Антенны используются для передачи и приема информации посредством изменений в окружающих их электромагнитных полях. Эта статья является учебным пособием по теории антенн.
Сокращенная история электромагнетизма
Более 2600 лет назад (и, вероятно, задолго до этого) древние греки обнаружили, что кусок янтаря, протертый на куске меха, привлечет легкие предметы, такие как перья. Примерно в то же время древние обнаружили лодстоун, который представляет собой куски намагниченной породы.
Потребовалось еще несколько сотен лет, чтобы определить, что есть два разных свойства притяжения и отталкивания (магнитные и электрические): нравится отталкивание и противоположности. Еще 2000 лет прошло, прежде чем ученые впервые обнаружили, что эти две совершенно разные новинки природы неразрывно связаны.
В начале девятнадцатого века Ханс Кристен Эрстед поставил провод, перпендикулярный стрелке компаса, и ничего не увидел. Но когда он повернул провод, параллельный стрелке компаса, и пропустил ток через провод, он отклонился в одном направлении. Когда он пропускал ток через провод в противоположном направлении, стрелка компаса отклонялась в противоположном направлении.
Image
Токопроводящий провод, перпендикулярный стрелке компаса, не вызывает движения
Image
Игла компаса, расположенная параллельно токоведущей проволоке, будет вращаться. Когда направление тока меняется на противоположное, направление вращения меняется на противоположное
Этот провод был первым передатчиком антенны, а стрелка компаса - первым приемником. Ученые просто не знали этого в то время.
Несмотря на то, что он не был элегантным, он дал понять, как работает вселенная - заряды, движущиеся через провод, создают магнитное поле, перпендикулярное проводке. (Ученые вскоре узнали, что поле, окружающее провод, круговое, а не перпендикулярное).
С помощью этой информации ученые смогли описать, как электрические поля и магнитные поля взаимодействуют с электрическими зарядами и составляют основу понимания электромагнетизма.
Видео выше показывает, что нить лампы переменного тока изгибается между опорными точками в присутствии сильного магнитного поля
Вскоре после этого Никола Тесла, проводящая беспроводные лампы в своей мастерской, продемонстрировала первую игрушечную лодку с дистанционным управлением и установила систему переменного тока, которую мы используем для передачи электроэнергии во всем мире сегодня.
Менее чем через полвека после эксперимента Ортида Гульельмо Маркони разработал способ отправки первых сигналов беспроводного телеграфа через Атлантический океан.
И здесь мы стоим на протяжении двух столетий после этого первого эксперимента компаса, способного захватывать изображения с далеких планет и отправлять их через простор пространства на устройство, которое мы можем держать в ладони нашей руки - все с антеннами.
Image
Изображение Плутона, любезно предоставлено НАСА
Строительные блоки
Наша вселенная пришла к нам с определенными правилами. Мы обнаружили это тысячи лет назад, когда мы закончили замечать только привлекательную силу тяжести и первые отделенные объекты, основанные на их способности привлекать или отражать другие объекты. Затем мы обнаружили еще один набор правил притяжения и отталкивания, которые были полностью отделены от первого.
Люди классифицировали объекты и посредством интенсивных экспериментов определяли, что положительные и отрицательные являются противоположными проявлениями свойства, называемого «зарядом», так же как Северный полюс и Южный полюс являются противоположными проявлениями чего-то, называемого магнетизмом, подобно левому и правому - это два типа рук.
Image
Изображение, показывающее зеркальную симметрию между электрическими зарядами, магнитными полюсами и руками
Что-то происходило в проводе Ортида, независимо от того, была ли у него стрелка компаса под ней или нет. Это приводит к идее о невосприимчивых электромагнитных полях, которые пронизывают вселенную - через самую плотную материю и лучшие пылесосы природы. Каждый из наших категоризированных объектов (+ / - / N / S) влияет на пространство вокруг него и влияет на изменение поля.
Двигая заряды предсказуемыми способами, мы можем изменять электромагнитные поля предсказуемыми способами и использовать эти изменения для передачи информации через электромагнитные волны - регулярные колебания в электромагнитном поле.
Волновая суперпозиция
Волны передают энергию из одного места в другое.
Оставшись один в течение длительного периода времени, пул воды будет казаться плоским и неподвижным. Размешайте воду в одном месте, и молекулы воды будут мешать соседним молекулам воды, которые будут мешать соседним молекулам воды и так далее, пока нарушение не достигнет края бассейна.
Молекулы, которые начали цепочку событий, остаются близкими к их первоначальным местоположениям, но нарушение достигнет края бассейна за считанные секунды. Волны передают энергию без переноса вещества.
Image
Единственное нарушение в бассейне
Волны - это то, как мы описываем движение возмущения через среду. Через одно начальное нарушение или один миллион, цепная реакция молекулярных столкновений в пуле - это то, что заставляет возмущение распространяться наружу.
Image
График двух волн в пуле
Когда две волны нарушают одну и ту же область пространства, их амплитуды будут добавлять или вычитать для создания либо конструктивной, либо разрушительной интерференции. Эта переходная аддитивная или субтрактивная практика называется суперпозицией.
После того, как волны мешают в определенном месте, они продолжаются в том же направлении и той же скорости, с которой они начали, пока они остаются в одной и той же среде. Скорость и направление могут измениться, когда волна попадает на новый носитель. Звуковые волны распространяются по воздуху, волны воды проходят через воду - вещество, которое проходит сквозь волны, называется «средой».
Электромагнитные волны могут проходить через среды, такие как воздух и вода, или через пустоту пространства - они не требуют, чтобы среда распространяла энергию из одного места в другое.
