Mari kita coba mencari tahu bagaimana antena bekerja dan mengapa energi elektromagnetik dari konduktor yang nyaman dipancarkan ke dielektrik asing, dan kita dapat melakukannya tanpa matan, yang, tentu saja, akan memerlukan penyederhanaan yang sangat serius dan bahkan vokalisasi, tetapi masih memungkinkan Anda untuk mendapatkan ide awal dan, saya tidak mengecualikan, keinginan untuk membaca bahan untuk yang lebih maju.
Jika Anda seorang insinyur radio, operator radio amatir yang berpengalaman, atau hanya mengenal fisika dengan baik, maka membaca yang berikut ini sangat tidak dianjurkan untuk Anda guna menghindari konsekuensi negatif bagi kesehatan mental Anda. Anda sudah diperingatkan.
Mari kita mulai dengan dasar-dasar yang membosankan. Di masa lalu yang indah, ketika tidak ada Internet, atau fido Anda ini, fenomena listrik dan magnet yang terkenal tidak dianggap sebagai sesuatu yang tunggal, memiliki sifat yang sama, sampai tepat dua ratus tahun yang lalu, Denmark Oersted menemukan bahwa aliran arus listrik melalui konduktor menyebabkan penyimpangan. jarum kompas mis. menciptakan medan magnet yang dapat diakses untuk observasi dan pengukuran dengan perangkat sederhana.
Segera, Ampere Perancis menyimpulkan hukum nama dirinya, yang menggambarkan ketergantungan arus listrik dan medan magnet yang timbul darinya, dan sedikit kemudian orang Inggris yang termasuk Faraday menemukan dan secara matematis menyatakan fenomena induksi elektromagnetik. Setelah cukup lama, Scot Maxwell menciptakan teori medan elektromagnetik, yang harus kita andalkan dalam cerita selanjutnya, tetapi kami sepakat untuk melakukannya tanpa matan sebanyak mungkin, sehingga bahkan umat manusia yang paling lazim pun dapat merasakan selera teknologi daripada ditakuti oleh formula rumit. Semua karya ini mengarah pada fakta bahwa pada tahun 1887 Hertz Jerman secara eksperimental membuktikan keberadaan gelombang radio dengan membangun pemancar radio dan penerima radio, yang, tanpa diduga, ternyata berfungsi. Namun, Hertz sendiri tidak menghargai prospek siarannya (yang pertama di dunia!) Dan karena itu penemuan radio lebih sering dikaitkan dengan Marconi Italia, yang, selain jenius rekayasa tak terbantahkan, berhasil dalam hal komersialisasi. Ya, jika ada yang tertarik, siaran pertama suara itu milik Canadian Fesenden, yang berhasil menyelesaikan masalah ini pada tahun 1900.
Arus dalam konduktor menciptakan medan magnet. Mengapa kita mengambil kawat telanjang kita? Kemudian, agar mudah mengingat arah vektor medan magnet, tergantung pada arah arus dalam konduktor - "aturan tangan kanan."
Jadi, sekarang kita tahu bahwa aliran arus listrik dalam konduktor mengarah pada fakta bahwa medan magnet muncul di dekat konduktor. Ini, jika sangat, sangat disederhanakan, adalah elektromagnetisme. Oleh karena itu, hal pertama yang dapat kita pelajari: radiasi antena dikaitkan dengan aliran arus listrik di dalamnya.
Komunikasi radio menggunakan arus bolak-balik dari berbagai frekuensi (atau panjang gelombang - berbicara tentang antena, seringkali lebih mudah untuk membicarakan panjang gelombang, dan tentang teknik radio secara keseluruhan - tentang frekuensi).
