Радиационная стойкость

Часть серии по
Антенны
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 мобильных телефонов 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

Сопротивление излучения - это часть электрического сопротивления точки питания антенны, которая вызывается излучением электромагнитных волн от антенны. ^[1] При радиопередаче радиопередатчик подключается к антенне. Передатчик генерирует переменный ток радиочастоты, который подается на антенну, а антенна излучает энергию переменного тока в виде радиоволн. . Поскольку антенна поглощает энергию, излучаемую передатчиком, входные клеммы антенны оказывают сопротивление току передатчика. В отличие от других сопротивлений в электрических цепях, сопротивление излучения не связано с сопротивлением ( удельным сопротивлением ) материала проводников антенны электрическому току; это виртуальное сопротивление из-за потери антенной энергии в виде радиоволн. ^{[2] [1]} Сопротивление излучения можно определить как значение сопротивления, которое рассеивает такое же количество энергии, которое излучается антенной в виде радиоволн при проходящем через нее входном токе антенны. ^{[3] [2] [4]} Из закона Джоуля${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$, он равен полной мощности, излучаемой антенной в виде радиоволн, деленной на квадрат среднеквадратичного значения тока на клеммы антенны: ^[4] . ^[5]${\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$${\ displaystyle I _ {\ text {rms}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P _ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$

Сопротивление излучения определяется геометрией антенны и рабочей частотой . ^[6] Общее сопротивление в точке питания на выводах антенны равно сопротивлению излучения плюс сопротивление потерь из-за омических потерь в антенне. В приемной антенне сопротивление излучения представляет собой сопротивление источника антенны, а часть принятой мощности радиосвязи, потребляемая сопротивлением излучения, представляет собой радиоволны, переизлучаемые (рассеянные) антенной. ^{[7] [8]}

Причина [ править ]

Электромагнитные волны излучаются электрическими зарядами, когда они ускоряются . ^{[1] [9]} В передающей антенне радиоволны генерируются изменяющимися во времени электрическими токами , состоящими из электронов, ускоряющихся, когда они текут вперед и назад в металлической антенне, движимые электрическим полем из-за колебательного напряжения, приложенного к антенне от радиопередатчик . ^{[10] [6]} Электромагнитная волна уносит импульс от электрона, который ее испустил. Причиной радиационной стойкости является радиационная реакция ,сила отдачи на электрон, когда он испускает радиоволновой фотон , который уменьшает его импульс . ^{[11] [12] [1]} Это называется силой Абрахама – Лоренца . Сила отдачи направлена ​​в направлении, противоположном электрическому полю в антенне, ускоряющей электрон, уменьшая среднюю скорость электронов при заданном управляющем напряжении, поэтому она действует как сопротивление, противодействующее току.

Радиационная стойкость и сопротивление потерь [ править ]

Сопротивление излучения - это только часть сопротивления точки питания на выводах антенны. Антенна имеет другие потери энергии, которые проявляются как дополнительное сопротивление на выводах антенны; омическое сопротивление металлических элементов антенны, потери на землю от наведенных в земле токов и диэлектрические потери в изоляционных материалах. Общее сопротивление точки питания равно сумме сопротивления излучения и сопротивления потерь.${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$

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

Мощность, подаваемая на антенну, пропорционально распределяется между этими двумя сопротивлениями. ^{[2] [13]}${\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$

${\displaystyle P_{\text{IN}}=I_{\text{IN}}^{2}(R_{\text{R}}+R_{\text{L}})}$

${\displaystyle P_{\text{IN}}=P_{\text{R}}+P_{\text{L}}}$

куда

${\displaystyle P_{\text{R}}=I_{\text{IN}}^{2}R_{\text{R}}\quad }$ и ${\displaystyle \quad P_{\text{L}}=I_{\text{IN}}^{2}R_{\text{L}}}$

