Полное сопротивление антенны является ключевым элементом, связанным с ее характеристиками. Для достижения максимального КПД его фидер должен иметь одинаковый импеданс.
Одним из аспектов радиоантенн, который привлекает большое внимание, является импеданс их фидеров, поскольку он может иметь большое влияние на характеристики антенны. Радиоантенна похожа на любую другую форму радиочастотной нагрузки или источника сигнала. Он имеет сопротивление нагрузки или источника. Причина, по которой импеданс антенны так важен, заключается в том, что для получения оптимальных характеристик фидер антенны должен быть согласован с антенной, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности.
Соответственно, важно понимать полное сопротивление фидера любой антенны, чтобы можно было получить наилучшие характеристики.
Основные сведения об импедансе антенны
Этот импеданс известен как импеданс облучателя антенны. Это сложный импеданс, который состоит из нескольких составляющих: сопротивления, емкости и индуктивности. Полное сопротивление антенны зависит от ряда факторов, включая размер и форму антенны, рабочую частоту и окружающую среду. Видимый импеданс, как правило, сложный, т.е. состоящий из резистивных и реактивных элементов. Когда сигнал подается от источника сигнала, либо напрямую, либо через фидер, он будет иметь определенный импеданс, и это влияет на то, как сигнал принимается антенной и передается мощность. То же самое верно и в обратном направлении для сигналов, которые антенна «получила из эфира» и которые необходимо передать либо напрямую, либо через фидер или линию передачи к приемнику.
Важность импеданса антенны
Легче представить мощность, поступающую из фидера в антенну, и хотя будет описано это направление передачи мощности, то же самое происходит и в противоположном направлении, когда антенна используется для приема. Все фидеры и даже источники радиочастотного сигнала имеют волновое сопротивление, и все антенны имеют импеданс фидера. Для передачи максимальной мощности импедансы должны совпадать.
Возьмем пример фидера 50 Ом, подключенного к антенне 50 Ом. Фидер сможет подавать мощность, которая имеет напряжение и ток с соотношением, эквивалентным 50 Ом. Однако, если 50-омный фидер подключен к 75-омной антенне, соотношение напряжения и тока фидера не будет соответствовать соотношению антенны. Поскольку антенна может принимать только мощность, отношение напряжения к току которой соответствует 75 Ом, она не может принимать всю мощность. Если фидер подает 50 вольт на 1 ампер, то антенна может принять 50 вольт, но только на 0,66667 ампер (что соответствует соотношению 75 Ом).
Оставшаяся мощность отражается обратно по фидеру, и принимается только часть мощности. Также вдоль фидера формируются стоячие волны, имеющие впадины и пики напряжения и тока.
Примечание по коэффициенту стоячей волны, КСВ и КСВ:
Стоячие волны часто связаны с радиочастотными фидерами, и они генерируются, когда существует несоответствие между импедансом фидера и импедансом нагрузки. При несоответствии мощность отражается, и объединенные напряжения и токи прямой и отраженной мощности образуют вдоль фидера стоячие волны.
Резистивные элементы импеданса облучателя антенны
Резистивные элементы состоят из двух составляющих. Они складываются вместе, чтобы сформировать сумму общих резистивных элементов.
- Сопротивление потерь: Сопротивление потерь возникает из-за фактического сопротивления элементов ВЧ-антенны, и мощность, рассеиваемая таким образом, теряется в виде тепла. Хотя может показаться, что сопротивление «постоянному току» низкое, на более высоких частотах проявляется скин-эффект, и используются только площади поверхности проводника. В результате эффективное сопротивление выше, чем было бы измерено при постоянном токе. Он пропорционален окружности проводника и квадратному корню из частоты.Сопротивление может стать особенно значительным в сильноточных участках ВЧ-антенны, где эффективное сопротивление низкое. Соответственно, чтобы уменьшить влияние сопротивления потерь, необходимо обеспечить использование проводников с очень низким сопротивлением.
- Радиационная стойкость: другим резистивным элементом импеданса является «радиационная стойкость». Это можно рассматривать как виртуальный резистор. Это происходит из-за того, что мощность «рассеивается», когда она излучается радиочастотной антенной.Цель состоит в том, чтобы таким образом «рассеять» как можно больше энергии. Фактическое значение сопротивления излучения варьируется от одного типа антенны к другому и от одной конструкции к другой. Это зависит от множества факторов. Однако, чтобы дать представление о том, какие цифры можно ожидать, типичный полуволновой диполь, работающий в свободном пространстве, имеет радиационное сопротивление около 73 Ом.Другие типы антенн будут иметь разные уровни радиационной стойкости, и даже радиационная стойкость диполя будет значительно различаться в зависимости от наличия поблизости объектов. Например, диполь используется в качестве основного активного или ведомого элемента в антенне Yagi. Паразитные элементы по обе стороны от диполя, которые придают всей антенне ее диаграмму направленности, приводят к значительному падению входного импеданса диполя, часто до 20 Ом или меньше.