Frekuensi yang berbeda memungkinkan Anda untuk secara bersamaan melakukan banyak transmisi independen dan membagikan penerimaannya, memilih frekuensi yang tepat dan membuang yang tidak perlu. Ada beberapa cara untuk melakukan ini, tetapi mereka adalah topik dari artikel yang terpisah. Arus bolak-balik memiliki satu fitur yang tidak menyenangkan: meskipun sepenuhnya mematuhi hukum Ohm (saling ketergantungan tegangan, resistansi sirkuit dan arus di dalamnya), tegangan dan arus mungkin tidak bersamaan waktu. Ya, "pergeseran fase" tidak harus di kepala, itu lebih dari istilah teknik listrik dan radio. Inilah hasilnya. Jika kita menerapkan tegangan bolak-balik ke beberapa resistor ideal, maka arus bolak-balik mode-umum di sirkuit ini akan sama dengan tegangan dalam volt dibagi dengan hambatan dalam ohm - sama seperti arus searah yang layak. Tetapi jika alih-alih resistor kita memiliki induktor, maka masalahnya menjadi lebih membingungkan. Ketika kita menerapkan voltase ke koil, ia menahan arus yang melaluinya, sehingga arus akan melewati fase tegangan. By the way, jika Anda memutuskan pasokan tegangan dari koil, maka itu juga akan menolak dan mencoba untuk mempertahankan aliran arus melalui dirinya sendiri (sejauh bahwa koil dapat menyimpan energi) - tidak ada tegangan lagi, tetapi arus masih mengalir. Ini adalah resistensi ini, disebut reaktif, semakin tinggi, semakin tinggi frekuensinya. Yaitu, dengan meningkatnya frekuensi dengan induktansi yang sama atau dengan peningkatan induktansi dengan frekuensi yang sama, resistansi terhadap arus bolak-balik meningkat. Dengan kapasitor, semuanya sama, tetapi justru sebaliknya. Ketika tegangan diterapkan ke kapasitor, arus pertama-tama jatuh ke dalamnya, seperti dalam lubang kosong, di depan tegangan, dan kemudian turun saat mengisi. Kemudahan saat arus bolak-balik memasuki kapasitor berarti bahwa dengan meningkatnya frekuensi dengan kapasitansi yang sama, resistansi terhadap arus bolak-balik berkurang, dan pada frekuensi yang sama dengan peningkatan kapasitansi, resistansi terhadap arus bolak-balik juga berkurang. Oleh karena itu, kami mencatat: reaktansi, yaitu resistensi induktif atau kapasitif terhadap arus bolak-balik, bergantung pada frekuensi.
Di sebelah kiri adalah bentuk gelombang sinusoidal tradisional, di sebelah kanan adalah pergeseran fasa pada contoh "lag" arus dari tegangan ketika ada hambatan induktif di sirkuit.
Resistan total, terdiri dari komponen aktif (resistor kondisional yang mengkonsumsi daya "murni" tanpa mempengaruhi fase) dan komponen reaktif (induktansi pemindahan fase dan / atau kapasitansi), disebut resistansi kompleks atau impedansi.
Jadi, antena adalah konduktor yang memasok energi listrik dan yang memancarkannya ke ruang sekitarnya. Ini memancarkan arus listrik dalam konduktor, yang menciptakan medan magnet di sekitar konduktor.Mengapa energi elektromagnetik meninggalkan konduktor yang nyaman baginya dan menjadi ruang hampa yang tidak nyaman baginya? Tapi dia tidak keluar! Energi menciptakan getaran medan, tetapi tidak bergerak dengan sendirinya. Mari kita bandingkan dengan gelombang suara. Ketika pengeras suara (antena) menciptakan getaran, udara (eter) tidak bergerak, angin tidak muncul, tetapi getaran merambat di udara (eter). Hal yang sama terjadi dengan gelombang elektromagnetik, kecuali bahwa energi elektromagnetik tidak merambat di udara, tetapi di eter. Namun, kemudian, mereka akan menemukan bahwa eter yang seharusnya tidak ada, dan bahwa bumi juga tidak rata, dan medan elektromagnetik juga terasa baik dalam ruang hampa udara,
tetapi kita tahu bahwa ada eter, dan bumi, tentu saja, tidak rata, tetapi sedikit cembung . Yaitu, sekali lagi, energi tidak ditransfer bersama dengan medium (lebih tepatnya, dengan medan), tetapi ditransfer karena perambatan gelombang dalam medium yang umumnya tidak bergerak (di medan).
