В радиотехнике , антенна или антенна представляет собой интерфейс между радиоволн , распространяющихся в пространстве и электрических токов , движущихся в металлических проводников, используемых с передатчиком или приемником . [1] При передаче радиопередатчик подает электрический ток на клеммы антенны, и антенна излучает энергию тока в виде электромагнитных волн (радиоволн). При приеме антенна улавливает часть мощности радиоволны, чтобы произвести электрический ток на ее выводах, который подается на приемник для усиления.. Антенны - важные компоненты всего радиооборудования .
Антенна - это массив проводников ( элементов ), электрически связанных с приемником или передатчиком. Антенны могут быть спроектированы для передачи и приема радиоволн во всех горизонтальных направлениях одинаково ( всенаправленные антенны ) или, предпочтительно, в определенном направлении ( направленные антенны, антенны с высоким коэффициентом усиления или «луч»). Антенна может включать в себя компоненты, не связанные с передатчиком, параболические отражатели , рупоры или паразитные элементы , которые служат для направления радиоволн в луч или другую желаемую диаграмму направленности .
Первые антенны были построены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем в его новаторских экспериментах, чтобы доказать существование волн, предсказанных электромагнитной теорией Джеймса Клерка Максвелла . Герц разместил дипольные антенны в фокусе параболических отражателей как для передачи, так и для приема. [2] Начиная с 1895 года, Гульельмо Маркони начал разработку антенн для беспроводного телеграфирования на большие расстояния, за что получил Нобелевскую премию. [3]
Терминология
Слова антенна и антенна используются как синонимы. Иногда эквивалентный термин «антенна» используется специально для обозначения приподнятой горизонтальной проволочной антенны. Происхождение слова антенна по отношению к беспроводному устройству приписывается итальянскому пионеру радио Гульельмо Маркони . Летом 1895 года Маркони начал тестировать свою беспроводную систему на открытом воздухе в поместье своего отца недалеко от Болоньи и вскоре начал экспериментировать с длинными проводными «антеннами», подвешенными к столбу. [3] По- итальянски столб для палатки известен как центральная антенна , а столб с проводом назывался просто антенной . До этого беспроводные излучающие передающие и принимающие элементы были известны просто как «терминалы». Из-за его известности использование слова антенна Маркони распространилось среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а затем и среди широкой публики. [4] [5] [6]
Антенна может в широком смысле относиться ко всей сборке, включая опорную конструкцию, корпус (если есть) и т. Д., В дополнение к фактическим функциональным компонентам. 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 требуются от любого радиоприемника или передатчика для связи своего электрического соединения с электромагнитным полем. [8] Радио волны электромагнитные волны , несущие сигналы по воздуху (или через пространство) при скорости света почти без потерь передачи .
Антенны можно классифицировать как всенаправленные , излучающие энергию примерно одинаково во всех направлениях, или направленные , когда энергия излучается больше в одном направлении, чем в других. (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 в направлениях, параллельных проводнику; эта область называется нулевой антенной.
Дипольная антенна, которая является основой для большинства конструкций антенн, представляет собой сбалансированный компонент с равными, но противоположными напряжениями и токами, приложенными к двум его клеммам. Вертикальная антенна представляет собой несимметричную антенну, не сбалансированную 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.
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, которое 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 являются электрически « пассивными » устройствами, которые сохраняют общую мощность, и нет увеличения общей мощности по сравнению с мощностью, получаемой от источника питания (передатчика), только улучшенное распределение этой фиксированной общей мощности.
Фазированная антенная решетка , состоит из двух или более простых антенн , которые соединены друг с другом через электрическую сеть. Это часто связано с несколькими параллельными дипольными антеннами с определенным разносом. 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» (направленная вдоль линии, соединяющей элементы) элементы). Антенные решетки могут использовать любой базовый (всенаправленный или слабонаправленный) тип антенны, например дипольные, рамочные или щелевые антенны. Эти элементы часто идентичны.
Логопериодический дипольный массив состоит из ряда дипольных элементов различной длины, чтобы получить несколько направленной антенну , имеющую чрезвычайно широкую полосу пропускания. Все составляющие его дипольные антенны считаются «активными элементами», поскольку все они электрически соединены вместе (и с линией передачи). Волновой канал (или просто «Яги»), имеет только один дипольный элемент с электрическим соединением; другие паразитные элементы взаимодействуют с электромагнитным 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 помощью таких методов формирования луча, 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 [9], и они будут занимать большие площади земли. Для приема длинная антенна Бевереджа может иметь значительную направленность. Для ненаправленного портативного использования хорошо работает короткая вертикальная антенна или малая рамочная антенна , при этом основной проблемой проектирования является согласование импеданса . С вертикальной антенной можно использовать нагрузочную катушку в основании антенны для подавления реактивной составляющей импеданса ; Для этого в небольших рамочных антеннах используются параллельные конденсаторы.
Подвод антенны - это линия передачи или фидерная линия , которая соединяет антенну с передатчиком или приемником. « Подвод антенны » может относиться ко всем компонентам, соединяющим антенну с передатчиком или приемником, таким как сеть согласования импеданса в дополнение к линии передачи. 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 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 .
Антенны противовес или горизонтальная плоскость , представляет собой структуру из проводящего материала , который улучшает или заменители земли. 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, например к экрану коаксиального кабеля .
Рефрактор электромагнитной волны в некоторых апертурных антеннах представляет собой компонент, который из-за своей формы и положения выполняет функцию выборочной задержки или опережения частей фронта электромагнитной волны, проходящего через него. Рефрактор изменяет пространственные характеристики волны с одной стороны относительно другой. Он может, например, сфокусировать волну или изменить фронт волны другими способами, как правило, чтобы максимизировать направленность антенной системы. Это радиоэквивалент оптического объектива .
