Intentemos descubrir cómo funcionan las antenas y por qué la energía electromagnética de un conductor cómodo se emite a un dieléctrico extraño, y podemos prescindir de matan, lo que, por supuesto, requerirá simplificaciones muy serias e incluso vulgarización, pero aún así le permite tener una idea inicial y, no excluyo, el deseo de leer materiales Para los más avanzados.
Si es un ingeniero de radio, un operador experimentado de radioaficionado, o simplemente conoce bien la física, no se recomienda leer lo siguiente para evitar consecuencias negativas para su salud mental. Fuiste advertido.
Comencemos con los aburridos conceptos básicos. En los viejos tiempos, cuando no había Internet ni este fido tuyo, los fenómenos bien conocidos de la electricidad y el magnetismo no se consideraban como algo único, de naturaleza común, hasta hace exactamente doscientos años, el danés Oersted descubrió que el flujo de corriente eléctrica a través de un conductor causa una desviación aguja de la brújula, es decir crea un campo magnético accesible para observación y medición mediante dispositivos simples.
Pronto, el francés Ampère dedujo una ley del nombre de sí mismo, que describe la dependencia de la corriente eléctrica y el campo magnético que surge de ella, y un poco más tarde el inglés incluido Faraday descubrió y declaró matemáticamente el fenómeno de la inducción electromagnética. Después de bastante tiempo, el Scot Maxwell crea una teoría del campo electromagnético, en la que debemos confiar en la historia posterior, pero acordamos prescindir de Matan tanto como sea posible, de modo que incluso las humanidades más empedernidas puedan sentir el gusto por la tecnología en lugar de asustarse por fórmulas complejas. Todos estos trabajos llevaron al hecho de que en 1887 el alemán Hertz demostró experimentalmente la existencia de ondas de radio mediante la construcción de un transmisor de radio y un receptor de radio, que, inesperadamente, resultaron estar funcionando. Sin embargo, el propio Hertz no apreciaba las perspectivas de su transmisión (¡la primera en el mundo!) Y, por lo tanto, la invención de la radio se asocia más a menudo con el italiano Marconi, que, además del genio de la ingeniería innegable, tuvo éxito en términos de comercialización. Sí, si alguien está interesado, la primera transmisión de la voz pertenece al canadiense Fesenden, quien logró poner en marcha este asunto en 1900.
La corriente en el conductor crea un campo magnético. ¿Por qué tomamos nuestro cable pelado? Luego, para recordar fácilmente la dirección del vector de campo magnético, dependiendo de la dirección de la corriente en el conductor, la "regla de la mano derecha".
Entonces, ahora sabemos que el flujo de corriente eléctrica en un conductor conduce al hecho de que surge un campo magnético cerca del conductor. Esto, si muy, muy simplificado, es electromagnetismo. Por lo tanto, lo primero que podemos aprender: la radiación de las antenas está asociada con el flujo de corriente eléctrica en ellas.
La comunicación por radio usa corriente alterna de varias frecuencias (o longitudes de onda; hablando de antenas, a menudo es más conveniente hablar sobre las longitudes de onda y sobre la ingeniería de radio en general, sobre la frecuencia).
Las diferentes frecuencias le permiten realizar simultáneamente muchas transmisiones independientes y compartir su recepción, eligiendo las frecuencias correctas y descartando innecesariamente. Hay bastantes formas de hacerlo, pero son el tema de artículos separados. La corriente alterna tiene una característica desagradable: aunque obedece completamente la ley de Ohm (la interdependencia del voltaje, la resistencia del circuito y la corriente), el voltaje y la corriente pueden no coincidir en el tiempo. Sí, "cambio de fase" no está necesariamente en la cabeza, es más que un término de ingeniería eléctrica y de radio. Aquí está el resultado. Si aplicamos un voltaje alterno a alguna resistencia ideal, entonces la corriente alterna de modo común en este circuito sería igual al voltaje en voltios dividido por la resistencia en ohmios, al igual que una corriente continua decente. Pero si en lugar de una resistencia tenemos un inductor, entonces el asunto se vuelve más confuso. Cuando aplicamos voltaje a la bobina, resiste la corriente a través de ella, por lo que la corriente se retrasa en la fase del voltaje. Por cierto, si desconecta el suministro de voltaje de la bobina, también resistirá e intentará mantener el flujo de corriente a través de sí mismo (en la medida en que la bobina pueda almacenar energía): ya no hay voltaje, pero la corriente sigue fluyendo. Esta es esta resistencia, se llama reactiva, cuanto mayor, mayor es la frecuencia. Es decir, al aumentar la frecuencia con igual inductancia o al aumentar la inductancia con igual frecuencia, aumenta la resistencia a la corriente alterna. Con los condensadores, todo es igual, pero todo lo contrario. Cuando se aplica voltaje al condensador, la corriente cae primero en él, como en un agujero vacío, por delante del voltaje, y luego cae a medida que se carga. La facilidad con la que la corriente alterna ingresa al capacitor significa que al aumentar la frecuencia con igual capacitancia, la resistencia a la corriente alterna disminuye, y a la misma frecuencia al aumentar la capacitancia, la resistencia a la corriente alterna también disminuye. Por lo tanto, tomamos una nota: la reactancia, es decir, la resistencia inductiva o capacitiva a la corriente alterna, depende de la frecuencia.
