Антенна (радио)

редактировать
Antenna.jpg Анимация полуволнового диполя антенны излучающей радио волны, показывающие линии электрического поля. Антенна в центре представляет собой два вертикальных металлических стержня, соединенных с радиопередатчиком (не показан). Передатчик подает переменный электрический ток на стержни, который заряжает их поочередно положительным (+) и отрицательным (-). Петли электрического поля покидают антенну и уносятся со скоростью света ; это радиоволны. В этой анимации действие показано сильно замедленным. Электрическое устройство

В радиотехнике антенна является интерфейсом между радиоволнами распространяется в пространстве и электрические токи, движущиеся по металлическим проводникам, используются с передатчиком или приемником. В передаче радиопередатчик подает электрический ток на выводы антенны, и антенна излучает энергию от тока в виде электромагнитных волн (радиоволн). При приеме антенна улавливает часть мощности радиоволны, чтобы создать электрический ток на своих выводах, который подается на приемник для усиления . Антенны - важные компоненты всего радио оборудования.

Антенна - это массив проводников (элементов ), электрически связанных с приемником или передатчиком. Антенны могут быть разработаны для передачи и приема радиоволн во всех горизонтальных направлениях одинаково (всенаправленные антенны ) или, предпочтительно, в определенном направлении (направленные, или с высоким коэффициентом усиления, или «луч» антенны). Антенна может включать в себя компоненты, не подключенные к передатчику, параболические отражатели, рупоры или паразитные элементы, которые служат для направления радиоволн в луч или другие желаемаядиаграмма направленности.

Первые антенны были построены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем в его новаторских экспериментах по доказательству существования волн, предсказанных электромагнитной теорией Джеймса Клерка Максвелла. Герц разместил дипольные антенны в фокусе параболических отражателей как для передачи, так и для приема. Начиная с 1895 года Гульельмо Маркони начал разработку антенн, используемых для беспроводной телеграфии на большие расстояния, за что получил Нобелевскую премию.

Содержание

  • 1 Терминология
  • 2 Обзор
  • 3 Взаимность
  • 4 Резонансные антенны
    • 4.1 Распределение тока и напряжения
    • 4.2 Электрически короткие антенны
    • 4.3 Решетки и отражатели
  • 5 Моделирование антенн с помощью линейных уравнений
  • 6 Характеристики
    • 6.1 Ширина полосы
    • 6.2 Усиление
    • 6.3 Эффективная площадь или апертура
    • 6.4 Диаграмма направленности
    • 6.5 Области поля
    • 6.6Эффективность
    • 6.7 Поляризация
    • 6.8 Согласование импеданса
  • 7 Влияние земли
  • 8 Взаимное сопротивление и взаимодействие между антеннами
  • 9 Типы антенн
  • 10 См. Также
  • 11 Сноски
  • 12 Ссылки

Терминология

Электронный символ антенны

Слова антенна и используются взаимозаменяемо. Иногда эквивалентный термин «антенна» используется специально для обозначения приподнятой горизонтальной проволочной антенны. Происхождение слова антенна по отношению к беспроводному устройству приписывается итальянскому первопроходцу радио Гульельмо Маркони. Летом 1895 года Маркони начал тестирование своей беспроводной системы на открытом воздухе в поместье своего отца недалеко от Болоньи и вскоре начал экспериментировать с длинными проводными «антеннами», подвешенными к столбу. В итальянском столб для палатки известен как l'antenna centrale, а столб с проводом назывался просто l'antenna. До этого беспроводные излучающие передающие ипринимающие элементы были известны просто как «терминалы». Из-за своей известности использование Маркони слова «антенна» распространилось среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а позже и среди широкой публики.

Антенна может в широком смысле относиться ко всей сборке, включая опорную конструкцию, корпус (если есть) и т. Д.., помимо собственно функциональных компонентов. Приемная антенна может включать в себя не только пассивные металлические приемные элементы, но также интегрированный предусилитель или смеситель, особенно на микроволновых частотах и ​​выше.

Обзор

Антенны субмиллиметрового массива Atacama Large Millimeter.

Антенны необходимы любому радиоприемнику или передатчику для соединения его электрического соединения с электромагнитным полем. Радио волны - это электромагнитные волны, которые переносят сигналы по воздуху (или в космосе) со скоростью скорости света почти без потерьпередачи.

штыревых антенн автомобиля , типичный пример всенаправленной антенны.

Антенны могут быть классифицированы как всенаправленные, излучающие энергию приблизительно одинаково во всех направлениях, или направленные, где энергия излучается больше вдоль одно направление, чем другие. (Антенны взаимные, поэтому такой же эффект возникает при приеме радиоволн.) Полностью однородная всенаправленная антенна физически невозможна. Некоторые типы антенн имеют однородную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, но посылают мало энергии вверх или вниз. «Направленная» антенна обычно предназначена для максимального увеличения ее связи с электромагнитным полем в направлении другой станции.