Отражение волн
Когда волны переходят из одной среды в другую, часть их энергии передается, часть их энергии отражается, а часть их энергии рассеивается в окружающую среду.
Материальные свойства двух сред определяют отношения передачи к отражению и диссипации. И свойства материала также определяют, будет ли волна инвертироваться, когда она будет отражаться или оставаться вертикально.
Image
Единичный импульсный импульс, передающий и отражающий энергию. Графическая любезность Wikimedia
Image
Непрерывная падающая волна (оранжевая) попадает в интерфейс, где отражается какая-то энергия (светло-оранжевая), и передается некоторая энергия (темно-оранжевый)
Отражение и инверсия
Когда волны перемещаются из одной среды в другую, отражается часть энергии падающего. В зависимости от свойств материала среды волны могут инвертироваться, когда они отражаются.
Представьте себе длинную пружину, привязанную к полюсу. Если бы вы выбрали пружину влево-в-центре, то возмущение перемещало бы длину пружины до тех пор, пока она не коснется полюса, и в этот момент она изменит направление и начнет двигаться назад к вам на противоположной стороне, из-центра. Это инверсия.
Image
. С уважением, Инженерный колледж штата Пенсильвания
Возьмите ту же самую весну и привяжите ее к веревке. Если вы должны были пролистать пружину влево-вправо, то возмущение будет перемещаться по длине пружины до тех пор, пока она не ударит по канату, и в этот момент она изменит направление и начнет двигаться назад к вам на той же стороне, из-центра.
Image
. С уважением, Инженерный колледж штата Пенсильвания
Понимание отражения веревки помогает нам понять, что происходит внутри антенны.
Вот четыре ситуации, которые помогают проиллюстрировать понятия отражения и инверсии:
ImageImageImageImage
Независимо от того, инвертируется ли волна при ее отражении, определяются свойствами сред по обе стороны интерфейса.
Если волна инвертируется, когда она отражает, и мы хотим конструктивного вмешательства в веревку, мы должны иметь длину веревки, которая составляет половину длины волны, длину волны в длину, одну и половину длины волны и так далее: $$ L = n \ times \ frac { lambda} {2} $$, где n - положительное целое число.
Антенный резонанс основан на одних и тех же основных принципах отражения и помех:
Выберите длину провода, который позволяет отраженной энергии конструктивно вмешиваться, чтобы создать больший сигнал, а не меньший.
Стоячие волны
Когда две волны с одинаковой длиной волны движутся в противоположных направлениях в одной и той же среде (в приведенных ниже примерах в Голубом и Оранжевом), они могут взаимодействовать, образуя стоячую волну (изображенную в «Зеленых» в приведенных ниже примерах). Стоячие волны названы так потому, что в то время как синие волны перемещаются влево, а оранжевые волны направляются вправо, зеленые стоячие волны не имеют видимого движения «бок о бок».
ImageImageImageImage
Падающая волна (оранжевая) и отраженная волна (синий) объединяются, чтобы сформировать стоячую волну (зеленый)
Стоячие волны возникают только на определенных длинах в среде, которые определяются поведением отражения и длиной волны падающей волны.
Коэффициент постоянных волн (КСВ)
Стоячие волны максимальной амплитуды происходят при очень точных комбинациях частоты (или длины волны) и длины антенны.
К сожалению, непрактично и фактически невозможно иметь антенны, которые являются точной длиной, чтобы сформировать идеальную стоячую волну для желаемого диапазона рабочих частот. К счастью, это необязательно. Антенна с одной длиной может функционировать для небольшого диапазона частот с небольшим приемлемым уровнем дисбаланса.
Image
Стоячие волны с сетевым напряжением, показанные в течение периода колебаний. Image Interferometrist (Собственная работа) (CC BY-SA 4.0), через Википедия
Длина антенны должна быть отрегулирована так, чтобы максимально приблизить идеальную стоячую волну в центре рабочего диапазона частот.
Коэффициенты SWR (Standing Wave Ratio) измеряют отношение переданного к отраженной энергии, при этом идея должна быть максимально близка к 1: 1.
Небольшие регулировки могут быть сделаны путем введения компонентов пассивной схемы между ступенью усиления конечной цепи и антенной. Небольшие несовершенства в настройке антенны вызовут разницу потенциалов в конечной схеме усиления, нагревая конечную часть схемы передачи. Большие дисбалансы могут подавать большие разности потенциалов обратно в схему передатчика, вызывая диэлектрический пробой и искрение.
Передача информации
Двумя типами передачи информации, с которыми вы, скорее всего, знакомы, являются FM (частотная модуляция) и AM (амплитудная модуляция).
Модуляция частоты
При частотной модуляции информация передается путем изменения частоты несущей волны.
Image
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции частота несущей волны постоянна. Информация передается путем изменения амплитуды носителя.
Image
Дипольная антенна
Простая антенна, которая использует два одинаковых элемента, называется диполем. Самые короткие дипольные антенны работают на половинной длине волны и создают постоянные волны вдоль их длины.
Image
Стоячие волны в дипольной антенне, любезно предоставлены wikimedia.org
Меняющиеся электрические поля вдоль длины антенны создают радиоволны, которые распространяются наружу.
Image
Энергия излучения антенны, любезно предоставленная wikimedia.org
Антенны позволяют передавать и получать информацию посредством воздействия и влияния электромагнитных полей, которые пронизывают вселенную. В следующей статье мы расскажем о различных типах антенн и о том, как они позволяют передавать информацию на большие расстояния.
Дальнейшее чтение
Основы антенны: Радиационные шаблоны, разрешимость, направленность и усиление