A la izquierda hay una forma de onda sinusoidal tradicional, a la derecha hay un cambio de fase en el ejemplo de un "retraso" de la corriente del voltaje cuando hay resistencia inductiva en el circuito.
La resistencia total, que consiste en el componente activo (una resistencia condicional que consume energía "puramente" sin afectar la fase) y el componente reactivo (inductancia y / o capacitancia de cambio de fase), se llama resistencia o impedancia complejas.
Entonces, una antena es un conductor al que se le suministra energía eléctrica y que la irradia al espacio circundante. Emite una corriente eléctrica en un conductor, que crea un campo magnético alrededor del conductor.¿Por qué la energía electromagnética deja un conductor que es cómodo para ella y en un vacío incómodo para ella? ¡Pero ella no sale! La energía crea vibraciones de campo, pero no se mueve sola. Comparemos con las ondas sonoras. Cuando un altavoz (antena) crea vibraciones, el aire (éter) no se mueve, el viento no se produce, pero las vibraciones se propagan en el aire (éter). Lo mismo sucede con las ondas electromagnéticas, excepto que la energía electromagnética no se propaga en el aire, sino en el éter. Más tarde, sin embargo, descubrirán que el supuesto éter no existe, y que la tierra tampoco es plana, y el campo electromagnético también se siente bien en el vacío,
pero sabemos que hay éter, y la tierra, por supuesto, no es plana, sino ligeramente convexa . Es decir, una vez más, la energía no se transfiere junto con el medio (más precisamente, con el campo), sino que se transfiere debido a la propagación de ondas en un medio generalmente inmóvil (en el campo).
Antena como circuito oscilatorio. Antes de hablar sobre los diseños específicos de antenas simples, en cuyo principio podemos entender los dispositivos complejos, hablemos de resonancia eléctrica. Para hacer esto, volvamos a la reactancia. La lámina de antena se puede representar como una capacitancia distribuida y una inductancia distribuida, como una bobina desenrollada a un cable recto y como placas de condensador degeneradas en el mismo cable. La presencia de reactancia en el circuito, como recordamos, separa las fases de corriente y voltaje. Sin embargo, si seleccionamos una cierta combinación de inductancia y capacitancia (y esto funcionará solo en una frecuencia específica, porque recordamos que la reactancia cambia con un cambio en la frecuencia), resulta que la capacitancia y la inductancia se cancelan mutuamente y vemos una resistencia puramente activa en la carga Aquí hay una compensación mutua y el resultado en forma de una resistencia puramente activa como el resultado de la compensación se llama resonancia eléctrica. Por sí misma, no es importante que la antena funcione, porque la antena, como ya hemos descubierto, emite corriente en el conductor. Sin embargo, hay una serie de razones por las cuales tienden a lograr resonancia en la antena. El hecho es que, a diferencia de la corriente continua, para una corriente alterna es importante que la impedancia de onda (recuerdo la ley de Ohm, es decir, que la resistencia del circuito es numéricamente igual al voltaje aplicado dividido por la corriente) del generador, la línea de transmisión y la carga, es decir. las antenas mismas eran iguales. Si no hay igualdad, parte de la energía electromagnética se reflejará de regreso al generador, lo que conducirá a un espectro completo de fenómenos indeseables. Reactancia significativa conduce a un fuerte desajuste y un reflejo significativo de la energía. Sin embargo, esto también se aplica al componente activo de la impedancia, que es más fácil de coordinar con un componente reactivo insignificante y fácilmente compensado. Por lo tanto, técnicamente están tratando de crear tales antenas en las que el componente reactivo está ausente o fácilmente compensado, y el componente activo es igual a la impedancia de onda del generador o se transforma fácilmente. En el caso de las antenas más simples, crear una capacidad de antena específica o una cierta inductancia simplemente significa dimensionamiento. Por lo tanto, generalmente las dimensiones de las antenas se miden no en unidades lineales, sino en fracciones de la longitud de onda.
Las antenas de tamaño completo más simples. Dipolo de media onda, cuarto de onda y diseños similares.
Como puede ver, la distribución de corrientes y voltajes es la misma. Solo si en la base de un cuarto de onda en la mitad del dipolo hay un alfiler, y la segunda mitad es la tierra, entonces en el dipolo de media onda, la segunda mitad es la segunda mitad. :)
Para familiarizarse con los principios que son los mismos para antenas más complejas, propongo tratar con el diseño y el funcionamiento de las antenas básicas: un dipolo simétrico de media onda o una línea de tierra asimétrica de cuarto de onda. Hasta cierto punto, son idénticos y un dipolo de media onda se puede considerar como un caso extremo de un terreno de cuarto de onda, cuyo ángulo de radiales (equilibrios) alcanzó 180 ° al pin emisor, por lo que la mayoría de las características consideradas son igualmente aplicables a ambas antenas.
Como puede ver, dicha antena tiene resonancia eléctrica, porque un número entero de medias ondas de corriente y un número entero de medias ondas de voltaje se colocan en su conductor. Se cambian de fase uno respecto al otro, pero su reactividad se compensa mutuamente.
Si la antena fuera un poco más corta que la media onda, entonces tendría un componente capacitivo de la impedancia y tendría que ser compensado por inductancia (¿no le recuerda a nadie las bobinas en la base de las antenas automáticas sibishnaya?), Pero si por el contrario se alarga, aparece un componente inductivo que necesita ser compensado por la capacitancia .
Resistencia a la radiación. No hay nada especial sobre la resistencia a la radiación. Más realmente no es así. La resistencia a la radiación en el sentido físico no existe, es un valor analítico que se utiliza para determinar la eficiencia de la antena. La forma más fácil de imaginar la resistencia a la radiación es ese componente activo de la resistencia total de toda la antena, que se gasta en radiación. En realidad, existe el término "pérdida de radiación" y esta es una "pérdida" útil si hablamos de una antena, pero no es igual a la resistencia a la radiación, así que no confunda. No hay resistencia imaginaria del medio a la radiación imaginaria en él o cualquier otra cosa; hay diferentes propiedades como la permitividad, que no consideraremos por ahora.
También hay una resistencia a la pérdida en la antena en forma de resistencia de un conductor, que se gasta en su calentamiento, varias pérdidas en elementos estructurales y enlaces correspondientes. Es necesario conocer la resistencia a la radiación para comprender la eficiencia de la antena: para algunas antenas, la resistencia a la radiación puede ser unitaria y fracciones de Ohm a pesar de que la resistencia a la pérdida es varias veces mayor, lo que significa que la eficiencia de dicha antena es extremadamente baja a pesar de que su diseño es adecuado. En antenas simples como el dipolo o la toma de tierra bajo consideración, la resistencia a la radiación está cerca de la resistencia total de la antena en sí, porque las pérdidas en el conductor son relativamente pequeñas, pero en cualquier caso no son conceptos idénticos.
Volvamos al dipolo. Mientras suministremos energía en su centro geométrico, donde la corriente es máxima y el voltaje es mínimo, la resistencia a la radiación es pequeña. Teóricamente, es aproximadamente 73 ohmios, y casi un poco menos dependiendo del grosor relativo del material. A medida que una de las mitades del dipolo se divide en radios separados, la resistencia disminuirá levemente y caerá a aproximadamente 36 Ohm mi en un ángulo de 90 ° con respecto al pasador. Esto obviamente afecta la eficiencia de la antena. Pero, para mayor claridad, consideraremos solo un dipolo. A medida que el punto de suministro cambia del centro hacia el borde, veremos que la corriente disminuye y el voltaje aumenta, es decir, aumenta la resistencia a la radiación, que alcanza su máximo cuando se alimenta desde el extremo. Esta circunstancia no afecta a todas las demás características de la antena, todavía emite con el mismo patrón de radiación, lo que significa que tiene la misma eficiencia de radiación (pero no la eficiencia de todo el conjunto de la antena, porque la eficiencia depende de las pérdidas relativas).
La impedancia de la antena es igual al voltaje en el punto de alimentación dividido por la corriente de salida. Y consiste, como ya hemos descubierto, en la resistencia a la radiación, en la que perdemos energía de manera útil a la radiación que necesitamos, y la resistencia a la pérdida, en la que perdemos energía, es inútil. De muchas maneras, podemos influir en la impedancia de la antena. Sin cambiar la geometría, podemos cambiar el punto de poder. Podemos usar varios elementos transformadores (incluyendo literalmente transformadores con bobinados en aquellas frecuencias en las cuales su uso es racional). Todas estas manipulaciones no tienen efecto sobre la eficiencia de radiación de la antena y son necesarias solo para hacer coincidir la antena con el generador (transmisor). Por ejemplo, un dipolo de media onda con una fuente de alimentación en el centro, cuya resistencia es de aproximadamente 73 ohmios, a través de un simple transformador 1: 4, puede combinarse con un generador diseñado para una antena con una impedancia de 18 ohmios o 300 ohmios, dependiendo de cómo conecte los cables. Esto no afectará el funcionamiento de la antena, excepto la influencia de las pérdidas en el transformador en la eficiencia de todo el conjunto.
Si le parece que la antena tiene solo un monopolo: un pin, un trozo de cable o simplemente una pista en la placa de circuito impreso, entonces esta es en realidad una variante de la conexión a tierra, que no tiene radiales especialmente asignados, sino la tierra, el cuerpo del operador (una estación de radio portátil, por ejemplo ) o vertederos en el tablero. Las pérdidas en tales radios son obviamente mayores que en aquellas especialmente diseñadas como parte de la antena, por lo tanto, la eficiencia de tales estructuras es siempre menor, así como el grado de coincidencia de impedancias debido a la imprevisibilidad de las radiaciones situacionales en lugar de las calculadas.
Con un aumento en la longitud de la antena sobre el dipolo de media onda, la resistencia a la radiación aumenta primero, alcanzando un máximo en un número par de medias ondas, y luego cae nuevamente, alcanzando un mínimo en un número impar de medias ondas. Un ligero aumento en la longitud reduce el patrón de radiación y aumenta la eficiencia de transmisión en la dirección seleccionada, mientras que uno significativo conduce a una fragmentación del patrón en muchos lóbulos y generalmente es ineficiente, por lo tanto, generalmente no se usa en la práctica, excepto para antenas multibanda, en las que esta es una solución de compromiso.
En general, cualquier aumento en la longitud del dipolo en exceso de la mitad de la onda conduce al hecho de que en el lienzo hay áreas donde la corriente fluye en la dirección opuesta. Esta corriente, por supuesto, también participa en la radiación, pero la interferencia del campo creado por ella con el campo de la parte condicionalmente principal del lienzo hace que el patrón de radiación se divida, lo cual es dañino en la mayoría de los casos: generalmente la comunicación por radio se lleva a cabo en una o varias direcciones conocidas, y la radiación en El lado "innecesario" simplemente significa pérdidas desperdiciadas. Por ejemplo, la comunicación terrestre se lleva a cabo en la dirección del horizonte, y la radiación al espacio está desperdiciando inútilmente la potencia del transmisor. Por lo tanto, cuando es necesario aumentar la directividad de la antena para enviar energía más enfocada en la dirección deseada, prefieren usar estructuras más complejas basadas en un dipolo en lugar de alargar un solo dipolo.
Cuando la longitud de la antena disminuye desde el dipolo de media onda (o el acortamiento del pin de tierra de cuarto de onda), la resistencia a la radiación disminuye exponencialmente, lo que, junto con un dispositivo de adaptación cada vez más complicado, hace que la antena acortada sea extremadamente ineficiente: una pequeña resistencia a la radiación cerca de una gran resistencia significa que el calentamiento del dispositivo de adaptación con baja radiación es en vano.
De hecho, eso es todo lo que las humanidades necesitan saber sobre las antenas.