Вертикальная антенна или штыревая антенна излучает во всех направлениях по горизонтали, но посылает меньше энергии вверх или вниз. Точно так же дипольная антенна , ориентированная горизонтально, посылает небольшую энергию внаправлениях, параллельных проводнику; эта область называется нулевой антенной.

Полуволновая дипольная антенна

Дипольная антенна, которая является основой для большинства конструкций антенн, представляет собой симметричный компонент с равными, но противоположными напряжениями и токами, приложенными на двух ее выводах.. Вертикальная антенна представляет собой несимметричную несимметричную антенну относительно земли. Земля (или любая большая проводящая поверхность) играет роль второго проводника диполя. Поскольку монопольные антенны опираются на проводящую поверхность, они могут быть установлены с заземлением, чтобы приблизить эффект от установки на поверхности Земли.

Диаграмма электрических полей (синий) и магнитных полей (красный), излучаемых дипольной антенной (черные стержни) во время передачи.

Более сложные антенны увеличивают направленность антенны. Дополнительные элементы в конструкции антенны, которые не нужно напрямую подключать к приемнику или передатчику, увеличивают ее направленность. «Усиление» антенны описывает концентрацию излучаемой мощности в определенном телесном углу пространства. «Усиление» - возможно, неудачно выбранный термин по сравнению с «усилением» усилителя, который подразумевает чистое увеличение мощности. Напротив, для «усиления» антенны мощность, увеличивающаяся в желаемом направлении, происходит за счет уменьшения мощности в нежелательных направлениях. В отличие от усилителей, антенны представляют собой электрически «пассивные » устройства, которые сохраняют общую мощность, и нет увеличения общей мощности по сравнению с мощностью, передаваемой от источника питания (передатчика), только улучшенное распределение этой фиксированной общей мощности.

A фазированная антенная решетка состоит из двух или более простых антенн, которые соединены вместе через электрическую сеть. Это часто связано с несколькими параллельными дипольными антеннами с определеннымшагом. В зависимости от относительной фазы, вводимой сетью, одна и та же комбинация дипольных антенн может работать как «широкая решетка» (направленная перпендикулярно линии, соединяющей элементы) или как «решетка торцевого зажигания» ( направленный по линии, соединяющей элементы). В антенных решетках может использоваться любой базовый (всенаправленный или слабо направленный) тип антенны, например дипольные, рамочные или щелевые антенны. Эти элементы часто идентичны.

A Логопериодическая дипольная решетка состоит из ряда дипольных элементов разной длины, чтобы получить в некоторой степени направленную антенну, имеющую чрезвычайно широкую полосу пропускания. Все дипольные антенны, составляющие его, считаются «активными элементами», поскольку все они электрически связаны друг с другом (и с линией передачи). Антенна Яги – Уда (или просто «Яги») имеет только один дипольный элемент с электрическим соединением; другие паразитные элементы взаимодействуют сэлектромагнитным полем, чтобы реализовать направленную антенну в узкой полосе пропускания. Может быть несколько так называемых «направляющих» перед активным элементом в направлении распространения и один или несколько «отражателей» на противоположной стороне активного элемента.

Большую направленность можно получить с использованием методов формирования луча, таких как параболический отражатель или рупор. Поскольку высокая направленность антенны зависит от того, насколько она велика по сравнению с длиной волны, узкие лучи этого типа легче получить на частотах УВЧ и СВЧ.

На низких частотах (например, AM-вещание ) для достижения направленности используются массивы вертикальных опор, и они будут занимать большие участки земли. Для приема длинная антенна Бевереджа может иметь значительную направленность. Для ненаправленного портативного использования хорошо работает короткая вертикальная антенна или небольшая рамочная антенна, приэтомосновной проблемой проектирования является согласование импеданса. С вертикальной антенной можно использовать нагрузочную катушку в основании антенны для подавления реактивной составляющей импеданса ; малые рамочные антенны для этого настроены параллельными конденсаторами.

Подвод антенны - это линия передачи или линия передачи, которая соединяет антенну с передатчиком или приемником. «подача антенны » может относиться ко всем компонентам, соединяющим антенну с передатчиком или приемником, например, к сети согласования импеданса в дополнение к передаче линия ission. В так называемой «апертурной антенне», такой как рупорная или параболическая тарелка, «питание» может также относиться к базовой излучающей антенне, встроенной во всю систему отражающих элементов (обычно в фокусе параболической тарелки или в горло рупора), который можно рассматривать как один активный элемент в этой антенной системе. Микроволновая антенна также может питаться непосредственно от волновода вместо (проводящей) линии передачи.

сотового телефона базовой станции антенн

Антенна противовес, или пластина заземления, представляет собой структуру из проводящего материала, которая улучшает или заменяет землю. Он может быть подключен к естественному заземлению или изолирован от него. В монопольной антенне это помогает в работе естественного грунта, особенно там, где вариации (или ограничения) характеристик естественного грунта мешают его правильному функционированию. Такая конструкция обычно подключается к обратному соединению несимметричной линии передачи, такой как экран коаксиального кабеля.

