Основы антенны: Радиационные шаблоны, разрешимость, направленность и усиление
Во второй части серии «Основы антенн» вы узнаете больше о физике за антеннами, которые мы используем каждый день, включая информацию о диэлектрической проницаемости, проницаемости, усилении, направленности и многом другом.
Антенны передают информацию между местоположениями, изменяя электромагнитные поля в одном месте и обнаруживая изменения электромагнитных полей в другом месте. Чтобы понять, как антенны могут передавать информацию во все более отдаленные местоположения, вы должны сначала понять физику, которая регулирует их работу.
обзор
Введение в Основы Антенны обеспечивает первую часть основной физики, необходимой для понимания того, как антенны передают и получают информацию. В этой статье будут рассмотрены концепции предыдущей статьи, включающие диаграммы направленности, диэлектрической проницаемости, направленности и усиления на ближнем и дальнем поле.
Что происходит внутри антенного провода «Встраиваемый встраиваемый-реагирующий-16by9»>
Предоставлено PhET Interactive Simulations, Университет Колорадо
Выше представлена демонстрация моделирования радиационного заряда из Университета Колорадо. Вы можете играть здесь.
Сначала генератор синусоидальной волны перемещает заряды в одном направлении, создавая электрические и магнитные поля, которые растут по мере увеличения напряжения. Поля постоянно изменяются в течение этого времени, а изменения в поле распространяются наружу со скоростью света, но конечны.
По мере продолжения цикла генератора напряжение уменьшается, а магнитное и электрическое поля также уменьшается. Поскольку генератор синусоидальной волны меняет полярность напряжения, а затем увеличивает величину напряжения, носители заряда замедляются, меняют направление, а затем ускоряются. Это меняет полярность электрического и магнитного полей.
Недавно испущенные поля из предыдущего полупериода и поля из текущего полупериода создают чередующиеся экстремумы напряженности поля, которые распространяются наружу от антенны.
Image
Радиация, создаваемая диполем Герца
Наличие носителей заряда в проводе создает электрическое поле, которое исходит из проволоки, движение носителей заряда создает магнитное поле, которое окружает провод, а ускорение заряда создает электромагнитные волны, которые распространяются наружу от провода.
Я настоятельно рекомендую вам посмотреть превосходный набор видеороликов доктора Джон Белчера из MIT, который лучше иллюстрирует изменения в полевых линиях. И, если вы помните многовариантное исчисление, электричество и магнетизм Перселла представляет эту тему гораздо более подробно, чем в предыдущем обсуждении.
Область, близкая к антенне, $$ d \ ll \ lambda $$, называется ближним полем и в ней доминируют магнитные поля. Переходная зона существует для одной-двух длин волн, а затем есть область дальнего поля антенны, $$ d> 2 \ lambda $$, где электрическое поле становится более упорядоченным и доминирующим.
Большинство антенн работают в дальнем поле и передают информацию на большие расстояния путем изменения электрических полей. Антенны ближнего поля, которые используют сильные магнитные поля в области вблизи антенны, становятся все более популярными, хотя диапазон ближнепольной связи ограничен несколькими волнами.
Несмотря на то, что радиопередатчики, такие как устройства nRF24 и Bluetooth, имеют ограниченный диапазон, они по-прежнему используют связь на дальнем поле - электрическое поле передает информацию. RFID-метки и теги NFC имеют очень короткие диапазоны и используют связь ближнего поля (т. Е. Магнитно-доминирующую).
Радиационные шаблоны
В приведенной выше анимации показаны контуры постоянной плотности мощности излучения, распространяющиеся со временем во времени, прослеженные в плоскости, проходящей через вертикально ориентированную дипольную антенну. Это двумерный срез трехмерной диаграммы направленности.
Из-за сложности, как правило, только один контур (изолиние или изоповерхность) прослеживается вокруг антенны, чтобы показать диаграммы излучения на дальнем поле. Контурные поверхности центрированы вокруг антенны, а контурные линии центрированы на ортогональных плоскостях, которые пересекают антенну, часто вокруг линии симметрии. Диполь Герца выше передает очень мало энергии без энергии в вертикальном направлении.
ImageImage
Проецируемые трехмерные диаграммы направленности (как двумерные диаграммы) на декартовы оси. На основе найденной здесь модели Mathematica
Различные конструкции антенн создают различные диаграммы направленности излучения. Сложность шаблона зависит от конструкции и конструкции антенны.
Специфические листы антенны иногда имеют трехмерные проекции. Чаще всего мы видим двумерный сюжет и должны представить себе трехмерную картину.
