sopra mostra la distribuzione della corrente nel dipolo a semionda. La direttività del dipolo a semionda è 2,15 dBi, che è ragionevolmente buona. Dove, "i" rappresenta la radiazione isotropa.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione di questo dipolo a semionda è Omni-directionalnell'aereo H. È auspicabile per molte applicazioni come comunicazioni mobili, ricevitori radio ecc.

La figura sopra indica il diagramma di radiazione di un dipolo a semionda sia sul piano H che su quello V.

Il raggio del dipolo non influenza la sua impedenza di ingresso in questo dipolo a semionda, perché la lunghezza di questo dipolo è a semionda ed è la prima lunghezza di risonanza. Un'antenna funziona efficacemente al suoresonant frequency, che si verifica alla sua lunghezza di risonanza.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna dipolo a semionda:

  • L'impedenza di ingresso non è sensibile.

  • Si abbina bene con l'impedenza della linea di trasmissione.

  • Ha una lunghezza ragionevole.

  • La lunghezza dell'antenna corrisponde alla dimensione e alla direttività.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna dipolo a semionda:

  • Non molto efficace a causa del singolo elemento.

  • Può funzionare meglio solo con una combinazione.

Applicazioni

    Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna dipolo a semionda:

  • Utilizzato nei ricevitori radio.

  • Utilizzato nei ricevitori televisivi.

  • Quando utilizzato con altri, utilizzato per un'ampia varietà di applicazioni.

Un dipolo piegato è un'antenna, con due conduttori collegati su entrambi i lati e piegati a formare una forma cilindrica chiusa, a cui viene data l'alimentazione al centro. La lunghezza del dipolo è la metà della lunghezza d'onda. Quindi, è chiamato comehalf wave folded dipole antenna.

Intervallo di frequenze

L'intervallo di frequenza in cui opera il dipolo ripiegato a semionda è compreso tra 3 KHz e 300 GHz. Viene utilizzato principalmente nei ricevitori televisivi.

Costruzione e funzionamento del dipolo piegato a semionda

Questa antenna è comunemente utilizzata con le antenne di tipo array per aumentare la resistenza di alimentazione. Quello più comunemente usato è con l'antenna Yagi-Uda. La figura seguente mostra un'antenna dipolo ripiegata a semionda.

Questa antenna utilizza un elemento conduttore aggiuntivo (un filo o un'asta) rispetto alla precedente antenna a dipolo. Ciò viene continuato posizionando pochi elementi conduttori in parallelo, con isolamento intermedio, in antenne di tipo array.

La figura seguente spiega il funzionamento di un'antenna dipolo ripiegata a semionda, quando è dotata di eccitazione.

Se il diametro del conduttore principale e il dipolo piegato sono uguali, ci sarà un aumento di quattro volte (due volte di uno quadrato) nell'impedenza di alimentazione dell'antenna. Questo aumento dell'impedenza di alimentazione è la ragione principale dell'uso popolare di questa antenna a dipolo ripiegata. A causa del doppio cavo, l'impedenza sarà di circa 300Ω.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione dei dipoli ripiegati a semionda è lo stesso di quello delle antenne a dipolo a semionda. La figura seguente mostra il diagramma di radiazione dell'antenna dipolo ripiegata a semionda, che èOmni-directional modello.

Le antenne dipolo ripiegate a semionda vengono utilizzate dove è necessario un trasferimento di potenza ottimale e dove sono necessarie grandi impedenze.

Questo dipolo piegato è l'elemento principale in Yagi-Uda antenna. La figura seguente mostra un fileYagi-Uda antenna, che studieremo in seguito. L'elemento principale qui utilizzato è questo dipolo ripiegato, a cui viene data l'alimentazione dell'antenna. Questa antenna è stata ampiamente utilizzata per la ricezione televisiva negli ultimi decenni.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna dipolo ripiegata a semionda:

  • Ricezione di segnali bilanciati.

  • Riceve un segnale particolare da una banda di frequenze senza perdere la qualità.

  • Un dipolo piegato massimizza la potenza del segnale.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna dipolo piegata a semionda:

  • Lo spostamento e la regolazione dell'antenna sono una seccatura.

  • La gestione all'esterno può essere difficile quando le dimensioni dell'antenna aumentano.

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna dipolo ripiegata a semionda:

  • Utilizzato principalmente come elemento di alimentazione in antenna Yagi, antenna parabolica, antenna tornello, antenna periodica log, array di riflettori e fasati, ecc.

  • Generalmente utilizzato nei ricevitori radio.

  • Più comunemente usato nelle antenne dei ricevitori TV.

Se la lunghezza del dipolo, cioè il filo totale, è uguale alla lunghezza d'onda completa λ, quindi si chiama come full wave dipole. Se un dipolo a piena lunghezza d'onda viene utilizzato per la trasmissione o per la ricezione, vediamo come sarà la radiazione.

Costruzione e funzionamento del dipolo a onda intera

Qui viene mostrato il dipolo a onda intera con la sua distribuzione di tensione e corrente. Entrambi i picchi positivi e negativi dell'onda inducono rispettivamente tensioni positive e negative. Tuttavia, poiché le tensioni indotte si annullano a vicenda, non si tratta di radiazioni.

La figura sopra mostra la distribuzione della tensione del dipolo a onda intera la cui lunghezza è λ. Si è visto che due dipoli a semionda sono uniti per formare un dipolo a onda intera.

Lo schema di tensione quando induce le sue cariche positive e negative allo stesso tempo, si annullano a vicenda come mostrato in figura. Le cariche indotte non effettuano ulteriori tentativi di irradiazione poiché vengono annullate. La radiazione in uscita sarà zero per un dipolo di trasmissione a onda intera.

Modello di radiazione

Poiché non vi è alcun diagramma di radiazione, direttività e guadagno, il dipolo a onda intera viene raramente utilizzato come antenna. Il che significa che, sebbene l'antenna si irradi, è solo una certa dissipazione del calore, che è uno spreco di energia.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna dipolo a onda intera.

  • Dissipazione di calore
  • Spreco di potere
  • Nessun diagramma di radiazione
  • Nessuna direttività e nessun guadagno

A causa di questi inconvenienti, il dipolo a onda intera viene utilizzato raramente.

UN short dipoleè una semplice antenna a filo. Un'estremità è a circuito aperto e l'altra estremità è alimentata da una sorgente CA. Questo dipolo ha preso il nome dalla sua lunghezza.

Intervallo di frequenze

L'intervallo di frequenza in cui opera il dipolo corto è compreso tra 3 KHz e 30 MHz. Viene utilizzato principalmente nei ricevitori a bassa frequenza.

Costruzione e lavorazione del dipolo corto

Il Short dipoleè l'antenna dipolo avente la lunghezza del suo filo più corta della lunghezza d'onda. Una sorgente di tensione è collegata a un'estremità mentre viene realizzata una forma di dipolo, cioè le linee sono terminate all'altra estremità.

Viene mostrato lo schema del circuito di un dipolo corto con lunghezza L. La dimensione effettiva dell'antenna non ha importanza. Il filo che conduce all'antenna deve essere inferiore a un decimo della lunghezza d'onda. Questo è

$$L < \frac{\lambda}{10}$$

Dove

  • L è la lunghezza del filo del dipolo corto.

  • λ è la lunghezza d'onda.

Un altro tipo di dipolo corto è il dipolo infinitesimale, la cui lunghezza è molto inferiore alla sua lunghezza d'onda. La sua costruzione è simile ad essa, ma utilizza una piastra del condensatore.

Dipolo infinitesimale

Un dipolo la cui lunghezza è molto inferiore alla lunghezza d'onda infitesimal dipole. Questa antenna è in realtà poco pratica. In questo caso, la lunghezza del dipolo è inferiore anche a cinque per parte della lunghezza d'onda.

La lunghezza del dipolo, Δl << λ. Dove, λ è la lunghezza d'onda.

$$\Delta l = \frac{\lambda}{50}$$

Quindi, questo è il dipolo infinitamente piccolo, come suggerisce il nome.

Poiché la lunghezza di questi dipoli è molto piccola, il flusso di corrente nel filo sarà dI. Questi fili sono generalmente utilizzati con piastre di condensatori su entrambi i lati, dove è necessario un basso accoppiamento reciproco. A causa delle piastre del condensatore, possiamo dire che è presente una distribuzione uniforme della corrente. Quindi la corrente non è zero qui.

Le piastre del condensatore possono essere semplicemente conduttori o equivalenti di filo. I campi irradiati dalle correnti radiali tendono ad annullarsi a vicenda nel campo lontano in modo che i campi lontani dell'antenna a piastre del condensatore possano essere approssimati dal dipolo infinitesimale.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione di un dipolo corto e di un dipolo infinitesimale è simile a un dipolo a semionda. Se il dipolo è verticale, il motivo sarà circolare. Il diagramma di radiazione ha la forma di "figure of eight"Pattern, se visto in pattern bidimensionale.

La figura seguente mostra il diagramma di radiazione di un'antenna a dipolo corto, che si trova in omni-directional pattern.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna a dipolo corto:

  • Facilità di costruzione, grazie alle piccole dimensioni

  • L'efficienza di dissipazione della potenza è maggiore

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna a dipolo corto:

  • Elevate perdite resistive
  • Elevata dissipazione di potenza
  • Basso rapporto segnale-rumore
  • La radiazione è bassa
  • Non così efficiente

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna a dipolo corto:

  • Utilizzato in applicazioni a banda stretta.
  • Usato come antenna per i circuiti del sintonizzatore.

In questo capitolo sono state discusse le antenne a filo corto popolari e più utilizzate. Discuteremo le antenne a filo lungo nei prossimi capitoli.

Abbiamo utilizzato diversi tipi di antenne a filo corto. Ora, guardiamo le lunghe antenne a filo. Illong wire antennassono formati utilizzando un numero di dipoli. La lunghezza del filo in questo tipo di antenne èn volte λ/2

$$L = n \ \lambda/2$$

Dove,

  • L è la lunghezza dell'antenna,

  • n è il numero di elementi,

  • λ è la lunghezza d'onda

All'aumentare di 'n', aumentano anche le proprietà direzionali.

Tipi di antenne a filo lungo

Le antenne a filo lungo sono divise in due tipi: Resonant Antennas e Non-resonant Antennas.

Antenne risonanti

Le antenne risonanti sono quelle per le quali un picco acuto della potenza irradiata viene intercettato dall'antenna a una certa frequenza, per formare un'onda stazionaria. Il diagramma di radiazione dell'onda irradiata non corrisponde all'impedenza di carico in questo tipo di antenna.

Le antenne risonanti sono di natura periodica. Sono anche chiamate antenne a onde viaggianti bidirezionali, poiché l'onda irradiata si muove in due direzioni, il che significa che qui si verificano sia onde incidenti che riflesse. In queste antenne, la lunghezza dell'antenna e la frequenza sono proporzionali l'una all'altra.

Antenne non risonanti

Le antenne non risonanti sono quelle per le quali non si verifica la frequenza di risonanza. L'onda si muove in avanti e quindi non forma un'onda stazionaria. Il diagramma di radiazione dell'onda irradiata corrisponde all'impedenza di carico nelle antenne non risonanti.

Queste antenne non risonanti sono di natura non periodica. Sono anche chiamate antenne a onde mobili unidirezionali, poiché l'onda irradiata si muove solo in avanti, il che significa che è presente solo l'onda incidente. All'aumentare della frequenza, la lunghezza dell'antenna diminuisce e viceversa. Quindi, la frequenza e la lunghezza sono inversamente proporzionali l'una all'altra.

Queste antenne a filo lungo sono gli elementi base per la costruzione di antenne a forma di V o antenne Rhombic.

