Antena (radiowa)



Wszystka wiedza, jaką ludzie zgromadzili przez wieki na temat Antena (radiowa), jest teraz dostępna w Internecie, a my zebraliśmy ją i uporządkowaliśmy dla Ciebie w najbardziej przystępny sposób. Chcemy, abyś mógł szybko i sprawnie uzyskać dostęp do wszystkich informacji o Antena (radiowa), które chcesz poznać, aby Twoje doświadczenie było przyjemne i abyś czuł, że naprawdę znalazłeś informacje o Antena (radiowa), których szukałeś.

Aby osiągnąć nasze cele, dołożyliśmy starań nie tylko w celu uzyskania najbardziej aktualnych, zrozumiałych i prawdziwych informacji o Antena (radiowa), ale także upewniliśmy się, że wygląd, czytelność, szybkość ładowania i użyteczność strony są tak przyjemne, jak to tylko możliwe, abyś mógł skupić się na tym, co najważniejsze, czyli na poznaniu wszystkich dostępnych danych i informacji o Antena (radiowa), bez konieczności martwienia się o cokolwiek innego - my już zajęliśmy się tym za Ciebie. Mamy nadzieję, że udało nam się osiągnąć nasz cel i że użytkownik znalazł poszukiwane informacje o Antena (radiowa). Witamy Cię i zachęcamy do dalszego korzystania z scientiapl.com .

Animacja pófalowej anteny dipolowej emitujcej fale radiowe , przedstawiajca linie pola elektrycznego . Antena porodku to dwa pionowe metalowe prty poczone z nadajnikiem radiowym (nie pokazano). Nadajnik przykada do prtów zmienny prd elektryczny , który aduje je naprzemiennie dodatnio (+) i ujemnie (-). Ptle pola elektrycznego opuszczaj anten i oddalaj si z prdkoci wiata ; to s fale radiowe. W tej animacji akcja jest bardzo spowolniona.

W radiotechnice antena lub antena jest interfejsem midzy falami radiowymi rozchodzcymi si w przestrzeni i prdami elektrycznymi poruszajcymi si w metalowych przewodnikach, uywanym z nadajnikiem lub odbiornikiem . W transmisji nadajnik radiowy dostarcza prd elektryczny do kocówek anteny, a antena emituje energi z prdu jako fale elektromagnetyczne (fale radiowe). Podczas odbioru antena przechwytuje cz mocy fali radiowej w celu wytworzenia prdu elektrycznego na jej zaciskach, który jest doprowadzany do wzmacnianego odbiornika . Anteny s podstawowymi elementami wszystkich urzdze radiowych .

Antena to ukad przewodników ( elementów ), elektrycznie poczonych z odbiornikiem lub nadajnikiem. Anteny mog by zaprojektowane tak, aby nadawa i odbiera fale radiowe we wszystkich kierunkach poziomych jednakowo ( anteny dookólne ) lub preferencyjnie w okrelonym kierunku ( anteny kierunkowe lub o duym zysku lub anteny wizkowe). Antena moe zawiera elementy niepoczone z nadajnikiem, reflektory paraboliczne , tuby lub elementy pasoytnicze , które su do kierowania fal radiowych na wizk lub inn podan charakterystyk promieniowania . Silna kierunkowo i dobra wydajno podczas transmisji s trudne do osignicia w przypadku anten o wymiarach znacznie mniejszych ni poowa dugoci fali .

Pierwsze anteny zostay zbudowane w 1888 roku przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza w jego pionierskich eksperymentach majcych na celu udowodnienie istnienia fal przewidzianych przez teori elektromagnetyczn Jamesa Clerka Maxwella . Hertz umieci anteny dipolowe w ognisku reflektorów parabolicznych zarówno do nadawania, jak i odbioru. Poczwszy od 1895 r. Guglielmo Marconi rozpocz opracowywanie anten przydatnych do dalekosinej telegrafii bezprzewodowej, za co otrzyma Nagrod Nobla.

Terminologia

Sowa antena i antena s uywane zamiennie. Czasami równowany termin antena jest uywany w szczególnoci w celu oznaczenia podniesionej poziomej anteny przewodowej. Pochodzenie sowa antena w odniesieniu do urzdze bezprzewodowych przypisuje si woskiemu pionierowi radia Guglielmo Marconiemu . Latem 1895 r. Marconi zacz testowa swój system bezprzewodowy na zewntrz na posiadoci swojego ojca w pobliu Bolonii i wkrótce zacz eksperymentowa z dugimi przewodowymi antenami zawieszonymi na supie. W jzyku woskim supek namiotowy nazywany jest l'antenna centrale , a supek z przewodem nazywano po prostu l'antenna . Do tego czasu bezprzewodowo promieniujce elementy nadawcze i odbiorcze znane byy po prostu jako terminale. Ze wzgldu na jego znaczenie, uycie sowa antena przez Marconiego rozprzestrzenio si wród badaczy i entuzjastów cznoci bezprzewodowej, a póniej wród ogóu spoeczestwa.

Antena moe odnosi si ogólnie do caego zespou, w tym konstrukcji wsporczej, obudowy (jeli istnieje) itp., oprócz rzeczywistych elementów funkcjonalnych. Antena odbiorcza moe zawiera nie tylko pasywne metalowe elementy odbiorcze, ale równie zintegrowany przedwzmacniacz lub mikser , zwaszcza na i powyej czstotliwoci mikrofalowych .

Przegld

Anteny s wymagane przez kady odbiornik lub nadajnik radiowy, aby poczy jego poczenie elektryczne z polem elektromagnetycznym. Fale radiowe to fale elektromagnetyczne, które przenosz sygnay w powietrzu (lub w przestrzeni) z prdkoci wiata , prawie bez strat transmisji .

Samochodowa antena biczowa , typowy przykad anteny dookólnej.

Anteny mona sklasyfikowa jako dookólne , promieniujce energi w przyblieniu jednakowo we wszystkich kierunkach poziomych lub kierunkowe , w których fale radiowe s skoncentrowane w pewnym kierunku (kierunkach). Tak zwana antena wizkowa jest jednokierunkowa, zaprojektowana w celu uzyskania maksymalnej odpowiedzi w kierunku drugiej stacji, podczas gdy wiele innych anten jest przeznaczonych do przyjmowania stacji w rónych kierunkach, ale nie s tak naprawd dookólne. Poniewa anteny s posuszne wzajemnoci , ta sama charakterystyka promieniowania dotyczy zarówno transmisji, jak i odbioru fal radiowych. Hipotetyczna antena, która promieniuje jednakowo we wszystkich ktach pionowych i poziomych, nazywana jest promiennikiem izotropowym , jednak w praktyce nie mog one istnie ani nie byyby szczególnie podane. W przypadku wikszoci komunikacji naziemnej zalet jest raczej zmniejszenie promieniowania w kierunku nieba lub ziemi na rzecz kierunku(-ów) poziomego(-ych).

Antena pionowa lub antena biczowa jest przykadem anteny dookólnej. Z drugiej strony, antena dipolowa zorientowana poziomo nie wysya energii w kierunku przewodnika nazywa si to anten zerow ale mona jej uywa w wikszoci innych kierunków. Szereg takich elementów dipolowych mona poczy w ukad antenowy, taki jak Yagi-Uda , aby faworyzowa pojedynczy kierunek poziomy, zwany w ten sposób anten wizkow.

Antena dipolowa pófalowa

Antena dipolowa, która jest podstaw wikszoci konstrukcji anten, jest komponentem zrównowaonym , z równymi, ale przeciwstawnymi napiciami i prdami przyoonymi na jej dwóch zaciskach. Antena pionowa jest anten jednobiegunow , niezrównowaon wzgldem ziemi. Ziemia (lub dowolna dua powierzchnia przewodzca) peni rol drugiego przewodnika dipola. Poniewa anteny monopolowe opieraj si na powierzchni przewodzcej, mog by montowane z paszczyzn uziemienia, aby przybliy efekt montau na powierzchni Ziemi.

Schemat pól elektrycznych ( niebieski ) i magnetycznych ( czerwony ) promieniowanych przez anten dipolow ( czarne prty ) podczas transmisji.

Bardziej zoone anteny zwikszaj kierunkowo anteny. Dodatkowe elementy konstrukcji anteny, które nie musz by bezporednio poczone z odbiornikiem lub nadajnikiem, zwikszaj jej kierunkowo. Wzmocnienie anteny opisuje koncentracj wypromieniowanej mocy w okrelonym staym kcie przestrzeni. Wzmocnienie jest by moe terminem wybranym niefortunnie, w porównaniu ze wzmocnieniem wzmacniacza, które implikuje wzrost mocy netto. Natomiast w przypadku wzmocnienia anteny moc zwikszona w podanym kierunku odbywa si kosztem mocy zmniejszonej w niepodanym kierunku. W przeciwiestwie do wzmacniaczy, anteny s elektrycznie pasywnymi urzdzeniami, które oszczdzaj cakowit moc i nie ma wzrostu cakowitej mocy powyej mocy dostarczanej ze róda zasilania (nadajnika), tylko poprawiona dystrybucja tej staej mocy.

