Antenna  Fundamentals  

Prof.  Ryszard  Struzak  Na8onal  Ins8tute  of  Telecommunica8ons,  Poland  

r.struzakATieee.org  

(CC)    R  Struzak  <r.struzakATieee.org>   2  

• Beware  of  misprints!!!  These  materials  are  preliminary  notes  intended  for  my  lectures  only  and  may  contain  misprints.    Feedback  is  welcome.  If  you  no8ce  serious  faults,  or  you  have  an  improvement  sugges8on,  please  describe  it  exactly  and  I  will  try  to  modify  the  materials.      

• This  work  is  licensed  under  the  Crea8ve  Commons  ANribu8on  License  (hNp://crea8vecommons.org/  licenbses/by/1.0)  and  may  be  used  freely  for  individual  study,  research,  and  educa8on  in  not-­‐for-­‐profit  applica8ons.  Any  other  use  requires  the  wriNen  author’s  permission.  If  you  cite  these  materials,  please  credit  the  author,  8tle,  and  place.    

• These  materials  and  any  part  of  them  may  not  be  published,  copied  to  or  issued  from  another  Web  server  without  the  author's  wriNen  permission.        

• Copyright  ©  2012  Ryszard  Struzak.    

(CC)  R  Struzak     3  

Objec8ve    

•  to  refresh  basic  concepts  related  to  the  antenna  physics    – needed  to  understand  beNer  the  opera8on  and  design  of  microwave  links  and  networks  

(CC)  R  Struzak     4  

Antennas  for  laptop  applica8ons  

Source:  D.  Liu  et  al.:  Developing  integrated  antenna  subsystems  for  laptop  computers;  IBM  J.  RES.  &  DEV.  VOL.  47  NO.  2/3  MARCH/MAY  2003  p.  355-­‐367  

 

Linksys  

(CC)  R  Struzak     6  

Antenna  func8ons  

•  Transforma8on  of  a  guided  EM  wave  into  an  unguided  wave  freely  propaga8ng  in  space  (or  the  opposite)    –  from  8me-­‐func8on  in  one-­‐dimensional  space  into  8me-­‐func8on  in  3-­‐D  space    

–  The  specific  form  of  the  radiated  wave  is  defined  by  the  antenna  structure  and  the  environment    

Space wave

Guided wave

7  

•  The  junc8on  –  power  reflec8ons,  use  matching  devices    

•  Radiator  – Must  radiate  efficiently  –  must  be  of  a  size  comparable  with  the  half-­‐wavelength    

•  Resonaces  –  Unavoidable  -­‐  for  broadband  applica8ons  resonances  must  be  aNenuated    

(CC)  R  Struzak     8  

Transmiong  antenna  equivalent  circuit    

TransmiNer   Transm.  line  

Antenna  G

ener

ator

RG

jXG

VG

jXA

Rr

Rl

The  transmiNer  with  the  transmission  line  is  represented  by  an  (Thevenin)  equivalent  generator  

 The  antenna  is  represented  by  its  input  impedance  

(which  is  frequency-­‐dependent  and  is  influenced  by  objects  nearby)  as  seem  from  the  generator  

 jXA  represents  energy  stored  in  electric  (Ee)  and  magne8c  

(Em)  near-­‐field  components;  if  |Ee|  =  |Em|  then  XA  =  0  (antenna  resonance)  Can  be  approximated  by  the  impedance  of  a  transmission  line    

 Rr  represents  energy  radiated  into  space  (far-­‐field  

components)  

Rl  represents  energy  lost,  i.e.  transformed  into  heat  in  the  antenna  structure    

Radio  wave  

(CC)  R  Struzak     9  

Receiving  antenna  equivalent  circuit  A

nten

na

Rr

jXA

VA

jXL

RL Rl

Thevenin  equivalent  

The  antenna  with  the  transmission  line  is  represented  by  an  (Thevenin)  equivalent  generator    The  receiver  is  represented  by  its  input  impedance  as  seen  from  the  antenna  terminals  (i.e.  transformed  by  the  transmission  line)    VA  is  the  (induced  by  the  incident  wave)  voltage  at  the  antenna  terminals  determined  when  the  antenna  is  open  circuited      Note:  The  antenna  impedance  is  the  same  when  the  antenna  is  used  to  radiate  and  when  it  is  used  to  receive  energy  

Radio  wave   Receiver  Transm.line  

Antenna  

(CC)  R  Struzak     10  

Power  transfer  

•  The  maximum  power  is  delivered  to  (or  from)  the  antenna  when  the  antenna    impedance  and  the  impedance  of  the  equivalent  generator  (or  load)  are  matched  

0

0.5

1

0.1 1 10

RA / RG; (XA+XG = 0)

