Антенна (радио)

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  Радио "Антенна"  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( январь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Анимация полуволновой дипольной антенны, излучающей радиоволны , показывая силовые линии электрического поля . Антенна в центре представляет собой два вертикальных металлических стержня, соединенных с радиопередатчиком (не показан). Передатчик подает на стержни переменный электрический ток , который заряжает их попеременно положительным (+) и отрицательным (-). Петли электрического поля покидают антенну и уносятся прочь со скоростью света ; это радиоволны. В этой анимации действие показано сильно замедленным.

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 к клеммам 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 «лучевые» антенны). 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 [ править ]

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 имении своего отца недалеко от Болоньи и вскоре начал экспериментировать с длинными проводными «антеннами», подвешенными к столбу. ^[3] На итальянском языке столб для палатки известен как l'antenna centrale , а столб с проводом назывался просто l'antenna.. 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 относиться ко всей сборке, включая опорную конструкцию, корпус (если таковой имеется) 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 [ править ]

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 могут быть классифицированы 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 мало энергии 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 выводам. 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 приблизиться к эффекту 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. «Коэффициент усиления», возможно, неудачно выбранный термин по сравнению с «коэффициентом усиления» 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 являются электрически « пассивными » устройствами, которые сохраняют общую мощность, и нет увеличения общей мощности по сравнению с мощностью, поступающей от источника питания (передатчика), только улучшенное распределение этой фиксированной суммы.

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 шагом. В зависимости от относительной фазы, вносимой 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). В антенных решетках может использоваться любой базовый (всенаправленный или слабо направленный) 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 дипольные антенны, составляющие его, считаются «активными элементами», поскольку все они электрически соединены друг с другом (и с линией передачи). Волновой канал (или просто «Яги»), имеет только один дипольный элемент с электрическим соединением; другие паразитические элементывзаимодействуют 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, в радиовещании AM ) для достижения направленности используются массивы вертикальных башен ^[9], 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 малая рамочная антенна , при этом основная проблема проектирования заключается в согласовании импеданса . С вертикальной антенной можно использовать загрузочную катушку в основании антенны для подавления реактивной составляющей импеданса ; Для этого в маленьких рамочных антеннах используются параллельные конденсаторы.

Подвод антенны - это линия передачи или фидер , который 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 в горло рупора), который можно рассматривать как один активный элемент в этой антенной системе. Микроволновая антенна также может питаться непосредственно от волновода вместо (проводящего)линия 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 функционированию естественного грунта, особенно там, где вариации (или ограничения) характеристик естественного грунта мешают его правильному функционированию. Такая структура обычно подключается к обратному соединению несимметричной линии передачи, такой как экран 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 стороны. Он может, например, сфокусировать волну или изменить фронт волны другими способами, как правило, для того, 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 [ править ]

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 радиатор. 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 изменения поведения антенны при приеме, чем при передаче,^[10], что может быть полезно в таких приложениях, как радар .

Резонансные антенны [ править ]

Большинство конструкций антенн основано на принципе резонанса . Это зависит от поведения движущихся электронов, которые отражаются от поверхностей, где изменяется диэлектрическая проницаемость , подобно 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 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 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 стоячую волнув проводнике, с максимальным током на питании. ^[13]

Обычный полуволновой диполь , вероятно, является наиболее широко используемой конструкцией антенны. Он состоит из двух ¹ / ₄  длины волны элементов расположены конец-к-концу, и лежащий вдоль по существу ту же ось (или коллинеарных ), каждая подавая 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 отводит его. Монополь антенны , по существу , одна половина полуволнового диполя, один ¹ / ₄  длины волны элемент с другой стороны соединен с землейили эквивалентный заземлитель (или противовес ). Монополи, размер которых составляет половину диполя, обычны для длинноволновых радиосигналов, где диполь был бы непрактично большим. Другой распространенной конструкцией является складчатый 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 расчетной рабочей частоте f _o , и антенны обычно проектируются для этого размера. Однако, подавая этот элемент с 3 F ₀ (длина волны которого составляет ¹ / ₃ , что из е _о ) также приведет к шаблону стоячей волны. Таким образом, антенный элемент является также резонансный , 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. Антенны, используемые таким образом, известны какгармонично управляемый . ^[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 высоких частотах ( УВЧ , микроволны ), компромисс с производительностью для получения меньшего физического размера обычно не требуется.