Una versione migliore delle antenne a filo lungo è la V-Antenna. Questa antenna è formata disponendo il filo lungo in uno schema a forma di V. I fili terminali sono chiamati gambe. Questa antenna è un'antenna risonante bidirezionale.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza di funzionamento dell'antenna V è intorno 3 to 30 MHz. Questa antenna funziona nella gamma ad alta frequenza.

Costruzione e funzionamento delle antenne a V.

Due fili lunghi sono collegati a forma di V per formare un V-antenna. I due fili lunghi sono eccitati con uno sfasamento di 180 °. All'aumentare della lunghezza di questi fili, aumentano anche il guadagno e la direttività.

La figura seguente mostra un'antenna a V con l'impedenza della linea di trasmissione z e la lunghezza del filo λ / 2, che formano un angolo Φ m con l'asse, che è chiamato comeapex angle.

Il gainottenuto dall'antenna V è superiore alla normale antenna a filo singolo lungo. Il guadagno in questa formazione a V ènearly twicerispetto alla singola antenna a filo lungo, che ha una lunghezza pari alle gambe dell'antenna a V. Se si vuole ottenere un'ampia gamma di radiazioni, l'angolo dell'apice dovrebbe avere un valore medio tra le frequenze più alte e più basse in termini di numero di λ / 2 in ciascuna gamba.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione di un'antenna V è bi-directional. La radiazione ottenuta su ciascuna linea di trasmissione viene aggiunta per ottenere il diagramma di radiazione risultante. Questo è ben spiegato nella figura seguente:

La figura mostra il diagramma di radiazione dell'antenna V. Le due linee di trasmissione che formano il modello a V sono AA 'e BB'. I modelli delle singole linee di trasmissione e il modello risultante sono mostrati nella figura. Il modello risultante è mostrato lungo l'asse. Questo modello ricorda ilbroad-side array.

Se un'altra antenna a V viene aggiunta a questa antenna e alimentata con una differenza di fase di 90 °, il modello risultante sarà end-fire, raddoppiando il guadagno di potenza. La direttività è ulteriormente aumentata aggiungendo la serie di antenne V.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna V:

  • La costruzione è semplice
  • Alto guadagno
  • Basso costo di produzione

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna V:

  • Si formano onde stazionarie
  • Anche i lobi minori verificatisi sono forti
  • Utilizzato solo per operazioni a frequenza fissa

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna V:

  • Utilizzato per scopi commerciali
  • Utilizzato nelle comunicazioni radio

Nel capitolo precedente, abbiamo studiato l'antenna V. La sua frequenza operativa è limitata. Questo può essere modificato utilizzando un'altra antenna, che è un'antenna non risonante o un'antenna a onde mobili. Un'antenna a onde mobili non produce onde stazionarie, come discusso in precedenza.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza di funzionamento di un'antenna a V invertita (o antenna a V) è intorno 3 to 30 MHz. Questa antenna funziona nella gamma ad alta frequenza.

Costruzione e funzionamento dell'antenna a V invertita

Un'antenna a onde mobili, utilizzata nella banda ad alta frequenza è un'antenna inverted V-antenna. Questa antenna a V invertita è facilmente installabile su un albero non conduttore.

Dai un'occhiata alla seguente immagine. Mostra un'antenna a V rovesciata montata su un tetto.

La radiazione massima per un'antenna a V invertita è al centro. È simile a un'antenna dipolo a mezza onda. L'antenna è posta a forma di V rovesciata, con le sue due linee o gambe di trasmissione piegate verso il suolo formando un angolo di 120 ° o 90 ° tra di loro. Il centro dell'antenna non dovrebbe essere più alto di λ / 4.

L'angolo formato da una delle gambe con l'asse dell'antenna, è noto come tilt angle ed è indicato da θ.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione dell'antenna a V invertita è uni-directional pattern, poiché qui non si formano onde stazionarie. Può essere chiaramente compreso dal diagramma di radiazione mostrato di seguito.

La figura illustra il diagramma di radiazione di un'antenna a V invertita. Il campo irradiato primario viene mostrato insieme ai campi quando gli angoli di inclinazione sono 120˚ e 90˚ nella figura sopra. Il guadagno e la direttività sono migliorati grazie a una serie di antenne.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna a V invertita:

  • Occupa un posto meno orizzontale

  • Non si formano onde stazionarie

  • Alto guadagno

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna a V invertita:

  • Ha notevoli lobi minori indesiderati

  • I lobi minori creano onde polarizzate orizzontalmente

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna a V invertita:

  • Utilizzato in applicazioni con circuiti sintonizzati

  • Utilizzato nelle comunicazioni radio

  • Utilizzato in applicazioni commerciali

Dopo l'antenna a V e l'antenna a V invertita, un'altra importante antenna a filo lungo è la Rhombic antenna. È una combinazione di due antenne V. Questo è discusso nel prossimo capitolo.

Il Rhombic Antennaè un'antenna a forma di parallelogramma equilatero. Generalmente ha due angoli acuti opposti. L'angolo di inclinazione, θ è approssimativamente uguale a 90 ° meno l'angolo del lobo maggiore. L'antenna rombica funziona secondo il principio del radiatore a onde mobili. È disposto a forma di rombo o diamante e sospeso orizzontalmente sopra la superficie della terra.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza di funzionamento di un'antenna rombica è intorno 3MHz to 300MHz. Questa antenna funzionaHF e VHF intervalli.

Costruzione dell'antenna rombica

L'antenna rombica può essere considerata come due antenne a forma di V collegate da un'estremità all'altra per formare angoli ottusi. Grazie alla sua semplicità e facilità di costruzione, ha molti usi:

  • In trasmissione e ricezione HF

  • Comunicazione commerciale punto a punto

La costruzione dell'antenna rombica ha la forma di un rombo, come mostrato in figura.

I due lati del rombo sono considerati i conduttori di una linea di trasmissione a due fili. Quando questo sistema è progettato correttamente, c'è una concentrazione di radiazioni lungo l'asse principale della radiazione. In pratica, metà della potenza viene dissipata nella resistenza di terminazione dell'antenna. Il resto del potere viene irradiato. La potenza sprecata contribuisce ai lobi minori.

La figura 1 mostra la costruzione di rhombic antennaper la comunicazione punto a punto nei tempi antichi. La Figura 2 mostra il filerhombic UHF antenna per la ricezione TV, usata in questi giorni.

Il guadagno massimo da un'antenna rombica è lungo la direzione dell'asse principale, che passa attraverso il punto di alimentazione per terminare nello spazio libero. La polarizzazione ottenuta da un'antenna rombica orizzontale è nel piano del rombo, che è orizzontale.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione dell'antenna rombica è mostrato nella figura seguente. Il modello risultante è l'effetto cumulativo della radiazione su tutti e quattro i rami dell'antenna. Questo modello èuni-directional, mentre può essere reso bidirezionale rimuovendo la resistenza di terminazione.

Il principale svantaggio dell'antenna rombica è che le porzioni della radiazione, che non si combinano con il lobo principale, danno come risultato notevoli lobi laterali aventi polarizzazione sia orizzontale che verticale.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna rombica:

  • L'impedenza di ingresso e il diagramma di radiazione sono relativamente costanti

  • È possibile collegare più antenne rombiche

  • Trasmissione semplice ed efficace

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna rombica:

  • Spreco di potenza nel resistore di terminazione

  • Necessità di ampio spazio

  • Efficienza di trasmissione ridotta

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna rombica:

  • Utilizzato nelle comunicazioni HF

  • Utilizzato nelle propagazioni delle onde del cielo a lunga distanza

  • Utilizzato nelle comunicazioni punto a punto

Un altro metodo per utilizzare un filo lungo è piegare e trasformare il filo in uno schema a forma di anello e osservarne i parametri radianti. Questo tipo di antenne è definito comeloop antennas.

Una bobina che trasporta corrente RF riceve una singola svolta in un anello, può essere utilizzata come un'antenna chiamata come loop antenna. Le correnti attraverso questa antenna a telaio saranno in fase. Il campo magnetico sarà perpendicolare all'intero anello che trasporta la corrente.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza di funzionamento dell'antenna a telaio è intorno 300MHz to 3GHz. Questa antenna funzionaUHF gamma.

Costruzione e funzionamento di antenne ad anello

Un'antenna a telaio è una bobina che trasporta corrente a radiofrequenza. Può essere di qualsiasi forma come circolare, rettangolare, triangolare, quadrata o esagonale a seconda della comodità del progettista.

Le antenne ad anello sono di due tipi.

  • Grandi antenne ad anello
  • Piccole antenne ad anello

Grandi antenne ad anello

Le grandi antenne ad anello sono anche chiamate come resonant antennas. Hanno un'elevata efficienza di radiazione. Queste antenne hanno una lunghezza quasi uguale alla lunghezza d'onda prevista.

$$L =\lambda$$

Dove,

  • L è la lunghezza dell'antenna

  • λ è la lunghezza d'onda

Il parametro principale di questa antenna è la sua lunghezza perimetrale, che è circa una lunghezza d'onda e dovrebbe essere un anello chiuso. Non è una buona idea serpeggiare il loop in modo da ridurne le dimensioni, poiché ciò aumenta gli effetti capacitivi e si traduce in una bassa efficienza.

Piccole antenne ad anello

Le piccole antenne ad anello sono anche chiamate come magnetic loop antennas. Questi sono meno risonanti. Questi sono usati principalmente come ricevitori.

Queste antenne hanno le dimensioni di un decimo della lunghezza d'onda.

$$L =\frac{\lambda}{10}$$

Dove,

  • L è la lunghezza dell'antenna

  • λ è la lunghezza d'onda

Le caratteristiche delle piccole antenne ad anello sono:

  • Una piccola antenna a telaio ha una bassa resistenza alle radiazioni. Se vengono utilizzate strutture con nucleo in ferrite a più giri, è possibile ottenere un'elevata resistenza alle radiazioni.

  • Ha una bassa efficienza di radiazione a causa delle elevate perdite.

  • La sua costruzione è semplice con dimensioni e peso ridotti.

A causa della sua elevata reattanza, la sua impedenza è difficile da abbinare al trasmettitore. Se l'antenna a telaio dovesse fungere da antenna trasmittente, allora questo disadattamento di impedenza sarebbe sicuramente un problema. Quindi, queste antenne loop sono meglio gestite comereceiver antennas.

Loop utilizzati di frequente

Le piccole antenne ad anello sono principalmente di due tipi:

  • Antenne circolari
  • Antenne a circuito quadrato

Questi due tipi di antenne loop sono per lo più ampiamente utilizzati. Vengono realizzate anche altre tipologie (rettangolare, delta, ellittica ecc.) Secondo le specifiche del progettista.

Le immagini sopra mostrano circular and square loop antennas. Questi tipi di antenne vengono utilizzati principalmente come ricevitori AM a causa dell'elevato rapporto segnale-rumore. Sono anche facilmente sintonizzabili sul circuito Q-tank nei ricevitori radio.

Polarizzazione del ciclo

La polarizzazione dell'antenna a telaio sarà polarizzata verticalmente o orizzontalmente a seconda della posizione di alimentazione. La polarizzazione verticale è data al centro del lato verticale mentre la polarizzazione orizzontale è data al centro del lato orizzontale, a seconda della forma dell'antenna a telaio.

La piccola antenna a telaio è generalmente un linearly polarizeduno. Quando un'antenna ad anello così piccola viene montata sopra un ricevitore portatile, la cui uscita è collegata a un misuratore, diventa un ottimo cercatore di direzione.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione di queste antenne sarà lo stesso di quello dell'antenna dipolo orizzontale corta.

