Электрическая длина

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: «Электрическая длина» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( декабрь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Антенны
Часть серии по

Общие типы Диполь Фрактал Петля Монополь Спутниковая тарелка Телевидение Хлыст
Составные части Балун Блокировать повышающий преобразователь Коаксиальный кабель Противовес (наземная система) Подача Линия подачи Малошумящий блочный понижающий преобразователь Пассивный радиатор Приемник Ротатор Заглушка Передатчик Тюнер Твин-свинец
Системы Антенная ферма Любительское радио Сотовая сеть Точка доступа Муниципальная беспроводная сеть Радио Радиомачты и вышки Вай фай Беспроводной
Безопасность и регулирование Излучение мобильного телефона и здоровье Беспроводные электронные устройства и здоровье Международный союз электросвязи ( Регламент радиосвязи ) Всемирная конференция радиосвязи
Источники излучения / регионы Осмотр Фокальное облако Плоскость земли Главный лепесток Ближнее и дальнее поле Боковой лепесток Вертикальная плоскость
Характеристики Усиление массива Направленность Эффективность Электрическая длина Эквивалентный радиус Фактор Уравнение передачи Фрииса Прирост Высота Диаграмма излучения Радиационная стойкость Распространение радио Радиоспектр Соотношение сигнал шум Побочное излучение
Методы Управление лучом Наклон луча Формирование луча Маленькая ячейка Многослойное пространство-время Bell Laboratories (BLAST) Массивный множественный вход и множественный выход (MIMO) Реконфигурация Расширенный спектр Широкополосный множественный доступ с пространственным разделением каналов (WSDMA)
v т е

В области телекоммуникаций и электротехнике , электрическая длина (или длина фазы ) относится к длине электрического проводника в терминах фазового сдвига , введенном передачей по этому проводнику ^[1] на некоторой частоте.

Использование термина [ править ]

В зависимости от конкретного контекста термин «электрическая длина» используется, а не просто физическая длина, для включения одного или нескольких из следующих трех понятий:

Когда речь идет о количестве длин волн или фазе , участвующих в прохождении волны через сегмент линии передачи , можно просто указать эту электрическую длину, в то время как указание физической длины, частоты или коэффициента скорости опускается. В этом случае электрическая длина обычно выражается как N длин волн или как фаза φ, выраженная в градусах или радианах. Таким образом, в микрополосковой конструкции можно указать закороченную заглушку.длины фазы 60 °, которая будет соответствовать разным физическим длинам при применении к разным частотам. Или можно рассмотреть 2-метровую секцию коаксиального кабеля с электрической длиной четверти длины волны (90 °) на частоте 37,5 МГц и спросить, какой становится его электрическая длина, когда цепь работает на другой частоте.
Из-за фактора скорости конкретной линии передачи, например, время прохождения сигнала по кабелю определенной длины равно времени прохождения через большее расстояние при движении со скоростью света. Таким образом, импульс, посланный по 2-метровому участку коаксиального кабеля (коэффициент скорости которого составляет 67%), достигнет конца коаксиального кабеля одновременно с тем же импульсом, который поступит на конец оголенного провода длиной 3 метра (по которому он распространяется со скоростью света), и можно сказать, что 2-метровая секция коаксиального кабеля имеет электрическую длину 3 метра или электрическую длину 1/2 длины волны на 50 МГц (поскольку радиоволна 50 МГц имеет длину волны 6 метров).
Поскольку резонансные антенны обычно указываются в терминах электрической длины их проводников (например, полуволнового диполя ), достижение такой электрической длины в общих чертах приравнивается к электрическому резонансу, то есть чисто резистивному импедансу на входе антенны, как обычно желательно. Например, антенна, которая была сделана слишком длинной, будет иметь индуктивное сопротивление, которое можно скорректировать, физически укоротив антенну. Основываясь на этом понимании, распространенный жаргон в торговле антеннами относится к достижению резонанса (устранение реактивного сопротивления) на выводах антенны как электрическое сокращение этой слишком длинной антенны (или электрическое удлинениеслишком короткая антенна), когда электрическая согласующая сеть (или антенный тюнер ) выполнила эту задачу без физического изменения длины антенны. Хотя терминология очень неточна, это использование широко распространено, особенно применительно к использованию нагрузочной катушки в нижней части короткого монополя (вертикальной или штыревой антенны ) для его «электрического удлинения» и достижения электрического резонанса, видимого сквозь загрузочная катушка.