Сеть Антенны является пассивной сетью ( как правило , сочетания индуктивных и емкостных элементов схемы) , используемой 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 ли антенна или принимает ее . [10] [11] Например, « диаграмма направленности » (чувствительность как функция направления) антенны, когда она используется для приема, идентична диаграмме направленности антенны, когда она приводится в действие, и функционирует как излучатель. Это следствие теоремы взаимности электромагнетизма. [11] Таким образом, при обсуждении свойств антенны обычно не делается различия между терминологией приема и передачи, и антенна может рассматриваться либо как передающая, либо как принимающая, в зависимости от того, что более удобно.
Необходимым условием 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 . [10] [11] Их можно использовать для придания антенне другого поведения при приеме, чем при передаче, [10] что может быть полезно в таких приложениях, как радар .
Резонансные антенны
Большинство конструкций антенн основано на принципе 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 соединен с линией передачи . Проводник или элемент выровнен с электрическим полем полезного сигнала, что обычно означает, что он перпендикулярен линии от антенны к источнику (или приемнику в случае широковещательной антенны). [12]
Электрическая составляющая радиосигнала индуцирует напряжение в проводнике. Это заставляет электрический ток течь в направлении мгновенного поля сигнала. Когда результирующий ток достигает конца проводника, он отражается, что эквивалентно изменению фазы на 180 градусов. Если проводник 1 / 4 длины волны длиной, ток от точки подачи будет проходить 90 градусов изменения фазы к тому времени , когда он достигает конца проводника, отражают на 180 градусов, а потом еще на 90 градусов , как он перемещается назад. 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 в проводнике стоячую волну с максимальным током на фиде. [13]
Обычный полуволновой диполь , вероятно, является наиболее широко используемой конструкцией антенны. Он состоит из двух 1 / 4 длины волны элементы расположены конец-к-концу, и лежащий вдольсуществу ту же ось (или коллинеарных ), каждый подающий одну сторону провода передачи двух проводников. Физическое расположение двух элементов сдвигает их по фазе на 180 градусов, что означает, что в любой момент один из элементов пропускает ток в линию передачи, в то время как другой вытаскивает его. Монополь антенны ,существуодна половина полуволнового диполя, один 1 / 4 длины волны элемент с другой стороны соединен с землей или эквивалентной плоскости земли (или противовеса ). Монополи, которые составляют половину размера диполя, являются обычным явлением для длинноволновых радиосигналов, где диполь был бы непрактично большим. Другой распространенной конструкцией является сложенный 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 желаемой диаграммой направленности на проектной рабочей частоте f o , и антенны обычно проектируются для этого размера. Однако, подавая на этот элемент 3 f 0 (длина волны которого равна 1 / 3 , что из й о ) также приведет к стоячей волновой картине. Таким образом, антенный элемент также являетсярезонансным, когда его длина составляет 3 / 4 длины волны. Это верно для всех нечетных кратных 1 / 4 длины волны. Это обеспечивает некоторую гибкость конструкции с точки зрения длины антенны и точек питания. Известно, что антенны, используемые таким образом, работают в гармоническом режиме . [14] Резонансные антенны обычно используют линейный проводник (или элемент ) или пару таких элементов, каждый из которых составляет около четверти длины 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 ( УВЧ , микроволны ), компромисс с производительностью для получения меньшего физического размера обычно не требуется.
Распределение тока и напряжения
Четвертьволновые элементы имитируют последовательно резонансный электрический элемент из-за стоячей волны, присутствующей 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 обеспечивает 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 сопротивления излучения 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 тот же импеданс, что и ее точка подключения на антенне, в противном случае часть сигнала будет отражаться назад в корпус антенны; аналогичным образом часть мощности сигнала передатчика будет отражаться обратно в передатчик, если произойдет изменение электрического импеданса в месте соединения фидерной линии с антенной. Это приводит к концепции согласования импеданса , конструкции всей системы антенны и линии передачи, чтобы импеданс был как можно более близким, тем самым уменьшая эти потери. Согласование импеданса выполняется схемой, называемой антенным тюнером или схемой согласования импеданса между передатчиком и антенной. Согласование импеданса между фидером и антенной измеряется параметром, называемым коэффициентом стоячей волны (КСВ) на фиде.
Рассмотрим полуволновой диполь, предназначенный для работы с сигналами с длиной волны 1 м, что означает, что длина антенны будет примерно 50 см от наконечника до наконечника. Если отношение длины элемента к диаметру равно 1000, он будет иметь собственное сопротивление около 63 Ом. Используя соответствующий провод передачи или балун, мы подбираем это сопротивление, чтобы обеспечить минимальное отражение сигнала. Для питания этой антенны током в 1 Ампер потребуется 63 Вольт, а антенна будет излучать 63 Вт (без учета потерь) радиочастотной мощности. 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 проектной частоты антенны или одному из резонансных кратных. Это делает конструкции резонансных антенн узкополосными по своей природе: полезны только для небольшого диапазона частот, сосредоточенных вокруг резонанса (-ов).