Ukad fazowany skada si z dwóch lub wicej prostych anten poczonych ze sob sieci elektryczn. Czsto wie si to z kilkoma równolegymi antenami dipolowymi w okrelonych odstpach. W zalenoci od wzgldnej fazy wprowadzonej przez sie, ta sama kombinacja anten dipolowych moe dziaa jako szyk szerokopasmowy (kierunkowy normalny do linii czcej elementy) lub jako szyk kocowy (kierunkowy wzdu linii czcej elementy). elementy). W szykach antenowych mog by stosowane dowolne podstawowe (dookólne lub sabo kierunkowe) typy anten, takie jak anteny dipolowe, ptlowe lub szczelinowe. Te elementy s czsto identyczne.

Anteny okresowe i niezalene od czstotliwoci wykorzystuj samopodobiestwo , aby dziaa w szerokim zakresie szerokoci pasma . Najbardziej znanym przykadem jest ukad dipoli logarytmiczno-okresowych, który mona postrzega jako liczb (zwykle od 10 do 20) poczonych elementów dipolowych o progresywnych dugociach w ukadzie kocowego zaponu, co czyni go raczej kierunkowym; znajduje zastosowanie zwaszcza jako antena dachowa do odbioru telewizji. Z drugiej strony antena Yagi-Uda (lub po prostu Yagi), o nieco podobnym wygldzie, ma tylko jeden element dipolowy z poczeniem elektrycznym; inne elementy pasoytnicze oddziauj z polem elektromagnetycznym, aby uzyska wysoce kierunkow anten, ale o wskim pamie.

Jeszcze wiksz kierunkowo mona uzyska stosujc anteny aperturowe , takie jak reflektor paraboliczny lub antena tubowa . Poniewa wysoka kierunkowo anteny zaley od jej duej w porównaniu do dugoci fali, anteny wysoce kierunkowe (a wic o duym zysku anteny ) staj si bardziej praktyczne przy wyszych czstotliwociach ( UHF i wysze).

Przy niskich czstotliwociach (takich jak transmisja AM ) do uzyskania kierunkowoci wykorzystywane s ukady pionowych wie, które zajm due obszary ldu. Do odbioru duga antena do napojów moe mie znaczn kierunkowo. W przypadku przenonego uytku bezkierunkowego dobrze sprawdza si krótka antena pionowa lub maa antena ptlowa , przy czym gównym wyzwaniem projektowym jest dopasowanie impedancji . W przypadku anteny pionowej cewka obciajca u podstawy anteny moe by wykorzystana do zniesienia skadowej biernej impedancji ; W tym celu mae anteny ptlowe s strojone kondensatorami równolegymi.

Wejcie antenowe to linia transmisyjna lub linia zasilajca , która czy anten z nadajnikiem lub odbiornikiem. Podawanie antenowe moe odnosi si do wszystkich elementów czcych anten z nadajnikiem lub odbiornikiem, takich jak sie dopasowania impedancji oprócz linii transmisyjnej. W tak zwanej antenie aperturowej, takiej jak antena tubowa lub paraboliczna, feed moe równie odnosi si do podstawowej anteny promieniujcej osadzonej w caym ukadzie elementów odbijajcych (zwykle w ognisku czaszy parabolicznej lub na gardo klaksonu), który mona uzna za jedyny aktywny element tego systemu antenowego. Antena mikrofalowa moe by równie zasilana bezporednio z falowodu zamiast (przewodzcej) linii transmisyjnej .

Przeciwwaga anteny lub paszczyzna uziemienia jest struktur z materiau przewodzcego, która poprawia lub zastpuje grunt. Moe by podczony lub odizolowany od gruntu naturalnego. W antenie jednobiegunowej pomaga to w funkcjonowaniu naturalnego gruntu, szczególnie tam, gdzie zmiany (lub ograniczenia) waciwoci naturalnego gruntu zakócaj jego prawidowe funkcjonowanie. Taka konstrukcja jest zwykle podczona do poczenia powrotnego niesymetrycznej linii przesyowej, takiej jak ekran kabla koncentrycznego .

Refraktor fali elektromagnetycznej w niektórych antenach aperturowych jest elementem, który ze wzgldu na swój ksztat i pooenie dziaa selektywnie opóniajc lub przesuwajc czci przechodzcego przez niego frontu fali elektromagnetycznej. Refraktor zmienia charakterystyk przestrzenn fali po jednej stronie w stosunku do drugiej strony. Moe na przykad skoncentrowa fal lub zmieni jej czoo w inny sposób, generalnie w celu maksymalizacji kierunkowoci systemu antenowego. Jest to radiowy odpowiednik soczewki optycznej .

Sie sprzgajca anteny to sie pasywna (na ogó poczenie elementów obwodów indukcyjnych i pojemnociowych ) wykorzystywana do dopasowywania impedancji midzy anten a nadajnikiem lub odbiornikiem. Moe to by wykorzystane do zminimalizowania strat na linii zasilajcej poprzez zmniejszenie wspóczynnika fali stojcej linii transmisyjnej oraz do zapewnienia nadajnikowi lub odbiornikowi standardowej impedancji rezystancyjnej potrzebnej do jego optymalnej pracy. Lokalizacja(e) punktu zasilania jest wybierana, a elementy anteny elektrycznie podobne do komponentów tunera mog by wbudowane w sam struktur anteny, aby poprawi dopasowanie .

Wzajemno

Podstawow waciwoci anten jest to, e parametry elektryczne anteny opisane w nastpnej sekcji, takie jak zysk , charakterystyka promieniowania , impedancja , szeroko pasma , czstotliwo rezonansowa i polaryzacja , s takie same, niezalenie od tego, czy antena nadaje , czy odbiera . Na przykad wzorzec odbioru (czuo jako funkcja kierunku) anteny uywanej do odbioru jest identyczny z charakterystyk promieniowania anteny, gdy jest ona napdzana i dziaa jako promiennik. Jest to konsekwencja twierdzenia o wzajemnoci elektromagnetyzmu. Dlatego w omówieniach waciwoci anteny zwykle nie dokonuje si rozrónienia midzy terminologi odbiorcz i nadawcz, a antena moe by postrzegana jako nadawcza lub odbiorcza, w zalenoci od tego, co jest wygodniejsze.

Warunkiem koniecznym dla wspomnianej wzajemnoci jest to, aby materiay w antenie i medium transmisyjnym byy liniowe i odwrotne. Odwrotno (lub obustronna ) oznacza, e materia ma tak sam reakcj na prd elektryczny lub pole magnetyczne w jednym kierunku, jak na pole lub prd w przeciwnym kierunku. Wikszo materiaów stosowanych w antenach spenia te warunki, ale niektóre anteny mikrofalowe wykorzystuj zaawansowane technologicznie komponenty, takie jak izolatory i cyrkulatory , wykonane z materiaów nieodwrotnych, takich jak ferryt . Mona ich uy, aby nada antenie inne zachowanie podczas odbioru ni podczas nadawania, co moe by przydatne w zastosowaniach takich jak radar .

Anteny rezonansowe

Wikszo konstrukcji anten opiera si na zasadzie rezonansu . Opiera si to na zachowaniu poruszajcych si elektronów, które odbijaj si od powierzchni, na których zmienia si staa dielektryczna , podobnie jak odbija si wiato, gdy zmieniaj si waciwoci optyczne. W tych konstrukcjach powierzchnia odbijajca jest tworzona przez koniec przewodnika, zwykle cienkiego metalowego drutu lub prta, który w najprostszym przypadku ma punkt zasilania na jednym kocu, gdzie jest podczony do linii przesyowej . Przewodnik lub element jest wyrównany z polem elektrycznym podanego sygnau, co zwykle oznacza, e jest prostopady do linii od anteny do róda (lub odbiornika w przypadku anteny rozgoszeniowej).

Element elektryczny sygnau radiowego indukuje napicie w przewodzie. Powoduje to, e prd elektryczny zaczyna pyn w kierunku chwilowego pola sygnau. Kiedy wynikowy prd dociera do koca przewodnika, odbija si, co jest równowane zmianie fazy o 180 stopni. Jeli przewodnik ma dugo 1 4 dugoci fali, prd z punktu zasilania ulegnie zmianie fazy o 90 stopni do czasu, gdy osignie koniec przewodnika, odbije si o 180 stopni, a nastpnie o kolejne 90 stopni, gdy bdzie si cofa. Oznacza to, e przeszed cakowit zmian fazy o 360 stopni, przywracajc oryginalny sygna. Prd w elemencie dodaje si w ten sposób do prdu tworzonego w tej chwili ze róda. Proces ten tworzy fal stojc w przewodzie, z maksymalnym prdem na zasilaniu.

Zwyky dipol pófalowy jest prawdopodobnie najczciej stosowan konstrukcj antenow. Skada si on z dwóch elementów o dugoci fali 1 4  uoonych jeden do drugiego i lecych zasadniczo wzdu tej samej osi (lub wspóliniowo ), z których kady zasila jedn stron dwuprzewodowego przewodu transmisyjnego. Fizyczne rozmieszczenie tych dwóch elementów powoduje, e s one przesunite w fazie o 180 stopni, co oznacza, e w danej chwili jeden z elementów kieruje prd do linii przesyowej, podczas gdy drugi go wyciga. Antena monopolowa jest zasadniczo poow dipola pófalowego, pojedynczym elementem o dugoci fali 1 4  z drug stron poczon z ziemi lub równowan paszczyzn uziemienia (lub przeciwwag ). Monopole, które s o poow mniejsze od dipola, s powszechne w przypadku sygnaów radiowych o dugich falach, gdzie dipol byby niepraktycznie duy. Innym powszechnym projektem jest zoony dipol , który skada si z dwóch (lub wicej) pófalowych dipoli umieszczonych obok siebie i poczonych na swoich kocach, z których tylko jeden jest napdzany.

