logo1

logoT

 

Как работает антенна


Теория радиоволн: антенны / Хабр

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.


Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Направленность — двулепестковая

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.


Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

PS:

Данная статья обрисовывает лишь небольшую часть антенн и не претендует на замену учебнику антенно-фидерных устройств.

Про антенны для самых маленьких / Хабр

Попробуем разобраться, как работают антенны и почему электромагнитная энергия из комфортного проводника излучается в чужеродный диэлектрик, причем обойдемся без матана, что потребует, разумеется, очень серьезных упрощений и даже вульгаризации, но все же позволит получить начальное представление и, не исключаю, желание почитать материалы для более продвинутых.

Если вы радиоинженер, опытный радиолюбитель-связист или просто хорошо знаете физику, то вам нижеследующее читать строго не рекомендуется во избежание негативных последствий для вашего психического здоровья. Вас предупреждали.

Начнем со скучных основ. В старые добрые времена, когда не было ни интернетов, ни этого вашего фидо, известные явления электричества и магнетизма не считались чем-то единым, имеющим общую природу, пока ровно двести лет назад датчанин Эрстед не обнаружил, что протекание электрического тока по проводнику вызывает отклонение стрелки компаса, т. е. создает доступное наблюдению и измерению простейшими приборами магнитное поле.

Вскорости француз Ампер вывел закон имени себя, описывающий зависимость электрического тока и возникающего от него магнитного поля, а чуть позже включившийся англичанин Фарадей обнаружил и математически изложил явление электромагнитной индукции. Спустя еще совсем немного времени шотландец Максвелл создает теорию электромагнитного поля, на которую нам бы и следовало опираться в дальнейшем рассказе, но мы договорились обходиться без матана настолько, насколько возможно, чтобы даже самые отпетые гуманитарии смогли почувствовать вкус к технике вместо быть распуганными сложными формулами. Все эти работы привели к тому, что 1887 году немец Герц экспериментально доказал существование радиоволн, построив радиопередатчик и радиоприемник, которые, довольно неожиданно, оказались рабочими. Впрочем, сам Герц перспектив своей радиопередачи (первой в мире!) не оценил и поэтому изобретение радио чаще связывают с итальянцем Маркони, который помимо неоспоримого инженерного гения, оказался успешен и в части коммерциализации. Да, если кому интересно, первая радиопередача голоса принадлежит канадцу Фесендену, которому удалось провернуть это дело в 1900 году.

Ток в проводнике создает магнитное поле. Зачем же нам браться рукой за оголенный провод? Затем, чтобы легко запомнить направление вектора магнитного поля в зависимости от направления тока в проводнике — «правило правой руки».

Итак, теперь мы знаем, что протекание электрического тока в проводнике приводит к тому, что около проводника возникает магнитное поле. Вот это вот, если очень-очень упрощенно, и есть электромагнетизм. Поэтому первое, что мы можем усвоить: излучение антенн связано с протеканием в них электрического тока.

Радиосвязь использует переменный ток различной частоты (или длины волны – говоря об антеннах чаще удобнее говорить о длине волны, а о радиотехнике в целом – о частоте).
Различные частоты позволяют одновременно проводить много независимых передач и разделять их прием, выбирая нужные частоты и отбрасывая ненужные. Способов, как это сделать, довольно много, но они — тема отдельных статей. Переменный ток обладает одной неприятной особенностью: хотя он полностью подчиняется закону Ома (взаимозависимость напряжения, сопротивления цепи и тока в ней), напряжение и ток могут не совпадать по времени. Да-да, «сдвиг по фазе» – это необязательно в голове, это более чем электро- и радиотехнический термин. Вот что получается. Если бы мы подавали переменное напряжение на некий идеальный резистор, то синфазный переменный ток в этой цепи был бы равен напряжению в вольтах, деленному на сопротивление в омах – так же, как и приличный постоянный ток. Но если вместо резистора у нас катушка индуктивности, то дело становится более запутанным. Когда мы прикладываем напряжение к катушке, она как бы сопротивляется току через нее, поэтому ток отстает по фазе от напряжения. Кстати, если отключить подачу напряжения от катушки, то она тоже будет сопротивляться и постарается поддержать течение тока через себя (в той мере, в которой катушка может запасти энергию) – напряжения уже нет, а ток все еще идет. Вот это вот сопротивление, оно называется реактивным, тем выше, чем выше частота. То есть с ростом частоты при равной индуктивности или с ростом индуктивности при равной частоте сопротивление переменному току растет. С конденсаторами все то же самое, но только наоборот. При приложении напряжения к конденсатору ток сначала проваливается в него, как в пустую яму, опережая напряжение, а затем падает по мере заряда. Легкость, с которой переменный ток попадает в конденсатор, означает, что с ростом частоты при равной емкости сопротивление переменному току падает, а при равной частоте при росте емкости сопротивление переменному току также падает. Поэтому примем на заметку: реактивное сопротивление, то есть индуктивное или емкостное сопротивление переменному току, зависит от частоты.

Слева традиционная синусоидальная осциллограмма, справа сдвиг фаз на примере «отставания» тока от напряжения при наличии в цепи индуктивного сопротивления.

Суммарное сопротивление, состоящее из активной компоненты (условный резистор, который потребляет мощность «чисто», без влияния на фазу) и реактивной компоненты (сдвигающие фазу индуктивность и/или емкость), называется комплексным сопротивлением или импедансом.

Итак, антенна – это проводник, к которому подводится электрическая энергия и который ее излучает в окружающее пространство. Излучает электрический ток в проводнике, который создает вокруг проводника магнитное поле.

Почему электромагнитная энергия выходит из комфортного для нее проводника в некомфортный для нее вакуум? А она и не выходит! Энергия создает колебания поля, но не движется сама по себе. Давайте сравним со звуковыми волнами. Когда динамик (антенна) создает колебания, воздух (эфир) не движется, ветер не возникает, но колебания распространяются в воздухе (эфире). Так же происходит и с электромагнитными волнами, разве что электромагнитная энергия распространяется не в воздухе, а в эфире. Позже, правда, выяснят, что предполагавшегося эфира не существует, и что земля тоже не плоская, а электромагнитное поле прекрасно себя чувствует и в вакууме но мы-то знаем, что эфир есть, а земля, конечно, не плоская, а немного выпуклая. То есть, еще раз, энергия не переносится вместе со средой (точнее с полем), а переносится за счет распространения волн в неподвижной в общем случае среде (в поле).