Мощность, потребляемая сопротивлением излучения, преобразуется в радиоволны, желаемую функцию антенны, в то время как мощность, потребляемая сопротивлением потерь, преобразуется в тепло, представляя собой бесполезную трату мощности передатчика. ^[2] Таким образом, для минимальных потерь мощности желательно, чтобы сопротивление излучения было намного больше сопротивления потерь. Отношение сопротивления излучения к общему сопротивлению точки питания равно КПД антенны. ${\displaystyle P_{\text{R}}}$${\displaystyle P_{\text{L}}}$ ${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \eta ={P_{\text{R}} \over P_{\text{IN}}}={R_{\text{R}} \over R_{\text{R}}+R_{\text{L}}}}$

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

Эффект от точки питания [ править ]

В резонансной антенне ток и напряжение образуют стоячие волны по длине антенного элемента, поэтому величина тока в антенне синусоидально изменяется по ее длине. Точка питания , место, где крепится линия питания от передатчика, может располагаться в разных точках вдоль элемента антенны. Поскольку сопротивление излучения зависит от входного тока, оно зависит от точки питания. ^[14] Он самый низкий для точек питания, расположенных в точке максимального тока ( пучности ), и самый высокий для точек питания, расположенных в точке минимального тока, узел, например, на конце элемента (теоретически в бесконечно тонком антенном элементе сопротивление излучения бесконечно в узле, но конечная толщина реальных антенных элементов дает ему высокое, но конечное значение, порядка тысяч Ом ). ^[15] Выбор точки питания иногда используется как удобный способ согласования импеданса антенны с ее фидерной линией, путем присоединения фидера к антенне в точке, в которой ее входное сопротивление равно характеристическому сопротивлению фидерной линии.

Чтобы дать значимое значение для эффективности антенны, сопротивление излучения и сопротивление потерь должны относиться к одной и той же точке на антенне, обычно к входным клеммам. ^{[16] [17]} Сопротивление излучения обычно рассчитывается относительно максимального тока в антенне. ^[14] Если антенна запитана в точке максимального тока, как в обычном полуволновом диполе с центральным питанием или четвертьволновом монополе с базовым питанием , это значение является сопротивлением излучения. Однако, если антенна питается в другой точке, эквивалентное сопротивление излучения в этой точке можно легко вычислить из отношения антенных токов ^{[15] [17]}${\displaystyle I_{\text{0}}}$${\displaystyle R_{\text{R0}}}$${\displaystyle R_{\text{R1}}}$

${\displaystyle P_{\text{R}}=I_{\text{0}}^{2}R_{\text{R0}}=I_{\text{1}}^{2}R_{\text{R1}}}$

${\displaystyle R_{\text{R1}}={\Big (}{I_{\text{0}} \over I_{\text{1}}}{\Big )}^{2}R_{\text{R0}}}$

Приемные антенны [ править ]

В приемной антенне сопротивление излучения представляет собой сопротивление источника антенны как ( эквивалент Тевенина ) источника энергии. Из-за электромагнитной взаимности антенна при приеме радиоволн имеет такое же сопротивление излучению, как и при передаче. Если антенна подключена к электрической нагрузке, такой как радиоприемник , мощность, полученная от радиоволн, падающих на антенну, делится пропорционально между сопротивлением излучения и сопротивлением потерь антенны и сопротивлением нагрузки. ^{[7] [8]} Мощность, рассеиваемая в сопротивлении излучения, возникает из-за переизлучения (рассеяния) антенной радиоволн. ^{[7] [8]} Максимальная мощность передается на приемник, когда его полное сопротивление согласовано с антенной. Если антенна работает без потерь, половина мощности, потребляемой антенной, передается приемнику, другая половина переизлучается. ^{[7] [8]}

Радиационная стойкость обычных антенн [ править ]

Антенна	Радиационное сопротивление Ом	Источник
Полуволновой диполь с центральным питанием	73,1 [18]	Краус 1988 : 227, Баланис 2005 : 216
Короткий диполь длины ${\displaystyle \lambda /50<L<\lambda /10}$	${\displaystyle 20\pi ^{2}{\Big (}{L \over \lambda }{\Big )}^{2}}$	Краус 1988 : 216, Баланис 2005 : 165 215
Четвертьволновый монополь с питанием от базы над идеально проводящей землей	36,5	Баланис 2005 : 217, Штутцман и Тиле 2012 : 80
Короткий монополь на идеально проводящей земле${\displaystyle L\ll \lambda /4}$	${\displaystyle 40\pi ^{2}{\Big (}{L \over \lambda }{\Big )}^{2}}$	Штутцман и Тиле 2012 : 78–80
Резонансная рамочная антенна, 1 окружность${\displaystyle \lambda }$	~ 100	Уэстон 2017 : 15, Шмитт 2002 : 236
Малая петля площади с витками (окружность )${\displaystyle A}$${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \ll \lambda /3}$	${\displaystyle 320\pi ^{4}{\Big (}{NA \over \lambda ^{2}}{\Big )}^{2}}$	Краус 1988 : 251, Баланис 2005 : 238
Маленькая петля площади с витками на ферритовом сердечнике эффективной относительной проницаемости${\displaystyle A}$${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \mu _{\text{eff}}}$	${\displaystyle 320\pi ^{4}{\Big (}{\mu _{\text{eff}}NA \over \lambda ^{2}}{\Big )}^{2}}$	Краус 1988 : 259, Миллиган 2005 : 260

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

В полуволновом диполе «сек излучения сопротивление 73 Ом находится достаточно близко к волновому сопротивлению общего 50 и 75 Ом коаксиального кабеля , что она обычно может быть подана непосредственно , без необходимости использования согласования импеданса сети. Это одна из причин широкого использования полуволнового диполя в качестве ведомого элемента в антеннах. ^[19]

Связь монополей и диполей [ править ]

Сопротивление излучения монопольной антенны, создаваемое заменой одной стороны дипольной антенны перпендикулярной заземляющей поверхностью, составляет половину сопротивления исходной дипольной антенны. Это связано с тем, что монополь излучает только половину пространства, пространства над плоскостью, поэтому диаграмма направленности идентична половине диаграммы направленности диполя и, следовательно, при том же входном токе он излучает только половину мощности. ^[20] Это не очевидно из формул в таблице, потому что производная монопольная антенна составляет только половину длины исходной дипольной антенны. Это можно показать, рассчитав радиационную стойкость короткого монополя, равного половине длины диполя.

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

Сравнение этого с формулой для короткого диполя показывает, что монополь имеет половину радиационного сопротивления.

${\displaystyle R_{\text{R}}=20\pi ^{2}{\Big (}{L \over \lambda }{\Big )}^{2}\qquad \qquad \qquad }$ (диполь длины L)

Расчет [ править ]

Расчет радиационного сопротивления антенны непосредственно по силе реакции на электроны очень сложен и представляет теоретические трудности при учете силы самодействия электрона. ^[1] Излучение сопротивление вместо вычисляется путем вычисления дальнего поля диаграммы направленности антенны, поток мощности ( вектора Пойнтинга ) на каждом углу, для данной антенны тока. ^[21] Он интегрирован по сфере, окружающей антенну, чтобы дать полную мощность, излучаемую антенной. Тогда радиационная стойкость рассчитывается по мощности по сохранению энергии.${\displaystyle P_{\text{R}}}$, как сопротивление, которое антенна должна представить входному току, чтобы поглотить излучаемую мощность от передатчика, используя закон Джоуля ^[5]${\displaystyle R_{\text{R}}=P_{\text{R}}/I_{\text{rms}}^{2}}$

Маленькие антенны [ править ]

Электрически короткие антенны , антенны с длиной намного меньше длины волны , являются плохими передающими антеннами, поскольку они не могут эффективно питаться из-за их низкой радиационной стойкости. Как видно из приведенной выше таблицы, для антенн короче их основной резонансной длины ( для дипольной антенны, для монополя, длина окружности для петли) сопротивление излучения уменьшается пропорционально квадрату их длины. ^[22] По мере уменьшения длины сопротивление потерь, которое последовательно с сопротивлением излучения, составляет большую часть сопротивления точки питания, поэтому оно потребляет большую часть мощности передатчика, вызывая снижение эффективности антенны. .${\displaystyle \lambda /2}$${\displaystyle \lambda /4}$${\displaystyle \lambda }$