Ksztaty fali stojcej z takim podanym wzorem przy projektowanej czstotliwoci roboczej fo , a anteny s zwykle projektowane do tego rozmiaru. Jednak zasilanie tego elementu 3 f 0 (którego dugo fali wynosi 1 3 f o ) równie doprowadzi do powstania wzoru fali stojcej . Tak wic element antenowy jest równie rezonansowy, gdy jego dugo wynosi 3 4 dugoci fali. Dotyczy to wszystkich nieparzystych wielokrotnoci  dugoci fali 1 4 . Pozwala to na pewn elastyczno projektowania pod wzgldem dugoci anteny i punktów zasilania. Wiadomo, e anteny uywane w ten sposób dziaaj harmonijnie . Anteny rezonansowe zwykle wykorzystuj liniowy przewodnik (lub element ) lub par takich elementów, z których kady ma dugo okoo jednej czwartej dugoci fali (nieparzysta wielokrotno wier dugoci fali równie bdzie rezonansowa). Anteny, które musz by mae w porównaniu z wydajnoci powicenia dugoci fali i nie mog by bardzo kierunkowe. Poniewa dugoci fal s tak mae przy wyszych czstotliwociach ( UHF , mikrofale ), zwykle nie jest wymagana wymiana wydajnoci w celu uzyskania mniejszego rozmiaru fizycznego.

Fale stojce na dipolu pófalowym napdzane z czstotliwoci rezonansow . Fale s przedstawione graficznie za pomoc kolorowych supków ( czerwony dla napicia, V i niebieski dla prdu, I ), których szeroko jest proporcjonalna do amplitudy wielkoci w tym punkcie anteny.

Dystrybucja prdu i napicia

Elementy wierfalowe imituj szeregowy rezonansowy element elektryczny ze wzgldu na fal stojc obecn wzdu przewodu. Przy czstotliwoci rezonansowej fala stojca ma szczyt prdu i wze napicia (minimum) na zasilaniu. W kategoriach elektrycznych oznacza to, e element ma minimaln reaktancj , generujc maksymalny prd przy minimalnym napiciu. Jest to idealna sytuacja, poniewa zapewnia maksymaln wydajno przy minimalnym nakadzie, zapewniajc najwysz moliw wydajno. W przeciwiestwie do idealnego (bezstratnego) obwodu rezonansu szeregowego, pozostaje skoczona rezystancja (odpowiadajca stosunkowo maemu napiciu w punkcie zasilania) ze wzgldu na rezystancj promieniowania anteny, a take wszelkie rzeczywiste straty elektryczne.

Przypomnijmy, e prd zostanie odzwierciedlony, gdy nastpi zmiany we waciwociach elektrycznych materiau. Aby skutecznie przenie odebrany sygna do linii transmisyjnej, wane jest, aby linia transmisyjna miaa tak sam impedancj , jak jej punkt poczenia z anten, w przeciwnym razie cz sygnau zostanie odbita z powrotem do korpusu anteny; podobnie cz mocy sygnau nadajnika zostanie odbita z powrotem do nadajnika, jeli nastpi zmiana impedancji elektrycznej w miejscu poczenia przewodu zasilajcego z anten. Prowadzi to do koncepcji dopasowania impedancji , projektu caego systemu anteny i linii transmisyjnej tak, aby impedancja bya jak najbardziej zbliona, zmniejszajc w ten sposób te straty. Dopasowanie impedancji jest realizowane przez obwód zwany tunerem antenowym lub sieci dopasowania impedancji midzy nadajnikiem a anten. Dopasowanie impedancji midzy lini zasilajc a anten jest mierzone za pomoc parametru zwanego wspóczynnikiem fali stojcej (SWR) na linii zasilajcej.

Rozwa dipol pófalowy zaprojektowany do pracy z sygnaami o dugoci fali 1 m, co oznacza, e antena bdzie miaa okoo 50 cm od czubka do czubka. Jeli element ma stosunek dugoci do rednicy równy 1000, bdzie mia impedancj wewntrzn okoo 63 omów. Stosujc odpowiedni przewód transmisyjny lub balun, dopasowujemy t rezystancj, aby zapewni minimalne odbicie sygnau. Zasilanie tej anteny prdem o nateniu 1 ampera bdzie wymagao 63 woltów, a antena bdzie emitowa 63 waty (ignorujc straty) mocy czstotliwoci radiowej. Rozwamy teraz przypadek, w którym antena jest zasilana sygnaem o dugoci fali 1,25 m; w tym przypadku prd indukowany przez sygna dotarby do punktu zasilania anteny w przeciwfazie z sygnaem, powodujc spadek prdu sieciowego, podczas gdy napicie pozostao takie samo. Elektrycznie wydaje si, e jest to bardzo wysoka impedancja. Antena i linia transmisyjna nie maj ju tej samej impedancji, a sygna zostanie odbity z powrotem do anteny, zmniejszajc moc wyjciow. Mona temu zaradzi, zmieniajc system dopasowania midzy anten a lini transmisyjn, ale to rozwizanie dziaa dobrze tylko przy nowej czstotliwoci projektowej.

W rezultacie antena rezonansowa bdzie skutecznie dostarcza sygna do linii transmisyjnej tylko wtedy, gdy czstotliwo sygnau ródowego jest zbliona do czstotliwoci projektowej anteny lub jednej z wielokrotnoci rezonansowych. To sprawia, e konstrukcje anten rezonansowych s z natury wskopasmowe: przydatne tylko dla maego zakresu czstotliwoci skupionych wokó rezonansu(ów).

Elektrycznie krótkie anteny

Moliwe jest zastosowanie prostych technik dopasowania impedancji , aby umoliwi uycie anten jednobiegunowych lub dipolowych znacznie krótszych ni , odpowiednio, dugoci fali 1 4 lub 1 2 ,  przy których s one rezonansowe. Poniewa anteny te s skrócone (dla danej czstotliwoci), ich impedancja zostaje zdominowana przez szeregow (ujemn) reaktancj pojemnociow; poprzez dodanie odpowiedniej wielkoci cewki obciajcej szeregowej indukcyjnoci o równej i przeciwnej (dodatniej) reaktancji reaktancja pojemnociowa anteny moe zosta zniesiona pozostawiajc jedynie czyst rezystancj. Czasami wynikowa (nisza) elektryczna czstotliwo rezonansowa takiego systemu (antena plus sie dopasowujca) jest opisana za pomoc pojcia dugoci elektrycznej , wic antena uywana z czstotliwoci nisz ni jej czstotliwo rezonansowa nazywana jest elektrycznie krótk anten

Na przykad, przy 30 MHz (10 m dugoci fali) prawdziwy rezonansowy monofon o dugoci fali 1 4  miaby prawie 2,5 metra dugoci, a uycie anteny o wysokoci tylko 1,5 metra wymagaoby dodania cewki adujcej. Wtedy mona powiedzie, e cewka wyduya anten do dugoci elektrycznej 2,5 metra. Jednak osignita wynikowa impedancja rezystancyjna bdzie nieco nisza ni w przypadku prawdziwego monopolu falowego 1 4  (rezonansowego), co czsto wymaga dalszego dopasowania impedancji (transformatora) do podanej linii przesyowej. W przypadku coraz krótszych anten (wymagajcych wikszego wyduenia elektrycznego) rezystancja promieniowania spada (w przyblieniu zgodnie z kwadratem dugoci anteny), tak e pogarsza si niedopasowanie spowodowane reaktancj netto z dala od rezonansu elektrycznego. Mona te równie dobrze powiedzie, e równowany obwód rezonansowy systemu antenowego ma wyszy wspóczynnik dobroci, a tym samym zmniejszon szeroko pasma, co moe nawet sta si nieodpowiednie dla widma nadawanego sygnau. Straty rezystancyjne spowodowane cewk obciajc, w stosunku do zmniejszonej odpornoci na promieniowanie, pocigaj za sob zmniejszon wydajno elektryczn , co moe by powanym problemem w przypadku anteny nadawczej, ale szeroko pasma jest gównym czynnikiem, który ustawia rozmiar anten na 1 MHz i nisze czstotliwoci .

Tablice i reflektory

Anteny telewizji dachowej Yagi-Uda , takie jak te, s szeroko stosowane na czstotliwociach VHF i UHF .

Strumie promieniowania w funkcji odlegoci od anteny nadawczej zmienia si zgodnie z prawem odwrotnoci kwadratu , poniewa opisuje ono rozbieno geometryczn przesyanej fali. Dla danego strumienia przychodzcego moc pobierana przez anten odbiorcz jest proporcjonalna do jej efektywnej powierzchni . Ten parametr porównuje ilo mocy przechwyconej przez anten odbiorcz w porównaniu ze strumieniem fali przychodzcej (mierzonym jako gsto mocy sygnau w watach na metr kwadratowy). Dipol pófalowy ma efektywn powierzchni widzian z kierunku burtowego. Jeli potrzebne jest wiksze wzmocnienie, nie mona po prostu powikszy anteny. Ze wzgldu na ograniczenia dotyczce efektywnego obszaru anteny odbiorczej opisanej poniej , mona zauway, e w przypadku ju efektywnej konstrukcji anteny, jedynym sposobem na zwikszenie wzmocnienia (obszar efektywny) jest zmniejszenie wzmocnienia anteny w innym kierunku.

Jeli dipol pófalowy nie jest podczony do obwodu zewntrznego, ale raczej jest zwarty w punkcie zasilania, staje si rezonansowym elementem pófalowym, który skutecznie wytwarza fal stojc w odpowiedzi na uderzajc fal radiow. Poniewa nie ma obcienia pochaniajcego t moc, retransmituje ca t moc, prawdopodobnie z przesuniciem fazowym, które jest krytycznie zalene od dokadnej dugoci elementu. Zatem taki przewodnik moe by umieszczony w celu przesyania drugiej kopii sygnau nadajnika w celu wpywania na charakterystyk promieniowania (i impedancj punktu zasilania) elementu elektrycznie poczonego z nadajnikiem. Wykorzystane w ten sposób elementy antenowe nazywane s promiennikami pasywnymi .

Tablica Yagi-Uda wykorzystuje elementy pasywne, aby znacznie zwikszy wzmocnienie w jednym kierunku (kosztem innych kierunków). Szereg równolegych, w przyblieniu pófalowych elementów (o bardzo okrelonych dugociach) jest umieszczonych równolegle do siebie, w okrelonych miejscach wzdu wysignika; wysignik suy tylko do podparcia i nie jest wczony elektrycznie. Tylko jeden z elementów jest poczony elektrycznie z nadajnikiem lub odbiornikiem, pozostae elementy s pasywne. Yagi wytwarza do duy zysk (w zalenoci od liczby elementów pasywnych) i jest szeroko stosowany jako antena kierunkowa z wirnikiem antenowym do sterowania kierunkiem jej wizki. Cierpi z powodu do ograniczonej przepustowoci, ograniczajc jej uycie do niektórych aplikacji.

Zamiast uywa jednego napdzanego elementu antenowego wraz z pasywnymi promiennikami, mona zbudowa anten macierzow , w której wiele elementów jest napdzanych przez nadajnik przez system rozganików mocy i linii transmisyjnych we wzgldnych fazach, aby skoncentrowa moc RF w jednym kierunek. Co wicej, szyk fazowany mona uczyni sterowalnym, to znaczy zmieniajc fazy zastosowane do kadego elementu, mona przesun charakterystyk promieniowania bez fizycznego przesuwania elementów anteny. Innym powszechnym ukadem antenowym jest ukad dipolów log-periodycznych, który ma wygld podobny do Yagi (z wieloma równolegymi elementami wzdu wysignika), ale jest cakowicie odmienny w dziaaniu, poniewa wszystkie elementy s poczone elektrycznie z ssiednim elementem z odwróceniem fazy ; stosujc zasad logarytmiczno-okresow uzyskuje unikaln waciwo utrzymywania swoich charakterystyk wydajnociowych (wzmocnienia i impedancji) w bardzo duej szerokoci pasma.

Kiedy fala radiowa uderza w duy arkusz przewodzcy, zostaje odbita (z odwrócon faz pola elektrycznego), tak jak lustro odbija wiato. Umieszczenie takiego odbynika za anten bezkierunkow w innym przypadku zapewni, e moc, która byaby skierowana w jego kierunku, zostanie przekierowana w podanym kierunku, zwikszajc wzmocnienie anteny o wspóczynnik co najmniej 2. Podobnie, odbynik narony moe zapewni, e caa moc anteny jest skoncentrowana tylko w jednej wiartce przestrzeni (lub mniejszej) z konsekwentnym wzrostem wzmocnienia. Praktycznie rzecz biorc, odbynik nie musi by solidn blach, ale moe skada si z kurtyny z prtów ustawionych zgodnie z polaryzacj anteny; to znacznie zmniejsza wag reflektora i obcienie wiatrem . Odbicie zwierciadlane fal radiowych jest równie wykorzystywane w parabolicznej antenie reflektorowej, w której zakrzywiona powierzchnia odbijajca powoduje ogniskowanie fali przychodzcej w kierunku tak zwanej anteny zasilajcej ; w wyniku tego powstaje system antenowy o efektywnej powierzchni porównywalnej z wielkoci samego reflektora. Inne koncepcje optyki geometrycznej s równie stosowane w technologii antenowej, na przykad w przypadku anteny soczewkowej .

Charakterystyka

Zysk mocy anteny (lub po prostu zysk) uwzgldnia równie wydajno anteny i czsto jest podstawow wartoci. Anteny charakteryzuj si szeregiem wskaników wydajnoci, którymi uytkownik byby zainteresowany przy wyborze lub projektowaniu anteny do konkretnego zastosowania. Wykresem charakterystyki kierunkowej w przestrzeni otaczajcej anten jest charakterystyka jej promieniowania .

Przepustowo cza

Zakres czstotliwoci lub szeroko pasma , w którym antena dobrze funkcjonuje, moe by bardzo szeroki (jak w antenie logarytmicznej) lub wski (jak w maej antenie ptlowej); poza tym zakresem impedancja anteny staje si sabo dopasowana do linii transmisyjnej i nadajnika (lub odbiornika). Uycie anteny z dala od czstotliwoci projektowej wpywa na jej charakterystyk promieniowania , zmniejszajc jej kierunkowy zysk.

Generalnie antena nie bdzie miaa impedancji punktu zasilania, która odpowiada impedancji linii transmisyjnej; pasujca sie midzy terminalami antenowymi a lini transmisyjn poprawi transfer mocy do anteny. Nieregulowana sie dopasowujca najprawdopodobniej spowoduje dalsze ograniczenia uytecznej szerokoci pasma systemu antenowego. Do wykonania anteny moe by podane uycie elementów rurowych zamiast cienkich drutów; umoliwi one wiksz przepustowo. Lub kilka cienkich drutów mona zgrupowa w klatce , aby symulowa grubszy element. To poszerza pasmo rezonansu.

Anteny radioamatorskie , które dziaaj w kilku pasmach czstotliwoci, które s od siebie odseparowane, mog czy równolegle elementy rezonansowe na tych rónych czstotliwociach. Wikszo mocy nadajnika popynie do elementu rezonansowego, podczas gdy pozostae maj wysok impedancj. Inne rozwizanie wykorzystuje puapki , równolege obwody rezonansowe, które s strategicznie rozmieszczone w przerwach tworzonych w dugich elementach antenowych. Puapka stosowana przy okrelonej czstotliwoci rezonansowej puapki charakteryzuje si bardzo wysok impedancj (rezonans równolegy) skutecznie obcinajc element w miejscu puapki; jeli jest prawidowo umieszczony, city element tworzy odpowiedni anten rezonansow na czstotliwoci puapki. Przy znacznie wyszych lub niszych czstotliwociach puapka pozwala na wykorzystanie caej dugoci uszkodzonego elementu, ale z czstotliwoci rezonansow przesunit o reaktancj netto dodan przez puapk.

Charakterystyk szerokoci pasma rezonansowego elementu antenowego mona scharakteryzowa zgodnie z jego Q , gdzie rezystancja jest opornoci na promieniowanie , która reprezentuje emisj energii z anteny rezonansowej do wolnej przestrzeni.

Q anteny wskopasmowej moe wynosi nawet 15. Z drugiej strony, reaktancja przy tej samej czstotliwoci rezonansowej, jak w przypadku anteny o grubych elementach, jest znacznie mniejsza, co w konsekwencji daje Q tak niskie, jak 5. Te dwie anteny moe dziaa równowanie przy czstotliwoci rezonansowej, ale druga antena bdzie dziaa w pamie 3 razy szerszym ni antena skadajca si z cienkiego przewodnika.

Anteny do uytku w znacznie szerszych zakresach czstotliwoci uzyskuje si przy uyciu dalszych technik. Dopasowanie sieci dopasowujcej moe w zasadzie pozwoli na dopasowanie dowolnej anteny na dowolnej czstotliwoci. Tak wic antena z ma ptl wbudowana w wikszo odbiorników nadawczych AM (fale rednie) ma bardzo wskie pasmo, ale jest dostrojona za pomoc równolegej pojemnoci, która jest regulowana zgodnie ze strojeniem odbiornika. Z drugiej strony anteny logarytmiczne nie s rezonansowe przy adnej czstotliwoci, ale mona je zbudowa w celu uzyskania podobnych charakterystyk (w tym impedancji punktu zasilania) w dowolnym zakresie czstotliwoci. S one zatem powszechnie stosowane (w postaci kierunkowych log-okresowych ukadów dipolowych ) jako anteny telewizyjne.