Электрически короткие антенны
Можно использовать простые методы согласования импеданса , позволяющие использовать монопольные или дипольные антенны значительно короче, чем 1 ⁄ 4 или 1 ⁄ 2 длины волны, соответственно, на которой они являются резонансными. Поскольку эти антенны становятся короче (для данной 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 короткой антенной [15]
Например, на частоте 30 МГц (длина волны 10 м) истинный резонансный 1 / 4 длины волны монополь будет почти2,5 метрадлину, ипомощью антенны всего 1,5 метра потребовалось бы добавление нагрузки катушки. Тогда можно сказать, что катушка удлинила антенну, чтобы получить электрическую длину 2,5 метра. Однако результирующий резистивный импеданс будет немного ниже, чем у истинного. 1 / 4- волновой (резонансный) монополь, часто требующий дополнительного согласования импеданса (трансформатор) с желаемой линией передачи. Для все более коротких антенн (требующих большего «электрического удлинения») сопротивление излучения резко падает (примерно в соответствии с квадратом длины антенны), так что 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 [15], которая может даже стать неадекватной для спектра передаваемого сигнала. Резистивные потери из-за нагрузочной катушки по сравнению с уменьшенным сопротивлением излучения приводят к снижению электрического КПД , что может иметь большое значение для передающей антенны, но полоса пропускания является основным фактором [ сомнительно ] [ сомнительно ], который устанавливает размер антенн на частотах 1 МГц и ниже.
Массивы и отражатели
Количество сигнала, полученного от удаленного источника передачи, имеет геометрическую природу из -за закона обратных квадратов , и это приводит к концепции эффективной площади . Это измеряет производительность антенны путем сравнения количества мощности он генерирует на количество энергии в исходном сигнале, измеренном с точкой зрения плотности мощности Сигнала в ваттах на квадратный метр. Полуволновой диполь имеет эффективную площадь. Если требуется более высокая производительность, нельзя просто сделать антенну больше. Хотя это приведет к перехвату большей энергии из сигнала, из-за вышеизложенных соображений, это значительно снизит выходную мощность из-за того, что он уйдет 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 будет подключен к точке питания, а вместо этого закорочен. Электрически это образует единый 1 / 2 длины волны элемент. 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, помимо 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. Используемые таким образом элементы известны как « пассивные элементы ».
В массиве Яги-Уда используются пассивные элементы для значительного увеличения усиления. Он построен вдоль опорной балки, которая направлена в сторону сигнала, поэтому не видит наведенного сигнала и не влияет на работу антенны. Конец, расположенный ближе к источнику, называется передним. Рядом с задней частью находится один активный элемент, обычно полуволновой диполь или сложенный диполь. Спереди ( направляющие ) 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, не только активный элемент 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 похожа отражательная антенная решетка состоят из нескольких элементов, часто полуволновые диполи, расположенные на плоскости и соединены вместе с линиями передачи с определенной длиной фазы для получения одного сигнала в синфазном на выходе. Логопериодическая антенна является более сложной конструкцией , которая использует несколько элементов-линию , аналогичных по внешнему виду к Яге-Уде , но с использованием линии передачи между элементами для получения выходного сигнала.
Отражение исходного сигнала также происходит, когда он попадает на протяженную проводящую поверхность, подобно зеркалу. Этот эффект также можно использовать для увеличения сигнала за счет использования отражателя , который обычно размещается за активным элементом и разнесен таким образом, чтобы отраженный сигнал достигал элемента синфазно. Как правило, отражатель остается хорошо отражающим, даже если он не сплошной; зазоры меньше чем 1 ⁄ 10 как правило, мало влияют на результат. По этой причине отражатели часто имеют форму проволочных сеток или рядов пассивных элементов, что делает их легче и менее подверженными воздействию ветровой нагрузки , что особенно важно при установке на более высоких отметках по отношению к окружающим конструкциям. Параболический отражатель , возможно , является лучшим известным примером отражателя на основе антенны, которая имеет эффективную площадь гораздо больше , чем один активный элемент.
Моделирование антенн с помощью линейных уравнений
Уравнения , определяющие протекание тока в проволочных антеннах идентичны телеграфные уравнения , [16] : 7-10 [17] : 232 , так антенна сегменты могут быть смоделированы как двусторонние, одножильные линии передач. Антенны разбивается на несколько сегментов линии, причем каждый сегмент имеет примерно постоянные параметры основной линии, R , L , С , и G , и ток разделительные на каждом перекрестке на основе импеданса. [а]
На конце антенного провода импеданс линии передачи по существу бесконечен (эквивалентно, полная проводимость почти равна нулю), и волна, вводимая в точку питания, меняет направление на противоположное, возвращаясь к точке питания. Комбинация перекрывающихся противоположно направленных волн образует знакомые стоячие волны, которые наиболее часто используются при практическом изготовлении антенн. Кроме того, частичные отражения возникают внутри антенны там, где существует несовпадающий импеданс на стыке двух или более элементов, и эти отраженные волны также вносят вклад в стоячие волны по длине провода (проводов). [16] [17] Когда антенна находится в резонансе, стоячие волны фиксируются; в нерезонансном состоянии волны тока и напряжения дрейфуют друг относительно друга, всегда с нулевым током на наконечнике, но в остальном со сложными фазовыми соотношениями, которые смещаются вдоль провода со временем.
Характеристики
Антенны усиления мощности (или просто «получить») также учитывает эффективность антенны, и часто является основным показателем качества. Антенны характеризуются рядом критериев эффективности, которые потребуются пользователю при выборе или проектировании антенны для конкретного приложения. График характеристик направленности в пространстве, окружающем антенну, представляет собой ее диаграмму направленности .
Пропускная способность
Частотный диапазон или полоса пропускания, в которых антенна хорошо работает, может быть очень широким (как в логопериодической антенне) или узким (как в маленькой рамочной антенне); вне этого диапазона импеданс антенны становится плохо согласованным с линией передачи и передатчиком (или приемником). Использование антенны на значительном удалении от расчетной частоты влияет на диаграмму направленности антенны, уменьшая ее направленное усиление.