Antena sebagai sirkuit berosilasi. Sebelum berbicara tentang desain spesifik antena sederhana, yang pada dasarnya kita dapat memahami perangkat yang kompleks, mari kita bicara tentang resonansi listrik. Untuk melakukan ini, mari kita kembali ke reaktansi. Lembar antena dapat direpresentasikan sebagai kapasitansi terdistribusi dan induktansi terdistribusi - sebagai kumparan terlepas ke kawat lurus dan sebagai pelat kapasitor terdegenerasi ke kawat yang sama. Kehadiran reaktansi dalam rangkaian, seperti yang kita ingat, memisahkan fase arus dan tegangan. Namun, jika kita memilih kombinasi tertentu dari induktansi dan kapasitansi (dan ini hanya akan bekerja pada satu frekuensi tertentu, karena kita ingat bahwa reaktansi berubah dengan perubahan frekuensi), ternyata kapasitansi dan induktansi saling membatalkan satu sama lain dan kita melihat resistensi murni aktif dalam beban. Berikut ini adalah saling kompensasi dan hasilnya dalam bentuk perlawanan aktif murni sebagai hasil kompensasi disebut resonansi listrik. Dengan sendirinya, antena tidak penting untuk bekerja, karena antena, seperti yang telah kita ketahui, memancarkan arus dalam konduktor. Namun, ada sejumlah alasan mengapa mereka cenderung mencapai resonansi di antena. Faktanya adalah bahwa, tidak seperti arus searah, untuk arus bolak-balik adalah penting bahwa impedansi gelombang (saya ingat hukum Ohm, yaitu bahwa resistansi rangkaian secara numerik sama dengan tegangan yang diterapkan dibagi dengan arus) generator, saluran transmisi dan beban, yaitu. antena itu sendiri sama. Jika tidak ada persamaan, bagian dari energi elektromagnetik akan dipantulkan kembali ke generator, yang akan mengarah ke seluruh spektrum fenomena yang tidak diinginkan. Reaktansi yang signifikan menyebabkan ketidakcocokan kuat dan refleksi energi yang signifikan. Namun, ini juga berlaku untuk komponen aktif dari impedansi, yang lebih mudah untuk dikoordinasikan dengan komponen reaktif yang tidak signifikan dan mudah dikompensasi. Oleh karena itu, secara teknis mereka mencoba membuat antena seperti itu di mana komponen reaktif tidak ada atau mudah dikompensasi, dan komponen aktif sama dengan impedansi gelombang generator atau mudah diubah. Dalam kasus antena yang paling sederhana, membuat kapasitansi antena tertentu atau induktansi tertentu berarti mengukur. Oleh karena itu, biasanya dimensi antena diukur bukan dalam satuan linier, tetapi dalam fraksi panjang gelombang.
Antena ukuran penuh paling sederhana. Dipol setengah-gelombang, groundplein gelombang-kuartal dan desain serupa.
Seperti yang Anda lihat, distribusi arus dan tegangan adalah sama. Hanya jika dalam groundplein ombak seperempat, setengah dipol adalah pin, dan separuh kedua adalah bumi, maka di dipol setengah gelombang - separuh kedua adalah separuh kedua. :)
Untuk membiasakan diri dengan prinsip-prinsip yang sama untuk antena yang lebih kompleks, saya mengusulkan untuk berurusan dengan desain dan operasi antena dasar - dipol setengah gelombang simetris atau groundplein seperempat gelombang asimetris. Sampai batas tertentu, keduanya identik dan dipol setengah gelombang dapat dianggap sebagai kasus ekstrim groundplein seperempat gelombang, sudut radial (keseimbangan) yang mencapai 180 ° ke pin pemancar, sehingga sebagian besar fitur yang dipertimbangkan sama-sama berlaku untuk kedua antena.
Seperti yang dapat Anda lihat, antena seperti itu memiliki resonansi listrik, karena jumlah bilangan bulat setengah gelombang dan bilangan bulat setengah gelombang tegangan ditempatkan pada konduktornya. Mereka bergeser fase relatif satu sama lain, tetapi reaktivitas mereka saling dikompensasi.
Jika antena sedikit lebih pendek dari setengah-gelombang, maka ia akan memiliki komponen kapasitif impedansi dan harus dikompensasi dengan induktansi (apakah itu tidak mengingatkan siapa pun dari kumparan di dasar antena-otomatis sibishnaya?), Tetapi jika sebaliknya, komponen induktif muncul yang perlu dikompensasi oleh kapasitansi. .
Resistensi radiasi. Tidak ada yang istimewa tentang ketahanan radiasi. Lebih tepatnya tidak. Resistensi radiasi dalam arti fisik tidak ada, itu adalah nilai analitis yang digunakan untuk menentukan efisiensi antena. Cara termudah untuk membayangkan resistansi radiasi adalah komponen aktif dari resistansi total seluruh antena, yang dihabiskan untuk radiasi. Sebenarnya, ada istilah "kehilangan radiasi" dan ini adalah "kehilangan" yang berguna jika kita berbicara tentang antena, tetapi ini tidak sama dengan resistansi radiasi, jadi jangan bingung. Tidak ada resistensi imajiner medium ke radiasi imajiner ke dalamnya atau apa pun - ada sifat yang berbeda seperti permitivitas, yang tidak akan kita pertimbangkan untuk saat ini.
Ada juga resistansi kehilangan dalam antena dalam bentuk resistansi konduktor, yang dihabiskan untuk pemanasan, berbagai kerugian dalam elemen struktural dan tautan yang cocok. Pengetahuan tentang resistansi radiasi diperlukan untuk memahami efisiensi antena: untuk beberapa antena, resistansi radiasi dapat bersatu dan fraksi Ohm terlepas dari kenyataan bahwa resistansi kehilangan beberapa kali lebih besar, yang berarti bahwa efisiensi antena tersebut sangat rendah walaupun faktanya desainnya memadai. Dalam antena sederhana seperti dipol atau groundplein yang sedang dipertimbangkan, resistansi radiasi dekat dengan resistansi total dari antena itu sendiri, karena kerugian dalam konduktor relatif kecil, tetapi dalam kasus apa pun mereka bukan konsep yang identik.
Ayo kembali ke dipol. Selama kita menyediakan energi di pusat geometrisnya, di mana arus maksimum dan tegangan minimum, resistansi radiasi kecil. Secara teoritis, itu sekitar 73 ohm, dan hampir sedikit kurang tergantung pada ketebalan relatif material. Ketika salah satu bagian dari dipol terpecah menjadi jari-jari yang terpisah, resistansi akan berkurang sedikit dan turun menjadi sekitar 36 Ohm mi pada sudut 90 ° ke pin. Ini jelas mempengaruhi efisiensi antena. Tetapi, untuk kejelasan, kami akan mempertimbangkan hanya dipol. Ketika titik pasokan bergeser dari pusat ke tepi, kita akan melihat bahwa arus berkurang dan tegangan meningkat, yaitu, resistensi radiasi meningkat, yang mencapai maksimumnya ketika diaktifkan dari ujung. Keadaan ini tidak mempengaruhi semua karakteristik antena lainnya, ia tetap memancarkan dengan pola radiasi yang sama, yang berarti ia memiliki efisiensi radiasi yang sama (tetapi tidak efisiensi seluruh perakitan antena, karena efisiensi tergantung pada kerugian relatif).
