Устойчивость к излучению

редактировать

Устойчивость к излучению - это часть точки питания антенны электрическое сопротивление что вызвано излучением электромагнитных волн от антенны. При радиопередаче к антенне подключается радиопередатчик. Передатчик генерирует радиочастоту переменный ток, который подается на антенну, и антенна излучает энергию переменного тока в виде радиоволн. Поскольку антенна поглощает энергию, излучаемую передатчиком, входные клеммы антенны оказывают сопротивление току передатчика. В отличие от других сопротивлений, обнаруживаемых в электрических цепях, сопротивление излучения не связано с противодействием (удельное сопротивление ) материала проводников антенны электрическому току; это виртуальное сопротивление из-за потери антенной энергии в виде радиоволн. Сопротивление излучения $RR {\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$ может быть определено как значение сопротивления, которое рассеивает такое же количество энергии, как и радиоволны, излучаемые антенной с входной ток антенны, проходящий через нее. Согласно закону Джоуля, он равен полной мощности $PR {\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$ ${\ Displaystyle P _ {\ текст {R}}}$ , излучаемой антенной в виде радиоволн, разделенной на квадрат действующего значения тока $I среднеквадратичного значения {\ displaystyle I _ {\ text {rms}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {rms}}}$ на клеммы антенны: $RR = PR / I rms 2 {\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P _ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P_ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$ .

Устойчивость к излучению определяется геометрией антенны и рабочим режимом частота. Общее сопротивление в точке питания на выводах антенны равно сопротивлению излучения плюс сопротивление потерь из-за омических потерь в антенне. В приемной антенне сопротивление излучения представляет собой сопротивление источника антенны, а часть принятой мощности радиосвязи, потребляемая сопротивлением излучения, представляет собой радиоволны, переизлучаемые (рассеянные) антенной.

Содержание

1 Причина
2 Радиационная стойкость и сопротивление потерь
3 Влияние точки питания
4 Приемные антенны
5 Радиационное сопротивление обычных антенн
- 5.1 Взаимосвязь монополей и диполей
6 Расчет
7 Маленькие антенны
8 Определение переменных
9 Примечания
10 Ссылки
11 См. Также

Причина

Электромагнитные волны излучаются электрическими зарядами когда они ускорены. В передающей антенне радиоволны генерируются изменяющимися во времени электрическими токами, состоящими из электронов, ускоряющихся, когда они движутся вперед и назад в металлической антенне, возбуждаемые электрическим полем из-за колебательного напряжения, приложенного к антенне радиопередатчиком. Электромагнитная волна уносит импульс от электрона, который ее испустил. Причиной радиационной стойкости является реакция излучения, сила отдачи на электрон, когда он испускает радиоволны фотон, что уменьшает его импульс. Это называется силой Абрахама – Лоренца. Сила отдачи направлена в направлении, противоположном электрическому полю в антенне, ускоряющему электрон, уменьшая среднюю скорость электронов при заданном управляющем напряжении, поэтому оно действует как сопротивление, противодействующее току.

Сопротивление излучения и сопротивление потерь

Сопротивление излучения является только частью сопротивления точки питания на выводах антенны. Антенна имеет другие потери энергии, которые проявляются как дополнительное сопротивление на выводах антенны; омическое сопротивление металлических элементов антенны, потери на землю из-за токов, наводимых в земле, и диэлектрические потери в изоляционных материалах. Общее сопротивление точки питания $R IN {\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$ равно сумме радиационной стойкости $RR {\ displaystyle R _ {\ text {R} }}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$ и сопротивление потерям $RL {\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$

R IN = RR + RL {\ displaystyle R _ {\ text {IN}} = R_ { \ text {R}} + R _ {\ text {L}}}

{\ displaystyle R _ {\ text {IN}} = R _ {\ text {R}} + R_ { \ текст {L}}}

Мощность $P IN {\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$ , подаваемая на антенну, разделяется пропорционально между этими двумя сопротивлениями.