Длина фазы [ править ]

Первое использование термина «электрическая длина» предполагает синусоидальную волну некоторой частоты или, по крайней мере, узкополосную форму волны, сосредоточенную вокруг некоторой частоты f . Синусоида будет повторяться с периодом Т = ¹ / _F . Частота f будет соответствовать определенной длине волны λ вдоль конкретного проводника. Для проводников (например, неизолированного провода или заполненных воздухом коаксиальный кабель ) , которые передают сигналы на скорости света с , длина волны задается X = ^гр / _F . Расстояние L вдоль этого проводника соответствует Nдлины волн где N ; = ^L / _λ .

На рисунке справа видно, что длина волны составляет N = 1,5 длины волны. Волна гребень в начале графа, двигаясь в направлении вправо, прибудет в конце по истечению времени 1,5 T . Электрическая длиной этого сегмента называется «1,5 длиной волн» или, выраженные как фазовый угол, «540 °» (или 3 & pi ; радиан) , где Н длина волны соответствует с φ = 360 ° • N (или φ = ая • N радианы). В радиочастоте В приложениях, когда задержка вводится из-за линии передачи, часто важен фазовый сдвиг φ, поэтому определение конструкции с точки зрения фазы или электрической длины позволяет адаптировать эту конструкцию к произвольной частоте, используя длина волны λ, применяемая к этой частоте.

Фактор скорости [ править ]

В линии передачи сигнал распространяется со скоростью, контролируемой эффективной емкостью и индуктивностью на единицу длины линии передачи. Некоторые линии передачи состоят только из неизолированных проводов, и в этом случае их сигналы распространяются со скоростью света, c . Чаще сигнал распространяется с пониженной скоростью κ c , где κ - коэффициент скорости , число меньше 1, представляющее отношение этой скорости к скорости света. ^[2]^[3]

Большинство линий передачи содержат диэлектрический материал (изолятор), заполняющий часть или все пространство между проводниками. Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная этого материала увеличивает распределенную емкость в кабеле, что снижает коэффициент скорости ниже единицы. Также возможно уменьшение κ из-за относительной проницаемости ( ) этого материала, что увеличивает распределенную индуктивность, но этого почти никогда не бывает. Если теперь заполнить пространство диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью , то скорость плоской электромагнитной волны уменьшится на коэффициент скорости: ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}}}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {r}}}$

\kappa ={\frac {v_{p}}{c}}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}\mu _{\text{r}}}}}\approx {\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{\text{r}}}}}

.

Этот пониженный коэффициент скорости может также применяться к распространению сигналов по проводам, погруженным в большое пространство, заполненное этим диэлектриком. Однако, когда только часть пространства вокруг проводников заполнена этим диэлектриком, скорость волны меньше уменьшается. Часть электромагнитной волны, окружающей каждый проводник, «чувствует» действие диэлектрика, а часть находится в свободном пространстве. Затем можно определить эффективную относительную диэлектрическую проницаемость, которая затем предсказывает коэффициент скорости в соответствии с $\epsilon _{\text{eff}}$

\kappa ={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{\text{eff}}}}}

$\epsilon _{\text{eff}}$ вычисляется как средневзвешенное значение относительной диэлектрической проницаемости свободного пространства (1) и диэлектрика:

\epsilon _{\text{eff}}=(1-F)+F\epsilon _{\text{r}}

где коэффициент заполнения F выражает эффективную долю пространства, на которое влияет диэлектрик.

В случае коаксиального кабеля , где весь объем между внутренним проводником и экраном заполнен диэлектриком, коэффициент заполнения равен единице, поскольку электромагнитная волна ограничивается этой областью. В других типах кабелей, например, в двухжильных кабелях, коэффициент заполнения может быть намного меньше. В любом случае, любой кабель, предназначенный для радиочастот, будет иметь коэффициент скорости (а также характеристическое сопротивление ), указанный производителем. В случае коаксиального кабеля, где F = 1, коэффициент скорости определяется исключительно типом используемого диэлектрика, как указано здесь .

Например, типичный коэффициент скорости для коаксиального кабеля составляет 0,66, что соответствует диэлектрической проницаемости 2,25. Предположим, мы хотим послать сигнал 30 МГц по короткому участку такого кабеля и задержать его на четверть волны (90 °). В свободном пространстве эта частота соответствует длине волны λ ₀ = 10 м, поэтому для задержки 0,25 λ потребуется электрическая длина 2,5 м. Если применить коэффициент скорости 0,66, то физическая длина кабеля составит 1,67 м.