. Рефрактор электромагнитных волн в некоторых апертурных антеннах является компонентом, который из-за своей формы и положения функционирует для выборочного задерживают или опережают части проходящего через него электромагнитного волнового фронта. Рефракторизменяет пространственные характеристики волны с одной стороны относительно другой. Он может, например, направить волну в фокус или изменить фронт волны другими способами, как правило, для того, чтобы максимизировать направленность антенной системы. Это радиоэквивалент оптической линзы.

антенная соединительная сеть - это пассивная сеть (обычно комбинация индуктивных и емкостных элементов цепи), используемая для согласования импеданса между антенной и передатчиком или приемником. Это можно использовать для улучшения коэффициента стоячей волны, чтобы минимизировать потери в линии передачи и придать передатчику или приемнику стандартный резистивный импеданс, который он ожидает увидеть для оптимальной работы.

Взаимность

Основным свойством антенн является то, что электрические характеристики антенны, описанные в следующем разделе, такие как усиление, диаграмма направленности, импеданс, ширина полосы, резонансная частота и поляризация одинаковы независимо от того, передает или получение. Например, «диаграмма приема» (чувствительность как функция направления) антенны при использовании для приема идентична диаграмме направленности антенны, когда она приводится в действие и функционирует как излучатель. Это следствие теоремы взаимности электромагнетизма. Поэтому при обсуждении свойств антенны обычно не делается различия между терминологией приема и передачи, и антенну можно рассматривать как передающую или как принимающую, в зависимости от того, что более удобно.

Необходимым условием для вышеупомянутого свойства взаимности является то, что материалы в антенне и среде передачи являются линейными и взаимными. Взаимный (или двусторонний) означает, что материал имеет такую ​​же реакцию на электрический ток или магнитное поле в одном направлении, как и на поле или ток в противоположном направлении.Большинство материалов, используемых в антеннах, соответствуют этим условиям, но в некоторых микроволновых антеннах используются высокотехнологичные компоненты, такие как изоляторы и циркуляторы, сделанные из невзаимных материалов, таких как феррит. Их можно использовать для придания антенне другого поведения при приеме, чем при передаче, что может быть полезно в таких приложениях, как радар.

Резонансные антенны

Большинство конструкций антенн основаны на принцип резонанса. Это зависит от поведения движущихся электронов, которые отражаются от поверхностей, на которых изменяется диэлектрическая проницаемость , аналогично тому, как свет отражается при изменении оптических свойств. В этих конструкциях отражающая поверхность создается концом проводника, обычно тонкой металлической проволоки или стержня, который в простейшем случае имеет точку питания на одном конце, где он подключен к линии передачи . Проводник или элементвыровненс электрическим полем полезного сигнала, что обычно означает, что он перпендикулярен линии от антенны к источнику (или приемнику в случае антенны вещания).

Электрическая составляющая радиосигнала индуцирует напряжение в проводнике. Это приводит к тому, что электрический ток начинает течь в направлении мгновенного поля сигнала. Когда результирующий ток достигает конца проводника, он отражается, что эквивалентно изменению фазы на 180 градусов. Если длина проводника составляет ⁄ 4 длины волны, ток из точки питания претерпит изменение фазы на 90 градусов к тому времени, когда он достигнет конца проводника, отразится на 180 градусов, а затем еще на 90 градусов. как он едет обратно. Это означает, что он претерпел полное изменение фазы на 360 градусов, возвращая его к исходному сигналу. Таким образом, ток в элементе добавляется к току, создаваемому источником в этот момент. Этот процесс создает стоячую волну в проводнике с максимальным током на входе.

Обычный полуволновой диполь, вероятно, наиболее широко используемая конструкция антенны.. Он состоит из двух элементов с длиной волны ⁄ 4, расположенных встык и лежащих по существу вдоль одной и той же оси (или коллинеарно), каждый из которых питает одну сторону двухпроводного передающего провода. Физическое расположение двух элементов сдвигает их по фазе на 180 градусов, что означает, что в любой момент времени один из элементов пропускает ток в линию передачи, в то время как другой вытаскивает его. несимметричная антенна, по существу, представляет собой половину полуволнового диполя, один элемент с длиной волны ⁄ 4 с другой стороной, подключенной к земле или эквивалентному плоскость заземления (или противовес ). Монополи, размер которых составляет половину диполя, обычны для длинноволновых радиосигналов, где диполь был бы непрактично большим. Другой распространенной конструкцией является изогнутый диполь, который состоит из двух (или более) полуволновых диполей, расположенных рядом и соединенных своими концами, но только один из которых приводится в действие.

