Июн 262019
 

Приветствую, друзья. С Вами Тимур Гаранин.

Сегодня хочу поговорить о согласовании антенн, длина которых отличается от расчётной.

Почему я решил поднять эту тему? Дело в том, что я в последнее время общался со множеством людей, которые воспринимают сопротивление излучения антенны как её входное сопротивление. Есть даже те, кто уверен, что согласовать волновой диполь так же просто как и полуволновой диполь. Мол, сопротивление излучения волнового диполя всего 200 Ом, какие могут быть проблемы? А проблема в том, что хоть сопротивление излучения волнового диполя 200 Ом, его полное входное сопротивление будет стремиться к бесконечности.

Разберёмся, почему это так.

Входное сопротивление антенны – это комплексная величина. Она состоит из активного сопротивления излучению, которое невелико, и реактивного сопротивления.

Активное сопротивление – это полезный компонент. Мощность на активном сопротивлении мы излучаем в пространство.

А реактивное сопротивление – абсолютно бесполезная вещь. Реактивное сопротивление только мешает протеканию тока в антенне, соответственно мешает излучать и принимать, заставляет передатчик работать в перенапряженном режиме и снижает КПД всей системы.

Рассмотрим распределение напряжений и токов в антенне. Когда антенна настроена в резонанс, т.е. простейший случай – это полуволновой диполь Герца, то на подключаемом конце мы имеем максимум тока и минимум напряжения. Можно сказать, что антенна ведёт себя как последовательный колебательный контур на резонансе, и её реактивное сопротивление равно нулю. Остается только сопротивление излучению. Для полуволнового диполя оно равно 73 Ома и передатчик работает только на активное спротивление.

А вот когда антенна представляет собой волновой диполь, либо любой другой случай, когда каждое плечо антенны содержит чётное количество четвертей длин волны, то ситуация совсем иная. В точке подключения мы имеем максимум напряжения и минимум тока. Следовательно входное сопротивление такой антенны стремиться к бесконечности. И она ведёт себя как параллельный колебательный  контур, который как известно не пропускает сигнал на резонансной частоте.

Пытаться согласовать такую антенну почти бесполезно. Потому что её активное спротивление около 200 Ом, а реактивное стремиться к бесконечности. Поэтому здесь применяют другой подход. К такой антенне просто добавляют линию длиной четверть длины волны. И уже входное реактивное сопротивление такой системы снова стремиться к нулю.

В зависимости от количества четвертей длин волн реактивное сопротивление антенны периодически колеблется от ноля и до бесконечности. Если плечо содержит нечётное количество длин волн, то реактивное сопротивление — ноль. Если чётное – стремится к бесконечности.

 

Кроме крайних случаев, когда антенна ведёт себя то как последовательный, то как параллельный контур, существуют и промежуточные ситуации. Когда длина антенны немного отклоняется от расчётной длины.

Самый распространённый случай – это конечно же укороченные антенны. Многие ли из нас помнять мобильные телефоны и беспроводные мыши с антеннами? Сегодня вряд ли можно встретить эти устройства с явными антеннами. Куда же подевались их антенны?

Они есть, но они укорочены.

Если длину антенны уменьшить относительно расчётной, то антенна начинает обладать емкостным сопротивлением. Чем больше мы укорчаиваем антенну, тем больше емкостное сопротивление. Обращаю внимание, что растёт не ёмкость, а емкостное сопротивление. Ёмкость антенны, разумеется, уменьшается, когда мы антенну обрезаем, но так как емкостное сопротивление обратно пропорционально ёмкости, то оно с укорочением антенны возрастает.

А индуктивное сопротивление наоборот падает. Поэтому результирующее реактивное сопротивление укороченной антенны оказывается емкостным.

Как согласовать такую, укороченную, антенну? Это достаточно просто. Нужно всего лишь добавить удлиняющую индуктивность, индуктивное сопротивление которой по модулю равно емкостному сопротивлению антенны.

Но есть ещё одна проблема. При укорочении антенны падает её активное сопротивление. Из-за этого может возникнуть необходимость в трансформаторе сопротивлений. На практике не делают сильно укороченных антенн, потому что снижение сопротивления излучению приводит к тому, что антенна попросту хуже излучает и принимает сигнал.

 

Иногда встречаются удлинённые антенны, длина которых немного больше четверти длины волны. В этом случае начинает расти их индуктивное сопротивление. Согласовывают их по тому же принципу. Добавляют укорачиающий конденсатор, емкостное сопротивление которого по модулю равно индуктивному сопротивлению удлинённой антенны.

 

Теперь хочу обратить Ваше внимание на то, что в целом с ростом длины полотна антенны её активное сопротивление тоже растёт. Следовательно, увеличение длины полотна оправдано. Но только в том случае, если антенна будет грамотно сфазирована и настроена в резонанс.

Широкое распространение получили петлевые вибраторы. На резонансной частоте их реактивное сопротивление стремиться к нулю, а сопротивление излучению – около 200 Ом.

Очевидно их преимущество перед обычными диполями, у которых сопротивление излучению около 75 Ом.

Иногда можно встретить зигзагообразные антенны с двумя петлями, их сопротивление излучению уже 250 Ом. Дальнейшее увеличение длины полотна уже нецелесообразно, т.к. антенна становится слишком чувствительна к длине волны, а выигрышь в изучении невелик.

 

Для приёмных антенн согласование и настройка в резонанс не менее важны, чем для передающих.  Излучать энергию всегда проще, т.к. энергия поля стремиться оттуда, где её больше, туда, где её меньше.

А вот принимать сигнал гораздо сложнее, т.к. в точке приёма энергия радиоволн обычно невелика. Для приёма сигнала необходимо, чтобы приёмник подключался точно в точку максимума тока. Почему это так важно?

Входные тракты приёмников потребляют ток своей цепью управления. Чтобы управлять любым усилительным элементом необходим определенный ток.

Радиоволны никакого тока не содержат, поэтому никакого вияния на усилительные элементы не оказывают. Чистым потенциалом транзистор не откроешь. Нужно преобразовать энергию радиоволн, т.е. энергию электрического поля, в энергию электрического тока.

Антенна – это и есть такой преобразователь. При чём, чем лучше антенна настроена в резонанс, и чем ближе точка макимума тока к приёмному концу, тем лучше происходит преобразование энергии электрического поля в энергию электрического тока.

Если точка максимума тока начнёт смещаться, то мы получим ухудшение приёма. Сигнал станет слабее.

Лучший приём мы получим, когда плечи антенны содержат нечётное количество четвертей длины волны, худший приём – при чётном количестве четвертей в плечах антенны.

 

Подведём итоги:

  1. Полное входное сопротивление антенны – это комплексная величина, состоящая из активного сопротивления излучению и реактивного сопротивления.
  2. Можно выделить четыре случая согласования антенн:
    - для укороченной антенны применяют удлинующую индуктивность;
    - антенна в резонансе не требует никаких вмешательств;
    - удлинённую антенну согласовывают с помощью укорачивающего конденсатора;
    - антенну, содержащую четное количество четвертей длин волн в плече, дополняют линией в четверть длины волны.
  3. Увеличение длины полотна антенны оправдано ради увеличения её сопротивления излучению, при условии, что антенна остаётся в резонансе.

На сегодня всё. Жду Ваших комментариев, пишите, какие вопросы ещё стоит рассмотреть. Делитесь роликом, если он был полезен.

Всем удачи!

 Ответить