Распределение тока и напряжения [ править ]

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 электрической точки зрения 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) последовательной резонансной схемы, 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; аналогично, 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, называемойантенный тюнер или сеть 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 антенна будет располагаться примерно на 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 по своей сути узкополосными: полезны только для небольшого диапазона частот, сосредоточенных вокруг резонанса (-ов).

Электрически короткие антенны [ править ]

Можно использовать простые сопоставления импеданса методы , чтобы разрешить использование монопольных или дипольных антенн существенно короче , чем ¹ / ₄ или ¹ / ₂  длины волны, соответственно, на которой они резонансными. Поскольку эти антенны становятся короче (для заданной частоты), в их импедансе преобладает последовательное емкостное (отрицательное) реактивное сопротивление; путем добавления « загрузочной катушки » соответствующего размера- последовательная индуктивность с равным и противоположным (положительным) реактивным сопротивлением - емкостное реактивное сопротивление антенны может быть отменено, 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]

Так , например, на частоте 30 МГц (10 м длины волны) истинный резонансный ¹ / ₄  длины волны монополь будет почти в 2,5 метра в длину, и с помощью антенны всего 1,5 метра потребовалось бы добавление нагрузки катушки. Тогда можно сказать, что катушка удлинила антенну, чтобы получить электрическую длину 2,5 метра. Тем не менее, в результате чего достигается активное сопротивление будет совсем немного ниже , чем у истинных 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, меньшую 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 - обсудить ] [ сомнительно - обсудить ],} который устанавливает размер антенн на частотах 1 МГц и ниже.

Массивы и отражатели [ править ]

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${\ Displaystyle 0,13 \ лямбда ^ {2}}$. Если требуется более высокая производительность, нельзя просто сделать антенну больше. Хотя это приведет к перехвату большей энергии из сигнала, из-за приведенных выше 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 подсоединен к точке питания, а вместо этого закорочен. Электрический это образует один ¹ / ₂ элемент длины волны. 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, если не считать 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 ».

В массиве Яги-Уда используются пассивные элементы для значительного увеличения усиления. 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 один активный элемент, обычно полуволновой диполь или сложенный диполь. Спереди ( директора ) и сзади ( отражатели ) расположены пассивные элементы.) активный элемент вдоль стрелы. 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 возможно 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 влияет 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 больших высотах по отношению к окружающим конструкциям. В${\ displaystyle \ lambda}$параболический рефлектор , пожалуй, самый известный пример антенны на основе рефлектора, у которой эффективная площадь намного больше, чем у одного активного элемента.

Моделирование антенн с помощью линейных уравнений [ править ]

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 практически 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 для практического построения антенн. Кроме того, внутри антенны возникают частичные отражения 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 [ править ]

Антенны усиления мощности (или просто «получить») также учитывает эффективность антенны, и часто является основным показателем качества. Антенны характеризуются рядом критериев эффективности, с которыми может столкнуться пользователь при выборе или проектировании антенны для конкретного приложения. График характеристик направленности в пространстве, окружающем антенну, представляет собой ее диаграмму направленности .

Пропускная способность [ править ]

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 далеко от проектной частоты влияет на диаграмму направленности антенны, уменьшая ее направленное усиление.

Как правило, антенна не имеет импеданса точки питания, соответствующего 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. Возможно, для изготовления антенны желательно использовать трубчатые элементы 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 поступать в резонансный элемент, в то время как остальные имеют высокий импеданс. Другое решение использует ловушки, параллельные резонансные контуры, которые стратегически размещены в разрывах длинных антенных элементов. При использовании на определенной резонансной частоте ловушки, ловушка имеет очень высокий импеданс (параллельный резонанс), эффективно усекая элемент в месте расположения ловушки; при правильном расположении усеченный элемент создает правильную резонансную антенну на частоте захвата. На существенно более высоких или более низких частотах ловушка позволяет использовать всю длину сломанного элемента, но с резонансной частотой, смещенной на чистое реактивное сопротивление, добавленное ловушкой.