Стоячая волна формируется с этой желаемой диаграммой направленности на проектной рабочей частоте, f o, и антенны обычно проектируются с учетом этого размера. Однако подача на этот элемент 3 f 0 (длина волны которого равна ⁄ 3 длина волны f o) также приведет к модели стоячей волны. Таким образом, антенный элемент также является резонансным, когда его длина составляет ⁄ 4 длины волны. Это верно для всех нечетных кратных ⁄ 4 длины волны. Это обеспечивает некоторую гибкость конструкции с точки зрения длины антенны и точек питания. Антенны, используемые таким образом, как известно, работают в гармоническом режиме. Резонансные антенны обычно используют линейный проводник (или элемент) или пару таких элементов, каждый из которых составляет около четвертидлины волны (нечетное кратное четверти длины волны также будет резонансным). Антенны, которые должны быть небольшими по сравнению с эффективностью потери длины волны и не могут быть очень направленными. Поскольку длины волн настолько малы на более высоких частотах (UHF, микроволны ), компромисс с производительностью для получения меньшего физического размера обычно не требуется.

Стоячие волны на полуволновом диполе, возбуждаемые на его резонансной частоте. Волны представлены графически в виде цветных полос (красный для напряжения, V и синий для тока, I), ширина которых пропорциональна амплитуде величины в этой точке антенны.

Распределение тока и напряжения

Четвертьволновые элементы имитируют последовательно-резонансный электрический элемент из-за наличия стоячей волны вдоль проводника. На резонансной частоте стоячая волна имеет пик тока и узел напряжения (минимум) на питании. С точки зрения электричества это означает, что элемент имеет минимальное реактивное сопротивление , генерируя максимальный ток при минимальном напряжении. Это идеальная ситуация, потому что она дает максимальную мощность при минимальном входе, обеспечивая максимально возможную эффективность. В отличие от идеальной (без потерь) схемы с последовательным резонансом, остается конечное сопротивление (соответствующее относительно небольшому напряжению в точке питания) из-за радиационного сопротивления антенны, а также любых реальных электрических потерь.

Напомним, что ток будет отражаться при изменении электрических свойств материала. Для эффективной передачи принятого сигнала в линию передачи важно, чтобы линия передачи имела такое же полное сопротивление, что и точка подключения на антенне, в противном случае часть сигнала будет отражаться назад в тело. антенны; аналогичным образом часть мощности сигнала передатчика будет отражаться обратно в передатчик, если произойдет изменениеэлектрического импеданса в месте соединения фидерной линии с антенной. Это приводит к концепции согласования импеданса, конструкции всей системы антенны и линии передачи так, чтобы полное сопротивление было как можно более близким, тем самым уменьшая эти потери. Согласование импеданса выполняется цепью, называемой антенным тюнером или цепью согласования импеданса между передатчиком и антенной. Согласование импеданса между фидером и антенной измеряется параметром коэффициент стоячей волны (КСВ) на фиде.

Рассмотрим полуволновой диполь, предназначенный для работы с сигналами с длиной волны 1 м, то есть антенна будет располагаться примерно на 50 см от наконечника до наконечника. Если отношение длины к диаметру элемента равно 1000, он будет иметь собственное сопротивление около 63 Ом. Используя соответствующий провод передачи или балун, мы подбираем это сопротивление, чтобы обеспечить m минимальное отражение сигнала. Для питания этой антеннытоком в 1 ампер потребуется 63 вольт, а антенна будет излучать радиочастотную мощность 63 Вт (без учета потерь). Теперь рассмотрим случай, когда на антенну подается сигнал с длиной волны 1,25 м; в этом случае ток, индуцированный сигналом, будет поступать в точку питания антенны в противофазе с сигналом, вызывая падение общего тока, в то время как напряжение остается прежним. Электрически это кажется очень высоким импедансом. Антенна и линия передачи больше не имеют одинакового импеданса, и сигнал будет отражаться обратно в антенну, уменьшая выходную мощность. Эту проблему можно решить, изменив систему согласования между антенной и линией передачи, но это решение хорошо работает только на новой проектной частоте.

Конечным результатом является то, что резонансная антенна будет эффективно подавать сигнал в линию передачи только тогда, когда частота сигнала источника близка к тактовой частоте антенны или к одному из резонансных кратных. Это делает конструкции резонансных антеннпо своей сути узкополосными: полезны только для небольшого диапазона частот, сосредоточенных вокруг резонанса (-ов).

Электрически короткие антенны

Типичная подвижная CB-антенна с центральной нагрузкой и нагрузочной катушкой

Можно использовать простые методы согласования импеданса, чтобы можно было использовать монопольный или дипольные антенны существенно короче длины волны / 4 или / 2 соответственно, на которой они являются резонансными. Поскольку эти антенны становятся короче (для заданной частоты), в их импедансе преобладает последовательное емкостное (отрицательное) реактивное сопротивление; путем добавления «нагрузочной катушки» подходящего размера - последовательной индуктивности с равным и противоположным (положительным) реактивным сопротивлением - емкостное реактивное сопротивление антенны может быть уменьшено, оставив только чистое сопротивление. Иногда результирующая (более низкая) электрическая резонансная частота такой системы (антенна плюс согласующая сеть) описывается с использованием концепции электрической длины, поэтому антенна, используемая на более низкой частоте, чем ее резонансная частота, называется электрически короткая антенна

