دعونا نحاول معرفة كيفية عمل الهوائيات ولماذا تشع الطاقة الكهرومغناطيسية من موصل مريح إلى عازل أجنبي ، ويمكننا الاستغناء عن ماتان ، الأمر الذي سيتطلب بالطبع تبسيطًا خطيرًا للغاية وحتى التبذير ، لكنه لا يزال يسمح لك بالحصول على فكرة أولية ، ولا أستبعد ، الرغبة في قراءة المواد لتلك أكثر تقدما.
إذا كنت مهندس راديو ، أو مشغل راديو هواة متمرسًا ، أو تعرف جيدًا على الفيزياء ، فإن قراءة ما يلي لا ينصح به تمامًا لتجنب الآثار السلبية على صحتك العقلية. لقد تم تحذيرك.
لنبدأ بالأساسيات المملة. في الأيام الخوالي ، عندما لم يكن هناك الإنترنت ، ولا هذا الفيد لك ، لم تُعتبر ظواهر الكهرباء والمغناطيسية المعروفة شيئًا واحدًا ، ذات طبيعة مشتركة ، حتى قبل مائتي عام بالضبط ، اكتشف الدنماركي أويرستد أن تدفق التيار الكهربائي عبر موصل يؤدي إلى انحراف إبرة البوصلة أي يخلق مجال مغناطيسي يمكن الوصول إليه للمراقبة والقياس بواسطة أجهزة بسيطة.
بعد فترة وجيزة ، استنتج الفرنسي أمبير قانونًا باسم نفسه ، يصف اعتماد التيار الكهربائي والحقل المغناطيسي الناشئين عنه ، وبعد ذلك بقليل اكتشف الإنجليزي المشمول فاراداي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وذكرها رياضيا. بعد قليل من الوقت ، يخلق Scot Maxwell نظرية للحقل الكهرومغناطيسي ، والتي يجب أن نعتمد عليها في القصة اللاحقة ، لكننا اتفقنا على الاستغناء عن ماتان قدر الإمكان ، حتى أن العلوم الإنسانية الأكثر عجزًا يمكن أن تشعر بطعم للتكنولوجيا بدلاً من الخوف من الصيغ المعقدة. كل هذه الأعمال أدت إلى حقيقة أن هيرتز الألماني أثبت في 1887 تجريبياً وجود موجات الراديو عن طريق إنشاء جهاز إرسال لاسلكي وجهاز استقبال راديو ، والذي تبين أنه غير متوقع تمامًا. ومع ذلك ، لم يقدّر هيرتز نفسه بآفاق بثه (الأول في العالم!) وبالتالي فإن اختراع الراديو مرتبط في كثير من الأحيان بماركوني الإيطالي ، الذي كان ، بالإضافة إلى العبقرية الهندسية التي لا يمكن إنكارها ، ناجحًا في مجال التسويق. نعم ، إذا كان أي شخص مهتمًا ، فإن أول بث للصوت ينتمي إلى Fesenden الكندية ، التي تمكنت من إثارة هذه المسألة في عام 1900.
التيار في الموصل يخلق مجال مغناطيسي. لماذا نأخذ سلكنا العاري؟ ثم ، من أجل أن نتذكر بسهولة اتجاه ناقل المجال المغناطيسي ، وهذا يتوقف على اتجاه التيار في الموصل - "قاعدة اليد اليمنى".
لذلك ، نحن نعرف الآن أن تدفق التيار الكهربائي في الموصل يؤدي إلى حقيقة أن مجال مغناطيسي ينشأ بالقرب من الموصل. هذا ، إذا كان شديد التبسيط ، فهو الكهرومغناطيسية. لذلك ، أول شيء يمكن أن نتعلمه: يرتبط إشعاع الهوائيات بتدفق التيار الكهربائي فيها.
يستخدم الاتصال اللاسلكي تيارًا متناوبًا للترددات المختلفة (أو الأطوال الموجية - إذا تحدثنا عن الهوائيات ، فغالبًا ما يكون الحديث أكثر ملاءمة عن الأطوال الموجية ، وعن الهندسة الراديوية ككل - حول الترددات).