Image
Полярное и декартово представление диаграммы направленности антенны Яги. Изображение предоставлено Виртуальным институтом прикладных наук
Проницаемость и проницаемость
диэлектрическая проницаемость
Майкл Фарадей заметил, что когда диэлектрики (изоляторы) помещаются в зазор между пластинами конденсатора с параллельной пластиной, емкость увеличивается. Это явление связано с поляризацией заряда внутри диэлектрической среды.
Диэлектрическая проницаемость - это мера того, насколько легко эти заряды могут выровняться (поляризация) при наличии электрического поля. Более высокая диэлектрическая проницаемость указывает на большую устойчивость к образованию электрического поля, а также более медленное распространение возмущения через среду.
Материал с высокой диэлектрической проницаемостью, который окружает материал с низкой диэлектрической проницаемостью, не будет влиять на частоту колебаний, но материал с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшает скорость распространения волны. Если вспомнить, что скорость волны равна произведению частоты и длины волны, мы можем видеть, что если частота остается неизменной, уменьшение скорости должно сопровождаться соответствующим уменьшением длины волны. Когда волна выходит из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, скорость волны и длина волны возрастают.
Когда антенна встроена в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, размер антенны может быть уменьшен в соответствии с уменьшенной длиной волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны.
Некоторые ранние GPS-антенны (f = 1, 56 ГГц) были 60 мм на 60 мм и толщиной несколько мм, с электрическими схемами, которые еще больше увеличивали размер устройства. Посредством методов миниатюризации схемы сопряжения с новейшими поколениями микрополосковых патч-антенн, встроенных в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, GPS-модули, которые включают антенну и схему, могут быть изготовлены с использованием миниатюрного форм-фактора толщиной 4 мм на 4 мм и 2, 1 мм.
Подобные методы используются, чтобы позволить и сотовые телефоны иметь резонансные антенны, которые существенно меньше длины волны, связанной с распространением на воздухе.
При переходе волн между материалами различной диэлектрической проницаемости энергия отражается. Если волна движется от материала с низкой диэлектрической проницаемостью (т. Е. С высокой скоростью распространения) до высокой диэлектрической проницаемости (т. Е. Материала с низкой скоростью распространения), волна будет подвергаться инверсии (т. Е. Фаза в 180 градусов сдвиг). Отраженные волны могут сочетаться с новыми волнами, чтобы создавать различные интерференционные картины, представленные в разделе «Введение в основы антенны».
Image
Переход с высокой скоростью к низкой скорости. Анимация предоставлена Инженерным колледжем штата Пенсильвания
Image
Переход от низкоскоростного к высокоскоростному. Анимация предоставлена Инженерным колледжем штата Пенсильвания
См. Эту статью (PDF) для получения дополнительной информации о технических аспектах миниатюризации антенн и о компромиссах с использованием полосы пропускания и коэффициента усиления при работе с материалами с высокой диэлектрической проницаемостью.
водопроницаемость
Магнитная проницаемость - это способность материала хранить энергию в магнитных полях. Напомним, что сигналы, излучаемые антеннами, находятся в форме электромагнитного излучения - задействованы как электрические, так и магнитные поля. Таким образом, неудивительно, что проницаемость, как и диэлектрическая проницаемость, влияет на распространение электромагнитных волн. Действительно, как диэлектрическая проницаемость, так и проницаемость приводят к более медленной скорости волны и уменьшению длины волны.
Image
Ферритовая петлевая антенна с обмотками для средне- и длинноволнового приема AM. Solaris2006 (собственная работа) (CC-BY-SA-3.0)
Чтобы укрепить идею о том, что диэлектрическая проницаемость и проницаемость влияют на скорость (и длину волны) электромагнитного излучения, мы можем рассматривать «скорость света», которая на самом деле является скоростью не только света, но и электромагнитного излучения в целом. Скорость света в вакууме - самая быстрая скорость во Вселенной, обозначаемая c-, рассчитывается с использованием диэлектрической проницаемости и проницаемости свободного пространства:
Изотропные антенны являются теоретическими точечными источниками, которые равномерно распределяют электромагнитную энергию во всех направлениях. Полная излучаемая мощность определяется путем интегрирования плотности потока мощности по поверхности сферы радиуса r, которая окружает антенну ($$ \ text {Surface Area} = 4 \ pi r ^ 2 $$).