Например, на частоте 30 МГц (длина волны 10 м) истинный резонансный монополь с длиной волны ⁄ 4 будет иметь длину почти 2,5 метра, а для использования антенны высотой всего 1,5 метра потребуется добавление загрузочной катушки. Тогда можно сказать, что катушка удлинила антенну, чтобы получить электрическую длину 2,5 метра. Однако результирующий достигнутый резистивный импеданс будет немного ниже, чем у истинного (резонансного) монополя ⁄ 4 волны, что часто требует дополнительного согласования импеданса (трансформатора) с желаемой линией передачи. Для все более коротких антенн (требующих большего «электрического удлинения») сопротивление излучения резко падает (примерно в соответствии с квадратом длины антенны), такчто рассогласование из-за чистого реактивного сопротивления вдали от электрического резонанса ухудшается. Или можно также сказать, что эквивалентный резонансный контур антенной системы имеет более высокую добротность и, следовательно, уменьшенную полосу пропускания, которая может даже стать недостаточной для спектра передаваемого сигнала. Резистивные потери из-за нагрузочной катушки по сравнению с уменьшенным сопротивлением излучения влечет за собой снижение электрического КПД, что может иметь большое значение для передающей антенны, но ширина полосы является основным фактором который устанавливает размер антенн на частотах 1 МГц и ниже.

Решетки и отражатели

Крышное телевидение Яги-Уда подобные антенны широко используются на частотах VHF и UHF.

Величина сигнала, принимаемого от удаленного источника передачи, по существу геометрическая по своей природе из-за закона обратных квадратов, и этоприводит к концепции эффективной площади. Он измеряет производительность антенны, сравнивая величину мощности, которую она генерирует, с величиной мощности в исходном сигнале, измеренной в терминах плотности мощности сигнала в ваттах на квадратный метр. Полуволновой диполь имеет эффективную площадь 0,13 λ 2 {\ displaystyle 0,13 \ lambda ^ {2}}{\ displaystyle 0.13 \ lambda ^ {2}} . Если требуется более высокая производительность, нельзя просто сделать антенну больше. Хотя это приведет к перехвату большего количества энергии из сигнала, из-за вышеизложенных соображений, это значительно снизит выходную мощность из-за того, что она удалится от резонансной длины. В ролях, где требуется более высокая производительность, дизайнеры часто используют несколько элементов, объединенных вместе.

Возвращаясь к основной концепции протекания тока в проводнике, рассмотрим, что произойдет, если полуволновой диполь не подсоединен к точке питания, а вместо этого закорочен. Электрически это образуетодин элемент с длиной волны ⁄ 2. Но общая текущая картина такая же; ток будет нулевым на двух концах и достигнет максимума в центре. Таким образом, сигналы, близкие к расчетной частоте, будут продолжать создавать структуру стоячей волны. Любой изменяющийся электрический ток, например стоячая волна в элементе, излучает сигнал. В этом случае, за исключением резистивных потерь в элементе, ретранслируемый сигнал будет в значительной степени похож на исходный сигнал как по величине, так и по форме. Если этот элемент расположен так, чтобы его сигнал достигал главного диполя в фазе, он усиливает исходный сигнал и увеличивает ток в диполе. Элементы, используемые таким образом, известны как «пассивные элементы».

A Массив Яги-Уда использует пассивные элементы для значительного увеличения прироста. Он построен вдоль стрелы поддержки, заострена к сигналу, и, таким образом, видит не индуцированный сигнал и не способствует работе антенны. Конец, расположенный ближе к источнику,называется передним. Рядом с задней частью находится единственный активный элемент, обычно полуволновой диполь или сложенный диполь. Спереди (директора) и позади (отражатели) активного элемента вдоль стрелы расположены пассивные элементы. Яги обладает присущим ему качеством: он становится все более направленным и, следовательно, имеет более высокий коэффициент усиления по мере увеличения количества элементов. Однако это также делает его более чувствительным к изменениям частоты; если частота сигнала изменяется, активный элемент не только получает меньше энергии напрямую, но и все пассивные элементы, добавляющие к этому сигналу, также уменьшают свой выходной сигнал, и их сигналы больше не достигают активного элемента в синфазе.

Также можно использовать несколько активных элементов и объединить их вместе с линиями передачи, чтобы создать аналогичную систему, в которой фазы складываются для усиления выхода. антенная решетка и очень похожая отражательная антеннаярешетка состоят из нескольких элементов, часто полуволновых диполей, разнесенных на плоскости и соединенных проводами вместе с линиями передачи с определенной длиной фазы для получения один синфазный сигнал на выходе. Логопериодическая антенна представляет собой более сложную конструкцию, в которой используются несколько линейных элементов, похожих на внешний вид Yagi-Uda, но с использованием линий передачи между элементами для получения выходного сигнала.