PA

/ P

Am

ax

(CC)  R  Struzak     11  

•  When  the  impedances  are  matched  –  Half  of  the  source  power  is  delivered  to  the  load  and  half  is  dissipated  within  the  (equivalent)  generator  as  heat  

–  In  the  case  of  receiving  antenna,  a  part  (Pl)  of  the  power  captured  is  lost  as  heat  in  the  antenna  elements,  ,  the  other  part  being  reradiated  (scaNered)  back  into  space    

•  Even  when  the  antenna  losses  tend  to  zero,  s8ll  only  half  of  the  power  captured  is  delivered  to  the  load  (in  the  case  of  conjugate  matching),  the  other  half  being  scaNered  back  into  space  

(CC)  R  Struzak     12  

•  When  the  antenna  impedance  is  not  matched  to  the  transmiNer  output  impedance  (or  to  the  receiver  input  impedance)  or  to  the  transmission  line  between  them,  impedance-­‐matching  devices  must  be  used  for  maximum  power  transfer  

•  Inexpensive  impedance-­‐matching  devices  are  usually  narrow-­‐band    

•  Transmission  lines  oten  have  significant  losses      

(CC)  R  Struzak     13  

Radia8on  efficiency  

•  The  radia8on  efficiency  e  indicates  how  efficiently  the  antenna  uses  the  RF  power    

•  It  is  the  ra8o  of  the  power  radiated  by  the  antenna  and  the  total  power  delivered  to  the  antenna  terminals  (in  transmiong  mode).  In  terms  of  equivalent  circuit  parameters:  

rrlReRR=+

(CC)  R  Struzak     14  

EM  Field  of  Current  Element  

!"

!"

HHHH

EEEE

r

r!!!!

!!!"

++=

++=

I: current (monochromatic) [A]; dz: antenna element (short) [m] x

y

z

θ

ϕ

OP

r

Er Eθ

Eϕ

I, dz

(CC)  R  Struzak     15  

Short  dipole  antenna:  summary  •  Eθ  &  Hθ  are  maximal  in  the  equatorial  plane,  zero  along  the  antenna  axis  •  Er  is  maximal  along  the  antenna  axis  dz,  zero  in  the  equatorial  plane    •  All  show  axial  symmetry    •  All  are  propor8onal  to  the  current  moment  Idz  •  Have  3  components  that  decrease  with  the  distance-­‐to-­‐wavelength  ra8o  

as    –  (r/λ)-­‐2  &  (r/λ)-­‐3:  near-­‐field,  or  induc8on  field.  The  energy  oscillates  from  

en8rely  electric  to  en8rely  magne8c  and  back,  twice  per  cycle.  Modeled  as  a  resonant  LC  circuit  or  a  transmission-­‐line  resonator;      

–  (r/λ)-­‐1:  far-­‐field  or  radia8on  field    –  These  3  component  are  all  equal  at  (r/λ)  =  1/(2π)    

(CC)  R  Struzak     16  

Field  components    

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0.1 1 10

Relative distance, Br

Rela

tive

field

stre

ngth

FF

FF

Q

Q

C

C

FF: Radiation field

C, Q: Induction fields

β

(CC)  R  Struzak     17  

Field  impedance  

Field  impedance  Z  =  E/H  depends    on  the  antenna  type  and  on  distance  

0.01

0.1

1

10

100

0.01 0.1 1 10 100

Distance / (lambda/ 2Pi)

Z / 3

77

Short dipole

Small loop

(CC)  R  Struzak     18  

Far-­‐Field,  Near-­‐Field    

•  Near-­‐field  region:    –  Angular  distribu8on  of  energy  depends  on  

distance  from  the  antenna;    –  Reac8ve  field  components  dominate  (L,  C)  

•  Far-­‐field  region:    –  Angular  distribu8on  of  energy  is  independent  on  

distance;    –  Radia8ng  field  component  dominates  (R)  –  The  resultant  EM  field  can  locally  be  treated  as  

uniform  (TEM)    

(CC)  R  Struzak     19  

Poyn8ng  vector  

•  The  8me-­‐rate  of  EM  energy  flow  per  unit  area  in  free  space  is  the  Poyn1ng  vector  (see  hNp://www.amanogawa.com/archive/docs/EM8.pdf).    

•  It  is  the  cross-­‐product  (vector  product,  right-­‐hand  screw  direc8on)  of  the  electric  field  vector  (E)  and  the  magne8c  field  vector  (H):  P  =  E  x  H.    

•  For  the  elementary  dipole  Eθ  ⊥  Hθ  and  only  EθxHθ  carry  energy  into  space  with  the  speed  of  light.    