Фактор скорости также применяется к антеннам в тех случаях, когда антенные проводники (частично) окружены диэлектриком. Это особенно относится к микрополосковым антеннам, таким как патч-антенна . Волны на микрополоске зависят в основном от диэлектрика печатной платы под ними, а также от воздуха над ними (из-за краевых эффектов). Таким образом, их коэффициенты скорости зависят не напрямую от диэлектрической проницаемости материала печатной платы, а от эффективной диэлектрической проницаемости, которая часто указывается для материала печатной платы (или может быть рассчитана). Обратите внимание, что коэффициент заполнения и поэтому несколько зависят от ширины дорожки по сравнению с толщиной платы. $\epsilon _{\text{eff}}$ $\epsilon _{\text{eff}}$

Антенны [ править ]

Хотя существуют определенные конструкции широкополосных антенн , многие антенны классифицируются как резонансные и работают в соответствии с конструкцией на определенной частоте. Это особенно относится к радиовещательным станциям и системам связи, которые ограничены одной частотой или узкой полосой частот. Сюда входят дипольные и монопольные антенны и все конструкции на их основе ( Яги , дипольные или монопольные решетки , свернутый диполь и т. Д.). В дополнение к директивному усилению в лучевых антеннах, страдающих от проектной частоты, импеданс точки питания антенныочень чувствителен к сдвигу частоты. Особенно для передачи антенна часто предназначена для работы на резонансной частоте. На резонансной частоте, по определению, что сопротивление является чисто сопротивлением , которое соответствует с волновым сопротивлением от линии передачи , а выхода (или входа) импеданс передатчика (или приемника). На частотах, отличных от резонансной частоты, полное сопротивление включает некоторое реактивное сопротивление ( емкость или индуктивность ). Можно антенный тюнер должен использоваться для отмены этого реактивного сопротивления (и для изменения сопротивления в соответствии с линией передачи), однако этого часто избегают в качестве дополнительного осложнения (и его необходимо контролировать на стороне антенны линии передачи).

Условием резонанса в несимметричной антенне является то, что элемент должен быть нечетным кратным четверти длины волны λ / 4. В дипольной антенне оба ведомых проводника должны быть такой длины, чтобы общая длина диполя составляла (2N + 1) λ / 2.

Электрическая длина антенного элемента, как правило, отличается от его физической длины ^{[ необходим лучший источник ]}^[4]^[5]^[6] Например, увеличение диаметра проводника или присутствие поблизости металлических предметов приведет к уменьшите скорость волн в элементе, увеличив электрическую длину. ^[7]^[8]

Антенна, длина которой меньше ее резонансной длины, описывается как « электрически короткая » ^[9] и демонстрирует емкостное реактивное сопротивление . Точно так же антенна, длина которой превышает ее резонансную длину, описывается как « электрически длинная » и демонстрирует индуктивное реактивное сопротивление .

Изменение электрической длины под нагрузкой[ редактировать ]

Катушка нагрузки в антенне мобильного телефона, установленной на крыше автомобиля. Катушка позволяет антенне быть короче четверти длины волны и при этом оставаться резонансной.

Эффективная электрическая длина антенны может быть изменена без изменения ее физической длины путем добавления последовательно с ней реактивного сопротивления ( индуктивности или емкости ). ^[10] Это называется согласованием сосредоточенного импеданса или нагрузкой .

Например, несимметричная антенна, такая как металлический стержень, питаемый с одного конца, будет резонансным, когда ее электрическая длина равна четверти длины волны λ / 4 используемой частоты. Если антенна короче четверти длины волны, импеданс точки питания будет включать емкостное реактивное сопротивление ; это вызывает отражения на фиде и рассогласование на передатчике или приемнике, даже если резистивная составляющая импеданса правильная. Чтобы нейтрализовать емкостное реактивное сопротивление, индуктивность, называемая нагрузочной катушкой , вставляется между линией питания и выводом антенны. Выбор индуктивности с тем же реактивным сопротивлением, что и (отрицательное) емкостное реактивное сопротивление, видимое на выводе антенны, отменяет эту емкость иантенная система (антенна и катушка) снова будет резонансной. Линия питания имеет чисто резистивный импеданс. Поскольку антенна, которая была слишком короткой, теперь кажется резонансной, добавление нагрузочной катушки иногда называют «электрическим удлинением» антенны.