Zdoby

Wzmocnienie to parametr mierzcy stopie kierunkowoci charakterystyki promieniowania anteny . Antena o wysokim zysku bdzie promieniowa wikszo swojej mocy w okrelonym kierunku, podczas gdy antena o niskim zysku bdzie promieniowa pod szerokim ktem. Zysk anteny lub zysk mocy anteny jest zdefiniowany jako stosunek natenia (mocy na jednostk powierzchni) wypromieniowanej przez anten w kierunku jej maksymalnej mocy wyjciowej, w dowolnej odlegoci, podzielonej przez natenie wypromieniowane w tym samym odlego przez hipotetyczn anten izotropow , która promieniuje równ moc we wszystkich kierunkach. Ten bezwymiarowy stosunek jest zwykle wyraany logarytmicznie w decybelach , jednostki te nazywane s decybelami-izotropowymi (dBi)

Drug jednostk uywan do pomiaru wzmocnienia jest stosunek mocy promieniowanej przez anten do mocy promieniowanej przez pófalow anten dipolow ; jednostki te nazywane s decybelami-dipolami (dBd)

Poniewa wzmocnienie dipola pófalowego wynosi 2,15 dBi, a logarytm produktu jest addytywny, zysk w dBi jest tylko o 2,15 decybela wikszy ni zysk w dBd

Anteny o wysokim zysku maj t zalet, e maj wikszy zasig i lepsz jako sygnau, ale musz by ostronie skierowane na drug anten. Przykadem anteny o wysokim zysku jest antena paraboliczna, taka jak antena telewizji satelitarnej . Anteny o niskim zysku maj mniejszy zasig, ale orientacja anteny jest stosunkowo nieistotna. Przykadem anteny o niskim zysku jest antena biczowa znajdujca si w przenonych radioodbiornikach i telefonach bezprzewodowych . Wzmocnienia anteny nie naley myli ze wzmocnieniem wzmacniacza , osobnym parametrem mierzcym wzrost mocy sygnau za spraw urzdzenia wzmacniajcego umieszczonego z przodu systemu, takiego jak wzmacniacz niskoszumowy .

Efektywny obszar lub otwór

Efektywna powierzchnia lub efektywna apertura anteny odbiorczej wyraa cz mocy przechodzcej fali elektromagnetycznej, któr antena dostarcza do jej zacisków, wyraona jako równowana powierzchnia. Na przykad, jeli fala radiowa przechodzca przez dane miejsce ma strumie 1 pW/m2 ( 10-12 W  na metr kwadratowy), a antena ma efektywn powierzchni 12 m2 , wtedy antena dostarczy 12 pW RF . zasilanie odbiornika (30 mikrowoltów RMS przy 75 omach). Poniewa antena odbiorcza nie jest jednakowo wraliwa na sygnay odbierane ze wszystkich kierunków, efektywny obszar jest funkcj kierunku do róda.

Ze wzgldu na wzajemno (omówion powyej) wzmocnienie anteny uywanej do nadawania musi by proporcjonalne do jej efektywnego obszaru, gdy jest uywana do odbioru. Rozwa anten bez strat , czyli tak, której sprawno elektryczna wynosi 100%. Mona wykaza, e jego efektywna powierzchnia uredniona we wszystkich kierunkach musi by równa 2 /4 , dugo fali podniesiona do kwadratu podzielona przez 4 . Wzmocnienie definiuje si w taki sposób, e redni zysk we wszystkich kierunkach dla anteny o 100% sprawnoci elektrycznej jest równy 1. Dlatego efektywna powierzchnia A eff pod wzgldem wzmocnienia G w danym kierunku jest dana wzorem:

W przypadku anteny o sprawnoci mniejszej ni 100% zarówno obszar efektywny, jak i zysk s zmniejszone o t sam warto. W zwizku z tym powysza zaleno midzy zyskiem a efektywnym obszarem jest nadal aktualna. S to zatem dwa róne sposoby wyraenia tej samej wielkoci. Eff jest szczególnie wygodny przy obliczaniu mocy, któr odebraaby antena o okrelonym zysku, co ilustruje powyszy przykad.

Charakterystyka promieniowania

Charakterystyka promieniowania anteny to wykres wzgldnego natenia pola fal radiowych emitowanych przez anten pod rónymi ktami w polu dalekim. Zazwyczaj jest reprezentowany przez trójwymiarowy wykres lub wykresy biegunowe przekrojów poziomych i pionowych. Wzór idealnej anteny izotropowej , która promieniuje jednakowo we wszystkich kierunkach, wygldaby jak kula . Wiele anten bezkierunkowych, takich jak monopole i dipole , emituje równ moc we wszystkich kierunkach poziomych, przy czym moc spada pod wikszymi i niszymi ktami; nazywa si to wzorem dookólnym, a po naniesieniu wyglda jak torus lub pczek.

Promieniowanie wielu anten pokazuje wzór maksimów lub patków pod rónymi ktami, oddzielonych zerami , ktami, pod którymi promieniowanie spada do zera. Dzieje si tak, poniewa fale radiowe emitowane przez róne czci anteny zazwyczaj zakócaj , powodujc maksima pod ktami, w których fale radiowe docieraj do odlegych punktów w fazie i zero promieniowania pod innymi ktami, gdzie fale radiowe docieraj w przeciwfazie . W antenie kierunkowej zaprojektowanej do emitowania fal radiowych w okrelonym kierunku, patek w tym kierunku jest zaprojektowany wikszy ni pozostae i jest nazywany gównym patkiem . Pozostae paty zwykle reprezentuj niepodane promieniowanie i nazywane s patkami bocznymi . O przechodzca przez gówny pat nazywana jest osi gówn lub osi boresightu .

Wykresy biegunowe (a tym samym wydajno i zysk) anten Yagi s wsze, jeli antena jest dostrojona do wszego zakresu czstotliwoci, np. antena zgrupowana w porównaniu do szerokopasmowego. Podobnie, wykresy biegunowe jagi o polaryzacji poziomej s cianiejsze ni w przypadku jagi o polaryzacji pionowej.

Regiony polowe

Przestrze otaczajc anten mona podzieli na trzy koncentryczne obszary: reaktywne pole bliskie (zwane take indukcyjnym polem bliskim), promieniujce pole bliskie (obszar Fresnela) i regiony pola dalekiego (Fraunhofer). Regiony te s przydatne do identyfikacji struktury pola w kadym z nich, chocia przejcia midzy nimi s stopniowe i nie ma dokadnych granic.

Obszar pola dalekiego jest wystarczajco daleko od anteny, aby zignorowa jego rozmiar i ksztat: Mona zaoy, e fala elektromagnetyczna jest czysto pask fal promieniujc (pola elektryczne i magnetyczne s w fazie i prostopade do siebie oraz do kierunku propagacja). Upraszcza to matematyczn analiz pola promieniowanego.

Efektywno

Sprawno anteny nadawczej to stosunek mocy faktycznie wypromieniowanej (we wszystkich kierunkach) do mocy pochanianej przez zaciski anteny. Moc dostarczana do zacisków antenowych, która nie jest emitowana, jest zamieniana na ciepo. Jest to zwykle spowodowane strat rezystancji w przewodach anteny lub strat midzy reflektorem a tub zasilajc anteny parabolicznej.

Skuteczno anteny jest oddzielona od dopasowania impedancji , co moe równie zmniejszy ilo mocy wypromieniowanej przez dany nadajnik. Jeli miernik SWR odczytuje 150 W mocy padajcej i 50 W mocy odbitej, oznacza to, e antena faktycznie pochona 100 W (pomijajc straty linii transmisyjnej). Jaka cz tej mocy zostaa faktycznie wypromieniowana, nie moe by bezporednio okrelona przez pomiary elektryczne na zaciskach anteny (lub przed), ale wymagaoby to (na przykad) dokadnego pomiaru natenia pola . Rezystancj strat i sprawno anteny mona obliczy znajc natenie pola, porównujc je z moc dostarczan do anteny.

Rezystancja strat bdzie generalnie wpywa na impedancj punktu zasilania, zwikszajc jego skadow rezystancyjn. Rezystancja ta bdzie si skada z sumy rezystancji promieniowania R rad i rezystancji strat R strata . Jeli prd I zostanie dostarczony do zacisków anteny, wówczas zostanie wypromieniowana moc IR rad , a moc strat IR zostanie utracona jako ciepo. Dlatego sprawno anteny jest równaR rad/( R rad + R strata ). Bezporednio mona zmierzy tylko cakowit rezystancj R rad + R strat .

Zgodnie z zasad wzajemnoci sprawno anteny stosowanej jako antena odbiorcza jest identyczna z jej sprawnoci jako anteny nadawczej opisanej powyej. Moc, któr antena dostarczy do odbiornika (przy odpowiednim dopasowaniu impedancji ) jest redukowana o t sam warto. W niektórych zastosowaniach odbiorczych bardzo nieefektywne anteny mog mie niewielki wpyw na wydajno. Na przykad przy niskich czstotliwociach szum atmosferyczny lub wywoany przez czowieka moe maskowa niesprawno anteny. Na przykad, CCIR Rep. 258-3 wskazuje, e haas powodowany przez czowieka w otoczeniu mieszkalnym przy czstotliwoci 40 MHz jest okoo 28 dB powyej poziomu szumów termicznych. W konsekwencji antena ze strat 20 dB (z powodu nieefektywnoci) miaaby niewielki wpyw na poziom szumów systemu. Strata w antenie bdzie miaa identyczny wpyw na zamierzony sygna i szum/zakócenia, prowadzc do braku redukcji stosunku sygnau do szumu (SNR).