Реактивные элементы антенны
Имеются также элементы, реагирующие на полное сопротивление подачи. Они возникают из-за того, что элементы антенны действуют как настроенные цепи, обладающие индуктивностью и емкостью. При резонансе, когда работает большинство антенн, индуктивность и емкость компенсируют друг друга, оставляя только сопротивление комбинированного сопротивления излучения и сопротивления потерь.
Однако по обе стороны от резонанса импеданс питания быстро становится либо индуктивным (при работе выше резонансной частоты), либо емкостным (при работе ниже резонансной частоты).
Факторы, влияющие на импеданс антенны
Сопротивление облучателя различных антенн может сильно различаться. Некоторые могут иметь низкий импеданс, тогда как другие могут иметь гораздо более высокий импеданс. Понимание того, почему разные антенны имеют разные значения импеданса, позволяет использовать правильные методы подачи, что улучшает их характеристики. Есть много причин, по которым сопротивление облучателя различных антенн меняется. Мы включили некоторые из основных причин ниже:
- Точка подачи: Точка подачи антенны оказывает большое влияние на видимый импеданс подачи.
- Возьмем, к примеру, полуволновой диполь. Видно, что ближе к концу проводника ток минимален, а напряжение максимально. И наоборот, в центре ток максимален, а напряжение минимально. В результате диполь с центральным питанием имеет низкий импеданс питания (фактически 73 Ом в свободном пространстве). Это согласуется с законом Ома, согласно которому низкое напряжение, деленное на ток, дает низкий импеданс.Если антенна питается с конца, то она питается в точке напряжения, и импеданс питания будет высоким.Обычно предпочтительны точки питания с низким импедансом, потому что часто используется коаксиальный кабель, который имеет относительно низкий импеданс. 50 Ом является стандартным для большинства приложений, включая радиосвязь, профессиональное использование и т.п., но для домашнего вещания, т. е. телевидения и радио, стандартный импеданс составляет 75 Ом.
- Близость других объектов: установлено, что если другие объекты находятся близко к антенне, то это оказывает большое влияние на импеданс облучателя.Например, диполь используется в более крупной антенне Yagi, тогда паразитные элементы резко снижают полное сопротивление облучателя. с отражателем и директорами входное сопротивление диполя может упасть со значения в свободном пространстве 73 Ом до значений 20 Ом или меньше.
- Высота над землей. Одной из основных проблем для ВЧ-антенн с точки зрения входного импеданса, а также многих других аспектов их работы является высота над землей. Земля будет иметь большое влияние на импеданс, будь то горизонтальная антенна или вертикальная антенна. Как правило, по мере того, как он становится выше над землей с точки зрения количества длин волн над землей, эффект уменьшается, но вблизи земли он оказывает большое влияние.
- Тип антенны. Тип антенны также оказывает большое влияние на импеданс фида. Влияние оказывают не только такие элементы, как положение облучателя вдоль антенны, но и другие аспекты, например, является ли антенна горизонтальным диполем или вертикальной четвертьволновой антенной.
Есть много факторов, влияющих на импеданс антенны. При установке или проектировании антенны это следует учитывать, чтобы обеспечить оптимальную подачу.
Эффективность
Естественно, важно обеспечить, чтобы доля мощности, рассеиваемой на сопротивлении потерь, была как можно меньше, оставляя наибольшую долю рассеиваемой на сопротивлении излучения в виде излучаемого сигнала. Отношение мощности, рассеиваемой на сопротивлении излучения, к мощности, подводимой к антенне, является эффективностью. Для обеспечения максимальной эффективности можно использовать различные средства. К ним относятся использование оптимальных материалов для проводников для обеспечения низких значений сопротивления, проводников с большой окружностью для обеспечения большой площади поверхности для преодоления скин-эффекта и отказ от использования конструкций, в которых присутствуют очень высокие токи и низкие значения импеданса питания.
Другие ограничения могут потребовать, чтобы не все эти требования могли быть выполнены, но, используя инженерную оценку, обычно можно найти подходящий компромисс. Можно видеть, что импеданс облучателя антенны особенно важен при рассмотрении любой конструкции радиочастотной антенны. Однако путем максимизации передачи энергии путем согласования фидера с импедансом фидера антенны можно оптимизировать конструкцию антенны и получить наилучшие характеристики.