Обычно антенна не будет иметь импеданс точки питания, который соответствует сопротивлению линии передачи; согласующая сеть между антенными терминалами и линией передачи улучшит передачу мощности на антенну. Нерегулируемая согласующая сеть, скорее всего, еще больше ограничит используемую полосу пропускания антенной системы. Для изготовления антенны может оказаться желательным использование трубчатых элементов вместо тонких проводов; это позволит увеличить пропускную способность. Или несколько тонких проволок можно сгруппировать в клетку, чтобы имитировать более толстый элемент. Это расширяет полосу резонанса.
Любительские радиоантенны, которые работают в нескольких полосах частот, которые сильно разнесены друг от друга, могут соединять элементы, резонирующие на этих разных частотах, параллельно. Большая часть мощности передатчика будет течь в резонансный элемент, в то время как остальные будут иметь высокий импеданс. Другое решение использует ловушки , параллельные резонансные цепи, которые стратегически размещаются в разрывах, образованных в длинных элементах антенны. Когда ловушка используется на определенной резонансной частоте ловушки, она имеет очень высокий импеданс (параллельный резонанс), эффективно усекая элемент в месте расположения ловушки; при правильном расположении усеченный элемент создает правильную резонансную антенну на частоте ловушки. На существенно более высоких или более низких частотах ловушка позволяет использовать всю длину сломанного элемента, но с резонансной частотой, смещенной на результирующее реактивное сопротивление, добавленное ловушкой.
Характеристики ширины полосы резонансного антенного элемента могут быть охарактеризованы в соответствии с его Q, где задействованное сопротивление является сопротивлением излучения , которое представляет собой излучение энергии резонансной антенной в свободное пространство.
Q узкой полосы антенны может достигать 15. С другой стороны, реактивное сопротивление в то же офф-резонансной частоте одного с использованием толстых элементов значительно меньше, следовательно , приводит к Q , как низко как 5. Эти две антенны может работать эквивалентно на резонансной частоте, но вторая антенна будет работать в полосе пропускания, в 3 раза большей, чем антенна, состоящая из тонкого проводника.
Антенны для использования в гораздо более широких частотных диапазонах достигаются с помощью дополнительных методов. Настройка согласующей сети, в принципе, может позволить согласовать любую антенну на любой частоте. Таким образом, малая рамочная антенна, встроенная в большинство приемников AM-вещания (средние волны), имеет очень узкую полосу пропускания, но настраивается с использованием параллельной емкости, которая регулируется в соответствии с настройкой приемника. С другой стороны, логопериодические антенны не являются резонансными на любой частоте, но могут быть построены для достижения аналогичных характеристик (включая импеданс точки питания) в любом частотном диапазоне. Поэтому они обычно используются (в виде направленных логопериодических дипольных решеток ) в качестве телевизионных антенн.
Прирост
Коэффициент усиления является параметром , который измеряет степень направленности антенны в диаграмме направленности . Антенна с высоким коэффициентом усиления будет излучать большую часть своей мощности в определенном направлении, а антенна с низким коэффициентом усиления будет излучать под большим углом. Усиление антенны , или коэффициент усиления мощности антенны определяется как отношение интенсивности (мощности на единицу площади поверхности) излучается антенной в направлении ее максимальной мощности на произвольном расстоянии, деленное на интенсивность излучается на одинаковом расстоянии гипотетической изотропной антенной, которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Это безразмерное соотношение обычно выражается логарифмически в децибелах , эти единицы называются «децибел-изотропными» (дБи).
Вторая единица измерения усиления - это отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, излучаемой полуволновой дипольной антенной.; эти единицы называются «децибел-диполь» (дБд).
Поскольку усиление полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, а логарифм произведения является аддитивным, усиление в дБи всего на 2,15 децибела больше, чем усиление в дБд.
Антенны с высоким коэффициентом усиления обладают преимуществом большей дальности действия и лучшего качества сигнала, но их необходимо тщательно направлять на другую антенну. Примером антенны с высоким коэффициентом усиления является параболическая антенна, такая как антенна спутникового телевидения . Антенны с низким коэффициентом усиления имеют меньшую дальность действия, но ориентация антенны относительно не важна. Примером антенны с низким коэффициентом усиления является штыревая антенна портативных радиостанций и беспроводных телефонов . Усиление антенны не следует путать с усилением усилителя , отдельным параметром, измеряющим увеличение мощности сигнала из-за устройства усиления, размещенного на входе системы, такого как малошумящий усилитель .
Эффективная площадь или апертура
Эффективная площадь или эффективная апертура приемной антенны выражает часть мощности попутной электромагнитной волны, антенна обеспечивает его терминалы, выраженные в терминах эквивалентной площади. Например, если радиоволна, проходящая через заданное место, имеет поток 1 пВт / м 2 (10 -12 Вт на квадратный метр), а антенна имеет эффективную площадь 12 м 2 , то антенна будет передавать 12 пВт радиочастотного излучения. питание приемника ( среднеквадратичное значение 30 мкВ на 75 Ом). Поскольку приемная антенна не одинаково чувствительна к сигналам, принимаемым со всех направлений, эффективная площадь зависит от направления на источник.
Из-за взаимности (обсужденной выше) усиление антенны, используемой для передачи, должно быть пропорционально ее эффективной площади при использовании для приема. Рассмотрим антенну без потерь , то есть такую , у которой электрический КПД равен 100%. Можно показать, что его эффективная площадь, усредненная по всем направлениям, должна быть равна λ 2 / 4π - квадрату длины волны, деленному на 4π . Коэффициент усиления определяется таким образом, что средний коэффициент усиления по всем направлениям для антенны со 100% электрическим КПД равен 1. Таким образом, эффективная площадь A eff с точки зрения коэффициента усиления G в заданном направлении определяется как:
Для антенны с КПД менее 100% и эффективная площадь, и усиление уменьшаются на ту же величину. Следовательно, указанное выше соотношение между усилением и эффективной площадью все еще сохраняется. Таким образом, это два разных способа выражения одной и той же величины. Эфф особенно удобен при вычислении мощности , которая будет получена с помощью антенны заданного коэффициента усиления, как показано на приведенном выше примере.
