Антенны имеют определенную полосу пропускания, в которой они могут работать удовлетворительно: их полоса пропускания может быть ограничена согласованием импеданса, направленностью и т. д
Радиоантенны имеют полосу пропускания, в которой они могут эффективно работать; даже широкополосные антенны. Многие антенны работают в резонансном режиме, и это дает им относительно узкую полосу пропускания, в которой они могут обеспечивать отличные характеристики. Резонанс антенны и полоса пропускания — это два свойства антенн, которые тесно связаны друг с другом, и они очень важны, особенно при выборе антенны для данного приложения или цели.
Независимо от того, используется ли радиоантенна для радиовещания, теле- и радиоприема, WLAN, сотовой связи, PMR, любительского радио или любого другого применения, характеристики антенны имеют первостепенное значение. При этом большое значение имеют резонансная частота антенны и полоса пропускания антенны.
Резонанс антенны
Радиоантенна представляет собой форму настроенного контура, состоящего из индуктивности и емкости, в результате чего она имеет резонансную частоту.
Резонансная частота возникает в точке, где емкостное и индуктивное сопротивления компенсируют друг друга. В этот момент антенна кажется чисто резистивной, причем сопротивление представляет собой комбинацию сопротивления потерь и сопротивления излучения. Емкость и индуктивность радиочастотной антенны определяются ее физическими свойствами и средой, в которой расположена антенна. Главной особенностью конструкции антенны являются ее размеры. Установлено, что чем крупнее антенна или более строго антенные элементы, тем ниже резонансная частота. Например, антенны для наземного телевидения УВЧ имеют относительно небольшие элементы, в то время как антенны для вещания в диапазоне УКВ имеют более крупные элементы, указывающие на более низкую частоту. Антенны для коротковолновых приложений еще больше.
Полоса пропускания антенны
Полоса пропускания антенны определяется тем, способна ли она работать в пределах параметров, необходимых для данного конкретного приложения. Характеристики любой антенны изменяются с частотой, и поэтому часто необходимо определить ширину полосы, в которой антенна будет работать удовлетворительно для конкретного приложения: широковещательная передача, широковещательный прием, двусторонняя радиосвязь и т. д. На самом деле большинство антенн будут иметь свою рабочую область как часть базовой спецификации антенны: ТВ-антенна УВЧ, 2-метровая антенна любительского диапазона, УКВ-антенна ЧМ и т.п. Все они указывают на часть спектра, для которой предназначены антенны, т. е. определяют их полосу пропускания. В некоторых сценариях проблема может заключаться в импедансе, в других — в усилении или ширине луча. В других ситуациях это может быть совпадение импеданса, особенно когда передающие станции используют антенну. Соответственно, существует несколько способов оценки характеристик полосы пропускания антенны.
В большинстве случаев антенны работают вокруг резонансной точки. Это означает, что существует только ограниченная полоса пропускания, в которой конструкция РЧ-антенны может эффективно работать. Вне этого уровни реактивного сопротивления возрастают до уровней, которые могут быть слишком высокими для удовлетворительной работы. Другие характеристики антенны также могут ухудшаться вдали от центральной рабочей частоты.
Ширина полосы импеданса
Характеристики импеданса и полосы пропускания антенны особенно важны, когда речь идет о радиопередатчиках. Если импеданс изменяется так, что получается плохое согласование импеданса между фидером и самой антенной, то это приведет к высокому уровню мощности, отражаемой обратно от антенны к передатчику.
Если уровень отраженной мощности высок, то это может привести к повреждению выходного каскада передатчика при отсутствии защиты. Это может полностью разрушить выходные устройства, если уровень КСВ настолько высок, что пиковое напряжение превышает возможности устройств. Ввиду этого значительного риска большинство передатчиков используют схемы защиты. Это снижает выходную мощность передатчика при наличии высокого уровня КСВ, так что любая отраженная мощность не настолько высока, чтобы вызвать повреждение. В результате работа передатчика с высоким уровнем отраженной мощности может снизить мощность передатчика и, следовательно, его эффективность. Могут быть и другие проблемы. Для целей приема характеристики антенны в некоторых отношениях менее важны. Он может работать за пределами своей нормальной полосы пропускания, не опасаясь повреждения телевизора. Сигналы будут приниматься даже проводом произвольной длины, и может быть возможным прием нескольких удаленных станций. Однако для наилучшего приема необходимо обеспечить оптимальные характеристики конструкции радиочастотной антенны. Что касается работы антенны и ее характеристик полосы пропускания импеданса, одним из способов определения этого является построение коэффициента стоячей волны. Полоса пропускания, для которой достигается приемлемое значение КСВ или КСВ, принимается за рабочую полосу пропускания. Обычно рабочей полосой пропускания может быть полоса пропускания, между которой максимальный КСВ меньше 2:1, или любой другой выбранный предел. Чтобы увеличить пропускную способность антенны, можно предпринять ряд мер. Одним из них является использование более толстых проводников. Другой — фактический тип используемой антенны. Например, сложенный диполь имеет более широкую полосу пропускания, чем не сложенный. На самом деле, глядя на стандартную телевизионную антенну, можно увидеть обе эти функции. Также можно использовать конструкции широкополосных антенн, такие как дискоконусная или логопериодическая антенна. Оба этих типа антенн являются широкополосными и работают в широкой полосе пропускания. Однако типы широкополосных антенн могут не соответствовать требованиям любой используемой радиосистемы, и поэтому может потребоваться рассмотрение полосы пропускания с точки зрения других факторов.
Диаграмма направленности и полоса пропускания
Еще одна характеристика антенны, меняющаяся в зависимости от частоты, — это ее диаграмма направленности. В случае направленной или лучевой антенны это особенно заметно. Иногда частота может влиять на ключевые параметры, связанные с характеристиками направленности антенны. В частности, на заданную полосу пропускания может отрицательно повлиять усиление в прямом направлении. Для направленных или лучевых антенн, таких как Yagi, ширина полосы диаграммы направленности определяется как диапазон частот, в котором усиление основного лепестка находится в пределах 1 дБ от его максимума. Еще одним параметром, который влияет на это, является отношение передней части к задней. Это отношение сигнала в прямом направлении к сигналу в обратном направлении. Это может быть важно в некоторых ситуациях, когда возникают помехи и необходимо свести к минимуму прием сигналов в обратном направлении.
Отношение фронта к тылу будет быстро падать за пределами заданной полосы пропускания, как и коэффициент усиления. В антенне, такой как Yagi, это вызвано уменьшением токов в паразитных элементах по мере удаления рабочей частоты от резонанса. Для многих лучевых антенн, особенно антенн с высоким коэффициентом усиления, полоса частот импеданса шире, чем ширина полосы диаграммы направленности, хотя эти два параметра во многих отношениях взаимосвязаны.
Полоса пропускания антенны является ключевым вопросом для любой радиоантенны. В то время как большинство антенн работают в резонансном режиме, многие другие не работают. Какой бы ни была радиоантенна, она имеет ограниченную полосу частот, в которой она может работать эффективно и в заданных для нее параметрах. Понимание полосы пропускания антенны, а также причин, определяющих характеристики полосы пропускания для конкретной антенны, будь то КСВ, коэффициент усиления или другой фактор, позволяет выбрать антенну, отвечающую фактическим эксплуатационным требованиям, и получить наилучшие характеристики. для данной ситуации.