Характеристики полосы пропускания резонансного антенного элемента могут быть охарактеризованы в соответствии с его Q, где задействованное сопротивление - это сопротивление 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 эквивалентно работать 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, позволяет согласовывать 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 ни на одной 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.

Получить [ править ]

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, в то время как 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) , излучаемой антенной в направлении его максимальной мощности, на произвольном расстоянии, деленное на интенсивность излучаемого в то же самое расстояние с помощью гипотетической изотропной антенны, которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Это безразмерное соотношение обычно выражается логарифмически${\ displaystyle \ scriptstyle I}$${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{iso}}}$в децибелах эти единицы называются изотропными децибелами (дБи).

${\displaystyle G_{\text{dBi}}=10\log {I \over I_{\text{iso}}}\,}$

Вторая единица измерения усиления - это отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, излучаемой полуволновой дипольной антенной ; эти единицы называются «децибел-диполь» (дБд).${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{dipole}}}$

${\displaystyle G_{\text{dBd}}=10\log {I \over I_{\text{dipole}}}\,}$

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.

${\displaystyle G_{\text{dBi}}=G_{\text{dBd}}+2.15\,}$

Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущество в большем радиусе действия и лучшем качестве 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 усилением 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 [ править ]

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 РЧ. 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% -ным электрическим КПД равен 1. Следовательно, эффективная площадь A _eff с точки зрения коэффициента усиления G в данном направлении определяется как:

${\displaystyle A_{\mathrm {eff} }={\lambda ^{2} \over 4\pi }\,G}$

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 одного и того же количества. _Эфф особенно удобен при вычислении мощности , которая будет получена с помощью антенны заданного коэффициента усиления, как показано на приведенном выше примере.

Диаграмма излучения [ править ]

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, будет выглядеть 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 разными 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, разработанной для излучения радиоволн в определенном направлении, лепесток в этом направлении имеет больший размер, чем другие, и называется « главным лепестком ». Другие доли обычно представляют собой нежелательное излучение и называются "боковые лепестки ». 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]

Области полей [ править ]

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 [ править ]

Эффективность передающей антенны - это отношение фактически излучаемой мощности (во всех направлениях) к мощности, поглощаемой антенными выводами. Неизлучаемая мощность, подаваемая на антенные выводы, 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). Какая часть 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 ток I подводится к клеммам антенны, то будет излучаться мощность I ²  R _r , а мощность _потерь I ²  R будет потеряна в виде тепла. Таким образом, эффективность антенны равна ^{R _г} / _{( Р г + Р потери )}. Непосредственно можно измерить только полное сопротивление R _r + R _потерь .

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 надлежащем согласовании импеданса) уменьшается на такую ​​же величину. В некоторых приемных приложениях очень неэффективные антенны могут иметь небольшое влияние на производительность. На низких частотах, например, 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 потерей 20 дБ (из-за неэффективности) будет иметь небольшое влияние 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 неэффективны из-за их небольшой 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 направить сигнал в сторону приемника с использованием передатчика заданной мощности, нужно только сравнить 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 больше не важна, как обсуждалось выше. В этом случае вместо того, чтобы цитироватьусиление антенны , можно было бы больше интересоваться направленным усилением или просто направленностью, 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 [ править ]

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 диполь 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 в пределах 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 смотрели из опорного местоположения появляются вдоль одной линии, то поляризация антенны будет линейной в том самом 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 рассматривать под нисходящим углом от самолета, та же антенна делает несоответствовать этому требованию; на самом деле его излучение эллиптически поляризовано, если смотреть с этого направления. В некоторых антеннах состояние поляризации меняется 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). В 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.используя правило «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 и горизонтальной линейной поляризации, что снижает уровень сигнала на 3  дБ . Однако он будет слеп к циркулярно поляризованному сигналу противоположной ориентации!

Согласование импеданса [ править ]

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 импедансу передатчика, который анализируется как импеданс источника.а скорее расчетное значение (обычно 50 Ом), необходимое для эффективной и безопасной работы передающей схемы. Предполагаемый импеданс обычно является резистивным, но передатчик (и некоторые приемники) могут иметь дополнительные настройки, чтобы отменить определенное количество 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 согласования импедансаУстройство, называемое антенным тюнером, включает как удаление реактивного сопротивления, так и преобразование оставшегося сопротивления, чтобы оно соответствовало радио или фидерной линии.