Отражение исходного сигнала также происходит, когда он попадает на протяженную проводящую поверхность, аналогично зеркалу. Этот эффект также можно использовать для увеличения сигнала за счет использования отражателя , который обычно размещается за активным элементом и разносится таким образом, чтобы отраженный сигнал достигал элемента синфазно. Как правило, отражатель остается хорошо отражающим, даже если он не сплошной; пробелы меньше ⁄ 10λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda обычно мало влияют на результат. По этой причине отражатели часто имеют форму проволочных сеток или рядов пассивных элементов, что делает их легче и менее подверженными эффектам ветровой нагрузки, что особенно важно при установке на больших высотах по отношению к окружающей среде. конструкции. Параболический отражатель, пожалуй, самый известный пример антенны на основе отражателя, эффективная площадь которой намного больше, чем у одного активного элемента.

Моделирование антенн с помощью линейных уравнений

Уравнения, управляющие протеканием тока в проволочных антеннах, идентичны уравнениям телеграфиста, поэтому сегменты антенны можно моделировать как два Кстати, одножильные линии электропередачи. Антенна разбита на несколько линейных сегментов, каждый из которых имеет примерно постоянные параметры первичной линии, R, L, C и G, и деление тока на каждом стыке на основе импеданса.

На конце антенного провода, импеданс линии передачи по существусигнал на приемник, использующий передатчик заданной мощности, нужно только сравнивать усиление различных антенн, а не учитывать также и эффективность. Это также верно для приемной антенны на очень высоких (особенно микроволновых) частотах, где цель состоит в том, чтобы получить сигнал, который является сильным по сравнению с температурой шума приемника. Однако в случае направленной антенны, используемой для приема сигналов с целью подавления помех с разных направлений, эффективность антенны больше не важна, как обсуждалось выше. В этом случае, вместо того, чтобы указывать усиление антенны, можно было бы больше беспокоиться о директивном усилении или просто направленности, которая не включает эффект (не) эффективности антенны. Директивное усиление антенны может быть вычислено путем деления опубликованного усиления на эффективность антенны. В форме уравнения усиление = направленность × эффективность.

Поляризация

поляризация антенны относится к ориентации электрического поля (E-плоскость ) радиоволны относительно поверхности Земли и определяется физической структурой антенны и ее ориентацией. Простая антенна с прямым проводом будет иметь одну поляризацию при вертикальной установке и другую поляризацию при горизонтальной установке.

Отражения обычно влияют на поляризацию. Радиоволны, отраженные от ионосферы, могут изменить поляризацию волны. Для передачи прямой видимости или распространения земной волны передачи с горизонтальной или вертикальной поляризацией обычно остаются примерно в том же состоянии поляризации в месте приема. Согласование поляризации приемной антенны с поляризацией передатчика может существенно повлиять на мощность принимаемого сигнала.

Поляризация предсказуема по геометрии антенны. Линейная поляризация антенны обычно проходит вдоль направления (если смотреть из места приема) антенных токов, если такое направление может быть определено. Например,вертикальная штыревая антенна будет передавать и принимать в вертикальной поляризации. Антенны с горизонтальными элементами поляризованы по горизонтали. Даже когда антенная система имеет вертикальную ориентацию, например массив горизонтальных дипольных антенн, поляризация находится в горизонтальном направлении, соответствующем току. Поляризация коммерческой антенны является важной спецификацией.

В наиболее общем случае поляризация эллиптическая, что означает, что поляризация радиоволн изменяется со временем. Двумя частными случаями являются линейная поляризация (эллипс схлопывается в линию), как обсуждалось выше, и круговая поляризация (в которой две оси эллипса равны). При линейной поляризации электрическое поле радиоволны колеблется взад и вперед в одном направлении. В круговой поляризации электрическое поле радиоволна вращается на радиочастоте по кругу вокруг оси распространения. Радиоволны с круговой или эллиптической поляризацией обозначаются как правосторонние или левосторонние с помощью правила «большой палец в направлении распространения». Для круговой поляризации исследователи-оптики используют правило правой руки , противоположное тому, которое используют радиоинженеры.

Лучше всего, чтобы приемная антенна соответствовала поляризации передаваемой волны для оптимального приема. Промежуточные соответствия потеряют некоторую мощность сигнала, но не настолько, насколько полное несовпадение. Антенна с круговой поляризацией может использоваться для одинакового соответствия вертикальной или горизонтальной линейной поляризации. Передача от антенны с круговой поляризацией, принимаемая антенной с линейной поляризацией, влечет за собой уменьшение отношения сигнал / шум на 3 дБ, поскольку принимаемая мощность уменьшается вдвое.

Согласование импеданса

Максимальная передача мощности требует согласования импеданса антенной системы (еслисмотреть на линию передачи) с комплексно-сопряженной импеданса приемника. или передатчик. Однако в случае передатчика желаемый согласующий импеданс может не соответствовать динамическому выходному сопротивлению передатчика, проанализированному как полное сопротивление источника, а скорее расчетному значению (обычно 50 Ом), необходимому для эффективного и безопасная работа передающей схемы. Предполагаемый импеданс обычно резистивный, но передатчик (и некоторые приемники) могут иметь дополнительные настройки, чтобы отменить определенную величину реактивного сопротивления, чтобы «настроить» соответствие. Когда между антенной и передатчиком (или приемником) используется линия передачи, обычно требуется антенная система, сопротивление которой является резистивным и близким к характеристическому сопротивлению этой линии передачи, чтобы минимизировать коэффициент стоячей волны (КСВ) и увеличение потерь в линии передачи, которое это влечет за собой, в дополнение к согласованию импеданса, ожидаемого передатчиком (или приемником).