Impedansi antena sama dengan tegangan pada titik daya dibagi dengan arus keluaran. Dan itu terdiri dari, seperti yang telah kita ketahui, resistansi radiasi, di mana kita berguna kehilangan energi untuk radiasi yang kita butuhkan, dan resistansi kehilangan, yang kita kehilangan energi, tidak berguna. Dalam banyak hal, kita dapat memengaruhi impedansi antena. Tanpa mengubah geometri, kita dapat menggeser titik daya. Kita dapat menggunakan berbagai elemen transformasi (termasuk transformer yang memiliki belitan pada frekuensi yang penggunaannya rasional). Semua manipulasi ini tidak berpengaruh pada efisiensi radiasi antena dan hanya diperlukan untuk mencocokkan antena dengan generator (pemancar). Misalnya, dipol setengah gelombang dengan catu daya di tengah, yang resistannya sekitar 73 Ohm, melalui transformator 1: 4 sederhana dapat dicocokkan dengan generator yang dirancang untuk antena dengan impedansi 18 Ohm atau 300 Ohm - tergantung pada bagaimana Anda menghubungkan lead. Ini tidak akan mempengaruhi operasi antena kecuali pengaruh kerugian pada transformator pada efisiensi seluruh unit.
Jika Anda merasa bahwa antena hanya memiliki monopole - pin, sepotong kawat atau hanya sebuah lagu di papan sirkuit tercetak, maka ini sebenarnya merupakan varian dari groundplein, yang tidak memiliki radial khusus, tetapi bumi, badan operator (stasiun radio portabel, misalnya ) atau tempat pembuangan sampah di papan tulis. Kehilangan radial seperti itu jelas lebih besar daripada pada yang dirancang khusus sebagai bagian dari antena, oleh karena itu efisiensi struktur tersebut selalu lebih rendah, serta tingkat pencocokan impedansi karena ketidakpastian situasi situasional alih-alih radial yang dihitung.
Dengan peningkatan panjang antena di atas dipol setengah gelombang, resistansi radiasi pertama meningkat, mencapai jumlah maksimum pada setengah gelombang, dan kemudian jatuh lagi, mencapai minimum pada jumlah setengah gelombang setengah ganjil. Sedikit peningkatan panjang mempersempit pola radiasi dan meningkatkan efisiensi transmisi dalam arah yang dipilih, sementara yang signifikan menyebabkan fragmentasi pola menjadi banyak lobus dan umumnya tidak efisien, oleh karena itu biasanya tidak digunakan dalam praktik kecuali untuk antena multi-band, di mana ini adalah solusi kompromi.
Secara umum, setiap peningkatan panjang dipol lebih dari setengah gelombang mengarah pada fakta bahwa pada kanvas ada daerah di mana arus mengalir dalam arah yang berlawanan. Arus ini, tentu saja, juga ikut serta dalam radiasi, tetapi gangguan medan yang diciptakan olehnya dengan bidang bagian utama bersyarat dari kanvas menyebabkan pola radiasi terpecah, yang berbahaya dalam banyak kasus: biasanya, komunikasi radio dilakukan dalam satu atau beberapa arah yang diketahui dan radiasi dalam Sisi "yang tidak perlu" secara sederhana berarti kehilangan yang terbuang. Misalnya, komunikasi terestrial dilakukan ke arah cakrawala, dan radiasi ke ruang angkasa membuang-buang kekuatan pemancar secara sia-sia. Oleh karena itu, ketika perlu untuk meningkatkan directivity antena untuk mengirim energi lebih fokus ke arah yang benar, mereka lebih suka menggunakan struktur yang lebih kompleks berdasarkan pada dipol, daripada memperpanjang satu dipol.
Ketika panjang antena berkurang dari dipol setengah gelombang (atau pemendekan pin groundplen quarter-wave), resistansi radiasi berkurang secara eksponensial, yang, bersama-sama dengan perangkat pencocokan yang semakin rumit, membuat antena yang diperpendek menjadi sangat tidak efisien - resistansi radiasi kecil dekat resistansi besar berarti pemanasan perangkat yang cocok dengan radiasi rendah sia-sia.
Faktanya, itulah yang perlu diketahui oleh umat manusia tentang antena.