Il radiation patternper antenne loop piccole e ad alta efficienza è mostrato nella figura sopra. I modelli di radiazione per diversi angoli di looping sono anche illustrati chiaramente nella figura. La linea tangente a 0 ° indica la polarizzazione verticale, mentre la linea a 90 ° indica la polarizzazione orizzontale.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna ad anello:

  • Dimensioni compatte
  • Alta direttività

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna ad anello:

  • La corrispondenza dell'impedenza potrebbe non essere sempre buona
  • Ha un fattore di qualità di risonanza molto elevato

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna ad anello:

  • Utilizzato nei dispositivi RFID
  • Utilizzato nei ricevitori MF, HF e onde corte
  • Utilizzato nei ricevitori di aeromobili per la ricerca della direzione
  • Utilizzato nei trasmettitori UHF

Helical antennaè un esempio di antenna a filo e forma essa stessa la forma di un'elica. Questa è un'antenna VHF e UHF a banda larga.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza di funzionamento dell'antenna elicoidale è intorno 30MHz to 3GHz. Questa antenna funzionaVHF e UHF intervalli.

Costruzione e funzionamento dell'antenna elicoidale

Helical antennao antenna elicoidale è l'antenna in cui il filo conduttore è avvolto in forma elicoidale e collegato alla piastra di terra con una linea di alimentazione. È l'antenna più semplice che forniscecircularly polarized waves. Viene utilizzato nelle comunicazioni extraterrestri in cui sono coinvolti i relè satellitari, ecc.

L'immagine sopra mostra un sistema di antenna elicoidale, che viene utilizzato per le comunicazioni satellitari. Queste antenne richiedono uno spazio esterno più ampio.

Consiste di un'elica di filo di rame spesso o di un tubo avvolto a forma di filettatura utilizzata come antenna in combinazione con una piastra metallica piatta chiamata piastra di terra. Un'estremità dell'elica è collegata al conduttore centrale del cavo e il conduttore esterno è collegato alla piastra di terra.

L'immagine di un'antenna ad elica che dettaglia le parti dell'antenna è mostrata sopra.

La radiazione dell'antenna elicoidale dipende dal diametro dell'elica, dalla spaziatura delle virate e dall'angolo di beccheggio.

Pitch angle è l'angolo tra una linea tangente al filo dell'elica e il piano normale all'asse dell'elica.

$$\alpha = \tan^{-1}(\frac{S}{\pi D})$$

dove,

  • D è il diameter di elica.

  • S è il turn spacing (da centro a centro).

  • α è il pitch angle.

Modalità di funzionamento

Le modalità di funzionamento predominanti di un'antenna elicoidale sono:

  • Normal o modalità di radiazione perpendicolare.

  • Axial o modalità di radiazione end-fire o fascio.

Cerchiamo di discuterli in dettaglio.

Modalità normale

In modalità di radiazione normale, il campo di radiazione è normale all'asse dell'elica. Le onde irradiate sono polarizzate circolarmente. Questa modalità di radiazione si ottiene se le dimensioni dell'elica sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda. Il diagramma di radiazione di questa antenna elicoidale è una combinazione di dipolo corto e antenna ad anello.

La figura sopra mostra il diagramma di radiazione per la modalità normale di radiazione nell'antenna elicoidale.

Dipende dai valori del diametro dell'elica, D e la sua spaziatura di turno, S. Gli svantaggi di questa modalità di funzionamento sono la bassa efficienza di radiazione e la larghezza di banda ridotta. Quindi, è poco utilizzato.

Modalità assiale

In axial modedella radiazione, la radiazione è nella direzione di fine fuoco lungo l'asse elicoidale e le onde sono polarizzate circolarmente o quasi circolarmente. Questa modalità di funzionamento si ottiene elevando la circonferenza all'ordine di una lunghezza d'onda(λ) e spaziatura di circa λ/4. Il diagramma di radiazione è ampio e direzionale lungo il raggio assiale producendo lobi minori ad angoli obliqui.

La figura mostra il diagramma di radiazione per il modo di radiazione assiale nell'antenna elicoidale.

Se questa antenna è progettata per onde polarizzate circolarmente destrorse, non riceverà onde polarizzate circolarmente sinistrorse e viceversa. Questa modalità di funzionamento viene generata con grande facilità ed èmore practically used.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna elicoidale:

  • Design semplice
  • Massima direttività
  • Larghezza di banda più ampia
  • Può raggiungere la polarizzazione circolare
  • Può essere utilizzato anche nelle bande HF e VHF

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna elicoidale:

  • L'antenna è più grande e richiede più spazio
  • L'efficienza diminuisce con il numero di giri

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna elicoidale:

  • Una singola antenna elicoidale o il suo array viene utilizzata per trasmettere e ricevere segnali VHF

  • Usato frequentemente per comunicazioni satellitari e sonda spaziale

  • Utilizzato per collegamenti di telemetria con missili ballastici e satelliti nelle stazioni terrestri

  • Utilizzato per stabilire comunicazioni tra la luna e la Terra

  • Applicazioni in radioastronomia

Un'antenna con un'apertura all'estremità può essere definita come un'antenna Aperture antenna. La guida d'onda è un esempio di antenna ad apertura. Il bordo di una linea di trasmissione, quando termina con un'apertura, irradia energia. Questa apertura che è un'apertura, ne fa unAperture antenna.

I principali tipi di antenne ad apertura sono:

  • Antenna guida d'onda
  • Antenna a tromba
  • Antenna a fessura

Diamo ora uno sguardo a questi tipi di antenne con apertura.

Antenna a guida d'onda

UN Waveguideè in grado di irradiare energia quando eccitato a un'estremità e aperto all'altra estremità. La radiazione nella guida d'onda è maggiore di una linea di trasmissione a due fili.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza operativa di una guida d'onda è intorno 300MHz to 300GHz. Questa antenna funzionaUHF e EHFgamme di frequenza. L'immagine seguente mostra una guida d'onda.

Questa guida d'onda con estremità terminata, funge da antenna. Ma solo una piccola parte dell'energia viene irradiata mentre una grande parte viene riflessa nel circuito aperto. SignificaVSWR(rapporto delle onde stazionarie di tensione, discusso nel capitolo sui parametri di base) il valore aumenta. La diffrazione attorno alla guida d'onda fornisce una scarsa radiazione e un diagramma di radiazione non direttiva.

Modello di radiazione

La radiazione dell'antenna a guida d'onda è scarsa e il modello non è direttivo, il che significa omnidirezionale. Unomni-directional modello è quello che non ha una certa direttività ma irradia in tutte le direzioni, quindi è chiamato come non-directive radiation pattern.

La figura sopra mostra una vista in sezione dall'alto di un modello omnidirezionale, chiamato anche come non-directional pattern. La vista bidimensionale è un modello a otto, come già sappiamo.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna Aperture:

  • La radiazione è maggiore della linea di trasmissione a due fili
  • La radiazione è omnidirezionale

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna Aperture:

  • VSWR aumenta
  • Scarse radiazioni

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna Aperture:

  • Applicazioni a microonde
  • Applicazioni radar di ricerca in superficie

L'antenna in guida d'onda deve essere ulteriormente modificata per ottenere prestazioni migliori, il che si traduce nella formazione di Horn antenna.

Per migliorare l'efficienza della radiazione e la direttività del raggio, la guida d'onda dovrebbe essere dotata di un'apertura estesa per trasformare la brusca discontinuità dell'onda in una trasformazione graduale. In modo che tutta l'energia nella direzione in avanti venga irradiata. Questo può essere definito comeFlaring. Ora, questo può essere fatto usando un'antenna a tromba.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza operativa di un'antenna a tromba è intorno 300MHz to 30GHz. Questa antenna funzionaUHF e SHF gamme di frequenza.

Costruzione e funzionamento dell'antenna a tromba

L'energia del raggio si trasforma lentamente in radiazione, le perdite si riducono e la focalizzazione del raggio migliora. UNHorn antenna può essere considerato come un file flared out wave guide, grazie al quale la direttività viene migliorata e la diffrazione ridotta.

L'immagine sopra mostra il modello di un'antenna a tromba. La svasatura del corno è chiaramente visibile. Esistono diverse configurazioni di tromba, di cui tre sono le più comunemente utilizzate.

Corno settoriale

Questo tipo di antenna a cono si accende in una sola direzione. La svasatura in direzione del vettore elettrico produce ilsectorial E-plane horn. Allo stesso modo, la svasatura nella direzione del vettore magnetico, produce ilsectorial H-plane horn.

Corno piramidale

Questo tipo di antenna a cono ha svasatura su entrambi i lati. Se la svasatura viene eseguita su entrambe le pareti E e H di una guida d'onda rettangolare, allorapyramidal horn antennaè prodotto. Questa antenna ha la forma di una piramide troncata.

Corno conico

Quando le pareti di una guida d'onda circolare sono svasate, è noto come a conical horn. Questa è una conclusione logica di una guida d'onda circolare.

Le figure sopra mostrano i tipi di configurazioni del corno, che sono stati discussi in precedenza.

La svasatura aiuta ad abbinare l'impedenza dell'antenna con l'impedenza dello spazio libero per una migliore radiazione. Evita il rapporto delle onde stazionarie e fornisce una maggiore direttività e una larghezza del fascio più stretta. La guida d'onda svasata può essere tecnicamente definita comeElectromagnetic Horn Radiator.

Angolo di svasatura, Φdell'antenna a cono è un fattore importante da considerare. Se questo è troppo piccolo, l'onda risultante sarà sferica invece che piana e il raggio irradiato non sarà direzionale. Quindi, l'angolo di svasatura dovrebbe avere un valore ottimale ed è strettamente correlato alla sua lunghezza.

Combinazioni

Le antenne a tromba, possono anche essere combinate con antenne a riflettore parabolico per formare un tipo speciale di antenne a tromba. Questi sono -

  • Antenna a corno Cass

  • Riflettore in corno di maiale o triplo piegato

In Cass-horn antenna, le onde radio vengono raccolte dall'ampia superficie inferiore, che è curva parabolicamente e riflessa verso l'alto con un angolo di 45 °. Dopo aver colpito la superficie superiore, vengono riflessi nel punto focale. Il guadagno e l'ampiezza del fascio di questi sono proprio come i riflettori parabolici.

In hog-hornantenna, un cilindro parabolico è unito a un corno piramidale, dove il raggio raggiunge l'apice del corno. Forma un'antenna a microonde a basso rumore. Il vantaggio principale dell'antenna a corno di maiale è che il suo punto di ricezione non si muove, sebbene l'antenna sia ruotata attorno al proprio asse.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione di un'antenna a cono è un fronte d'onda sferico. La figura seguente mostra il fileradiation patterndell'antenna a tromba. L'onda si irradia dall'apertura, riducendo al minimo la diffrazione delle onde. La svasatura mantiene il fascio concentrato. Il raggio irradiato ha un'elevata direttività.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna a tromba:

  • Si formano piccoli lobi minori
  • La corrispondenza dell'impedenza è buona
  • Maggiore direttività
  • Larghezza del fascio più stretta
  • Si evitano le onde stazionarie

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna a tromba:

  • Progettazione dell'angolo di svasatura, decide la direttività
  • L'angolo di svasatura e la lunghezza del bagliore non dovrebbero essere molto piccoli

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna a tromba:

  • Utilizzato per studi astronomici
  • Utilizzato nelle applicazioni a microonde

Slot Antennaè un esempio di antenna Aperture. Sul foglio conduttore è ricavata una fessura rettangolare. Queste antenne a fessura possono essere formate semplicemente praticando un taglio sulla superficie, dove sono montate.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza utilizzata per l'applicazione dell'antenna Slot è 300 MHz to 30 GHz. Funziona inUHF e SHF gamme di frequenza.

