В радиотехнике антенна ( американский английский ) или антенна ( британский английский ) — это электронное устройство, преобразующее переменный электрический ток в радиоволны (передача ) или радиоволны в электрический ток (прием). [1] [2] Это интерфейс между радиоволнами, распространяющимися в пространстве, и электрическими токами, движущимися в металлических проводниках, используемый с передатчиком или приемником . [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 электрический ток на своих клеммах, который подается на приемник для усиления . Антенны являются важнейшими компонентами всего радиооборудования . [3]
Антенна — это массив проводников ( элементов ), электрически соединенных с приемником или передатчиком. Антенны могут быть спроектированы для передачи и приема радиоволн во всех горизонтальных направлениях одинаково ( всенаправленные антенны ) или преимущественно в определенном направлении ( направленные , или антенны с высоким коэффициентом усиления, или «лучевые» антенны). Антенна может включать в себя компоненты, не соединенные с передатчиком, 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 пионерских экспериментах, чтобы доказать существование электромагнитных волн, предсказанных электромагнитной теорией 1867 года Джеймса Клерка Максвелла . Герц разместил дипольные антенны в фокусной точке параболических отражателей как для передачи, так и для приема. [4] Начиная с 1895 года, Гульельмо Маркони начал разработку антенн, пригодных для дальнего беспроводного телеграфирования, за что он получил Нобелевскую премию по физике 1909 года . [5]
Слова antenna и antenna используются взаимозаменяемо. Иногда эквивалентный термин «aerial» используется для обозначения приподнятой горизонтальной проволочной антенны. Происхождение слова antenna относительно беспроводного аппарата приписывается итальянскому пионеру радио Гульельмо Маркони . Летом 1895 года Маркони начал тестировать свою беспроводную систему на открытом воздухе в поместье своего отца недалеко от Болоньи и вскоре начал экспериментировать с длинными проволочными «антеннами», подвешенными к шесту. [5] В итальянском языке шест для палатки известен как l'antenna centrale , а шест с проводом назывался просто l'antenna . До тех пор беспроводные излучающие передающие и принимающие элементы были известны просто как «терминалы». Благодаря его известности использование Маркони слова antenna распространилось среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а затем и среди широкой публики. [6] [7] [8]
Антенна может в широком смысле относиться ко всей сборке, включая опорную конструкцию, корпус (если таковой имеется) и т. д., в дополнение к фактическим компонентам, проводящим радиочастотный ток. Приемная антенна может включать в себя не только пассивные металлические приемные элементы, но и встроенный предусилитель или смеситель , особенно на частотах сверхвысоких частот 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 требуются любому радиоприемнику или передатчику для соединения его электрического соединения с электромагнитным полем. [10] Радиоволны — это электромагнитные волны , которые переносят сигналы по воздуху (или через пространство) со скоростью света практически без потерь при передаче .
Антенны можно классифицировать как всенаправленные , излучающие энергию примерно одинаково во всех горизонтальных направлениях, или направленные , где радиоволны концентрируются в некотором направлении(ях). Так называемая лучевая антенна является однонаправленной, разработанной для максимального отклика в направлении другой станции, тогда как многие другие антенны предназначены для размещения станций в различных направлениях, но не являются по-настоящему всенаправленными. Поскольку антенны подчиняются принципу взаимности, одна и та же диаграмма направленности применяется как к передаче, так и к приему радиоволн. Гипотетическая антенна, которая излучает одинаково во всех направлениях (как по вертикали, так и по всем горизонтальным углам), называется изотропным излучателем ; однако они не могут существовать на практике и не были бы особенно желательны. Для большинства наземных коммуникаций, скорее, есть преимущество в уменьшении излучения в сторону неба или земли в пользу горизонтального направления(й). Дипольная антенна, ориентированная горизонтально, не посылает энергию в направлении проводника — это называется нулем антенны — но ее можно использовать в большинстве других направлений. Несколько таких дипольных элементов можно объединить в антенную решетку, например, Яги-Уда , чтобы выделить одно горизонтальное направление, поэтому такая антенна называется направленной.
Дипольная антенна, которая является основой большинства конструкций антенн, является сбалансированным компонентом, на двух ее клеммах которого подаются равные, но противоположные напряжения и токи. Вертикальная антенна является монопольной антенной, не сбалансированной относительно земли. Земля (или любая большая проводящая поверхность) играет роль второго проводника монополя. Поскольку монопольные антенны опираются на проводящую поверхность, они могут быть установлены с заземляющей плоскостью, чтобы приблизиться к эффекту установки на поверхности Земли.
Более сложные антенны увеличивают направленность антенны. Дополнительные элементы в конструкции антенны, которые не обязательно должны быть напрямую подключены к приемнику или передатчику, увеличивают ее направленность. «Усиление» антенны описывает концентрацию излучаемой мощности в определенном телесном угле пространства. «Усиление» — это, возможно, неудачно выбранный термин по сравнению с «усилением» усилителя, которое подразумевает чистое увеличение мощности. Напротив, для «усиления» антенны мощность, увеличенная в желаемом направлении, происходит за счет уменьшения мощности в нежелательных направлениях. В отличие от усилителей, антенны являются электрически « пассивными » устройствами, которые сохраняют общую мощность, и нет увеличения общей мощности сверх той, что поступает от источника питания (передатчика), а только улучшенное распределение этой фиксированной общей мощности.
Фазированная решетка состоит из двух или более простых антенн, соединенных вместе через электрическую сеть. Это часто включает в себя ряд параллельных дипольных антенн с определенным интервалом. В зависимости от относительной фазы, введенной сетью, одна и та же комбинация дипольных антенн может работать как «широкополосная решетка» (направленная перпендикулярно линии, соединяющей элементы) или как «концевая решетка» (направленная вдоль линии, соединяющей элементы). Антенные решетки могут использовать любой базовый (всенаправленный или слабонаправленный) тип антенны, такой как дипольные, рамочные или щелевые антенны. Эти элементы часто идентичны.
Лог-периодические и частотно-независимые антенны используют самоподобие для того, чтобы работать в широком диапазоне полос пропускания . Наиболее известным примером является логопериодическая дипольная решетка , которую можно рассматривать как ряд (обычно от 10 до 20) соединенных дипольных элементов с прогрессивной длиной в торцевой решетке, что делает ее довольно направленной; она находит применение, в частности, в качестве антенны на крыше для приема телевидения. С другой стороны, антенна Yagi–Uda (или просто «Yagi»), имеющая несколько похожий внешний вид, имеет только один дипольный элемент с электрическим соединением; другие паразитные элементы взаимодействуют с электромагнитным полем, чтобы реализовать высоконаправленную антенну, но с узкой полосой пропускания.
Еще большую направленность можно получить, используя апертурные антенны , такие как параболический рефлектор или рупорная антенна . Поскольку высокая направленность антенны зависит от ее размера по сравнению с длиной волны, высоконаправленные антенны (то есть с высоким коэффициентом усиления антенны ) становятся более практичными на более высоких частотах ( UHF и выше).
На низких частотах (например, AM-вещание ) для достижения направленности используются массивы вертикальных башен [11], и они будут занимать большие площади земли. Для приема длинная антенна Бевереджа может иметь значительную направленность. Для ненаправленного портативного использования хорошо работает короткая вертикальная антенна или небольшая рамочная антенна , при этом основной проблемой проектирования является согласование импеданса . В случае вертикальной антенны нагрузочная катушка у основания антенны может использоваться для компенсации реактивной составляющей импеданса ; для этой цели небольшие рамочные антенны настраиваются с помощью параллельных конденсаторов.
Ввод антенны — это линия передачи или фидерная линия , которая соединяет антенну с передатчиком или приемником. « Фид антенны » может относиться ко всем компонентам, соединяющим антенну с передатчиком или приемником, таким как согласующая сеть импеданса в дополнение к линии передачи. В так называемой «апертурной антенне», такой как рупорная или параболическая тарелка, «фидер» может также относиться к базовой излучающей антенне, встроенной во всю систему отражающих элементов (обычно в фокусе параболической тарелки или в горле рупора), которая может считаться единственным активным элементом в этой антенной системе. Микроволновая антенна также может питаться непосредственно от волновода вместо (проводящей) линии передачи .
Противовес антенны , или заземляющая плоскость , представляет собой конструкцию из проводящего материала, которая улучшает или заменяет заземление. Она может быть подключена к естественному заземлению или изолирована от него. В монопольной антенне это помогает в функционировании естественного заземления, особенно там, где изменения (или ограничения) характеристик естественного заземления мешают его правильному функционированию. Такая конструкция обычно подключается к обратному соединению несимметричной линии передачи, например, к экрану коаксиального кабеля .
Рефрактор электромагнитной волны в некоторых апертурных антеннах — это компонент, который благодаря своей форме и положению избирательно задерживает или продвигает вперед части электромагнитного волнового фронта, проходящие через него. Рефрактор изменяет пространственные характеристики волны с одной стороны относительно другой стороны. Он может, например, сфокусировать волну или изменить волновой фронт другими способами, как правило, для того, чтобы максимизировать направленность антенной системы. Это радиоэквивалент оптической линзы .
Сеть связи антенны — это пассивная сеть (обычно комбинация индуктивных и емкостных элементов цепи), используемая для согласования импеданса между антенной и передатчиком или приемником. Это может быть использовано для минимизации потерь в линии подачи за счет снижения коэффициента стоячей волны линии передачи и для предоставления передатчику или приемнику стандартного резистивного импеданса, необходимого для его оптимальной работы. Выбирается местоположение(я) точки подачи, и элементы антенны, электрически подобные компонентам тюнера, могут быть включены в саму структуру антенны для улучшения согласования .
Фундаментальным свойством антенн является то, что большинство электрических характеристик антенны, таких как описанные в следующем разделе (например , усиление , диаграмма направленности , импеданс , полоса пропускания , резонансная частота и поляризация ), одинаковы, независимо от того, передает антенна или принимает . [12] [13] Например, «диаграмма приема» (чувствительность к входящим сигналам как функция направления) антенны, когда она используется для приема, идентична диаграмме направленности антенны, когда она приводится в действие и функционирует как излучатель, даже несмотря на то, что распределения тока и напряжения на самой антенне различны для приема и передачи. [ 14] Это является следствием теоремы о взаимности в электродинамике. [13] Поэтому при обсуждении свойств антенны обычно не делается различий между терминологией приема и передачи, и антенну можно рассматривать как передающую, так и принимающую, в зависимости от того, что удобнее.
Необходимым условием для вышеупомянутого свойства взаимности является то, что материалы в антенне и среде передачи являются линейными и взаимными. Взаимный (или двусторонний ) означает, что материал имеет ту же реакцию на электрический ток или магнитное поле в одном направлении, что и на поле или ток в противоположном направлении. Большинство материалов, используемых в антеннах, соответствуют этим условиям, но некоторые микроволновые антенны используют высокотехнологичные компоненты, такие как изоляторы и циркуляторы , изготовленные из невзаимных материалов, таких как феррит . [12] [13] Они могут использоваться, чтобы придать антенне иное поведение при приеме, чем при передаче, [12] что может быть полезно в таких приложениях, как радар .
Большинство конструкций антенн основаны на принципе резонанса . Он основан на поведении движущихся электронов, которые отражаются от поверхностей, где диэлектрическая проницаемость изменяется, подобно тому, как свет отражается при изменении оптических свойств. В этих конструкциях отражающая поверхность создается концом проводника, обычно тонкой металлической проволоки или стержня, который в простейшем случае имеет точку питания на одном конце, где он подключен к линии передачи . Проводник, или элемент , выровнен с электрическим полем желаемого сигнала, что обычно означает, что он перпендикулярен линии от антенны к источнику (или приемнику в случае вещательной антенны). [15]
Электрический компонент радиосигнала индуцирует напряжение в проводнике. Это заставляет электрический ток течь в направлении мгновенного поля сигнала. Когда результирующий ток достигает конца проводника, он отражается, что эквивалентно изменению фазы на 180 градусов. Если проводник 1 /4 длиной в длину волны, ток от точки подачи претерпит 90-градусное изменение фазы к тому времени, как он достигнет конца проводника, отразится на 180 градусов, а затем еще на 90 градусов по мере своего обратного движения. Это означает, что он претерпел полное 360-градусное изменение фазы, вернув его к исходному сигналу. Таким образом, ток в элементе добавляется к току, создаваемому источником в этот момент. Этот процесс создает стоячую волну в проводнике с максимальным током в точке подачи. [16]
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 помещает их на 180 градусов в противофазе, что означает, что в любой момент времени один из элементов направляет ток в линию передачи, а другой вытягивает его. Монопольная антенна по существу является половиной полуволнового диполя, одиночным 1 /4 элемент длины волны с другой стороной, подключенной к земле или эквивалентной плоскости заземления (или противовесу ). Монополи, которые в два раза меньше диполя, распространены для длинноволновых радиосигналов, где диполь был бы непрактично большим. Другая распространенная конструкция — сложенный диполь , который состоит из двух (или более) полуволновых диполей, размещенных рядом и соединенных на концах, но только один из них приводится в действие.
Стоячая волна формируется с этим желаемым рисунком на расчетной рабочей частоте f o , и антенны обычно проектируются с таким размером. Однако, питание этого элемента с 3 f o (длина волны которого 1 /3 что f o ) также приведет к стоячей волновой картине. Таким образом, элемент антенны также является резонансным, когда его длина 3 /4 длины волны. Это справедливо для всех нечетных кратных 1 /4 длина волны. Это обеспечивает некоторую гибкость конструкции с точки зрения длин антенн и точек подачи. Известно, что антенны, используемые таким образом, работают гармонически . [17] Резонансные антенны обычно используют линейный проводник (или элемент ) или пару таких элементов, каждый из которых имеет длину около четверти длины волны (нечетное кратное четверти длины волны также будет резонансным). Антенны, которые должны быть небольшими по сравнению с длиной волны, жертвуют эффективностью и не могут быть очень направленными. Поскольку длины волн настолько малы на более высоких частотах ( УВЧ , микроволны ), компромисс между производительностью и получением меньшего физического размера обычно не требуется.
Четвертьволновые элементы имитируют последовательно-резонансный электрический элемент из-за стоячей волны, присутствующей вдоль проводника. На резонансной частоте стоячая волна имеет пик тока и узел напряжения (минимум) на подаче. В электрических терминах это означает, что в этом положении элемент имеет минимальную величину импеданса , генерируя максимальный ток для минимального напряжения. Это идеальная ситуация, поскольку он производит максимальный выход для минимального входа, производя максимально возможную эффективность. В отличие от идеальной (без потерь) последовательно-резонансной цепи, остается конечное сопротивление (соответствующее относительно небольшому напряжению в точке подачи) из-за сопротивления антенны излучению , а также любых обычных электрических потерь от производства тепла.
Вспомним, что ток будет отражаться, когда есть изменения в электрических свойствах материала. Для эффективной передачи принятого сигнала в линию передачи важно, чтобы линия передачи имела тот же импеданс , что и точка ее подключения к антенне, в противном случае часть сигнала будет отражаться обратно в корпус антенны; аналогично часть мощности сигнала передатчика будет отражаться обратно в передатчик, если есть изменение электрического импеданса в месте соединения фидерной линии с антенной. Это приводит к концепции согласования импеданса , конструкции всей системы антенны и линии передачи таким образом, чтобы импеданс был как можно ближе, тем самым уменьшая эти потери. Согласование импеданса выполняется с помощью схемы, называемой антенным тюнером или сетью 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 с длиной волны 1 м, то есть антенна будет иметь приблизительно 50 см от кончика до кончика. Если элемент имеет отношение длины к диаметру 1000, он будет иметь собственное сопротивление около 63 Ом резистивного. Используя соответствующий провод передачи или симметрирующий трансформатор, мы согласуем это сопротивление, чтобы обеспечить минимальное отражение сигнала. Питание этой антенны током 1 Ампер потребует 63 Вольта, и антенна будет излучать 63 Вт (без учета потерь) радиочастотной мощности. Теперь рассмотрим случай, когда на антенну подается сигнал с длиной волны 1,25 м; в этом случае ток, индуцированный сигналом, прибудет в точку питания антенны в противофазе с сигналом, в результате чего чистый ток упадет, в то время как напряжение останется прежним. С электрической точки зрения это выглядит как очень высокое сопротивление. Антенна и линия передачи больше не имеют одинакового сопротивления, и сигнал будет отражаться обратно в антенну, уменьшая выходную мощность. Эту проблему можно решить, изменив систему согласования между антенной и линией передачи, но такое 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 изначально узкополосными: полезными только для небольшого диапазона частот, сосредоточенных вокруг резонанса(ов).
Можно использовать простые методы согласования импеданса , чтобы использовать монопольные или дипольные антенны, значительно короче, чем 1 /4 или 1 /2 волна , соответственно, на которой они резонируют. Поскольку эти антенны делаются короче (для данной частоты), их импеданс становится доминирующим за счет последовательного емкостного (отрицательного) реактивного сопротивления; путем добавления « нагрузочной катушки » соответствующего размера – последовательной индуктивности с равным и противоположным (положительным) реактивным сопротивлением – емкостное реактивное сопротивление антенны может быть устранено, оставив только чистое сопротивление.
Иногда результирующая (более низкая) электрическая резонансная частота такой системы (антенна плюс согласующая цепь) описывается с помощью понятия электрической длины , поэтому антенна, используемая на более низкой частоте, чем ее резонансная частота, называется электрически короткой антенной [18]
Например, при 30 МГц (длина волны 10 м) истинный резонанс 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, достигнув электрической длины 2,5 метра. Однако полученное резистивное сопротивление будет значительно ниже, чем у настоящего 1 /4 волновой (резонансный) монополь, часто требующий дальнейшего согласования импеданса (трансформатор) 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 несоответствие из-за чистого реактивного сопротивления вдали от электрического резонанса ухудшается. Или можно также сказать, что эквивалентный резонансный контур антенной системы имеет более высокий коэффициент добротности и, следовательно, уменьшенную полосу пропускания, [18] которая может даже стать недостаточной для спектра передаваемого сигнала. Резистивные потери из-за нагрузочной катушки, относительно уменьшенного сопротивления излучения, влекут за собой снижение электрической эффективности, что может представлять большую проблему для передающей антенны, но полоса пропускания является основным фактором [ dubious – discussion ] [ dubious – discussion ] , который устанавливает размер антенн на 1 МГц и более низких частотах.
Лучистый поток как функция расстояния от передающей антенны изменяется в соответствии с законом обратных квадратов , поскольку он описывает геометрическое расхождение передаваемой волны. Для заданного входящего потока мощность, получаемая приемной антенной, пропорциональна ее эффективной площади . Этот параметр сравнивает количество мощности , получаемой приемной антенной, с потоком входящей волны (измеренным в терминах плотности мощности сигнала в ваттах на квадратный метр). Полуволновой диполь имеет эффективную площадь около 0,13 λ 2 , видимую с поперечного направления. Если требуется более высокий коэффициент усиления, нельзя просто сделать антенну больше. 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, которая могла бы поглотить эту мощность, он ретранслирует всю эту мощность, возможно, со сдвигом фазы, который критически зависит от точной длины элемента. Таким образом, такой проводник может быть расположен так, чтобы передавать вторую копию сигнала передатчика, чтобы влиять на диаграмму направленности (и сопротивление точки питания) элемента, электрически подключенного к передатчику. Элементы антенны, используемые таким образом, известны как пассивные излучатели .
Антенна Yagi–Uda использует пассивные элементы для значительного увеличения усиления в одном направлении (за счет других направлений). Несколько параллельных приблизительно полуволновых элементов (очень определенной длины) расположены параллельно друг другу в определенных положениях вдоль стрелы; стрела используется только для поддержки и не задействована электрически. Только один из элементов электрически подключен к передатчику или приемнику, в то время как остальные элементы являются пассивными. Yagi обеспечивает довольно большое усиление (в зависимости от количества пассивных элементов) и широко используется в качестве направленной антенны с ротором антенны для управления направлением ее луча. Она страдает от довольно ограниченной полосы пропускания, что ограничивает ее использование определенными приложениями.
Вместо того, чтобы использовать один управляемый элемент антенны вместе с пассивными излучателями, можно построить антенную решетку , в которой несколько элементов управляются передатчиком через систему разветвителей мощности и линий передачи в относительных фазах, чтобы концентрировать мощность РЧ в одном направлении. Более того, фазированную решетку можно сделать «управляемой», то есть, изменяя фазы, применяемые к каждому элементу, диаграмму направленности можно смещать без физического перемещения элементов антенны. Другой распространенной антенной решеткой является логопериодическая дипольная решетка , которая имеет внешний вид, похожий на Yagi (с рядом параллельных элементов вдоль стрелы), но совершенно отлична в работе, поскольку все элементы электрически соединены с соседним элементом с обращением фазы; используя логопериодический принцип, она получает уникальное свойство сохранения своих эксплуатационных характеристик (усиление и импеданс) в очень большой 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 в противном случае ненаправленной антенны гарантирует, что мощность, которая пошла бы в ее направлении, будет перенаправлена в желаемом направлении, увеличивая усиление антенны по крайней мере в 2 раза. Аналогично, угловой отражатель может гарантировать, что вся мощность антенны будет сосредоточена только в одном квадранте пространства (или меньше) с последующим увеличением усиления. Практически говоря, отражатель не обязательно должен быть сплошным металлическим листом, но может состоять из занавеса из стержней, выровненных с поляризацией антенны; это значительно снижает вес отражателя и ветровую нагрузку . Зеркальное отражение радиоволн также используется в параболической отражательной антенне, в которой изогнутая отражающая поверхность фокусирует входящую волну в направлении так называемой питающей антенны ; это приводит к антенной системе с эффективной площадью, сопоставимой с размером самого отражателя. В антенной технике используются и 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 будут интересны пользователю при выборе или проектировании антенны для конкретного применения. График направленных характеристик в пространстве, окружающем антенну, называется ее диаграммой направленности .
Диапазон частот или полоса пропускания , в которой антенна функционирует хорошо, может быть очень широким (как в логопериодической антенне) или узким (как в небольшой рамочной антенне); за пределами этого диапазона сопротивление антенны становится плохо соответствующим линии передачи и передатчику (или приемнику). Использование антенны далеко от ее расчетной частоты влияет на ее диаграмму направленности , уменьшая ее направленное усиление.
Обычно антенна не будет иметь импеданса точки питания, соответствующего импедансу линии передачи; согласующая сеть между клеммами антенны и линией передачи улучшит передачу мощности на антенну. Нерегулируемая согласующая сеть, скорее всего, еще больше ограничит полезную полосу пропускания антенной системы. Может быть желательно использовать трубчатые элементы вместо тонких проводов для изготовления антенны; это обеспечит большую полосу пропускания. Или несколько тонких проводов можно сгруппировать в клетке для имитации более толстого элемента. Это расширяет полосу пропускания резонанса.
Любительские радиоантенны, работающие в нескольких диапазонах частот, которые сильно разнесены друг от друга, могут соединять элементы, резонирующие на этих разных частотах, параллельно. Большая часть мощности передатчика будет поступать в резонансный элемент, в то время как другие будут иметь высокое сопротивление. Другое решение использует ловушки , параллельные резонансные контуры, которые стратегически размещаются в разрывах, созданных в длинных элементах антенны. При использовании на определенной резонансной частоте ловушки ловушка имеет очень высокое сопротивление (параллельный резонанс), эффективно обрезая элемент в месте расположения ловушки; при правильном расположении обрезанный элемент образует надлежащую резонансную антенну на частоте ловушки. На существенно более высоких или более низких частотах ловушка позволяет использовать всю длину сломанного элемента, но с резонансной частотой, смещенной на чистое реактивное сопротивление, добавленное ловушкой.
Характеристики полосы пропускания резонансного антенного элемента можно охарактеризовать в соответствии с его добротностью , где задействованное сопротивление представляет собой сопротивление излучения , которое представляет собой излучение энергии из резонансной антенны в свободное пространство.
Добротность узкополосной антенны может достигать 15. С другой стороны, реактивное сопротивление на той же нерезонансной частоте антенны, использующей толстые элементы, намного меньше, следовательно, добротность составляет всего 5. Эти две антенны могут работать одинаково на резонансной частоте, но вторая антенна будет работать в полосе пропускания, в 3 раза шире, чем антенна, состоящая из тонкого проводника.
Антенны для использования в гораздо более широких диапазонах частот достигаются с помощью дополнительных методов. Настройка согласующей сети может, в принципе, позволить согласовать любую антенну на любой частоте. Таким образом, небольшая рамочная антенна, встроенная в большинство AM-радиоприемников (средние волны), имеет очень узкую полосу пропускания, но настраивается с помощью параллельной емкости, которая настраивается в соответствии с настройкой приемника. С другой стороны, логопериодические антенны не резонируют ни на одной частоте, но могут (в принципе) быть построены для достижения аналогичных характеристик (включая сопротивление точки питания) в любом диапазоне частот. Поэтому они обычно используются (в виде направленных логопериодических дипольных решеток ) в качестве телевизионных антенн.
Коэффициент усиления — это параметр, который измеряет степень направленности диаграммы направленности антенны . Антенна с высоким коэффициентом усиления будет излучать большую часть своей мощности в определенном направлении, в то время как антенна с низким коэффициентом усиления будет излучать в широком диапазоне. Коэффициент усиления антенны или коэффициент усиления мощности антенны определяется как отношение интенсивности ( мощности на единицу площади поверхности), излучаемой антенной в направлении ее максимального выхода на произвольном расстоянии, деленное на интенсивность, излучаемую на том же расстоянии гипотетической изотропной антенной , которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Это безразмерное отношение обычно выражается логарифмически в децибелах , эти единицы называются децибелами-изотропными (дБи)
Вторая единица измерения усиления — это отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, излучаемой полуволновой дипольной антенной ; эти единицы называются децибел-диполь (дБд).
Поскольку усиление полуволнового диполя составляет 2,15 дБи, а логарифм произведения является аддитивным, усиление в дБи всего на 2,15 децибела больше усиления в дБд.
Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущество в виде большего радиуса действия и лучшего качества сигнала, но их необходимо тщательно направлять на другую антенну. Примером антенны с высоким коэффициентом усиления является параболическая тарелка , например, антенна спутникового телевидения . Антенны с низким коэффициентом усиления имеют меньший радиус действия, но ориентация антенны относительно не важна. Примером антенны с низким коэффициентом усиления является штыревая антенна, используемая в портативных радиоприемниках и беспроводных телефонах . Коэффициент усиления антенны не следует путать с коэффициентом усиления усилителя — отдельным параметром, измеряющим увеличение мощности сигнала из-за 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 клеммы, выраженную в терминах эквивалентной площади. Например, если радиоволна, проходящая через заданное местоположение, имеет поток 1 пВт/м2 ( 10−12 Вт на квадратный метр), а антенна имеет эффективную площадь 12 м2 , то антенна будет доставлять 12 пВт мощности РЧ на приемник (30 микровольт RMS при 75 Ом). Поскольку приемная антенна не одинаково чувствительна к сигналам, полученным со всех направлений, эффективная площадь является функцией направления на источник.
Из-за взаимности (обсуждаемой выше) усиление антенны, используемой для передачи, должно быть пропорционально ее эффективной площади при использовании для приема. Рассмотрим антенну без потерь , то есть такую, электрическая эффективность которой составляет 100%. Можно показать, что ее эффективная площадь, усредненная по всем направлениям, должна быть равна λ 2 /4π , квадрату длины волны, деленной на 4π . Усиление определяется таким образом, что среднее усиление по всем направлениям для антенны с электрической эффективностью 100% равно 1. Следовательно, эффективная площадь A eff в терминах усиления G в заданном направлении определяется как:
Для антенны с эффективностью менее 100% и эффективная площадь, и коэффициент усиления уменьшаются на ту же величину. Поэтому указанное выше соотношение между коэффициентом усиления и эффективной площадью все еще сохраняется. Таким образом, это два разных способа выражения одной и той же величины. Эфф особенно удобен при вычислении мощности, которая будет получена антенной с указанным коэффициентом усиления, как показано в приведенном выше примере.
Диаграмма направленности антенны — это график относительной напряженности поля радиоволн, излучаемых антенной под разными углами в дальней зоне. Обычно он представлен трехмерным графиком или полярными диаграммами 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 под большими и меньшими углами; это называется всенаправленной диаграммой направленности и при построении выглядит как тор или бублик.
Излучение многих антенн показывает картину максимумов или « лепестков » под разными углами, разделенных « нулями », углами, где 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 в противофазе . В направленной антенне, предназначенной для проецирования радиоволн в определенном направлении, лепесток в этом направлении спроектирован больше других и называется « главным лепестком ». Другие лепестки обычно представляют собой нежелательное излучение и называются « боковыми лепестками ». Ось, проходящая через главный лепесток, называется « главной осью » или « осью визирования ».
Полярные диаграммы (и, следовательно, эффективность и усиление) антенн Yagi более плотные, если антенна настроена на более узкий диапазон частот, например, групповая антенна по сравнению с широкополосной. Аналогично, полярные диаграммы горизонтально поляризованных Yagi более плотные, чем для вертикально поляризованных. [19]
Пространство вокруг антенны можно разделить на три концентрические области: реактивное ближнее поле (также называемое индуктивным ближним полем), излучающее ближнее поле (зона Френеля) и дальнее поле (зона Фраунгофера). Эти области полезны для определения структуры поля в каждой из них, хотя переходы между ними постепенны; четких границ нет.
Дальняя зона находится достаточно далеко от антенны, чтобы 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 распространения). Это упрощает математический анализ излучаемого поля.
Эффективность передающей антенны — это отношение фактически излучаемой мощности (во всех направлениях) к мощности, поглощаемой клеммами антенны. Мощность, подаваемая на клеммы антенны, которая не излучается, преобразуется в тепло. Обычно это происходит из-за сопротивления потерь в проводниках антенны или потерь между рефлектором и облучателем параболической антенны.
Эффективность антенны отделена от согласования импеданса , что также может уменьшить количество мощности, излучаемой с использованием данного передатчика. Если измеритель КСВ показывает 150 Вт падающей мощности и 50 Вт отраженной мощности, это означает, что 100 Вт фактически были поглощены антенной (без учета потерь в линии передачи). Сколько из этой мощности фактически было излучено, нельзя определить напрямую с помощью электрических измерений на (или до) клеммах антенны, но для этого потребуется (например) тщательное измерение напряженности поля . Сопротивление потерь и эффективность антенны можно рассчитать, если известна напряженность поля, сравнив ее с мощностью, подаваемой на антенну.
Сопротивление потерь, как правило, влияет на импеданс точки питания, добавляя его резистивную составляющую. Это сопротивление будет состоять из суммы сопротивления излучения R rad и сопротивления потерь R loss . Если ток I подается на клеммы антенны, то мощность I 2 R rad будет излучаться, а мощность I 2 R loss будет теряться в виде тепла. Таким образом, эффективность антенны равна Р рад/( R рад + R потери ) . Только полное сопротивление R рад + R потерь может быть напрямую измерено.
Согласно принципу взаимности , эффективность антенны, используемой в качестве приемной антенны, идентична ее эффективности в качестве передающей антенны, описанной выше. Мощность, которую антенна будет передавать приемнику (при надлежащем согласовании импеданса ), уменьшается на ту же величину. В некоторых приложениях приема очень неэффективные антенны могут оказывать незначительное влияние на производительность. Например, на низких частотах атмосферный или искусственный шум может маскировать неэффективность антенны. Например, в отчете CCIR 258-3 указано, что искусственный шум в жилых помещениях на частоте 40 МГц составляет около 28 дБ выше уровня теплового шума. Следовательно, антенна с потерями 20 дБ (из-за неэффективности) будет иметь незначительное влияние на шумовые характеристики системы. Потери внутри антенны будут одинаково влиять на предполагаемый сигнал и шум/помехи, что не приведет к снижению отношения сигнал/шум (SNR).
Антенны, которые не являются значительной частью длины волны по размеру, неизбежно неэффективны из-за их малого сопротивления излучению. AM-радиостанции включают в себя небольшую рамочную антенну для приема, которая имеет чрезвычайно низкую эффективность. Это не оказывает большого влияния на производительность приемника, но просто требует большего усиления электроникой приемника. Сравните этот крошечный компонент с массивными и очень высокими башнями, используемыми на AM-радиостанциях для передачи на той же частоте, где каждый процент снижения эффективности антенны влечет за собой существенные затраты.