Интеграл представляет собой теоретическую полную излучаемую мощность. По мере увеличения расстояния от источника площадь поверхности интегрирующей сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса сферы. Энергия изотропных эмиттеров распространяется равномерно, чтобы покрыть эту все более большую площадь, и, следовательно, плотность потока электромагнитной мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника.
Image
Так как плотность мощности изотропного излучателя быстро уменьшается с расстоянием, антенные инженеры манипулируют направлением энергии, излучаемой реальными антеннами, чтобы увеличить плотность мощности в желаемых направлениях и уменьшить ее в других направлениях.
Пиковая направленность (или просто направленность) - это отношение плотности мощности физической антенны в ее наиболее концентрированном направлении к отношению к теоретическому изотропному эмиттеру с одинаковым полным уровнем передачи мощности.
$$ D = 10 \ times Log_ {10} ( frac { text {фактическая антенна}} { text {изотропная антенна}}) $$
Направленность выражается как обычное число, представляющее отношение или в дБ, причем большее количество представляет собой более сфокусированные лучи. Антенна, которая одинаково хорошо излучала во всех направлениях, имела бы направленность 1 (0 дБ). Представленный ранее дипольный сигнал Герца имеет направленность 1, 5 (1, 76 дБ) из-за отсутствия энергии, передаваемой в направлении z.
Антенны могут использоваться в разных приложениях в зависимости от их направленности:
Антенны с низкой направленностью передают и принимают информацию со всех направлений более или менее одинаково. Они полезны в мобильных приложениях, где направление между передатчиком и приемником может измениться.
Антенны с высокой направленностью способны передавать и получать информацию на большие расстояния, но должны быть направлены на другую антенну. Они используются в постоянных установках, таких как спутниковое телевидение.
Параболические антенны (например, используемые в спутниковых телевизионных приемниках) имеют типичный «коэффициент усиления» (или просто «усиление») 37, 5 дБ. Усиление антенны включает в себя направленность, а также эффективность антенны.
$$ \ text {Gain} = \ text {Эффективность} times \ text {Directivity} $$
Эффективность учитывает фактические потери конкретной конструкции антенны из-за производственных сбоев, потерь на поверхностном покрытии, несовершенства, несоответствия импеданса или любого другого фактора. Хотя направленность всегда больше или равна 1 (0 дБ), коэффициент усиления антенны может быть меньше 1 (0 дБ).
Отражатели
Схема излучения антенны дает нам информацию о ее принимающих и передающих свойствах в разных направлениях. Радиационная картина может быть сформирована путем добавления направляющих элементов (директоров) спереди и отражающих элементов (отражателей) позади.
Отражатели перенаправляют энергию, которая будет излучаться за антенной так, чтобы она распространялась в прямом направлении.
Image
Изображение от Тимоти Truckle (собственная работа) (GFDL). Переднее направление антенны соответствует 0 °
Пример антенного отражателя можно увидеть на следующем изображении одного из кораблей Voyager.
Image
Voyager и его антенну Cassegrain. Изображение предоставлено NASA
При приеме он захватывает энергию из большой области и отражает ее по отношению к принимающему элементу. При передаче он концентрирует электромагнитное излучение вдоль центральной оси. Коэффициент усиления антенн, таких как этот, значительно помогает в успешной передаче информации на очень больших расстояниях.
UHF телевизионные антенны, с другой стороны, имеют отражающие элементы на противоположной стороне сложенного дипольного приемного элемента; они собирают и отражают (по отношению к принимающему элементу) радиоволны, которые в противном случае проходили бы мимо.
Image
UHF-антенна с четырьмя отражателями слева. Изображение Tennen-Gas (собственная работа) (CC-BY-SA-3.0)
Режиссеры
Подобно отражающим элементам, направляющие элементы добавляются к антеннам для формирования диаграммы направленности. Их длина и расстояние сконструированы таким образом, что они поглощают энергию и возвращают ее по фазе с волнами, проходящими непосредственно к принимающему элементу или непосредственно от передающего элемента. Это создает конструктивные помехи, которые применяются только к прямому направлению антенны; волны, которые приходят со стороны, поглощаются и переизлучаются из фазы, что приводит к разрушительным помехам.
Image
Вывод
Вы можете сделать карьеру от проектирования и тестирования антенн, но, скорее всего, вас призвали понять спецификацию антенны и как включить антенну в ваш дизайн.
Я надеюсь, что эта статья и предшествующая ей серия помогут вам лучше понять поведение и характеристики антенны. Пожалуйста, не стесняйтесь комментировать здесь или размещать сообщения на форуме, если у вас есть дополнительные вопросы.