Anteny, które nie stanowi znacznej czci dugoci fali, s nieuchronnie nieefektywne ze wzgldu na ich ma odporno na promieniowanie. Radia nadawcze AM zawieraj ma anten ptlow do odbioru, która ma wyjtkowo sab wydajno. Ma to niewielki wpyw na wydajno odbiornika, ale po prostu wymaga wikszego wzmocnienia przez elektronik odbiornika. Porównajmy ten may element z masywnymi i bardzo wysokimi wieami uywanymi w stacjach nadawczych AM do nadawania na tej samej czstotliwoci, gdzie kady punkt procentowy zmniejszonej wydajnoci anteny pociga za sob znaczne koszty.

Definicja zysku anteny lub zysku mocy uwzgldnia ju wpyw wydajnoci anteny. Dlatego, jeli próbujemy wypromieniowa sygna w kierunku odbiornika za pomoc nadajnika o okrelonej mocy, wystarczy porówna zysk rónych anten, a nie bra pod uwag równie wydajno. Dotyczy to równie anteny odbiorczej na bardzo wysokich (zwaszcza mikrofalowych) czstotliwociach, gdzie chodzi o odbiór sygnau, który jest silny w porównaniu z temperatur szumów odbiornika. Jednake, w przypadku anteny kierunkowej uywanej do odbioru sygnaów z zamiarem odrzucenia zakóce z rónych kierunków, nie jest ju zainteresowana wydajnoci anteny, jak omówiono powyej. W tym przypadku, zamiast podawa zysk anteny , bardziej interesuje nas zysk dyrektywy lub po prostu kierunkowo , która nie uwzgldnia wpywu (nie)sprawnoci anteny. Wzmocnienie kierunkowe anteny mona obliczy z opublikowanego zysku podzielonego przez wydajno anteny. W postaci równania zysk = kierunkowo × sprawno.

Polaryzacja

Orientacja i fizyczna budowa anteny determinuj polaryzacj pola elektrycznego transmitowanej przez ni fali radiowej. Na przykad, antena zoona z przewodnika liniowego (takiego jak antena dipolowa lub biczowa ) zorientowana pionowo spowoduje polaryzacj pionow; jeli zostanie obrócony na bok, polaryzacja tej samej anteny bdzie pozioma.

Odbicia generalnie wpywaj na polaryzacj. Fale radiowe odbite od jonosfery mog zmieni polaryzacj fali. W przypadku komunikacji w zasigu wzroku lub propagacji fal naziemnych transmisje spolaryzowane poziomo lub pionowo zazwyczaj pozostaj w mniej wicej tym samym stanie polaryzacji w miejscu odbioru. Uycie anteny o polaryzacji pionowej do odbioru fali o polaryzacji poziomej (lub odwrotnie) skutkuje stosunkowo sabym odbiorem.

Polaryzacj anteny mona czasem wywnioskowa bezporednio z jej geometrii. Gdy przewody anteny ogldane z punktu odniesienia pojawiaj si wzdu jednej linii, wtedy polaryzacja anteny bdzie liniowa w tym wanie kierunku. W bardziej ogólnym przypadku polaryzacj anteny naley okreli poprzez analiz . Na przykad antena koowrotu zamontowana poziomo (jak zwykle), z odlegego miejsca na ziemi, pojawia si jako odcinek linii poziomej, wic odbierane tam promieniowanie jest spolaryzowane poziomo. Jednak ogldana z samolotu pod ktem w dó, ta sama antena nie spenia tego wymogu; w rzeczywistoci jego promieniowanie jest spolaryzowane eliptycznie, gdy patrzy si z tego kierunku. W niektórych antenach stan polaryzacji zmienia si wraz z czstotliwoci nadawania. Istotn specyfikacj jest polaryzacja anteny komercyjnej .

W najogólniejszym przypadku polaryzacja jest eliptyczna , co oznacza, e w kadym cyklu wektor pola elektrycznego wyznacza elips . Dwa szczególne przypadki to polaryzacja liniowa (elipsa zapada si w lini), jak omówiono powyej, oraz polaryzacja koowa (w której dwie osie elipsy s równe). W polaryzacji liniowej pole elektryczne fali radiowej oscyluje w jednym kierunku. W polaryzacji koowej pole elektryczne fali radiowej obraca si wokó osi propagacji. Fale radiowe spolaryzowane koowo lub eliptycznie s oznaczane jako prawoskrtne lub lewoskrtne za pomoc zasady kciuk w kierunku propagacji. Naley zauway, e w przypadku polaryzacji koowej badacze optyki stosuj zasad przeciwnej prawej rki ni ta stosowana przez inynierów radiowych.

Najlepiej, aby antena odbiorcza dopasowywaa polaryzacj nadawanej fali w celu uzyskania optymalnego odbioru. W przeciwnym razie nastpi utrata mocy sygnau: gdy liniowo spolaryzowana antena odbierze liniowo spolaryzowane promieniowanie pod ktem wzgldnym , wówczas nastpi utrata mocy cos 2 . Antena spolaryzowana koowo moe by uyta do równie dobrego dopasowania pionowej lub poziomej polaryzacji liniowej,  powodujc redukcj sygnau o 3 dB . Bdzie jednak lepy na koowo spolaryzowany sygna o przeciwnej orientacji.

Dopasowania impedancji

Maksymalny transfer mocy wymaga dopasowania impedancji systemu antenowego (patrzc na lini transmisyjn) do zoonego sprzenia impedancji odbiornika lub nadajnika. Jednak w przypadku nadajnika podana impedancja dopasowania moe nie odpowiada dokadnie dynamicznej impedancji wyjciowej nadajnika analizowanej jako impedancja róda , ale raczej wartoci projektowej (zwykle 50 omów) wymaganej do wydajnej i bezpiecznej pracy nadajnika. obwody. Zamierzona impedancja jest zwykle rezystancyjna, ale nadajnik (i niektóre odbiorniki) mog mie ograniczone dodatkowe regulacje w celu anulowania pewnej iloci reaktancji w celu dostrojenia dopasowania.

Kiedy linia transmisyjna jest uywana midzy anten a nadajnikiem (lub odbiornikiem), generalnie chciaby mie system antenowy, którego impedancja jest rezystancyjna i prawie taka sama jak impedancja charakterystyczna tej linii transmisyjnej, oprócz dopasowania impedancji nadajnika (lub odbiorca) oczekuje. Dopasowanie ma na celu zminimalizowanie amplitudy fal stojcych (mierzonej za pomoc wspóczynnika fali stojcej (SWR)  ), które powstaje na linii przez niedopasowanie, i zwizany z tym wzrost strat w linii przesyowej.

Strojenie anteny na antenie

Strojenie anteny, w cisym sensie modyfikacji samej anteny, ogólnie odnosi si tylko do anulowania jakiejkolwiek reaktancji widocznej na zaciskach anteny, pozostawiajc tylko impedancj rezystancyjn, która moe, ale nie musi, by dokadnie podan impedancj (linia transmisyjna).

Chocia antena moe by zaprojektowana tak, aby miaa czysto rezystancyjn impedancj punktu zasilania (tak jak dipol o dugoci 97% poowy dugoci fali), moe to nie by do koca prawd przy czstotliwoci, na której jest ostatecznie uywana. W wikszoci przypadków w zasadzie fizyczn dugo anteny mona przyci w celu uzyskania czystej rezystancji, chocia rzadko jest to wygodne. Z drugiej strony, dodanie przeciwnej indukcyjnoci lub pojemnoci moe by wykorzystane do usunicia odpowiednio resztkowej reaktancji pojemnociowej lub indukcyjnej i moe by wygodniejsze ni obnianie anteny.

Dopasowanie linii w radiu

Strojenie anteny w lunym znaczeniu , wykonywane przez urzdzenie dopasowujce impedancj (by moe niewaciwie nazywane tunerem antenowym ), wykracza poza zwyke usuwanie reaktancji i obejmuje przeksztacanie pozostaej rezystancji w celu dopasowania do linii zasilajcej i radia.

Dodatkowym problemem jest dopasowanie pozostaej impedancji rezystancyjnej do impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej: ogólna sie dopasowujca impedancj ( tuner antenowy lub ATU) bdzie miaa co najmniej dwa regulowane elementy, aby skorygowa obie skadowe impedancji. Kada dopasowana sie bdzie miaa zarówno straty mocy, jak i ograniczenia mocy, gdy jest uywana do transmisji.

Anteny komercyjne s na ogó projektowane tak, aby w przyblieniu odpowiaday standardowym kablom koncentrycznym przy standardowych czstotliwociach, wykorzystujc jedynie dopasowujc sie do dostrajania wszelkich szcztkowych niedopasowa. Anteny dowolnego rodzaju mog zawiera balun w punkcie zasilania, aby przeksztaci rezystancyjn cz impedancji w celu bliszego dopasowania do linii zasilajcej.

Ekstremalne przykady obcionych maych anten

W niektórych przypadkach dopasowanie odbywa si w bardziej ekstremalny sposób, nie tylko po to, aby zlikwidowa niewielk ilo reaktancji szcztkowej, ale w celu rezonansu anteny, której czstotliwo rezonansowa jest zupenie inna ni zamierzona czstotliwo dziaania.

May pionowy bicz

Na przykad, ze wzgldów praktycznych, antena biczowa moe by znacznie krótsza ni wier dugoci fali , a nastpnie rezonowana przy uyciu tak zwanej cewki obciajcej .