تتيح لك الترددات المختلفة إجراء العديد من عمليات الإرسال المستقلة في وقت واحد ومشاركة استقبالها واختيار الترددات المناسبة والتجاهل غير الضروري. هناك عدة طرق للقيام بذلك ، ولكنها موضوع مقالات منفصلة. للتيار المتناوب ميزة غير سارة: على الرغم من أنه يطيع تمامًا قانون أوم (ترابط الجهد ومقاومة الدائرة والتيار الموجود فيه) ، فإن الجهد والتيار قد لا يتزامنان مع الوقت. نعم ، "تحول الطور" ليس بالضرورة في الرأس ، بل هو أكثر من مصطلح الهندسة الكهربائية والراديو. ها هي النتيجة. إذا طبقنا جهدًا تناوبياً على بعض المقاوم المثالي ، فإن التيار المتناوب العادي في هذه الدائرة سيكون مساوياً للجهد في فولت مقسومًا على المقاومة في أوم - تمامًا مثل التيار المباشر اللائق. لكن إذا كان لدينا محث ، بدلاً من المقاوم ، فإن الأمر يصبح مربكًا أكثر. عندما نطبق الجهد على الملف ، فإنه يقاوم التيار من خلاله ، وبالتالي فإن التيار يتخلف عن مرحلة الجهد. بالمناسبة ، إذا قمت بفصل مصدر التيار الكهربائي عن الملف ، فسوف يقاوم أيضًا ويحاول الحفاظ على تدفق التيار من خلال نفسه (إلى الحد الذي يمكن أن يخزن فيه الملف الطاقة) - لم يعد هناك جهد ، لكن التيار ما زال يتدفق. هذه هي المقاومة ، وتسمى رد الفعل ، وكلما زاد التردد. وهذا يعني ، مع زيادة التردد مع الحث على قدم المساواة أو مع زيادة الحث مع التردد المتساوي ، تزداد المقاومة للتيار المتردد. مع المكثفات ، كل شيء هو نفسه ، ولكن العكس هو الصحيح. عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف ، يسقط التيار أولاً فيه ، كما هو الحال في فتحة فارغة ، قبل الجهد ، ثم ينخفض أثناء شحنه. السهولة التي يدخل بها التيار المتناوب في المكثف تعني أنه مع زيادة التردد مع السعة المتساوية ، تتناقص المقاومة للتيار المتناوب ، وعلى تردد متساو مع السعة المتزايدة ، تقل أيضًا مقاومة التيار المتناوب. لذلك ، نأخذ ملاحظة: المفاعلة ، أي المقاومة الاستقرائية أو السعوية للتيار المتناوب ، تعتمد على التردد.
على اليسار هو شكل موجة الجيبية التقليدية ، على اليمين هو تحول المرحلة على سبيل المثال من "تأخر" التيار من الجهد عندما يكون هناك مقاومة حثي في الدائرة.
تسمى المقاومة الكلية ، المكونة من المكون النشط (المقاوم الشرطي الذي يستهلك الطاقة "بحتة" دون التأثير على الطور) والمكون التفاعلي (محاثة تحول الطور و / أو السعة) ، المقاومة المعقدة أو الممانعة.
لذلك ، الهوائي هو موصل يتم توفير الطاقة الكهربائية له ويشعه في الفضاء المحيط. تنبعث منها تيار كهربائي في الموصل ، مما يخلق مجال مغناطيسي حول الموصل.لماذا تترك الطاقة الكهرومغناطيسية موصلًا مريحًا لها وفي فراغ غير مريح لها؟ لكنها لم تخرج! الطاقة تخلق اهتزازات المجال ، لكنها لا تتحرك من تلقاء نفسها. دعونا نقارن مع موجات الصوت. عندما يخلق مكبر الصوت (الهوائي) الاهتزازات ، لا يتحرك الهواء (الأثير) ، ولا تحدث الرياح ، ولكن تنتشر الاهتزازات في الهواء (الأثير). يحدث الشيء نفسه مع الموجات الكهرومغناطيسية ، باستثناء أن الطاقة الكهرومغناطيسية لا تنتشر في الهواء ، ولكن في الأثير. ومع ذلك ، سوف يكتشفون لاحقًا أن الأثير المفترض غير موجود ، وأن الأرض ليست مسطحة أيضًا ، وأن المجال الكهرومغناطيسي يشعر أيضًا بخير في الفراغ ،
لكننا نعرف أن هناك الأثير ، والأرض ، بالطبع ، ليست مسطحة ، ولكن محدبة قليلاً . أي مرة أخرى ، لا يتم نقل الطاقة مع الوسيط (بشكل أدق ، مع الحقل) ، ولكن يتم نقلها بسبب انتشار الأمواج في وسط بلا حراك (في الحقل).