Настройка антенны в контексте модификации самой антенны обычно относится только к отмене любого реактивного сопротивления, наблюдаемого на антенных выводах, оставляя только резистивный импеданс, который может или не может быть в точности желаемым импедансом ( линия передачи). Хотя антенна может быть спроектирована так, чтобы иметь чисто резистивный импеданс точки питания (например, диполь длиной 97% от половины длины волны), это может быть не совсем верно на той частоте, на которой она в конечном итоге будет использоваться. В некоторых случаях физическая длина антенны может быть «обрезана» для получения чистого сопротивления. С другой стороны, добавление последовательной индуктивности или параллельной емкости может использоваться для компенсации остаточной емкости или индуктивного реактивного сопротивления соответственно. Настройка антенны, используемая в контексте устройства согласованияимпеданса, называемого антенным тюнером, включает как удаление реактивного сопротивления, так и преобразование остаточного сопротивления. Создание сопротивления, чтобы соответствовать радио или фидерной линии.

В некоторых случаях это делается более экстремальным образом, не просто для устранения небольшого остаточного реактивного сопротивления, но для резонанса антенны, резонансная частота которой сильно отличается от предполагаемой рабочей частоты. Например, из практических соображений «штыревую антенну» можно сделать значительно короче, чем длина волны ⁄ 4, а затем резонировать с использованием так называемой загрузочной катушки. Этот физически большой индуктор в основании антенны имеет индуктивное реактивное сопротивление, которое противоположно емкостному реактивному сопротивлению, которое имеет короткая вертикальная антенна на желаемой рабочей частоте. Результатом является чистое сопротивление в точке питания загрузочной катушки; это сопротивление несколько ниже, чем хотелось бы, чтобы соответствовать коммерческому коаксиальному кабелю.

. Дополнительная проблема заключается в согласовании остаточного резистивного импеданса с характеристическим импедансом линии передачи. Обычная согласующая сеть (антенный тюнер или ATU) будет иметь как минимум два регулируемых элемента для коррекции обоих компонентов импеданса. Соответствующие сети будут иметь потери и ограничения мощности при использовании для передачи. Коммерческие антенны обычно проектируются таким образом, чтобы получить приблизительное соответствие со стандартными коаксиальными кабелями, просто используя согласующую сеть для «настройки» любого остаточного несоответствия. Антенны любого типа могут включать в себя симметричный резистор в своей точке питания для преобразования резистивной части импеданса для более близкого согласования с линией питания.

Другой крайний случай согласования импеданса происходит прииспользование небольшой рамочной антенны (обычно, но не всегда для приема) на относительно низкой частоте, где она выглядит почти как чистый индуктор. Резонирование такой катушки индуктивности с конденсатором на рабочей среде не только устраняет реактивное сопротивление, но увеличивает очень маленькое сопротивление такой петли. Это реализовано в большинстве радиовещательных AM-приемников с небольшой ферритовой рамочной антенной, резонирующей с конденсатором, который изменяется вместе с настройкой приемника для поддержания резонанса в диапазоне AM-вещания

Влияние земли

Отражения от земли - один из распространенных типов многолучевого распространения.

На диаграмму направленности и даже импеданс возбуждения антенны может влиять диэлектрическая проницаемость и особенно проводимость близлежащих объектов. Для наземной антенны земля обычно является одним из таких важных объектов. В этом случае важными могут быть высота антенны над землей, а также электрические свойства (диэлектрическая проницаемость и проводимость) земли. Кроме того, в частном случаеимметричной антенны земля (или искусственная земля ) служит обратным соединением для тока антенны, таким образом оказывая дополнительное влияние, особенно на импеданс, видимый фидерной линией.

Когда электромагнитная волна ударяется о плоскую поверхность, например землю, на высоте над землей (относительно длины волны) волны, зеркально отраженные от земли, распространяются на большее расстояние, чем прямые волны, вызывая фазовый сдвиг, который иногда может быть значительным. Когда такая антенна испускает небесную волну , этот фазовый сдвиг всегда значителен, если только антенна не расположена очень близко к земле (по сравнению с длиной волны).

Фаза отражения электромагнитных волн зависит от поляризации падающей волны. Учитывая больший показатель преломления th e земля (обычно n ≈ 2) по сравнению своздухом (n = 1), фаза горизонтально поляризованного излучения меняется на противоположную при отражении (фазовый сдвиг π {\ displaystyle \ scriptstyle {\ pi}}\ scriptstyle {\ pi} радиан или 180 °). С другой стороны, вертикальная составляющая электрического поля волны отражается под скользящими углами падения примерно синфазно. Эти фазовые сдвиги также применимы к земле, моделируемой как хороший электрический проводник.