Например, военно-морской флот использует радиоволны около 15–30 кГц в диапазоне очень низких частот (VLF) для связи с подводными лодками. Радиоволна 15 кГц имеет длину волны 20 км. В мощных морских береговых передатчиках СНЧ, которые передают сигнал на подводные лодки, используются большие монопольные мачтовые антенны, высота которых ограничена стоимостью строительства, до высоты около 300 метров (980 футов). Хотя по обычным стандартам это высокие антенны, на частоте 15 кГц это все равно всего около 0,015 длины волны, поэтому VLF-антенны электрически короткие . Из таблицы видно, что несимметричная антенна 0,015 имеет сопротивление излучения около 0,09 Ом. Снизить сопротивление потерь антенны до этого уровня крайне сложно. Поскольку омическое сопротивление огромного${\displaystyle \lambda }$Систему заземления и нагрузочную катушку нельзя сделать ниже примерно 0,5 Ом, эффективность простой вертикальной антенны ниже 20%, поэтому более 80% мощности передатчика теряется в сопротивлении заземления. Для увеличения радиационной стойкости в ОНЧ-передатчиках используются огромные емкостные антенны с верхней нагрузкой, такие как зонтичные антенны и плоские антенны , в которых воздушная сеть из горизонтальных проводов прикреплена к верхней части вертикального излучателя, образуя «пластину конденсатора» на земле. для увеличения тока в вертикальном радиаторе. Однако это может повысить эффективность максимум до 50-70%.

Небольшие приемные антенны, такие как ферритовые рамочные антенны, используемые в AM-радиостанциях, также имеют низкую радиационную стойкость и, следовательно, производят очень низкую мощность. Однако на частотах ниже 30 МГц это не проблема, поскольку слабый сигнал от антенны можно просто усилить в приемнике.

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

Определение переменных [ править ]

Символ	Единица измерения	Определение
${\displaystyle \lambda }$	метр	Длина волны радиоволн
${\displaystyle \pi }$	никто	Константа = 3,14159
${\displaystyle \mu _{\text{eff}}}$	никто	Эффективная относительная магнитная проницаемость ферритового стержня в антенне
${\displaystyle A}$	метр 2	Площадь поперечного сечения рамочной антенны
${\displaystyle f}$	герц	Частота радиоволн
${\displaystyle I_{\text{IN}}}$	ампер	Среднеквадратичный ток на антенных выводах
${\displaystyle I_{\text{0}}}$	ампер	Максимальный среднеквадратичный ток в антенном элементе
${\displaystyle I_{\text{1}}}$	ампер	Среднеквадратичный ток в произвольной точке антенного элемента
${\displaystyle L}$	метр	Длина антенны
${\displaystyle N}$	никто	Количество витков провода в рамочной антенне
${\displaystyle P_{\text{IN}}}$	ватт	Электроэнергия, подаваемая на антенные терминалы
${\displaystyle P_{\text{R}}}$	ватт	Мощность, излучаемая антенной в виде радиоволн
${\displaystyle P_{\text{L}}}$	ватт	Потребляемая мощность в сопротивлении потерь антенны
${\displaystyle R_{\text{R}}}$	ом	Радиационная стойкость антенны
${\displaystyle R_{\text{L}}}$	ом	Эквивалентное сопротивление потерь антенны на входных клеммах
${\displaystyle R_{\text{IN}}}$	ом	Входное сопротивление антенны
${\displaystyle R_{\text{R0}}}$	ом	Радиационная стойкость в точке максимального тока в антенне
${\displaystyle R_{\text{R1}}}$	ом	Радиационная стойкость в произвольной точке антенны

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

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

См. Также [ править ]

• Эффективность антенны
• Импеданс свободного пространства