7. ANTENA CANAL DE UNDĂ (Uda – Yagi)

7.1. NOȚIUNI GENERALE

Extensia spaţială a distribuţiei tensiune–curent a unui sistem de antenă determină în primul rând diagrama de radiaţie şi toate datele rezultate din ea, ca de exemplu câştigul, unghiul de deschidere, raportul faţă–spate, etc. Cu cât extensia spaţială va fi mai mare în raport cu lungimea de undă , cu atât va fi mai bună directivitatea şi cu atât câştigul va fi mai mare. Dacă sunt îndeplinite condiţiile optime, nu mai sunt posibile alte îmbunătăţiri ale acestor date caracteristice. Adesea se încearcă să se obţină proprietăţi mai bune prin încercări şi prin modelarea formei antenelor. Se cuvine să menţionăm că valori mari ale câştigului se obţin numai cu antene corespunzător de mari. Distribuţia tensiune –curent necesară pentru astfel de antene se realizează un anumit număr de dipoli. Între diferitele forme de prezentare posibilă cea mai mare însemnătate o are dipolul în /2. Dacă trebuie construite antene de mai mare randament, este necesară ordonarea mai multor dipoli în semiundă. Aranjamentul acestor dipoli nu este întâmplător; aceştia sunt dimensionaţi şi ordonaţi corespunzător proprietăţilor ce trebuie îndeplinite. Cea mai cunoscută antenă din acceastă categorie este antena Yagi–Uda.

Primele lucrări privind această antenă au fost publicate în anul 1926 de oamenii de ştiinţă japonezi Hidetsugu Yagi şi Shintaro Uda. Deşi denumirea „Yagi“ este astăzi un „terminus technicus“ consacrat, folosirea ei este un act de ingratitudine faţă de Shintaro Uda, adevăratul inventator al antenei.

Antenele Yagi au fost utilizate pe scară mai largă ca antene ale primelor radiolocatoare pe unde metrice şi mai târziu pe unde decimetrice. Astăzi se folosesc mai ales pe unde ultrascurte, domeniu în care reprezintă tipul predominant şi în diferite forme constructive.

Modul de funcţionare al antenei Yagi este următorul: în reflector şi directori se induce t.e.m. datorită undei recepţionate, prin aceştia apar curenţi care la rândul lor generează câmpuri care trebuie să se însumeze în fază în dipolul alimentat, rezultând astfel un câştig. La antenele Yagi s-a impus dipolul buclat în /2 cu care are o impedanţă de intrare aproximativ 300 sau dipolul liniar în /2 care are impedanţa de intrare de 75. În antenă însă se vor produce interacţiuni între elemente, ceea ce va duce la o uşoară modificare a impedanţei de intrare.

Pentru a reduce la minim perturbaţiile ce pot afecta recepţia, antenele trebuie să prezinte anumite proprietăţi astfel încât să poată recepţiona maximul de energie dintr-o anumită direcţie. Această direcţie de recepţie este orientată pe semnalul direct ci nu pe un eventual semnal reflectat de diferite obiecte. Practic cea mai mare parte a energiei se poate recepţiona prin lobul principal al

caracteristicii de frecvenţă, al cărui unghi de deschidere, la nivelul de 3 dB, este un parametru esenţial. Pentru a se obţine o recepţie bună, trebuie deci ca unghiul de deschidere să fie cât mai mic iar atenuarea lobilor secundari şi raportul faţă/spate să fie cât mai mari.

Antena canal de undă se utilizează frecvent în gama undelor metrice şi decimetrice. Prezintă simplitate constructivă comparabilă cu a dipolului simetric, din care provine. Polarizarea undelor este liniară. Alimentarea se reduce la alimentarea unui dipol simetric. Deci, se poate face alimentarea cu cablu coaxial.

În practică s-a stabilit că antenele Yagi reprezintă, datorită dimensionării lor speciale, soluţia optimă de antene, ele fiind mult superioare celorlalte tipuri în ceea ce priveşte rezultatele obţinute la recepţie. Este posibil calculul precis al acestor antene astfel încât să se obţină parametrii doriţi.