Costruzione e funzionamento di antenne a fessura

L'uso di antenne a slot è ben compreso attraverso il suo principio di funzionamento. Diamo uno sguardo alla struttura di un'antenna a fessura.

Quando un foglio conduttore infinito viene eseguito un taglio rettangolare ei campi sono eccitati nell'apertura (che è chiamata fessura), viene definito come Slot antenna. Questo può essere compreso osservando l'immagine di un'antenna a fessura. L'immagine seguente mostra il modello di un'antenna a fessura.

Il funzionamento dell'antenna a slot può essere facilmente compreso attraverso il principio dell'ottica di Babinet. Questo concetto fornisce un'introduzione alle antenne degli slot.

Principio di Babinet

Il principio di Babinet afferma che: "Quando il campo dietro uno schermo con un'apertura viene aggiunto al campo di una struttura complementare, la somma è uguale al campo quando non c'è lo schermo".

Le immagini sopra spiegano chiaramente il principio. In tutte le regioni, che non sono allineate al raggio, i due schermi sopra, nelle figure 1 e 2, producono lo stesso modello di diffrazione.

Case 1- Considera una sorgente di luce e un piano conduttore (campo) con un'apertura davanti a uno schermo. La luce non passa attraverso l'area opaca, ma passa attraverso l'apertura.

Case 2- Si consideri la sorgente luminosa e un piano conduttore della dimensione dell'apertura nel caso precedente, tenuto contro lo schermo. La luce non passa attraverso l'aereo ma attraverso la porzione rimanente.

Case 3- Combina questi due piani conduttori di entrambe le custodie e mettili prima della sorgente luminosa. Lo schermo non è posizionato per osservare la combinazione risultante. L'effetto dello schermo viene annullato.

Funzionamento dell'antenna a fessura

Questo principio dell'ottica viene applicato alle onde elettromagnetiche affinché l'onda venga irradiata. È vero che quando esiste un campo HF attraverso una fessura stretta in un piano conduttivo, l'energia viene irradiata.

L'immagine mostra un'antenna a fessura, che spiega bene il suo funzionamento.

Si consideri che uno schermo conduttore piano infinito viene preso e forato con aperture della forma e delle dimensioni desiderate e questo sarà lo schermo dell'antenna a fessura. Si considera un altro schermo che intercambia i luoghi di apertura e l'area dello schermo che è lo schermo complementare.

Si dice che questi due schermi siano complementaryin quanto si traducono in uno schermo metallico completamente integrato. Ora, questa diventa l'antenna dello slot. L'impedenza terminale è abbastanza desiderabile per la radiazione.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione dell'antenna a fessura è Omni-directional, proprio come un'antenna dipolo a semionda. Dai un'occhiata alla seguente illustrazione. Mostra il diagramma di radiazione dell'antenna a fessura disegnata rispettivamente sui piani Orizzontale e Verticale

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna a fessura:

  • Può essere fabbricato e nascosto all'interno di oggetti metallici
  • Può fornire comunicazioni segrete con un piccolo trasmettitore

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna a fessura:

  • Livelli di polarizzazione incrociata più elevati
  • Bassa efficienza di radiazione

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna a fessura:

  • Di solito per scopi di navigazione radar
  • Utilizzato come array alimentato da una guida d'onda

Le antenne micro strip sono antenne a basso profilo. Una toppa metallica montata a livello del suolo con un materiale dielettrico in mezzo costituisce unMicro strip o Patch Antenna. Si tratta di antenne di dimensioni molto ridotte con bassa radiazione.

Intervallo di frequenze

Le antenne patch sono popolari per applicazioni a basso profilo alle frequenze superiori 100MHz.

Costruzione e funzionamento di antenne micro strip

Micro strip antennaconsiste in una striscia metallica molto sottile posta su un piano di massa con un materiale dielettrico nel mezzo. L'elemento radiante e le linee di alimentazione sono posizionati mediante il processo di fotoincisione sul materiale dielettrico. Di solito, il cerotto o la micro-striscia viene scelto per essere di forma quadrata, circolare o rettangolare per facilitare l'analisi e la fabbricazione. L'immagine seguente mostra una micro-strip o un'antenna patch.

La lunghezza del cerotto metallico è λ / 2. Quando l'antenna è eccitata, le onde generate all'interno del dielettrico subiscono riflessioni e l'energia viene irradiata dai bordi del cerotto metallico, che è molto bassa.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione della microstriscia o dell'antenna patch è broad. Ha una bassa potenza di radiazione e una larghezza di banda di frequenza ridotta.

Il radiation patterndi un'antenna a microstriscia o patch è mostrato sopra. Ha una direttività minore. Per avere una maggiore direttività, è possibile formare un array utilizzando queste antenne patch.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna Micro strip:

  • Lighteweight
  • A basso costo
  • Facilità di installazione

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna Micro strip:

  • Radiazione inefficiente
  • Larghezza di banda a frequenza ridotta

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna Micro strip:

  • Utilizzato nelle applicazioni di astronavi
  • Utilizzato in applicazioni per aeromobili
  • Utilizzato in applicazioni con antenna a basso profilo

Le antenne, di cui abbiamo discusso fino ad ora, utilizzavano la superficie piana. Le antenne dell'obiettivo utilizzano la superficie curva sia per la trasmissione che per la ricezione.Lens antennassono costituiti da vetro, dove vengono seguite le proprietà convergenti e divergenti della lente. Le antenne dell'obiettivo vengono utilizzate per applicazioni a frequenza più elevata.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza di utilizzo dell'antenna dell'obiettivo inizia a 1000 MHz ma il suo utilizzo è maggiore a 3000 MHz and above.

Per avere una migliore comprensione dell'antenna dell'obiettivo, è necessario conoscere il principio di funzionamento di una lente. Una normale lente di vetro funziona secondo il principio della rifrazione.

Costruzione e funzionamento dell'antenna dell'obiettivo

Se si presume che una sorgente di luce sia presente in un punto focale di una lente, che si trova a una distanza focale dalla lente, i raggi attraversano la lente come raggi collimati o paralleli sul fronte d'onda piano.

I raggi che passano attraverso il centro della lente sono meno rifratti dei raggi che passano attraverso i bordi della lente. Tutti i raggi vengono inviati parallelamente al fronte d'onda piano. Questo fenomeno di lente è chiamato comedivergence.

La stessa procedura viene invertita se un raggio di luce viene inviato dal lato destro a quello sinistro della stessa lente. Quindi il raggio viene rifratto e si incontra in un punto chiamato punto focale, a una distanza focale dall'obiettivo. Questo fenomeno è chiamatoconvergence.

Lo stesso può essere meglio compreso osservando il diagramma seguente:

Il diagramma dei raggi rappresenta il punto focale e la lunghezza focale dalla sorgente all'obiettivo. I raggi paralleli ottenuti sono anche chiamati raggi collimati.

Nella figura sopra, la sorgente nel punto focale, a una distanza focale dall'obiettivo, viene collimata nel fronte d'onda piano. Questo fenomeno può essere invertito, il che significa che la luce, se inviata dal lato sinistro, converge verso il lato destro della lente.

È a causa di questa reciprocità che l'obiettivo può essere utilizzato come antenna, poiché lo stesso fenomeno aiuta a utilizzare la stessa antenna sia per la trasmissione che per la ricezione.

Viene mostrata l'immagine del modello di un'antenna a lente.

Per ottenere le proprietà di focalizzazione a frequenze più alte, l'indice di rifrazione dovrebbe essere inferiore all'unità. Qualunque sia l'indice di rifrazione, lo scopo della lente è quello di raddrizzare la forma d'onda. Sulla base di ciò, vengono sviluppati l'obiettivo E-plane e H-plane, che ritardano o accelerano anche il fronte d'onda.

Tipi di antenne per lenti

Sono disponibili i seguenti tipi di antenne con obiettivo:

  • Lente dielettrica o lente con piastra metallica H-plane o lente Delay (le onde in movimento sono ritardate dal supporto dell'obiettivo)

  • Lente con piastra metallica E-plane

  • Obiettivo di tipo dielettrico non metallico

  • Tipo di lente dielettrico metallico o artificiale

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna Lens:

  • Nelle antenne dell'obiettivo, alimentazione e supporto di alimentazione, non ostruire l'apertura.

  • Ha una maggiore tolleranza di progettazione.

  • È possibile gestire una maggiore quantità di onde rispetto a un riflettore parabolico.

  • La trave può essere spostata angolarmente rispetto all'asse.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi dell'antenna Lens:

  • Le lenti sono pesanti e voluminose, soprattutto alle frequenze più basse

  • Complessità nel design

  • Più costoso rispetto ai riflettori, a parità di specifiche

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna dell'obiettivo:

  • Utilizzato come antenna a banda larga

  • Particolarmente utilizzato per applicazioni di frequenza a microonde

Le proprietà convergenti delle antenne a lenti possono essere utilizzate per lo sviluppo di antenne di livello superiore note come antenne a riflettore parabolico, ampiamente utilizzate nelle comunicazioni satellitari. Ne discuteremo nel prossimo capitolo.

Parabolic Reflectorssono antenne a microonde. Per una migliore comprensione di queste antenne, è necessario discutere il concetto di riflettore parabolico.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza utilizzata per l'applicazione delle antenne a riflettore parabolico è above 1MHz. Queste antenne sono ampiamente utilizzate per applicazioni radio e wireless.

Principio di funzionamento

La definizione standard di una parabola è - Locus di un punto, che si muove in modo tale che la sua distanza dal punto fisso (chiamato focus) più la sua distanza da una linea retta (chiamata directrix) è costante.

La figura seguente mostra la geometria del riflettore parabolico. Il puntoF è il focus (viene fornito il feed) e Vè il vertice. La linea che unisce F e V è l'asse di simmetria. PQ sono i raggi riflessi doveLrappresenta la direttrice di linea su cui giacciono i punti riflessi (per dire che sono allineati). Quindi, come da definizione sopra, la distanza tra F ed L è costante rispetto alle onde che vengono focalizzate.

L'onda riflessa forma un fronte d'onda colllimato, fuori dalla forma parabolica. Il rapporto tra la lunghezza focale e la dimensione dell'apertura (cioè f / D) noto come“f over D ratio”è un parametro importante del riflettore parabolico. Il suo valore varia da0.25 to 0.50.

La legge di riflessione afferma che l'angolo di incidenza e l'angolo di riflessione sono uguali. Questa legge, se usata insieme a una parabola, aiuta la messa a fuoco del raggio. La forma del

parabola quando utilizzata allo scopo di riflettere le onde, mostra alcune proprietà della parabola, che sono utili per costruire un'antenna, utilizzando le onde riflesse.

Proprietà della parabola

  • Tutte le onde originate dal fuoco, si riflettono sull'asse parabolico. Quindi, tutte le onde che raggiungono l'apertura sono in fase.

  • Poiché le onde sono in fase, il raggio di radiazione lungo l'asse parabolico sarà forte e concentrato.

Seguendo questi punti, i riflettori parabolici aiutano a produrre un'elevata direttività con una larghezza del fascio più stretta.

Costruzione e funzionamento di un riflettore parabolico

Se per trasmettere un segnale viene utilizzata un'antenna a riflettore parabolico, il segnale proveniente dall'alimentazione, esce da un dipolo o da un'antenna a tromba, per focalizzare l'onda sulla parabola. Significa che le onde escono dal punto focale e colpiscono il riflettore paraboloidale. Questa onda ora viene riflessa comecollimated wave front, come discusso in precedenza, per essere trasmesso.

La stessa antenna viene utilizzata come ricevitore. Quando l'onda elettromagnetica colpisce la forma della parabola, l'onda viene riflessa sul punto di alimentazione. Il dipolo o l'antenna a tromba, che funge da antenna del ricevitore alla sua alimentazione, riceve questo segnale, per convertirlo in segnale elettrico e lo inoltra al circuito del ricevitore.