Токи в антенне появляются как изображение в противофазе при отражении под скользящими углами. Это вызывает переворот фазы для волн, излучаемых горизонтально поляризованной антенной (слева), но не для вертикально поляризованной антенны (в центре).

Это означает, что приемная антенна «видит» изображение излучающей антенны, но с «перевернутым» изображением токи (противоположные по направлению / фазе), если излучающая антенна ориентирована горизонтально (и, следовательно, горизонтально поляризована). Однако принимаемый ток будет иметь одно и то же абсолютное направление / фазу, если излучающая антенна вертикально ориентирована / поляризована.

Реальная антенна, которая передает исходную волну, также может принимать сильный сигнал из своего собственного изображения с земли. Это вызовет дополнительный ток в антенном элементе, изменяя ток в точке питания для заданного напряжения в точке питания. Таким образом, импеданс антенны, определяемый отношением напряжения в точке питания к току, изменяется из-за близости антенны к земле. Это может быть весьма значительным эффектом, когда антенна находится в пределах одной или двух длин волн от земли. Но по мере увеличения высоты антенны уменьшенная мощность отраженной волны (из-за закона обратных квадратов ) позволяет антенне приблизиться к ее асимптотическому импедансу точки питания, заданному теоретически. На меньших высотах влияние на импеданс антенны очень чувствительно к точному расстоянию от земли, так как это влияет на фазу отраженной волны относительно токов в антенне. Изменение высотыантенны на кварту Затем длина волны изменяется на 180 °, что совершенно по-другому влияет на импеданс антенны.

Отражение от земли оказывает важное влияние на чистую дальнюю зону диаграмму направленности в вертикальной плоскости, то есть как функцию угла места, который, таким образом, различается между вертикальным и горизонтальным поляризованная антенна. Рассмотрим антенну на высоте h над землей, излучающую волну, рассматриваемую под углом места θ. Для передачи с вертикальной поляризацией величина электрического поля электромагнитной волны, создаваемой прямым и отраженным лучом, составляет:

| E V | = 2 | E 0 | | cos ⁡ (2 π h λ sin ⁡ θ) | {\ displaystyle \ textstyle {\ left | E_ {V} \ right | = 2 \ left | E_ {0} \ right | \, \ left | \ cos \ left ({2 \ pi h \ over \ lambda} \ sin \ theta \ right) \ right |}}\ textstyle { \ left | E_ {V} \ right | = 2 \ left | E_ {0} \ right | \, \ left | \ cos \ left ({2 \ pi h \ over \ lambda} \ sin \ thet a\right)\right|}

Таким образом, полученная мощность может быть в 4 раза выше, чем из-за одной только прямой волны (например, когда θ = 0), следуя квадрату косинуса. Вместо этого изменение знака для отражения горизонтально поляризованного излучения приводит к:

| E H | = 2 | E 0 | | sin ⁡ (2 π h λ sin ⁡ θ) | {\ displaystyle \ textstyle {\ left | E_ {H} \ right | = 2 \ left | E_ {0} \ right | \, \ left | \ sin \ left ({2 \ pi h \ over \ lambda} \ sin \ theta \ right) \ right |}}\textstyle {\left|E_{H}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\sin \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}

где:

  • E 0 {\ displaystyle \ scriptstyle {E_ {0}}}\ scriptstyle {E_ {0}} - электрическое поле, которое будет приниматься прямой волной если не было земли.
  • θ - угол места рассматриваемой волны.
  • λ {\ displaystyle \ scriptstyle {\ lambda}}\ scriptstyle {\ lambda} - длина волны.
  • h {\ displaystyle \ scriptstyle {h}}\scriptstyle {h}- высота антенны (половина расстояния между антенной и ее изображением).
Диаграммы направленности антенн и их изображения, отраженные от земли. Слева поляризация вертикальная, и всегда есть максимум для θ = 0 {\ displaystyle \ scriptstyle {\ theta = 0}}\scriptstyle {\theta =0}. Если поляризация горизонтальная, как показано справа, всегда есть ноль для θ= 0 Горизонтальная поляризация со стороны здания обычно меньше, чем в вертикальном направлении. В некоторых сельских районах используется вертикально поляризованное аналоговое телевидение. В цифровом наземном телевидении такие отражения менее проблематичны из-за устойчивости двоичных передач и исправления ошибок.

Взаимное сопротивление и взаимодействие между антеннами

Ток, циркулирующий в одной антенне, обычно вызывает напряжение на точках питания ближайших антенн или антенных элементов. Такое взаимодействие может сильно повлиять на работу группы антенн.

При определенной геометрии взаимный импеданс между соседними антеннами может быть равен нулю. Так обстоит дело, например, между скрещенными диполями, используемыми в антенне турникета.

Типы антенн

Антенны можно классифицировать по принципам работы или по их применению.

См. Также

Викискладе есть материалы, связанные с Антеннами.
Викиисточником есть исходный текст, относящийся к этой статье: Антенны
  • Радиопортал

Сноски

Ссылки

Словарь определения антенны на Викисловарь

Последняя правка сделана 2021-06-11 17:41:43
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте