Essayons de comprendre comment fonctionnent les antennes et pourquoi l'énergie électromagnétique d'un conducteur confortable est rayonnée dans un diélectrique étranger, et nous pouvons nous passer de matan, ce qui, bien sûr, nécessitera des simplifications très graves et même de la vulgarisation, mais cela vous permet tout de même d'avoir une idée initiale et, je n'exclue pas, le désir de lire des matériaux pour les plus avancés.
Si vous êtes un ingénieur radio, un opérateur radio amateur expérimenté ou que vous connaissez bien la physique, il est strictement déconseillé de lire ce qui suit afin d'éviter des conséquences négatives pour votre santé mentale. Vous avez été prévenu.
Commençons par les bases ennuyeuses. Au bon vieux temps, quand il n'y avait ni Internet, ni cette fidélité à vous, les phénomènes bien connus de l'électricité et du magnétisme n'étaient pas considérés comme quelque chose d'unique, ayant une nature commune, jusqu'à il y a exactement deux cents ans, le danois Oersted a découvert que le flux de courant électrique à travers un conducteur provoque une déviation aiguille de boussole crée un champ magnétique accessible à l'observation et à la mesure par des appareils simples.
Bientôt, le Français Ampère a déduit une loi du nom de lui-même, qui décrit la dépendance du courant électrique et du champ magnétique qui en résulte, et un peu plus tard l'Anglais inclus Faraday a découvert et énoncé mathématiquement le phénomène d'induction électromagnétique. Après un peu de temps, le Scot Maxwell crée une théorie du champ électromagnétique, sur laquelle nous devrions nous appuyer dans l'histoire suivante, mais nous avons convenu de nous passer autant de matan que possible, afin que même les humanités les plus invétérées puissent ressentir le goût de la technologie au lieu d'être effrayées par des formules complexes. Tous ces travaux ont conduit au fait qu'en 1887, le Hertz allemand a prouvé expérimentalement l'existence d'ondes radio en construisant un émetteur radio et un récepteur radio qui, de façon tout à fait inattendue, se sont avérés efficaces. Cependant, Hertz lui-même n'a pas apprécié les perspectives de sa diffusion (la première au monde!) Et donc l'invention de la radio est plus souvent associée à l'italien Marconi, qui, en plus du génie incontestable de l'ingénierie, a réussi en termes de commercialisation. Oui, si quelqu'un est intéressé, la première diffusion de la voix appartient au Canadien Fesenden, qui a réussi à faire avancer les choses en 1900.
Le courant dans le conducteur crée un champ magnétique. Pourquoi prenons-nous notre fil nu? Ensuite, afin de se souvenir facilement de la direction du vecteur de champ magnétique, en fonction de la direction du courant dans le conducteur - la "règle de la main droite".
Ainsi, nous savons maintenant que le flux de courant électrique dans un conducteur conduit au fait qu'un champ magnétique se crée à proximité du conducteur. C'est très, très simplifié, c'est l'électromagnétisme. Par conséquent, la première chose que nous pouvons apprendre: le rayonnement des antennes est associé au flux de courant électrique qui s'y trouve.
La communication radio utilise un courant alternatif de différentes fréquences (ou longueurs d'onde - en parlant d'antennes, il est souvent plus pratique de parler de longueurs d'onde et de l'ingénierie radio dans son ensemble - de la fréquence).
Différentes fréquences vous permettent d'effectuer simultanément de nombreuses transmissions indépendantes et de partager leur réception, en choisissant les bonnes fréquences et en les éliminant inutilement. Il existe plusieurs façons de procéder, mais elles font l'objet d'articles distincts. Le courant alternatif a une caractéristique désagréable: bien qu'il obéisse complètement à la loi d'Ohm (l'interdépendance de la tension, de la résistance du circuit et du courant), la tension et le courant peuvent ne pas coïncider dans le temps. Oui, le «déphasage» n'est pas nécessairement dans la tête, c'est plus qu'un terme d'ingénierie électrique et radio. Voici le résultat. Si nous appliquions une tension alternative à une résistance idéale, le courant alternatif de mode commun dans ce circuit serait égal à la tension en volts divisée par la résistance en ohms - tout comme un courant continu décent. Mais si au lieu d'une résistance, nous avons une inductance, alors la question devient plus confuse. Lorsque nous appliquons une tension à la bobine, elle résiste au courant qui la traverse, de sorte que le courant est en retard sur la phase de la tension. Soit dit en passant, si vous déconnectez l'alimentation en tension de la bobine, elle résistera également et essaiera de maintenir le flux de courant à travers elle-même (dans la mesure où la bobine peut stocker de l'énergie) - il n'y a plus de tension, mais le courant continue de circuler. C'est cette résistance, elle est dite réactive, plus la fréquence est élevée. C'est-à-dire qu'avec une fréquence croissante à inductance égale ou avec une inductance croissante à fréquence égale, la résistance au courant alternatif augmente. Avec les condensateurs, tout est pareil, mais juste le contraire. Lorsqu'une tension est appliquée au condensateur, le courant y tombe d'abord, comme dans un trou vide, en amont de la tension, puis diminue à mesure qu'il se charge. La facilité avec laquelle le courant alternatif pénètre dans le condensateur signifie qu'avec une fréquence croissante à capacité égale, la résistance au courant alternatif diminue et, à fréquence égale avec une capacité croissante, la résistance au courant alternatif diminue également. Par conséquent, nous prenons note: la réactance, c'est-à-dire la résistance inductive ou capacitive au courant alternatif, dépend de la fréquence.
A gauche se trouve une forme d'onde sinusoïdale traditionnelle, à droite se trouve un déphasage sur l'exemple d'un "décalage" du courant par rapport à la tension lorsqu'il y a une résistance inductive dans le circuit.
La résistance totale, constituée du composant actif (une résistance conditionnelle qui consomme de l'énergie «purement» sans affecter la phase) et du composant réactif (inductance et / ou capacité déphaseuse), est appelée résistance ou impédance complexe.
Ainsi, une antenne est un conducteur auquel l'énergie électrique est fournie et qui la rayonne dans l'espace environnant. Il émet un courant électrique dans un conducteur, ce qui crée un champ magnétique autour du conducteur.Pourquoi l'énergie électromagnétique laisse-t-elle un conducteur confortable pour elle et dans un vide inconfortable pour elle? Mais elle ne sort pas! L'énergie crée des vibrations de champ, mais ne se déplace pas d'elle-même. Comparons avec les ondes sonores. Lorsqu'un haut-parleur (antenne) crée des vibrations, l'air (éther) ne se déplace pas, le vent ne se produit pas, mais les vibrations se propagent dans l'air (éther). La même chose se produit avec les ondes électromagnétiques, sauf que l'énergie électromagnétique ne se propage pas dans l'air, mais dans l'éther. Plus tard, cependant, ils découvriront que l'éther supposé n'existe pas, et que la terre n'est pas non plus plate, et le champ électromagnétique se sent également bien dans le vide,
mais nous savons qu'il y a de l'éther, et la terre, bien sûr, n'est pas plate, mais légèrement convexe . Autrement dit, l'énergie n'est pas transférée avec le milieu (plus précisément avec le champ), mais est transférée en raison de la propagation des ondes dans un milieu généralement immobile (dans le champ).
Antenne comme circuit oscillatoire. Avant de parler des conceptions spécifiques d'antennes simples, sur le principe desquelles nous pouvons comprendre les dispositifs complexes, parlons de résonance électrique. Pour ce faire, revenons à la réactance. La feuille d'antenne peut être représentée comme une capacité distribuée et une inductance distribuée - comme une bobine déroulée sur un fil droit et comme des plaques de condensateur dégénérées en un même fil. La présence de réactance dans le circuit, rappelons-le, sépare les phases de courant et de tension. Cependant, si nous sélectionnons une certaine combinaison d'inductance et de capacité (et cela ne fonctionnera qu'à une fréquence spécifique, car nous nous souvenons que la réactance change avec un changement de fréquence), il s'avère que la capacité et l'inductance s'annulent mutuellement et nous voyons une résistance purement active dans la charge. Voici une telle compensation mutuelle et le résultat sous la forme d'une résistance purement active comme résultat de la compensation est appelé résonance électrique. En soi, il est sans importance que l'antenne fonctionne, car l'antenne, comme nous l'avons déjà découvert, émet du courant dans le conducteur. Cependant, il existe un certain nombre de raisons pour lesquelles ils ont tendance à obtenir une résonance dans l'antenne. Le fait est que, contrairement au courant continu, pour un courant alternatif, il est important que l'impédance des ondes (je rappelle la loi d'Ohm, à savoir que la résistance du circuit soit numériquement égale à la tension appliquée divisée par le courant) du générateur, de la ligne de transmission et de la charge, c'est-à-dire les antennes elles-mêmes étaient égales. S'il n'y a pas d'égalité, une partie de l'énergie électromagnétique sera réfléchie vers le générateur, ce qui conduira à tout un spectre de phénomènes indésirables. Une réactance significative entraîne une forte inadéquation et une réflexion significative de l'énergie. Cependant, cela s'applique également à la composante active de l'impédance, qui est plus facile à coordonner avec une composante réactive insignifiante et facilement compensée. Par conséquent, techniquement, ils essaient de créer de telles antennes dans lesquelles la composante réactive est absente ou facilement compensée, et la composante active est égale à l'impédance d'onde du générateur ou est facilement transformée. Dans le cas des antennes les plus simples, créer une capacité d'antenne spécifique ou une certaine inductance signifie simplement un dimensionnement. Par conséquent, les dimensions des antennes sont généralement mesurées non pas en unités linéaires, mais en fractions de longueur d'onde.
Les antennes pleine grandeur les plus simples. Dipôle demi-onde, plot de terre quart d'onde et conceptions similaires.
Comme vous pouvez le voir, la distribution des courants et des tensions est la même. Ce n'est que si dans le quadruple onde de terre une moitié du dipôle est une broche et que la seconde moitié est la terre, alors dans le dipôle demi-onde - la seconde moitié est sa seconde moitié. :)
Pour se familiariser avec les principes qui sont les mêmes pour des antennes plus complexes, je propose de traiter de la conception et du fonctionnement des antennes de base - un dipôle demi-onde symétrique ou un carré de terre quart d'onde asymétrique. Dans une certaine mesure, ils sont identiques et un dipôle demi-onde peut être considéré comme le cas extrême d'un plot de terre quart d'onde, dont l'angle des radiaux (balances) a atteint 180 ° par rapport à la broche émettrice, de sorte que la plupart des caractéristiques considérées s'appliquent également aux deux antennes.
Comme vous pouvez le voir, une telle antenne a une résonance électrique, car un nombre entier de demi-ondes de courant et un nombre entier de demi-ondes de tension sont placés dans son conducteur. Ils sont déphasés les uns par rapport aux autres, mais leur réactivité est mutuellement compensée.
Si l'antenne était un peu plus courte que la demi-onde, alors elle aurait une composante capacitive de l'impédance et elle devrait être compensée par l'inductance (cela ne rappelle-t-il à personne les bobines à la base des auto-antennes sibishnaya?), Mais si au contraire s'allongent, une composante inductive apparaît qui doit être compensée par la capacitance .
Résistance aux radiations. La résistance aux radiations n'a rien de spécial. Plus vraiment pas. La résistance aux radiations au sens physique n'existe pas, c'est une valeur analytique qui est utilisée pour déterminer l'efficacité de l'antenne. La façon la plus simple d'imaginer la résistance aux rayonnements est cette composante active de la résistance totale de toute l'antenne, qui est dépensée en rayonnement. En fait, il y a le terme «perte de rayonnement» et c'est une «perte» utile si nous parlons d'une antenne, mais ce n'est pas égal à la résistance au rayonnement, alors ne confondez pas. Il n'y a pas de résistance imaginaire du milieu au rayonnement imaginaire qui s'y trouve ou quoi que ce soit d'autre - il existe différentes propriétés comme la permittivité, que nous ne considérerons pas pour l'instant.
Il existe également une résistance à la perte dans l'antenne sous la forme de la résistance d'un conducteur, qui est dépensée pour son chauffage, diverses pertes dans les éléments structurels et les liaisons correspondantes. Une connaissance de la résistance au rayonnement est nécessaire pour comprendre l'efficacité de l'antenne: pour certaines antennes, la résistance au rayonnement peut être des fractions unitaires et Ohm malgré le fait que la résistance à la perte est plusieurs fois supérieure, ce qui signifie que le rendement d'une telle antenne est extrêmement faible malgré le fait que sa conception soit par ailleurs adéquate. Dans les antennes simples telles que le dipôle ou la borne de terre considérée, la résistance au rayonnement est proche de la résistance totale de l'antenne elle-même, car les pertes dans le conducteur sont relativement faibles, mais en tout cas ce ne sont pas des concepts identiques.
Revenons au dipôle. Tant que nous fournissons de l'énergie dans son centre géométrique, où le courant est maximum et la tension est minimum, la résistance au rayonnement est faible. Théoriquement, elle est d'environ 73 ohms, et presque légèrement inférieure en fonction de l'épaisseur relative du matériau. Lorsque l'une des moitiés du dipôle se divise en rayons séparés, la résistance diminuera légèrement et tombera à environ 36 Ohm mi à un angle de 90 ° par rapport à la broche. Cela affecte évidemment l'efficacité de l'antenne. Mais, pour plus de clarté, nous ne considérerons qu'un dipôle. Au fur et à mesure que le point d'alimentation se déplace du centre vers le bord, nous verrons que le courant diminue et que la tension augmente, c'est-à-dire que la résistance au rayonnement augmente, ce qui atteint son maximum lorsqu'elle est alimentée par l'extrémité. Cette circonstance n'affecte pas toutes les autres caractéristiques de l'antenne, elle émet toujours avec le même diagramme de rayonnement, ce qui signifie qu'elle a la même efficacité de rayonnement (mais pas l'efficacité de l'ensemble de l'antenne, car l'efficacité dépend des pertes relatives).
