Приветствую, дорогие друзья. С вами Тимур Гаранин.
В своём видео курсе «Антенны» я уделил особое внимание такой теме как волновое сопротивление и согласование. Тем не менее, я продолжаю получать много вопросов относительно того, как измеряется волновое сопротивление, от чего оно зависит и в принципе, какова его природа.
Начнем с определения. Волновое сопротивление линии — это отношение приложенного к ней напряжения к току, в этой линии.
И сразу покажем, как антенные анализаторы измеряют волновое сопротивление.
Представим что у нас есть полотно антенны из одного тонкого проводника. Подключаем антенный анализатор одним выходом к этому полотну. Второй выход антенного анализатора подключаем к земле, равно как и дальний конец полотна. Внутри антенного анализатора уже встроены вольтметр и амперметр. Что делает антенный анализатор? Он подает на линию единичную ступеньку, то есть просто напряжение определённого уровня. И одновременно с этим измеряет, какой ток потребляет эта линия. И по соотношению напряжения к току определяет волновое сопротивление.
Представим, что к этому же антенному анализатору мы подключаем другое полотно такой же длины, но большей площади поверхности. Антенный анализатор измеряет волновое сопротивление этого полотна, и оно оказывается значительно меньше, чем волновое сопротивление тонкого провода. Почему, от чего зависит волновое сопротивление полотна?
Волновое сопротивление полотна зависит напрямую от его погонных параметров, погонных емкости и индуктивности. Рассчитывается как корень квадратный от отношения погонной индуктивности к погонной емкости. Из чего можно сделать вывод, что чем больше погонная индуктивность и меньше погонная емкость, тем больше это сопротивление.
Хочу обратить особое внимание на то, что волновое сопротивление зависит не просто от емкости и индуктивности антенны, а от погонных емкостей индуктивностей. Мне тут в комментариях кое-кто писал, что чем больше длина антенны, тем больше емкость, а значит меньше волновое сопротивление. Это абсолютно неверно. Волновое сопротивление полотна от длины антенны не зависит вообще.
Представим себе такую ситуацию. У нас есть полотно длиной в метр, и ёмкость этого полотна равна допустим 100 пикофарад. Мы берём и увеличиваем длину этого полотна вдвое, соответственно емкость полотна увеличилась тоже вдвое, и сейчас составляет 200 пикофарад. Но погонная емкость, то есть емкость, деленная на единицу длины, осталась такая же, 100 пикофарад на метр.
То же самое касается и погонной индуктивности.
Погонные параметры по определению от длины не зависят, так как представляют собой параметры, деленные на единицу длины.
Но тогда от чего они зависят?
Допустим у нас есть обыкновенный диполь, выполненный из отрезков относительно тонкого провода. Этот диполь, его отрезки, обладают определёнными погонными емкостью и индуктивностью.
А теперь сравним его с такой антенной как диполь Надененко. Диполь Надененко представляет собой несколько параллельных стержней расположенных по кругу большого радиуса на равном расстоянии друг от друга. Иногда, для еще большего увеличения площади поверхности, диполь Надененко окутывают металлической сеткой.
Я думаю, уже сейчас вам интуитивно понятно, что диполь Надененко будет иметь значительно меньшее волновое сопротивление, чем просто диполь из тонкого провода.
Во-первых, очевидно, что диполь Надененко обладает грандиозно большей площадью поверхности, следовательно имеет очень большую погонную емкость.
Но кроме этого, диполь Надененко имеет еще и меньшую погонную индуктивность. Почему? Каждый из стержней диполя Надененко имеет свою собственную индуктивность. Но так как эти стержни включены параллельно, то и их индуктивности включены параллельно. Как известно, параллельное включение индуктивностей уменьшает общую индуктивность.
Следовательно, диполь Надененко, благодаря своим погонным параметрам, имеет значительно меньшее волновое сопротивление, чем диполь из тонкой проволоки.
Можем сделать вывод, что погонная емкость полотна прямо зависит от площади поверхности полотна на единицу длины. С погонной индуктивностью не всё так очевидно, она зависит от сечения проводника, либо от количества параллельно включенных проводников, и от магнитной проницаемости линии или окружающей среды.
Как измерять погонные параметры антенны при помощи антенного анализатора? Если у нас симметричная антенна, то тут всё просто — один выход антенного анализатора мы включаем к одному вибратору антенны, второй выход — к другому вибратору.
Если же у нас одиночное полотно, то один из выходов анализатора мы должны включить на полотно, а второй — на землю, либо на корпус. Если мы используем корпус, главное требование для него — он должен быть достаточной ёмкости, чтобы принять заряд половины периода колебаний.
Ещё, что очень важно, полотно антенны должно быть отдалено от земли или корпуса на расстояние не менее половины длины волны в пространстве. Почему? Потому что если полотно будет слишком близко к Земле, силовые линии электрического поля полотна будут замыкаться на землю. А мы ведь измеряем не емкость полотна относительно Земли, нас интересует прежде всего емкость полотна относительно себя самого.
Когда речь идёт о диполе, то мы очевидно измеряем емкость одного отрезка диполя относительно другого отрезка диполя. Когда речь идет об единичном полотне, например о полотне антенны бегущей волны, то мы измеряем емкость каждого отрезка этого полотна относительно соседних отрезков этого же полотна. То есть ёмкость полотна относительно себя самого.
Силовые линии электрического поля, начинающиеся на максимумах потенциала, заканчиваются на минимумах потенциала в этом же полотне. Минимумы и максимумы потенциала отдалены друг от друга на половину длины волны в полотне.
Как раз на этом принципе работают коллинеарные антенны из коаксиальных кабелей. Если хотите, могу сделать отдельный ролик про такие антенны.
Зависит ли волновое сопротивление полотна от параметров сигнала? Например от частоты, амплитуды, формы импульса? Конечно же нет. Волновое сопротивление полотна зависит исключительно от его погонных характеристик, от ёмкости на единицу длины и от индуктивности на единицу длины.
Но от параметров сигнала, частоты, амплитуды и формы импульса зависят такие параметры как S11, коэффициент отражения, коэффициент стоячей волны для этого сигнала в полотне, и так дальше. В один и тот же отрезок полотна можно подать сигнал, четверть длины волны которого будет совпадать с длиной отрезка полотна, а можно подать сигнал, половина длины волны которого будет совпадать с длиной отрезка. Отрезок один и тот же, и погонные характеристики у него неизменны. Но в одном случае у нас устанавливается стоячая волна с минимумом напряжения на входе, а в другом случае с максимумом напряжения на входе. Соответственно в одном случае коэффициент отражения нулевой, в другом случае полный. И КСВ тоже, в одном случае максимальный, в другом случае минимальный.
Подведем итог
1. Волновое сопротивление любой линии измеряется как отношение приложенного к линии напряжения к току, установившемуся в этой линии под действием этого напряжения.
2. Волновое сопротивление любой линии зависит от её погонных параметров, от погонных индуктивности и емкости. Следовательно, волновое сопротивление полотна может варьироваться в широчайших пределах, его можно сделать грандиозно большим, либо грандиозно малым как у диполя Надененко.
3. Волновое сопротивление полотна и его погонные характеристики никак не зависят от параметров сигнала.
4. Но величины, связанные с самим сигналом, разумеется, зависят от параметров сигнала. S11, КСВ и т.д. зависят от формы импульсов, частоты сигнала и других параметров.
На этом заканчиваю. Если ролик был для вас полезен, ставьте лайк. Задавайте вопросы и пишите предложения в комментариях, делитесь с друзьями. И до встречи в следующих роликах!