Datorită avantajelor pe care le prezintă, antenele canal de undă au căpătat o largă utilizare în liniile radioreleu, ca antene de televiziune, la staţiile de radiolocaţie, etc. Antenele se utilizează frecvent în gama undelor metrice şi decimetrice, uneori şi în gama undelor centimetrice. Dacă se realizează reţele de astfel de antene, se pot obţine unghiuri de deschidere ale caracteristicilor de directivitate foarte mici.

Antena canal de undă se compune dintr-un dipol activ (DA), care de regulă este un dipol simetric în /2 şi mai mulţi dipoli pasivi (Fig. 1). În partea din spate a antenei este un singur dipol pasiv, mai lung decât cel activ, numit reflector (R), iar în partea din faţă mai multe elemente pasive, mai scurte decât cel activ, numite directori (D). Numărul directorilor poate fi de la unu până la 25.

Fig.7.1 Antena canal de undă

Atât dipolul activ cât şi cei pasivi sunt fixaţi pe un suport metalic sau dielectric sub formă de tub sau bară. Fixarea se face direct pe suport, fără izolatoare, printr-un procedeu mecanic oarecare de fixare. Dipolii sunt fixaţi de bară la mijlocul lor, punct în care potenţialul electric este zero, deci în bara suport nu apar curenţi de egalizare. Dipolii se realizează, de regulă, din ţeavă sau bară metalică. Dimensiunile elementelor componente şi distanţele dintre ele joacă un rol deosebit în formarea fascicolului de unde. În literatura de specialitate sunt date, sub formă de tabele, dimensiunile obţinute pentru diferite lungimi de undă şi pentru un număr diferit de elemente ale antenei.

7.2 REFLECTOR ȘI DIRECTOR

Pentru explicarea funcţionării antenei canal de undă, se consideră, ca un prim caz, un sistem format dintr-un dipol simetric în /2 activ şi un dipol pasiv mai lung decât cel activ. Dacă se consideră elementul pasiv ca fiind un dipol simetric, atunci, datorită lungimii braţului mai mare decât /4, reactanţa de intrare a acestuia va avea un caracter inductiv. Modul de însumare a câmpurilor radiate de dipolul activ şi de cel pasiv poate fi scos în evidenţă în mod sugestiv cu ajutorul diagramelor vectoriale din figura 7.2.

a) EFECTUL REFLECTORULUI

Fie vectorul intensităţii câmpului electric radiat de dipolul activ în

vecinătatea sa la momentul t=0. Acest câmp se propagă aproape în toate direcţiile, deci după un timp t=dr/c soseşte şi în vecinătatea dipolului pasiv. Cu dr

s-a notat distanţa dintre dipolul activ şi cel pasiv, iar cu c viteza de propagare a

undelor. Datorită câmpului , în dipolul pasiv apare o tensiune

electromotoare şi un curent (fig 7.2.a.). Datorită faptului că reactanţa

de intrare a dipolului pasiv are un caracter inductiv, faza curentului rămâne în

urma tensiunii cu aproximativ /2. De asemenea, câmpul electric , care

apare datorită curentului în vecinătatea dipolului pasiv, va fi în urma

curentului tot cu /2. Acest câmp se propagă în toate direcţiile, deci şi în direcţia şi sensul dipol activ - dipol pasiv. Câmpul rezultat care se propagă dincolo de

dipolul pasiv şi care este suma câmpurilor şi este mic. Acest lucru se

explică prin faptul că cei doi vectori sunt aproape în antifază şi aproape egali ca amplitudine.

Având în vedere că, dincolo de dipolul pasiv se propagă un câmp cu

intensitate mică ( ), utilizarea mai multor dipoli pasivi mai lungi nu are sens.

curentul care ar apare în cel de-al doilea dipol ar fi atât de mic, încât câmpul creat de acesta nu ar avea nici o influenţă asupra câmpului electric radiat din spate. Un dipol pasiv mai lung decât cel activ, datorită comportării sale arătată mai sus se numeşte reflector. Uneori, în practică, se recomandă utilizarea unui reflector plan în locul celui liniar.