Fizycznie dua cewka indukcyjna u podstawy anteny ma reaktancj indukcyjn, która jest przeciwiestwem reaktancji pojemnociowej, jak ma krótka antena pionowa przy danej czstotliwoci roboczej. Rezultatem jest czysty opór widoczny w punkcie zasilania cewki adujcej; chocia bez dalszych rodków opór bdzie nieco niszy ni byoby to podane w przypadku komercyjnego kabla koncentrycznego .

Maa magnetyczna ptla

Inny ekstremalny przypadek dopasowania impedancji wystpuje, gdy uywana jest maa antena ptlowa (zwykle, ale nie zawsze, do odbioru) o stosunkowo niskiej czstotliwoci, gdzie pojawia si prawie jako czysta cewka indukcyjna. Rezonowanie takiej cewki indukcyjnej z kondensatorem przy czstotliwoci pracy nie tylko anuluje reaktancj (ale w przypadku rezonansu przez kondensator równolegy) znacznie zwiksza bardzo ma rezystancj promieniowania maej ptli, aby uzyska lepiej dopasowan impedancj punktu zasilania.

Jest to zaimplementowane w wikszoci odbiorników AM , z ma anten ptlow owinit wokó prta ferrytowego (antena ptlowa), rezonowanej przez kondensator, który jest zmieniany jednoczenie z dostrajaniem odbiornika do nowej czstotliwoci, w celu utrzymania rezonansu anteny w pamie transmisji AM

Wpyw podoa

Odbicia od podoa to jeden z powszechnych typów wielociekowych.

Na charakterystyk promieniowania, a nawet impedancj punktu wzbudzenia anteny, moe mie wpyw staa dielektryczna, a zwaszcza przewodno pobliskich obiektów. W przypadku anteny naziemnej ziemia jest zwykle jednym z takich wanych obiektów. Wysoko anteny nad ziemi, a take waciwoci elektryczne ( przepuszczalno i przewodno) gruntu mog mie znaczenie. Ponadto, w szczególnym przypadku anteny jednobiegunowej, uziemienie (lub sztuczna paszczyzna uziemienia ) suy jako poczenie powrotne dla prdu anteny, co ma dodatkowy wpyw, zwaszcza na impedancj widzian przez lini zasilajc.

Kiedy fala elektromagnetyczna uderza w pask powierzchni, tak jak ziemia, cz fali jest przekazywana do gruntu, a cz odbijana, zgodnie ze wspóczynnikami Fresnela . Jeli ziemia jest bardzo dobrym przewodnikiem, wówczas prawie caa fala jest odbijana (180° w przeciwfazie), podczas gdy ziemia modelowana jako (stratny) dielektryk moe wchon du cz mocy fali. Moc pozostajca w odbitej fali oraz przesunicie fazowe po odbiciu silnie zale od kta padania fali i jej polaryzacji . Staa dielektryczna i przewodno (lub po prostu zoona staa dielektryczna) zaley od rodzaju gleby i jest funkcj czstotliwoci.

Dla czstotliwoci od bardzo niskich do wysokich (< 30 MHz) grunt zachowuje si jak stratny dielektryk , dlatego grunt charakteryzuje si zarówno przewodnoci , jak i przenikalnoci (sta dielektryczn), któr mona zmierzy dla danej gleby (ale ma na ni wpyw fluktuacja wilgotnoci) lub mona je oszacowa na podstawie niektórych map. Przy niszych czstotliwociach ziemia dziaa gównie jako dobry przewodnik, od którego zale anteny na falach rednich (0,51,6 MHz).

Przy czstotliwociach od 3 do 30 MHz dua cz energii z anteny o polaryzacji poziomej odbija si od ziemi, z prawie cakowitym odbiciem pod ktami grawitacyjnymi wanymi dla propagacji fal gruntowych . Ta odbita fala, z odwrócon faz, moe albo znie, albo wzmocni fal bezporedni, w zalenoci od wysokoci anteny w dugoci fali i kta elewacji (dla fali nieba ).

Z drugiej strony, promieniowanie spolaryzowane pionowo nie jest dobrze odbijane od gruntu, z wyjtkiem padania pastwisk lub nad powierzchniami o bardzo wysokich waciwociach przewodzcych, takich jak woda morska. Jednak odbicie kta padania wane dla propagacji fali przyziemnej, przy uyciu polaryzacji pionowej, jest w fazie z fal bezporedni, zapewniajc wzmocnienie do 6 dB, jak opisano poniej.

Fal odbit od ziemi mona uzna za wyemitowan przez anten obrazu.

Przy VHF i powyej (> 30 MHz) ziemia staje si sabszym reflektorem. Pozostaje jednak dobrym odbynikiem, zwaszcza dla polaryzacji poziomej i któw padania. Jest to wane, poniewa te wysze czstotliwoci zwykle zale od rozchodzenia si w poziomie w linii widzenia (z wyjtkiem komunikacji satelitarnej), a ziemia zachowuje si wtedy prawie jak lustro.

Jako netto odbicia gruntu zaley od topografii powierzchni. Kiedy nierównoci powierzchni s znacznie mniejsze ni dugo fali, dominujcym reimem jest odbicie zwierciadlane , a odbiornik widzi zarówno rzeczywist anten, jak i obraz anteny pod ziemi z powodu odbicia. Ale jeli grunt ma nieregularnoci nie mae w porównaniu z dugoci fali, odbicia nie bd spójne, ale przesunite o losowe fazy. Generalnie tak jest w przypadku krótszych dugoci fal (wyszych czstotliwoci).

Za kadym razem, gdy zarówno antena odbiorcza, jak i nadawcza s umieszczone na znacznych wysokociach nad ziemi (w stosunku do dugoci fali), fale odbite w sposób zwierciadlany od ziemi bd podróowa na wiksz odlego ni fale bezporednie, wywoujc przesunicie fazowe, które czasami moe by znaczce. Kiedy fala nieba jest wystrzelona przez tak anten, to przesunicie fazowe jest zawsze znaczce, chyba e antena znajduje si bardzo blisko ziemi (w porównaniu z dugoci fali).

Faza odbicia fal elektromagnetycznych zaley od polaryzacji fali padajcej. Biorc pod uwag wikszy wspóczynnik zaamania gruntu (zwykle n   2) w porównaniu z powietrzem ( n  = 1), faza promieniowania spolaryzowanego poziomo jest odwracana po odbiciu (przesunicie fazowe w radianach lub 180°). Z drugiej strony, pionowa skadowa pola elektrycznego fali jest odbijana pod ktami padania w przyblieniu w fazie . Te przesunicia fazowe odnosz si równie do uziemienia modelowanego jako dobry przewodnik elektryczny.

Prdy w antenie pojawiaj si jako obraz w przeciwnej fazie, gdy s odbijane pod ktami tarcia. Powoduje to odwrócenie fazy dla fal emitowanych przez anten o polaryzacji poziomej (w rodku), ale nie dla anteny o polaryzacji pionowej (po lewej).

Oznacza to, e antena odbiorcza widzi obraz anteny nadawczej, ale z prdami odwróconymi (przeciwnie w kierunku/fazie), jeli antena nadawcza jest zorientowana poziomo (a zatem spolaryzowana poziomo). Jednak odbierany prd bdzie mia ten sam bezwzgldny kierunek/faz, jeli antena nadawcza jest zorientowana/spolaryzowana pionowo.

Rzeczywista antena, która transmituje pierwotn fal, moe równie odbiera silny sygna z wasnego obrazu z ziemi. Spowoduje to zaindukowanie dodatkowego prdu w elemencie anteny, zmieniajc prd w punkcie zasilania dla danego napicia punktu zasilania. W ten sposób impedancja anteny, wyraona stosunkiem napicia w punkcie zasilania do prdu, zmienia si ze wzgldu na blisko anteny do ziemi. Moe to by do znaczcy efekt, gdy antena znajduje si na dugoci fali lub dwóch od gruntu. Jednak wraz ze wzrostem wysokoci anteny zmniejszona moc fali odbitej (ze wzgldu na prawo odwrotnoci kwadratów ) pozwala antenie zbliy si do impedancji asymptotycznej punktu zasilania podanej przez teori. Na niszych wysokociach wpyw na impedancj anteny jest bardzo wraliwy na dokadn odlego od ziemi, poniewa ma to wpyw na faz fali odbitej w stosunku do prdów w antenie. Zmiana wysokoci anteny o wier dugoci fali, a nastpnie zmiana fazy odbicia o 180°, co ma zupenie inny wpyw na impedancj anteny.

Odbicie od podoa ma istotny wpyw na charakterystyk promieniowania netto pola dalekiego w paszczynie pionowej, to jest jako funkcja kta elewacji, który jest zatem róny w przypadku anteny spolaryzowanej pionowo i poziomo. Rozwamy anten na wysokoci h nad ziemi, transmitujc fal pod ktem elewacji . Dla transmisji spolaryzowanej pionowo wielko pola elektrycznego fali elektromagnetycznej wytwarzanej przez promie bezporedni plus promie odbity wynosi:

Tak wic otrzymana moc moe by nawet 4 razy wiksza ni z powodu samej fali bezporedniej (np. gdy  = 0), po kwadracie cosinusa. Odwrócenie znaku dla odbicia emisji spolaryzowanej poziomo zamiast tego powoduje:

gdzie:

  • to pole elektryczne, które byoby odebrane przez fal bezporedni, gdyby nie byo uziemienia.
  • jest ktem elewacji rozwaanej fali.
  • to dugo fali .
  • to wysoko anteny (poowa odlegoci midzy anten a jej obrazem).
Promieniowanie anten i ich obrazy odbite od gruntu. Po lewej polaryzacja jest pionowa i zawsze jest maksimum dla . Jeli polaryzacja jest pozioma, jak po prawej, zawsze jest zero dla .