Диаграмма излучения
Диаграмма направленности антенны представляет собой график относительной напряженности поля радиоволн , излучаемых антенной под разными углами в дальней зоне. Обычно он представлен трехмерным графиком или полярными графиками горизонтальных и вертикальных сечений. Диаграмма идеальной изотропной антенны , которая излучает одинаково во всех направлениях, выглядела бы как сфера . Многие ненаправленные антенны, такие как монополи и диполи , излучают одинаковую мощность во всех горизонтальных направлениях, причем мощность падает при больших и меньших углах; это называется всенаправленным узором, и при нанесении выглядит как тор или бублик.
Излучение многих антенн показывает диаграмму максимумов или « лепестков » под разными углами, разделенных « нулями », углами, при которых излучение падает до нуля. Это связано с тем, что радиоволны, излучаемые различными частями антенны, обычно интерферируют , вызывая максимумы под углами, где радиоволны достигают удаленных точек по фазе , и нулевое излучение под другими углами, где радиоволны приходят не в фазе . В направленной антенне, предназначенной для излучения радиоволн в определенном направлении, лепесток в этом направлении имеет больший размер, чем другие, и называется « главным лепестком ». Другие лепестки обычно представляют собой нежелательное излучение и называются « боковыми лепестками ». Ось, проходящая через главный лепесток, называется « главной осью » или « осью визирования ».
Полярные диаграммы (и, следовательно, эффективность и усиление) антенн Yagi будут более плотными, если антенна настроена на более узкий частотный диапазон, например, сгруппированная антенна по сравнению с широкополосной. Точно так же полярные графики горизонтально поляризованных яги более плотные, чем графики вертикально поляризованных. [18]
Полевые регионы
Пространство, окружающее антенну, можно разделить на три концентрические области: реактивное ближнее поле (также называемое индуктивным ближним полем), излучающее ближнее поле (область Френеля) и дальнее поле (Фраунгофера). Эти области полезны для определения структуры поля в каждой, хотя переходы между ними постепенные и четких границ нет.
Область дальней поля находится достаточно далеко от антенны, чтобы игнорировать ее размер и форму: можно предположить, что электромагнитная волна является чисто излучающей плоской волной (электрическое и магнитное поля находятся в фазе и перпендикулярны друг другу и направлению распространение). Это упрощает математический анализ излучаемого поля.
Эффективность
Эффективность передающей антенны - это отношение фактически излучаемой мощности (во всех направлениях) к мощности, потребляемой антенными выводами. Неизлучаемая мощность, подаваемая на антенные клеммы, преобразуется в тепло. Обычно это происходит из-за сопротивления потерь в проводниках антенны или потерь между отражателем и рупором параболической антенны.
Эффективность антенны отличается от согласования импеданса , что также может уменьшить количество мощности, излучаемой с помощью данного передатчика. Если КСВ- метр показывает 150 Вт падающей мощности и 50 Вт отраженной мощности, это означает, что 100 Вт фактически были поглощены антенной (без учета потерь в линии передачи). Сколько излучаемой мощности фактически излучается, нельзя напрямую определить посредством электрических измерений на (или перед) антенными выводами, но потребует (например) тщательного измерения напряженности поля . Сопротивление потерь и эффективность антенны можно рассчитать, если известна напряженность поля, сравнив ее с мощностью, подаваемой на антенну.
Сопротивление потерь , как правило , влияет на импеданс точки питания, добавив к его активной составляющей. Это сопротивление будет складываться из суммы сопротивления излучения R r и сопротивления потерь R loss . Если на клеммы антенны подается ток I , то излучается мощность I 2 R r , а мощность потерь I 2 R теряется в виде тепла. Следовательно, эффективность антенны равна R r ⁄( R r + R потеря ). Непосредственно можно измеритьтолько полное сопротивлениеRr+Rпотерь.
В соответствии с принципом взаимности эффективность антенны, используемой в качестве приемной антенны, идентична ее эффективности в качестве передающей антенны, описанной выше. Мощность, которую антенна подает на приемник (при правильном согласовании импеданса ), уменьшается на ту же величину. В некоторых приемных приложениях очень неэффективные антенны могут иметь небольшое влияние на производительность. Например, на низких частотах атмосферный или техногенный шум может замаскировать неэффективность антенны. Например, CCIR Rep. 258-3 указывает, что промышленный шум в жилых помещениях на частоте 40 МГц примерно на 28 дБ выше минимального уровня теплового шума. Следовательно, антенна с потерями в 20 дБ (из-за неэффективности) мало повлияет на шумовые характеристики системы. Потери внутри антенны будут одинаково влиять на предполагаемый сигнал и шум / помехи, не приводя к снижению отношения сигнал / шум (SNR).
Антенны, размер которых составляет незначительную часть длины волны, неизбежно оказываются неэффективными из-за их малой радиационной стойкости. Радиостанции AM-вещания включают в себя небольшую рамочную антенну для приема, которая имеет крайне низкую эффективность. Это мало влияет на характеристики приемника, но просто требует большего усиления электроникой приемника. Сравните этот крошечный компонент с массивными и очень высокими башнями, используемыми на радиовещательных станциях AM для передачи на той же самой частоте, где каждый процент снижения эффективности антенны влечет за собой значительные затраты.
Определение усиления антенны или усиления мощности уже включает эффект эффективности антенны. Следовательно, если кто-то пытается излучать сигнал в сторону приемника, используя передатчик заданной мощности, нужно только сравнивать усиление различных антенн, а не также учитывать 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, как обсуждалось выше, больше не важна. В этом случае, вместо того , чтобы указывать усиление антенны , можно было бы больше интересоваться направленным усилением или просто направленностью, которая не включает эффект (не) эффективности антенны. Директивное усиление антенны может быть вычислено из опубликованного коэффициента усиления, деленного на эффективность антенны. В форме уравнения усиление = направленность × эффективность.
Поляризация
Поляризации антенны относится к ориентации электрического поля радиоволны , передаваемой она, и определяются физической структурой антенны и ее ориентации. Например, антенна, состоящая из линейного проводника (такого как дипольная или штыревая антенна ), ориентированного вертикально, приведет к вертикальной поляризации; если повернуть на бок, то поляризация той же антенны будет горизонтальной.
Отражения обычно влияют на поляризацию. Радиоволны, отраженные от ионосферы, могут изменить поляризацию волны. Для связи по линии прямой видимости или распространения земной волны передачи с горизонтальной или вертикальной поляризацией обычно остаются примерно в том же состоянии поляризации в месте приема. Использование антенны с вертикальной поляризацией для приема волны с горизонтальной поляризацией (или наоборот) приводит к относительно плохому приему.
Поляризацию антенны иногда можно определить непосредственно по ее геометрии. Когда проводники антенны, просматриваемые из опорной точки, появляются вдоль одной линии, тогда поляризация антенны будет линейной именно в этом направлении. В более общем случае поляризация антенны должна определяться путем анализа . Например, антенна турникета, установленная горизонтально (как обычно) из удаленного места на земле, выглядит как горизонтальный отрезок линии, поэтому принимаемое ею излучение имеет горизонтальную поляризацию. Но если смотреть с самолета под углом, та же антенна не удовлетворяет этому требованию; фактически его излучение эллиптически поляризовано, если смотреть с этого направления. В некоторых антеннах состояние поляризации будет меняться в зависимости от частоты передачи. Поляризация коммерческой антенны является важной характеристикой .
В наиболее общем случае поляризация эллиптическая , что означает, что в течение каждого цикла вектор электрического поля очерчивает эллипс . Два особых случая - это 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 в одном направлении. В круговой поляризации электрическое поле радиоволны вращается вокруг оси распространения. Радиоволны с круговой или эллиптической поляризацией обозначаются как правосторонние или левосторонние с помощью правила «большой палец в направлении распространения». Следует отметить , что для круговой поляризации, оптические исследователи используют противоположный правилу правой руки [ править ] от той , которая используется радиоинженеров.
Лучше всего, чтобы приемная антенна соответствовала поляризации передаваемой волны для оптимального приема. В противном случае будет потеря мощности сигнала: когда линейно поляризованная антенна принимает линейно поляризованное излучение под относительным углом θ, тогда будет потеря мощности cos 2 θ. Антенна с круговой поляризацией может использоваться для одинакового соответствия вертикальной или горизонтальной линейной поляризации, что снижает уровень сигнала на 3 дБ . Однако он будет слеп к циркулярно поляризованному сигналу противоположной ориентации!
Согласование импеданса
Максимальная передача мощности требует согласования импеданса антенной системы (если смотреть на линию передачи) с комплексно сопряженным импедансом приемника или передатчика. Однако в случае передатчика желаемый согласующий импеданс может не соответствовать динамическому выходному сопротивлению передатчика, анализируемому как импеданс источника, а скорее расчетному значению (обычно 50 Ом), необходимому для эффективной и безопасной работы передающей схемы. . Предполагаемый импеданс обычно является резистивным, 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 это влечет за собой увеличение потерь в линии передачи в дополнение к согласованию импеданса, ожидаемого передатчиком (или приемником).
Настройка антенны в контексте модификации самой антенны обычно относится только к устранению любого реактивного сопротивления, наблюдаемого на антенных выводах, оставляя только резистивный импеданс, который может или не может быть в точности желаемым импедансом (сопротивление линии 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 согласования импеданса, называемого антенным тюнером, включает в себя как удаление реактивного сопротивления, так и преобразование оставшегося сопротивления, чтобы оно соответствовало радио или фидерной линии.
В некоторых случаях это делается более экстремальным образом, не просто для того, чтобы нейтрализовать небольшое количество остаточного реактивного сопротивления, но для резонанса антенны, резонансная частота которой сильно отличается от предполагаемой рабочей частоты. Например, «штыревую антенну» можно сделать значительно короче, чем 1 / 4 длины волны, по практическим причинам, а затем резонируетиспользованием так называемой загрузки 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, видимое в точке питания загрузочной катушки; это сопротивление несколько ниже, чем хотелось бы, чтобы соответствовать коммерческому коаксиальному кабелю . [ необходима цитата ]
Дополнительная проблема заключается в согласовании оставшегося 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 симметричный резистор в точке питания для преобразования резистивной части импеданса для более близкого согласования с линией питания.
Другой крайний случай согласования импеданса возникает при использовании 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 частоте не только снижает реактивное сопротивление, но и значительно увеличивает очень маленькое сопротивление излучения такой петли. [ необходима цитата ] Это реализовано в большинстве приемников AM-вещания с небольшой ферритовой рамочной антенной, резонирующей с конденсатором, который изменяется вместе с настройкой приемника, чтобы поддерживать резонанс в диапазоне AM-вещания.
Влияние земли
Отражения от земли - один из распространенных типов многолучевого распространения. [19] [20] [21]
На диаграмму направленности и даже импеданс точки 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 случае монопольной антенны земля (или искусственная заземляющая поверхность ) служит обратным соединением для тока антенны, таким образом оказывая дополнительное влияние, в частности, на импеданс, видимый фидерной линией.