L'immagine seguente mostra un'antenna parabolica a riflettore.

Il guadagno del paraboloide è una funzione del rapporto di apertura (D/λ). L'effettiva potenza irradiata(ERP) di un'antenna è la moltiplicazione della potenza in ingresso fornita all'antenna e il suo guadagno di potenza.

Di solito un'antenna a tromba a guida d'onda viene utilizzata come radiatore di alimentazione per l'antenna a riflettore paraboloide. Insieme a questa tecnica, abbiamo un altro tipo di alimentazione fornita all'antenna a riflettore paraboloide, chiamata alimentazione Cassegrain.

Cassegrain Feed

Il grano di casse è un altro tipo di alimentazione dato all'antenna del riflettore. In questo tipo, l'alimentazione si trova al vertice del paraboloide, a differenza del riflettore parabolico. Un riflettore di forma convessa, che funge da iperboloide, è posto di fronte all'alimentazione dell'antenna. È anche conosciuto comesecondary hyperboloid reflector o sub-reflector. È posizionato in modo tale che il suo uno dei fuochi coincida con il fuoco del paraboloide. Pertanto, l'onda viene riflessa due volte.

La figura sopra mostra il modello di lavoro del mangime cassegrain.

Funzionamento di un'antenna Cassegrain

Quando l'antenna funge da antenna trasmittente, l'energia proveniente dall'alimentazione si irradia attraverso un'antenna a tromba sul riflettore concavo iperboloide, che si riflette nuovamente sul riflettore parabolico. Il segnale viene riflesso nello spazio da lì. Quindi, lo spreco di energia viene controllato e la direttività viene migliorata.

Quando la stessa antenna viene utilizzata per la ricezione, le onde elettromagnetiche colpiscono il riflettore, si riflettono sull'iperboloide concavo e da qui raggiungono l'alimentazione. Un'antenna a tromba a guida d'onda si presenta lì per ricevere questo segnale e invia al circuito del ricevitore per l'amplificazione.

Dai un'occhiata alla seguente immagine. Presenta un riflettore paraboloide con alimentazione cassegrain.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'antenna parabolica a riflettore:

  • Riduzione dei lobi minori

  • Lo spreco di energia è ridotto

  • Si ottiene una lunghezza focale equivalente

  • Il mangime può essere posizionato in qualsiasi luogo, secondo la nostra convenienza

  • La regolazione del fascio (restringimento o allargamento) viene effettuata regolando le superfici riflettenti

Svantaggio

Quello che segue è lo svantaggio di un'antenna a riflettore parabolico:

  • Parte della potenza che viene riflessa dal riflettore parabolico è ostruita. Questo diventa un problema con paraboloidi di piccole dimensioni.

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni dell'antenna a riflettore parabolico:

  • Il riflettore parabolico di alimentazione cassegrain è utilizzato principalmente nelle comunicazioni satellitari.

  • Utilizzato anche nei sistemi di telecomunicazione wireless.

Diamo un'occhiata all'altro tipo di feed chiamato feed gregoriano per i riflettori parabolici.

Feed gregoriano

Questo è un altro tipo di feed utilizzato. Esistono un paio di determinate configurazioni, in cui la larghezza del fascio di alimentazione viene progressivamente aumentata mentre le dimensioni dell'antenna vengono mantenute fisse. Questo tipo di feed è noto come feed gregoriano. Qui, l'iperboloide di forma convessa di casssegrain è sostituito da un riflettore paraboloide di forma concava, che è ovviamente di dimensioni più piccole

Queste Gregorian feed i riflettori di tipo possono essere utilizzati in quattro modi:

  • Sistemi gregoriani che utilizzano riflettore ellissoidale sub-riflettore ai fuochi F1.

  • Sistemi gregoriani che utilizzano un riflettore ellissoidale sub-riflettore ai fuochi F2.

  • Sistemi Cassegrain che utilizzano sub-riflettore iperboloide (convesso).

  • Sistemi Cassegrain che utilizzano un sub-riflettore iperboloide (concavo ma il feed essendo molto vicino ad esso).

Questi sono tutti solo da menzionare perché non sono popolari e non sono ampiamente utilizzati. Hanno i loro limiti.

La figura illustra chiaramente lo schema di lavoro di tutti i tipi di riflettori. Esistono altri tipi di riflettori paraboloidi come:

  • Taglio paraboloide
  • Cilindro parabolico
  • Paraboloide portapillole

Tuttavia, tutti sono usati raramente a causa delle limitazioni e degli svantaggi che hanno nelle loro condizioni di lavoro.

Quindi, tra tutti i tipi di antenne a riflettore, i riflettori parabolici semplici e i riflettori parabolici di alimentazione cassegrain sono quelli più comunemente usati.

Un'antenna, quando individualmente può irradiare una quantità di energia, in una particolare direzione, risultando in una migliore trasmissione, come sarebbe se fossero aggiunti pochi elementi in più, per produrre un output più efficiente. È proprio questa idea che ha portato all'invenzione diAntenna arrays.

Un array di antenne può essere meglio compreso osservando le seguenti immagini. Osservare come sono collegati gli array di antenne.

Un antenna arrayè un sistema radiante, costituito da singoli radiatori ed elementi. Ciascuno di questo radiatore, mentre funziona ha il proprio campo di induzione. Gli elementi sono posizionati così vicini che ognuno giace nel campo di induzione del vicino. Pertanto, il diagramma di radiazione da loro prodotto, sarebbe la somma vettoriale dei singoli. L'immagine seguente mostra un altro esempio di un array di antenne.

Anche la distanza tra gli elementi e la lunghezza degli elementi in base alla lunghezza d'onda devono essere tenuti in considerazione durante la progettazione di queste antenne.

Le antenne irradiano singolarmente e mentre sono in array, la radiazione di tutti gli elementi si somma, per formare il fascio di radiazione, che ha alto guadagno, alta direttività e migliori prestazioni, con perdite minime.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi dell'utilizzo di array di antenne:

  • La potenza del segnale aumenta
  • Si ottiene un'elevata direttività
  • I lobi minori sono molto ridotti
  • Si ottiene un elevato rapporto segnale-rumore
  • Si ottiene un guadagno elevato
  • Lo spreco di energia è ridotto
  • Si ottengono prestazioni migliori

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi delle antenne array:

  • Le perdite resistive sono aumentate
  • Il montaggio e la manutenzione sono difficili
  • È richiesto un enorme spazio esterno

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni delle antenne array:

  • Utilizzato nelle comunicazioni satellitari
  • Utilizzato nelle comunicazioni wireless
  • Utilizzato nelle comunicazioni radar militari
  • Utilizzato nello studio astronomico

Tipi di array

I tipi di base di array sono:

  • Matrice collineare
  • Ampia matrice laterale
  • Fine schiera di fuoco
  • Matrice parassitaria
  • Array Yagi-Uda
  • Array log-peroidico
  • Array di tornelli
  • Array di super tornelli

Discuteremo di questi array nei prossimi capitoli.

UN Collinear arrayconsiste di due o più dipoli a semionda, che sono posti un capo all'altro. Queste antenne sono posizionate su una linea o asse comune, parallele o collineari.

La radiazione massima in queste matrici è ampia e perpendicolare alla linea della matrice. Questi array sono anche chiamati comebroad cast o Omni-directional arrays.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza in cui operano le antenne a matrice collineare è intorno 30 MHz to 3GHz che appartengono al VHF e UHF bande.

Costruzione di Array

Questi array collineari sono uni-directional antennasavere un guadagno elevato. Lo scopo principale di questo array è aumentare la potenza irradiata e fornire un fascio direzionale elevato, evitando perdite di potenza in altre direzioni.

Le immagini sopra mostrano le immagini di array collineari. Nella figura 1, si vede che la matrice collineare è formata utilizzando dipoli piegati, mentre nella figura 2, la matrice collineare è formata da dipoli normali. Entrambi i tipi sono dipoli a semionda usati comunemente.

Modello di radiazione

Il pattern di radiazione di questi array collineari è simile a quello di un singolo dipolo, ma il pattern di array di un numero crescente di dipoli fa la differenza.

Il diagramma di radiazione della matrice collineare quando realizzato utilizzando due elementi, tre elementi e quattro elementi rispettivamente è mostrato nella figura sopra riportata.

Il broad side array ha anche lo stesso schema, in cui la direzione della massima radiazione è perpendicolare alla linea dell'antenna.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi delle antenne ad array collineari:

  • L'uso di array riduce le estremità larghe e aumenta la direttività
  • I lobi minori sono ridotti al minimo
  • Lo spreco di energia è ridotto

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi delle antenne ad array collineari:

  • Lo spostamento di queste antenne è un compito difficile
  • Utilizzato solo in aree esterne

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni delle antenne ad array collineari:

  • Utilizzato per bande VHF e UHF
  • Utilizzato nelle comunicazioni a due vie
  • Utilizzato anche per scopi di trasmissione

La schiera di antenne nella sua forma più semplice, avente un numero di elementi di uguale dimensione, equidistanti lungo una linea retta o un asse, che formano punti collineari, con tutti i dipoli nella stessa fase, dalla stessa sorgente insieme formano il broad side array.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenze in cui operano le antenne a schiera collineare è intorno 30 MHz to 3GHz che appartengono al VHF e UHF bande.

Costruzione e funzionamento di array Broad-side

Secondo la definizione standard, "Una disposizione in cui la direzione principale della radiazione è perpendicolare all'asse della matrice e anche al piano contenente l'elemento della matrice" è definita come broad side array. Quindi, il diagramma di radiazione dell'antenna è perpendicolare all'asse su cui esiste la matrice.

Il diagramma seguente mostra la matrice laterale ampia, rispettivamente nella vista frontale e laterale.

La matrice del lato ampio è fortemente direzionale ad angolo retto rispetto al piano della matrice. Tuttavia, la radiazione nell'aereo sarà molto inferiore a causa della cancellazione nella direzione che unisce il centro.

La figura della matrice del lato largo con spaziatura λ / 4 è mostrata di seguito.

Le lunghezze tipiche dell'antenna nella matrice del lato largo vanno da 2 a 10 lunghezze d'onda. Le distanze tipiche sono λ / 2 o λ. I punti di alimentazione dei dipoli vengono uniti come mostrato in figura.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione di questa antenna è bidirezionale e ad angolo retto rispetto al piano. Il fascio è molto stretto con alto guadagno.

La figura sopra mostra il diagramma di radiazione della matrice del lato ampio. Il raggio è un po 'più ampio e in questo i lobi minori sono molto ridotti.

La disposizione fisica di end-fire arrayè uguale a quello della matrice del lato ampio. L'intensità delle correnti in ogni elemento è la stessa, ma c'è una differenza di fase tra queste correnti. Questa induzione di energia differisce in ogni elemento, il che può essere compreso dal diagramma seguente.

La figura sopra mostra l'array end-fire rispettivamente nelle viste dall'alto e laterale.

Non c'è radiazione negli angoli retti rispetto al piano dell'array a causa della cancellazione. Il primo e il terzo elemento vengono alimentati fuori fase e quindi annullano la radiazione reciproca. Allo stesso modo, il secondo e il quarto vengono alimentati fuori fase, per essere cancellati.

La solita spaziatura dei dipoli sarà λ / 4 o 3λ / 4. Questa disposizione non solo aiuta a evitare la radiazione perpendicolare al piano dell'antenna, ma aiuta anche a deviare l'energia irradiata nella direzione di radiazione dell'intero array. Quindi si evitano i lobi minori e si aumenta la direttività. Il raggio diventa più stretto con gli elementi aumentati.

Modello di radiazione

Il modello di radiazione dell'array end-fire è uni-directional. Un lobo maggiore si trova ad un'estremità, dove è presente la massima radiazione, mentre i lobi minori rappresentano le perdite.

La figura spiega il diagramma di radiazione di una matrice di fuoco finale. La figura 1 è il diagramma di radiazione per un singolo array, mentre le figure 2, 3 e 4 rappresentano il diagramma di radiazione per più array.

Array End-fire vs Broad Side Array

Abbiamo studiato entrambi gli array. Proviamo a confrontare gli array end-fire e quelli wide side, insieme alle loro caratteristiche.

La figura illustra il diagramma di radiazione dell'array end-fire e wide side array.

  • Entrambi, l'array end fire e il wide side array, sono lineari e risonanti, poiché sono costituiti da elementi risonanti.

  • A causa della risonanza, entrambi gli array mostrano un fascio più stretto e un'elevata direttività.

  • Entrambi questi array vengono utilizzati per scopi di trasmissione.

  • Nessuno dei due viene utilizzato per la ricezione, perché la necessità di coprire una gamma di frequenze è necessaria per qualsiasi tipo di ricezione.

Gli array di antenne come visto sopra, vengono utilizzati per il miglioramento del guadagno e della direttività.

UN parasitic elementè un elemento, che dipende dal feed dell'altro. Non dispone di un proprio feed. Quindi, in questo tipo di array utilizziamo tali elementi, che aiutano ad aumentare indirettamente la radiazione.

Questi elementi parassiti non sono direttamente collegati all'alimentazione.

L'immagine sopra mostra un esempio di un array parassita. La struttura a rete vista in foto, non è altro che un insieme di riflettori. Questi riflettori non sono collegati elettricamente. Aumentano la potenza del segnale aumentando la direttività del raggio.

Costruzione e funzionamento di Parasitic Array

Diamo un'occhiata alle parti importanti di un array Parasitic e al modo in cui funzionano.

Le parti principali sono:

  • Elemento guidato
  • Elementi parassiti
    • Reflector
    • Director
  • Boom

Elemento guidato

Le antenne irradiano individualmente e mentre sono in array, la radiazione di tutti gli elementi si somma per formare il raggio di radiazione. Non è necessario che tutti gli elementi dell'array siano collegati al feed. Il dipolo che è collegato all'alimentazione è noto come adriven element.

Elementi parassiti

Gli elementi che vengono aggiunti non possiedono un collegamento elettrico tra loro all'elemento condotto o all'alimentazione. Sono posizionati in modo che si trovino nel campo di induzione dell'elemento condotto. Quindi, sono conosciuti comeparasitic elements.

Reflector

Se uno degli elementi parassiti, che è il 5% più lungo dell'elemento condotto, è posizionato vicino all'elemento condotto è più lungo, allora agisce come uno specchio concavo, che riflette l'energia nella direzione del diagramma di radiazione piuttosto che nella propria direzione e quindi è noto come a reflector.

Director

Un elemento parassita, che è il 5% più corto dell'elemento condotto, dal quale riceve energia, tende ad aumentare la radiazione nella propria direzione e quindi si comporta come lente convessa convergente. Questo elemento è chiamato comedirector. Viene posto un certo numero di direttori per aumentare la direttività.

Boom

L'elemento su cui sono collocati tutti questi è chiamato a boom. È una struttura non metallica che fornisce isolamento, in modo che non ci sarà alcun cortocircuito tra gli altri elementi della matrice.

Questi sono tutti gli elementi principali che contribuiscono alla radiazione. Questo può essere meglio compreso con l'aiuto di un diagramma

L'immagine mostrata sopra è quella di un array parassita, che mostra le parti dell'array parsitico come l'elemento guidato, i direttori e il riflettore. L'alimentazione viene fornita tramite l'alimentatore.

Gli array vengono utilizzati a frequenze che vanno da 2MHz per several GHz. Questi sono usati specialmente per ottenere un'elevata direttività e un migliore guadagno in avanti con auni-directional. L'esempio più comune di questo tipo di array è il fileYagi-Uda antenna. Anche l'antenna quadrupla può essere citata come un altro esempio.

Yagi-Uda antennaè il tipo di antenna più comunemente utilizzato per la ricezione TV negli ultimi decenni. È il tipo di antenna più popolare e facile da usare con prestazioni migliori, famoso per il suo alto guadagno e direttività

Frequency range

La gamma di frequenze in cui operano le antenne Yagi-Uda è intorno 30 MHz to 3GHz che appartengono al VHF e UHF bande.

Costruzione dell'antenna Yagi-Uda

Un'antenna Yagi-Uda è stata vista in cima a quasi tutte le case negli ultimi decenni. Gli elementi parassiti e il dipolo insieme formano questa antenna Yagi-Uda.

La figura mostra un file Yagi-Uda antenna. Si è visto che ci sono molti direttori posti per aumentare la direttività dell'antenna. L'alimentatore è il dipolo piegato. Il riflettore è l'elemento lungo, che si trova all'estremità della struttura.

La figura raffigura una forma chiara dell'antenna Yagi-Uda. La struttura ad asta centrale su cui sono montati gli elementi è chiamata comeboom. L'elemento a cui è collegata una spessa testa nera è ildriven elementa cui è collegata internamente la linea di trasmissione, tramite quel prigioniero nero. L'unico elemento presente nella parte posteriore dell'elemento condotto è ilreflector, che riflette tutta l'energia verso la direzione del diagramma di radiazione. Gli altri elementi, prima dell'elemento guidato, sono idirectors, che dirigono il raggio verso l'angolo desiderato.

Progettare

Per progettare questa antenna, è necessario seguire le seguenti specifiche di progettazione.

Sono -

ELEMENTO SPECIFICA
Lunghezza dell'elemento condotto Da 0,458λ a 0,5λ
Lunghezza del riflettore Da 0,55λ a 0,58λ
Lunghezza del direttore 1 0.45λ
Lunghezza del Direttore 2 0.40λ
Lunghezza del Direttore 3 0.35λ
Spaziatura tra i direttori 0.2λ
Distanza tra riflettore e dipolo 0.35λ
Distanza tra dipolo e direttore 0.125λ

Se si seguono le specifiche sopra riportate, si può progettare un'antenna Yagi-Uda.

Modello di radiazione

Lo schema direzionale dell'antenna Yagi-Uda è highly directive come mostrato nella figura sotto.

I lobi minori vengono soppressi e la direttività del lobo maggiore viene aumentata dall'aggiunta di direttori all'antenna.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi delle antenne Yagi-Uda:

  • Si ottiene un guadagno elevato.
  • Si ottiene un'elevata direttività.
  • Facilità di utilizzo e manutenzione.
  • Viene sprecata meno energia.
  • Copertura più ampia delle frequenze.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi delle antenne Yagi-Uda:

  • Incline al rumore
  • Incline agli effetti atmosferici.

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni delle antenne Yagi-Uda:

  • Utilizzato principalmente per la ricezione TV.
  • Utilizzato dove è necessaria un'applicazione a frequenza singola.

L'antenna Yagi-Uda è utilizzata principalmente per scopi domestici. Tuttavia, per scopi commerciali e per sintonizzarci su una gamma di frequenze, abbiamo bisogno di un'altra antenna nota comeLog-periodic antenna. Un'antenna logaritmica è quella la cui impedenza è una funzione periodica logaritmica della frequenza.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza, in cui operano le antenne log-periodiche è intorno 30 MHz to 3GHz che appartengono al VHF e UHF bande.

Costruzione e funzionamento dell'antenna log-periodica

La costruzione e il funzionamento di un'antenna log-periodica è simile a quella di un'antenna Yagi-Uda. Il vantaggio principale di questa antenna è che presenta caratteristiche costanti su un intervallo di frequenza di funzionamento desiderato. Ha la stessa resistenza alle radiazioni e quindi lo stesso SWR. Anche il guadagno e il rapporto fronte-retro sono gli stessi.

L'immagine mostra un'antenna log-periodica.

Con il cambiamento della frequenza di funzionamento, la regione attiva si sposta tra gli elementi e quindi tutti gli elementi non saranno attivi solo su una singola frequenza. Questo è il suospecial characteristic.

Esistono diversi tipi di antenne log-periodiche come quella planare, trapezoidale, a zig-zag, a V, a fessura e a dipolo. Quello maggiormente utilizzato è l'array di dipoli log-periodico, in breve, LPDA.

Il diagramma dell'array log-periodico è riportato sopra.

La struttura fisica e le caratteristiche elettriche, se osservate, sono di natura ripetitiva. La matrice è composta da dipoli di diverse lunghezze e spaziature, che sono alimentati da una linea di trasmissione a due fili. Questa linea viene trasposta tra ciascuna coppia adiacente di dipoli.

Le lunghezze e le separazioni dei dipoli sono correlate dalla formula -

$$\frac{R_{1}}{R_{2}} = \frac{R_{2}}{R_{3}} = \frac{R_{3}}{R_{4}} = T = \frac{l_{1}}{l_{2}} = \frac{l_{2}}{l_{3}} = \frac{l_{3}}{l_{4}}$$

Dove

  • т è il rapporto di progetto e т <1
  • R è la distanza tra l'alimentazione e il dipolo
  • l è la lunghezza del dipolo.

I guadagni di direttiva ottenuti sono da bassi a moderati. I modelli di radiazione possono essereUnidirectional or Bi-directional.

Modello di radiazione

Il modello di radiazione dell'antenna log-periodica può essere unidirezionale o bidirezionale, a seconda delle strutture logaritmiche periodiche.

Per uni-directional Log-periodic antenna, la radiazione verso l'elemento più corto è di notevole entità, mentre nella direzione in avanti è piccola o nulla.

Il diagramma di radiazione per l'antenna log-periodica unidirezionale è dato sopra.

Per bi-directional Log-periodic antenna, la radiazione massima è nel lato largo, che è normale alla superficie dell'antenna.

La figura sopra mostra il diagramma di radiazione per un'antenna log-periodica bidirezionale.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi delle antenne Log-periodic:

  • Il design dell'antenna è compatto.
  • Il guadagno e il diagramma di radiazione variano a seconda delle esigenze.

Svantaggi

I seguenti sono gli svantaggi delle antenne Log periodiche:

  • Montaggio esterno.
  • Il costo di installazione è elevato.

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni delle antenne Log-periodic:

  • Utilizzato per le comunicazioni HF.
  • Utilizzato per particolari tipi di ricevimenti televisivi.
  • Utilizzato per il monitoraggio completo nelle bande di frequenza più elevate.

Il Turnstile antennaè un altro tipo di antenna array. La forma di questa matrice simboleggia il tornello, che viene utilizzato agli ingressi di pochi luoghi. Questa antenna ha un'ampia varietà di applicazioni militari.

Intervallo di frequenze

La gamma di frequenza in cui operano le antenne del tornello è intorno 30 MHz to 3GHz che appartengono al VHF e UHF bande.

Costruzione e funzionamento dell'antenna del tornello

Due dipoli a semionda identici sono posti ad angolo retto tra loro e vengono alimentati in fase. Questi dipoli sono eccitati sfasati di 90 ° l'uno rispetto all'altro. La matrice del tornello può anche essere definita comecrossed dipoles array.

Le immagini sopra illustrano le antenne del tornello.

Per fornire un'elevata direttività, diversi tornelli possono essere impilati lungo un asse verticale e sono disposti in fasi come mostrato nella figura sopra. La polarizzazione di queste antenne del tornello dipende dalla loro modalità di funzionamento.

La coppia di tali dipoli spesso impilati è nota come BAY. Nelle figure mostrate sopra, due alloggiamenti sono distanziati di mezza lunghezza d'onda(λ/2)a parte e gli elementi corrispondenti vengono alimentati in fase. La radiazione prodotta dalla combinazione di vani si traduce in una migliore direttività.