Антенна как колебательный контур. Прежде чем говорить о конкретных конструкциях простых антенн, по принципу устройства которых мы сможем разобраться и в устройстве сложных, поговорим об электрическом резонансе. Для этого вернемся назад к реактивному сопротивлению. Полотно антенны можно представить как распределенную емкость и распределенную индуктивность – как размотанную до прямого провода катушку и как вырожденные до того же самого провода пластины конденсатора. Наличие реактивного сопротивления в цепи, как мы помним, разделяет фазы тока и напряжения. Однако, если мы подберем определенную комбинацию индуктивности и емкости (а это сработает только на одной определенной частоте, ведь мы помним, что с изменением частоты меняется реактивное сопротивление), то получится, что емкость и индуктивность взаимно компенсируют друг друга и мы видим чисто активное сопротивление в нагрузке. Вот такая взаимная компенсация и результат в виде чисто активного сопротивления как результат компенсации называется электрическим резонансом. Сам по себе для работы антенны он неважен, потому что антенна, как мы уже выяснили, излучает током в проводнике. Однако, есть ряд причин, по которым к достижению резонанса в антенне стремятся. Дело в том, что в отличие от постоянного тока, для переменного важно, чтобы волновое сопротивление (напоминаю закон Ома, а именно что сопротивление цепи численно равно приложенному напряжению, деленному на ток) генератора, линии передачи и нагрузки, т.е. собственно антенны, были равны. Если равенства нет, часть электромагнитной энергии отразится назад на генератор, что приведет к целому спектру нежелательных явлений. Значительное реактивное сопротивление приводит к сильному рассогласованию и значительному отражению энергии. Впрочем, это касается и активной компоненты импеданса, согласовать которую легче при незначительной, легко компенсируемой реактивной компоненте. Поэтому технически стараются создавать такие антенны, у которых реактивная компонента отсутствует или легко компенсируется, а активная равна волновому сопротивлению генератора или легко трансформируется. В случае самых простых антенн, создание определенной емкости антенны или определенной индуктивности означает попросту подбор размеров. Поэтому обычно размеры антенн меряют не в линейных единицах, а в долях длины волны.

Простейшие полноразмерные антенны. Полуволновый диполь, четвертьволновый граундплейн и аналогичные конструкции.

Как видим, распределение токов и напряжений одинаково. Только если в четвертьволновом граундплейне одна половина диполя — штырь, а второй половиной является земля, то в полуволновом диполе — второй половиной является его вторая половина. :)

Для ознакомления с принципами, одинаковыми для любых более сложных антенн, предлагаю разобраться с устройством и работой базовых антенн – симметричного полуволнового диполя или несимметричного четвертьволнового граундплейна. В известной степени они идентичны и полуволновый диполь можно рассматривать как крайний случай четвертьволнового граундплейна, угол радиалов (противовесов) которого достиг 180° к излучающему штырю, поэтому большинство рассматриваемых особенностей в равной мере применимы к обоим антеннам.

Как видим, такая антенна имеет электрический резонанс, потому что в ее проводнике помещается целое число полуволн тока и целое число полуволн напряжения. Они смещены по фазе друг относительно друга, но их реактивность взаимно компенсируется.

Если бы антенна была немного короче, чем полволны, то у нее бы появилась емкостная компонента импеданса и ее пришлось бы компенсировать индуктивностью (никому не напоминает катушки в основании сибишных автоантенн?), а если наоборот удлинить, то появится индуктивная компонента, которую необходимо скомпенсировать емкостью.

Сопротивление излучения. В сопротивлении излучения нет ничего особенного. Вернее не так. Сопротивления излучения в физическом смысле не существует, это аналитическое значение, которое используется для определения КПД антенны. Проще всего представить себе сопротивление излучения как ту активную компоненту полного сопротивления всей антенны, которая тратится на излучение. Вообще-то есть термин «потери на излучение» и это полезные «потери», если мы говорим об антенне, но это не равно сопротивлению излучения, так что не путайте. Нет никакого воображаемого сопротивления среды воображаемому излучению в нее или что либо еще — есть разные свойства вроде диэлектрической проницаемости, которые мы рассматривать пока что не будем.

Еще в антенне есть сопротивление потерь в виде сопротивления проводника, которое тратится на его нагрев, различные потери в конструктивных элементах и согласующих звеньях. Знание сопротивления излучения необходимо для понимания КПД антенны: у некоторых антенн сопротивление излучения может составлять единицы и доли Ома при том, что сопротивление потерь в разы больше, что значит что КПД такой антенны крайне низок несмотря на то, что в остальном ее конструкция адекватна. В простых антеннах вроде рассматриваемого диполя или граундплейна, сопротивление излучения близко к полному сопротивлению самой антенны, потому что потери в проводнике сравнительно малы, но в любом случае это не тождественные понятия.

Вернемся к диполю. Пока мы подаем энергию в его геометрическом центре, где ток максимален, а напряжение минимально, сопротивление излучения невелико. Теоретически оно равно приблизительно 73 Омам, а практически немного меньше в зависимости от относительной толщины материала. По мере расщепления одной из половин диполя на отдельные радиалы, сопротивление будет немного снижаться и упадет до приблизительно 36 Ом ми угле в 90° к штырю. Это очевидно влияет на КПД антенны. Но, для наглядности, будем рассматривать именно диполь. По мере смещения точки питания от центра к краю мы увидим, что ток падает, а напряжение растет, то есть растет сопротивление излучения, которое достигнет своего максимума при питании с конца. На все остальные характеристики антенны это обстоятельство не влияет, она по-прежнему излучает с той же диаграммой направленности, а значит, имеет ту же эффективность излучения (но не КПД всей антенны в сборе, потому что КПД зависит от относительных потерь).

Полное сопротивление антенны равно напряжению в точке питания, деленному на отдаваемый ток. А состоит оно из, как мы уже выяснили, сопротивления излучения, на котором мы полезно теряем энергию на нужное нам излучение, и сопротивления потерь, на котором мы теряем энергию бесполезно. Разными способами мы можем влиять на полное сопротивление антенны. Не меняя геометрию, мы можем смещать точку питания. Мы можем использовать различные трансформирующие элементы (включая буквально трансформаторы с обмотками на тех частотах, на которых их применение рационально). На эффективность излучения антенны все эти манипуляции никак не влияют и нужны только для согласования антенны с генератором (передатчиком). Например, полуволновый диполь с питанием по центру, сопротивление которого составляет приблизительно 73 Ома, через простой трансформатор 1:4 может быть согласованным с генератором, рассчитанным на антенну сопротивлением 18 Ом или 300 Ом — смотря как подключить выводы. На работе антенны это не скажется никак, кроме влияния потерь в трансформаторе на КПД всей конструкции в сборе.

Если вам кажется, что у антенны есть только монополь – некий штырь, кусок провода или просто дорожка на печатной плате, то на самом деле это вариант граундплейна, у которого нет специально выделенных радиалов, но радиалами служит земля, тело оператора (портативной радиостанции, например) или земляные полигоны на плате. Потери в таких радиалах очевидно больше, чем в специально созданных как часть антенны, поэтому КПД таких конструкций всегда ниже, равно как и степень согласования импедансов из-за непредсказуемости ситуативных вместо расчетных радиалов.

При увеличении длины антенны сверх полуволнового диполя сопротивление излучения сначала растет, достигая максимума при четном числе полуволн, а затем снова падает, достигая минимума при нечетном числе полуволн. Незначительное увеличение длины сужает диаграмму направленности и увеличивает эффективность передачи в выбранном направлении, а значительное приводит к дроблению диаграммы на множество лепестков и в целом неэффективно, поэтому на практике обычно не применяется кроме многодиапазонных антенн, в которых это является компромиссным решением.

Вообще любое увеличение длины диполя сверх половины волны приводит к тому, что на полотне возникают области, где ток течет в противоположном направлении. Этот ток, разумеется, также участвует в излучении, но интерференция создаваемого им поля с полем условно-основной части полотна и приводит к тому, что диаграмма направленности расщепляется, что в большинстве случаев вредно: обычно радиосвязь производится по одному или нескольким известным направлениям а излучение в «ненужную» сторону означает просто напрасные потери. Например, наземная связь проводится в направлении горизонта, а излучение в космос бесполезно тратит мощность передатчика. Поэтому, когда необходимо увеличить направленность антенны, чтобы посылать энергию более сфокусировано в нужном направлении, предпочитают использовать более сложные конструкции на базе диполя, а не удлиняют единичный диполь.

При уменьшении длины антенны от полуволнового диполя (или укорочению штыря четвертьволнового граундплейна) сопротивление излучения экспоненциально падает, что вкупе со все усложняющимся согласующим устройством делает укороченную антенну крайне неэффективной – небольшое сопротивление излучения рядом с большим сопротивлением означает напрасный нагрев согласующего устройства с малым излучением.

Вот, собственно, и все, что нужно знать гуманитарию об антеннах.

Добро пожаловать в Антенны 101 | Electronic Design

Эта статья является частью TechXchange: Antenna Design 101

Загрузите эту статью в формате . PDF

Антенны — это гораздо больше, чем просто устройства, подключенные к каждому радио. Это преобразователи, которые преобразуют напряжение от передатчика в радиосигнал. И они улавливают радиосигналы из эфира и преобразуют их в напряжение для восстановления в приемнике.

Обычно принимаемые как должное и оставляемые на последнюю минуту в проекте, антенны, тем не менее, имеют решающее значение для установления и поддержания надежного радиосоединения. Большинству инженеров они могут показаться сложными и загадочными, особенно тем, кто впервые работает с беспроводными приложениями, не говоря уже о том, что они бывают, казалось бы, бесконечного разнообразия размеров и форм. Тем не менее, краткий обзор основных моментов может помочь развеять любые опасения по поводу дизайна.

Что такое радиоволна?

Радиоволна представляет собой комбинацию магнитного поля под прямым углом к ​​электрическому полю. Оба колеблются с определенной частотой и движутся вместе в направлении, перпендикулярном обоим полям (рис. 1) . Эти электромагнитные поля движутся со скоростью света (около 300 миллионов метров в секунду или около 186 400 миль в секунду) в свободном пространстве. Согласно известным уравнениям Максвелла, они поддерживают и регенерируют друг друга по пути, но ослабевают с расстоянием.

Каковы некоторые характеристики радиоволн?
Одной из ключевых особенностей является ориентация полей с землей. Это называется поляризацией. Антенна имеет вертикальную поляризацию, если электрическое поле направлено вертикально к поверхности земли. Антенна имеет горизонтальную поляризацию, если она расположена горизонтально по отношению к поверхности земли.

Существуют ли другие важные характеристики радиоволн?
Как правило, радиоволны имеют ближнее и дальнее поле. Ближнее поле близко к антенне, обычно в пределах нескольких длин волн (λ). Дальнее поле находится примерно в 10 или более длинах волн от антенны. Дальнее поле отрывается от антенны и становится радиосигналом.

Такие приложения, как радиочастотная связь (RFID) и связь ближнего поля (NFC), используют ближнее поле, которое больше похоже на магнитное поле вокруг первичной обмотки трансформатора. Но в целом дальнее поле — самая полезная радиоволна.

Как работает антенна?
Антенна передатчика генерирует радиоволны. На антенну подается напряжение нужной частоты. Напряжение на элементах антенны и ток через них создают соответственно электрические и магнитные волны. В приемнике электромагнитная волна, проходящая через антенну, индуцирует небольшое напряжение. Таким образом, антенна становится источником сигнала для входа приемника.

Будет ли одна и та же антенна работать и для передачи, и для приема?
Да. Мы называем это взаимностью антенн. Любая антенна будет работать как на передачу, так и на прием. Во многих беспроводных приложениях антенна переключается между передатчиком и приемником.

Будет ли вертикальная антенна принимать горизонтально поляризованный сигнал или наоборот?
В большинстве случаев да. Антенны в реальном мире редко бывают идеально горизонтальными или вертикальными, поэтому некоторый сигнал принимается. Кроме того, большинство сигналов претерпевают сдвиги поляризации на пути передачи из-за отражений и других многолучевых условий. Тем не менее, это несоответствие ориентации антенны вносит некоторое затухание.

При более точном контроле поляризацию можно использовать для мультиплексирования двух сигналов на одной частоте. В некоторых спутниках антенна с вертикальной поляризацией может передавать один сигнал, одновременно передавая или принимая на отдельной антенне с горизонтальной поляризацией на той же частоте. Если поляризация является проблемой в приложении, круговая поляризация может предложить решение.

Что такое круговая поляризация?
Как видно из названия, во время передачи поляризация постоянно меняется, что позволяет использовать для приема как горизонтальные, так и вертикальные антенны. Для максимального приема необходима приемная антенна с круговой поляризацией.

Вы также можете приобрести антенну с правой или левой круговой поляризацией (RHCP или LHCP). Это снова позволяет повторно использовать частоты, используя разные поляризации для двух разных сигналов. Часто применяют спиральную антенну из спирального проводника и рефлектора. Круговая поляризация чаще всего встречается у спутников.

Как радиосигнал распространяется от передатчика к приемнику?
Сигналы передаются от одной антенны к другой несколькими способами в зависимости от частоты радиоволн. На низких частотах (менее 3 МГц) распространение осуществляется земной волной, когда сигнал касается земной поверхности. Расстояние ограничено сотней миль или около того. AM-радиоволны являются хорошим примером низкочастотного распространения.

На частотах в диапазоне от 3 до 30 МГц (короткие волны) сигналы распространяются на расстояние от 30 до 250 миль в ионосферу, где преломляются обратно на землю. Это почти как излучать сигнал так, что он кажется отраженным от проводящей поверхности. Могут быть достигнуты очень большие расстояния, поскольку сигналы могут совершать несколько переходов от земли к ионосфере и обратно несколько раз.

Однако сегодня для большинства беспроводных сетей диапазон сигналов составляет от 100 МГц до 10 ГГц. Эти сигналы, называемые небесными волнами, распространяются прямолинейно, как световые волны. Вам нужен путь прямой видимости (LOS) от одной антенны к другой, чтобы установить связь. Очевидно, что дальность сигнала во многом зависит от высоты антенны.

Какая форма антенны наиболее распространена?
Диполь состоит из двух линейных проводников встык длиной в половину длины волны (λ/2) (рис. 2а) . Здесь одна длина волны (λ) равна 300/f МГц в метрах. Половина длины волны в футах равна 468/f МГц или 5616/f МГц в дюймах. Термин f представляет собой рабочую частоту в мегагерцах.

Передатчик или приемник подключается к центру антенны, как правило, линией передачи, например коаксиальным кабелем. В этой точке антенна имеет эквивалентное активное сопротивление 73 Ом. Однако это будет зависеть от высоты антенны и станет комплексным импедансом выше или ниже рабочей частоты. Таким образом, антенна действует как резонансный контур.

Каковы некоторые другие характеристики диполя?
Обычно диполь ориентирован горизонтально к земле, что дает горизонтально поляризованную волну. Кроме того, излучение антенны неравномерно во всех направлениях. Идеальная антенна, называемая изотропным источником, излучает сферически или одинаково хорошо во всех направлениях.

В диполе диаграмма направленности имеет форму бублика. Посмотрев вниз на антенну, вы увидите диаграмму направленности в виде цифры 8 9.0022 (рис. 2б) . Наибольшее излучение или лучший прием происходит под прямым углом к ​​антенне. На эту диаграмму направленности сильно влияют близлежащие проводящие и непроводящие объекты.

Какие еще существуют физические формы антенн?
Популярным вариантом диполя является плоскость заземления или антенна Маркони. Он состоит из одного элемента λ/4, установленного вертикально, и работает с землей или металлическим основанием, называемым плоскостью заземления (рис. 3) . Антенна заземления представляет собой половину диполя, а другой элемент диполя представляет собой заземление. Поляризация вертикальная, а диаграмма направленности круговая или всенаправленная.

Существуют ли другие распространенные формы?
Да. Патч- или микрополосковая антенна широко распространена на микроволновых частотах (более 1 ГГц). Это квадратный или круглый участок проводящего материала шириной около половины длины волны. Создать его несложно, поскольку обычно он реализуется на печатной плате (PCB) (рис. 4) . Рамочная антенна также популярна в некоторых некритических приложениях. Это просто непрерывная петля проводника, провода или печатной платы с окружностью от 0,1 до 1,0 λ.

Могут ли антенны показывать усиление?
Обязательно. Антенна может повысить уровень сигнала так же эффективно, как если бы сигнал был усилен электронным усилителем. Он не усиливается как таковой, но усиление формируется в результате концентрации сигнала в более узком луче. Антенна становится более направленной.

Например, диполь концентрирует сигнал в двух лепестках. Следовательно, диполь имеет усиление по мощности на 1,64 дБ по сравнению с изотропной антенной. Это называется усилением в дБи по отношению к изотропному источнику. Но поскольку в реальной жизни не существует такого понятия, как изотропный источник, мы обычно относим любое усиление антенны к коэффициенту усиления диполя (дБд). Например, 0 дБд = 2,15 дБи.

Как выражается усиление антенны?
Обычно выражается в дБ мощности на диполь. Другим выражением является эффективная излучаемая мощность (ERP) — фактическая мощность, которую диполь должен излучать, чтобы произвести тот же эффект, что и антенна с усилением. Вы вычисляете ERP, умножая выходную мощность передатчика на усиление антенны, где усиление представляет собой отношение мощностей, эквивалентное цифре усиления в дБ. Иногда усиление относится к изотропному излучателю, а не к диполю. В этом случае подходящим термином является эффективная изотропная излучаемая мощность (ЭИИМ).

Какую антенну вы используете для усиления?
Существует множество различных способов получения усиления. Большинство конфигураций основано на использовании нескольких антенных элементов, таких как несколько диполей или диполь плюс один или несколько паразитных элементов, на которые сигнал не подается напрямую. Знакомый пример — популярная Yagi (рис. 5) .

Ведомый элемент - диполь. Он используется с чуть более длинным элементом, называемым отражателем, и тремя более короткими элементами, называемыми директорами. Паразитные элементы фокусируют луч вперед с направлением излучения от директора. Такая антенна может обеспечить эффективное усиление мощности около 10 дБ.

Добавив больше директоров, можно добиться еще большего усиления. При наличии семи и более директоров возможно усиление до 20 дБ. Ширина луча излучения очень мала, что может помочь свести к минимуму помехи от других станций поблизости.

Как работает параболическая или параболическая антенна?
Антенна с максимальным направленным усилением, тарелка, использует дипольную или подобную антенну, но добавляет параболическую тарелку в качестве отражателя. Размещение антенны в фокусе параболы приводит к тому, что тарелка фокусирует входящий сигнал на антенне или сигнал, излучаемый диполем, фокусируется тарелкой в ​​очень узкий луч (рис. 6) .

Обычно ширина луча менее 1°. Усиление может быть более 50 дБ, в зависимости от диаметра тарелки. Этот тип антенны отлично подходит для очень слабых сигналов, например, от спутников.

Существуют ли другие распространенные направленные антенны?
Другой прекрасной антенной с направленным усилением является фазированная решетка, которая представляет собой группу диполей или эквивалентных антенн (патч, щелевая и т. д.), установленных в прямоугольную решетку. Типичные решетки могут быть четыре на четыре или 16 на 16. Антенны питаются линиями передачи определенной длины для создания синфазных сигналов на элементах антенны. Добавление задержек или фазовых сдвигов создает сигналы на каждой антенне, которые могут усиливать или компенсировать друг друга. Это позволяет формировать, перемещать или иным образом управлять общей диаграммой направленности антенны.

Управляя фазами антенн, можно управлять диаграммой направленности в широком диапазоне ширины луча. С помощью специальных регулируемых фазовращателей луч антенны можно расширить, сузить или направить в определенном направлении. Это называется формированием луча. Фазированные решетки широко используются в военных радарах, но эти методы также применяются в сотовой радиосвязи для управления направленностью антенн сотовой связи с целью улучшения качества сигнала.

Ускорьте процесс проектирования от концепции до реализации с помощью DKRed, специального сервиса печатных плат от Digi-Key.

{}">Подробнее

Если антенна действует как настроенная цепь, как я могу быть уверен, что она имеет необходимую полосу пропускания?
Антенны резонансные, поэтому у них есть Q и соответствующая полоса пропускания (BW). Для большинства антенн эта полоса пропускания составляет примерно от 10% до 15% резонансной частоты. Важно, чтобы антенна имела достаточно широкий отклик, чтобы пропустить все необходимые боковые полосы, чтобы избежать искажений. Большинство антенн являются избирательными, поэтому они могут избавиться от шума и некоторых гармоник, но вам не нужна обрезка боковой полосы. Если вы используете коммерческую антенну, посмотрите характеристики селективности или полосы пропускания, чтобы убедиться, что она подходит. В конструкции антенн физические размеры влияют на BW.

Если сделать элементы дипольной антенны очень тонкими с помощью проволоки, получится очень узкая полоса пропускания. Но если сделать их широкими с помощью трубок или развести веером, скажем, в конфигурации «бабочка», это значительно увеличит пропускную способность.

Как антенна подключена к передатчику или приемнику?
Линия передачи соединяет антенну с передатчиком или приемником. Для коротких расстояний это, вероятно, будет короткая микрополосковая или полосковая линия на печатной плате. Коаксиальный кабель чаще всего используется для больших расстояний в несколько футов и более. Полное сопротивление линии передачи должно соответствовать полному сопротивлению антенны и передатчика/приемника, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности.

Большинство цепей рассчитаны на импеданс 50 Ом, что хорошо подходит для коаксиального кабеля 50 Ом. С помощью микрополосковой линии вы можете придать линии любое желаемое характеристическое сопротивление. Сложность заключается в согласовании линии с антенной, импеданс которой может составлять от нескольких Ом до нескольких тысяч Ом, в зависимости от типа и других условий. В большинстве приложений для согласования антенны с линией или линии с цепью используется некоторая форма сети согласования импеданса LC.

Если импедансы не согласованы, будут отражения и высокий коэффициент стоячей волны (КСВ), что приведет к значительным потерям. Кроме того, старайтесь избегать коаксиального кабеля, потому что его затухание очень велико на микроволновых частотах. Доступен кабель с низкими потерями, но он все равно сильно ослабляет сигнал. Старайтесь, чтобы длина была как можно короче, и компенсируйте в передатчике или приемнике потери в кабеле за счет большего усиления.

Что такое эффективность антенны?
Эффективность антенны похожа на эффективность в целом — отношение выходной мощности к входной. Однако она обозначается несколькими способами. В большинстве случаев эффективность учитывает потери I2R, потери в любом диэлектрике и потери, связанные с подключением к другим устройствам. Что может быть не включено, так это любые потери, связанные с потерями, связанными с рассогласованием антенны и линии передачи, что приводит к отраженной мощности и более высокому КСВ.

Однако некоторые меры эффективности учитывают любое изменение сопротивления излучения антенны. Большинство маленьких антенн не так эффективны. Все, что выше от 50% до 60%, обычно хорошо, но всегда стремитесь улучшить его, если можете.

Должен ли я попытаться разработать свои собственные антенны?
Если вы не радиоинженер, возможно, нет. Конструкция антенны очень специфична и более чем сложна. Это также одна из тех ниш, где работает черная магия. Конструкция антенны очень теоретическая, но в значительной степени она основана на эмпирической работе и большом количестве экспериментов.

Если антенна простая, например дипольная, заземляющая или петлевая, она может вам подойти. Кроме того, на рынке существует множество коммерческих антенн, способных удовлетворить практически любые потребности. В приложениях с большим объемом можно даже разработать специальную антенну. Для достижения наилучших результатов лучше покупать, а не строить. 1010022 The ARRL Antenna Book , 1991.

  • Frenzel, Louis, E., Principles of Electronic Communications Systems , 3-е издание, McGraw Hill, 2008. , McGraw Hill, 2007.
  • Как работают антенны и передатчики?

    Как работают антенны и передатчики? - Объясните этот материал

    Вы здесь: Домашняя страница > Связь > Антенны и передатчики

    • Дом
    • Индекс А-Я
    • Случайная статья
    • Хронология
    • Учебное пособие
    • О нас
    • Конфиденциальность и файлы cookie

    Реклама

    Представьте, что вы протягиваете руку и ловите слова, картинки и информация проходит мимо. Это более или менее то, что антенна (иногда называемая антенной): это металлический стержень или тарелка, улавливает радиоволны и превращает их в электрические сигналы, во что-то вроде радио или телевизор или телефонная система. Такие антенны иногда называют приемниками. Передатчик — это другой тип антенны, которая выполняет противоположную работу по отношению к приемнику: он превращает электрические сигналы в радиоволны, чтобы они могли путешествовать иногда тысячи километров вокруг Земли или даже в космос и назад. Антенны и передатчики являются ключом практически ко всем формы современной телекоммуникации. Давайте подробнее рассмотрим, что они и как они работают!

    Фото: Огромная 70-метровая спутниковая антенна Canberra в Австралии. Фото любезно предоставлено НАСА на Викискладе.

    Содержание

    1. Как работают антенны
    2. Какой длины должна быть антенна?
    3. Антенны AM и FM: длинные и короткие
    4. Дополнительные типы антенн
    5. Важные свойства антенн
      • Направленность
      • Усиление
      • Полоса пропускания
    6. Кто изобрел антенны?
    7. Узнать больше

    Как работают антенны

    Предположим, вы начальник радиостанции и хотите передавать свои программы в более широкий мир. Как вы это делаете?

    Вы используете микрофоны, чтобы улавливать звуки голосов людей и превращать их в электрическую энергию. Вы берете это электричество и свободно говоря, заставьте его течь вдоль высокой металлической антенны (усилив его в мощность много раз, так что он будет путешествовать в мире так далеко, как вам нужно). Как электроны (крошечные частицы внутри атомов) в электрическом токе колеблются взад и вперед вдоль антенны, они создают невидимое электромагнитное излучение в виде радио волны. Эти волны, частично электрические и частично магнитные, распространяются со скоростью света, забирая ваше радио. программа с ними. Что происходит, когда я включаю радио дома в нескольких милях? Радиоволны, которые вы послали, проходят через металлическую антенну и заставляют электроны раскачиваться вперед и назад. Это создает электрический ток — сигнал о том, что электронные компоненты внутри моего радио снова включается в звук, который я слышу.

    Работа: Как передатчик посылает радиоволны приемнику. 1) Электричество, поступающее в передающую антенну, заставляет электроны колебаться вверх и вниз по ней, создавая радиоволны. 2) Радиоволны распространяются по воздуху со скоростью света. 3) Когда волны достигают приемной антенны, они заставляют электроны внутри нее колебаться. Это производит электрический ток, который воссоздает исходный сигнал.

    Антенны передатчика и приемника часто очень похожи по дизайн. Например, если вы используете что-то вроде спутникового телефона которые могут отправлять и принимать видеотелефонные звонки в любое другое место на Земле с помощью космических спутников, сигналы, которые вы передаете и получаете все проходят через одну спутниковую тарелку — антенну особого типа. в форме чаши (и технически известной как параболический отражатель , потому что тарелка изгибается в форме графика, называемого параболой).

    Фото: параболический отражатель (1) улавливает входящие волны и отражает их до гораздо меньший концентрирующий «субрефлектор» над и в центре тарелки (2), из которого они отраженный вниз для обработки (3). Подобная тарелка также может работать как передатчик, просто отправляя радиолучи в обратном направлении. Фотография антенны Deep Space Network предоставлена НАСА.

