В радиотехнике антенна ( американский английский ) или антенна ( британский английский ) — это интерфейс между радиоволнами, распространяющимися в пространстве, и электрическими токами, движущимися в металлических проводниках, используемый с передатчиком или приёмником . [1] При передаче радиопередатчик подает электрический ток на клеммы антенны, а антенна излучает энергию тока в виде электромагнитных волн (радиоволн). При приеме антенна перехватывает часть мощности радиоволны, чтобы произвести на ее клеммах электрический ток, который подается на приемник для усиления . Антенны являются важными компонентами любого радиооборудования . [2]
Антенна представляет собой массив проводников ( элементов ), электрически соединенных с приемником или передатчиком. Антенны могут быть предназначены для передачи и приема радиоволн во всех горизонтальных направлениях одинаково ( всенаправленные антенны ) или предпочтительно в определенном направлении ( направленные , или с высоким коэффициентом усиления, или «лучевые» антенны). Антенна может включать в себя компоненты, не подключенные к передатчику, параболические отражатели , рупоры или паразитные элементы , которые служат для направления радиоволн в луч или другую желаемую диаграмму направленности . Сильную направленность и хорошую эффективность при передаче трудно достичь с помощью антенн, размеры которых намного меньше половины длины волны .
Первые антенны были построены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем в его новаторских экспериментах по доказательству существования волн, предсказанных электромагнитной теорией Джеймса Клерка Максвелла . Герц разместил дипольные антенны в фокусе параболических отражателей как для передачи, так и для приема. [3] Начиная с 1895 года Гульельмо Маркони начал разработку антенн, пригодных для беспроводной телеграфии на большие расстояния, за что получил Нобелевскую премию. [4]
Слова антенна и антенна используются как взаимозаменяемые. Иногда эквивалентный термин «антенна» используется для обозначения приподнятой горизонтальной проволочной антенны. Происхождение слова «антенна» относительно беспроводного устройства приписывается пионеру итальянского радио Гульельмо Маркони . Летом 1895 года Маркони начал тестировать свою беспроводную систему на открытом воздухе в поместье своего отца недалеко от Болоньи и вскоре начал экспериментировать с длинными проводными «антеннами», подвешенными на столбе. [4] По -итальянски 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». Благодаря своей известности использование Маркони слова « антенна» распространилось среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а затем и среди широкой публики. [5] [6] [7]
Антенна в широком смысле может относиться ко всей сборке, включая опорную конструкцию, корпус (если таковой имеется) и т. д., в дополнение к фактическим компонентам, несущим радиочастотный ток . Приемная антенна может включать в себя не только пассивные металлические приемные элементы, но также встроенный предусилитель или смеситель , особенно на микроволновых частотах и выше.
_by_night_under_the_Magellanic_Clouds.jpg/1280px-The_Atacama_Large_Millimeter_submillimeter_Array_(ALMA)_by_night_under_the_Magellanic_Clouds.jpg)
Антенны необходимы любому радиоприемнику или передатчику для соединения его электрического соединения с электромагнитным полем. [9] Радиоволны — это электромагнитные волны , которые переносят сигналы по воздуху (или через пространство) со скоростью света практически без потерь при передаче .
Антенны можно разделить на всенаправленные , излучающие энергию примерно одинаково во всех горизонтальных направлениях, и направленные , когда радиоволны концентрируются в каком-то направлении(ях). Так называемая лучевая антенна является однонаправленной и предназначена для максимального отклика в направлении другой станции, тогда как многие другие антенны предназначены для приема станций в различных направлениях, но не являются действительно всенаправленными. Поскольку антенны подчиняются принципу взаимности , одна и та же диаграмма направленности применима как к передаче, так и к приему радиоволн. Гипотетическая антенна, которая излучает одинаково во всех вертикальных и горизонтальных углах, называется изотропным излучателем , однако на практике они не могут существовать и не являются особенно желательными. Для большинства наземных коммуникаций, скорее, преимуществом является уменьшение излучения в небо или землю в пользу горизонтального направления(й). Дипольная антенна , ориентированная горизонтально, не передает энергию в направлении проводника (это называется нулевой антенной), но ее можно использовать в большинстве других направлений. Несколько таких дипольных элементов можно объединить в антенную решетку, такую как Яги-Уда , чтобы отдать предпочтение одному горизонтальному направлению, что называется лучевой антенной.
Дипольная антенна, которая является основой большинства конструкций антенн, представляет собой симметричный компонент с равными, но противоположными напряжениями и токами, приложенными к двум ее выводам. Вертикальная антенна представляет собой несимметричную антенну относительно земли. Земля (или любая большая проводящая поверхность) играет роль второго проводника монополя. Поскольку монопольные антенны опираются на проводящую поверхность, их можно установить с плоскостью заземления , чтобы приблизить эффект установки на поверхности Земли.
Более сложные антенны увеличивают направленность антенны. Дополнительные элементы в конструкции антенны, которые не требуют прямого подключения к приемнику или передатчику, повышают ее направленность. «Усиление» антенны описывает концентрацию излучаемой мощности в определенном телесном угле пространства. «Усиление», возможно, неудачно выбранный термин по сравнению с «усилением» усилителя, которое подразумевает чистое увеличение мощности. Напротив, что касается «усиления» антенны, мощность, увеличенная в желаемом направлении, происходит за счет мощности, уменьшенной в нежелательных направлениях. В отличие от усилителей, антенны являются электрически « пассивными » устройствами, которые сохраняют общую мощность, и общая мощность не увеличивается сверх мощности, передаваемой от источника питания (передатчика), а только улучшается распределение этой фиксированной общей мощности.
Фазированная решетка состоит из двух или более простых антенн, соединенных между собой через электрическую сеть. Часто это включает в себя несколько параллельных дипольных антенн, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. 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 с торцевым лучом» (направленная вдоль линии, соединяющей элементы). элементы). В антенных решетках могут использоваться антенны любого базового (всенаправленного или слабонаправленного) типа, например дипольные, рамочные или щелевые антенны. Эти элементы часто идентичны.
Логопериодические и частотно-независимые антенны используют самоподобие для работы в широком диапазоне полос пропускания . Наиболее знакомым примером является логопериодическая дипольная решетка , которую можно рассматривать как ряд (обычно от 10 до 20) связанных дипольных элементов с прогрессивной длиной в конечной решетке, что делает ее довольно направленной; он находит особенное применение в качестве антенны на крыше для приема телевизионных сигналов. С другой стороны, антенна Яги-Уда (или просто «Яги»), имеющая несколько схожий внешний вид, имеет только один дипольный элемент с электрическим соединением; другие паразитные элементы взаимодействуют с электромагнитным полем, чтобы создать остронаправленную антенну, но с узкой полосой пропускания.
Еще большей направленности можно добиться, используя апертурные антенны , такие как параболический рефлектор или рупорная антенна . Поскольку высокая направленность антенны зависит от ее размера по сравнению с длиной волны, узконаправленные антенны (таким образом, с высоким коэффициентом усиления антенны ) становятся более практичными на более высоких частотах ( УВЧ и выше).
На низких частотах (например , AM-вещание ) для достижения направленности используются массивы вертикальных вышек [10] , и они будут занимать большие площади земли. Для приема длинная антенна Бевериджа может иметь значительную направленность. Для ненаправленного портативного использования хорошо подойдет короткая вертикальная антенна или небольшая рамочная антенна , при этом основной задачей проектирования является согласование импедансов . В вертикальной антенне можно использовать нагрузочную катушку в основании антенны для подавления реактивной составляющей импеданса ; Для этой цели небольшие рамочные антенны настраиваются с помощью параллельных конденсаторов.
Ввод антенны — это линия передачи или линия подачи , которая соединяет антенну с передатчиком или приемником. « Антенный канал » может относиться ко всем компонентам, соединяющим антенну с передатчиком или приемником, например, к сети согласования импеданса в дополнение к линии передачи. В так называемой «апертурной антенне», такой как рупорная или параболическая тарелка, «облучатель» может также относиться к базовой излучающей антенне, встроенной во всю систему отражающих элементов (обычно в фокусе параболической тарелки или в горло рупора), который можно считать единственным активным элементом в этой антенной системе. СВЧ-антенна также может питаться непосредственно от волновода вместо (проводящей) линии передачи .
Антенный противовес , или заземляющая пластина , представляет собой структуру из проводящего материала, которая улучшает или заменяет землю. Он может быть подсоединен к естественному заземлению или изолирован от него. В монопольной антенне это способствует функционированию естественного заземления, особенно там, где изменения (или ограничения) характеристик естественного заземления мешают его правильному функционированию. Такая конструкция обычно подключается к обратному соединению несбалансированной линии передачи, например к экрану коаксиального кабеля .
Рефрактор электромагнитных волн в некоторых апертурных антеннах представляет собой компонент, который благодаря своей форме и положению избирательно задерживает или продвигает части фронта электромагнитной волны, проходящие через него. Рефрактор изменяет пространственные характеристики волны с одной стороны относительно другой. Например, он может сфокусировать волну или изменить фронт волны другими способами, как правило, для того, чтобы максимизировать направленность антенной системы. Это радиоэквивалент оптической линзы .
Сеть антенной связи — это пассивная сеть (обычно комбинация индуктивных и емкостных элементов схемы), используемая для согласования импедансов между антенной и передатчиком или приемником. Это можно использовать для минимизации потерь в питающей линии за счет уменьшения коэффициента стоячей волны в линии передачи и для обеспечения передатчика или приемника стандартным резистивным сопротивлением, необходимым для его оптимальной работы. Выбирается место(а) точки питания, и антенные элементы, электрически аналогичные компонентам тюнера , могут быть включены в саму конструкцию антенны для улучшения согласования .
Фундаментальным свойством антенн является то, что большинство электрических характеристик антенны, например, описанных в следующем разделе (например , коэффициент усиления , диаграмма направленности , полное сопротивление , полоса пропускания , резонансная частота и поляризация ), одинаковы независимо от того, передает антенна или нет. или получение . [11] [12] Например, «диаграмма приема» (чувствительность к входящим сигналам как функция направления) антенны, когда она используется для приема, идентична диаграмме направленности антенны, когда она приводится в движение и функционирует как излучатель. , даже несмотря на то, что распределения тока и напряжения на самой антенне при приеме и отправке различны. [13] Это следствие теоремы взаимности электромагнетизма. [12] Поэтому при обсуждении свойств антенны обычно не делается различий между терминологией приема и передачи, и антенну можно рассматривать как передающую или приемную, в зависимости от того, что удобнее.
Необходимым условием вышеупомянутого свойства взаимности является то, что материалы антенны и среды передачи являются линейными и взаимными. Взаимный (или двусторонний ) означает, что материал имеет одинаковую 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 , изготовленные из невзаимных материалов, таких как феррит . [11] [12] Их можно использовать для придания антенне другого поведения при приеме и при передаче, [11] что может быть полезно в таких приложениях, как радар .
Большинство конструкций антенн основано на резонансном принципе. Это зависит от поведения движущихся электронов, которые отражаются от поверхностей, где изменяется диэлектрическая проницаемость , аналогично тому, как отражается свет 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 подключается к линии передачи . Проводник или элемент выравнивается по электрическому полю полезного сигнала, что обычно означает, что он перпендикулярен линии от антенны к источнику (или приемнику в случае широковещательной антенны). [14]
Электрический компонент 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 /4При длине волны ток от точки питания претерпит изменение фазы на 90 градусов к тому времени, когда он достигнет конца проводника, отразится на 180 градусов, а затем еще на 90 градусов, когда он пойдет обратно. Это означает, что он претерпел полное изменение фазы на 360 градусов, вернув его к исходному сигналу. Таким образом, ток в элементе добавляется к току, создаваемому источником в этот момент. Этот процесс создает в проводнике стоячую волну с максимальным током в питании. [15]
Обычный полуволновой диполь, вероятно, является наиболее широко используемой конструкцией антенны. Он состоит из двух 1 /4 элементы длины волны, расположенные встык и лежащие по существу вдоль одной и той же оси (или коллинеарно ), каждый из которых питает одну сторону двухпроводного провода передачи. Физическое расположение двух элементов смещает их по фазе на 180 градусов, что означает, что в любой момент один из элементов подает ток в линию передачи, а другой вытягивает его. Монопольная антенна по сути представляет собой половину полуволнового диполя. 1 /4 элемент длины волны, другая сторона которого подключена к земле или эквивалентной заземляющей пластине (или противовесу ). Монополи, размер которых составляет половину диполя, обычно используются для длинноволновых радиосигналов, где диполь был бы непрактично большим. Другой распространенной конструкцией является сложенный диполь , который состоит из двух (или более) полуволновых диполей, расположенных рядом и соединенных на своих концах, но только один из которых является активным.
Стоячая волна формируется с желаемой диаграммой направленности на расчетной рабочей частоте f o , и антенны обычно проектируются с таким размером. Однако подача на этот элемент 3 f o (длина волны которого равна 1 /3то же самое, что f o ) также приведет к образованию стоячей волны. Таким образом, антенный элемент является резонансным и тогда, когда его длина равна 3 /4длины волны. Это верно для всех нечетных кратных 1 /4 длина волны. Это обеспечивает некоторую гибкость конструкции с точки зрения длины антенны и точек питания. Известно, что антенны, используемые таким образом, работают гармонично . [16] В резонансных антеннах обычно используется линейный проводник (или элемент ) или пара таких элементов, длина каждого из которых составляет примерно четверть длины волны (нечетное кратное четверти длины волны также будет резонансным). Антенны, которые должны быть небольшими по сравнению с эффективностью жертвования длиной волны, и не могут быть очень направленными. Поскольку длины волн на более высоких частотах ( УВЧ , микроволны ) настолько малы, компромисс между производительностью и меньшими физическими размерами обычно не требуется.
Четвертьволновые элементы имитируют последовательный резонансный электрический элемент благодаря стоячей волне, присутствующей вдоль проводника. На резонансной частоте стоячая волна имеет пик тока и узел напряжения (минимум) на питании. С электрической точки зрения это означает, что в этом положении элемент имеет минимальную величину импеданса , генерируя максимальный ток при минимальном напряжении. Это идеальная ситуация, поскольку она обеспечивает максимальную производительность при минимальных затратах, обеспечивая максимально возможную эффективность. В отличие от идеального последовательного резонансного контура (без потерь), остается конечное сопротивление (соответствующее относительно небольшому напряжению в точке питания) из-за сопротивления антенны излучению , а также любых обычных электрических потерь из-за выделения тепла.
Напомним, что ток будет отражаться при изменении электрических свойств материала. Чтобы эффективно передавать принятый сигнал в линию передачи, важно, чтобы линия передачи имела тот же импеданс , что и точка ее подключения на антенне, иначе часть сигнала будет отражаться обратно в корпус антенны; аналогичным образом часть мощности сигнала передатчика будет отражена обратно в передатчик, если произойдет изменение электрического сопротивления в месте соединения фидерной линии с антенной. Это приводит к концепции согласования импедансов , разработке всей системы антенны и линии передачи таким образом, чтобы импеданс был как можно более близким, тем самым уменьшая эти потери. Согласование импеданса осуществляется с помощью схемы, называемой антенным тюнером , или сети согласования импеданса между передатчиком и антенной. Согласование импеданса между фидерной линией и антенной измеряется параметром, называемым коэффициентом стоячей волны (КСВ) на фидерной линии.
Рассмотрим полуволновой диполь, предназначенный для работы с сигналами длиной волны 1 м, то есть антенна будет иметь длину примерно 50 см от кончика до кончика. Если отношение длины элемента к диаметру равно 1000, его собственное сопротивление будет 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 Вольта, и антенна будет излучать 63 Вт (без учета потерь) радиочастотной мощности. Теперь рассмотрим случай, когда на антенну подается сигнал длиной волны 1,25 м; в этом случае ток, индуцированный сигналом, будет поступать в точку питания антенны в противофазе с сигналом, что приведет к падению чистого тока, в то время как напряжение останется 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 расчетной частоте.
В результате резонансная антенна будет эффективно подавать сигнал в линию передачи только тогда, когда частота исходного сигнала близка к расчетной частоте антенны или одному из резонансных кратных. Это делает конструкции резонансных антенн по своей сути узкополосными: они полезны только для небольшого диапазона частот, сосредоточенных вокруг резонанса(ов).
Можно использовать простые методы согласования импеданса , чтобы позволить использовать монопольные или дипольные антенны, существенно короче, чем 1 /4или 1 /2 волны соответственно, при которой они резонансны. Поскольку эти антенны становятся короче (для данной частоты), в их импедансе начинает преобладать последовательное емкостное (отрицательное) реактивное сопротивление; добавив « нагрузочную катушку » соответствующего размера - последовательную индуктивность с равным и противоположным (положительным) реактивным сопротивлением - емкостное реактивное сопротивление антенны можно нейтрализовать, оставив только чистое сопротивление.
Иногда результирующая (нижняя) электрическая резонансная частота такой системы (антенна плюс согласующая сеть) описывается с использованием понятия электрической длины , поэтому антенну, используемую на частоте более низкой, чем ее резонансная частота, называют электрически короткой антенной [17].
Например, на частоте 30 МГц (длина волны 10 м) настоящий резонансный 1 /4 Волновой монополь будет иметь длину почти 2,5 метра, а использование антенны высотой всего 1,5 метра потребует добавления нагрузочной катушки. Тогда можно сказать, что катушка удлинила антенну до электрической длины 2,5 метра. Однако результирующий резистивный импеданс будет немного ниже, чем у настоящего 1 /4 волновой (резонансный) монополь, часто требующий дальнейшего согласования импеданса (трансформатора) с желаемой линией передачи. Для все более коротких антенн (требующих большего «электрического удлинения») сопротивление излучения резко падает (приблизительно в соответствии с квадратом длины антенны), так что рассогласование из-за чистого реактивного сопротивления вдали от электрического резонанса ухудшается. Или с таким же успехом можно сказать, что эквивалентный резонансный контур антенной системы имеет более высокую добротность и, следовательно, уменьшенную полосу пропускания, [17] которая может даже стать недостаточной для спектра передаваемого сигнала. Резистивные потери из-за нагрузочной катушки по сравнению с уменьшенным сопротивлением излучения влекут за собой снижение электрического КПД, что может представлять большую проблему для передающей антенны, но полоса пропускания является основным фактором [ сомнительно - [ сомнительно - , который устанавливает размер антенн на 1 МГц и нижних частотах.
Поток излучения как функция расстояния от передающей антенны изменяется по закону обратных квадратов , поскольку он описывает геометрическую расходимость передаваемой волны. Для данного входящего потока мощность, получаемая приемной антенной, пропорциональна ее эффективной площади . Этот параметр сравнивает количество мощности , улавливаемой приемной антенной, с потоком входящей волны (измеряется через плотность мощности сигнала в ваттах на квадратный метр). Полуволновой диполь имеет эффективную площадь около 0,13 λ 2 , если смотреть в поперечном направлении. Если требуется более высокий коэффициент усиления, нельзя просто увеличить антенну. Из-за ограничения на эффективную площадь приемной антенны, подробно описанного ниже, видно, что для уже эффективной конструкции антенны единственный способ увеличить усиление (эффективную площадь) - это уменьшить усиление антенны в другом направлении.
Если полуволновой диполь не подключен к внешней цепи, а закорочен в точке питания, то он становится резонансным полуволновым элементом, который эффективно создает стоячую волну в ответ на падающую радиоволну. Поскольку нет нагрузки, поглощающей эту мощность, он ретранслирует всю эту мощность, возможно, со сдвигом фазы, который критически зависит от точной длины элемента. Таким образом, такой проводник может быть организован для передачи второй копии сигнала передатчика, чтобы влиять на диаграмму направленности (и полное сопротивление точки питания) элемента, электрически соединенного с передатчиком. Используемые таким образом антенные элементы известны как пассивные излучатели .
Массив Яги-Уда использует пассивные элементы для значительного увеличения усиления в одном направлении (за счет других направлений). Несколько параллельных примерно полуволновых элементов (очень определенной длины) расположены параллельно друг другу в определенных положениях вдоль стрелы; стрела предназначена только для поддержки и не задействована электрически. Только один из элементов электрически связан с передатчиком или приемником, а остальные элементы пассивны. Яги дает довольно большой коэффициент усиления (в зависимости от количества пассивных элементов) и широко используется в качестве направленной антенны с ротором антенны для управления направлением ее луча. Он страдает от довольно ограниченной пропускной способности, что ограничивает его использование определенными приложениями.
Вместо использования одного управляемого антенного элемента вместе с пассивными излучателями можно построить антенную решетку , в которой все несколько элементов возбуждаются передатчиком через систему делителей мощности и линий передачи в относительных фазах, чтобы сконцентрировать радиочастотную мощность в одном направление. Более того, фазированную решетку можно сделать «управляемой», то есть, изменяя фазы, подаваемые на каждый элемент, можно смещать диаграмму направленности без физического перемещения элементов антенны. Другая распространенная антенная решетка - это логопериодическая дипольная решетка , которая внешне похожа на Яги (с несколькими параллельными элементами вдоль стрелы), но совершенно отличается в работе, поскольку все элементы электрически соединены с соседним элементом с обращением фазы. ; используя логопериодический принцип, он приобретает уникальное свойство сохранять свои рабочие характеристики (усиление и полное сопротивление) в очень широкой полосе пропускания.
Когда радиоволна попадает на большой проводящий лист, она отражается (с обратной фазой электрического поля) так же, как зеркало отражает свет. Размещение такого отражателя позади ненаправленной антенны гарантирует, что мощность, которая пошла бы в его направлении, будет перенаправлена в желаемом направлении, увеличивая усиление антенны как минимум в 2 раза. Аналогичным образом, угловой отражатель может гарантировать, что вся мощность антенны концентрируется только в одном квадранте пространства (или меньше) с последующим увеличением усиления. Практически, отражатель не обязательно должен представлять собой сплошной металлический лист, он может состоять из завесы из стержней, ориентированных по поляризации антенны; это значительно снижает вес отражателя и ветровую нагрузку . Зеркальное отражение радиоволн также используется в антенне с параболическим рефлектором , в которой изогнутая отражающая поверхность обеспечивает фокусировку падающей волны в направлении так называемой фидерной антенны ; в результате получается антенная система с эффективной площадью, сравнимой с размером самого отражателя. В антенной технологии также используются другие концепции геометрической оптики , например, линзовая антенна .
Коэффициент усиления антенны (или просто «усиление») также учитывает эффективность антенны и часто является основным показателем качества. Антенны характеризуются рядом показателей производительности, которые могут быть важны пользователю при выборе или проектировании антенны для конкретного применения. График характеристик направленности в пространстве, окружающем антенну, представляет собой ее диаграмму направленности .
Диапазон частот или полоса пропускания , в которых антенна работает хорошо, может быть очень широким (как в логопериодической антенне) или узким (как в небольшой рамочной антенне); за пределами этого диапазона импеданс антенны плохо соответствует линии передачи и передатчику (или приемнику). Использование антенны вдали от ее расчетной частоты влияет на ее диаграмму направленности , уменьшая ее направленное усиление.
Обычно антенна не имеет импеданса точки питания, соответствующего импедансу линии передачи; согласующая сеть между антенными терминалами и линией передачи улучшит передачу мощности на антенну. Нерегулируемая согласующая сеть, скорее всего, будет дополнительно ограничивать полезную полосу пропускания антенной системы. Для изготовления антенны может быть желательно использовать трубчатые элементы вместо тонких проводов; это обеспечит большую пропускную способность. Или несколько тонких проволок можно сгруппировать в клетке , чтобы имитировать более толстый элемент. Это расширяет полосу резонанса.
Любительские радиоантенны, работающие в нескольких диапазонах частот, широко разнесенных друг от друга, могут параллельно соединять элементы, резонансные на этих разных частотах. 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 расположены в разрывах, созданных в длинных антенных элементах. При использовании на определенной резонансной частоте ловушки ловушка имеет очень высокий импеданс (параллельный резонанс), эффективно отсекая элемент в месте расположения ловушки; при правильном расположении усеченный элемент создает правильную резонансную антенну на частоте ловушки. На существенно более высоких или более низких частотах ловушка позволяет использовать всю длину сломанного элемента, но со сдвигом резонансной частоты за счет чистого реактивного сопротивления, добавляемого ловушкой.
Характеристики полосы пропускания элемента резонансной антенны можно охарактеризовать в соответствии с его добротностью , где сопротивление представляет собой сопротивление излучения , которое представляет собой излучение энергии от резонансной антенны в свободное пространство.
Добротность узкополосной антенны может достигать 15. С другой стороны, реактивное сопротивление на той же нерезонансной частоте у антенны с толстыми элементами намного меньше, что приводит к тому, что добротность составляет всего 5. Эти две антенны может работать эквивалентно на резонансной частоте, но вторая антенна будет работать в полосе пропускания, в 3 раза превышающей ширину антенны, состоящей из тонкого проводника.
Антенны для использования в гораздо более широком диапазоне частот создаются с использованием дополнительных технологий. Настройка согласующей сети, в принципе, может позволить согласовать любую антенну на любой частоте. Таким образом, небольшая рамочная антенна , встроенная в большинство приемников AM-вещания (средневолновых волн), 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 (в принципе) быть построены для достижения аналогичных характеристик (включая импеданс точки питания) в любом диапазоне частот. Поэтому они обычно используются (в виде направленных логопериодических дипольных решеток ) в качестве телевизионных антенн.
Усиление — это параметр, который измеряет степень направленности диаграммы направленности антенны . Антенна с высоким коэффициентом усиления будет излучать большую часть своей мощности в определенном направлении, тогда как антенна с низким коэффициентом усиления будет излучать под широким углом. Коэффициент усиления антенны или коэффициент усиления антенны определяется как отношение интенсивности (мощности на единицу площади поверхности), излучаемой антенной в направлении ее максимальной выходной мощности, на произвольном расстоянии, к деленной интенсивности, излучаемой на том же расстоянии. расстояние гипотетической изотропной антенной , излучающей одинаковую мощность во всех направлениях. Это безразмерное отношение обычно выражается логарифмически в децибелах , эти единицы называются децибел-изотропными (дБи).
Второй единицей измерения усиления является отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, излучаемой полуволновой дипольной антенной ; эти единицы называются децибел-диполь (дБд).
Поскольку усиление полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, а логарифм произведения аддитивен, усиление в дБи всего на 2,15 децибел больше, чем усиление в дБд.
Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущество большей дальности действия и лучшего качества сигнала, но их необходимо тщательно нацеливать на другую антенну. Примером антенны с высоким коэффициентом усиления является параболическая антенна, такая как антенна спутникового телевидения . Антенны с низким коэффициентом усиления имеют меньшую дальность действия, но ориентация антенны относительно не важна. Примером антенны с низким коэффициентом усиления является штыревая антенна портативных радиоприемников и беспроводных телефонов . Коэффициент усиления антенны не следует путать с коэффициентом усиления усилителя — отдельным параметром, измеряющим увеличение мощности сигнала за счет усилительного устройства, размещенного на входе системы, например малошумящего усилителя .
Эффективная площадь или эффективная апертура приемной антенны выражает часть мощности проходящей электромагнитной волны, которую антенна доставляет на свои терминалы, выраженную через эквивалентную площадь. Например, если радиоволна, проходящая в данном месте, имеет поток 1 пВт/м 2 (10-12 Вт на квадратный метр), а эффективная площадь антенны составляет 12 м 2 , то антенна будет передавать 12 пВт радиочастотного сигнала . питание приемника (30 микровольт RMS при 75 Ом). Поскольку приемная антенна не одинаково чувствительна к сигналам, принимаемым со всех направлений, эффективная площадь является функцией 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, электрический КПД которой равен 100%. Можно показать, что его эффективная площадь, усредненная по всем направлениям, должна быть равна λ 2 /4π — квадрату длины волны, деленному на 4π . Усиление определяется таким образом, что среднее усиление по всем направлениям для антенны со 100% электрическим КПД равно 1. Следовательно, эффективная площадь A eff , выраженная в коэффициенте усиления G в данном направлении, определяется выражением:
Для антенны с эффективностью менее 100% и эффективная площадь, и коэффициент усиления уменьшаются на такую же величину. Таким образом, вышеуказанная связь между усилением и эффективной площадью сохраняется. Таким образом, это два разных способа выражения одной и той же величины. Эфф особенно удобен при вычислении мощности, которую будет принимать антенна с заданным коэффициентом усиления, как показано в приведенном выше примере .
Диаграмма направленности антенны представляет собой график относительной напряженности поля радиоволн, излучаемых антенной под разными углами в дальней зоне. Обычно он представляется в виде трехмерного графика или полярных графиков горизонтального и вертикального 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 шаблоном , и на графике он выглядит как тор или пончик.
Излучение многих антенн представляет собой структуру максимумов или « лепестков » под разными углами, разделенных « нулями », углами, при которых излучение падает до нуля. Это происходит потому, что радиоволны, излучаемые различными частями антенны, обычно интерферируют , вызывая максимумы под углами, где радиоволны приходят в удаленные точки в фазе , и нулевое излучение под другими углами, где радиоволны приходят не по фазе . В направленной антенне , предназначенной для проецирования радиоволн в определенном направлении, лепесток в этом направлении имеет больший размер, чем другие, и называется « основным лепестком ». Остальные лепестки обычно представляют собой нежелательное излучение и называются « боковыми лепестками ». Ось, проходящая через главный лепесток, называется « главной осью » или « осью прицеливания ».
Полярные диаграммы (и, следовательно, эффективность и усиление) антенн Яги становятся более точными, если антенна настроена на более узкий частотный диапазон, например, сгруппированная антенна по сравнению с широкополосной. Точно так же полярные графики яги с горизонтальной поляризацией более точные, чем для яги с вертикальной поляризацией. [18]
Пространство вокруг антенны 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 выявления структуры поля в каждой, хотя переходы между ними постепенные; нет четких границ.
Область дальнего поля находится достаточно далеко от антенны, чтобы можно было игнорировать ее размер и форму: можно предположить, что электромагнитная волна представляет собой чисто излучающую плоскую волну (электрическое и магнитное поля находятся в фазе и перпендикулярны друг другу и направлению распространение). Это упрощает математический анализ излучаемого поля.
Эффективность передающей антенны — это отношение мощности, фактически излучаемой (во всех направлениях), к мощности, поглощаемой терминалами антенны. Неизлучаемая мощность, подаваемая на антенные клеммы, преобразуется в тепло. Обычно это происходит из-за сопротивления потерь в проводниках антенны или потерь между отражателем и облучателем параболической антенны.
Эффективность антенны не зависит от согласования импеданса , что также может уменьшить количество мощности, излучаемой данным передатчиком. Если КСВ- метр показывает 150 Вт падающей мощности и 50 Вт отраженной мощности, это означает, что антенна фактически поглотила 100 Вт (без учета потерь в линии передачи). Какая часть этой мощности на самом деле была излучена, не может быть непосредственно определена посредством электрических измерений на (или перед) выводами антенны, 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 обычно влияет на сопротивление точки питания, увеличивая его резистивную составляющую. Это сопротивление будет состоять из суммы сопротивления излучения R рад и сопротивления потерь R loss . Если к выводам антенны подать ток I , то будет излучаться мощность I 2 R рад , а потери мощности I 2 R будут потеряны в виде тепла. Следовательно, эффективность антенны равнаР рад/( R рад + R потери ). Непосредственно измерить можно только общее сопротивление R рад + потери R.
Согласно взаимности эффективность антенны, используемой в качестве приемной антенны, идентична ее эффективности в качестве передающей антенны, описанной выше. Мощность, которую антенна передает приемнику (при правильном согласовании импеданса ), уменьшается на ту же величину. В некоторых приложениях приема очень неэффективные антенны могут незначительно влиять на производительность. Например, на низких частотах атмосферный или техногенный шум может маскировать неэффективность антенны. Например, CCIR Rep. 258-3 указывает, что искусственный шум в жилых помещениях на частоте 40 МГц примерно на 28 дБ превышает минимальный уровень теплового шума. Следовательно, антенна с потерями в 20 дБ (из-за неэффективности) окажет незначительное влияние на шумовые характеристики системы. Потери внутри антенны будут одинаково влиять на целевой сигнал и шум/помехи, не приводя к снижению отношения сигнал/шум (SNR).
Антенны, размер которых не превышает значительной доли длины волны, неизбежно неэффективны из-за их малой радиационной стойкости. Радиовещательные AM-радиостанции включают в себя небольшую рамочную антенну для приема, которая имеет крайне низкую эффективность. Это мало влияет на характеристики приемника, а просто требует большего усиления со стороны электроники приемника. Сравните этот крошечный компонент с массивными и очень высокими башнями, используемыми на радиовещательных станциях AM для передачи на той же частоте, где каждый процент снижения эффективности антенны влечет за собой значительные затраты.
Определение усиления антенны или усиления мощности уже включает в себя эффект эффективности антенны. Следовательно, если кто-то пытается излучать сигнал в сторону приемника, используя передатчик заданной мощности, нужно только сравнивать усиление различных антенн, а не учитывать также эффективность. Это также верно для приемной антенны на очень высоких (особенно микроволновых) частотах, где смысл состоит в том, чтобы принять сигнал, сильный по сравнению с шумовой температурой приемника. Однако в случае направленной антенны, используемой для приема сигналов с целью подавления помех с разных направлений, эффективность антенны больше не беспокоит, как обсуждалось выше. В этом случае, вместо того, чтобы указывать усиление антенны , можно было бы больше интересоваться директивным усилением или просто направленностью , которая не включает в себя эффект (не)эффективности антенны. Директивный коэффициент усиления антенны можно рассчитать, разделив опубликованное усиление на эффективность антенны. В форме уравнения усиление = направленность × эффективность.
Ориентация и физическая структура антенны определяют поляризацию электрического поля передаваемой ею радиоволны. Например, антенна, состоящая из линейного проводника (например, диполя или штыревой антенны ), ориентированного вертикально, приведет к вертикальной поляризации; если повернуть набок, поляризация той же антенны будет горизонтальной.
Отражения обычно влияют на поляризацию. Радиоволны, отраженные от ионосферы , могут изменить поляризацию волны. Для связи на линии прямой видимости или распространения земных волн передачи с горизонтальной или вертикальной поляризацией обычно остаются примерно в том же состоянии поляризации в месте приема. Использование антенны с вертикальной поляризацией для приема волн с горизонтальной поляризацией (или наоборот) приводит к относительно плохому приему.
Поляризацию антенны иногда можно определить непосредственно по ее геометрии. Когда проводники антенны, если смотреть из опорной точки, располагаются вдоль одной линии, то поляризация антенны будет линейной именно в этом направлении. В более общем случае поляризацию антенны необходимо определить путем анализа . Например, турникетная антенна , установленная горизонтально (как обычно), из удаленного места на Земле выглядит как горизонтальный отрезок линии, поэтому принимаемое там излучение имеет горизонтальную поляризацию. Но если смотреть под углом вниз с самолета, та же самая антенна не отвечает 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 самом общем случае поляризация является эллиптической , что означает, что в каждом цикле вектор электрического поля очерчивает эллипс . Двумя особыми случаями являются линейная поляризация (эллипс сворачивается в линию), как обсуждалось выше, и круговая поляризация (при которой две оси эллипса равны). При линейной поляризации электрическое поле радиоволны колеблется в одном направлении. При круговой поляризации электрическое поле радиоволны вращается вокруг оси распространения. Радиоволны с круговой или эллиптической поляризацией обозначаются как правосторонние или левосторонние по правилу «большой палец по направлению распространения». Обратите внимание, что для круговой поляризации исследователи-оптики используют правило правой руки, противоположное тому , которое используют радиоинженеры.
Лучше всего, чтобы приемная антенна соответствовала поляризации передаваемой волны для оптимального приема. В противном случае произойдет потеря мощности сигнала: когда линейно поляризованная антенна принимает линейно поляризованное излучение под относительным углом θ, произойдет потеря мощности cos 2 θ . Антенну с круговой поляризацией можно использовать для одинакового соответствия вертикальной или горизонтальной линейной поляризации, при этом снижается сигнал на 3 дБ . Однако он будет слеп к сигналу с круговой поляризацией противоположной ориентации.
Максимальная передача мощности требует согласования импеданса антенной системы (если смотреть на линию передачи) с комплексно-сопряженным импедансом приемника или передатчика. Однако в случае передатчика желаемое согласующее сопротивление может не соответствовать точно динамическому выходному сопротивлению передатчика, анализируемому как сопротивление источника , а скорее расчетному значению (обычно 50 Ом), необходимому для эффективной и безопасной работы передающего устройства. схема. Предполагаемый импеданс обычно является резистивным, но передатчик (и некоторые приемники) могут иметь ограниченные дополнительные настройки для компенсации определенной величины реактивного сопротивления, чтобы «настроить» согласование.
Когда между антенной и передатчиком (или приемником) используется линия передачи, обычно требуется антенная система, полное сопротивление которой является резистивным и почти таким же, как характеристическое сопротивление этой линии передачи, в дополнение к согласованию с импедансом передатчика. (или получатель) ожидает. Согласование направлено на минимизацию амплитуды стоячих волн (измеряемой через коэффициент стоячей волны ; КСВ), которые возникают в линии из-за рассогласования, и увеличения потерь в линии передачи, которые это влечет за собой.
Настройка антенны, в строгом смысле модификации самой антенны, обычно относится только к устранению любого реактивного сопротивления, наблюдаемого на терминалах антенны, оставляя только резистивный импеданс, который может быть или не быть в точности желаемым импедансом (импеданс доступной линии передачи). .
Хотя антенна может быть спроектирована так, чтобы иметь чисто резистивный импеданс точки питания (например, диполь длиной 97% половины длины волны) только на одной частоте, это, скорее всего, не будет совсем верно на других частотах, для которых в конечном итоге используется антенна. В большинстве случаев в принципе физическую длину антенны можно «обрезать», чтобы получить чистое сопротивление, хотя это редко бывает удобно. С другой стороны, добавление противоположной индуктивности или емкости может использоваться для компенсации остаточного емкостного или индуктивного реактивного сопротивления соответственно и может быть более удобным, чем опускание и подравнивание или выдвижение антенны, а затем подъем ее обратно.
Реактивное сопротивление антенны можно устранить с помощью элементов с сосредоточенными параметрами, таких как конденсаторы или катушки индуктивности , на основном пути тока, проходящего через антенну, часто рядом с точкой питания, или путем включения емкостных или индуктивных структур в проводящий корпус антенны для компенсации реактивного сопротивления точки питания - например, в виде радиальных проводов со спицами с открытыми концами или витых параллельных проводов - следовательно, действительно настройте антенну на резонанс. В дополнение к этим надстройкам, нейтрализующим реактивное сопротивление, антенны любого типа могут включать в себя трансформатор и /или симметрирующий трансформатор в точке питания, чтобы изменить резистивную часть импеданса, чтобы он более точно соответствовал характеристическому импедансу питающей линии .
Настройка антенны в широком смысле , выполняемая с помощью устройства согласования импеданса (несколько неуместно называемого « антенным тюнером » или более старым, более подходящим термином «пересогласование »), выходит за рамки простого удаления реактивного сопротивления и включает в себя преобразование остаточного сопротивления для согласования питающей линии и радио.
Дополнительная проблема заключается в согласовании оставшегося резистивного сопротивления с характеристическим сопротивлением линии передачи: общая сеть согласования импеданса (« антенный тюнер » или ATU) будет иметь как минимум два регулируемых элемента для коррекции обеих составляющих импеданса. Любая соответствующая сеть будет иметь как потери мощности, так и ограничения мощности при использовании для передачи.
Коммерческие антенны обычно проектируются так, чтобы примерно соответствовать стандартным коаксиальным кабелям сопротивлением 50 Ом на стандартных частотах; при проектировании предполагается, что согласующая сеть будет использоваться просто для «подстройки» любого остаточного несоответствия.
В некоторых случаях согласование осуществляется более радикальным образом: не просто для компенсации небольшого количества остаточного реактивного сопротивления, но и для того, чтобы привести в резонанс антенну, резонансная частота которой сильно отличается от предполагаемой рабочей частоты.
Отражения от земли — один из распространенных типов многолучевого распространения. [19] [20] [21]
На диаграмму направленности и даже полное сопротивление точки возбуждения антенны могут влиять диэлектрическая проницаемость и особенно проводимость близлежащих объектов. Для наземной антенны одним из таких важных объектов обычно является земля. В этом случае могут иметь значение высота антенны над землей, а также электрические свойства ( диэлектрическая проницаемость и проводимость) земли. Кроме того, в конкретном случае несимметричной антенны земля (или искусственная заземляющая пластина ) служит обратным соединением для тока антенны, что оказывает дополнительное влияние, в частности, на импеданс, видимый питающей 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 (сдвинутая по фазе на 180°), тогда как земля, смоделированная как диэлектрик (с потерями), может поглотить большое количество энергии волны. Мощность, остающаяся в отраженной волне, и фазовый сдвиг при отражении сильно зависят от угла падения волны и ее поляризации . Диэлектрическая проницаемость и проводимость (или просто комплексная диэлектрическая проницаемость) зависят от типа почвы и являются функцией частоты.
Для очень низких и высоких частот ( < 30 МГц) земля ведет себя как диэлектрик с потерями , [22] таким образом, земля характеризуется как проводимостью [ 23], так и диэлектрической проницаемостью (диэлектрической проницаемостью), которые можно измерить для данной почвы. (но на него влияют колебания уровня влажности) или его можно оценить по определенным картам. На более низких средневолновых частотах земля действует в основном как хороший проводник, от которого зависят антенны AM-вещания (0,5–1,7 МГц).
На частотах 3–30 МГц большая часть энергии антенны с горизонтальной поляризацией отражается от земли, при этом почти полное отражение происходит под углами скольжения, важными для распространения земных волн . Эта отраженная волна с обратной фазой может либо нейтрализовать, либо усилить прямую волну, в зависимости от высоты антенны в длинах волн и угла места (для небесной волны ).
С другой стороны, вертикально поляризованное излучение плохо отражается от земли, за исключением случаев скользящего падения или от поверхностей с очень высокой проводимостью, таких как морская вода. [24] Однако отражение под углом скольжения, важное для распространения земных волн при использовании 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 более плохим отражателем. Однако для коротковолновых частот, особенно ниже ~ 15 МГц, он остается хорошим отражателем, особенно для горизонтальной поляризации и скользящих углов падения. Это важно, поскольку эти более высокие частоты обычно зависят от горизонтального распространения в пределах прямой видимости (за исключением спутниковой связи), и тогда земля ведет себя почти как зеркало.
Чистое качество отражения от земли зависит от топографии поверхности. Когда неровности поверхности намного меньше длины волны, преобладающим режимом является режим зеркального отражения , и приемник видит как реальную антенну, так и изображение антенны под землей из-за отражения. Но если поверхность земли имеет неровности, не малые по сравнению с длиной волны, отражения не будут когерентными, а будут сдвинуты по случайным фазам. Обычно это происходит при более коротких длинах волн (более высоких частотах).
Всякий раз, когда и приемная, и передающая антенны размещаются на значительной высоте над землей (относительно длины волны), волны, зеркально отраженные от земли, будут распространяться на большее расстояние, чем прямые волны, вызывая фазовый сдвиг, который иногда может быть значительным. Когда такая антенна запускает пространственную волну , этот фазовый сдвиг всегда значителен, если только антенна не расположена очень близко к земле (по сравнению с длиной волны).
Фаза отражения электромагнитных волн зависит от поляризации падающей волны. Учитывая больший показатель преломления земли (обычно n ≈ 2) по сравнению с воздухом ( n = 1), фаза горизонтально поляризованного излучения меняется на противоположную при отражении (сдвиг фазы на π радиан, или 180 °). С другой стороны, вертикальная составляющая электрического поля волны отражается под углами падения примерно по фазе . Эти фазовые сдвиги применимы и к земле, смоделированной как хороший электрический проводник.
Это означает, что приемная антенна «видит» изображение излучающей антенны, но с «обратными» токами (противоположными по направлению и фазе), если излучающая антенна ориентирована горизонтально (и, следовательно, горизонтально поляризована). Однако принимаемый ток будет иметь то же абсолютное направление и фазу, если излучающая антенна вертикально поляризована.
Фактическая антенна, которая передает исходную волну, также может принимать сильный сигнал от 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 оказаться весьма существенным эффектом, когда антенна находится на расстоянии одной-двух длин волн от земли. Но по мере увеличения высоты антенны уменьшенная мощность отраженной волны (из-за закона обратных квадратов ) позволяет антенне приблизиться к асимптотическому сопротивлению точки питания, заданному теорией. На меньших высотах влияние на импеданс антенны очень чувствительно к точному расстоянию от земли, поскольку это влияет на фазу отраженной волны относительно токов в антенне. Изменение высоты антенны на четверть длины волны приводит к изменению фазы отражения на 180°, что оказывает совершенно иное влияние на импеданс антенны.
Отражение от земли оказывает важное влияние на чистую диаграмму направленности излучения в дальней зоне в вертикальной плоскости, то есть как функцию угла места, который, таким образом, различен для антенн с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Рассмотрим антенну на высоте h над землей, передающую рассматриваемую волну под углом места θ . Для передачи с вертикальной поляризацией величина электрического поля электромагнитной волны, создаваемой прямым лучом и отраженным лучом, равна:
Таким образом, полученная мощность может быть в 4 раза выше, чем за счет одной только прямой волны (например, когда θ = 0), следующей за квадратом косинуса. Вместо этого инверсия знака для отражения горизонтально поляризованного излучения приводит к:
где:
При горизонтальном распространении между передающей и приемной антеннами, расположенными у земли на достаточном расстоянии друг от друга, расстояния, проходимые прямыми и отраженными лучами, почти одинаковы. Относительный фазовый сдвиг практически отсутствует. Если излучение поляризовано вертикально, два поля (прямое и отраженное) суммируются, и получаемый сигнал достигает максимума. Если сигнал поляризован горизонтально, два сигнала вычитаются, и принятый сигнал в значительной степени подавляется. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости показаны на изображении справа. При вертикальной поляризации всегда имеется максимум при θ = 0, горизонтальное распространение (левая диаграмма направленности). Для горизонтальной поляризации под этим углом происходит подавление. 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 . С увеличением высоты антенны увеличивается и количество лепестков.