P IN = I IN 2 (RR + RL) {\ displaystyle P _ {\ text {IN}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} (R _ {\ text { R}} + R _ {\ text {L}})}

{\ displaystyle P _ {\ text {IN}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} (R _ {\ text {R}} + R _ {\ text {L}})}

P IN = PR + PL {\ displaystyle P _ {\ text {IN}} = P _ {\ text {R}} + P _ {\ text {L }}}

{\ displaystyle P _ {\ text {IN}} = P _ {\ text {R}} + P _ {\ text {L}}}

где

PR = I IN 2 RR {\ displaystyle P _ {\ text {R}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} R _ {\ text {R}} \ quad }

{\ displaystyle P _ {\ text {R}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} R _ {\ text {R}} \ quad}

PL = I IN 2 RL {\ displaystyle \ quad P _ {\ text {L}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} R _ {\ text {L} }}

{\ displaystyle \ quad P _ {\ text {L}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} R _ {\ text {L}}}

Мощность $PR {\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$ ${\ Displaystyle P _ {\ текст {R}}}$ , потребляемая радиационной стойкостью, преобразуется в радиоволны, желаемую функцию антенны, в то время как t Энергия $P L {\ displaystyle P _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ text {L}}}$ , потребляемая сопротивлением потерь, преобразуется в тепло, что представляет собой потерю мощности передатчика. Поэтому для минимальной потери мощности желательно, чтобы сопротивление излучения было намного больше сопротивления потерь. Отношение сопротивления излучения к общему сопротивлению точки питания равно эффективности $η {\ displaystyle \ eta}$ $\ eta$ антенны.

η = PRP IN = RRRR + RL {\ displaystyle \ eta = {P _ {\ text {R}} \ over P _ {\ text {IN}}} = {R _ {\ text {R}} \ over R_ {\ text {R}} + R _ {\ text {L}}}}

{\ displaystyle \ eta = {P _ {\ text {R}} \ over P _ {\ text {IN}}} = {R _ {\ text {R}} \ над R _ {\ text {R}} + R _ {\ text {L}}}}

Для передачи максимальной мощности на антенну передатчик и фидер должны иметь импеданс, согласованный с антенной. Это означает, что фидер должен предоставлять антенне сопротивление, равное входному сопротивлению $R IN {\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$ и реактивному сопротивлению (емкость или индуктивность), равную реактивному сопротивлению антенны. Если эти импедансы не совпадают, антенна будет отражать часть мощности обратно к передатчику, поэтому не вся мощность будет излучаться. Сопротивление излучения антенны обычно является основной частью ее входного сопротивления, поэтому оно определяет, какое согласование импеданса необходимо и какие типы линии передачи будут хорошо согласованы с антенной.

Влияние точки питания

В резонансной антенне ток и напряжение образуют стоячие волны по длине антенного элемента, поэтому Величина тока в антенне изменяется синусоидально по ее длине. Точка питания , место, где прикрепляется линия питания от передатчика, может располагаться в разных точках вдоль элемента антенны. Поскольку радиационная стойкость зависит от входного тока, она зависит от точки питания. Он самый низкий для точек питания, расположенных в точке максимального тока (пучность ), и самый высокий для точек питания, расположенных в точке минимального тока, узел, например, в конце элемент (теоретически в бесконечно тонком антенном элементе сопротивление излучения бесконечно в узле, но конечная толщина реальных антенных элементов дает ему высокое, но конечное значение порядка тысяч Ом). Выбор точки питания иногда используется как удобный способ согласования импеданса антенны с ее линией питания путем присоединения линии питания к антенне в точке, в которой ее входное сопротивление равно характеристике . сопротивление фидерной линии.

Чтобы дать значимое значение для эффективности антенны, сопротивление излучения и сопротивление потерь должны относиться к одной и той же точке на антенне, обычно к входным клеммам. Радиационная стойкость обычно рассчитывается относительно максимального тока $I 0 {\ displaystyle I _ {\ text {0}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {0}}}$ в антенне. Если антенна запитана в точке максимального тока, как в обычном центральном полуволновом диполе или четвертьволновом монополе с базовым питанием, это значение $R R0 {\ displaystyle R _ {\ text {R0}}}$ ${\ displaystyle R_ {\ text {R0}}}$ - радиационная стойкость. Однако, если антенна получает питание в другой точке, эквивалентное сопротивление излучения в этой точке $R R1 {\ displaystyle R _ {\ text {R1}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ текст {R1}}}$ можно легко вычислить из отношения антенных токов

PR = I 0 2 R R0 = I 1 2 R R1 {\ displaystyle P _ {\ text {R}} = I _ {\ text {0}} ^ {2} R _ {\ text {R0}} = I_ {\ text {1}} ^ {2} R _ {\ text {R1}}}