    Часто, хотя передатчики и приемники выглядят очень по-разному. ТВ или радио радиовещательные антенны представляют собой огромные мачты, иногда тянущиеся на сотни метров/футов в воздух, потому что они должны посылать мощные сигналы на большие расстояния. (Одна из тех, на которые я регулярно настраиваюсь, в Саттон Колдфилд в Англии, имеет мачту высотой 270,5 метра или 887 футов, что примерно равно 150 рослым людям, стоящим друг на друга.) Но вам не нужно ничего такого большого на вашем телевизоре или радио дома: с этой задачей вполне справится антенна гораздо меньшего размера.

    Волны не всегда распространяются по воздуху от передатчика к приемнику. В зависимости от того, какие виды (частоты) волн мы хотим послать, как далеко мы хотим их послать и когда мы хотим это сделать, на самом деле существует три различных способов, которыми волны могут распространяться: 1) По линии достопримечательность; 2) по земной волне; 3) Через ионосферу.

    Произведение: Как волна распространяется от передатчика к приемнику: 1) По прямой видимости; 2) по земной волне; 3) Через ионосферу.

    1. Как мы уже видели, они могут стрелять по так называемой «линии взгляда», по прямой линии — как луч света. В старых телефонных сетях дальней связи для передачи звонков между очень высокими башнями связи использовались микроволны. (оптоволоконные кабели в значительной степени сделали это устаревшим).

      Фото: Антенны, использующие связь в пределах прямой видимости, нужно монтировать на высоких мачтах, вот так. Вы можете видеть тонкие диполи антенны, торчащие из верхней части, но большая часть того, что вы видите здесь, — это просто башня, которая удерживает антенну высоко в воздухе. Фотография Пьера-Этьена Куртежуа предоставлена ​​армией США.

    2. Они могут двигаться вокруг кривизны Земли в так называемой земной волне. AM (средневолновое) радио имеет тенденцию распространяться таким образом на короткие и средние расстояния. Это объясняет, почему мы можем слышать радиосигналы за горизонтом (когда передатчик и приемник не находятся в пределах видимости друг друга).
    3. Они могут взлететь в небо, отскочить от ионосферы (электрически заряженной части верхних слоев атмосферы Земли) и снова спуститься на землю. Этот эффект лучше всего работает ночью, что объясняет, почему дальние (иностранные) AM-радиостанции гораздо легче принимать по вечерам. В дневное время волны, уходящие в небо, поглощаются нижними слоями ионосферы. Ночью такого не бывает. Вместо этого более высокие слои ионосферы улавливают радиоволны и отбрасывают их обратно на Землю, давая нам очень эффективное «зеркало неба», которое может помочь переносить радиоволны на очень большие расстояния.

    Рекламные ссылки

    Какой длины должна быть антенна?

    Простейшая антенна представляет собой цельный кусок металлического провода, прикрепленный к радио. Первое радио, которое я построил, когда мне было 11 или 12 лет, было кристалл с длинной петлей из медной проволоки, действующей как антенна. я побежал антенна на потолке моей спальни, так что, должно быть, всего около 20–30 метров (60–100 футов) в длину!

    Большинство современных транзисторных радиоприемников имеют как минимум две антенны. Один из представляет собой длинную блестящую телескопическую штангу, которая выдвигается из футляра и поворачивается для приема сигналов FM (частотная модуляция). другой - антенна внутри корпуса, обычно крепящаяся к основному плате, и он улавливает сигналы AM (амплитудной модуляции). (Если вы не уверены в разнице между FM и AM, обратитесь к нашей статье о радио.)

    Зачем в радиостанции две антенны? Сигналы на них разные диапазоны волн переносятся радиоволнами разных частота и длина волны. Типичные радиосигналы AM имеют частоту 1000 кГц (килогерц), в то время как типичные FM-сигналы имеют частоту около 100 МГц. (мегагерц) — поэтому они вибрируют примерно в сто раз быстрее. Так как все радио волны распространяются с одинаковой скоростью (скорость света, которая составляет 300 000 км/с или 186 000 миль в секунду), сигналы AM имеют длины волн примерно в сто раз больше, чем сигналы FM. Вам нужно два антенны, потому что одна антенна не может принять такое огромное разный диапазон длин волн. Это длина волны (или частота, если вы предпочитаете) радиоволн, которые вы пытаетесь обнаружить, определяет размер и тип антенны, которую необходимо использовать. Говоря в широком смысле, длина простой (стержневой) антенны должна составлять примерно половину длины волны радиоволны, которые вы пытаетесь принять (также можно антенны, составляющие четверть длины волны, компактные миниатюрные антенны, составляющие примерно одну десятую длины волны, и мембранные антенны, которые еще меньше, хотя мы не будем здесь вдаваться в подробности).

    Длина антенны — не единственное, что влияет на длину волны. вы собираетесь забрать; если бы это было радио с фиксированной длиной антенны сможет принимать только одну станцию. Антенна подает сигналы в схему настройки внутри радиоприемника, который предназначен для «захвата» одной конкретной частоты и игнорирования остальных. Самая простая схема приемника (подобная той, что вы найдете в кристаллическом радиоприемнике) не что иное, как моток проволоки, диод и конденсатор, и он подает звук в наушник. Схема отвечает (технически, резонирует , что означает электрические колебания) на частоте, на которую вы настроены. и отбрасывает частоты выше или ниже этого. Регулируя емкость конденсатора, вы меняете резонансную частоту, которая настраивает ваше радио на другую станцию. Работа антенны состоит в том, чтобы собрать достаточно энергии от проходящих радиоволн, чтобы сделать схема резонирует на нужной частоте.

    Антенны AM и FM: в целом

    Давайте посмотрим, как это работает для FM. Если я попытаюсь слушать типичный радиовещание на частоте FM 100 МГц (100 000 000 Гц), волны, несущие мою программу, имеют длину около 3 м (10 футов). Так что идеал антенна около 1,5 м (4 фута) или около того в длину, что примерно длина телескопической FM-радиоантенны, когда она полностью выдвинута.

    Фото: AM-антенна типа «петля» внутри типичного транзисторного радиоприемника. очень компактный и очень направленный. Провод розового цвета, из которого состоит антенна, намотан на толстый ферритовый сердечник (черный стержень). Обычно, как вы видите здесь, на одном ферритовом стержне располагаются две отдельные антенны: одна для АМ (средневолновая) и одна для ДВ (длинноволновая).