Разница в вышеуказанных коэффициентах для случая θ = 0 является причиной того, что в большинстве радиовещательных программ (передач, предназначенных для публики) используется вертикальная поляризация. Для приемников, находящихся вблизи земли, передачи с горизонтальной поляризацией подвергаются подавлению. Для наилучшего приема приемные антенны 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, например линейную поляризацию под углом (с вертикальной и горизонтальной составляющей) или круговую поляризацию .
С другой стороны, передачи аналогового телевидения обычно имеют горизонтальную поляризацию, поскольку в городских районах здания могут отражать электромагнитные волны и создавать призрачные изображения из-за многолучевого распространения . При использовании горизонтальной поляризации ореолы уменьшаются, поскольку количество отражений в горизонтальной поляризации от боковой части здания обычно меньше, чем в вертикальном направлении. Аналоговое телевидение с вертикальной поляризацией использовалось в некоторых сельских районах. В цифровом наземном телевидении такие отражения менее проблематичны благодаря надежности двоичной передачи и исправлению ошибок .
Протекание тока в проволочных антеннах идентично решению встречных волн в однопроводной линии передачи , которое можно решить с помощью уравнений телеграфиста . Решения токов вдоль антенных элементов удобнее и точнее получать численными методами , поэтому методы линий передачи в основном были оставлены в пользу точного моделирования, но они продолжают оставаться широко используемым источником полезных, простых приближений, которые хорошо описывают профили импеданса антенны. [26] (с. 7–10) [25] (с. 232)
В отличие от линий передачи, токи в антеннах вносят вклад в мощность излучаемой части электромагнитного поля, которую можно смоделировать с помощью сопротивления излучения . [а]
Конец антенного элемента соответствует незанятому (открытому) концу однопроводной линии передачи, в результате чего возникает отраженная волна, идентичная падающей волне, с ее напряжением в фазе с падающей волной и ее током в противоположной фазе ( таким образом, чистый нулевой ток там, где, в конце концов, нет другого проводника). Комбинация падающей и отраженной волны, как и в линии передачи, образует стоячую волну с узлом тока на конце проводника и узлом напряжения на расстоянии четверти длины волны от конца (если элемент хотя бы такой длины). . [26] [25]
В резонансной антенне точка питания антенны находится в одном из этих узлов напряжения. Из-за расхождений с упрощенной версией модели линии передачи напряжение на четверть длины волны от узла тока не совсем равно нулю, но близко к минимуму и мало по сравнению с гораздо большим напряжением на конце проводника. Следовательно, точка питания , соответствующая антенне в этом месте, требует относительно небольшого напряжения, но большого тока (токи двух волн здесь складываются синфазно), что обеспечивает относительно низкий импеданс точки питания.
Питание антенны в других точках требует большого напряжения и, следовательно, большого импеданса, обычно в основном реактивного (низкий коэффициент мощности ), что ужасно соответствует импедансу доступных линий передачи. Поэтому обычно желательно, чтобы антенна работала как резонансный элемент, при этом длина каждого проводника равна одной четверти длины волны (или любому другому нечетному кратному четверти длины волны).
Например, полуволновой диполь имеет два таких элемента (по одному, подключенных к каждому проводнику симметричной линии передачи) длиной около четверти длины волны. В зависимости от диаметра проводников допускается небольшое отклонение от этой длины, чтобы достичь точки, в которой ток антенны и (небольшое) напряжение в точке питания точно совпадают по фазе. Тогда антенна имеет чисто резистивное сопротивление, в идеале близкое к характеристическому сопротивлению доступной линии передачи.
Несмотря на эти полезные свойства, резонансные антенны имеют тот недостаток, что они достигают резонанса (чисто резистивного импеданса точки питания) только на основной частоте и, возможно, на некоторых ее гармониках , а сопротивление точки питания больше при резонансах более высокого порядка. Следовательно, резонансные антенны могут обеспечить хорошие характеристики только в пределах ограниченной полосы пропускания, в зависимости от добротности резонанса.
Электрические и магнитные поля, исходящие от ведомого антенного элемента, обычно влияют на напряжения и токи в близлежащих антеннах, антенных элементах или других проводниках. Это особенно верно, когда затронутый проводник представляет собой резонансный элемент (длина кратна полуволнам) примерно на одной и той же частоте, как в случае, когда все проводники являются частью одной и той же активной или пассивной антенной решетки .
Поскольку затронутые проводники находятся в ближнем поле, можно не просто рассматривать две антенны как передающие и принимающие сигнал, например, в соответствии с формулой передачи Фрииса , но необходимо рассчитать матрицу взаимного импеданса , которая учитывает как напряжения, так и токи (взаимодействия через электрическое и магнитное поля). Таким образом, используя взаимные импедансы, рассчитанные для конкретной геометрии, можно определить диаграмму направленности антенны Яги-Уда или токи и напряжения для каждого элемента фазированной решетки . Такой анализ также может подробно описать отражение радиоволн от заземляющего слоя или углового отражателя и их влияние на импеданс (и диаграмму направленности) антенны вблизи нее.
Часто такие взаимодействия в ближнем поле нежелательны и пагубны. Токи в случайных металлических предметах рядом с передающей антенной часто возникают в плохих проводниках, что приводит к потере радиочастотной мощности и непредсказуемому изменению характеристик антенны. Благодаря тщательному проектированию можно уменьшить электрическое взаимодействие между соседними проводниками. Например, угол в 90 градусов между двумя диполями, составляющими антенну турникета , гарантирует отсутствие взаимодействия между ними, позволяя управлять ими независимо (но фактически с одним и тем же сигналом в квадратурных фазах в конструкции антенны турникета).
Антенны можно классифицировать по принципам работы или по их применению. Различные органы власти отнесли антенны к более узким или более широким категориям. Обычно к ним относятся
Эти и другие типы антенн более подробно описаны в обзорной статье « Типы антенн» , а также в каждой из связанных статей в списке выше и еще более подробно в статьях, на которые они ссылаются.
Например, ток в приемной антенне сильно отличается от тока в той же антенне, используемой в качестве передающей . [курсив в оригинале]
Словарное определение антенны в Викисловаре