{\ displaystyle P _ {\ text { R}} = I _ {\ text {0}} ^ {2} R _ {\ text {R0}} = I _ {\ text {1}} ^ {2} R _ {\ text {R1}}}

R R1 = (I 0 I 1) 2 R R0 {\ displaystyle R _ {\ text {R1}} = {\ Big (} {I _ {\ text {0}} \ over I _ {\ text {1}}} {\ Big)} ^ {2} R _ {\ text {R0}}}

{\ displaystyle R _ {\ text {R1}} = {\ Big (} {I _ {\ text {0}} \ over I _ {\ text {1}} } {\ Big)} ^ {2} R _ {\ text {R0}}}

Приемные антенны

В приемной антенне сопротивление излучения представляет собой сопротивление источника антенны как (эквивалента Тевенина ) источника энергии. Из-за электромагнитной взаимности антенна имеет такое же сопротивление излучению при приеме радиоволн, как и при передаче. Если антенна подключена к электрической нагрузке, такой как радиоприемник, мощность, полученная от радиоволн, падающих на антенну, делится пропорционально между сопротивлением излучения и сопротивлением потерь антенны и сопротивлением нагрузки. Мощность, рассеиваемая в сопротивлении излучения, возникает из-за переизлучения (рассеяния) антенной радиоволн. Максимальная мощность передается на приемник, когда его сопротивление согласовано с антенной. Если антенна работает без потерь, половина мощности, потребляемой антенной, передается приемнику, а другая половина переизлучается.

Сопротивление излучения обычных антенн


Антенна	Сопротивление излучения. Ом	Источник
Полуволновой диполь с центральным питанием	73,1	Kraus 1988 : 227, Balanis 2005 : 216
Короткий диполь длиной $λ / 50 < L < λ / 10 {\displaystyle \lambda /50$ ${\ displaystyle \ lambda / 50 <L <\ lambda / 10}$	$20 π 2 (L λ) 2 {\ displaystyle 20 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ { 2}}$ ${\ displaystyle 20 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2}}$	Kraus 1988 : 216, Balanis 2005 : 165,215
четвертьволновой монополь с питанием от базы. над идеально проводящей землей	36,5	Balanis 2005 : 217, Stutzman Thiele 2012 : 80
Короткий монополь длиной $L ≪ λ / 4 {\ displaystyle L \ ll \ lambda / 4}$ ${\ displaystyle L \ ll \ lambda / 4}$ . над идеально проводящей землей	$40 π 2 (L λ) 2 {\ displaystyle 40 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2}}$ ${ \ displaystyle 40 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2}}$	Stutzman Thiele 2012 : 78–80
Резонансная рамочная антенна, 1 $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ окружность	~ 100	Weston 2017 : 15, Schmitt 2002 : 236
Маленькая петля области $A {\ displaystyle A}$ $A$ с $N {\ displaystyle N}$ $N$ витками. (окружность $≪ λ / 3 {\ displaystyle \ ll \ lambda / 3}$ ${\ displaystyle \ ll \ lambda / 3}$ )	$320 π 4 (NA λ 2) 2 {\ displaystyle 320 \ pi ^ {4} {\ Big (} {NA \ over \ lambda ^ {2}} {\ Big)} ^ {2}}$ ${\ displaystyle 320 \ pi ^ {4} {\ Big (} {NA \ over \ lambda ^ {2}} {\ Большой)} ^ {2}}$	Краус 1988 : 251, Balanis 2005 : 238
Маленькая петля площадью $A {\ displaystyle A}$ $A$ с $N {\ displaystyle N}$ $N$ витками. на ферритовом сердечнике с эффективной относительной проницаемостью $μ eff {\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$	$320 π 4 (μ eff NA λ 2) 2 {\ displaystyle 320 \ pi ^ {4 } {\ Big (} {\ mu _ {\ text {eff}} NA \ over \ lambda ^ {2}} {\ Big)} ^ {2}}$ ${\ displaystyle 320 \ pi ^ {4} {\ Big (} {\ mu _ {\ text { eff}} NA \ over \ lambda ^ {2}} {\ Big)} ^ {2}}$	Краус 1988 : 259, Миллиган 2005 : 260

На приведенных выше рисунках предполагается, что антенна сделана из тонких проводников и что дипольные антенны расположены достаточно далеко от земли или заземленных конструкций.

