Радиоантенны или антенны необходимы для работы любой радиосистемы — понимание того, как они работают, и основная теория являются ключом к установке, оптимизации и проектированию антенн.
Радиоантенны являются ключевым элементом любой системы радиовещания или беспроводной связи. Антенна необходима для излучения и приема сигналов, и поэтому их производительность является ключом к работе всей радиосистемы.
Если производительность радиоантенны плохая, это ограничит производительность всей системы радиосвязи или любой беспроводной системы, которая ее использует. Соответственно, очень важно максимизировать производительность антенны.
Чтобы добиться этого, понимание основ радиоантенн и немного теории помогут извлечь максимальную пользу из любой антенной системы. Он не должен быть наполнен сложной математикой — достаточно простого понимания принципов.
Глубокая теория антенн может стать довольно сложной, но качественное и упрощенное теоретическое объяснение помогает понять, что происходит на самом деле, как работают радиоантенны и как их можно оптимизировать. Это может быть ключевым моментом при настройке системы радиосвязи или канала связи.
Как работает антенна
Целью радиоантенны является преобразование приложенной к ней мощности в виде радиочастотного сигнала переменного тока в электромагнитную волну.
Эта электромагнитная волна может проходить через пространство между передающей радиоантенной и приемной антенной. На приемном конце электромагнитная волна преобразуется из электромагнитной волны обратно в радиочастотный сигнал, который можно подать на вход радиоприемника.
Таким образом, к радиоантенне может быть подведена мощность, от которой передается сигнал в форме электромагнитной волны. Точно так же, когда электромагнитная волна падает на антенну, она преобразуется из электромагнитной волны в радиочастотный сигнал, который может передаваться на вход приемного оборудования.
Основную теорию о том, как работают антенны, можно объяснить с помощью уравнений Максвелла. Они подробно описывают, как ток или заряды движутся по антенне, создавая электромагнитные волны.
Глядя на то, как работает антенна с более качественного подхода, можно визуализировать точечный заряд, который колеблется в соответствии с радиочастотным сигналом.
В результате колебаний заряда результирующее электрическое поле также изменится, и это изменяющееся электрическое поле вызовет ток смещения.
В свою очередь, в результате действия закона Ампера этот ток будет генерировать магнитное поле.
Ввиду того, что колебание заряда создает переменное электрическое поле, а затем и магнитное поле, все они меняются вместе.
Применяя закон Фарадея, изменяющееся магнитное поле создаст электрическое поле. В свою очередь, это электрическое поле снова создаст магнитное поле, и процесс повторится. Эти волны электрических и магнитных полей составляют электромагнитные волны, которые распространяются наружу от первоначального точечного заряда.
Энергия исходного колеблющегося точечного заряда преобразуется в энергию электромагнитной волны, другими словами, мощность, поступающая в антенну, преобразуется в энергию электромагнитных волн.
Также видно, что именно токовая составляющая сигнала на антенне вызывает излучаемые электромагнитные волны.
Передатчик и прием взаимности
Одним из ключевых аспектов любой радиоантенны является то, будет ли она принимать и передавать одинаково. Пассивная антенна, т. е. та, в которой не используется встроенная электронная схема, такая как активная антенна, обычно работает одинаково при передаче и приеме.
Он будет иметь одинаковое усиление, одинаковую диаграмму направленности, поляризацию, одинаковый импеданс и другие аспекты как для передачи, так и для приема.
Часто легче визуализировать такие факторы, как усиление и диаграмма направленности, используя изображение передаваемого сигнала, но антенна будет иметь такое же усиление и диаграмму направленности и т. д. при приеме.
Ключевые темы теории антенн
Есть несколько основных тем, которые являются общими для всех типов радиоантенн и составляют часть базовой теории антенн.
- Поляризация: радиоантенны чувствительны к поляризации. Антенны могут быть поляризованы точно так же, как электромагнитные волны. Видно, что элементы некоторых антенн расположены вертикально, а элементы других — горизонтально. Это необходимо для размещения электромагнитных волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией.
Антенны с вертикальной и горизонтальной поляризацией принимают электромагнитные волны, имеющие одинаковую поляризацию — поляризация электромагнитного поля определяется плоскостью, в которой находится электрическое поле. Если поляризация волны не выровнена, то уровень сигнала будет снижен — антенны с перекрестной поляризацией не будут принимать сигналы, передаваемые другой. Поэтому важно обеспечить, чтобы поляризация антенн в системе радиосвязи была одинаковой.
Помимо линейной поляризации, электромагнитные волны также могут быть поляризованы по кругу — очевидно, есть два направления, то есть по часовой стрелке и против часовой стрелки. Подобно линейной поляризации, антенны с круговой поляризацией должны иметь одинаковое направление поляризации, чтобы принимать сигналы, передаваемые другой антенной.
Резонанс и пропускная способность: Резонанс и пропускная способность являются ключевыми вопросами теории антенн. По сути, полоса пропускания антенны — это полоса частот, в которой антенна будет работать в соответствии со своими характеристиками. Хотя это может показаться расплывчатым определением, на самом деле оно является наиболее полезным, поскольку часто существуют разные критерии для разных антенн в разных сценариях.
Два аспекта характеристик антенны могут ограничивать полосу пропускания. Один — это отраженная мощность, а другой — усиление.
Поскольку многие антенны работают как резонансные, существует лишь ограниченный диапазон частот, в котором они могут работать. Вне этих пределов уровень отраженной мощности увеличивается, и они могут работать не так эффективно.
Другим распространенным ограничением является усиление. Многие антенны, такие как Yagi, обычно используются в качестве телевизионных антенн. Эти антенны хорошо работают в заданной полосе пропускания. Вне этого схема направления изменится, и они не будут такими эффективными.
Полоса пропускания антенн может иметь важное значение. Для некоторых приложений требуется очень широкая полоса пропускания. Например, телевизионные антенны часто должны иметь широкую полосу пропускания — не только передачи занимают достаточно широкую полосу пропускания, но, что более важно, различные телевизионные сигналы могут быть разнесены по широкой полосе частот, и антенна должна быть способна принимать их. Для других приложений, например различных беспроводных систем, система может работать на одной частоте, используя узкополосную передачу, и для этих приложений полоса пропускания антенны может быть узкой.
Усиление и направленность: Антенны не излучают одинаково во всех направлениях — только изотропный источник излучает одинаково во всех направлениях, и это только теоретический объект. В некоторых направлениях практические антенны демонстрируют усиление, когда доступная мощность сосредоточена в определенном направлении, и они имеют диаграмму направленности. Теория направленности и усиления антенн важна во многих областях, будь то различные беспроводные системы, радиосвязь или радиовещание.
Полное сопротивление и согласование фидера: входное соединение с антенной представляет импеданс фидера, к которому оно подключено. Для оптимальной передачи мощности источник и нагрузка должны быть согласованы. Соответственно теория антенны, связанная с импедансом фидера, важна для оптимальной работы антенны.
Существует множество факторов, связанных с импедансом облучателя, и существуют различные методы, обеспечивающие получение хорошего облучателя и согласования для любой конкретной антенны с целью оптимизации ее характеристик.
Хотя теория радиоантенн может показаться сложной, практическое понимание того, как работают антенны, и некоторые ключевые концепции очень полезны. Это может оказаться неоценимым при настройке системы радиосвязи или линии связи или даже при установке приемных широковещательных антенн или радиоантенн для любого из ряда приложений.