W przypadku propagacji poziomej midzy antenami nadawczymi i odbiorczymi usytuowanymi blisko ziemi w do duej odlegoci od siebie, odlegoci pokonywane przez promienie bezporednie i odbite s prawie takie same. Nie ma prawie adnego wzgldnego przesunicia fazowego. Jeeli emisja jest spolaryzowana pionowo, dwa pola (bezporednie i odbite) sumuj si i jest maksimum odbieranego sygnau. Jeli sygna jest spolaryzowany poziomo, dwa sygnay odejmuje si, a odbierany sygna jest w duej mierze zniesiony. Wzorce promieniowania w paszczynie pionowej s pokazane na obrazku po prawej stronie. Przy polaryzacji pionowej zawsze wystpuje maksimum dla  = 0, propagacji poziomej (wzór w lewo). Dla polaryzacji poziomej nastpuje kasowanie pod tym ktem. Zauwa, e powysze wzory i te wykresy zakadaj, e grunt jest doskonaym przewodnikiem. Te wykresy charakterystyki promieniowania odpowiadaj odlegoci midzy anten a jej obrazem 2,5 . Wraz ze wzrostem wysokoci anteny wzrasta równie liczba patków.

Rónica w powyszych czynnikach dla przypadku  = 0 powoduje, e wikszo nadawców (transmisje przeznaczone dla publicznoci) wykorzystuje polaryzacj pionow. W przypadku odbiorników znajdujcych si blisko ziemi transmisje spolaryzowane poziomo ulegaj anulowaniu. Aby uzyska najlepszy odbiór, anteny odbiorcze dla tych sygnaów s równie spolaryzowane pionowo. W niektórych aplikacjach, w których antena odbiorcza musi pracowa w dowolnej pozycji, np. w telefonach komórkowych , anteny stacji bazowych wykorzystuj polaryzacj mieszan, np. polaryzacj liniow pod ktem (zarówno ze skadow pionow, jak i poziom) lub polaryzacj koow .

Z drugiej strony transmisje telewizji analogowej s zwykle spolaryzowane poziomo, poniewa w obszarach miejskich budynki mog odbija fale elektromagnetyczne i tworzy obrazy widmowe w wyniku propagacji wielodrogowej . Stosujc polaryzacj poziom, efekt zjawy jest redukowany, poniewa ilo odbi w polaryzacji poziomej od strony budynku jest na ogó mniejsza ni w kierunku pionowym. Na niektórych obszarach wiejskich wykorzystywana jest telewizja analogowa z polaryzacj pionow. W naziemnej telewizji cyfrowej takie odbicia s mniej problematyczne, ze wzgldu na odporno transmisji binarnych i korekcj bdów .

Modelowanie anten z równaniami liniowymi

Przepyw prdu w antenach drutowych jest identyczny z rozwizaniem fal przeciwbienych w linii transmisyjnej , które mona rozwiza za pomoc równa telegrafisty . Rozwizania prdów wzdu elementów antenowych s wygodniej i dokadniej uzyskiwane metodami numerycznymi , wic techniki linii transmisyjnych zostay w duej mierze porzucone na rzecz precyzyjnego modelowania, ale nadal s szeroko stosowanym ródem uytecznych, prostych przyblie, które dobrze opisuj profile impedancji anteny.

W przeciwiestwie do linii transmisyjnych, prdy w antenach wnosz moc do pola elektromagnetycznego, które mona modelowa za pomoc odpornoci na promieniowanie .

Koniec elementu antenowego odpowiada niezakoczonemu (otwartemu) kocowi linii transmisyjnej, w wyniku czego fala odbita jest identyczna z fal padajc, a jej napicie jest w fazie z fal padajc (a tym samym podwaja napicie sieciowe na kocu) oraz jego prd w przeciwnej fazie (a wic prd zerowy netto, gdzie w kocu nie ma dalszego przewodnika). Poczenie fali padajcej i odbitej, podobnie jak w linii przesyowej, tworzy fal stojc z wzem prdowym na kocu przewodu i wzem napiciowym w jednej czwartej dugoci fali od koca (jeli element jest co najmniej tak dugi) .

W antenie rezonansowej punkt zasilania anteny znajduje si w jednym z tych wzów napicia. Ze wzgldu na rozbienoci w stosunku do modelu linii transmisyjnej, napicie jednej czwartej dugoci fali z wza prdowego nie jest dokadnie zerowe, ale jest bliskie minimum i mae w porównaniu ze znacznie wikszym napiciem na kocu przewodu. Zasilanie anteny w tym punkcie wie si zatem ze stosunkowo maym napiciem, ale duym prdem (prdy z dwóch fal dodaj si tam w fazie), a zatem stosunkowo niska impedancja punktu zasilania. Zasilanie anteny w innych punktach wie si z duym napiciem, a wic du impedancj i zazwyczaj jest to przede wszystkim reaktywne (niski wspóczynnik mocy ), co jest fatalnym dopasowaniem impedancji do dostpnych linii transmisyjnych. Dlatego zwykle podane jest, aby antena dziaaa jako element rezonansowy, przy czym kady przewodnik ma dugo jednej czwartej dugoci fali (lub inn nieparzyst wielokrotno jednej czwartej dugoci fali).

Na przykad dipol pófalowy ma dwa takie elementy (jeden podczony do kadego przewodu symetrycznej linii przesyowej) o dugoci okoo jednej czwartej dugoci fali. W zalenoci od rednic przewodów przyjmuje si niewielkie odchylenie od tej dugoci , aby osign punkt, w którym prd anteny i (niewielkie) napicie w punkcie zasilania s dokadnie w fazie. Wtedy antena ma impedancj czysto rezystancyjn, najlepiej zblion do impedancji charakterystycznej dostpnej linii transmisyjnej. Jednak anteny rezonansowe maj t wad, e osigaj rezonans (czysto rezystancyjna impedancja punktu zasilania) tylko przy jednej czstotliwoci, a zatem osigaj swoj wydajno tylko w ograniczonej szerokoci pasma, w zalenoci od Q tego rezonansu.

Wzajemna impedancja i interakcja midzy antenami

Pola elektryczne i magnetyczne pochodzce z napdzanego elementu antenowego ogólnie wpywaj na napicia i prdy w pobliskich antenach, elementach antenowych lub innych przewodnikach. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy uszkodzony przewodnik jest elementem rezonansowym (o dugoci wielu poówkowych dugoci fali) o mniej wicej tej samej czstotliwoci, co ma miejsce w przypadku, gdy wszystkie przewodniki s czci tego samego aktywnego lub pasywnego ukadu antenowego . Poniewa uszkodzone przewodniki znajduj si w polu bliskim, nie mona traktowa dwóch anten jako nadajcych i odbierajcych sygna na przykad zgodnie ze wzorem na transmisj Friisa , ale naley obliczy macierz wzajemnych impedancji , która uwzgldnia zarówno napicia, jak i prdy (oddziaywania zarówno przez pole elektryczne, jak i magnetyczne). Korzystajc z impedancji wzajemnych obliczonych dla okrelonej geometrii, mona obliczy charakterystyk promieniowania anteny Yagi-Uda lub prdy i napicia dla kadego elementu ukadu fazowego . Taka analiza moe równie szczegóowo opisywa odbicie fal radiowych od paszczyzny uziemienia lub odbynika naronego i ich wpyw na impedancj (i charakterystyk promieniowania) anteny w jej ssiedztwie.

Czsto takie interakcje bliskiego pola s niepodane i szkodliwe. Prdy w przypadkowych metalowych obiektach w pobliu anteny nadawczej czsto bd znajdowa si w sabych przewodnikach, powodujc utrat mocy RF oraz nieprzewidywaln zmian charakterystyki anteny. Dziki starannemu zaprojektowaniu moliwe jest zmniejszenie interakcji elektrycznych midzy pobliskimi przewodnikami. Na przykad kt 90 stopni midzy dwoma dipolami tworzcymi anten koowrotu zapewnia brak interakcji midzy nimi, umoliwiajc ich niezalene sterowanie (ale w rzeczywistoci z tym samym sygnaem w fazach kwadraturowych w konstrukcji anteny koowrotu).

Rodzaje anten

Anteny mona klasyfikowa wedug zasad dziaania lub wedug ich zastosowania.

Zobacz te

Przypisy

Bibliografia

Sownikowa definicja anteny w Wikisowniku

Opiniones de nuestros usuarios

Kaja Rak

Dzięki. Pomógł mi artykuł o Antena (radiowa).

Mirka Wrona

Podoba mi się ta strona, a artykuł o Antena (radiowa) jest tym, którego szukałem.

Alex Konopka

Myślałem, że wiem już wszystko o zmiennej, ale w tym artykule zweryfikowałem, że pewne szczegóły, które uważałem za dobre, nie były tak dobre. Dziękuję za informacje.

Wiktor Banach

Artykuł o Antena (radiowa) jest kompletny i dobrze wyjaśniony. Nie dodawałbym ani nie usuwał przecinka.