Сопротивление излучения полуволнового диполя , равное 73 Ом, достаточно близко к характеристическому импедансу обычного 50- и 75-омного коаксиального кабеля что его обычно можно запитать напрямую без необходимости согласования импеданса сети. Это одна из причин широкого использования полуволнового диполя в качестве управляемого элемента в антеннах.

Взаимосвязь монополей и диполей

Сопротивление излучения монопольной антенны Созданное заменой одной стороны дипольной антенны перпендикулярной заземляющей пластиной, составляет половину сопротивления исходной дипольной антенны. Это связано с тем, что монополь излучает только половину пространства, пространства над плоскостью, поэтому диаграмма направленности идентична половине диаграммы направленности диполя и, следовательно, при том же входном токе он излучает только половину мощности. Это не очевидно из формул в таблице, поскольку производная несимметричная антенна составляет только половину длины исходной дипольной антенны. Это можно показать, вычислив радиационное сопротивление короткого монополя, равного половине длины диполя

RR = 40 π 2 (L / 2 λ) 2 = 10 π 2 (L λ) 2 {\ displaystyle R _ {\ текст {R}} = 40 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L / 2 \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} = 10 \ pi ^ {2} {\ Big (} { L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} \ qquad}

{\ displaystyle R _ {\ text {R}} = 40 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L / 2 \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} = 10 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} \ qquad}

(монополь длины L / 2)

Сравнение этого с формулой для короткого диполя показывает, что у монополя половина радиационная стойкость

RR = 20 π 2 (L λ) 2 {\ displaystyle R _ {\ text {R}} = 20 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big) } ^ {2} \ qquad \ qquad \ qquad}

{\ displaystyle R _ {\ text {R}} = 20 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} \ qquad \ qquad \ qquad}

(диполь длиной L)

Расчет

Расчет радиационного сопротивления антенны непосредственно по силе реакции на электроны очень сложно и представляет собой концептуальные трудности в учете силы самодействия электрона. Сопротивление излучения вместо этого рассчитывается путем вычисления дальнего поля диаграммы направленности антенны, потока мощности (вектор Пойнтинга ) под каждым углом для данной антенны. текущий. Он интегрирован по сфере, окружающей антенну, чтобы дать полную мощность $P R {\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$ ${\ Displaystyle P _ {\ текст {R}}}$ , излучаемую антенной. Затем радиационная стойкость рассчитывается на основе мощности посредством сохранения энергии, поскольку антенна должна оказывать сопротивление входному току, чтобы поглощать излучаемую мощность от передатчика, с использованием закона Джоуля $RR = PR / I rms 2 {\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P _ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P_ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$

Маленькие антенны

Электрически короткие антенны, антенны с длиной намного меньше, чем длина волны, создают плохие передающие антенны, поскольку они не могут получать эффективное питание из-за их низкой радиационной стойкости. Как видно из вышеприведенной таблицы, для антенн короче их основной резонансной длины ( $λ / 2 {\ displaystyle \ lambda / 2}$ $\ lambda / 2$ для дипольной антенны $λ / 4 { \ displaystyle \ lambda / 4}$ $\ lambda / 4$ для монополя, окружность $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ для петли) сопротивление излучения уменьшается пропорционально квадрату их длины. При уменьшении длины сопротивление потерь, которое последовательно с сопротивлением излучения, составляет большую часть сопротивления точки питания, поэтому оно потребляет большую часть мощности передатчика, вызывая снижение эффективности антенны.

Например, военно-морские силы используют радиоволны около 15–30 кГц в диапазоне очень низких частот (VLF) для связи с подводными лодками. Радиоволна 15 кГц имеет длину волны 20 км. В мощных морских береговых передатчиках VLF, которые передают сигнал на подводные лодки, используются большие несимметричные мачтовые антенны, высота которых ограничена стоимостью строительства и составляет около 300 метров (980 футов). Хотя по обычным стандартам это высокие антенны, на частоте 15 кГц это всего лишь около 0,015 длины волны, поэтому антенны ОНЧ электрически короткие. Из таблицы a.015 $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ монопольная антенна имеет сопротивление излучения около 0,09 Ом. Снизить сопротивление потерь антенны до этого уровня крайне сложно. Поскольку омическое сопротивление огромной системы заземления и нагрузочной катушки нельзя сделать ниже примерно 0,5 Ом, эффективность простой вертикальной антенны ниже 20%, то есть более 80%. мощности передатчика теряется в сопротивлении заземления. Для увеличения радиационной стойкости в ОНЧ-передатчиках используются огромные емкостные антенны с верхней загрузкой, такие как зонтичные антенны и плоские антенны, в которых воздушная сеть из горизонтальных проводов прикреплена к верхней части вертикальный радиатор, чтобы сделать «пластину конденсатора» на землю, чтобы увеличить ток в вертикальном радиаторе. Однако это может повысить эффективность максимум до 50-70%.