    Теперь для AM длины волн примерно в 100 раз больше, так почему же вы не нужна антенна длиной 300 м (0,2 мили), чтобы поймать их? Вам нужна мощная антенна, вы просто не знаете, что она есть! АМ-антенна внутри транзисторного радиоприемника работает совершенно по-другому. путь к FM-антенне снаружи. Где FM-антенна улавливает электрический часть радиоволны, вместо этого AM-антенна соединяется с магнитной частью . Это отрезок очень тонкой проволоки (обычно несколько десятков метров) намотаны от нескольких десятков до нескольких сотен раз вокруг ферритового (магнитного) сердечника, который сильно концентрирует магнитную часть радиосигналов и производит («индуцирует») больший ток в проводе. обернутый вокруг них. Это означает, что подобная антенна может быть очень маленькой и при этом иметь мощность. Без ферритового стержня рамочной антенне требуется гораздо больше витков провода. (чтобы тысячи вместо сотен или десятков) или петли проволоки нужно быть намного больше. Поэтому внешние антенны для раций иногда занимают в форме большой петли, возможно, 10–20 см (4–8 дюймов) в диаметре или около того.

    Рисунок: Вверху: Электромагнитные радиоволны состоят из вибрирующих электрических волн (синие) и магнитных волн (красные), движущихся вместе со скоростью света (черная стрелка). Внизу: слева: FM-антенна улавливает относительно коротковолновую высокочастотную электрическую часть FM-радиоволн. Справа: рамочная ферритовая антенна AM улавливает и концентрирует магнитные части длинноволновых низкочастотных электромагнитных волн.

    Пока все хорошо, но как насчет мобильных телефонов? Почему им нужны только короткие и короткие Антенны как на фото? В мобильных телефонах тоже используются радиоволны, также распространяющиеся со скоростью света. и с типичной частотой 800 МГц (примерно в десять раз больше, чем FM-радио). Это означает, что их длина волны примерно в 10 раз короче, чем FM-радио, поэтому им нужно антенна примерно в десять раз меньше. В смартфонах обычно антенна растягивается вокруг внутренней части корпуса. Давайте посмотрим, как это вычисляется: если частота 800 МГц, длина волны 37,5 см (14,8 дюйма), и половина длины волны будет быть 18 см (7,0 дюйма). Мой нынешний смартфон LG имеет длину около 14 см (5,5 дюйма), так что вы можете видеть мы находимся на правильном уровне.

    Фото: 1) Эта телескопическая FM-радиоантенна вытягивается примерно на 1–2 м (3–6 футов или около того), что составляет примерно половину длины радиоволн, которые она пытается уловить. 2) У мобильных телефонов особенно компактные антенны. Старые модели (например, Motorola слева) имеют короткие внешние антенны или антенны, которые выдвигаются телескопически. (Открытая часть антенны — это часть, на которую указывает мой палец и есть еще одна часть, которую мы не можем видеть, бегущая по краю печатной платы внутри корпуса.) Более новые мобильные телефоны (например, модель Nokia справа) имеют более длинные антенны, полностью встроенные в корпус.

    Дополнительные типы антенн

    Простейшие радиоантенны представляют собой длинные прямые стержни. Многие Комнатные телевизионные антенны имеют форму диполя : металлического стержня, разделенного на две части и сложенный горизонтально, поэтому он немного похож на человека, стоящего прямо вверх, вытянув руки горизонтально. Более сложный открытый Телевизионные антенны имеют ряд таких диполей, расположенных вдоль центральной опорный стержень. Другие конструкции включают круглые петли из проволоки и, Конечно, параболические спутниковые тарелки. Почему так много разных дизайнов? Очевидно, что волны, приходящие к антенне от передатчика, абсолютно одинаковы, несмотря ни на что. форма и размер антенны. Другой рисунок диполей поможет сконцентрировать сигнал, чтобы его было легче обнаружить. Этот эффект можно еще больше усилить, добавив несвязанные «фиктивные» диполи, известные как направляющие и отражатели, которые отражают большую часть сигнала на фактические принимающие диполи. Это эквивалентно усилению сигнала и возможности принимать более слабый сигнал, чем более простая антенна.

    Художественное произведение: Четыре распространенных типа антенн (красные) и места, где они лучше всего принимают сигнал (оранжевые): простой диполь, сложенный диполь, диполь и рефлектор и Яги. Базовая или сложенная дипольная антенна одинаково хорошо улавливает перед своими полюсами или позади них, но плохо на каждом конце. Антенна с отражателем улавливает намного лучше с одной стороны, чем с другой, потому что отражающий элемент (красная полоса, похожая на диполь слева) отражает больше сигнала на изогнутый диполь справа. Yagi еще больше усугубляет этот эффект, улавливая очень сильный сигнал с одной стороны и почти полное отсутствие сигнала с какой-либо другой стороны. Он состоит из нескольких диполей, отражателей и директоров.

    Важные свойства антенн

    Особенно важны три характеристики антенн, а именно их направленность, коэффициент усиления и ширина полосы.

    Направленность

    Диполи очень направленны : они улавливают входящие радиоволны, прямым углом к ​​ним. Вот почему телевизионная антенна должна быть правильно установлены на вашем доме и обращены в правильную сторону, если вы собираетесь получить четкое изображение. Телескопическая антенна на FM-радио меньше явно направленным, особенно если сигнал сильный: если вы если бы он был направлен прямо вверх, он будет улавливать хорошие сигналы от практически любое направление. Ферритовая AM-антенна внутри радиоприемника гораздо более направленным. Слушая AM, вы найдете себя нужно поворачивать радиостанцию, пока она не поймает действительно сильный сигнал. (Как только вы нашли наилучший сигнал, попробуйте повернуть радио ровно на 90 градусов и обратите внимание, как сигнал часто падает почти до нуля.)

    Хотя остронаправленные антенны может показаться болезненным, когда они правильно выровнены, они помогают уменьшить помехи от нежелательных станций или сигналов, близких к тому, который вы пытаетесь обнаружить. Но направленность — это не всегда хорошо. Подумайте о своем мобильном телефоне. Вы хотите, чтобы он мог принимать звонки, где бы он ни находился по отношению к ближайшую телефонную мачту, или принимать сообщения в зависимости от того, куда он указывает, когда он лежит в сумке, так что остронаправленная антенна не очень хороша. Аналогично для GPS-приемника, который сообщает вам, где вы находитесь. используя сигналы нескольких космических спутников. Поскольку сигналы поступают с разных спутники, в разных местах неба, следует, что они приходят с разных направлений, так что, опять же, остронаправленная антенна не была бы такой полезной.

    Усиление

    Усиление антенны является очень техническим измерением, но, вообще говоря, сводится к сумме, на которую он повышает сигнал. Телевизоры часто улавливают слабый, призрачный сигнал даже без антенна подключена. Это потому, что металлический корпус и другие компоненты действуют как основная антенна, не сфокусированная на какой-либо конкретной направлении и по умолчанию улавливать какой-либо сигнал. Добавьте правильный направленная антенна, и вы получите гораздо лучший сигнал. Усиление измеряется в децибелах (дБ), и (как правило) чем больше усиление тем лучше ваш прием. В случае с телевизорами вы получаете гораздо больший выигрыш от сложного наружная антенна (одна, скажем, с 10–12 диполями в параллельном «массиве»), чем от простого диполя. Все наружные антенны работают лучше, чем комнатные, а оконные и встроенные антенны имеют более высокий коэффициент усиления и работают лучше, чем встроенные.