L'impédance de l'antenne est égale à la tension au point de puissance divisée par le courant de sortie. Et il se compose, comme nous l'avons déjà découvert, de la résistance aux rayonnements, sur laquelle nous perdons utilement de l'énergie au rayonnement dont nous avons besoin, et la résistance aux pertes, sur laquelle nous perdons de l'énergie, est inutile. À bien des égards, nous pouvons influencer l'impédance de l'antenne. Sans changer la géométrie, nous pouvons déplacer le point d'alimentation. Nous pouvons utiliser divers éléments transformants (y compris littéralement des transformateurs avec des enroulements aux fréquences auxquelles leur utilisation est rationnelle). Toutes ces manipulations n'ont aucun effet sur l'efficacité de rayonnement de l'antenne et ne sont nécessaires que pour faire correspondre l'antenne avec le générateur (émetteur). Par exemple, un dipôle demi-onde avec une alimentation au centre, dont la résistance est d'environ 73 Ohms, via un simple transformateur 1: 4 peut être adapté à un générateur conçu pour une antenne avec une impédance de 18 Ohms ou 300 Ohms - selon la façon dont vous connectez les fils. Cela n'affectera pas le fonctionnement de l'antenne, sauf l'influence des pertes dans le transformateur sur l'efficacité de l'ensemble.
S'il vous semble que l'antenne n'a qu'un monopôle - une broche, un morceau de fil ou juste une piste sur la carte de circuit imprimé, alors c'est en fait une variante de la borne de terre, qui n'a pas de radiales spécialement allouées, mais la terre, le corps de l'opérateur (une station de radio portable, par exemple ) ou des décharges au tableau. Les pertes dans ces radiales sont évidemment plus importantes que dans celles spécialement conçues comme faisant partie de l'antenne, donc l'efficacité de ces structures est toujours plus faible, ainsi que le degré d'adaptation des impédances en raison de l'imprévisibilité des radiations situationnelles au lieu de celles calculées.
Avec une augmentation de la longueur de l'antenne sur le dipôle demi-onde, la résistance au rayonnement augmente d'abord, atteignant un maximum à un nombre pair de demi-ondes, puis retombe à nouveau, atteignant un minimum à un nombre impair de demi-ondes. Une légère augmentation de la longueur rétrécit le diagramme de rayonnement et augmente l'efficacité de la transmission dans la direction sélectionnée, tandis qu'une importante entraîne une fragmentation du diagramme en de nombreux lobes et est généralement inefficace, par conséquent, elle n'est généralement pas utilisée dans la pratique, sauf pour les antennes multibandes, dans lesquelles il s'agit d'une solution de compromis.
En général, toute augmentation de la longueur du dipôle au-delà de la moitié de l'onde conduit au fait que sur la toile il y a des zones où le courant circule dans la direction opposée. Ce courant, bien sûr, participe également au rayonnement, mais l'interférence du champ créé par celui-ci avec le champ de la partie conditionnelle principale de la toile provoque la division du diagramme de rayonnement, ce qui est nocif dans la plupart des cas: généralement, la communication radio est effectuée dans une ou plusieurs directions connues et le rayonnement est Le côté "inutile" signifie simplement des pertes gaspillées. Par exemple, la communication terrestre est conduite en direction de l'horizon et le rayonnement dans l'espace gaspille inutilement la puissance de l'émetteur. Par conséquent, lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la directivité de l'antenne afin d'envoyer une énergie plus focalisée dans la bonne direction, ils préfèrent utiliser des structures plus complexes basées sur un dipôle, plutôt que d'allonger un seul dipôle.
Lorsque la longueur de l'antenne diminue à partir du dipôle demi-onde (ou le raccourcissement de la broche du socle quart d'onde), la résistance au rayonnement diminue de façon exponentielle, ce qui, avec un dispositif d'adaptation de plus en plus compliqué, rend l'antenne raccourcie extrêmement inefficace - une petite résistance aux rayonnements près d'une grande résistance signifie que le chauffage du dispositif d'adaptation avec un faible rayonnement est en vain.
En fait, c'est tout ce que les sciences humaines doivent savoir sur les antennes.