Маленькие приемные антенны, такие как ферритовые рамочные антенны, используемые в радиоприемниках AM, также имеют низкую радиационную стойкость и, следовательно, дают очень низкий выходной сигнал. Однако на частотах ниже 30 МГц это не проблема, так как слабый сигнал от антенны можно просто усилить в приемнике.

На частотах ниже 1 МГц размер обычных электрических цепей настолько меньше длины волны, что, если их рассматривать как антенны, они излучают незначительную часть мощности в них как радиоволны. Это объясняет, почему электрические цепи можно использовать с переменным током без потери энергии в виде радиоволн.

Определение переменных

Символ	Единица	Определение
$λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$	метр	Длина волны радио волны
$π {\ displaystyle \ pi}$ $\ pi$	none	Constant = 3,14159
$μ eff {\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$	none	Эффективная относительная проницаемость ферритового стержня в антенне
$A {\ displaystyle A}$ $A$	meter	Площадь поперечного сечения рамочной антенны
$f {\ displaystyle f }$ $е$	Гц	Частота радиоволн
$I IN {\ displaystyle I _ {\ text {IN}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {IN}}}$	ампер	Среднеквадратичный ток на клеммах антенны
$I 0 { \ displaystyle I _ {\ text {0}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {0}}}$	ампер	Максимальный среднеквадратичный ток в элементе антенны
$I 1 {\ displaystyle I _ {\ text {1}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {1}}}$	ампер	Среднеквадратичный ток в произвольной точке антенного элемента
$L {\ displaystyle L}$ $L$	meter	Длина антенны
$N {\ displaystyle N}$ $N$	нет	Количество витков в рамочной антенне
$P IN {\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$	ватт	Электроэнергия, подаваемая на антенные клеммы
$PR {\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$ ${\ Displaystyle P _ {\ текст {R}}}$	watt	Мощность, излучаемая антенной в виде радиоволн
$PL {\ displaystyle P_ { \ text {L}}}$ ${\ displaystyle P _ {\ text {L}}}$	watt	Мощность, потребляемая в сопротивлении потерь антенны
$RR {\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$	Ом	Сопротивление излучения антенна
$RL {\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$	ohm	Эквивалентное сопротивление потерь антенны на входных клеммах
$R IN {\ displaystyle R _ {\ text {IN} }}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$	ohm	Входное сопротивление антенны
$R R0 {\ displaystyle R _ {\ text {R0}}}$ ${\ displaystyle R_ {\ text {R0}}}$	ohm	Сопротивление излучения в точке максимального тока в антенне
$R R1 {\ displaystyle R _ {\ text {R1}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ текст {R1}}}$	ohm	Сопротивление излучения в произвольной точке антенны

Примечания

Ссылки

Фейнман, Ричард П.; Лейтон, Роберт Б.; Пески, Мэтью (1963). Лекции Фейнмана по физике, Vol. Я. Эддисон-Уэсли. п. 32.1. ISBN 9780465040858.
Баланис, Константин А. (2005). Теория антенн: анализ и проектирование, 3-е изд.. Джон Уайли и сыновья. ISBN 047166782X.
Краус, Джон Д. (1988). Антенны, 2-е изд.. Тата МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-463219-1.
Миллиган, Томас А. (2005). Современный дизайн антенн, 2-е изд.. Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780471457763.
Шмитт, Рон (2002). Электромагнитные объяснения: Справочник по беспроводным радиочастотам, ЭМС и высокоскоростной электронике. Newnes. ISBN 9780750674034.
Stutzman, Warren L.; Тиле, Гэри А. (2012). Теория и конструкция антенн. Джон Вили. ISBN 9780470576649.
Уэстон, Дэвид (2017). Электромагнитная совместимость: принципы и приложения, 2-е изд.. CRC Press. ISBN 9781351830492.

См. Также