    Ширина полосы

    Ширина полосы антенны — это диапазон частот (или длинах волн, если хотите), на которых он работает эффективно. шире полоса пропускания, тем больше диапазон различных радио волны, которые вы можете подобрать. Это полезно для чего-то вроде телевидения, где вам может понадобиться подобрать много разных каналов, но много менее полезен для телефона, мобильного телефона или спутниковой связи где все, что вас интересует, это очень специфическая радиоволна передачи в довольно узкой полосе частот.

    Фотографии: Другие антенны: 1) Антенна, питающая RFID-метку, застрявшую в библиотечной книге. Схема внутри него не имеет источника питания: всю энергию он получает от поступающих радиоволн. 2) Дипольная антенна внутри беспроводной карты Wi-Fi PCMCIA. Этот работает с радиоволнами 2,4 ГГц с длиной волны 12,5 см, поэтому его длина должна быть около 6 см или около того.

    Кто изобрел антенны?

    На этот вопрос нет простого ответа, потому что радио превратилось в полезное техники во второй половине 19 в.го века благодаря работе довольно несколько разных людей — как ученых-теоретиков, так и практических экспериментаторов.

    Кто были эти пионеры? Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию радио примерно в 1864 году. и Генрих Герц доказал, что радиоволны действительно существовали примерно через 20 лет (они были некоторое время спустя назвал волны Герца в его честь). Несколько лет спустя, на встрече в Оксфорде, Англия, 14 августа 1894 г. , английский физик, Оливер Лодж продемонстрировал, как можно использовать радиоволны для передачи сигналов. из одной комнаты в другую в том, что он позже описал (в своей автобиографии 1932 года) как «очень инфантильный вид радиотелеграфии». Лодж подал патент США на «электрическую телеграфию» 1 февраля 1898 года, описывая устройство для «оператора с помощью того, что сейчас известно». как «телеграфия на волнах Герца» для передачи сообщений через пространство любому одному или нескольким из ряда различных людей в разных местах..." Неизвестно Лоджу на этом этапе, Гульельмо Маркони проводил свои собственные эксперименты в Италии примерно в то же время — и в конечном итоге оказался лучшим шоуменом: многие люди считают его «изобретателем радио» и по сей день, тогда как на самом деле он был лишь одним из группы дальновидных людей, помогли превратить науку об электромагнитных волнах в практическую технологию, изменившую мир.

    Работа: иллюстрация Оливера Лоджа, на которой он посылает радиоволны через пространство от передатчика (красный) к приемнику (синий) на некотором расстоянии, взято из его 1898 патент США 609,154: Электрическая телеграфия. Предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

    Ни в одном из первоначальных радиоэкспериментов не использовались передатчики или приемники, которые мы могли бы мгновенно распознать сегодня. Герц и Лодж, например, использовали устройство, называемое искровым генератором: пара цинковых шариков, прикрепленных к коротким отрезкам медной проволоки с воздушным зазором между ними. Лодж и Маркони использовали когереры Бранли (стеклянные трубки, заполненные металлическими опилками) для обнаружения волн, которые они передавали. и получил, хотя Маркони счел их «слишком неустойчивыми и ненадежными» и в конце концов разработал свой собственный детектор. Вооружившись этим новым оборудованием, он проводил систематические эксперименты по изучению того, как высота антенны влияет на расстояние, на которое он может передавать сигнал.

    А остальное, как говорится, уже история!

    Узнайте больше

    На этом сайте

    • Мобильные телефоны (Мобильные телефоны)
    • Связь
    • Электричество и электроника
    • История общения
    • Радио
    • Радиочастотные (RF и RFID) метки
    • Телевидение

    Книги

    • Справочник по проектированию антенн Джона Л. Волакиса (ред.). McGraw-Hill, 2018. Огромное исчерпывающее теоретическое и практическое руководство по всем распространенным типам антенн.
    • Теория антенн: анализ и разработка, Константин А. Баланис. Wiley, 2016. Хорошее общее теоретическое введение, предназначенное для студентов, изучающих физику и электротехнику. Не совсем подходит для начинающих — и вам потребуется приличное понимание математики.
    • Маленькие антенны: методы миниатюризации и приложения Джон Л. Волакис и др. McGraw-Hill, 2010. Взгляд на теорию и практическое проектирование небольших антенн для мобильных телефонов, RFID и других приложений.
    • Теория и практика антенн, Раджешвари Чаттерджи. Нью Эйдж Интернэшнл, 2006.

    Статьи

    • Ни одна антенна не смогла бы выжить в жестокой радиоактивной среде Европы — до сих пор, Насер Э. Чахат, IEEE Spectrum, 21 июля 2021 г. Как вы проектируете антенны для экстремальных условий космоса?
    • Крошечные мембранные антенны Чарльза К. Чоя. IEEE Spectrum, 22 августа 2017 г. Современные антенны теперь можно уменьшить до 1/000 длины волны, которую они должны принимать.
    • Настраиваемые жидкометаллические антенны для настройки на что угодно Александр Хеллеманс. IEEE Spectrum, 19 мая 2015 г. Какие антенны нам потребуются в будущем для высокочастотных радиоприложений с более короткими длинами волн?
    • Патент Apple, умно скрывающий антенну в вашей клавиатуре, Кристина Боннингтон. Wired, 17 августа 2011 г. Как клавиатуры Apple прячут беспроводные антенны под клавишами.
    • Внутри лаборатории дизайна антенн Apple, Брайан X. Чен. Wired, 16 июля 2010 г. Экскурсия по секретной лаборатории Apple по тестированию антенн.
    • Уши кролика оживляются бесплатно HDTV от Мэтта Рихтела и Дженны Уортэм. The New York Times, 5 декабря 2010 г. Зрители, уставшие от цен на кабельное телевидение, вновь открывают для себя радость старомодных антенн и бесплатного телевидения.
    • Усиление сигнала для мобильных телефонов: BBC News, 22 апреля 2008 г. Как ученые из Оксфорда разработали более сложную антенну для мобильного телефона.
    • По мере того, как автомобили становятся все более подключенными, скрывать антенны становится все труднее, Иван Бергер. Нью-Йорк Таймс, 14 марта 2005 г.
    • Взлом с помощью трубки Pringles, Марк Уорд, BBC News, 8 марта 2002 г. Интересная новость, объясняющая, как хакеры использовали направленные антенны, сделанные из трубок Pringles, для проникновения в беспроводные сети.
    • Что вам следует знать о телевизионных антеннах Роберта Герцберга, Popular Science, декабрь 1950 г. Эта старая статья из архивов Popular Science остается очень ясным и актуальным введением в конструкцию антенн.

    Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

    Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.


    Learn more

         ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf