Антенны: принцип работы, история и классификация.

Введение

Электрическое устройство

В радиотехнике антенна (американский английский) или аэриал (британский английский) — это интерфейс между радиоволнами, распространяющимися в пространстве, и электрическими токами, движущимися в металлических проводниках, используемый с передатчиком или приемником. При передаче радиопередатчик подает электрический ток на клеммы антенны, а антенна излучает энергию этого тока в виде электромагнитных волн (радиоволн). При приеме антенна перехватывает часть энергии радиоволны для создания электрического тока на своих клеммах, который подается на приемник для усиления. Антенны являются важнейшими компонентами всего радиооборудования. Антенна представляет собой совокупность проводников (элементов), электрически соединенных с приемником или передатчиком. Антенны могут быть спроектированы для передачи и приема радиоволн во всех горизонтальных направлениях одинаково (всенаправленные антенны) или преимущественно в определенном направлении (направленные, или с высоким коэффициентом усиления, или "лучевые" антенны). Антенна может включать компоненты, не подключенные к передатчику, такие как параболические отражатели, рупоры или паразитные элементы, которые служат для направления радиоволн в луч или другую желаемую диаграмму излучения. Достичь высокой направленности и хорошего КПД при передаче сложно с антеннами, размеры которых значительно меньше полудлины волны. Первые антенны были построены в 1888 году немецким физиком Генрихом Герцем в его пионерских экспериментах по доказательству существования волн, предсказанных электромагнитной теорией Джеймса Клерка Максвелла. Герц размещал дипольные антенны в фокусе параболических отражателей как для передачи, так и для приема. Начиная с 1895 года, Гульельмо Маркони начал разработку антенн, пригодных для беспроводной телеграфии на большие расстояния, за что он получил Нобелевскую премию. На итальянском языке шест для палатки известен как l'antenna centrale, а шест с проволокой просто назывался l'antenna. До этого времени беспроводные излучающие, передающие и принимающие элементы назывались просто "клеммами". Благодаря своей известности использование слова "антенна" Маркони распространилось среди исследователей и энтузиастов беспроводной связи, а затем и среди широкой общественности. Термин "антенна" может в широком смысле относиться ко всей сборке, включая опорную конструкцию, корпус (если он есть) и т. д., в дополнение к фактическим элементам, проводящим радиочастотный ток. Приемная антенна может включать не только пассивные металлические приемные элементы, но и встроенный предварительный усилитель или смеситель, особенно на микроволновых частотах и выше.

In radio engineering, an antenna (American English) or aerial (British English) is the interface between radio waves propagating through space and electric currents moving in metal conductors, used with a transmitter or receiver. In transmission, a radio transmitter supplies an electric current to the antenna's terminals, and the antenna radiates the energy from the current as electromagnetic waves (radio waves). In reception, an antenna intercepts some of the power of a radio wave in order to produce an electric current at its terminals, that is applied to a receiver to be amplified. Antennas are essential components of all radio equipment. An antenna is an array of conductors (elements), electrically connected to the receiver or transmitter. Antennas can be designed to transmit and receive radio waves in all horizontal directions equally (omnidirectional antennas), or preferentially in a particular direction (directional, or high gain, or "beam" antennas). An antenna may include components not connected to the transmitter, parabolic reflectors, horns, or parasitic elements, which serve to direct the radio waves into a beam or other desired radiation pattern. Strong directivity and good efficiency when transmitting are hard to achieve with antennas with dimensions that are much smaller than a half wavelength. The first antennas were built in 1888 by German physicist Heinrich Hertz in his pioneering experiments to prove the existence of waves predicted by the electromagnetic theory of James Clerk Maxwell. Hertz placed dipole antennas at the focal point of parabolic reflectors for both transmitting and receiving. Starting in 1895, Guglielmo Marconi began development of antennas practical for long distance, wireless telegraphy, for which he received a Nobel Prize. In Italian a tent pole is known as l'antenna centrale, and the pole with the wire was simply called l'antenna. Until then wireless radiating transmitting and receiving elements were known simply as "terminals". Because of his prominence, Marconi's use of the word antenna spread among wireless researchers and enthusiasts, and later to the general public. Antenna may refer broadly to an entire assembly including support structure, enclosure (if any), etc., in addition to the actual RF current carrying components. A receiving antenna may include not only the passive metal receiving elements, but also an integrated preamplifier or mixer, especially at and above microwave frequencies.

Обзор

Антенны необходимы любому радиоприемнику или передатчику для обеспечения электрического соединения с электромагнитным полем. Радиоволны – это электромагнитные волны, переносящие сигналы по воздуху (или в пространстве) со скоростью света с минимальными потерями. Антенны классифицируются на всенаправленные, излучающие энергию приблизительно равномерно во всех горизонтальных направлениях, и направленные, концентрирующие радиоволны в определенном направлении или направлениях. Так называемая лучевая антенна является однонаправленной, разработанной для максимального приема сигнала от другой станции, в то время как многие другие антенны предназначены для работы со станциями в различных направлениях, но не являются истинно всенаправленными. В силу принципа взаимности антенн, одна и та же диаграмма направленности применяется как при передаче, так и при приеме радиоволн. Гипотетическая антенна, излучающая равномерно во всех направлениях (как по вертикали, так и по горизонтали), называется изотропным излучателем; однако, такие антенны не существуют на практике и не представляют особого интереса. Для большинства наземных коммуникаций предпочтительнее уменьшать излучение в сторону неба или земли, направляя энергию преимущественно в горизонтальном направлении. Горизонтально ориентированная дипольная антенна не излучает энергию в направлении проводника – это называется нулевой зоной антенны, – но может использоваться в большинстве других направлений. Несколько таких дипольных элементов могут быть объединены в антенную решетку, например, антенну Яги-Уда, для усиления сигнала в определенном горизонтальном направлении, что и определяет ее как лучевую антенну. Дипольная антенна, являющаяся основой для большинства конструкций антенн, представляет собой симметричный компонент, к двум ее выводам прикладываются равные по величине, но противоположные по знаку напряжения и токи. Вертикальная антенна является монопольной антенной, несимметричной относительно земли. Земля (или любая большая проводящая поверхность) выполняет роль второго проводника монополя. Поскольку монопольные антенны требуют проводящую поверхность, их можно устанавливать с заземляющей плоскостью для приближения к эффекту установки на поверхности Земли. Более сложные антенны повышают направленность. Дополнительные элементы в конструкции антенны, не обязательно напрямую связанные с приемником или передатчиком, увеличивают ее направленность. "Коэффициент усиления" антенны описывает концентрацию излучаемой мощности в определенном телесном угле пространства. Термин "коэффициент усиления", возможно, неудачно выбран по сравнению с коэффициентом усиления усилителя, который подразумевает чистое увеличение мощности. В отличие от этого, для антенны "коэффициент усиления" означает, что увеличение мощности в желаемом направлении происходит за счет уменьшения мощности в нежелательных направлениях. В отличие от усилителей, антенны являются электрически "пассивными" устройствами, сохраняющими общую мощность, и не происходит увеличения общей мощности выше, чем подается от источника питания (передатчика), а лишь улучшается распределение этой фиксированной мощности. Фазированная решетка состоит из двух или более простых антенн, соединенных между собой через электрическую сеть. Часто это включает в себя несколько параллельных дипольных антенн с определенным расстоянием между ними. В зависимости от фазы, вводимой сетью, одна и та же комбинация дипольных антенн может работать как "решетка с боковым излучением" (направленная перпендикулярно линии, соединяющей элементы), так и как "решетка с концевым излучением" (направленная вдоль линии, соединяющей элементы). В антенных решетках может использоваться любой базовый тип антенны (всенаправленный или слабонаправленный), такой как дипольная, петлевая или щелевая антенна. Эти элементы часто идентичны. Логарифмически-периодические и частотно-независимые антенны используют самоподобие для работы в широком диапазоне частот. Наиболее распространенным примером является логарифмически-периодическая дипольная решетка, которую можно рассматривать как ряд (обычно от 10 до 20) соединенных дипольных элементов с прогрессирующей длиной в решетке с концевым излучением, что делает ее достаточно направленной; она особенно полезна в качестве антенны на крыше для приема телевизионного сигнала. С другой стороны, антенна Яги-Уда (или просто "Яги"), имеющая несколько похожий внешний вид, имеет только один дипольный элемент с электрическим соединением; остальные паразитные элементы взаимодействуют с электромагнитным полем для создания высоконаправленной антенны с узкой полосой пропускания. Еще большей направленности можно добиться, используя апертурные антенны, такие как параболический рефлектор или рупорная антенна. Высокая направленность антенны зависит от ее размеров, сравнимых с длиной волны, поэтому высоконаправленные антенны (с высоким коэффициентом усиления) становятся более практичными на более высоких частотах (УВЧ и выше). На низких частотах (например, в AM-вещании) используются решетки вертикальных вышек для обеспечения направленности, занимающие большие площади земли. Для приема длинная антенна Beverage может иметь значительную направленность. Для портативного использования без направленности хорошо подходит короткая вертикальная антенна или небольшая петлевая антенна, основной задачей при проектировании которых является согласование импедансов. В вертикальной антенне может использоваться катушка индуктивности у основания для компенсации реактивной составляющей импеданса; небольшие петлевые антенны настраиваются параллельными конденсаторами для этой же цели. Линия подключения антенны – это линия передачи, соединяющая антенну с передатчиком или приемником. "Подключение антенны" может относиться ко всем компонентам, соединяющим антенну с передатчиком или приемником, таким как схема согласования импедансов, в дополнение к линии передачи. В так называемой "апертурной антенне", такой как рупор или параболическая тарелка, "подключение" также может относиться к базовой излучающей антенне, встроенной во всю систему отражающих элементов (обычно в фокусе параболической тарелки или в горловине рупора), которую можно рассматривать как единственный активный элемент в этой антенной системе. Микроволновая антенна также может питаться непосредственно от волновода вместо (проводящей) линии передачи. Антенный противовес или заземляющая плоскость – это конструкция из проводящего материала, улучшающая или заменяющая землю. Она может быть соединена с естественной землей или изолирована от нее. В монопольной антенне это помогает функционированию естественной земли, особенно когда характеристики естественной земли изменяются (или ограничены), что мешает ее правильной работе. Такая конструкция обычно соединена с возвратным соединением несимметричной линии передачи, такой как экран коаксиального кабеля. Электромагнитный волновод в некоторых апертурных антеннах – это компонент, который благодаря своей форме и положению выборочно задерживает или опережает части электромагнитной волны, проходящей через него. Волновод изменяет пространственные характеристики волны с одной стороны относительно другой. Например, он может сфокусировать волну или изменить волновой фронт другими способами, обычно для максимизации направленности антенной системы. Это радиоэквивалент оптической линзы. Антенная согласующая сеть – это пассивная сеть (обычно комбинация индуктивных и емкостных элементов схемы), используемая для согласования импедансов между антенной и передатчиком или приемником. Это может быть использовано для минимизации потерь на линии питания за счет уменьшения коэффициента стоячей волны на линии передачи и для представления передатчика или приемника стандартным резистивным импедансом, необходимым для его оптимальной работы. Местоположение точки подключения выбирается, и в структуру антенны могут быть включены элементы, электрически аналогичные компонентам тюнера, для улучшения согласования.

Antennas are required by any radio receiver or transmitter to couple its electrical connection to the electromagnetic field. Radio waves are electromagnetic waves which carry signals through the air (or through space) at the speed of light with almost no transmission loss. Antennas can be classified as omnidirectional, radiating energy approximately equally in all horizontal directions, or directional, where radio waves are concentrated in some direction(s). A so called beam antenna is unidirectional, designed for maximum response in the direction of the other station, whereas many other antennas are intended to accommodate stations in various directions but are not truly omnidirectional. Since antennas obey reciprocity the same radiation pattern applies to transmission as well as reception of radio waves. A hypothetical antenna that radiates equally in all directions (vertical as well as all horizontal angles) is called an isotropic radiator; however, these cannot exist in practice nor would they be particularly desired. For most terrestrial communications, rather, there is an advantage in reducing radiation toward the sky or ground in favor of horizontal direction(s). A dipole antenna oriented horizontally sends no energy in the direction of the conductor – this is called the antenna null – but is usable in most other directions. A number of such dipole elements can be combined into an antenna array such as the Yagi–Uda in order to favor a single horizontal direction, thus termed a beam antenna. The dipole antenna, which is the basis for most antenna designs, is a balanced component, with equal but opposite voltages and currents applied at its two terminals. The vertical antenna is a monopole antenna, not balanced with respect to ground. The ground (or any large conductive surface) plays the role of the second conductor of a monopole. Since monopole antennas rely on a conductive surface, they may be mounted with a ground plane to approximate the effect of being mounted on the Earth's surface. More complex antennas increase the directivity of the antenna. Additional elements in the antenna structure, which need not be directly connected to the receiver or transmitter, increase its directionality. Antenna "gain" describes the concentration of radiated power into a particular solid angle of space. "Gain" is perhaps an unfortunately chosen term, by comparison with amplifier "gain" which implies a net increase in power. In contrast, for antenna "gain", the power increased in the desired direction is at the expense of power reduced in undesired directions. Unlike amplifiers, antennas are electrically "passive" devices which conserve total power, and there is no increase in total power above that delivered from the power source (the transmitter), only improved distribution of that fixed total. A phased array consists of two or more simple antennas which are connected together through an electrical network. This often involves a number of parallel dipole antennas with a certain spacing. Depending on the relative phase introduced by the network, the same combination of dipole antennas can operate as a "broadside array" (directional normal to a line connecting the elements) or as an "end fire array" (directional along the line connecting the elements). Antenna arrays may employ any basic (omnidirectional or weakly directional) antenna type, such as dipole, loop or slot antennas. These elements are often identical. Log periodic and frequency independent antennas employ self similarity in order to be operational over a wide range of bandwidths. The most familiar example is the log periodic dipole array which can be seen as a number (typically 10 to 20) of connected dipole elements with progressive lengths in an endfire array making it rather directional; it finds use especially as a rooftop antenna for television reception. On the other hand, a Yagi–Uda antenna (or simply "Yagi"), with a somewhat similar appearance, has only one dipole element with an electrical connection; the other parasitic elements interact with the electromagnetic field in order to realize a highly directional antenna but with a narrow bandwidth. Even greater directionality can be obtained using aperture antennas such as the parabolic reflector or horn antenna. Since high directivity in an antenna depends on it being large compared to the wavelength, highly directional antennas (thus with high antenna gain) become more practical at higher frequencies (UHF and above). At low frequencies (such as AM broadcast), arrays of vertical towers are used to achieve directionality and they will occupy large areas of land. For reception, a long Beverage antenna can have significant directivity. For non directional portable use, a short vertical antenna or small loop antenna works well, with the main design challenge being that of impedance matching. With a vertical antenna a loading coil at the base of the antenna may be employed to cancel the reactive component of impedance; small loop antennas are tuned with parallel capacitors for this purpose. An antenna lead in is the transmission line, or feed line, which connects the antenna to a transmitter or receiver. The "antenna feed" may refer to all components connecting the antenna to the transmitter or receiver, such as an impedance matching network in addition to the transmission line. In a so called "aperture antenna", such as a horn or parabolic dish, the "feed" may also refer to a basic radiating antenna embedded in the entire system of reflecting elements (normally at the focus of the parabolic dish or at the throat of a horn) which could be considered the one active element in that antenna system. A microwave antenna may also be fed directly from a waveguide in place of a (conductive) transmission line. An antenna counterpoise, or ground plane, is a structure of conductive material which improves or substitutes for the ground. It may be connected to or insulated from the natural ground. In a monopole antenna, this aids in the function of the natural ground, particularly where variations (or limitations) of the characteristics of the natural ground interfere with its proper function. Such a structure is normally connected to the return connection of an unbalanced transmission line such as the shield of a coaxial cable. An electromagnetic wave refractor in some aperture antennas is a component which due to its shape and position functions to selectively delay or advance portions of the electromagnetic wavefront passing through it. The refractor alters the spatial characteristics of the wave on one side relative to the other side. It can, for instance, bring the wave to a focus or alter the wave front in other ways, generally in order to maximize the directivity of the antenna system. This is the radio equivalent of an optical lens. An antenna coupling network is a passive network (generally a combination of inductive and capacitive circuit elements) used for impedance matching in between the antenna and the transmitter or receiver. This may be used to minimize losses on the feed line, by reducing transmission line's standing wave ratio, and to present the transmitter or receiver with a standard resistive impedance needed for its optimum operation. The feed point location(s) is selected, and antenna elements electrically similar to tuner components may be incorporated in the antenna structure itself, to improve the match.

Взаимность

Основным свойством антенн является то, что большинство электрических характеристик антенны, таких как описанные в следующем разделе (например, усиление, диаграмма направленности, импеданс, полоса пропускания, резонансная частота и поляризация), остаются одинаковыми независимо от того, передает антенна или принимает. Например, "диаграмма приема" (чувствительность к входящим сигналам в зависимости от направления) антенны при использовании для приема идентична диаграмме направленности антенны, когда она включена и функционирует как излучатель, даже если распределение тока и напряжения на самой антенне различается для приема и передачи. Это следствие теоремы взаимности электромагнетизма. Электрическая составляющая радиосигнала индуцирует напряжение в проводнике. Это вызывает появление электрического тока, текущего в направлении мгновенного поля сигнала. Когда этот ток достигает конца проводника, он отражается, что эквивалентно изменению фазы на 180 градусов. Если проводник имеет длину волны, ток от точки питания претерпит фазовый сдвиг на 90 градусов к моменту достижения конца проводника, отразится на 180 градусов, а затем еще на 90 градусов при возвращении. Это означает, что он претерпел полный фазовый сдвиг на 360 градусов, вернувшись к исходному сигналу. Таким образом, ток в элементе складывается с током, создаваемым источником в данный момент. Этот процесс создает стоячую волну в проводнике, с максимальным током в точке питания. Обычный полуволновой диполь, вероятно, является наиболее широко используемой конструкцией антенны. Он состоит из двух элементов длиной в полволны, расположенных конец к концу и лежащих, по сути, вдоль одной и той же оси (или коллинеарно), каждый из которых подключен к одной стороне двухпроводной линии передачи. Физическое расположение двух элементов сдвигает их фазу на 180 градусов, что означает, что в любой момент один из элементов подает ток в линию передачи, а другой вытягивает его. Монопольная антенна по сути является одной половиной полуволнового диполя – одним элементом длиной в полволны, с другой стороной, подключенной к земле или эквивалентной заземляющей плоскости (или противовесу). Монополи, которые вдвое меньше диполя по размеру, часто используются для радиосигналов длинных волн, где диполь был бы непрактично большим. Другой распространенной конструкцией является сложенный диполь, который состоит из двух (или более) полуволновых диполей, расположенных бок о бок и соединенных на концах, но только один из которых включен. Стоячая волна формируется с этой желаемой диаграммой на рабочей частоте, f, и антенны обычно проектируются с таким размером. Однако, подача этого элемента частотой 3f (длина волны которой составляет 1/3 от длины волны f) также приведет к формированию стоячей волны. Таким образом, антенный элемент также резонирует, когда его длина составляет 1/3 длины волны. Это верно для всех нечетных кратных 1/3 длины волны. Это обеспечивает некоторую гибкость конструкции с точки зрения длины антенны и точек питания. Антенны, используемые таким образом, называются антеннами, работающими на гармониках. Резонансные антенны обычно используют линейный проводник (или элемент) или пару таких элементов, каждый из которых составляет примерно четверть длины волны (нечетное кратное четверти длины волны также будет резонировать). Антенны, которые должны быть малы по сравнению с длиной волны, жертвуют эффективностью и не могут быть сильно направленными. Поскольку длины волн настолько малы на более высоких частотах (УВЧ, СВЧ), обычно не требуется жертвовать характеристиками ради уменьшения физического размера.

It is a fundamental property of antennas that most of the electrical characteristics of an antenna, such as those described in the next section (e. g. gain, radiation pattern, impedance, bandwidth, resonant frequency and polarization), are the same whether the antenna is transmitting or receiving. For example, the "receiving pattern" (sensitivity to incoming signals as a function of direction) of an antenna when used for reception is identical to the radiation pattern of the antenna when it is driven and functions as a radiator, even though the current and voltage distributions on the antenna itself are different for receiving and sending. This is a consequence of the reciprocity theorem of electromagnetics. The radio signal's electrical component induces a voltage in the conductor. This causes an electrical current to begin flowing in the direction of the signal's instantaneous field. When the resulting current reaches the end of the conductor, it reflects, which is equivalent to a 180 degree change in phase. If the conductor is of a wavelength long, current from the feed point will undergo 90 degree phase change by the time it reaches the end of the conductor, reflect through 180 degrees, and then another 90 degrees as it travels back. That means it has undergone a total 360 degree phase change, returning it to the original signal. The current in the element thus adds to the current being created from the source at that instant. This process creates a standing wave in the conductor, with the maximum current at the feed. The ordinary half wave dipole is probably the most widely used antenna design. This consists of two wavelength elements arranged end to end, and lying along essentially the same axis (or collinear), each feeding one side of a two conductor transmission wire. The physical arrangement of the two elements places them 180 degrees out of phase, which means that at any given instant one of the elements is driving current into the transmission line while the other is pulling it out. The monopole antenna is essentially one half of the half wave dipole, a single wavelength element with the other side connected to ground or an equivalent ground plane (or counterpoise). Monopoles, which are one half the size of a dipole, are common for long wavelength radio signals where a dipole would be impractically large. Another common design is the folded dipole which consists of two (or more) half wave dipoles placed side by side and connected at their ends but only one of which is driven. The standing wave forms with this desired pattern at the design operating frequency, f, and antennas are normally designed to be this size. However, feeding that element with 3 f (whose wavelength is that of f) will also lead to a standing wave pattern. Thus, an antenna element is also resonant when its length is of a wavelength. This is true for all odd multiples of wavelength. This allows some flexibility of design in terms of antenna lengths and feed points. Antennas used in such a fashion are known to be harmonically operated. Resonant antennas usually use a linear conductor (or element), or pair of such elements, each of which is about a quarter of the wavelength in length (an odd multiple of quarter wavelengths will also be resonant). Antennas that are required to be small compared to the wavelength sacrifice efficiency and cannot be very directional. Since wavelengths are so small at higher frequencies (UHF, microwaves) trading off performance to obtain a smaller physical size is usually not required.

Распределение тока и напряжения

Четвертьволновые элементы имитируют последовательный резонансный электрический элемент из-за стоячей волны, присутствующей вдоль проводника. На резонансной частоте стоячая волна имеет пик тока и узел напряжения (минимум) в точке подключения. С электрической точки зрения, это означает, что в этой точке элемент имеет минимальную величину импеданса, генерируя максимальный ток при минимальном напряжении. Это идеальная ситуация, поскольку она обеспечивает максимальную выходную мощность при минимальной входной, что приводит к максимально возможной эффективности. В отличие от идеальной (без потерь) последовательной резонансной цепи, остается конечное сопротивление (соответствующее относительно небольшому напряжению в точке подключения) из-за сопротивления антенны излучению, а также обычных электрических потерь, связанных с выделением тепла. Следует помнить, что ток будет отражаться при изменении электрических свойств материала. Для эффективной передачи принятого сигнала в линию передачи важно, чтобы импеданс линии передачи совпадал с импедансом точки подключения к антенне, иначе часть сигнала будет отражена обратно в тело антенны; аналогично, часть мощности сигнала передатчика будет отражена обратно к передатчику, если импеданс изменится в месте соединения питающей линии с антенной. Это приводит к концепции согласования импедансов – проектированию общей системы антенны и линии передачи таким образом, чтобы их импедансы были максимально близки, тем самым уменьшая эти потери. Согласование импедансов достигается с помощью схемы, называемой антенным тюнером или сетью согласования импедансов, расположенной между передатчиком и антенной. Степень согласования импеданса между питающей линией и антенной измеряется параметром, называемым коэффициентом стоячей волны (КСВ) на питающей линии. Рассмотрим полуволновую дипольную антенну, предназначенную для работы с сигналами длиной волны 1 м, что означает, что длина антенны от конца до конца будет примерно 50 см. Если отношение длины к диаметру элемента равно 1000, то ее собственный импеданс составит около 63 Ом. Используя подходящий передающий кабель или балун, мы согласовываем это сопротивление, чтобы обеспечить минимальное отражение сигнала. Для подачи этой антенны током 1 А потребуется 63 В, и антенна будет излучать 63 Вт (без учета потерь) радиочастотной мощности. Теперь рассмотрим случай, когда антенна принимает сигнал длиной волны 1,25 м; в этом случае ток, индуцированный сигналом, придет в точку подключения антенны в противофазе с сигналом, что приведет к уменьшению результирующего тока при неизменном напряжении. С электрической точки зрения это выглядит как очень высокий импеданс. Импеданс антенны и линии передачи больше не совпадают, и сигнал будет отражен обратно в антенну, уменьшая выходную мощность. Эту проблему можно решить, изменив систему согласования между антенной и линией передачи, но это решение будет эффективно только на новой рабочей частоте. В результате резонансная антенна будет эффективно передавать сигнал в линию передачи только тогда, когда частота исходного сигнала близка к расчетной частоте антенны или одному из ее резонансных гармоник. Это делает резонансные антенны по своей природе узкополосными: они полезны только в небольшом диапазоне частот, сосредоточенном вокруг резонанса.

The quarter wave elements imitate a series resonant electrical element due to the standing wave present along the conductor. At the resonant frequency, the standing wave has a current peak and voltage node (minimum) at the feed. In electrical terms, this means that at that position, the element has minimum impedance magnitude, generating the maximum current for minimum voltage. This is the ideal situation, because it produces the maximum output for the minimum input, producing the highest possible efficiency. Contrary to an ideal (lossless) series resonant circuit, a finite resistance remains (corresponding to the relatively small voltage at the feed point) due to the antenna's resistance to radiating, as well as any conventional electrical losses from producing heat. Recall that a current will reflect when there are changes in the electrical properties of the material. In order to efficiently transfer the received signal into the transmission line, it is important that the transmission line has the same impedance as its connection point on the antenna, otherwise some of the signal will be reflected backwards into the body of the antenna; likewise part of the transmitter's signal power will be reflected back to transmitter, if there is a change in electrical impedance where the feedline joins the antenna. This leads to the concept of impedance matching, the design of the overall system of antenna and transmission line so the impedance is as close as possible, thereby reducing these losses. Impedance matching is accomplished by a circuit called an antenna tuner or impedance matching network between the transmitter and antenna. The impedance match between the feedline and antenna is measured by a parameter called the standing wave ratio (SWR) on the feedline. Consider a half wave dipole designed to work with signals with wavelength 1 m, meaning the antenna would be approximately 50 cm from tip to tip. If the element has a length to diameter ratio of 1000, it will have an inherent impedance of about 63 ohms resistive. Using the appropriate transmission wire or balun, we match that resistance to ensure minimum signal reflection. Feeding that antenna with a current of 1 Ampere will require 63 Volts, and the antenna will radiate 63 Watts (ignoring losses) of radio frequency power. Now consider the case when the antenna is fed a signal with a wavelength of 1.25 m; in this case the current induced by the signal would arrive at the antenna's feedpoint out of phase with the signal, causing the net current to drop while the voltage remains the same. Electrically this appears to be a very high impedance. The antenna and transmission line no longer have the same impedance, and the signal will be reflected back into the antenna, reducing output. This could be addressed by changing the matching system between the antenna and transmission line, but that solution only works well at the new design frequency. The result is that the resonant antenna will efficiently feed a signal into the transmission line only when the source signal's frequency is close to that of the design frequency of the antenna, or one of the resonant multiples. This makes resonant antenna designs inherently narrow band: Only useful for a small range of frequencies centered around the resonance(s).

Полевые регионы

Пространство вокруг антенны можно разделить на три концентрические области: реактивное ближнее поле (также называемое индуктивным ближним полем), излучающее ближнее поле (область Френеля) и дальнее поле (область Фраунгофера). Эти области полезны для определения структуры поля в каждой из них, хотя переходы между ними постепенны и не имеют четких границ. В дальней области поля можно пренебречь размерами и формой антенны: можно считать, что электромагнитная волна представляет собой чистое излучающее плоское волну (электрические и магнитные поля находятся в фазе и перпендикулярны друг другу и направлению распространения). Это упрощает математический анализ излучаемого поля.

Эффективность

Эффективность передающей антенны – это отношение мощности, фактически излучаемой (во всех направлениях), к мощности, подводимой к антенным зажимам. Мощность, подводимая к антенным зажимам, которая не излучается, преобразуется в тепло. Обычно это происходит из-за сопротивления потерь в проводниках антенны или потерь между рефлектором и волноводом параболической антенны. Эффективность антенны отделена от согласования импедансов, которое также может уменьшить количество излучаемой мощности при использовании данного передатчика. Если измеритель КСВ показывает 150 Вт падающей мощности и 50 Вт отраженной мощности, это означает, что антенна фактически поглотила 100 Вт (не учитывая потери в линии передачи). Какая часть этой мощности была фактически излучена, не может быть непосредственно определена с помощью электрических измерений на (или перед) антенными зажимами, но потребует, например, тщательного измерения напряженности поля. Сопротивление потерям и эффективность антенны могут быть рассчитаны, когда известна напряженность поля, путем сравнения ее с мощностью, подводимой к антенне. Сопротивление потерям обычно влияет на импеданс точки питания, увеличивая его резистивную составляющую. Это сопротивление состоит из суммы сопротивления излучению Rrad и сопротивления потерям Rloss. Если к зажимам антенны подается ток I, то мощность I²Rrad будет излучаться, а мощность I²Rloss будет теряться в виде тепла. Следовательно, эффективность антенны равна только общему сопротивлению Rrad + Rloss, которое можно непосредственно измерить. Согласно принципу взаимности, эффективность антенны, используемой в качестве приемной антенны, идентична ее эффективности в качестве передающей антенны, описанной выше. Мощность, которую антенна будет доставлять приемнику (при правильном согласовании импедансов), уменьшается на ту же величину. В некоторых приемных приложениях очень неэффективные антенны могут оказывать незначительное влияние на производительность. Например, на низких частотах атмосферный или искусственный шум может маскировать неэффективность антенны. Например, CCIR Rep. 258 3 указывает, что искусственный шум в жилой зоне на частоте 40 МГц примерно на 28 дБ выше уровня теплового шума. Следовательно, антенна с затуханием 20 дБ (из-за неэффективности) окажет незначительное влияние на шумовые характеристики системы. Потери внутри антенны будут влиять на полезный сигнал и шум/помехи одинаково, не приводя к снижению отношения сигнал/шум (SNR). Антенны, размер которых не является значительной долей длины волны, неизбежно неэффективны из-за их малого сопротивления излучению. AM-радиоприемники включают в себя небольшую рамочную антенну для приема, которая имеет крайне низкую эффективность. Это мало влияет на производительность приемника, но просто требует большего усиления от электроники приемника. Сопоставьте этот крошечный компонент с массивными и очень высокими мачтами, используемыми на AM-радиостанциях для передачи на той же частоте, где каждый процентный пункт снижения эффективности антенны влечет за собой существенные затраты. Определение усиления антенны или мощности уже включает в себя эффект эффективности антенны. Поэтому, если кто-то пытается излучать сигнал к приемнику, используя передатчик заданной мощности, нужно только сравнить усиление различных антенн, а не учитывать эффективность. Это также верно для приемной антенны на очень высоких (особенно микроволновых) частотах, где цель состоит в приеме сильного сигнала по сравнению с температурой шума приемника. Однако в случае направленной антенны, используемой для приема сигналов с намерением подавить помехи из разных направлений, эффективность антенны больше не имеет значения, как обсуждалось выше. В этом случае, вместо указания усиления антенны, большее внимание будет уделяться директивному усилению или просто директивности, которая не включает в себя эффект (не)эффективности антенны. Директивное усиление антенны можно вычислить, разделив опубликованное усиление на эффективность антенны. В математической форме: усиление = директивность × эффективность.

Efficiency of a transmitting antenna is the ratio of power actually radiated (in all directions) to the power absorbed by the antenna terminals. The power supplied to the antenna terminals which is not radiated is converted into heat. This is usually through loss resistance in the antenna's conductors, or loss between the reflector and feed horn of a parabolic antenna. Antenna efficiency is separate from impedance matching, which may also reduce the amount of power radiated using a given transmitter. If an SWR meter reads 150 W of incident power and 50 W of reflected power, that means 100 W have actually been absorbed by the antenna (ignoring transmission line losses). How much of that power has actually been radiated cannot be directly determined through electrical measurements at (or before) the antenna terminals, but would require (for instance) careful measurement of field strength. The loss resistance and efficiency of an antenna can be calculated once the field strength is known, by comparing it to the power supplied to the antenna. The loss resistance will generally affect the feedpoint impedance, adding to its resistive component. That resistance will consist of the sum of the radiation resistance Rrad and the loss resistance Rloss. If a current I is delivered to the terminals of an antenna, then a power of I2 Rrad will be radiated and a power of I2 Rloss will be lost as heat. Therefore, the efficiency of an antenna is equal to Only the total resistance Rrad + Rloss can be directly measured. According to reciprocity, the efficiency of an antenna used as a receiving antenna is identical to its efficiency as a transmitting antenna, described above. The power that an antenna will deliver to a receiver (with a proper impedance match) is reduced by the same amount. In some receiving applications, the very inefficient antennas may have little impact on performance. At low frequencies, for example, atmospheric or man made noise can mask antenna inefficiency. For example, CCIR Rep. 258 3 indicates man made noise in a residential setting at 40 MHz is about 28 dB above the thermal noise floor. Consequently, an antenna with a 20 dB loss (due to inefficiency) would have little impact on system noise performance. The loss within the antenna will affect the intended signal and the noise/interference identically, leading to no reduction in signal to noise ratio (SNR). Antennas which are not a significant fraction of a wavelength in size are inevitably inefficient due to their small radiation resistance. AM broadcast radios include a small loop antenna for reception which has an extremely poor efficiency. This has little effect on the receiver's performance, but simply requires greater amplification by the receiver's electronics. Contrast this tiny component to the massive and very tall towers used at AM broadcast stations for transmitting at the very same frequency, where every percentage point of reduced antenna efficiency entails a substantial cost. The definition of antenna gain or power gain already includes the effect of the antenna's efficiency. Therefore, if one is trying to radiate a signal toward a receiver using a transmitter of a given power, one need only compare the gain of various antennas rather than considering the efficiency as well. This is likewise true for a receiving antenna at very high (especially microwave) frequencies, where the point is to receive a signal which is strong compared to the receiver's noise temperature. However, in the case of a directional antenna used for receiving signals with the intention of rejecting interference from different directions, one is no longer concerned with the antenna efficiency, as discussed above. In this case, rather than quoting the antenna gain, one would be more concerned with the directive gain, or simply directivity which does not include the effect of antenna (in)efficiency. The directive gain of an antenna can be computed from the published gain divided by the antenna's efficiency. In equation form, gain = directivity × efficiency.

Поляризация

Ориентация и физическая структура антенны определяют поляризацию электрического поля радиоволны, излучаемой ею. Например, антенна, состоящая из линейного проводника (такого как диполь или штыревая антенна), ориентированная вертикально, приведет к вертикальной поляризации; если же она повернута на бок, поляризация той же антенны будет горизонтальной. Отражения обычно влияют на поляризацию. Радиоволны, отражающиеся от ионосферы, могут изменять поляризацию волны. Для связи прямой видимостью или распространения по земной волне, горизонтально или вертикально поляризованные передачи обычно сохраняют примерно ту же поляризацию в точке приема. Использование вертикально поляризованной антенны для приема горизонтально поляризованной волны (или наоборот) приводит к относительно плохому приему. Поляризацию антенны иногда можно определить непосредственно по ее геометрии. Если проводники антенны, рассматриваемые с определенной точки обзора, расположены вдоль одной линии, то поляризация антенны будет линейной в этом направлении. В более общем случае поляризацию антенны необходимо определять путем анализа. Например, антенная решетка, установленная горизонтально (как обычно), с большого расстояния на Земле выглядит как горизонтальный отрезок прямой, поэтому ее излучение, принимаемое там, горизонтально поляризовано. Но если смотреть на эту антенну под углом вниз с самолета, она уже не соответствует этому требованию; на самом деле, ее излучение в этом направлении будет эллиптически поляризованным. В некоторых антеннах состояние поляризации изменяется в зависимости от частоты передачи. Поляризация коммерческой антенны является важной характеристикой. В общем случае поляризация является эллиптической, то есть вектор электрического поля в течение каждого цикла описывает эллипс. Два особых случая – линейная поляризация (эллипс вырождается в линию), как обсуждалось выше, и круговая поляризация (в которой обе оси эллипса равны). При линейной поляризации электрическое поле радиоволны колеблется в одном направлении. При круговой поляризации электрическое поле радиоволны вращается вокруг оси распространения. Круговые или эллиптически поляризованные радиоволны обозначаются как правосторонние или левосторонние, используя правило "большой палец указывает в направлении распространения". Следует отметить, что для круговой поляризации специалисты по оптике используют правило правой руки, противоположное тому, которое используют радиоинженеры. Для оптимального приема желательно, чтобы поляризация принимающей антенны соответствовала поляризации передаваемой волны. В противном случае произойдет потеря мощности сигнала: когда линейно поляризованная антенна принимает линейно поляризованное излучение под относительным углом θ, потеря мощности составит cos2θ. Кругово поляризованная антенна может одинаково хорошо согласовываться с вертикальной или горизонтальной линейной поляризацией, при этом происходит снижение сигнала на 3 дБ. Однако она не будет принимать сигнал круговой поляризации противоположной ориентации.

The orientation and physical structure of an antenna determine the polarization of the electric field of the radio wave transmitted by it. For instance, an antenna composed of a linear conductor (such as a dipole or whip antenna) oriented vertically will result in vertical polarization; if turned on its side the same antenna's polarization will be horizontal. Reflections generally affect polarization. Radio waves reflected off the ionosphere can change the wave's polarization. For line of sight communications or ground wave propagation, horizontally or vertically polarized transmissions generally remain in about the same polarization state at the receiving location. Using a vertically polarized antenna to receive a horizontally polarized wave (or visa versa) results in relatively poor reception. An antenna's polarization can sometimes be inferred directly from its geometry. When the antenna's conductors viewed from a reference location appear along one line, then the antenna's polarization will be linear in that very direction. In the more general case, the antenna's polarization must be determined through analysis. For instance, a turnstile antenna mounted horizontally (as is usual), from a distant location on Earth, appears as a horizontal line segment, so its radiation received there is horizontally polarized. But viewed at a downward angle from an airplane, the same antenna does not meet this requirement; in fact its radiation is elliptically polarized when viewed from that direction. In some antennas the state of polarization will change with the frequency of transmission. The polarization of a commercial antenna is an essential specification. In the most general case, polarization is elliptical, meaning that over each cycle the electric field vector traces out an ellipse. Two special cases are linear polarization (the ellipse collapses into a line) as discussed above, and circular polarization (in which the two axes of the ellipse are equal). In linear polarization the electric field of the radio wave oscillates along one direction. In circular polarization, the electric field of the radio wave rotates around the axis of propagation. Circular or elliptically polarized radio waves are designated as right handed or left handed using the "thumb in the direction of the propagation" rule. Note that for circular polarization, optical researchers use the opposite right hand rule from the one used by radio engineers. It is best for the receiving antenna to match the polarization of the transmitted wave for optimum reception. Otherwise there will be a loss of signal strength: when a linearly polarized antenna receives linearly polarized radiation at a relative angle of θ, then there will be a power loss of cos2θ A circularly polarized antenna can be used to equally well match vertical or horizontal linear polarizations, suffering a 3 dB signal reduction. However it will be blind to a circularly polarized signal of the opposite orientation.

Соответствие импеданса

Максимальная передача мощности достигается при согласовании импеданса антенной системы (при взгляде в линию передачи) со комплексно сопряжённым импедансом приёмника или передатчика. Однако в случае передатчика желаемый импеданс согласования может не точно соответствовать динамическому выходному импедансу передатчика, рассматриваемому как импеданс источника, а скорее номинальному значению (обычно 50 Ом), необходимому для эффективной и безопасной работы передающей аппаратуры. Предполагается, что импеданс является резистивным, но передатчик (и некоторые приёмники) могут иметь ограниченные дополнительные регулировки для компенсации некоторого количества реактивного сопротивления, чтобы "подстроить" согласование. При использовании линии передачи между антенной и передатчиком (или приёмником) обычно требуется, чтобы импеданс антенной системы был резистивным и приблизительно равным волновому сопротивлению этой линии передачи, в дополнение к согласованию с импедансом, который ожидает передатчик (или приёмник). Согласование необходимо для минимизации амплитуды стоячих волн (измеряемой через коэффициент стоячей волны; КСВ), возникающих из-за рассогласования, и увеличения потерь в линии передачи, которое это вызывает.

Настройка антенны на антенне

Тюнинг антенны, в строгом смысле изменения самой антенны, обычно относится только к компенсации любого реактивного сопротивления, наблюдаемого на клеммах антенны, оставляя только активное сопротивление, которое может быть, а может и не быть точно желаемым (сопротивлением доступной линии передачи). Хотя антенна может быть спроектирована для обеспечения чисто активного входного сопротивления (например, диполь длиной 97% полуволны) на определенной частоте, это вряд ли будет точно соответствовать действительности на других частотах, для которых антенна будет использоваться. В большинстве случаев, теоретически, физическую длину антенны можно "подстроить" для получения чисто активного сопротивления, хотя это редко бывает удобно. С другой стороны, добавление индуктивности или емкости противоположного знака может быть использовано для компенсации остаточной емкостной или индуктивной реактивности соответственно, что может быть более удобным, чем укорачивание или удлинение антенны и последующая ее установка на место. Реактивное сопротивление антенны может быть устранено с помощью сосредоточенных элементов, таких как конденсаторы или индукторы, включенных в основной путь тока, протекающего через антенну, часто вблизи точки подключения, или путем включения емкостных или индуктивных структур в проводящую часть антенны для компенсации реактивного сопротивления в точке подключения – например, открытых радиальных проводов-“спиц” или контурных параллельных проводов – тем самым, по сути, настраивая антенну в резонанс. Помимо этих элементов, компенсирующих реактивное сопротивление, антенны любого типа могут включать трансформатор и/или трансформаторный балансир в точке подключения для изменения активной части импеданса, чтобы более точно согласовать его с волновым сопротивлением питающей линии.

Совпадение линий на радио

Антенная настройка в широком смысле, осуществляемая устройством для согласования импедансов (не совсем точно называемым "антенным тюнером" или более старым, более подходящим термином "трансматч"), не ограничивается лишь устранением реактивного сопротивления и включает в себя преобразование оставшегося активного сопротивления для согласования с линией передачи и радиоприемником. Дополнительная задача – согласование оставшегося активного импеданса с волновым сопротивлением линии передачи: общая сеть согласования импедансов (антенный тюнер или ATU) имеет как минимум два регулируемых элемента для коррекции обеих составляющих импеданса. Любая согласующая сеть имеет потери мощности и ограничения по мощности при передаче. Коммерческие антенны обычно разрабатываются для приблизительного согласования со стандартными 50-омными коаксиальными кабелями на рабочих частотах; предполагается, что сеть согласования будет использоваться лишь для "подстройки" незначительного рассогласования.

Экстремальные примеры загруженных малых антенн

В некоторых случаях согласование выполняется более радикально, не просто для компенсации небольшого остаточного реактивного сопротивления, а для обеспечения резонанса антенны, чья резонансная частота значительно отличается от предполагаемой рабочей частоты. Короткий вертикальный "хлыст" Например, по практическим соображениям "хлыстовую антенну" можно сделать значительно короче четверти длины волны, а затем довести до резонанса, используя так называемую нагрузочную катушку. Физически большой индуктор в основании антенны имеет индуктивное реактивное сопротивление, противоположное емкостному реактивному сопротивлению короткой вертикальной антенны на желаемой рабочей частоте. В результате на точке подключения нагрузочной катушки наблюдается чистое сопротивление; однако, без дополнительных мер, это сопротивление будет несколько ниже оптимального для согласования с коммерческим коаксиальным кабелем. Малый "магнитный" контур Другой крайний случай согласования импеданса возникает при использовании малой контурной антенны (обычно, но не всегда, для приема) на относительно низкой частоте, где она выглядит почти как чистый индуктор. Когда такой индуктор доводится до резонанса с помощью конденсатора, подключенного параллельно к его точке подключения, конденсатор не только компенсирует реактивное сопротивление, но и значительно увеличивает очень небольшое сопротивление излучения малой петли, обеспечивая лучшее согласование сопротивления в точке подключения. Этот тип антенны используется в большинстве портативных AM-приемников (за исключением автомобильных радиоприемников): стандартная AM-антенна представляет собой петлю из проволоки, намотанную на ферритовый стержень ("антенна-loopstick"). Контур доводится до резонанса с помощью связанного с контуром тюнингового конденсатора, который настроен на соответствие настройке приемника, чтобы поддерживать резонанс антенны на выбранной принимаемой частоте в диапазоне AM-вещания.

Взаимный импиденс и взаимодействие между антеннами

Электрические и магнитные поля, излучаемые включенной антенной, как правило, влияют на напряжения и токи в расположенных поблизости антеннах, антенных элементах или других проводниках. Это особенно заметно, когда затронутый проводник является резонансным элементом (кратным половине длины волны) на примерно той же частоте, как это происходит, когда проводники являются частью одной и той же активной или пассивной антенной решетки. Поскольку затронутые проводники находятся в зоне ближнего поля, нельзя просто рассматривать две антенны как передающие и принимающие сигнал, например, используя формулу передачи Фриса, а необходимо рассчитать матрицу взаимных импедансов, которая учитывает как напряжения, так и токи (взаимодействие через электрическое и магнитное поля). Таким образом, используя взаимные импедансы, рассчитанные для конкретной геометрии, можно определить диаграмму направленности антенны Яги-Уда или токи и напряжения для каждого элемента фазированной антенной решетки. Такой анализ также может детально описать отражение радиоволн от земли или углового отражателя и их влияние на импеданс (и диаграмму направленности) антенны, находящейся поблизости. Зачастую такие взаимодействия в ближнем поле нежелательны и вредны. Токи в случайных металлических объектах вблизи передающей антенны часто возникают в проводниках с плохой проводимостью, вызывая потерю мощности радиочастоты в дополнение к непредсказуемому изменению характеристик антенны. При грамотном проектировании можно уменьшить электрическое взаимодействие между близлежащими проводниками. Например, угол в 90 градусов между двумя диполями, составляющими турниковую антенну, исключает взаимодействие между ними, позволяя управлять ими независимо (хотя на практике они питаются одним и тем же сигналом в квадратурной фазе в конструкции турниквой антенны).