Когда электромагнитная волна ударяется о плоскую поверхность, такую как земля, часть волны передается в землю, а часть отражается в соответствии с коэффициентами Френеля . Если земля является очень хорошим проводником, то почти вся волна отражается (сдвиг по фазе на 180 °), тогда как земля, моделируемая как диэлектрик (с потерями), может поглощать большую часть мощности волны. Мощность, остающаяся в отраженной волне, и фазовый сдвиг при отражении сильно зависят от угла падения и поляризации волны . Диэлектрическая проницаемость и проводимость (или просто комплексная диэлектрическая проницаемость) зависят от типа почвы и являются функцией частоты.
Для очень низких частот на высоких частотах (<30 МГц), земля ведет себя как с потерями диэлектрика , [22] Таким образом , почва характеризуется как с помощью проводимости [23] и диэлектрической проницаемости (диэлектрическая постоянная) , которая может быть измерена для данной почвы (но на него влияют колебания уровня влажности) или его можно оценить по определенным картам. На более низких частотах земля действует в основном как хороший проводник, от которого зависят антенны AM средних волн (0,5–1,6 МГц).
На частотах от 3 до 30 МГц большая часть энергии горизонтально поляризованной антенны отражается от земли с почти полным отражением под скользящими углами, важными для распространения земной волны . Эта отраженная волна с перевернутой фазой может либо нейтрализовать, либо усилить прямую волну, в зависимости от высоты антенны в длинах волн и угла места (для небесной волны ).
С другой стороны, вертикально поляризованное излучение плохо отражается от земли, за исключением падения со склона или от поверхностей с очень высокой проводимостью, таких как морская вода. [24] Однако отражение под углом скольжения, важное для распространения земной волны, с использованием вертикальной поляризации, находится в фазе с прямой волной, обеспечивая усиление до 6 дБ, как подробно описано ниже.
На УКВ и выше (> 30 МГц) земля становится хуже отражателем. Однако он остается хорошим отражателем, особенно при горизонтальной поляризации и скользящих углах падения. Это важно, поскольку эти более высокие частоты обычно зависят от распространения в горизонтальной прямой видимости (за исключением спутниковой связи), при этом земля ведет себя почти как зеркало.
Чистое качество отражения от земли зависит от топографии поверхности. Когда неровности поверхности намного меньше длины волны, преобладает режим зеркального отражения , и приемник видит как реальную антенну, так и изображение антенны под землей из-за отражения. Но если на земле есть неровности, не малые по сравнению с длиной волны, отражения не будут когерентными, а будут сдвинуты по случайным фазам. Обычно это происходит с более короткими длинами волн (более высокими частотами).
Когда и приемная, и передающая антенны размещаются на значительной 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 космическую 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 земли (обычно n ≈ 2) по сравнению с воздухом ( n = 1), фаза горизонтально поляризованного излучения меняется на противоположную при отражении (фазовый сдвиг нарадианы 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.
Это означает, что приемная антенна «видит» изображение излучающей антенны, но с «обратными» токами (противоположными 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.
Фактическая антенна, которая передает исходную волну, также может получать 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 теорией. 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 высоты антенны на четверть длины волны приводит к изменению фазы отражения на 180 °, что совершенно по-другому влияет на импеданс антенны.
Отражение от земли оказывает важное влияние на результирующую диаграмму направленности излучения в дальней зоне в вертикальной плоскости, то есть как функцию угла места, который, таким образом, различается для антенн с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Рассмотрим антенну на высоте h над землей, излучающую волну под углом места θ . Для передачи с вертикальной поляризацией величина электрического поля электромагнитной волны, создаваемой прямым и отраженным лучом, равна:
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:
где:
- это электрическое поле, которое было бы воспринято прямой волной, если бы не было земли.
- θ - угол места рассматриваемой волны.
- это длина волны .
- - высота антенны (половина расстояния между антенной и ее изображением).
Для горизонтального распространения между передающей и приемной антеннами, расположенными у земли на разумном расстоянии друг от друга, расстояния, на которые проходят прямые и отраженные лучи, почти одинаковы. Относительного фазового сдвига практически нет. Если излучение поляризовано вертикально, два поля (прямое и отраженное) складываются и получается максимум принятого сигнала. Если сигнал поляризован по горизонтали, два сигнала вычитаются, и принятый сигнал в значительной степени отменяется. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости показаны на изображении справа. При вертикальной поляризации всегда есть максимум для θ = 0, горизонтальное распространение (левая диаграмма). Для горизонтальной поляризации под этим углом есть подавление. Обратите внимание, что приведенные выше формулы и эти графики предполагают, что земля является идеальным проводником. Эти графики диаграммы направленности соответствуют расстоянию между антенной и ее изображением 2,5 λ. По мере увеличения высоты антенны количество лепестков также увеличивается.
Разница в приведенных выше факторах для случая θ = 0 является причиной того, что в большинстве передач (передач, предназначенных для населения) используется вертикальная поляризация. Для наземных приемников передача с горизонтальной поляризацией отменяется. Для лучшего приема приемные антенны для этих сигналов также имеют вертикальную поляризацию. В некоторых приложениях, где приемная антенна должна работать в любом положении, как в мобильных телефонах , антенны базовых станций используют смешанную поляризацию, такую как линейная поляризация под углом (с вертикальными и горизонтальными компонентами) или круговая поляризация .
С другой стороны, передачи аналогового телевидения обычно поляризованы по горизонтали, потому что в городских районах здания могут отражать электромагнитные волны и создавать ложные изображения из-за многолучевого распространения . Использование горизонтальной поляризации уменьшает двоение изображения, поскольку количество отражений в горизонтальной поляризации 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 двоичной передачи и исправления ошибок .
