Vamos tentar descobrir como as antenas funcionam e por que a energia eletromagnética de um condutor confortável é irradiada para um dielétrico externo, e podemos ficar sem matan, o que, é claro, exigirá simplificações muito sérias e até vulgarização, mas ainda permite que você tenha uma idéia inicial e, não excluo, o desejo de ler materiais para os mais avançados.
Se você é um engenheiro de rádio, um operador de rádio amador experiente ou apenas conhece bem a física, não é recomendável ler o texto a seguir para evitar consequências negativas para sua saúde mental. Você foi avisado.
Vamos começar com o básico chato. Nos bons velhos tempos, quando não havia Internet, nem esse seu fido, os fenômenos conhecidos de eletricidade e magnetismo não eram considerados algo único, tendo uma natureza comum, até exatamente duzentos anos atrás, o Oersted dinamarquês descobriu que o fluxo de corrente elétrica através de um condutor causa um desvio agulha da bússola cria um campo magnético acessível para observação e medição por dispositivos simples.
Logo, o francês Ampère deduziu uma lei do próprio nome, que descreve a dependência da corrente elétrica e do campo magnético dela decorrente, e um pouco mais tarde o inglês incluído Faraday descobriu e afirmou matematicamente o fenômeno da indução eletromagnética. Depois de muito tempo, o Scot Maxwell cria uma teoria do campo eletromagnético, na qual devemos confiar na história subseqüente, mas concordamos em passar o máximo de matan possível, para que mesmo as humanidades mais inveteradas pudessem sentir o gosto pela tecnologia em vez de ficarem assustadas com fórmulas complexas. Todos esses trabalhos levaram ao fato de que em 1887 o alemão Hertz provou experimentalmente a existência de ondas de rádio através da construção de um transmissor e receptor de rádio que, inesperadamente, acabaram funcionando. No entanto, o próprio Hertz não apreciava as perspectivas de sua transmissão (a primeira do mundo!) E, portanto, a invenção do rádio é mais frequentemente associada ao italiano Marconi, que, além do inegável gênio da engenharia, teve sucesso em termos de comercialização. Sim, se alguém estiver interessado, a primeira transmissão da voz pertence ao canadense Fesenden, que conseguiu dar início a esse assunto em 1900.
A corrente no condutor cria um campo magnético. Por que pegamos nosso fio desencapado? Então, para lembrar facilmente a direção do vetor do campo magnético, dependendo da direção da corrente no condutor - a "regra da mão direita".
Portanto, agora sabemos que o fluxo de corrente elétrica em um condutor leva ao fato de que um campo magnético surge próximo ao condutor. Isso, se muito, muito simplificado, é eletromagnetismo. Portanto, a primeira coisa que podemos aprender: a radiação das antenas está associada ao fluxo de corrente elétrica nelas.
A comunicação por rádio usa corrente alternada de várias frequências (ou comprimentos de onda - falando sobre antenas, geralmente é mais conveniente falar sobre comprimentos de onda e sobre a engenharia de rádio como um todo - sobre frequência).
Frequências diferentes permitem que você conduza simultaneamente muitas transmissões independentes e compartilhe sua recepção, escolhendo as frequências certas e descartando desnecessárias. Existem várias maneiras de fazer isso, mas elas são o tópico de artigos separados. A corrente alternada tem uma característica desagradável: embora obedeça completamente à lei de Ohm (a interdependência de tensão, resistência e corrente do circuito), tensão e corrente podem não coincidir com o tempo. Sim, “mudança de fase” não está necessariamente na cabeça, é mais do que um termo de engenharia elétrica e de rádio. Aqui está o resultado. Se aplicássemos uma tensão alternada a algum resistor ideal, a corrente alternada de modo comum nesse circuito seria igual à tensão em volts dividida pela resistência em ohms - exatamente como uma corrente direta decente. Mas se, em vez de um resistor, tivermos um indutor, o assunto se tornará mais confuso. Quando aplicamos tensão na bobina, ela resiste à corrente através dela, portanto a corrente fica atrasada na fase da tensão. A propósito, se você desconectar a fonte de tensão da bobina, ela também resistirá e tentará manter o fluxo de corrente através de si mesma (na medida em que a bobina possa armazenar energia) - não há mais tensão, mas a corrente ainda está fluindo. Essa resistência é chamada de reativa, quanto maior, maior a frequência. Ou seja, com o aumento da frequência com igual indutância ou com o aumento da indutância com igual frequência, a resistência à corrente alternada aumenta. Com capacitores, tudo é o mesmo, mas exatamente o oposto. Quando a voltagem é aplicada ao capacitor, a corrente cai primeiro nele, como em um buraco vazio, à frente da voltagem, e depois cai quando é carregada. A facilidade com que a corrente alternada entra no capacitor significa que, com o aumento da frequência com capacitância igual, a resistência à corrente alternada diminui e, na mesma frequência com o aumento da capacitância, a resistência à corrente alternada também diminui. Portanto, tomamos nota: a reatância, ou seja, resistência indutiva ou capacitiva à corrente alternada, depende da frequência.