Câmpul radiat de reflector ( ) se propagă şi în direcţia reflector-dipol

activ. Acest câmp ajunge lângă dipolul activ după un timp egal cu 2d r/c. La acest

moment de timp faza câmpului radiat de dipolul activ ( ) se modifică cu radiani, faţă de faza avută la momentul t=0, datorită modului de excitare a

dipolului activ. Cele două câmpuri se însumează aproape în fază, iar câmpul

rezultant ( ) este relativ mare şi se propagă în sensul dipol pasiv-dipol activ

(fig. 7.2.a).Pe celelalte direcţii câmpul radiat de cuplul dipol activ - reflector, are o

valoare cuprinsă între şi , datorită diferenţelor de drum care apar faţă

de cazul în care undele se propagă axial.

b) EFECTUL DIRECTORULUI

În cazul în care se consideră un cuplu format dintr-un dipol activ şi un dipol pasiv mai scurt decât cel activ, fenomenele sunt similare cu cele din cazul anterior (fig.7.2.b). Reactanţa dipolului pasiv are un caracter capacitiv, iar

curentul este înaintea tensiunii . În acest caz se obţine un câmp

rezultant mare în sensul dipol activ - dipol pasiv, şi un câmp mic în sensul opus. Datorită faptului că elementul pasiv mai scurt decât cel activ dirijează undele în sensul dipol activ-dipol pasiv, un astfel de dipol se numeşte director.

Pe baza celor prezentate este uşor de imaginat cum funcţionează un sistem format dintr-un dipol activ şi doi dipoli pasivi, unul mai lung şi altul mai scurt decât dipolul activ, fixaţi de o parte şi de cealaltă faţă de aceasta la distanţele d r

şi ddi .

Fig. 7.3 Funcționarea reflectorului si directorului

t= 0

dI

dE rI

rE

dErU

inE

c

dt r

rE

"dE

faE

c

2dt r

a). Ansamblul dipol activ - reflector

t= 0

dI

dE

faE

dE

idI

idU

idE

c

dt id

"dE

inE

idE

c

2dt id

b). Ansamblul dipol activ - director

Analiza prezentată mai sus este numai calitativă, deoarece nu s-a ţinut seama de impedanţele mutuale care apar între dipoli. Totuşi, pentru înţelegerea fenomenelor care au loc la antenele formate din dipoli activi şi pasivi, este necesară o astfel de analiză calitativă.

7.3. FUNCȚIA DE DIRECTIVITATE

Având în vedere faptul că elementele pasive ale antenei canal de undă au lungimi apropiate de /2, pentru determinarea funcţiei de directivitate este comod să se considere că antena este o reţea liniară de N+2 dipoli simetrici în /2. În acest caz funcţia de directivitate a antenei este formată din produsul funcţiei de directivitate a unui dipol sim etric în /2 considerat izolat în spaţiu şi funcţia de directivitate de grup.

Funcţia de directivitate a dipolului simetric în /2 este dată de relaţia 7.1, adică:

. (7.1)

Pentru determinarea funcţiei de directivitate de grup se consideră reţeaua liniară de radiatoare izotrope punctiforme din figura 7.3. Indicele –1 se referă la reflector, 0 la dipolul activ, iar indicii 1 la N se referă la directori. Câmpul electric radiat de un radiator izotrop punctiform este de forma:

, (7.2)

unde A este un factor de proporţionalitate, iar Ik este curentul care excită radiatorul k.

Fig.7.3 Modelul reţelei liniare

Se poate considera că:

(7.4)

deci:

. (7.5)

Având în vedere că:

, rezultă:

, (7.6)

unde cu N s-a notat numărul directorilor.Din relaţia (7.6) rezultă funcţia de directivitate de grup şi anume:

. (7.7)

De regulă, antena canal de undă se instalează la o anumită înălţime faţă de suprafaţa Pământului; de aceea, dacă înălţimea antenei nu este mult mai mare decât , trebuie să se ţină seama şi de influenţa acesteia. Dacă se consideră că antena este la înălţimea H, atunci funcţia care ţine seama de influenţa Pământului este:

- în cazul polarizării orizontale a undelor radiate:

,

(7.8)

- iar în cazul polarizării verticale a undelor radiate:

.

(7.9)

În cazul în care antena este dispusă orizontal, funcţia de directivitate din planul orizontal are epresia:

,

(7.10)

iar cea din planul vertical:

.