(CC)  R  Struzak     20  

Power  Flow  

•  In  free  space  and  at  large  distances,  the  radiated  energy  streams  from  the  antenna  in  radial  lines,  i.e.  the  Poyn8ng  vector    has  only  the  radial  component  in  spherical  coordinates.    

•  A  source  that  radiates  uniformly  in  all  direc8ons  is  an  isotropic  source  (radiator,  antenna).    For  such  a  source  the  radial  component  of  the  Poyn8ng  vector  is  independent  of  θ  and  ϕ.  

(CC)  R  Struzak     21  

Linear  Antennas  •  Summa8on  of  all  vector    

components  E  (or  H)    produced  by  each  antenna  element  

•  In  the  far-­‐field  region,    the  vector  components  are  parallel  to  each  other  

•  Phase  difference  due  to    –  Excita8on  phase  difference  –  Path  distance  difference  

•  Method  of  moments  -­‐  NEC  

...

...

321

321

+++=

+++=

HHHH

EEEE!!!!

!!!"

O

(CC)  R  Struzak     22  

Point  Source  

•  For  many  purposes,  it  is  sufficient  to  know  the  direc8on  (angle)  varia8on  of  the  power  radiated  by  antenna  at  large  distances.    

•  For  that  purpose,  any  prac8cal  antenna,  regardless  of  its  size  and  complexity,  can  be  represented  as  a  point-­‐source.    

•  The  actual  field  near  the  antenna  is  then  disregarded.    

(CC)  R  Struzak     23  

•  The  EM  field  at  large  distances  from  an  antenna  can  be  treated  as  originated  at  a  point  source  -­‐  fic88ous  volume-­‐less  emiNer.  

•  The  EM  field  in  a  homogenous  unlimited  medium  at  large  distances  from  an  antenna  can  be  approximated  by  an  uniform  plane  TEM  wave        

(CC)  R  Struzak     24  

Antenna  radia8on  paNern  is  3-­‐dimensional  The  3-­‐D  plot  assumes  both  angles  θ  and  ϕ  varying  Difficult  to  produce  and  to  interpret  

(CC)  R  Struzak     25  

2-­‐D  paNern  

Two  2-­‐D  paNerns  

•  Usually  the  antenna  paNern  is  presented  as  a  2-­‐D  plot,  with  only  one  of  the  direc8on  angles,  θ  or  ϕ  varies  

•  It  is  an  intersec8on  of  the    3-­‐D  one  with  a  given  plane    –  usually  it  is  a  θ  =  const  plane  or  

a  ϕ=  const  plane  that  contains  the  paNern’s  maximum  

Source: NK Nikolova

(CC)  R  Struzak     26  

Isotropic  antenna  •  Isotropic  antenna  or  isotropic  radiator  is  a  hypothe8cal  (not  physically  realizable)  concept,  used  as  a  useful  reference  to  describe  real  antennas.    

•  Isotropic  antenna  radiates  equally  in  all  direc8ons.    –  Its  radia8on  paNern  is  represented  by  a  sphere  whose  center  coincides  with  the  loca8on  of  the  isotropic  radiator.  

Source: NK Nikolova

(CC)  R  Struzak     27  

Anisotropic  sources:  gain  •  Every  real  antenna  radiates  more  energy  

in  some  direc8ons  than  in  others  (i.e.  has  direc8onal  proper8es)  

•  Idealized  example  of  direc8onal  antenna:  the  radiated  energy  is  concentrated  in  the  yellow  region  (cone).    

•  Direc8ve  antenna  gain:  the  power  flux  density  is  increased  by  (roughly)  the  inverse  ra8o  of  the  yellow  area  and  the  total  surface  of  the  isotropic  sphere  –  Gain  in  the  field  intensity  may  also  be  

considered  -­‐  it  is  equal  to  the  square  root  of  the  power  gain.    

Hypothetic isotropic antenna

Hypothetic directional antenna

(CC)  R  Struzak     28  

Example  

Source: NK Nikolova

(CC)  R  Struzak     29  

Equivalent  half-­‐power  beamwidth  representa8ons  of  an  antenna’s  radia8on  paNern.  

Volts  

(CC)  R  Struzak     30  

Typical  Gain  and  Beamwidth  

Type of antenna Gi [dB] BeamW.

Isotropic 0 3600x3600

Half-wave Dipole 2 3600x1200

Helix (10 turn) 14 350x350

Small dish 16 300x300

Large dish 45 10x10

(CC)  R  Struzak     31  

Antenna  Polariza8on  

•  The  polariza8on  of  an  antenna  in  a  specific  direc8on  is  defined  to  be  the  polariza8on  of  the  wave  produced  by  the  antenna  at  a  great  distance  at  this  direc8on  

(CC)  R  Struzak     32  

Polariza8on  states  

450  LINEAR  

UPPER  HEMISPHERE:  ELLIPTIC  POLARIZATION  LEFT_HANDED  SENSE  

LOWER  HEMISPHERE:  ELLIPTIC  POLARIZATION    RIGHT_HANDED  SENSE  

EQUATOR:  LINEAR  POLARIZATION  

LATTITUDE:  REPRESENTS  AXIAL  RATIO  

LONGITUDE:  REPRESENTS  TILT  ANGLE  

POLES  REPRESENT  CIRCULAR  POLARIZATIONS  

LHC  

RHC  

(Poincaré sphere)

(CC)  R  Struzak     33  

Polariza8on  filters/  reflectors  

•  At  the  surface  of  ideal  conductor  the  tangen8al  electrical  field  component  =  0  

|E1|>0 |E2| = 0

Vector E ⊥ wires Vector E || wires

|E1|>0 |E2| ~ |E2|

Wall of thin parallel wires (conductors)

Wire distance ~ 0.1λ

(CC)  R  Struzak     34  

Antenna  arrays  •  Consist  of  mul8ple  (usually  iden8cal)  antennas  (elements)  ‘collabora8ng’  to  synthesize  radia8on  characteris8cs  not  available  with  a  single  antenna.  They  are  able  –  to  match  the  radia8on  paNern  to  the  desired  coverage  area    –  to  change  the  radia8on  paNern  electronically  (electronic  scanning)  

through  the  control  of  the  phase  and  the  amplitude  of  the  signal  fed  to  each  element  

–  to  adapt  to  changing  signal  condi8ons  –  to  increase  transmission  capacity  by  beNer  use  of  the  radio  resources  

and  reducing  interference    •  Complex  &  costly  

–  Intensive  research  related  to  military,  space,  etc.  ac8vi8es  »  Smart  antennas,  signal-­‐processing  antennas,  tracking  antennas,  phased  

arrays,  etc.    

Source:  adapted  from  N  Gregorieva  

(CC)  R  Struzak     35  

2  GHz  adap8ve  antenna  

•  A  set  of  48  2GHz  antennas    –  Source:  

Arraycomm  

(CC)  R  Struzak     36  

Phased  Arrays  

•  Array  of  N  antennas  in  a  linear  or  two-­‐dimensional  configura8on  +  beam-­‐forming    &  control  device  

•  The  amplitude  and  phase  excita8on  of  each  individual  antenna  controlled  electronically  (“sotware-­‐defined”)  –  Diode    phase  shiters    –  Ferrite  phase  shiters    

•  Iner8a-­‐less  beam-­‐forming  and  scanning  (µsec)  with  fixed  physical  structure    

(CC)  R  Struzak     37  

•  Switched  beam  antennas    –  Based  on  switching  func8on  between  

separate  direc8ve  antennas  or  predefined  beams  of  an  array  

•  Space  Division  Mul1ple  Access  (SDMA)  =  alloca8ng  an  angle  direc8on  sector  to  each  user    –  In  a  TDMA  system,  two  users  will  be  

allocated  to  the  same  8me  slot  and  the  same  carrier  frequency    

–  They  will  be  differen8ated  by  different  direc8on  angles  

(CC)  R  Struzak     38  

2  omnidirec8onal  antennas  

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

D = 0.5λ, θ= 900

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

D = 0.5λ, θ= 00 D = 0.5λ, θ= 1800

(CC)  R  Struzak     39  

Antenna  Arrays:  Benefits  

•  Possibili8es  to  control  electronically    –  Direc8on  of  maximum  radia8on  –  Direc8ons  (posi8ons)  of  nulls  –  Beam-­‐width  –  Direc8vity  –  Levels  of  sidelobes  

 using  standard  antennas  (or  antenna  collec8ons)  independently  of  their  radia8on  paNerns  

•  Antenna  elements  can  be  distributed  along  straight  lines,  arcs,  squares,  circles,  etc.    

(CC)  R  Struzak     40  

Antenna  simulators  •  Polariza8on:    

–  hNp://www.amanogawa.com/archive/wavesA.html    •  Linear  dipole  antennas:    

–  hNp://www.amanogawa.com/archive/DipoleAnt/DipoleAnt-­‐2.html    –  hNp://www.amanogawa.com/archive/Antenna1/Antenna1-­‐2.html    

•  2  antennas:    –  hNp://www.amanogawa.com/archive/TwoDipole/Antenna2-­‐2.html  

•  Antenna  design  using  MiniNEC  –  hNp://www.sotpedia.com/get/Science-­‐CAD/Expert-­‐MININEC-­‐

Classic.shtml    

(CC)  R  Struzak     41  

Thank  you  for  your  aNen8on