À esquerda, uma forma de onda sinusoidal tradicional, à direita, uma mudança de fase no exemplo de um "atraso" da corrente da tensão quando há resistência indutiva no circuito.
A resistência total, composta pelo componente ativo (um resistor condicional que consome energia "puramente" sem afetar a fase) e o componente reativo (indutância e / ou capacitância de mudança de fase), é chamada de resistência ou impedância complexa.
Assim, uma antena é um condutor ao qual a energia elétrica é fornecida e a irradia para o espaço circundante. Emite uma corrente elétrica em um condutor, o que cria um campo magnético ao redor do condutor.Por que a energia eletromagnética deixa um condutor confortável para ela e entra em um vácuo desconfortável para ela? Mas ela não sai! A energia cria vibrações de campo, mas não se move por si só. Vamos comparar com as ondas sonoras. Quando um alto-falante (antena) cria vibrações, o ar (éter) não se move, o vento não ocorre, mas as vibrações se propagam no ar (éter). O mesmo acontece com as ondas eletromagnéticas, exceto que a energia eletromagnética não se propaga no ar, mas no éter. Mais tarde, no entanto, eles descobrirão que o éter proposto não existe, e que a Terra também não é plana, e o campo eletromagnético também parece ótimo no vácuo,
mas sabemos que existe éter, e a Terra, é claro, não é plana, mas é ligeiramente convexa . Ou seja, mais uma vez, a energia não é transferida junto com o meio (mais precisamente, com o campo), mas é transferida devido à propagação das ondas em um meio geralmente imóvel (no campo).
Antena como um circuito oscilatório. Antes de falar sobre os projetos específicos de antenas simples, cujo princípio podemos entender os dispositivos complexos, vamos falar sobre ressonância elétrica. Para fazer isso, vamos voltar à reatância. A folha de antena pode ser representada como uma capacitância distribuída e uma indutância distribuída - como uma bobina desenrolada em um fio reto e como placas de capacitor degeneradas no mesmo fio. A presença de reatância no circuito, como lembramos, separa as fases de corrente e tensão. No entanto, se selecionarmos uma certa combinação de indutância e capacitância (e isso só funciona em uma frequência específica, porque lembramos que a reatância muda com uma mudança na frequência), acontece que a capacitância e a indutância se cancelam mutuamente e vemos uma resistência puramente ativa na carga. Aqui está uma compensação mútua e o resultado na forma de uma resistência puramente ativa, como resultado da compensação, é chamado ressonância elétrica. Por si só, não é importante que a antena funcione, porque a antena, como já descobrimos, emite corrente no condutor. No entanto, existem várias razões pelas quais elas tendem a obter ressonância na antena. O fato é que, diferentemente da corrente contínua, para uma corrente alternada, é importante que a impedância da onda (lembre-se da lei de Ohm, ou seja, que a resistência do circuito seja numericamente igual à tensão aplicada dividida pela corrente) do gerador, linha de transmissão e carga, ou seja, as próprias antenas eram iguais. Se não houver igualdade, parte da energia eletromagnética será refletida de volta ao gerador, o que levará a todo um espectro de fenômenos indesejáveis. A reatância significativa leva a forte incompatibilidade e reflexo significativo da energia. No entanto, isso também se aplica ao componente ativo da impedância, que é mais fácil de coordenar com um componente reativo insignificante e facilmente compensado. Portanto, eles tecnicamente tentam criar essas antenas nas quais o componente reativo é ausente ou facilmente compensado, e o componente ativo é igual à impedância de onda do gerador ou é facilmente transformado. No caso das antenas mais simples, criar uma capacitância específica da antena ou uma certa indutância significa simplesmente dimensionar. Portanto, geralmente as dimensões das antenas são medidas não em unidades lineares, mas em frações do comprimento de onda.