Взаимный импеданс и взаимодействие между антеннами
Ток, циркулирующий в одной антенне, обычно вызывает напряжение в точках питания соседних антенн или антенных элементов. Такое взаимодействие может сильно повлиять на работу группы антенн.
При определенной геометрии взаимное сопротивление между соседними антеннами может быть равно нулю. Так обстоит дело, например, между скрещенными диполями, используемыми в антенне турникета .
Типы антенн
Антенны можно классифицировать по принципу действия или по применению.
Смотрите также
- Категория: Типы радиочастотных антенн
- Категория: Распространение радиочастоты
- Сотовый ретранслятор
- DXing
- Электромагнетизм
- Мобильный широкополосный модем
- Числовой код электромагнетизма
- Радиальный (радио)
- Радиомачты и вышки
- РЧ разъем
- Умная антенна
- TETRA
- Коротковолновая широкополосная антенна
- Персональный радиомонитор безопасности
Сноски
- ^ Поскольку потери напряжения из-за излучения обычно малы по сравнению с напряжениями, необходимыми из-за импульсного сопротивления антенны, и поскольку сухой воздух является очень хорошим изолятором, антенна часто моделируется как без потерь: R = G = 0 . Существенная потеря или усиление напряжения из-за передачи или приема обычно вставляется постфактум, после решений линии передачи, хотя это может быть смоделировано как небольшое значение R за счет работы с комплексными числами .
Рекомендации
- ^ Граф, Рудольф Ф., изд. (1999). "Антенна". Современный словарь по электронике . Newnes. п. 29. ISBN 978-0750698665.
- ^ Герц, Х. (1889). «[название не указано]». Annalen der Physik und Chemie . 36 .
- ^ а б Маркони, Г. (11 декабря 1909 г.). «Беспроводная телеграфная связь» . Нобелевская лекция. Архивировано из оригинала 4 мая 2007 года.
«Физика 1901–1921». Нобелевские лекции . Амстердам: Издательство Elsevier. 1967. С. 196–222, 206. - ^ Слюсарь, Вадим (20–23 сентября 2011 г.). Из истории радиотехнического термина «антенна» (PDF) . VIII Международная конференция по теории и технике антенн (ICATT'11). Киев, Украина. С. 83–85. Архивировано 24 февраля 2014 года (PDF) .
- ^ Слюсарь, Вадим (21–24 февраля 2012 г.). Итальянский период в истории радиотехнического термина «антенна» (PDF) . 11-я Международная конференция «Современные проблемы радиотехники, связи и информатики» (TCSET'2012). Львов-Славское, Украина. п. 174. Архивировано 24 февраля 2014 года (PDF) .
- ^ Слюсарь, Вадим (июнь 2011 г.). «Антенна: история радиотехнического терминала» [Антенна: История термина радиотехники] (PDF) . ПЕРВАЯ МИЛЯ Последняя миля: Электроника: наука, технологии, бизнес . № 6. С. 52–64. Архивировано 24 февраля 2014 года (PDF) .
- ^ «Сообщение для СМИ: подайте заявку на открытие Обсерватории ALMA» . Пресс-релиз ESO . Архивировано 6 декабря 2012 года . Проверено 4 декабря 2012 года .
- ^ Эллиотт, Роберт С. (1981). Теория и конструкция антенн (1-е изд.). Уайл. п. 3.
- ^ Смит, Карл (1969). Стандартные радиовещательные антенные системы . Кливленд, Огайо: Смит Электроникс. п. 2-1212.
- ^ а б в Лоннгрен, Карл Эрик; Савов, Сава В .; Йост, Рэнди Дж. (2007). Основы электромагнетизма с Matlab (2-е изд.). Издательство SciTech. п. 451. ISBN. 978-1891121586.
- ^ а б в Stutzman, Warren L .; Тиле, Гэри А. (2012). Теория и конструкция антенн (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. С. 560–564. ISBN 978-0470576649.
- ^ Холл, Джеральд, изд. (1991). Книга антенн ARRL (15-е изд.). ARRL. п. 24. ISBN 978-0-87259-206-3.
- Перейти ↑ Hall 1991 , p. 25.
- Перейти ↑ Hall 1991 , pp. 31-32.
- ^ а б Слюсарь В.И. (17–21 сентября 2007 г.). 60 лет теории электрически малых антенн (PDF) . 6-я Международная конференция по теории и технике антенн. Севастополь, Украина. С. 116–118. Архивировано (PDF) из оригинала 28 августа 2017 года . Проверено 2 сентября 2017 года .
- ^ а б Рейнс, Джереми Кейт (2007). Сложенные унипольные антенны: теория и приложения . Электронная инженерия (1-е изд.). Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-147485-6.ISBN 0-07-147485-4
- ^ а б Щелкунов, Сергей А .; Фриис, Харальд Т. (июль 1966 г.) [1952]. Антенны: теория и практика . Джон Вили и сыновья. LCCN 52-5083 .
- ^ «Диаграммы полярного отклика с воздуха» . Квадроцикл / Фракарро.
- ^ Проектирование фиксированной широкополосной беспроводной системы , стр. 130, в Google Книгах
- ^ Монопольные антенны , стр. 340, в Google Книгах
- ^ Беспроводная и мобильная связь , стр. 37, в Google Книгах
- ^ Сильвер, Х. Уорд, изд. (2011). ARRL Антенная книга . Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиорелейная лига. п. 3-2. ISBN 978-0-87259-694-8.
- ^ «Карта M3 эффективной проводимости грунта в США (карта в масштабе стены) для станций AM-вещания» . fcc.gov . 11 декабря 2015. Архивировано 18 ноября 2015 года . Проверено 6 мая 2018 .
- ^ Серебро 2011 , стр. 3-23
Словарь определения антенны в Викисловаре