Versuchen wir herauszufinden, wie Antennen funktionieren und warum elektromagnetische Energie von einem komfortablen Leiter in ein fremdes Dielektrikum abgegeben wird. Wir können auf Matan verzichten, was natürlich sehr ernsthafte Vereinfachungen und sogar Vulgarisierung erfordert, aber es ermöglicht Ihnen dennoch, eine erste Vorstellung zu bekommen, und ich schließe den Wunsch, Materialien zu lesen, nicht aus für Fortgeschrittene.
Wenn Sie ein Funkingenieur oder ein erfahrener Amateurfunker sind oder nur die Physik gut kennen, wird Ihnen das Lesen der folgenden Informationen dringend empfohlen, um negative Folgen für Ihre geistige Gesundheit zu vermeiden. Sie wurden gewarnt.
Beginnen wir mit den langweiligen Grundlagen. In den guten alten Zeiten, als es weder das Internet noch Ihren Fido gab, wurden die bekannten Phänomene Elektrizität und Magnetismus nicht als etwas Einzigartiges angesehen, das eine gemeinsame Natur hatte. Bis vor genau zweihundert Jahren entdeckte der dänische Oersted, dass der Stromfluss durch einen Leiter eine Abweichung verursacht Kompassnadel, d.h. erzeugt ein Magnetfeld, das mit einfachen Geräten beobachtet und gemessen werden kann.
Bald folgerte der Franzose Ampère ein Gesetz seines Namens, das die Abhängigkeit des elektrischen Stroms und des daraus resultierenden Magnetfelds beschreibt, und wenig später entdeckte der eingeschlossene Engländer Faraday das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und stellte es mathematisch fest. Nach einiger Zeit erstellt der Schotte Maxwell eine Theorie des elektromagnetischen Feldes, auf die wir uns in der folgenden Geschichte stützen sollten. Wir waren uns jedoch einig, so weit wie möglich auf Matan zu verzichten, damit selbst die eingefleischten Geisteswissenschaften einen Geschmack für Technologie verspüren können, anstatt sich vor komplexen Formeln zu fürchten. All diese Arbeiten führten dazu, dass der deutsche Hertz 1887 experimentell die Existenz von Funkwellen durch den Bau eines Funksenders und eines Funkempfängers nachwies, was sich ganz unerwartet als funktionierend herausstellte. Hertz selbst schätzte jedoch die Aussichten seiner Sendung (die erste der Welt!) Nicht. Daher wird die Erfindung des Radios häufiger mit dem Italiener Marconi in Verbindung gebracht, der neben dem unbestreitbaren technischen Genie auch in Bezug auf die Kommerzialisierung erfolgreich war. Ja, wenn jemand interessiert ist, gehört die erste Sendung der Stimme dem kanadischen Fesenden, der es 1900 geschafft hat, diese Angelegenheit auf den Kopf zu stellen.
Der Strom im Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Warum nehmen wir unseren bloßen Draht? Dann, um sich leicht an die Richtung des Magnetfeldvektors zu erinnern, abhängig von der Richtung des Stroms im Leiter - die "Regel der rechten Hand".
Jetzt wissen wir also, dass der Stromfluss in einem Leiter dazu führt, dass in der Nähe des Leiters ein Magnetfeld entsteht. Dies ist, wenn auch sehr, sehr vereinfacht, Elektromagnetismus. Daher können wir als erstes lernen: Die Strahlung von Antennen ist mit dem Stromfluss in ihnen verbunden.
Die Funkkommunikation verwendet Wechselstrom verschiedener Frequenzen (oder Wellenlängen - wenn man von Antennen spricht, ist es oft bequemer, über Wellenlängen und über die Funktechnik insgesamt zu sprechen - über Frequenz).
Mit verschiedenen Frequenzen können Sie gleichzeitig viele unabhängige Übertragungen durchführen und deren Empfang gemeinsam nutzen, die richtigen Frequenzen auswählen und unnötige Verwerfungen durchführen. Es gibt einige Möglichkeiten, dies zu tun, aber sie sind das Thema separater Artikel. Wechselstrom hat eine unangenehme Eigenschaft: Obwohl er dem Ohmschen Gesetz (der gegenseitigen Abhängigkeit von Spannung, Schaltkreiswiderstand und Strom darin) vollständig entspricht, fallen Spannung und Strom möglicherweise nicht zeitlich zusammen. Ja, „Phasenverschiebung“ ist nicht unbedingt im Kopf, sondern mehr als ein Begriff der Elektro- und Funktechnik. Hier ist das Ergebnis. Wenn wir eine Wechselspannung an einen idealen Widerstand anlegen würden, wäre der Gleichtaktwechselstrom in dieser Schaltung gleich der Spannung in Volt geteilt durch den Widerstand in Ohm - genau wie ein anständiger Gleichstrom. Aber wenn wir anstelle eines Widerstands einen Induktor haben, wird die Sache verwirrender. Wenn wir Spannung an die Spule anlegen, widersteht sie dem Strom durch sie, so dass der Strom der Phase der Spannung nacheilt. Übrigens, wenn Sie die Spannungsversorgung von der Spule trennen, widersteht sie auch und versucht, den Stromfluss durch sich selbst aufrechtzuerhalten (soweit die Spule Energie speichern kann) - es gibt keine Spannung mehr, aber der Strom fließt immer noch. Dies ist dieser Widerstand, der als reaktiv bezeichnet wird. Je höher, desto höher die Frequenz. Das heißt, mit zunehmender Frequenz bei gleicher Induktivität oder mit zunehmender Induktivität bei gleicher Frequenz steigt der Widerstand gegen Wechselstrom. Bei Kondensatoren ist alles gleich, aber genau das Gegenteil. Wenn an den Kondensator Spannung angelegt wird, fällt der Strom zuerst wie in einem leeren Loch vor der Spannung in ihn und fällt dann beim Laden ab. Die Leichtigkeit, mit der Wechselstrom in den Kondensator eintritt, bedeutet, dass mit zunehmender Frequenz bei gleicher Kapazität der Widerstand gegen Wechselstrom abnimmt und bei gleicher Frequenz mit zunehmender Kapazität auch der Widerstand gegen Wechselstrom abnimmt. Daher nehmen wir zur Kenntnis: Die Reaktanz, dh der induktive oder kapazitive Widerstand gegen Wechselstrom, hängt von der Frequenz ab.
Links ist eine herkömmliche sinusförmige Wellenform, rechts ist eine Phasenverschiebung am Beispiel einer "Verzögerung" des Stroms von der Spannung, wenn in der Schaltung ein induktiver Widerstand vorhanden ist.
Der Gesamtwiderstand, bestehend aus der aktiven Komponente (einem bedingten Widerstand, der „rein“ Strom verbraucht, ohne die Phase zu beeinflussen) und der reaktiven Komponente (phasenverschiebende Induktivität und / oder Kapazität), wird als komplexer Widerstand oder Impedanz bezeichnet.
Eine Antenne ist also ein Leiter, dem elektrische Energie zugeführt wird und der sie in den umgebenden Raum ausstrahlt. Es gibt einen elektrischen Strom in einem Leiter ab, der ein Magnetfeld um den Leiter erzeugt.Warum verlässt elektromagnetische Energie einen Leiter, der für sie angenehm ist, und ein unangenehmes Vakuum für sie? Aber sie kommt nicht raus! Energie erzeugt Feldschwingungen, bewegt sich aber nicht von selbst. Vergleichen wir mit Schallwellen. Wenn ein Lautsprecher (Antenne) Schwingungen erzeugt, bewegt sich Luft (Äther) nicht, es tritt kein Wind auf, aber Schwingungen breiten sich in Luft (Äther) aus. Das gleiche passiert mit elektromagnetischen Wellen, außer dass sich elektromagnetische Energie nicht in der Luft, sondern im Äther ausbreitet. Später werden sie jedoch herausfinden, dass der vermeintliche Äther nicht existiert und dass die Erde auch nicht flach ist und sich das elektromagnetische Feld auch im Vakuum gut anfühlt,
aber wir wissen, dass es Äther gibt und die Erde natürlich nicht flach, sondern leicht konvex ist . Das heißt, Energie wird wiederum nicht zusammen mit dem Medium (genauer gesagt mit dem Feld) übertragen, sondern aufgrund der Ausbreitung von Wellen in einem im Allgemeinen bewegungslosen Medium (im Feld).
Antenne als Schwingkreis. Bevor wir über die spezifischen Konstruktionen einfacher Antennen sprechen, nach deren Prinzip wir die komplexen Geräte verstehen können, wollen wir uns mit elektrischer Resonanz befassen. Kehren wir dazu zur Reaktanz zurück. Das Antennenblatt kann als verteilte Kapazität und verteilte Induktivität dargestellt werden - als Spule, die zu einem geraden Draht abgewickelt ist, und als Kondensatorplatten, die zu demselben Draht entartet sind. Das Vorhandensein von Reaktanz in der Schaltung trennt, wie wir uns erinnern, die Phasen von Strom und Spannung. Wenn wir jedoch eine bestimmte Kombination aus Induktivität und Kapazität auswählen (und dies funktioniert nur bei einer bestimmten Frequenz, da wir uns daran erinnern, dass sich die Reaktanz mit einer Frequenzänderung ändert), stellt sich heraus, dass sich Kapazität und Induktivität gegenseitig aufheben und wir einen rein aktiven Widerstand sehen in der Last. Hierbei handelt es sich um eine solche gegenseitige Kompensation, und das Ergebnis in Form eines rein aktiven Widerstands als Ergebnis der Kompensation wird als elektrische Resonanz bezeichnet. Für sich genommen ist es unwichtig, dass die Antenne funktioniert, da die Antenne, wie wir bereits herausgefunden haben, Strom im Leiter abgibt. Es gibt jedoch eine Reihe von Gründen, warum sie dazu neigen, Resonanz in der Antenne zu erreichen. Tatsache ist, dass im Gegensatz zu Gleichstrom für einen Wechselstrom die Wellenimpedanz (ich erinnere mich an das Ohmsche Gesetz, nämlich dass der Schaltungswiderstand numerisch gleich der angelegten Spannung geteilt durch den Strom ist) des Generators, der Übertragungsleitung und der Last, d.h. Die Antennen selbst waren gleich. Wenn es keine Gleichheit gibt, wird ein Teil der elektromagnetischen Energie zum Generator zurückreflektiert, was zu einem ganzen Spektrum unerwünschter Phänomene führt. Eine signifikante Reaktanz führt zu einer starken Fehlpaarung und einer signifikanten Reflexion der Energie. Dies gilt jedoch auch für die aktive Komponente der Impedanz, die leichter mit einer unbedeutenden, leicht kompensierbaren reaktiven Komponente zu koordinieren ist. Daher versuchen sie technisch, solche Antennen zu erzeugen, bei denen die reaktive Komponente fehlt oder leicht kompensiert werden kann und die aktive Komponente gleich der Wellenimpedanz des Generators ist oder leicht transformiert werden kann. Bei den einfachsten Antennen bedeutet das Erstellen einer bestimmten Antennenkapazität oder einer bestimmten Induktivität einfach die Dimensionierung. Daher werden üblicherweise die Abmessungen der Antennen nicht in linearen Einheiten gemessen, sondern in Bruchteilen der Wellenlänge.
Die einfachsten Antennen in voller Größe. Halbwellendipol, Viertelwellen-Groundplein und ähnliche Designs.
Wie Sie sehen können, ist die Verteilung von Strömen und Spannungen gleich. Nur wenn im Viertelwellen-Groundplein eine Hälfte des Dipols ein Stift ist und die zweite Hälfte die Erde, dann ist im Halbwellendipol die zweite Hälfte die zweite Hälfte. :) :)
Um mich mit den Prinzipien vertraut zu machen, die für komplexere Antennen gleich sind, schlage ich vor, das Design und den Betrieb der Basisantennen zu behandeln - eines symmetrischen Halbwellendipols oder eines asymmetrischen Viertelwellen-Groundpleins. Bis zu einem gewissen Grad sind sie identisch, und ein Halbwellendipol kann als Extremfall eines Viertelwellen-Grundpunkts betrachtet werden, dessen Winkel der Radialen (Waagen) 180 ° zum emittierenden Stift erreichte, sodass die meisten der berücksichtigten Merkmale für beide Antennen gleichermaßen gelten.
Wie Sie sehen können, weist eine solche Antenne eine elektrische Resonanz auf, da eine ganzzahlige Anzahl von Halbwellen des Stroms und eine ganzzahlige Anzahl von Halbwellen der Spannung in ihrem Leiter angeordnet sind. Sie sind relativ zueinander phasenverschoben, aber ihre Reaktivität wird gegenseitig kompensiert.
Wenn die Antenne etwas kürzer als die Halbwelle wäre, hätte sie eine kapazitive Komponente der Impedanz und müsste durch Induktivität kompensiert werden (erinnert sie niemanden an die Spulen an der Basis der Sibishnaya-Autoantennen?). Wenn sie sich jedoch verlängert, erscheint eine induktive Komponente, die durch die Kapazität kompensiert werden muss .
Strahlungsbeständigkeit. Die Strahlenbeständigkeit ist nichts Besonderes. Wirklich nicht so. Strahlungswiderstand im physikalischen Sinne existiert nicht, es ist ein analytischer Wert, der zur Bestimmung des Antennenwirkungsgrades verwendet wird. Der einfachste Weg, sich den Strahlungswiderstand vorzustellen, ist die aktive Komponente des Gesamtwiderstands der gesamten Antenne, die für Strahlung aufgewendet wird. Tatsächlich gibt es den Begriff "Strahlungsverlust" und dies ist ein nützlicher "Verlust", wenn es sich um eine Antenne handelt, der jedoch nicht dem Strahlungswiderstand entspricht. Verwechseln Sie ihn also nicht. Es gibt keinen imaginären Widerstand des Mediums gegen die imaginäre Strahlung oder irgendetwas anderes - es gibt verschiedene Eigenschaften wie die Permittivität, die wir vorerst nicht berücksichtigen werden.
Es gibt auch einen Verlustwiderstand in der Antenne in Form des Widerstands eines Leiters, der für seine Erwärmung aufgewendet wird, verschiedene Verluste an Strukturelementen und passenden Verbindungen. Die Kenntnis des Strahlungswiderstands ist erforderlich, um den Antennenwirkungsgrad zu verstehen: Bei einigen Antennen kann der Strahlungswiderstand trotz der Tatsache, dass der Verlustwiderstand um ein Vielfaches größer ist, Eins und Ohm-Fraktionen sein, was bedeutet, dass der Wirkungsgrad einer solchen Antenne trotz der Tatsache, dass ihr Design ansonsten angemessen ist, extrem niedrig ist. Bei einfachen Antennen wie dem betrachteten Dipol oder Groundplein liegt der Strahlungswiderstand nahe am Gesamtwiderstand der Antenne selbst, da die Verluste im Leiter relativ gering sind, es sich jedoch in jedem Fall nicht um identische Konzepte handelt.
Gehen wir zurück zum Dipol. Solange wir Energie in ihrem geometrischen Zentrum liefern, wo der Strom maximal und die Spannung minimal ist, ist der Strahlungswiderstand gering. Theoretisch sind es ungefähr 73 Ohm und je nach relativer Materialdicke fast etwas weniger. Wenn sich eine der Hälften des Dipols in separate Radien aufteilt, nimmt der Widerstand leicht ab und fällt in einem Winkel von 90 ° zum Stift auf ungefähr 36 Ohm mi ab. Dies wirkt sich offensichtlich auf die Antenneneffizienz aus. Der Klarheit halber betrachten wir jedoch nur einen Dipol. Wenn sich der Versorgungspunkt von der Mitte zur Kante verschiebt, werden wir sehen, dass der Strom abnimmt und die Spannung zunimmt, dh der Strahlungswiderstand steigt, der sein Maximum erreicht, wenn er vom Ende aus mit Strom versorgt wird. Dieser Umstand wirkt sich nicht auf alle anderen Eigenschaften der Antenne aus, sie sendet immer noch mit demselben Strahlungsmuster aus, was bedeutet, dass sie dieselbe Strahlungseffizienz aufweist (jedoch nicht die Effizienz der gesamten Antennenanordnung, da die Effizienz von relativen Verlusten abhängt).
Die Antennenimpedanz ist gleich der Spannung am Leistungspunkt geteilt durch den Ausgangsstrom. Und es besteht, wie wir bereits herausgefunden haben, aus dem Strahlungswiderstand, bei dem wir sinnvoll Energie an die Strahlung verlieren, die wir benötigen, und dem Verlustwiderstand, bei dem wir Energie verlieren, ist nutzlos. In vielerlei Hinsicht können wir die Antennenimpedanz beeinflussen. Ohne die Geometrie zu ändern, können wir den Leistungspunkt verschieben. Wir können verschiedene Transformationselemente verwenden (einschließlich buchstäblich Transformatoren mit Wicklungen bei den Frequenzen, bei denen ihre Verwendung rational ist). Alle diese Manipulationen haben keinen Einfluss auf die Strahlungseffizienz der Antenne und werden nur zur Anpassung der Antenne an den Generator (Sender) benötigt. Beispielsweise kann ein Halbwellendipol mit einer Stromversorgung in der Mitte, deren Widerstand ungefähr 73 Ohm beträgt, über einen einfachen 1: 4-Transformator an einen Generator angepasst werden, der für eine Antenne mit einer Impedanz von 18 Ohm oder 300 Ohm ausgelegt ist - je nachdem, wie Sie die Leitungen anschließen. Dies hat keine Auswirkungen auf den Betrieb der Antenne, außer auf den Einfluss von Verlusten im Transformator auf den Wirkungsgrad der gesamten Baugruppe.
Wenn es Ihnen so vorkommt, als hätte die Antenne nur einen Monopol - einen Stift, ein Stück Draht oder nur eine Spur auf der Leiterplatte - dann handelt es sich tatsächlich um eine Variante des Groundpleins, der keine speziell zugewiesenen Radialen zugewiesen sind, sondern die Erde, den Körper des Bedieners (z. B. einen tragbaren Radiosender) ) oder Deponien an der Tafel. Die Verluste in solchen Radien sind offensichtlich größer als in solchen, die speziell als Teil der Antenne ausgelegt sind. Daher ist der Wirkungsgrad solcher Strukturen immer geringer, ebenso wie der Grad der Anpassung der Impedanzen aufgrund der Unvorhersehbarkeit von situativen Strahlungen anstelle von berechneten.
Mit zunehmender Länge der Antenne über dem Halbwellendipol steigt der Strahlungswiderstand zuerst an und erreicht bei einer geraden Anzahl von Halbwellen ein Maximum. Dann fällt er wieder ab und erreicht bei einer ungeraden Anzahl von Halbwellen ein Minimum. Eine leichte Längenzunahme verengt das Strahlungsmuster und erhöht die Übertragungseffizienz in der ausgewählten Richtung, während eine signifikante zu einer Fragmentierung des Musters in viele Keulen führt und im Allgemeinen ineffizient ist. Daher wird es in der Praxis normalerweise nicht verwendet, außer bei Mehrbandantennen, bei denen dies eine Kompromisslösung ist.
Im Allgemeinen führt jede Vergrößerung des Dipols über die Hälfte der Welle hinaus dazu, dass sich auf der Leinwand Bereiche befinden, in denen der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. Dieser Strom ist natürlich auch an der Strahlung beteiligt, aber die Interferenz des von ihm erzeugten Feldes mit dem Feld des bedingt Hauptteils der Leinwand führt dazu, dass sich das Strahlungsmuster aufteilt, was in den meisten Fällen schädlich ist: In der Regel erfolgt die Funkkommunikation in eine oder mehrere bekannte Richtungen und die Strahlung in Die "unnötige" Seite bedeutet einfach verschwendete Verluste. Zum Beispiel wird die terrestrische Kommunikation in Richtung des Horizonts durchgeführt, und die Strahlung in den Weltraum verschwendet die Leistung des Senders nutzlos. Wenn es daher erforderlich ist, die Richtwirkung der Antenne zu erhöhen, um Energie fokussierter in die richtige Richtung zu senden, bevorzugen sie daher komplexere Strukturen auf der Basis eines Dipols, anstatt einen einzelnen Dipol zu verlängern.
Wenn die Länge der Antenne gegenüber dem Halbwellendipol (oder der Verkürzung des Viertelwellen-Grundplattenstifts) abnimmt, nimmt der Strahlungswiderstand exponentiell ab, was zusammen mit einer zunehmend komplizierten Anpassungsvorrichtung die verkürzte Antenne äußerst ineffizient macht - ein kleiner Strahlungswiderstand in der Nähe eines großen Widerstands bedeutet, dass die Erwärmung der Anpassungsvorrichtung mit geringer Strahlung vergeblich ist.
Das ist in der Tat alles, was die Geisteswissenschaften über Antennen wissen müssen.