As antenas de tamanho mais simples. Dipolo de meia onda, groundplein de quarto de onda e projetos similares.
Como você pode ver, a distribuição de correntes e tensões é a mesma. Somente se na base do quarto de onda, metade do dipolo for um alfinete, e a segunda metade for a terra, então no dipolo da meia onda - a segunda metade será a segunda metade. :)
Para me familiarizar com os princípios que são os mesmos para as antenas mais complexas, proponho tratar do design e operação das antenas básicas - um dipolo simétrico de meia onda ou uma base assimétrica de quarto de onda. Até certo ponto, eles são idênticos e um dipolo de meia onda pode ser considerado um caso extremo de uma base de quarto de onda, cujo ângulo de raio (balanças) atingiu 180 ° em relação ao pino emissor, portanto, a maioria dos recursos considerados é igualmente aplicável a ambas as antenas.
Como você pode ver, essa antena tem ressonância elétrica, porque um número inteiro de meias ondas de corrente e um número inteiro de meias ondas de tensão são colocados em seu condutor. Eles são deslocados de fase um em relação ao outro, mas sua reatividade é mutuamente compensada.
Se a antena fosse um pouco menor que a meia onda, ela teria um componente capacitivo da impedância e teria que ser compensada pela indutância (isso não lembra ninguém das bobinas na base das auto-antenas sibishnaya?). .
Resistência à radiação. Não há nada de especial na resistência à radiação. Mais verdadeiramente não. A resistência à radiação no sentido físico não existe, é um valor analítico usado para determinar a eficiência da antena. A maneira mais fácil de imaginar a resistência à radiação é o componente ativo da resistência total de toda a antena, que é gasta em radiação. Na verdade, existe o termo “perda de radiação” e essa é uma “perda” útil se estamos falando de uma antena, mas isso não é igual à resistência à radiação, portanto, não confunda. Não há resistência imaginária do meio à radiação imaginária nele ou em qualquer outra coisa - existem propriedades diferentes como permissividade, as quais não consideraremos por enquanto.
Há também uma resistência à perda na antena na forma da resistência de um condutor, que é gasta em seu aquecimento, várias perdas em elementos estruturais e elos correspondentes. É necessário um conhecimento da resistência à radiação para entender a eficiência da antena: para algumas antenas, a resistência à radiação pode ser unidades e frações de Ohm, apesar do fato de a resistência à perda ser várias vezes maior, o que significa que a eficiência de uma antena é extremamente baixa, apesar de seu design ser adequado. Em antenas simples, como o dipolo ou a base de aterramento em consideração, a resistência à radiação é próxima da resistência total da própria antena, porque as perdas no condutor são relativamente pequenas, mas, em qualquer caso, não são conceitos idênticos.
Vamos voltar ao dipolo. Enquanto fornecemos energia em seu centro geométrico, onde a corrente é máxima e a tensão é mínima, a resistência à radiação é pequena. Teoricamente, são aproximadamente 73 ohms e quase um pouco menos, dependendo da espessura relativa do material. À medida que uma das metades do dipolo se divide em raios separados, a resistência diminui um pouco e cai para aproximadamente 36 Ohm mi em um ângulo de 90 ° com o pino. Obviamente, isso afeta a eficiência da antena. Mas, para maior clareza, consideraremos apenas um dipolo. À medida que o ponto de alimentação muda do centro para a borda, veremos que a corrente diminui e a tensão aumenta, ou seja, a resistência à radiação aumenta, atingindo seu máximo quando alimentada a partir do final. Essa circunstância não afeta todas as outras características da antena, ela ainda emite o mesmo padrão de radiação, o que significa que possui a mesma eficiência de radiação (mas não a eficiência de todo o conjunto da antena, porque a eficiência depende de perdas relativas).