Точно так же импеданс точки питания монопольной антенны длиннее λ / 4 (или диполя с плечами длиннее λ / 4) будет включать в себя индуктивное реактивное сопротивление. Конденсатор, включенный последовательно с антенной, может нейтрализовать это реактивное сопротивление, чтобы сделать его резонансным, что можно назвать «электрическим сокращением» антенны.

Индуктивная нагрузка широко используется для уменьшения длины штыревых антенн портативных радиостанций, таких как рации и коротковолновые антенны на автомобилях, в соответствии с физическими требованиями.

Вертикальная антенна, которая может иметь любую желаемую высоту: примерно менее половины длины волны частоты, на которой работает антенна. Эти антенны могут работать как передающие или как приемные антенны.

Преимущества [ править ]

Электрическое удлинение позволяет создавать более короткие антенны. В частности, он применяется в антеннах для передатчиков ОНЧ , длинноволновых и средневолновых диапазонов . Поскольку эти радиоволны имеют длину от нескольких сотен метров до многих километров, мачтовые излучатели необходимой высоты не могут быть реализованы с экономической точки зрения. Он также широко используется для штыревых антенн на портативных устройствах, таких как рации, что позволяет использовать антенны намного короче стандартной четверти длины волны. Самый распространенный пример - антенна резиновой утки .

Недостатки [ править ]

Электрическое удлинение уменьшает полосу пропускания антенны, если не предпринимаются другие меры контроля фазы . Электрически удлиненная антенна менее эффективна, чем эквивалентная полноразмерная антенна.

Техническая реализация [ править ]

Есть две возможности реализации электрического удлинения.

переключение в индукционных катушек в серии с антенной
переключение металлических поверхностей, известное как емкость крыши, на концах антенны, которые образуют конденсаторы относительно земли .

Часто оба показателя сочетаются. Катушки, включенные последовательно, иногда необходимо размещать в середине конструкции антенны. Кабина, установленная на высоте 150 метров на Blosenbergturm в Беромюнстере, представляет собой такую конструкцию, в которой установлен удлинительный змеевик для питания верхней части башни (Blosenbergturm дополнительно имеет кольцевой конденсатор на крыше. )

Заявление [ править ]

В передающих антеннах передатчиков, работающих на частотах ниже длинноволнового диапазона радиовещания, всегда применяется электрическое удлинение. Его часто применяют в вещательных антеннах длинноволновых радиовещательных станций. Однако для передающих антенн NDB широко применяется электрическое удлинение, поскольку в них используются антенны, высота которых значительно меньше четверти излучаемой длины волны.

Слева характеристики, построенные на основе экспериментально полученных данных о координатах с логарифмической абсциссой. Справа антенна с увеличенной эффективной индуктивностью между двумя точками в соответствии с хорошо известной работой цепей с шунтирующей настройкой, отрегулированной несколько вне резонанса.

См. Также [ править ]

Антенный тюнер
Электрически малая антенна
Катушка загрузки
Монопольная антенна

Ссылки [ править ]

^ Рон Шмитт, Электромагнетизм объяснил [электронный ресурс]: справочник по беспроводной / РЧ, ЭМС и высокоскоростной электронике. 8
^ Карр, Джозеф Дж. (1997). Микроволновые и беспроводные коммуникационные технологии . Newnes. п. 51. ISBN 0750697075.
^ Amlaner, Charles J. Jr. (март 1979). «Конструкция антенн для использования в радиотелеметрии» . Справочник по биотелеметрии и радио Наблюдают: Труды Международной конференции по телеметрии и радиосопровождению в биологии и медицине, Оксфорд, 20-22 марта 1979 . Эльзевир. п. 260. ISBN 9781483189314. Проверено 23 ноября 2013 года .
^ Вейк, Мартин (1997). Стандартный словарь по волоконной оптике . Springer Science & Business Media. п. 270. ISBN 0412122413.
^ «Электрическая длина» . Федеральный стандарт 1037C, Глоссарий телекоммуникационных терминов . Национальный администратор электросвязи и информации. , Министерство торговли правительства США. 1996 . Проверено 23 ноября 2014 года . Внешняя ссылка в |publisher=( помощь )
^ Хелфрик, Альберт Д. (2012). Анализаторы электрического спектра и цепей: практический подход . Академическая пресса. п. 192. ISBN. 978-0080918679.
^ Льюис, Джефф (2013). Справочник Newnes по коммуникационным технологиям . Эльзевир. п. 46. ISBN 978-1483101026.
↑ Карр, Джозеф Дж. (11 сентября 2001 г.). Набор инструментов для антенны . 53: (Оксфорд: Бостон :) Ньюнес. п. 288. ISBN 9780080493886.CS1 maint: location (link)
^ Слюсарь В.И. 60 лет теории электрически малогабаритных антенн .// Труды 6-й Международной конференции по теории и методике антенн, 17-21 сентября 2007 г., Севастополь, Украина. - Стр. 116 - 118. [1]
^ Ховард, Р. Стивен; Воан, Харви Д. (сентябрь 1998 г.). NEETS (Серия учебных курсов по электричеству и электронике ВМС) Модуль 10 - Введение в распространение волн, линии передачи и антенны (NAVEDTRA 14182) (PDF) . Центр военно-морского образования и подготовки ВМС США. С. 4.17–4.18.

Терман, Фредерик Эммонс (1943). Справочник радиоинженера . Макгроу-Хилл. п. 773.
Краус, Джон Д. (1988). Антенны (PDF) (2-е изд.). Макгроу-Хилл. п. 413. ISBN 0-07-035422-7.
Баланис, Константин А. (1997). Теория антенн . Джон Вили и сыновья. С. 151 . ISBN 0-471-59268-4.

Дальнейшее чтение [ править ]

A. Nickle , Патент США 2125804 , « Антенна ». (Подана 25 мая 1934 г .; выдана 2 августа 1938 г.)
Уильям В. Браун, Патент США 2,059,186 , « Антенная структура ». (Подана 25 мая 1934 г .; опубликована 27 октября 1936 г.).
Роберт Б. Доум, Патент США 2101674 , « Антенна ». (Подана 25 мая 1934 г .; опубликована 7 декабря 1937 г.)
Слюсарь В.И. 60 лет теории электрически малогабаритных антенн .// Труды 6-й Международной конференции по теории и технике антенн, 17-21 сентября 2007 г., Севастополь, Украина. - Стр. 116 - 118. [2]

[1] Рон Шмитт, Электромагнетизм объяснил [электронный ресурс]: справочник по беспроводной / РЧ, ЭМС и высокоскоростной электронике. 8

[Carr-2] Карр, Джозеф Дж. (1997). Микроволновые и беспроводные коммуникационные технологии . Newnes. п. 51. ISBN 0750697075.

[Amlaner-3] Amlaner, Charles J. Jr. (март 1979). «Конструкция антенн для использования в радиотелеметрии» . Справочник по биотелеметрии и радио Наблюдают: Труды Международной конференции по телеметрии и радиосопровождению в биологии и медицине, Оксфорд, 20-22 марта 1979 . Эльзевир. п. 260. ISBN 9781483189314. Проверено 23 ноября 2013 года .

[Weik-4] Вейк, Мартин (1997). Стандартный словарь по волоконной оптике . Springer Science & Business Media. п. 270. ISBN 0412122413.

[1037C-5] «Электрическая длина» . Федеральный стандарт 1037C, Глоссарий телекоммуникационных терминов . Национальный администратор электросвязи и информации. , Министерство торговли правительства США. 1996 . Проверено 23 ноября 2014 года . Внешняя ссылка в |publisher=( помощь )

[Helfrick-6] Хелфрик, Альберт Д. (2012). Анализаторы электрического спектра и цепей: практический подход . Академическая пресса. п. 192. ISBN. 978-0080918679.

[Lewis-7] Льюис, Джефф (2013). Справочник Newnes по коммуникационным технологиям . Эльзевир. п. 46. ISBN 978-1483101026.

[Carr,_Joseph_J.-8] Карр, Джозеф Дж. (11 сентября 2001 г.). Набор инструментов для антенны . 53: (Оксфорд: Бостон :) Ньюнес. п. 288. ISBN 9780080493886.CS1 maint: location (link)

[IEEE-9] Слюсарь В.И. 60 лет теории электрически малогабаритных антенн .// Труды 6-й Международной конференции по теории и методике антенн, 17-21 сентября 2007 г., Севастополь, Украина. - Стр. 116 - 118. [1]

[NEETS-10] Ховард, Р. Стивен; Воан, Харви Д. (сентябрь 1998 г.). NEETS (Серия учебных курсов по электричеству и электронике ВМС) Модуль 10 - Введение в распространение волн, линии передачи и антенны (NAVEDTRA 14182) (PDF) . Центр военно-морского образования и подготовки ВМС США. С. 4.17–4.18.