В некоторых случаях это делается более экстремальным образом, а не просто для устранения небольшого количества остаточного реактивного сопротивления, но для резонанса антенны, резонансная частота которой сильно отличается от предполагаемой рабочей частоты. Например, «штыревая антенна» может быть значительно короче , чем ¹ / ₄  длины волны длиной, по практическим причинам, а затем резонирует с использованием так называемой загрузки катушки . Этот физически большой индуктор в основании антенны имеет индуктивное сопротивление, противоположное 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. ^{[ необходима цитата ]}

Дополнительная проблема заключается в согласовании оставшегося резистивного импеданса с характеристическим импедансом линии передачи. Обычная согласующая сеть ( антенный тюнер или ATU) будет иметь по крайней мере два регулируемых элемента для коррекции обеих составляющих 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 согласованную 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 происходит 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 радиовещательных приемников AM, с небольшой ферритовой рамочной антенной, резонирующей с конденсатором, который изменяется вместе с настройкой приемника, чтобы поддерживать резонанс в диапазоне AM-вещания

Влияние земли [ править ]

Отражения от земли - один из распространенных типов многолучевого распространения. ^{[19] [20] [21]}

На диаграмму направленности и даже на 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 важны высота антенны над землей, а также электрические свойства ( диэлектрическая проницаемость и проводимость) земли. Кроме того, в частном случае несимметричной антенны заземление (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, например, землю, 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 энергии 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 от 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 погасить, 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, кроме как при падении со скольжения 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 для горизонтальной поляризации и скользящих углов падения. Это важно, так как эти более высокие частоты обычно зависят от распространения по линии 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, преобладающим является режим зеркального отражения , и приемник видит как реальную антенну, так и изображение антенны под землей из-за отражения. Но если земля имеет 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 запускает 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 излучения с горизонтальной поляризацией меняется на противоположную при отражении (фазовый сдвиг в радианах 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.${\displaystyle \scriptstyle {\pi }}$

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 одинаковое 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 антенныочень чувствителен к точному расстоянию от земли, так как это влияет на фазу отраженной волны относительно токов в антенне. При изменении высоты антенны на четверть длины волны фаза отражения изменяется 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, рассматриваемую под углом места θ . Для передачи с вертикальной поляризацией величина электрического поля электромагнитной волны, создаваемой прямым лучом плюс отраженный луч, равна:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{V}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\cos \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}}$

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:

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{H}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\sin \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}}$

куда:

• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{0}}}$ это электрическое поле, которое было бы воспринято прямой волной, если бы не было земли.
• θ - угол места рассматриваемой волны.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$это длина волны .
• ${\displaystyle \scriptstyle {h}}$ - высота антенны (половина расстояния между антенной и ее изображением).

Диаграммы направленности антенн и их изображения в отражении от земли. Слева поляризация вертикальная и всегда есть максимум . Если поляризация горизонтальная, как показано справа, всегда есть ноль для .${\displaystyle \scriptstyle {\theta =0}}$${\displaystyle \scriptstyle {\theta =0}}$

Для горизонтального распространения между передающей и приемной антеннами, расположенными у земли на разумном расстоянии друг от друга, расстояния, проходимые прямым и отраженным лучами, 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 (левый шаблон). 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 приемников, расположенных вблизи земли, передачи с горизонтальной поляризацией отменяются. Для наилучшего 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 базовой станции используют смешанную поляризацию, такую ​​как линейная поляризация под углом (с вертикальными и горизонтальными компонентами) или круговая поляризация .

С другой стороны, передачи аналогового телевидения обычно имеют горизонтальную поляризацию, потому что в городских районах здания могут отражать электромагнитные волны и создавать ложные изображения из-за многолучевого распространения . Использование горизонтальной поляризации уменьшает ореолы, 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 [ править ]

Ток, циркулирующий в одной антенне, обычно вызывает напряжение в точке 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 [ править ]

Антенны можно классифицировать по принципу работы или по применению.

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме антенн .

В Wikisource есть оригинальный текст, связанный с этой статьей: Антенны

Сноски [ править ]

Ссылки [ править ]

Словарь определения антенны в Викисловаре