Определение коэффициента усиления антенны или усиления мощности уже включает в себя эффект эффективности антенны. Поэтому, если кто-то пытается излучать сигнал в направлении приемника с помощью передатчика заданной мощности, нужно только сравнить коэффициент усиления различных антенн, а не учитывать также эффективность. Это также верно для приемной антенны на очень высоких (особенно микроволновых) частотах, где цель состоит в том, чтобы получить сигнал, который является сильным по сравнению с шумовой температурой приемника. Однако в случае направленной антенны, используемой для приема сигналов с намерением отклонить помехи с разных направлений, больше не волнует эффективность антенны, как обсуждалось выше. В этом случае, вместо того, чтобы указывать коэффициент усиления антенны , можно было бы больше беспокоиться о направленном усилении или просто направленности , которая не включает в себя эффект (не)эффективности антенны. Направленный коэффициент усиления антенны можно вычислить из опубликованного коэффициента усиления, деленного на эффективность антенны. В форме уравнения усиление = направленность × эффективность.
Ориентация и физическая структура антенны определяют поляризацию электрического поля радиоволны, передаваемой ею. Например, антенна, состоящая из линейного проводника (например, дипольная или штыревая антенна ), ориентированная вертикально, приведет к вертикальной поляризации; если ее повернуть на бок, та же поляризация антенны будет горизонтальной.
Отражения обычно влияют на поляризацию. Радиоволны, отраженные от ионосферы, могут изменить поляризацию волны. Для связи по прямой видимости или распространения наземной волны горизонтально или вертикально поляризованные передачи обычно остаются примерно в том же состоянии поляризации в месте приема. Использование вертикально поляризованной антенны для приема горизонтально поляризованной волны (или наоборот) приводит к относительно плохому приему.
Поляризация антенны иногда может быть выведена непосредственно из ее геометрии. Когда проводники антенны, рассматриваемые с опорного местоположения, появляются вдоль одной линии, то поляризация антенны будет линейной в этом самом направлении. В более общем случае поляризация антенны должна быть определена с помощью анализа . Например, турникетная антенна, установленная горизонтально (как это обычно), с удаленного места на Земле выглядит как горизонтальный отрезок линии, поэтому ее излучение, принимаемое там, поляризовано горизонтально. Но если смотреть под углом вниз с самолета, та же самая антенна не соответствует этому требованию; на самом деле ее излучение эллиптически поляризовано, если смотреть с этого направления. В некоторых антеннах состояние поляризации будет меняться с частотой передачи. Поляризация коммерческой антенны является существенной спецификацией .
В самом общем случае поляризация эллиптическая , что означает, что в течение каждого цикла вектор электрического поля вычерчивает эллипс . Два особых случая — линейная поляризация (эллипс схлопывается в линию), как обсуждалось выше, и круговая поляризация (в которой две оси эллипса равны). При линейной поляризации электрическое поле радиоволны колеблется вдоль одного направления. При круговой поляризации электрическое поле радиоволны вращается вокруг оси распространения. Круговые или эллиптически поляризованные радиоволны обозначаются как правосторонние или левосторонние с использованием правила «большой палец в направлении распространения». Обратите внимание, что для круговой поляризации оптические исследователи используют противоположное правило правой руки [ требуется ссылка ] от того, которое используют радиоинженеры.
Лучше всего, чтобы приемная антенна соответствовала поляризации передаваемой волны для оптимального приема. В противном случае будет потеря мощности сигнала: когда линейно поляризованная антенна принимает линейно поляризованное излучение под относительным углом θ, то будет потеря мощности cos 2 θ [ требуется цитата ] . Круговая поляризованная антенна может использоваться для одинаково хорошего соответствия вертикальной или горизонтальной линейной поляризации, испытывая снижение сигнала на 3 дБ . Однако она будет слепа к кругово поляризованному сигналу противоположной ориентации.
Максимальная передача мощности требует согласования импеданса антенной системы (как видно при взгляде на линию передачи) с комплексно сопряженным импедансом приемника или передатчика. Однако в случае передатчика желаемый импеданс согласования может не точно соответствовать динамическому выходному импедансу передатчика, проанализированному как импеданс источника , а скорее расчетному значению (обычно 50 Ом), необходимому для эффективной и безопасной работы передающей схемы. Предполагаемое импеданс обычно резистивное, но передатчик (и некоторые приемники) могут иметь ограниченные дополнительные регулировки для компенсации определенной величины реактивного сопротивления, чтобы «подстроить» соответствие.
Когда между антенной и передатчиком (или приемником) используется линия передачи, обычно требуется антенная система, сопротивление которой является резистивным и почти таким же, как характеристическое сопротивление этой линии передачи, в дополнение к согласованию с сопротивлением, которое ожидает передатчик (или приемник). Согласование стремится минимизировать амплитуду стоячих волн (измеренную через коэффициент стоячей волны ; КСВ), которые несоответствие вызывает на линии, и увеличение потерь в линии передачи, которое оно влечет за собой.
Настройка антенны, в строгом смысле слова, модификация самой антенны, обычно подразумевает только устранение любого реактивного сопротивления на клеммах антенны, оставляя только резистивное сопротивление, которое может быть или не быть в точности желаемым сопротивлением (сопротивлением имеющейся линии передачи).
Хотя антенна может быть спроектирована так, чтобы иметь чисто резистивное сопротивление точки питания (например, диполь длиной 97% от половины длины волны) только на одной частоте, это, скорее всего, не будет точно соответствовать действительности на других частотах, на которых антенна в конечном итоге будет использоваться. В большинстве случаев, в принципе, физическая длина антенны может быть «обрезана» для получения чистого сопротивления, хотя это редко бывает удобно. С другой стороны, добавление противоположной индуктивности или емкости может использоваться для компенсации остаточного емкостного или индуктивного сопротивления, соответственно, и может быть более удобным, чем опускание и обрезка или удлинение антенны, а затем ее подъем обратно.
Реактивное сопротивление антенны может быть устранено с помощью сосредоточенных элементов, таких как конденсаторы или индукторы в основном пути тока, проходящего через антенну, часто вблизи точки питания, или путем включения емкостных или индуктивных структур в проводящее тело антенны для устранения реактивного сопротивления точки питания – например, радиальных проводов с открытым концом «спицы» или параллельных проводов в петле – таким образом, по-настоящему настраивая антенну на резонанс. В дополнение к этим нейтрализующим реактивное сопротивление дополнениям, антенны любого типа могут включать трансформатор и/или трансформаторный симметрирующий трансформатор в точке питания, чтобы изменить резистивную часть импеданса для более точного соответствия характеристическому импедансу фидерной линии .
Настройка антенны в широком смысле , выполняемая с помощью устройства согласования импеданса (несколько не совсем правильно называемого « антенным тюнером » или более старым, более подходящим термином « трансматч »), выходит за рамки простого устранения реактивного сопротивления и включает в себя преобразование оставшегося сопротивления для согласования фидерной линии и радио.
Дополнительная проблема заключается в согласовании оставшегося резистивного импеданса с характеристическим импедансом линии передачи: общая сеть согласования импеданса (« антенный тюнер » или ATU) будет иметь по крайней мере два регулируемых элемента для коррекции обоих компонентов импеданса. Любая сеть согласования будет иметь как потери мощности, так и ограничения мощности при использовании для передачи.
Коммерческие антенны, как правило, проектируются таким образом, чтобы приблизительно соответствовать стандартным коаксиальным кабелям сопротивлением 50 Ом на стандартных частотах; при проектировании предполагается, что согласующая сеть будет использоваться только для «подстройки» любого остаточного несоответствия.
В некоторых случаях согласование осуществляется более экстремальным способом, не просто для того, чтобы компенсировать небольшое остаточное реактивное сопротивление, а для того, чтобы резонировать с антенной, резонансная частота которой существенно отличается от предполагаемой рабочей частоты.
Отражения от земли являются одним из распространенных типов многолучевого распространения. [20] [21] [22]
Диаграмма направленности и даже импеданс точки возбуждения антенны могут зависеть от диэлектрической проницаемости и особенно проводимости близлежащих объектов. Для наземной антенны земля обычно является одним из таких важных объектов. Высота антенны над землей, а также электрические свойства ( диэлектрическая проницаемость и проводимость) земли могут быть важны. Кроме того, в частном случае монопольной антенны земля (или искусственная заземляющая плоскость ) служит в качестве обратного соединения для тока антенны, таким образом, оказывая дополнительное влияние, особенно на импеданс, наблюдаемый фидерной линией.
Когда электромагнитная волна падает на плоскую поверхность, например, на землю, часть волны передается в землю, а часть отражается, согласно коэффициентам Френеля . Если земля является очень хорошим проводником, то почти вся волна отражается (на 180° вне фазы), тогда как земля, смоделированная как (потеряющий) диэлектрик, может поглотить большую часть мощности волны. Мощность, остающаяся в отраженной волне, и сдвиг фаз при отражении сильно зависят от угла падения и поляризации волны . Диэлектрическая проницаемость и проводимость (или просто комплексная диэлектрическая проницаемость) зависят от типа почвы и являются функцией частоты.
Для очень низких и высоких частот (<30 МГц) земля ведет себя как диэлектрик с потерями [23] , поэтому земля характеризуется как проводимостью [ 24] , так и диэлектрической проницаемостью (диэлектрической постоянной), которые можно измерить для данной почвы (но на них влияют колебания уровня влажности) или оценить по определенным картам. На более низких частотах средних волн земля действует в основном как хороший проводник, от которого зависят антенны AM-вещания (0,5–1,7 МГц).
На частотах от 3 до 30 МГц большая часть энергии от горизонтально поляризованной антенны отражается от земли, с почти полным отражением на углах скольжения, важных для распространения земной волны . Эта отраженная волна с ее обращенной фазой может либо нейтрализовать, либо усилить прямую волну, в зависимости от высоты антенны в длинах волн и угла возвышения (для небесной волны ).
С другой стороны, вертикально поляризованное излучение не отражается от земли, за исключением случаев скользящего падения или очень высокопроводящих поверхностей, таких как морская вода. [25] Однако отражение под углом скольжения, важное для распространения земной волны, при использовании вертикальной поляризации находится в фазе с прямой волной, обеспечивая усиление до 6 дБ, как подробно описано ниже.
На частотах VHF и выше (> 30 МГц) земля становится более плохим отражателем. Однако для коротких волн, особенно ниже ~15 МГц, она остается хорошим отражателем, особенно для горизонтальной поляризации и скользящих углов падения. Это важно, поскольку эти более высокие частоты обычно зависят от горизонтального распространения по прямой видимости (за исключением спутниковой связи), тогда земля ведет себя почти как зеркало.
Чистое качество отражения от земли зависит от топографии поверхности. Когда неровности поверхности намного меньше длины волны, доминирующим режимом является режим зеркального отражения , и приемник видит как реальную антенну, так и изображение антенны под землей из-за отражения. Но если земля имеет неровности, не малые по сравнению с длиной волны, отражения не будут когерентными, а будут смещены случайными фазами. При более коротких длинах волн (более высоких частотах) это обычно так.
Всякий раз, когда и приемная, и передающая антенны располагаются на значительной высоте над землей (относительно длины волны), волны, зеркально отраженные землей, будут проходить большее расстояние, чем прямые волны, вызывая сдвиг фазы, который иногда может быть значительным. Когда такая антенна запускает небесную волну , этот сдвиг фазы всегда значителен, если только антенна не находится 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 при отражении меняется на противоположную (фазовый сдвиг на π радиан, или 180°). С другой стороны, вертикальная составляющая электрического поля волны отражается при скользящих углах падения примерно в фазе . Эти фазовые сдвиги применимы также 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, поляризована горизонтально). Однако принимаемый ток будет иметь то же абсолютное направление и фазу, если излучающая антенна поляризована вертикально.
Фактическая антенна, которая передает исходную волну, затем также может получить сильный сигнал от своего собственного изображения с земли. Это вызовет дополнительный ток в элементе антенны, изменяя ток в точке питания для заданного напряжения точки питания. Таким образом, импеданс антенны, заданный отношением напряжения точки питания к току, изменяется из-за близости антенны к земле. Это может быть довольно существенным эффектом, когда антенна находится в пределах длины волны или двух от земли. Но по мере увеличения высоты антенны уменьшенная мощность отраженной волны (из-за закона обратных квадратов ) позволяет антенне приблизиться к ее асимптотическому импедансу точки питания, заданному теорией. На более низких 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 затем изменяет фазу отражения на 180°, с совершенно другим эффектом на импеданс антенны.
Отражение от земли оказывает важное влияние на диаграмму направленности чистого дальнего поля в вертикальной плоскости, то есть как функцию угла возвышения, которая, таким образом, различна для вертикально и горизонтально поляризованной антенны. Рассмотрим антенну на высоте h над землей, передающую волну, рассматриваемую под углом возвышения θ . Для вертикально поляризованной передачи величина электрического поля электромагнитной волны, создаваемой прямым лучом плюс отраженный луч, равна:
Таким образом, полученная мощность может быть в 4 раза выше, чем за счет одной только прямой волны (например, когда θ = 0), следуя квадрату косинуса. Инверсия знака для отражения горизонтально поляризованного излучения вместо этого приводит к:
где:
При горизонтальном распространении между передающей и приемной антеннами, расположенными вблизи земли на достаточно большом расстоянии друг от друга, расстояния, пройденные прямыми и отраженными лучами, почти одинаковы. Относительного сдвига фаз почти нет. Если излучение поляризовано вертикально, два поля (прямое и отраженное) складываются, и принимается максимум сигнала. Если сигнал поляризован горизонтально, два сигнала вычитаются, и принимаемый сигнал в значительной степени нейтрализуется. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости показаны на изображении справа. При вертикальной поляризации всегда есть максимум при θ = 0, горизонтальное распространение (левая диаграмма). При горизонтальной поляризации происходит нейтрализация под этим углом. Приведенные выше формулы и эти графики предполагают, что земля является идеальным проводником. Эти графики диаграммы направленности соответствуют расстоянию между антенной и ее изображением 2,5 λ . По мере увеличения высоты антенны увеличивается и количество лепестков.
Разница в вышеуказанных факторах для случая θ = 0 является причиной того, что большинство вещания (передач, предназначенных для общественности) использует вертикальную поляризацию. Для приемников, расположенных вблизи земли, горизонтально поляризованные передачи испытывают подавление. Для лучшего приема приемные антенны для этих сигналов также имеют вертикальную поляризацию. В некоторых приложениях, где приемная антенна должна работать в любом положении, как в мобильных телефонах , антенны базовой станции используют смешанную поляризацию, такую как линейная поляризация под углом (с вертикальными и горизонтальными компонентами) или круговая поляризация .
С другой стороны, аналоговые телевизионные передачи обычно имеют горизонтальную поляризацию, поскольку в городских районах здания могут отражать электромагнитные волны и создавать фантомные изображения из-за многолучевого распространения . При использовании горизонтальной поляризации фантомные изображения уменьшаются, поскольку величина отражения в горизонтальной поляризации от боковой стороны здания, как правило, меньше, чем в вертикальном направлении. Вертикально поляризованное аналоговое телевидение использовалось в некоторых сельских районах. В цифровом наземном телевидении такие отражения менее проблематичны из-за надежности двоичных передач и исправления ошибок .
Течение тока в проволочных антеннах идентично решению встречных волн в однопроводной линии передачи , которое можно решить с помощью уравнений телеграфиста . Решения токов вдоль элементов антенны удобнее и точнее получать численными методами , поэтому методы линий передачи в значительной степени были заброшены для точного моделирования, но они продолжают оставаться широко используемым источником полезных простых приближений, которые хорошо описывают профили импеданса антенн. [27] (стр. 7–10) [26] (стр. 232)
В отличие от линий электропередачи, токи в антеннах вносят вклад в излучаемую часть электромагнитного поля, которую можно смоделировать с помощью сопротивления излучения . [a]
Конец антенного элемента соответствует ненагруженному (открытому) концу однопроводной линии передачи, что приводит к отраженной волне, идентичной падающей волне, с ее напряжением в фазе с падающей волной и ее током в противоположной фазе (таким образом, чистый нулевой ток, где, в конце концов, нет никакого 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 имеет по крайней мере такую длину). [27] [26]
В резонансной антенне точка питания антенны находится в одном из этих узлов напряжения. [ требуется цитата ] Из-за расхождений с упрощенной версией модели линии передачи напряжение в четверти длины волны от узла тока не равно нулю, но оно 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 от двух волн складываются там синфазно), таким образом, относительно низкого импеданса точки питания.
Питание антенны в других точках требует большого напряжения, а значит, большого импеданса, [ нужна ссылка ] и обычно в первую очередь реактивного (низкий коэффициент мощности ), что является ужасным соответствием импеданса имеющимся линиям передачи. Поэтому обычно желательно, чтобы антенна работала как резонансный элемент с каждым проводником, имеющим длину в одну четверть длины волны (или любые другие нечетные кратные четверти длины волны).
Например, полуволновой диполь имеет два таких элемента (по одному, подключенному к каждому проводнику сбалансированной линии передачи) длиной около четверти длины волны. В зависимости от диаметров проводников, небольшое отклонение от этой длины принимается для того, чтобы достичь точки, в которой ток антенны и (маленькое) напряжение в точке питания находятся точно в фазе. Тогда антенна представляет чисто резистивный импеданс, и в идеале близкий к характеристическому импедансу имеющейся линии передачи.
Несмотря на эти полезные свойства, резонансные антенны имеют тот недостаток, что они достигают резонанса (чисто резистивного сопротивления точки питания) только на основной частоте и, возможно, [ требуется цитата ] некоторых ее гармониках , а сопротивление точки питания больше при резонансах более высокого порядка. Поэтому резонансные антенны могут достигать своих хороших характеристик только в пределах ограниченной полосы пропускания, в зависимости от добротности в резонансе.
Электрические и магнитные поля, исходящие от управляемого элемента антенны, обычно влияют на напряжения и токи в соседних антеннах, элементах антенны или других проводниках. Это особенно верно, когда затронутый проводник является резонансным элементом (длиной, кратной полуволнам) примерно на 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, нельзя просто рассматривать две антенны как передающие и принимающие сигнал в соответствии с формулой передачи Фрииса , например, но необходимо вычислить матрицу взаимного импеданса , которая учитывает как напряжения, так и токи (взаимодействия как через электрические, так и через магнитные поля). Таким образом, используя взаимные импедансы, вычисленные для конкретной геометрии, можно решить для диаграммы направленности антенны Яги-Уда или токов и напряжений для каждого элемента фазированной решетки . Такой анализ может также подробно описать отражение радиоволн от заземляющей плоскости или от уголкового отражателя и их влияние на импеданс (и диаграмму направленности) антенны в ее окрестности.
Часто такие взаимодействия в ближнем поле нежелательны и пагубны. Токи в случайных металлических объектах вблизи передающей антенны часто будут находиться в плохих проводниках, что приведет к потере мощности РЧ в дополнение к непредсказуемому изменению характеристик антенны. Тщательно спроектированный, можно уменьшить электрическое взаимодействие между близлежащими проводниками. Например, угол в 90 градусов между двумя диполями, составляющими антенну турникета, гарантирует отсутствие взаимодействия между ними, позволяя им управляться независимо (но фактически с тем же сигналом в квадратурных фазах в конструкции антенны турникета).
Антенны можно классифицировать по принципам работы или по их применению. Различные органы власти относят антенны к более узким или более широким категориям. Обычно они включают
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.
Ток в приемной антенне, например, сильно отличается от тока в той же антенне, используемой в качестве передающей антенны . [выделено в оригинале]
Словарное определение слова antenna в Викисловаре