هوائي كدائرة متذبذبة. قبل التحدث عن التصميمات المحددة للهوائيات البسيطة ، التي يمكننا من خلالها فهم الأجهزة المعقدة ، دعونا نتحدث عن الرنين الكهربائي. للقيام بذلك ، دعنا نعود إلى رد الفعل. يمكن تمثيل ورقة الهوائي كسعة موزعة ومحاثة موزعة - كملف غير ملتزم بسلك مستقيم وبصفائح مكثفة تتحلل إلى نفس السلك. وجود التفاعل في الدائرة ، كما نذكر ، يفصل بين مراحل التيار والجهد. ومع ذلك ، إذا اخترنا مجموعة معينة من الحث والسعة (وهذا لن يعمل إلا على تردد واحد محدد ، لأننا نتذكر أن التفاعل يتغير مع تغير في التردد) ، يتبين أن السعة والحث محو بعضهما البعض بشكل متبادل ونرى مقاومة نشطة بحتة في الحمل. في ما يلي التعويض المتبادل والنتيجة في شكل مقاومة نشطة بحتة نتيجة التعويض يسمى الرنين الكهربائي. في حد ذاته ، من غير المهم أن يعمل الهوائي ، لأن الهوائي ، كما اكتشفنا بالفعل ، ينبعث تيارًا في الموصل. ومع ذلك ، هناك عدد من الأسباب التي تجعلهم يميلون إلى تحقيق الرنين في الهوائي. الحقيقة هي أنه ، على عكس التيار المباشر ، من المهم للتيار المتناوب أن تكون مقاومة الموجة (أذكر قانون أوم ، أي أن مقاومة الدائرة مساوية عدديًا للجهد المطبق مقسومًا على التيار) للمولد وخط النقل والحمل ، أي الهوائيات نفسها كانت متساوية. إذا لم يكن هناك مساواة ، فسوف ينعكس جزء من الطاقة الكهرومغناطيسية إلى المولد ، مما سيؤدي إلى طيف كامل من الظواهر غير المرغوب فيها. تفاعل كبير يؤدي إلى عدم تطابق قوي وانعكاس كبير للطاقة. ومع ذلك ، ينطبق هذا أيضًا على المكون النشط للمقاومة ، والذي يسهل التنسيق مع مكون تفاعلي ضئيل يمكن تعويضه بسهولة. لذلك ، من الناحية الفنية ، يحاولون إنشاء هذه الهوائيات التي يتغيب فيها المكون التفاعلي أو يتم تعويضه بسهولة ، والمكون النشط يساوي مقاومة الموجة للمولد أو يمكن تحويله بسهولة. في حالة أبسط الهوائيات ، فإن إنشاء سعة محددة للهوائي أو محاثة معينة يعني ببساطة التحجيم. لذلك ، عادةً ما يتم قياس أبعاد الهوائيات ليس بوحدات خطية ، ولكن بقياس طول الموجة.
أبسط هوائيات بالحجم الكامل. نصف موجة ثنائي القطب ، ربع موجة الأرضية وتصاميم مماثلة.
كما ترون ، فإن توزيع التيارات والفولتية هو نفسه. فقط إذا كان نصف الكرة الأرضية في النصف الموجي من الدبوس هو دبوس ، والنصف الثاني هو الأرض ، ثم في نصف القطب ثنائي الموجة - النصف الثاني هو النصف الثاني. :)
للتعرف على المبادئ التي هي نفسها بالنسبة لأي هوائيات أكثر تعقيدًا ، أقترح التعامل مع تصميم الهوائيات الأساسية وتشغيلها - ثنائي القطب نصف الموجي المتماثل أو الأرضية الأرضية غير المتماثلة. إلى حد ما ، فهي متطابقة ويمكن اعتبار ثنائي القطب نصف الموجة كحالة متطرفة من الأرضية الأرضية للموجة الربعية ، حيث وصلت زاوية الشعاع (الأرصدة) إلى ° 180 إلى دبوس الباعث ، وبالتالي فإن معظم الميزات التي يتم النظر فيها قابلة للتطبيق على كلا الهوائيات.
كما ترون ، فإن هذا الهوائي له صدى كهربائي ، لأنه يتم وضع عدد صحيح من نصف موجات التيار وعدد صحيح من نصف موجات الجهد في الموصل الخاص به. هم تحول مرحلة بالنسبة لبعضهم البعض ، ولكن رد فعلهم هو تعويض متبادل.
إذا كان الهوائي أقصر بقليل من نصف الموجة ، فسيكون عنده مكونًا سعويًا للمقاومة ويجب تعويضه عن طريق المحاثة (ألا يذكّر أي شخص بالملفات الموجودة في قاعدة الهوائيات التلقائية لـ sibishnaya؟) ، لكن إذا كان على طول الإطالة العكسية ، فإن المكون الاستقرائي يحتاج إلى تعويض .
مقاومة الإشعاع. لا يوجد شيء خاص حول مقاومة الإشعاع. أكثر حقا ليس كذلك. المقاومة الإشعاعية بالمعنى المادي غير موجودة ، إنها قيمة تحليلية تُستخدم لتحديد كفاءة الهوائي. تتمثل أسهل طريقة لتخيل مقاومة الإشعاع في هذا المكون النشط من المقاومة الكلية للهوائي بأكمله ، والذي يتم إنفاقه على الإشعاع. في الواقع ، هناك مصطلح "فقدان الإشعاع" وهذا هو "خسارة" مفيدة إذا كنا نتحدث عن هوائي ، ولكن هذا لا يساوي مقاومة الإشعاع ، لذلك لا تخلط. لا توجد مقاومة وهمية للوسيلة للإشعاع الوهمي أو أي شيء آخر - فهناك خصائص مختلفة مثل السماحية ، والتي لن نأخذها في الاعتبار الآن.
هناك أيضًا مقاومة فقد في الهوائي على شكل مقاومة للموصل ، والتي تنفق على تسخينها ، وفقدان مختلف في العناصر الهيكلية والروابط المطابقة. إن معرفة مقاومة الإشعاع ضرورية لفهم كفاءة الهوائي: بالنسبة لبعض الهوائيات ، يمكن أن تكون مقاومة الإشعاع هي وحدة الوحدة والكسور على الرغم من أن مقاومة الخسارة أكبر بعدة مرات ، مما يعني أن كفاءة هذا الهوائي منخفضة للغاية على الرغم من أن تصميمه مناسب بطريقة أخرى. في الهوائيات البسيطة مثل ثنائي القطب أو الأرضية الأرضية قيد النظر ، تكون مقاومة الإشعاع قريبة من المقاومة الكلية للهوائي نفسه ، لأن الخسائر في الموصل صغيرة نسبيًا ، ولكنها ليست مفاهيم متطابقة على أي حال.
دعنا نعود إلى ثنائي القطب. طالما أننا نوفر الطاقة في مركزها الهندسي ، حيث يكون الحد الأقصى والجهد أدنى ، فإن مقاومة الإشعاع صغيرة. من الناحية النظرية ، يكون ما يقرب من 73 أوم ، وأقل قليلا اعتمادا على سمك النسبية للمادة. عندما ينقسم أحد نصفي ثنائي القطب إلى نصف قطر منفصل ، ستنخفض المقاومة قليلاً وتهبط إلى حوالي 36 أوم في زاوية 90 درجة إلى الدبوس. من الواضح أن هذا يؤثر على كفاءة الهوائي. ولكن ، من أجل الوضوح ، سننظر في مجرد ثنائي القطب. عندما تنتقل نقطة التزويد من المركز إلى الحافة ، سنرى أن التيار يتناقص ويزداد الجهد ، أي أن مقاومة الإشعاع تزداد ، والتي تصل إلى أقصى حد عند التشغيل من النهاية. لا يؤثر هذا الظرف على جميع خصائص الهوائي الأخرى ، فهو لا يزال ينبعث بنفس مخطط الإشعاع ، مما يعني أنه يتمتع بنفس كفاءة الإشعاع (لكن ليس كفاءة مجموعة الهوائي بأكملها ، لأن الكفاءة تعتمد على الخسائر النسبية).
مقاومة الهوائي تساوي الجهد عند نقطة الطاقة مقسومًا على تيار الخرج. وهو يتكون ، كما اكتشفنا بالفعل ، من مقاومة الإشعاع ، التي نفقد الطاقة من خلالها بشكل مفيد للإشعاع الذي نحتاج إليه ، ومقاومة الخسارة ، التي نفقد الطاقة ، لا طائل من ورائها. في نواح كثيرة ، يمكننا التأثير على مقاومة الهوائي. دون تغيير الهندسة ، يمكننا تحويل نقطة القوة. يمكننا استخدام عناصر تحويل متنوعة (بما في ذلك المحولات حرفيًا مع اللفات في تلك الترددات التي يكون استخدامها منطقيًا). كل هذه المعالجات ليس لها أي تأثير على كفاءة إشعاع الهوائي وهي مطلوبة فقط لمطابقة الهوائي مع المولد (المرسل). على سبيل المثال ، يمكن مطابقة ثنائي القطب نصف الموجي مزود بمصدر طاقة في الوسط ، حيث تبلغ مقاومته حوالي 73 أوم ، من خلال محول بسيط 1: 4 إلى مولد مصمم لهوائي مع مقاومة 18 أوم أو 300 أوم - اعتمادًا على كيفية توصيل الخيوط. لن يؤثر هذا على تشغيل الهوائي باستثناء تأثير الخسائر في المحول على كفاءة المجموعة بأكملها.
إذا بدا لك أن الهوائي لا يحتوي إلا على قطب أحادي - دبوس أو قطعة من الأسلاك أو مجرد مسار على لوحة الدوائر المطبوعة ، فهذا يعد في الواقع متغيرًا من الأرضية الأرضية ، التي لا تحتوي على شعاعي مخصص بشكل خاص ، ولكن الأرض ، جسم المشغل (محطة راديو محمولة ، على سبيل المثال ) أو مدافن النفايات على السبورة. من الواضح أن الخسائر في هذه الشعاع أكبر من تلك المصممة خصيصًا كجزء من الهوائي ، وبالتالي تكون كفاءة هذه الهياكل منخفضة دائمًا ، فضلاً عن درجة مطابقة الممانعات بسبب عدم القدرة على التنبؤ بالإشعاعات الظرفية بدلاً من الإشعاعات المحسوبة.
مع زيادة في طول الهوائي فوق ثنائي القطب نصف الموجة ، تزداد مقاومة الإشعاع أولاً ، لتصل إلى أقصى عدد ممكن من نصف الموجات ، ثم تنخفض مرة أخرى ، لتصل إلى الحد الأدنى عند عدد فردي من نصف الموجات. تؤدي الزيادة الطفيفة في الطول إلى تضييق مخطط الإشعاع وتزيد من كفاءة الإرسال في الاتجاه المحدد ، في حين يؤدي أحدها الكبير إلى تفتيت المخطط في العديد من الفصوص وهو غير فعال عمومًا ، لذلك لا يستخدم عادةً في الممارسة العملية باستثناء الهوائيات متعددة النطاقات ، وهو حل وسط.
بشكل عام ، أي زيادة في طول القطب ثنائي القطب تزيد عن نصف الموجة تؤدي إلى حقيقة أن هناك على القماش مناطق يتدفق فيها التيار في الاتجاه المعاكس. هذا التيار ، بالطبع ، يشارك أيضًا في الإشعاع ، لكن تداخل الحقل الذي تم إنشاؤه به مع حقل الجزء الرئيسي المشروط من اللوحة القماشية يتسبب في انقسام مخطط الإشعاع ، وهو أمر ضار في معظم الحالات: عادة ، يتم إجراء الاتصالات الراديوية في اتجاه واحد أو عدة اتجاهات معروفة والإشعاع في الجانب "غير الضروري" يعني ببساطة الخسائر المهدرة. على سبيل المثال ، يتم إجراء الاتصالات الأرضية في اتجاه الأفق ، والإشعاع في الفضاء يهدر قوة الارسال عديمة الفائدة. لذلك ، عندما يكون من الضروري زيادة اتجاهية الهوائي من أجل إرسال طاقة أكثر تركيزًا في الاتجاه الصحيح ، فإنها تفضل استخدام هياكل أكثر تعقيدًا تعتمد على ثنائي القطب ، بدلاً من إطالة ثنائي القطب مفرد.
عندما يتناقص طول الهوائي من ثنائي القطب نصف الموجة (أو تقصير دبوس الأرضية الأرضية للموجة الرباعية) ، تتناقص مقاومة الإشعاع أضعافا مضاعفة ، مما يجعل الهوائي المختزل ، إلى جانب جهاز مطابقة معقد بشكل متزايد ، غير فعال للغاية - مقاومة إشعاعية صغيرة بالقرب من مقاومة كبيرة تذهب سدى.
هذا ، في الواقع ، هو كل ما تحتاج العلوم الإنسانية إلى معرفته عن الهوائيات.