A impedância da antena é igual à tensão no ponto de energia dividida pela corrente de saída. E consiste, como já descobrimos, na resistência à radiação, na qual perdemos energia útil à radiação de que precisamos, e na resistência à perda, na qual perdemos energia, é inútil. De muitas maneiras, podemos influenciar a impedância da antena. Sem alterar a geometria, podemos mudar o ponto de potência. Podemos usar vários elementos transformadores (incluindo literalmente transformadores com enrolamentos nas frequências em que seu uso é racional). Todas essas manipulações não afetam a eficiência da radiação da antena e são necessárias apenas para combinar a antena com o gerador (transmissor). Por exemplo, um dipolo de meia onda com uma fonte de alimentação no centro, cuja resistência é de aproximadamente 73 Ohms, através de um transformador simples 1: 4 pode ser comparado a um gerador projetado para uma antena com uma impedância de 18 Ohms ou 300 Ohms - dependendo de como você conectar os fios. Isso não afetará a operação da antena, exceto a influência de perdas no transformador na eficiência de toda a montagem.
Se lhe parece que a antena possui apenas um monopolo - um pino, um pedaço de fio ou apenas uma faixa na placa de circuito impresso, essa é realmente uma variante do groundplein, que não possui radiais especialmente alocados, mas a terra, o corpo do operador (uma estação de rádio portátil, por exemplo). ) ou aterros sanitários no quadro. As perdas nesses radiais são obviamente maiores do que as projetadas especialmente como parte da antena; portanto, a eficiência de tais estruturas é sempre menor, assim como o grau de correspondência de impedâncias devido à imprevisibilidade dos radiais situacionais em vez dos calculados.
Com um aumento no comprimento da antena sobre o dipolo de meia onda, a resistência à radiação aumenta primeiro, atingindo um máximo em um número par de meias ondas e depois cai novamente, atingindo um mínimo em um número ímpar de meias ondas. Um ligeiro aumento no comprimento restringe o padrão de radiação e aumenta a eficiência da transmissão na direção selecionada, enquanto um significativo leva a uma fragmentação do padrão em muitos lóbulos e é geralmente ineficiente, portanto, geralmente não é usado na prática, exceto em antenas de banda múltipla, nas quais esta é uma solução de comprometimento.
Em geral, qualquer aumento no comprimento do dipolo acima da metade da onda leva ao fato de que na tela existem áreas em que a corrente flui na direção oposta. Essa corrente, é claro, também participa da radiação, mas a interferência do campo criado por ela no campo da parte condicional da tela principal causa a divisão do padrão de radiação, o que é prejudicial na maioria dos casos: geralmente, a comunicação por rádio é realizada em uma ou várias direções conhecidas e a radiação em O lado "desnecessário" significa simplesmente perdas desperdiçadas. Por exemplo, a comunicação terrestre é conduzida na direção do horizonte, e a radiação no espaço está desperdiçando inutilmente a energia do transmissor. Portanto, quando é necessário aumentar a diretividade da antena para enviar energia mais focada na direção certa, eles preferem usar estruturas mais complexas baseadas em um dipolo, em vez de prolongar um único dipolo.
Quando o comprimento da antena diminui a partir do dipolo de meia onda (ou o encurtamento do pino de terra de quarto de onda), a resistência à radiação diminui exponencialmente, o que, juntamente com um dispositivo de correspondência cada vez mais complicado, torna a antena reduzida extremamente ineficiente - uma pequena resistência à radiação próxima a uma grande resistência significa que o aquecimento do dispositivo de correspondência com baixa radiação é inútil.
Na verdade, isso é tudo o que as humanidades precisam saber sobre antenas.