что такое сопротивление излучения антенны
Что такое сопротивление излучения антенны
Поскольку антенна потребляет от источника активную мощность (излучая её в эфир), то по аналогии с любой электрической схемой потребляющей мощность вводят сопротивление, на котором эта мощность выделяется. В данном случае оно называется сопротивлением излучения Rизл. Надо подчеркнуть, что физически этого сопротивления нет. Rизл всего лишь математический коэффициент, связывающий излученную антенной мощность с квадратом максимальной амплитуды тока в антенне. Но Rизл весьма наглядный параметр, характеризующий эффективность излучения антенны, поэтому часто используется.
Rизл весьма сложным образом зависит от размеров антенны, её геометрии, и распределения тока. В частном случае простой линейной антенны длиной до волны (при условии, что нет участков с противофазно протекающими токами) Rизл прямо пропорционально площади под распределением тока по антенне (очень наглядно это можно оценить на закладке «Вид» MMANA). Отсюда вытекает важный для практики укороченных антенн вывод: при одинаковой физической длине эффективнее излучает (то есть имеет более высокое Rизл) та антенна, по которой протекают больший ток, и по которой он равномернее распределен.
На рисунках 3.1.2 и 3.1.3 показано как зависит Rизл симметричного диполя, находящегося в свободном пространстве от его размера [2]:
рис.3.1.2 рис.3.1.3.
Как любое реальное устройство, антенна не имеет КПД=100%. То есть не вся мощность, подведенная к антенне, излучается. Часть её рассеивается в тепло в антенне и окружающих предметах. Эта часть мощности описывается сопротивлением потерь антенны Rп. Может и это математическая абстракция как Rизл? Ну нет, Rп существует настолько реально физически, что для его описания требуется несколько разных частей. Rп состоит из:
Rs – омических потерь в проводах и элементах антенны. Rs растет с частотой. Это следствие так называемого поверхностного эффекта – переменное магнитное поле вытеснят ток из центра проводника на его края. Поэтому ВЧ ток протекает только по тонкому поверхностному слою провода, не проникая вглубь. Глубина проникновения тока описывается формулой:
(3.1.6)
K– коэффициент, равный 67 для меди, 83 для алюминия, 127 для бронзы.
Rз – сопротивление потерь в земле. Для вертикальных антенн с противовесами, лежащими на земле, часть тока от источника, возбуждающего антенну, протекает через землю. Это, конечно, приводит к дополнительным потерям на обогрев земли.
Ro – характеризует тепловые потери в окружающих предметах, лежащих в ближней зоне антенны. Как описано в разделе 3.1.1 в ближней зоне антенны существует реактивное поле (напряженность которого резко растёт с укорочением антенны). В этом поле «плещется» реактивная энергия, связанная с излучателем. Она никуда не излучается, она «принадлежит» излучателю точно так же, как, например поле рассеяния вокруг катушки П-контура передатчика. Если в ближней зоне антенны нет ничего, то эта реактивная энергия «плещется» без потерь. Но как только в реактивное поле попадает предмет с потерями, он немедленно переводит часть энергии поля в тепловые потери (расположите рядом с выходной катушкой мощного передатчика сердечник с потерями и посмотрите, как он нагреется). В практических конструкциях КВ антенн, как правило, в ближней зоне (напомню, её радиус составляет l/2p ) находятся предметы с потерями – дома, деревья, металлоконструкции, крыша, земля (это не те потери, что в предыдущем пункте за счет непосредственного протекания тока антенны через землю, это тепловые потери реактивного поля в земле).
Итого, сопротивление потерь:
Ясно, что подведенная к антенне мощность выделяется как на Rизл, так и на Rп. Поэтому КПД антенны h А определяется как:
(3.1.8)
Для получения приемлемого КПД надо стараться, чтобы Rизл было бы в несколько раз выше Rп. При использовании укороченных антенн Rизл сильно падает (см. рис. 3.1.2) – до единиц Ом. Поэтому приходится всеми доступными мерами снижать Rп – использовать проводники с большим периметром сечения, с качественной изоляцией. И даже при этих условиях Rп укороченной антенны часто получается выше, чем полноразмерной. Дело в том, что в укороченной антенне (из-за повышенной добротности) всегда более сильно реактивное поле, и соответственно выше составляющая Rо.
На практике Rп в зависимости от конструкции антенны составляет единицы (в тяжелых случаях – десятки) Ом и увеличивается с ростом частоты, уменьшением высоты над землёй и с укорочением антенны (рост Rо!). Поэтому КПД антенны резко падает с её укорочением.
Напротив, при использовании полноразмерных (от полуволны и больше) антенн с высоким Rизл (см. рис. 3.1.3) КПД получается довольно большим. На фоне высокого Rизл (несколько десятков … сотен Ом) доля потерь приходящихся на Rп становится невелика и не имеет особого смысла бороться за снижение сопротивления потерь. Но даже полноразмерную антенну нежелательно располагать близко (радиус ближней зоны 0,16 l ) к поглощающим местным предметам из-за опасности заметного возрастания Rо.
Кажется, что входной импеданс антенны (Zа=Rа+jXа) – понятие настолько очевидное, что не требуется никаких пояснений. Za – это то, что покажет измеритель импеданса (ВЧ-мост например), подключенный непосредственно ко входным зажимам антенны.
Но к сожалению, в литературе очень часто путают активную часть входного импеданса антенны Ra и сопротивление излучения Rизл. Причем грешат этим не только любители. А на базе этой путаницы делаются далеко идущие, но ошибочные выводы.
Многое станет яснее, если представить антенну в виде эквивалентной схемы: сложного колебательного LC-контура в который включены резисторы Rизл и Rп. Разберем несколько примеров.
Антенна диполь от полуволны и короче. Её эквивалентная схема представляет собой обычный последовательный LC-контур, в который последовательно же включены Rизл и Rп. Если Rп пренебрежимо мало по сравнению с Rизл, то в этом случае Ra действительно равно Rизл.
Волновой диполь с питанием посередине. Эквивалентной схемой антенны является параллельный колебательный контур с резисторами Rизл и Rп в одной из ветвей. На резонансе входное сопротивление Ra достигает нескольких тысяч Ом. А для Rизл график рис. 3.1.3 даёт величину чуть более 200 Ом. То есть в данном случае Rизл и Rа отличаются почти на порядок.
Сильно укороченный диполь (несколько сотых l ) с настроечной катушкой и большой ёмкостной нагрузкой в виде сходящихся широких пластин (это коммерческая антенна ISOTRON производители которой вещают о её «чудесных» свойствах). Эквивалентная схема: последовательный LC-контур с последовательно включенным Rизл менее 1 Ома (см. рис 3.1.2) и малой ёмкостью. Параллельно этому контуру включен большой конструктивный конденсатор ёмкостной нагрузки пластин. Получающаяся сложная эквивалентная схема имеет два близких по частоте резонанса – последовательный и параллельный (очень похоже на эквивалентную схему кварцевого резонатора). На параллельном резонансе входное сопротивление сложного контура достигает нескольких десятков Ом. Которое её авторы ошибочно принимают за Rизл и на этом основании делают вывод о аномально высоком КПД антенны, и ссылаются на некую «таинственную» (для них, вероятно) физику этой антенны. На самом же деле несколько десятков Ом это входное сопротивление Ra. А сопротивление излучения как было 1 Ом, так и осталось. И КПД антенны, исходя из именно из 1 Ома сопротивления излучения, на самом деле оказывается очень низким.
Запомним: сопротивление излучения Rизл (определяющее КПД) это одно, а активная часть входного сопротивления антенны Ra – это совершенно другое. В некоторых частных случаях они могут совпадать но, как правило, Rизл меньше Ra.
Что такое сопротивление излучения антенны
Измерение сопротивления излучения ЕН антенны.
Кононов В.В. (UA1ACO) Санкт-Петербург.
Все дальнейшие рассмотрения и эксперименты будем проводить на ЕН антенне, на частоту 7 МГц (диапазон 40 метров). ЕН антенна выполнена на полипропиленовой трубе диаметром 50 мм. Диаметр цилиндров 50 мм. Соотношение длины к диаметру равно 1 (не самое лучшее соотношение, но для нас это сейчас не так важно). Катушка настройки выполнена проводом ПЭЛ 0,85 и имеет 37 витков с отводом от 1,5 витка.
На рисунке Рис. 1 представлена характеристика испытуемой ЕН антенны.
Рис. 1 Характеристика испытуемой антенны.
На рисунке Рис. 2 представлена упрощенная эквивалентная схема ЕН антенны.
Рис. 2 Упрощенная эквивалентная схема ЕН нтенны.
Катушка настройки
Катушка настройки является важным элементом ЕН антенны, от правильного исполнения которой, во многом зависит эффективность антенны. Что важно для катушки настройки? Прежде всего малые активные потери, малая собственная емкость, малые размеры и т.д. и здесь возникают противоречия: если стремится к малым размерам (для уменьшения паразитной емкости с цилиндров на катушку), то катушку придется мотать тонким проводом, что в свою очередь вызовет большие активные потери в проводе катушки. То же самое и наоборот, если намотать катушку толстым проводом, то потери в проводе уменьшатся, но в свою очередь, увеличится паразитная емкость с цилиндров на катушку, снижая эффективность антенны.
Ко всему прочему, потери в катушке зависят и от величины подводимой к антенне мощности (при неизменном диаметре провода) и т.д.
Таким образом, мы видим, что конструкция катушки настройки ЕН антенны может сильно влиять на общую эффективность антенны и к ее конструированию и выборе параметров необходим обдуманный и взвешенный подход. В настоящее время при мощностях до 100-200 ватт (на КВ диапазоне), вполне можно использовать провод сечением до 1-1,5 мм. и располагать катушку настройки на расстоянии диаметра применяеимой трубы, на этой же трубе.
Рис. 2a ЕН антенна со снятнымти цилиндрами, замещенными на дискретные емкости.
На рисунке Рис. 3 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором вместо цилиндров.
Рис. 3 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором вместо цилиндров.
Пойдем дальше. теперь добавим еще и переменное сопротивление (330 Ом) в цепь дискретного конденсатора, включенного вместо цилиндров. Подключив антенну к векторному анализатору антенн, изменяя величину переменного сопротивления, добъемся того чтобы полоса пропускания антенны вновь стала 240 КГц (как и до отпайки цилиндров). Получается? Да. Почему полоса пропускания увеличивается при увеличении значения переменного сопротивления, конечно понятно. Мы вносим в цепи «антенны» дополнительные потери в виде дискретного сопротивления. Придется чуть подстроить согласование (мы об этом говорили выше).
И так, мы добились прежней полосы пропускания 240 КГц, см. Рис.4
Рис. 4 Характеристика ЕН антенны с включенным дискретным конденсатором и переменным сопротивлением, вместо цилиндров.
Рис. 5 Более подробная эквивалентная схема ЕН антенны.
Рис. 6 Пример расчета исследуемой антенны.
До этого момента мы рассматривали классическую ЕН антенну конструкции «Star». А теперь попробуем проделать все тоже самое с плоской ЕН антенной на частоту 27 МГц.
Сделаем плоскую ЕН антенну с размерами пластин 120х170 мм. Намотаем катушку настройки на каркасе диаметром 30 мм., 13 витков, проводом ПЭЛ 1,4 мм. (индуктивность 3,95 микрогенри). Ориентировочный расчет антенны был сделан (рисунок Рис.7)
Рис. 7 Ориентировочный пример расчета второй исследуемой плоской ЕН антенны на 27 МГц.
По сравнению с расчетом, расстояние между пластинами было взято не 50мм, а 10мм. (так как подводить большую мощность к антенне не планировалось).
Фотография изготовленной и настроенной антенны представлена на рисунке Рис.8
Рис. 8 Фотография плоской ЕН антенны на 27 МГц.
Рис. 9 Характеристика плоской ЕН антенны на 27 МГц (снята прибором «miniVNA»).
Емкости между пластинами измерены, характеристики сняты, а теперь разберем настроенную антенну и включим вместо пластин, последовательно соединенные керамический конденсатор КПК (6/25 Пф) и переменный резистор (330 Ом), см. фото Рис.10.
Рис. 10 Вместо цилиндров включен переменный конденсатор и переменное сопротивление.
Рис. 11 Характеристика плоской ЕН, после замены пластин на дискретные элементы.
Таким образом при замене пластин на дискретные элементы, полоса пропускания антенны изменилась с 570 КГц, на 132 КГц, а добротность возросла с Q=49 до Q=211.
Теперь остается самое простое, путем увеличения сопротивления в цепи контура, добиться прежней полосы пропускания (естественно придется подстроить согласование как и было до изменения конструкции). Подстройка хлопотная: во первых подстроечный конденсатор около своего минимального значения, и во вторых, сопротивление переменного резистора тоже пришлось подстраивать очень точно. После кропотливой подборки величин, получаем характеристику, показанную на рисунке Рис.12
Рис. 12 Вносим в контур потери, увеличивая номинал переменного сопротивления и добиваемся прежней полосы пропускания.
И, наконец, измеряем сопротивление переменного резистора омметром. Оно равно 22 Ома! Если сравнить его с расчетным (19,17 Ом), то оно окажется очень близким к расчетному.
Следует видимо еще добавить, что зная измеренные, путем замещения, сопротивления излучения и активные сопротивления потерь в катушке настройки (основные омические потери), можно подсчитать КПД антенны.
И наконец последнее. Эта статья была написана еще в 2010 году, но выложить ее на сайт не было времени. С 2010 года было проведено еще несколько десятков экспериментов по измерению сопротивления излучения на различных антеннах и частотах от сотен килогерц до сотен мегагерц. Результатами я доволен и можно сделать естественный вывод, что сопротивление излучения в ЕН антенне зависит от ее конструктивного исполнения (от формы и размеров раскрытого в пространстве «конденсатора»).
Теория радиоволн: антенны
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
Про антенны для самых маленьких
Попробуем разобраться, как работают антенны и почему электромагнитная энергия из комфортного проводника излучается в чужеродный диэлектрик, причем обойдемся без матана, что потребует, разумеется, очень серьезных упрощений и даже вульгаризации, но все же позволит получить начальное представление и, не исключаю, желание почитать материалы для более продвинутых.
Если вы радиоинженер, опытный радиолюбитель-связист или просто хорошо знаете физику, то вам нижеследующее читать строго не рекомендуется во избежание негативных последствий для вашего психического здоровья. Вас предупреждали.
Начнем со скучных основ. В старые добрые времена, когда не было ни интернетов, ни этого вашего фидо, известные явления электричества и магнетизма не считались чем-то единым, имеющим общую природу, пока ровно двести лет назад датчанин Эрстед не обнаружил, что протекание электрического тока по проводнику вызывает отклонение стрелки компаса, т.е. создает доступное наблюдению и измерению простейшими приборами магнитное поле.
Вскорости француз Ампер вывел закон имени себя, описывающий зависимость электрического тока и возникающего от него магнитного поля, а чуть позже включившийся англичанин Фарадей обнаружил и математически изложил явление электромагнитной индукции. Спустя еще совсем немного времени шотландец Максвелл создает теорию электромагнитного поля, на которую нам бы и следовало опираться в дальнейшем рассказе, но мы договорились обходиться без матана настолько, насколько возможно, чтобы даже самые отпетые гуманитарии смогли почувствовать вкус к технике вместо быть распуганными сложными формулами. Все эти работы привели к тому, что 1887 году немец Герц экспериментально доказал существование радиоволн, построив радиопередатчик и радиоприемник, которые, довольно неожиданно, оказались рабочими. Впрочем, сам Герц перспектив своей радиопередачи (первой в мире!) не оценил и поэтому изобретение радио чаще связывают с итальянцем Маркони, который помимо неоспоримого инженерного гения, оказался успешен и в части коммерциализации. Да, если кому интересно, первая радиопередача голоса принадлежит канадцу Фесендену, которому удалось провернуть это дело в 1900 году.
Ток в проводнике создает магнитное поле. Зачем же нам браться рукой за оголенный провод? Затем, чтобы легко запомнить направление вектора магнитного поля в зависимости от направления тока в проводнике — «правило правой руки».
Итак, теперь мы знаем, что протекание электрического тока в проводнике приводит к тому, что около проводника возникает магнитное поле. Вот это вот, если очень-очень упрощенно, и есть электромагнетизм. Поэтому первое, что мы можем усвоить: излучение антенн связано с протеканием в них электрического тока.
Радиосвязь использует переменный ток различной частоты (или длины волны – говоря об антеннах чаще удобнее говорить о длине волны, а о радиотехнике в целом – о частоте).
Различные частоты позволяют одновременно проводить много независимых передач и разделять их прием, выбирая нужные частоты и отбрасывая ненужные. Способов, как это сделать, довольно много, но они — тема отдельных статей. Переменный ток обладает одной неприятной особенностью: хотя он полностью подчиняется закону Ома (взаимозависимость напряжения, сопротивления цепи и тока в ней), напряжение и ток могут не совпадать по времени. Да-да, «сдвиг по фазе» – это необязательно в голове, это более чем электро- и радиотехнический термин. Вот что получается. Если бы мы подавали переменное напряжение на некий идеальный резистор, то синфазный переменный ток в этой цепи был бы равен напряжению в вольтах, деленному на сопротивление в омах – так же, как и приличный постоянный ток. Но если вместо резистора у нас катушка индуктивности, то дело становится более запутанным. Когда мы прикладываем напряжение к катушке, она как бы сопротивляется току через нее, поэтому ток отстает по фазе от напряжения. Кстати, если отключить подачу напряжения от катушки, то она тоже будет сопротивляться и постарается поддержать течение тока через себя (в той мере, в которой катушка может запасти энергию) – напряжения уже нет, а ток все еще идет. Вот это вот сопротивление, оно называется реактивным, тем выше, чем выше частота. То есть с ростом частоты при равной индуктивности или с ростом индуктивности при равной частоте сопротивление переменному току растет. С конденсаторами все то же самое, но только наоборот. При приложении напряжения к конденсатору ток сначала проваливается в него, как в пустую яму, опережая напряжение, а затем падает по мере заряда. Легкость, с которой переменный ток попадает в конденсатор, означает, что с ростом частоты при равной емкости сопротивление переменному току падает, а при равной частоте при росте емкости сопротивление переменному току также падает. Поэтому примем на заметку: реактивное сопротивление, то есть индуктивное или емкостное сопротивление переменному току, зависит от частоты.
Слева традиционная синусоидальная осциллограмма, справа сдвиг фаз на примере «отставания» тока от напряжения при наличии в цепи индуктивного сопротивления.
Суммарное сопротивление, состоящее из активной компоненты (условный резистор, который потребляет мощность «чисто», без влияния на фазу) и реактивной компоненты (сдвигающие фазу индуктивность и/или емкость), называется комплексным сопротивлением или импедансом.
Итак, антенна – это проводник, к которому подводится электрическая энергия и который ее излучает в окружающее пространство. Излучает электрический ток в проводнике, который создает вокруг проводника магнитное поле.
Почему электромагнитная энергия выходит из комфортного для нее проводника в некомфортный для нее вакуум? А она и не выходит! Энергия создает колебания поля, но не движется сама по себе. Давайте сравним со звуковыми волнами. Когда динамик (антенна) создает колебания, воздух (эфир) не движется, ветер не возникает, но колебания распространяются в воздухе (эфире). Так же происходит и с электромагнитными волнами, разве что электромагнитная энергия распространяется не в воздухе, а в эфире. Позже, правда, выяснят, что предполагавшегося эфира не существует, и что земля тоже не плоская, а электромагнитное поле прекрасно себя чувствует и в вакууме но мы-то знаем, что эфир есть, а земля, конечно, не плоская, а немного выпуклая. То есть, еще раз, энергия не переносится вместе со средой (точнее с полем), а переносится за счет распространения волн в неподвижной в общем случае среде (в поле).
Антенна как колебательный контур. Прежде чем говорить о конкретных конструкциях простых антенн, по принципу устройства которых мы сможем разобраться и в устройстве сложных, поговорим об электрическом резонансе. Для этого вернемся назад к реактивному сопротивлению. Полотно антенны можно представить как распределенную емкость и распределенную индуктивность – как размотанную до прямого провода катушку и как вырожденные до того же самого провода пластины конденсатора. Наличие реактивного сопротивления в цепи, как мы помним, разделяет фазы тока и напряжения. Однако, если мы подберем определенную комбинацию индуктивности и емкости (а это сработает только на одной определенной частоте, ведь мы помним, что с изменением частоты меняется реактивное сопротивление), то получится, что емкость и индуктивность взаимно компенсируют друг друга и мы видим чисто активное сопротивление в нагрузке. Вот такая взаимная компенсация и результат в виде чисто активного сопротивления как результат компенсации называется электрическим резонансом. Сам по себе для работы антенны он неважен, потому что антенна, как мы уже выяснили, излучает током в проводнике. Однако, есть ряд причин, по которым к достижению резонанса в антенне стремятся. Дело в том, что в отличие от постоянного тока, для переменного важно, чтобы волновое сопротивление (напоминаю закон Ома, а именно что сопротивление цепи численно равно приложенному напряжению, деленному на ток) генератора, линии передачи и нагрузки, т.е. собственно антенны, были равны. Если равенства нет, часть электромагнитной энергии отразится назад на генератор, что приведет к целому спектру нежелательных явлений. Значительное реактивное сопротивление приводит к сильному рассогласованию и значительному отражению энергии. Впрочем, это касается и активной компоненты импеданса, согласовать которую легче при незначительной, легко компенсируемой реактивной компоненте. Поэтому технически стараются создавать такие антенны, у которых реактивная компонента отсутствует или легко компенсируется, а активная равна волновому сопротивлению генератора или легко трансформируется. В случае самых простых антенн, создание определенной емкости антенны или определенной индуктивности означает попросту подбор размеров. Поэтому обычно размеры антенн меряют не в линейных единицах, а в долях длины волны.
Простейшие полноразмерные антенны. Полуволновый диполь, четвертьволновый граундплейн и аналогичные конструкции.
Как видим, распределение токов и напряжений одинаково. Только если в четвертьволновом граундплейне одна половина диполя — штырь, а второй половиной является земля, то в полуволновом диполе — второй половиной является его вторая половина. 🙂
Для ознакомления с принципами, одинаковыми для любых более сложных антенн, предлагаю разобраться с устройством и работой базовых антенн – симметричного полуволнового диполя или несимметричного четвертьволнового граундплейна. В известной степени они идентичны и полуволновый диполь можно рассматривать как крайний случай четвертьволнового граундплейна, угол радиалов (противовесов) которого достиг 180° к излучающему штырю, поэтому большинство рассматриваемых особенностей в равной мере применимы к обоим антеннам.
Как видим, такая антенна имеет электрический резонанс, потому что в ее проводнике помещается целое число полуволн тока и целое число полуволн напряжения. Они смещены по фазе друг относительно друга, но их реактивность взаимно компенсируется.
Если бы антенна была немного короче, чем полволны, то у нее бы появилась емкостная компонента импеданса и ее пришлось бы компенсировать индуктивностью (никому не напоминает катушки в основании сибишных автоантенн?), а если наоборот удлинить, то появится индуктивная компонента, которую необходимо скомпенсировать емкостью.
Сопротивление излучения. В сопротивлении излучения нет ничего особенного. Вернее не так. Сопротивления излучения в физическом смысле не существует, это аналитическое значение, которое используется для определения КПД антенны. Проще всего представить себе сопротивление излучения как ту активную компоненту полного сопротивления всей антенны, которая тратится на излучение. Вообще-то есть термин «потери на излучение» и это полезные «потери», если мы говорим об антенне, но это не равно сопротивлению излучения, так что не путайте. Нет никакого воображаемого сопротивления среды воображаемому излучению в нее или что либо еще — есть разные свойства вроде диэлектрической проницаемости, которые мы рассматривать пока что не будем.
Еще в антенне есть сопротивление потерь в виде сопротивления проводника, которое тратится на его нагрев, различные потери в конструктивных элементах и согласующих звеньях. Знание сопротивления излучения необходимо для понимания КПД антенны: у некоторых антенн сопротивление излучения может составлять единицы и доли Ома при том, что сопротивление потерь в разы больше, что значит что КПД такой антенны крайне низок несмотря на то, что в остальном ее конструкция адекватна. В простых антеннах вроде рассматриваемого диполя или граундплейна, сопротивление излучения близко к полному сопротивлению самой антенны, потому что потери в проводнике сравнительно малы, но в любом случае это не тождественные понятия.
Вернемся к диполю. Пока мы подаем энергию в его геометрическом центре, где ток максимален, а напряжение минимально, сопротивление излучения невелико. Теоретически оно равно приблизительно 73 Омам, а практически немного меньше в зависимости от относительной толщины материала. По мере расщепления одной из половин диполя на отдельные радиалы, сопротивление будет немного снижаться и упадет до приблизительно 36 Ом ми угле в 90° к штырю. Это очевидно влияет на КПД антенны. Но, для наглядности, будем рассматривать именно диполь. По мере смещения точки питания от центра к краю мы увидим, что ток падает, а напряжение растет, то есть растет сопротивление излучения, которое достигнет своего максимума при питании с конца. На все остальные характеристики антенны это обстоятельство не влияет, она по-прежнему излучает с той же диаграммой направленности, а значит, имеет ту же эффективность излучения (но не КПД всей антенны в сборе, потому что КПД зависит от относительных потерь).
Полное сопротивление антенны равно напряжению в точке питания, деленному на отдаваемый ток. А состоит оно из, как мы уже выяснили, сопротивления излучения, на котором мы полезно теряем энергию на нужное нам излучение, и сопротивления потерь, на котором мы теряем энергию бесполезно. Разными способами мы можем влиять на полное сопротивление антенны. Не меняя геометрию, мы можем смещать точку питания. Мы можем использовать различные трансформирующие элементы (включая буквально трансформаторы с обмотками на тех частотах, на которых их применение рационально). На эффективность излучения антенны все эти манипуляции никак не влияют и нужны только для согласования антенны с генератором (передатчиком). Например, полуволновый диполь с питанием по центру, сопротивление которого составляет приблизительно 73 Ома, через простой трансформатор 1:4 может быть согласованным с генератором, рассчитанным на антенну сопротивлением 18 Ом или 300 Ом — смотря как подключить выводы. На работе антенны это не скажется никак, кроме влияния потерь в трансформаторе на КПД всей конструкции в сборе.
Если вам кажется, что у антенны есть только монополь – некий штырь, кусок провода или просто дорожка на печатной плате, то на самом деле это вариант граундплейна, у которого нет специально выделенных радиалов, но радиалами служит земля, тело оператора (портативной радиостанции, например) или земляные полигоны на плате. Потери в таких радиалах очевидно больше, чем в специально созданных как часть антенны, поэтому КПД таких конструкций всегда ниже, равно как и степень согласования импедансов из-за непредсказуемости ситуативных вместо расчетных радиалов.
При увеличении длины антенны сверх полуволнового диполя сопротивление излучения сначала растет, достигая максимума при четном числе полуволн, а затем снова падает, достигая минимума при нечетном числе полуволн. Незначительное увеличение длины сужает диаграмму направленности и увеличивает эффективность передачи в выбранном направлении, а значительное приводит к дроблению диаграммы на множество лепестков и в целом неэффективно, поэтому на практике обычно не применяется кроме многодиапазонных антенн, в которых это является компромиссным решением.
Вообще любое увеличение длины диполя сверх половины волны приводит к тому, что на полотне возникают области, где ток течет в противоположном направлении. Этот ток, разумеется, также участвует в излучении, но интерференция создаваемого им поля с полем условно-основной части полотна и приводит к тому, что диаграмма направленности расщепляется, что в большинстве случаев вредно: обычно радиосвязь производится по одному или нескольким известным направлениям а излучение в «ненужную» сторону означает просто напрасные потери. Например, наземная связь проводится в направлении горизонта, а излучение в космос бесполезно тратит мощность передатчика. Поэтому, когда необходимо увеличить направленность антенны, чтобы посылать энергию более сфокусировано в нужном направлении, предпочитают использовать более сложные конструкции на базе диполя, а не удлиняют единичный диполь.
При уменьшении длины антенны от полуволнового диполя (или укорочению штыря четвертьволнового граундплейна) сопротивление излучения экспоненциально падает, что вкупе со все усложняющимся согласующим устройством делает укороченную антенну крайне неэффективной – небольшое сопротивление излучения рядом с большим сопротивлением означает напрасный нагрев согласующего устройства с малым излучением.
Вот, собственно, и все, что нужно знать гуманитарию об антеннах.