(7.11)În cazul în care antena este instalată cu dipolii verticali, funcţia de

directivitate din planul orizontal are expresia:

, (7.12)

iar cea din lanul vertical are epresia:

. (7.13)

La proiectarea antenelor canal de undă un rol deosebit joacă funcţia de directivitate şi raportul dintre intensitatea câmpului radiat în direcţia opusă direcţiei de radiaţie maximă şi cea a celui radiat pe această direcţie. Acest raport, de regulă, se cunoaşte sub denumirea de raportul spate/faţă şi este dat de relaţia:

.

7.4. PROIECTAREA ANTENELOR CANAL DE UNDĂ

După cum rezultă şi din relaţia (7.6), forma caracteristicii de directivitate a antenei canal de undă depinde de numărul şi dimensiunile dipolului activ şi ai celor pasivi şi de poziţia acestora din urmă faţă de dipolul activ. Pentru un număr de directori daţi, se pot determina dimensiunile constructive ale antenei în aşa fel încât caracteristica de directivitate să fie optimă dintr-un anumit punct de vedere.

De regulă, se caută acele dimensiuni geometrice ale antenei pentru care raportul spate/faţă este minim. Dar problema poate fi privită şi din punctul de vedere al unghiului de deschidere al caracteristicii de directivitate, care se caută să fie să fie minim sau să aibă o anumită valoare dată. De asemenea, optimizarea poate fi făcută şi din punct de vedere al nivelului lobilor secundari raportat la nivelul lobului principal.

Privită din cel de-al doilea punct de vedere, optimizarea implică următoarele etape:1. alegerea, în mod oarecum arbitrar, lungimile dipolilor şi distanţele dintre aceştia, şi se determină valorile impedanţelor mutuale.2. determinarea valorile curenţilor din antinod pentru fiecare dipol.3. determinarea măsuri unghiului de deschidere al caracteristicii de directivitate.

Aceste etape se repetă în ordinea indicată, alegându-se de fiecare dată alte lungimi şi alte distanţe între dipoli, până când se obţine măsura căutată a unghiului de deschidere al caracteristicii de directivitate. Datele pentru care s-a obţinut măsura unghiului respectiv reprezintă parametrii optimi ai antenei.

Pentru calculul impedanţelor mutuale se consideră antena canal de undă ca o reţea liniară de dipoli simetrici în /2. În acest caz partea activă şi cea reactivă a impedanţelor mu tuale, se determină cu relaţiile:

(7.14)şi:

(7.15)unde a reprezintă distanţa raportată la , dintre cei doi dipoli consideraţi,

iar Si(x) şi Ci(x) sunt funcţiile sinus şi cosinus integral:

Pentru determinarea valorilor curenţilor din antinod se foloseşte sistemul de ecuaţii:

,

adică:

(7.16)

Între impedanţele proprii şi dimensiunile dipolilor există relaţiile:

(7.17)şi:

,

(7.18)unde:

(7.19)

şi este reactanţa de intrare a antenei. În relaţiile de mai sus lp şi lo reprezintă lungimea elementelor pasive şi a celui activ, iar rp şi ro razele secţiunilor transversale ale acestor elemente.

Metodele de optimizare prezentate mai sus pot fi aplicate numai prin folosirea calculatoarelor electronice.

Se rezolvă sistemul pentru diverse date de intrare, conform algoritmului prezentat. Se calculează de fiecare dată funcţia de directivitate şi G (câştigul) sau RFS (raportul faţă-spate). Se reţin datele pentru care se obţine G maxim, respectiv RFS maxim.

Alimentarea antenei se va face cu cablu coaxial. Se va folosi bucla de simetrizare în /2, care rezolvă şi problema adaptării.

7.5. SISTEME ŞI REŢELE DE ANTENE CANAL DE UNDĂ

Pentru realizarea unor caracteristici de directivitate speciale, cu configuraţie deosebită, sau cu unghiuri de deschidere diferite în cele două plane, se utilizează diferite sisteme sau reţele de antene canal de undă. De exemplu, se poate realiza un sistem de antene canal de undă format din două antena distincte, fixate pe acelaşi suport. Dipolii celor două antene se fixează pe aceeaşi bară, formând între ei un unghi de 90 (fig.7.4).

Figura 7.4. Sistem format din două antene canal de undă

Câmpurile radiate de cele două antene sunt polarizate diferit. În timpul funcţionării staţiei, sistemul de antene se fixează pe un catarg înalt, în aşa fel încât una din antene să fie orizontală, iar cealaltă verticală. Atenuarea de trecere dintre cele două antene este de circa 40dB. În cazul în care antenele au câte doi directori, unghiul de deschidere al caracteristicii de directivitate este aproximativ 60. Una din antene se utilizează ca antenă de emisie, iar cealaltă de recepţie. Un astfel de sistem de antene canal de undă poate fi utilizat în foarte bune condiţii la liniile de radioreleu.

Se realizează reţele liniare de două antene canal de undă, fixate pe un reflector plan dreptunghiular (Figura.7.5).

În acest caz antenele canal de undă nu mai au reflectoare liniare, iar numărul directorilor poate varia. Poziţia antenelor este verticală. În plan vertical caracteristica de directivitate este identică cu cea din planul E a unei antene canal de undă, considerată izolată în spaţiu, iar în plan orizontal intervine şi funcţia de directivitate de grup a reţelei de două antene, deci unghiul de deschidere al caracteristicii de directivitate va fi mai mic ca în plan vertical.

Figura 7.5 Reţea de antene canal de undă cu reflector plan

Se realizează reţele de antene canal de undă şi din patru astfel de antene, situate pe două etaje, două câte două. Dacă numărul directorilor este relativ mare (circa 8), atunci cu o astfel de reţea se poate realiza o caracteristică de directivitate cu nivelul lobilor secundari cu cel mult 8% din nivelul lobului principal. De asemenea, caracteristica de directivitate capătă un caracter lobular în planul vertical datorită influenţei Pământului. Antena se utilizează atât la emisie cât şi la recepţie. Proprietăţile de lucru în gamă ale antenei se asigură prin construcţia specială a dipolului activ, a primului director şi a reflectorului.

Caracteristică de directivitate similară se obţine şi cu o reţea bidimensională de antene canal de undă, formată din două etaje cu câte şase antene.

La recepţionarea semnalelor de televiziune la distanţe mari se utilizează reţele liniare de două sau patru antene canal de undă, situate orizontal pe un suport comun vertical. Alimentarea antenelor trebuie să fie în fază, iar înălţimea antenei trebuie astfel aleasă încât să se elimine influenţa pământului.

Sistemul antenă canal de undă prezentat în Fig.6 este astfel conceput, încât printr-o simplă comutare a cablurilor de coborâre, se poate trece de la recepţia unui canal de televiziune la altul. În figură sunt indicate rolurile pe care le au elementele active şi cele pasive în cele două situaţii. Un astfel de sistem este simplu din punct de vedere constructiv, este economic şi nu ocupă un spaţiu prea mare. Un dezavantaj al sistemului este faptul că, cele două centre de televiziune trebuie să fie pe aceeaşi direcţie şi sens faţă de antenă, altfel se impune o orientare a antenei la trecerea de pe un canal pe celălalt.

Figura 7.6 Sistem de recepţie pentru două canale de televiziune

Pot fi imaginate şi alte tipuri de sisteme şi reţele de antene canal de undă. În practică au o largă utilizare diferite tipuri de sisteme şi reţele, datorită faptului că au o construcţie relativ simplă, se alimentează uşor şi se realizează caracteristici de directivitate necesare bunei funcţionări a instalaţiilor radiotehnice.

Modelul expus până aici este un model intuitiv. În realitate, lucrurile sunt mult mai complexe. Trebuie să se ţină seama de influenţele care apar prin intermediul câmpului între dipoli şi de faptul că valorile curenţilor în dipolii pasivi sunt mai mici decât valoarea curentului în dipolul activ.

Unii autori consideră că antena canal de undă se împarte în trei zone de lucru:

sistemul radiant alimentat, format din reflector, dipolul activ (numit în literatura tehnică şi vibrator sau radiator) şi unul sau doi directori;

o zonă de trecere; sistemul de ghidare a undelor, format dintr-o serie de directori.

Zona de trecere are rolul de a cupla optim celelalte două zone.