Modalità di funzionamento

Le seguenti sono le modalità di funzionamento di un'antenna Turnstile.

Normal mode

In modalità operativa normale, l'antenna si irradia horizontally polarized onde perpendicolari al suo asse.

Axial mode

In modalità di funzionamento assiale, l'antenna si irradia circularly polarized onde lungo il suo asse, cioè parallele al suo asse.

Per la polarizzazione circolare, il trasmettitore che irradia con polarizzazione circolare destra dovrebbe avere un ricevitore con la stessa polarizzazione circolare destra e viceversa. Se è polarizzato a sinistra, a differenza del trasmettitore, ci sarà una grave perdita di guadagno.

Antenna Super Turnstile

Per un'antenna a tornello, la potenza di radiazione è di 3dB inferiore alla radiazione massima di un dipolo a semionda che irradia la stessa potenza. Pertanto, per superare questo svantaggio, ilSuper-turnstile antenna è costruito.

I semplici elementi dipolari nel tornello sono sostituiti da quattro lastre piane in Super-tornello. Il design del Super-turnstile array è tale che possono essere costruiti da 1 a 8 baie su un singolo albero. L'altro nome per l'antenna Super-turnstile è ilBatwing Antenna.

Le immagini sopra mostrano l'antenna del super tornello. La figura 1 mostra la disposizione della matrice del tornello con i punti rossi che rappresentano i punti di alimentazione. La Figura 2 mostra l'array di tornelli impilati utilizzato nelle comunicazioni satellitari.

Modello di radiazione

Il diagramma di radiazione sarà simile al diagramma di radiazione di due dipoli sovrapposti. Sebbene sia vicino al modello omnidirezionale, lascia un motivo a forma di foglia di trifoglio.

La figura sopra mostra il diagramma di radiazione di un array di tornelli. I tipici motivi a figura di otto sono stati combinati per produrre un motivo quasi circolare.

  • La figura A mostra i singoli modelli combinati.

  • La figura B mostra il modello verticale di una baia singola e anche il modello combinato di quattro campate.

  • La figura C mostra il modello combinato risultante di quattro alloggiamenti che mostrano una migliore direttività.

Vantaggi

I seguenti sono i vantaggi delle antenne Turnstile:

  • L'alto guadagno si ottiene sovrapponendo

  • Il super-tornello produce un'uscita ad alto guadagno

  • Si ottiene una migliore direttività

Svantaggio

Quello che segue è lo svantaggio delle antenne Turnstile:

  • La potenza di radiazione è 3dB inferiore alla radiazione massima di un dipolo a semionda che irradia la stessa potenza.

Applicazioni

Le seguenti sono le applicazioni delle antenne Turnstile:

  • Utilizzato per le comunicazioni VHF

  • Utilizzato per trasmissioni FM e TV

  • Utilizzato nelle comunicazioni militari

  • Utilizzato nelle comunicazioni satellitari

Nell'atmosfera terrestre, la propagazione dell'onda dipende non solo dalle proprietà dell'onda, ma anche dagli effetti ambientali e dagli strati dell'atmosfera terrestre. Tutti questi devono essere studiati per farsi un'idea di come un'onda si propaga nell'ambiente.

Diamo un'occhiata al file frequency spectrumsu cui avviene la trasmissione o la ricezione del segnale. Diversi tipi di antenne vengono prodotti a seconda della gamma di frequenze in cui vengono utilizzate.

Spettro elettromagnetico

La comunicazione wireless si basa sul principio della trasmissione e della ricezione delle onde elettromagnetiche. Queste onde possono essere caratterizzate dalla loro frequenza (f) e dalla loro lunghezza d'onda (λ) lambda.

Nella figura seguente è riportata una rappresentazione pittorica dello spettro elettromagnetico.

Bande a bassa frequenza

Le bande a bassa frequenza comprendono le porzioni radio, microonde, infrarossi e visibile dello spettro. Possono essere utilizzati per la trasmissione di informazioni modulando l'ampiezza, la frequenza o la fase delle onde.

Bande ad alta frequenza

Le bande ad alta frequenza comprendono i raggi X e i raggi gamma. Teoricamente, queste onde sono migliori per la propagazione delle informazioni. Tuttavia, queste onde non vengono utilizzate praticamente a causa della difficoltà di modulazione e le onde sono dannose per gli esseri viventi. Inoltre, le onde ad alta frequenza non si propagano bene negli edifici.

Bande di frequenza e loro usi

La tabella seguente descrive le bande di frequenza e i suoi usi:

Nome della band Frequenza Lunghezza d'onda Applicazioni
Frequenza estremamente bassa (ELF) Da 30 Hz a 300 Hz Da 10.000 a 1.000 KM Frequenze della linea elettrica
Frequenza vocale (VF) Da 300 Hz a 3 KHz Da 1.000 a 100 KM Comunicazioni telefoniche
Frequenza molto bassa (VLF) Da 3 KHz a 30 KHz Da 100 a 10 KM Marine Communications
Bassa frequenza (LF) Da 30 KHz a 300 KHz Da 10 a 1 KM Marine Communications
Media frequenza (MF) Da 300 KHz a 3 MHz Da 1000 a 100 m Trasmissione AM
Alta frequenza (HF) Da 3 MHz a 30 MHz Da 100 a 10 m Comunicazioni aeronautiche / navali a lunga distanza
Frequenza molto alta (VHF) Da 30 MHz a 300 MHz Da 10 a 1 m Trasmissione FM
Frequenza ultra alta (UHF) Da 300 MHz a 3 GHz Da 100 a 10 cm Telefono cellulare
Super alta frequenza (SHF) Da 3 GHz a 30 GHz Da 10 a 1 cm Comunicazioni satellitari, collegamenti a microonde
Frequenza estremamente alta (EHF) Da 30 GHz a 300 GHz Da 10 a 1 mm Circuito locale wireless
Infrarossi Da 300 GHz a 400 THz Da 1 mm a 770 nm Elettronica di consumo
Luce visibile Da 400 THz a 900 THz Da 770 nm a 330 nm Comunicazioni ottiche

Allocazione dello spettro

Poiché lo spettro elettromagnetico è una risorsa comune, accessibile a chiunque, sono stati stipulati diversi accordi nazionali e internazionali sull'utilizzo delle diverse bande di frequenza all'interno dello spettro. I singoli governi nazionali assegnano lo spettro per applicazioni come la trasmissione radio AM / FM, la trasmissione televisiva, la telefonia mobile, le comunicazioni militari e l'utilizzo da parte del governo.

Worldwide, un'agenzia della comunicazione radio dell'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU-R) L'ufficio ha chiamato la Conferenza radiofonica amministrativa mondiale (WARC) cerca di coordinare l'assegnazione dello spettro da parte dei vari governi nazionali, in modo che possano essere prodotti dispositivi di comunicazione che possono funzionare in più paesi.

Limitazioni di trasmissione

Quattro tipi di limitazioni che influenzano le trasmissioni di onde elettromagnetiche sono:

Attenuazione

Secondo la definizione standard, "La diminuzione della qualità e dell'intensità del segnale è nota come attenuation. "

La forza di un segnale diminuisce con la distanza sul mezzo di trasmissione. L'entità dell'attenuazione è una funzione della distanza, del mezzo di trasmissione e della frequenza della trasmissione sottostante. Anche nello spazio libero, senza altri danni, il segnale trasmesso si attenua a distanza, semplicemente perché il segnale viene diffuso su un'area sempre più ampia.

Distorsione

Secondo la definizione standard, "Qualsiasi cambiamento che altera la relazione di base tra le componenti di frequenza di un segnale o i livelli di ampiezza di un segnale è noto come distortion. "

La distorsione di un segnale è il processo che causa disturbo alle proprietà del segnale, aggiungendo alcuni componenti indesiderati, che influiscono sulla qualità del segnale. Questo di solito è nel ricevitore FM, dove il segnale ricevuto, a volte viene completamente disturbato emettendo un ronzio come uscita.

Dispersione

Secondo la definizione standard, "Dispersion è il fenomeno in cui la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica dipende dalla lunghezza d'onda. "

Dispersionè il fenomeno di propagazione di una scarica di energia elettromagnetica durante la propagazione. È particolarmente diffuso nelle trasmissioni cablate come una fibra ottica. I burst di dati inviati in rapida successione tendono a fondersi a causa della dispersione. Maggiore è la lunghezza del filo, più grave è l'effetto di dispersione. L'effetto della dispersione è limitare il prodotto di R e L. Dove‘R’ è il data rate e ‘L’ è distance.

Rumore

Secondo la definizione standard, "Qualsiasi forma indesiderata di energia che tende a interferire con la corretta e facile ricezione e riproduzione dei segnali desiderati è nota come rumore".

La forma più pervasiva di rumore è thermal noise. Viene spesso modellato utilizzando un modello gaussiano additivo. Il rumore termico è dovuto all'agitazione termica degli elettroni ed è uniformemente distribuito attraverso lo spettro di frequenza.

Altre forme di rumore includono:

  • Inter modulation noise - Causato da segnali prodotti a frequenze che sono somme o differenze di frequenze portanti.

  • Crosstalk - Interferenza tra due segnali.

  • Impulse noise- Impulsi irregolari di alta energia causati da disturbi elettromagnetici esterni. Un rumore impulsivo potrebbe non avere un impatto significativo sui dati analogici. Tuttavia, ha un effetto notevole sui dati digitali, causando errori di burst.

In questo capitolo, esaminiamo diversi argomenti interessanti come le proprietà delle onde radio, la propagazione delle onde radio e il loro tipo.

Onde radio

Le onde radio sono facili da generare e sono ampiamente utilizzate per comunicazioni sia interne che esterne a causa della loro capacità di passare attraverso gli edifici e percorrere lunghe distanze.

Le caratteristiche principali sono:

  • Poiché la trasmissione radio è Omni directional in natura non sussiste la necessità di allineare fisicamente trasmettitore e ricevitore.

  • La frequenza dell'onda radio determina molte delle caratteristiche della trasmissione.

  • Alle basse frequenze, le onde possono passare facilmente attraverso gli ostacoli. Tuttavia, la loro potenza cade con una relazione inverso al quadrato rispetto alla distanza.

  • Le onde a frequenza più alta sono più soggette ad assorbimento dalle gocce di pioggia e vengono riflesse dagli ostacoli.

  • A causa del lungo raggio di trasmissione delle onde radio, l'interferenza tra le trasmissioni è un problema che deve essere affrontato.

Nelle bande VLF, LF e MF la propagazione delle onde, detta anche come ground wavessegui la curvatura della terra. Le portate massime di trasmissione di queste onde sono dell'ordine di poche centinaia di chilometri. Sono utilizzati per trasmissioni a bassa larghezza di banda come le trasmissioni radio in modulazione di ampiezza (AM).

Le trasmissioni in banda HF e VHF vengono assorbite dall'atmosfera, vicino alla superficie terrestre. Tuttavia, una parte della radiazione, chiamatasky wave, viene irradiato verso l'esterno e verso l'alto nella ionosfera nell'atmosfera superiore. La ionosfera contiene particelle ionizzate formate a causa della radiazione solare. Queste particelle ionizzate riflettono le onde del cielo sulla Terra. Una potente onda del cielo può essere riflessa più volte tra la Terra e la ionosfera. Le onde del cielo sono utilizzate da radioamatori amatoriali e per comunicazioni militari.

Propagazione delle onde radio

In Radio communication systems, usiamo onde elettromagnetiche wireless come canale. Per questi scopi possono essere utilizzate antenne di specifiche diverse. Le dimensioni di queste antenne dipendono dalla larghezza di banda e dalla frequenza del segnale da trasmettere.

La modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche nell'atmosfera e nello spazio libero può essere suddivisa nelle seguenti tre categorie:

  • Propagazione della linea di vista (LOS)
  • Propagazione delle onde al suolo
  • Propagazione delle onde del cielo

Nelle bande di frequenza ELF (frequenza estremamente bassa) e VLF (frequenza molto bassa), la Terra e la ionosfera fungono da guida d'onda per la propagazione delle onde elettromagnetiche.

In queste gamme di frequenza, i segnali di comunicazione si propagano praticamente in tutto il mondo. Le larghezze di banda del canale sono piccole. Pertanto, le informazioni trasmesse attraverso questi canali hanno una velocità ridotta e sono limitate alla trasmissione digitale.

Propagazione della linea di vista (LOS)

Tra le modalità di propagazione, questa propagazione in linea di vista è quella che notiamo comunemente. Nelline-of-sight communication, come suggerisce il nome, l'onda percorre una distanza minima di vista. Il che significa che viaggia alla distanza fino a cui un occhio nudo può vedere. Ora cosa succede dopo? Dobbiamo impiegare un amplificatore e un trasmettitore qui per amplificare il segnale e trasmettere di nuovo.

Questo è meglio compreso con l'aiuto del diagramma seguente.

La figura raffigura molto chiaramente questa modalità di propagazione. La propagazione in linea di vista non sarà regolare se si verifica un ostacolo nel suo percorso di trasmissione. Poiché il segnale può viaggiare solo a distanze inferiori in questa modalità, questa trasmissione viene utilizzata perinfrared o microwave transmissions.

Propagazione delle onde del suolo

La propagazione delle onde al suolo dell'onda segue il contorno della terra. Tale onda è chiamata comedirect wave. L'onda a volte si piega a causa del campo magnetico terrestre e viene riflessa nel ricevitore. Tale onda può essere definita comereflected wave.

La figura sopra mostra la propagazione delle onde di terra. L'onda quando si propaga attraverso l'atmosfera terrestre è nota comeground wave. L'onda diretta e l'onda riflessa insieme contribuiscono al segnale alla stazione ricevente. Quando l'onda raggiunge finalmente il ricevitore, i ritardi vengono annullati. Inoltre, il segnale viene filtrato per evitare distorsioni e amplificato per un'uscita chiara.

Propagazione delle onde del cielo

La propagazione delle onde del cielo è preferita quando l'onda deve percorrere una distanza maggiore. Qui l'onda viene proiettata nel cielo e viene nuovamente riflessa sulla terra.

Il sky wave propagationè ben rappresentato nella foto sopra. Qui si mostra che le onde vengono trasmesse da un luogo e dove vengono ricevute da molti ricevitori. Quindi, è un esempio di trasmissione.

Le onde, che vengono trasmesse dall'antenna trasmittente, vengono riflesse dalla ionosfera. Consiste di diversi strati di particelle cariche che vanno in altitudine da 30 a 250 miglia sopra la superficie della terra. Tale viaggio dell'onda dal trasmettitore alla ionosfera e da lì al ricevitore sulla Terra è noto comeSky Wave Propagation. La ionosfera è lo strato ionizzato attorno all'atmosfera terrestre, adatto alla propagazione delle onde del cielo.

L'atmosfera terrestre ha diversi strati. Questi strati svolgono un ruolo importante nella comunicazione wireless. Questi sono principalmente classificati in tre strati.

Troposfera

Questo è lo strato della terra, che si trova appena sopra il suolo. Noi, la flora e la fauna viviamo in questo strato. La propagazione delle onde di terra e la propagazione della LOS avvengono qui.

Stratosfera

Questo è lo strato della terra, che si trova sopra la troposfera. Gli uccelli volano in questa regione. Gli aeroplani viaggiano in questa regione. Lo strato di ozono è presente anche in questa regione. La propagazione delle onde di terra e la propagazione della LOS hanno luogo qui.

Ionosfera

Questo è lo strato superiore dell'atmosfera terrestre, dove la ionizzazione è apprezzabile. L'energia irradiata dal Sole, non solo riscalda questa regione, ma produce anche ioni positivi e negativi. Poiché il sole irradia costantemente i raggi UV e la pressione dell'aria è bassa, questo strato favorisce la ionizzazione delle particelle.

Importanza della ionosfera

Lo strato di ionosfera è una considerazione molto importante nella fase di propagazione delle onde per i seguenti motivi:

  • Lo strato sotto la ionosfera ha una maggiore quantità di particelle d'aria e una minore radiazione UV. A causa di ciò, si verificano più collisioni e la ionizzazione delle particelle è minima e non costante.

  • Lo strato sopra la ionosfera ha una quantità molto bassa di particelle d'aria e anche la densità di ionizzazione è piuttosto bassa. Quindi, la ionizzazione non è corretta.

  • La ionosfera ha una buona composizione della radiazione UV e una densità media dell'aria che non influisce sulla ionizzazione. Quindi, questo strato ha la maggiore influenza sulla propagazione delle onde del cielo.

La ionosfera ha diversi gas con diverse pressioni. Diversi agenti ionizzanti li ionizzano a diverse altezze. Poiché a ciascun livello vengono eseguiti vari livelli di ionizzazione, con gas diversi, nella ionosfera si formano pochi strati con proprietà diverse.

Gli strati della ionosfera possono essere studiati dalla figura seguente.

Il numero di strati, le loro altezze, la quantità di onde del cielo che possono essere piegate variano di giorno in giorno, di mese in mese e di anno in anno. Per ciascuno di questi strati esiste una frequenza, al di sopra della quale se l'onda viene inviata verticalmente verso l'alto, penetra attraverso lo strato.

La funzione di questi strati dipende dall'ora del giorno, cioè dall'ora del giorno e dalla notte. Ci sono tre livelli principali: E, F1 e F2 durante il giorno. C'è un altro strato chiamato strato D, che si trova sotto lo strato E. Questo strato si trova a 50-90 km sopra la troposfera.

La figura seguente mostra gli strati presenti nell'atmosfera terrestre sia di giorno che di notte.

Questo strato D è responsabile dell'attenuazione diurna delle onde HF. Durante la notte, questo strato D quasi svanisce e gli strati F1 e F2 si combinano insieme per formare lo strato F. Quindi, ce ne sono solo duelayers E and F presente al night time.

Nel processo di propagazione di un'onda, ci sono pochi termini che incontriamo abbastanza spesso. Parliamo di questi termini uno per uno.

Altezza virtuale

Quando un'onda viene rifratta, viene piegata gradualmente, ma non bruscamente. Tuttavia, il percorso dell'onda incidente e dell'onda riflessa è lo stesso se viene riflessa da una superficie situata ad un'altezza maggiore di questo strato. Una tale altezza maggiore è definita altezza virtuale.

La figura distingue chiaramente il virtual height (altezza dell'onda, che dovrebbe essere riflessa) e actual height(l'altezza rifratta). Se si conosce l'altezza virtuale, è possibile trovare l'angolo di incidenza.

Frequenza critica

La frequenza critica per uno strato determina la frequenza più alta che verrà restituita alla terra da quello strato, dopo essere stata irradiata dal trasmettitore, direttamente nel cielo.

Il tasso di densità di ionizzazione, quando viene modificato in modo convenzionale attraverso gli strati, l'onda sarà piegata verso il basso. La frequenza massima che si piega e raggiunge la stazione ricevente con attenuazione minima, può essere definita comecritical frequency. Questo è indicato dafc.

Multi-path

Per le frequenze superiori a 30 MHz, esiste la propagazione delle onde del cielo. Il multipath del segnale è il problema comune per la propagazione delle onde elettromagnetiche che attraversano l'onda del cielo. L'onda, che viene riflessa dalla ionosfera, può essere chiamata come ahop o skip. Può esserci un certo numero di salti per il segnale poiché può spostarsi avanti e indietro dalla ionosfera e dalla superficie terrestre molte volte. Un tale movimento di segnale può essere definito comemultipath.

La figura sopra mostra un esempio di propagazione multi-path. La propagazione multipath è un termine che descrive i molteplici percorsi che un segnale percorre per raggiungere la destinazione. Questi percorsi includono una serie di salti. I percorsi possono essere il risultato di riflessione, rifrazione o anche diffrazione. Infine, quando il segnale da percorsi così diversi arriva al ricevitore, trasporta ritardo di propagazione, rumore aggiuntivo, differenze di fase ecc., Che diminuiscono la qualità dell'uscita ricevuta.

Dissolvenza

La diminuzione della qualità del segnale può essere definita come fading. Ciò accade a causa di effetti atmosferici o riflessi dovuti al multipath.

La dissolvenza si riferisce alla variazione dell'intensità del segnale rispetto al tempo / distanza. È ampiamente diffuso nelle trasmissioni wireless. Le cause più comuni di dissolvenza nell'ambiente wireless sono la propagazione e la mobilità multipath (degli oggetti e dei dispositivi di comunicazione).

Salta distanza

La distanza misurabile sulla superficie terrestre dal trasmettitore al ricevitore, dove il segnale riflesso dalla ionosfera può raggiungere il ricevitore con salti o salti minimi, è nota come skip distance.

Frequenza massima utilizzabile (MUF)

Il Maximum Usable Frequency (MUF)è la frequenza più alta erogata dal trasmettitore indipendentemente dalla potenza del trasmettitore. La frequenza più alta, che viene riflessa dalla ionosfera al ricevitore, è chiamata comecritical frequency, fc.

$$MUF = \frac{Critical\ frequency}{\cos\theta} = f_{c}\sec\theta$$

Frequenza di lavoro ottimale (OWF)

La frequenza, che viene utilizzata principalmente per una particolare trasmissione e che è stato previsto per essere utilizzata in un determinato periodo di tempo, su un percorso, è definita come Optimum Working Frequency (OWF).

Interferenza tra simboli

Inter symbol interference(ISI) si verifica più comunemente nel sistema di comunicazione. Questa è anche la ragione principale per il multipath del segnale. Quando i segnali arrivano alle stazioni riceventi attraverso diversi percorsi di propagazione, si annullano a vicenda, il che è noto come il fenomeno disignal fading. Qui, va ricordato che i segnali si annullano in modo vettoriale.

Profondità della pelle

Le onde elettromagnetiche non sono adatte per le propagazioni subacquee. Tuttavia, possono propagarsi sott'acqua a condizione che la frequenza di propagazione sia estremamente bassa. L'attenuazione delle onde elettromagnetiche sott'acqua si esprime in termini di profondità cutanea.Skin depthè definita come la distanza alla quale il segnale viene attenuato di 1 / e. È una misura della profondità alla quale un'onda EM può penetrare. La profondità della pelle è rappresentata comeδ (delta).

Propagazione del condotto

Ad un'altezza di circa 50 metri dalla troposfera esiste un fenomeno; la temperatura aumenta con l'altezza. In questa regione della troposfera, le frequenze più alte o le frequenze delle microonde tendono a rifrangersi nell'atmosfera terrestre, invece di sparare nella ionosfera, per riflettere. Queste onde si propagano attorno alla curvatura della terra anche fino a una distanza di 1000 km.

Questa rifrazione continua in questa regione della troposfera. Questo può essere definito comeSuper refraction o Duct propagation.

L'immagine sopra mostra il processo di Duct Propagation. Il requisito principale per la formazione del condotto è l'inversione di temperatura. L'aumento della temperatura con l'altezza, piuttosto che la diminuzione della temperatura, è noto come fenomeno di inversione di temperatura.

Abbiamo discusso i parametri importanti, che incontriamo nella propagazione delle onde. Le onde di frequenze più alte vengono trasmesse e ricevute utilizzando questa tecnica di propagazione delle onde.