Polarizarea undelor electromagnetice

Polarizarea undelor electromagnetice (polarizare franceză; sursa originală: axa polo greacă, pol) este o încălcare a simetriei axiale a unei unde transversale în raport cu direcția de propagare a acestei unde. Într-o undă nepolarizată, oscilațiile vectorilor de deplasare și viteză s și v în cazul undelor elastice sau ale vectorilor E și H ai câmpurilor electrice și magnetice în cazul undelor electromagnetice în fiecare punct din spațiu în toate direcțiile posibile într-un planul perpendicular pe direcția de propagare a undei se înlocuiește rapid și aleatoriu, astfel încât niciuna dintre aceste direcții de oscilație să nu fie predominantă. O undă transversală va fi numită polarizată dacă în fiecare punct al spațiului direcția de oscilație rămâne neschimbată sau se modifică în timp conform unei anumite legi. O undă polarizată plană (polarizată liniar) va fi numită undă cu direcția constantă de oscilație, respectiv, a vectorilor s sau E. Dacă capetele acestor vectori descriu cercuri sau elipse în timp, atunci unda va fi numită circulară. sau eliptic – polarizat. Poate apărea o undă polarizată: din cauza lipsei de simetrie axială a emițătorului care excită unda; în reflexia și refracția undelor la interfața dintre două medii (vezi legea lui Brewster); când o undă se propagă într-un mediu anizotrop (vezi. Birefringenţă).
(vezi Marele Dicționar Politehnic Enciclopedic)
În practică: dacă semnalul de la centrul de televiziune este în polarizare orizontală, atunci vibratoarele antenei ar trebui să fie amplasate paralel cu planul de masă, dacă semnalul este transmis în polarizare verticală, atunci vibratoarele antenei ar trebui să fie amplasate perpendicular pe planul de masă, dacă semnalele sunt transmise în două polarizări, atunci două antene și semnalele de la ele se rezumă. În zona de recepție fiabilă, puteți pune o antenă la un unghi de 45 de grade față de planul de sol.
Semnalul de televiziune prin satelit este transmis pe Pământ în polarizare liniară și circulară. Pentru a primi astfel de semnale, se folosesc diferite convertoare: de exemplu, pentru Continent TV - un convertor liniar și pentru Tricolor TV - un convertor circular. Forma și dimensiunea vasului nu au niciun efect asupra polarizării.

Un parametru important al antenelor este impedanța de intrare: (impedanța de intrare a antenei), care o caracterizează ca o sarcină pentru transmițător sau alimentator. Impedanța de intrare a antenei este raportul dintre tensiunea dintre punctul de conectare (punctul de excitare) al antenei la alimentator și curentul din aceste puncte. Dacă antena este alimentată de un ghid de undă, atunci impedanța de intrare este determinată de reflexiile care apar pe calea ghidului de undă. Impedanța de intrare a antenei este formată din suma rezistenței la radiații a antenei și a rezistenței la pierderi: Z = R(izl) + R(sweat). R(izl) - în cazul general, valoarea este complexă. La rezonanță, componenta reactivă a impedanței de intrare ar trebui să fie zero. La frecvențele peste rezonanță, impedanța este de natură inductivă, iar la frecvențe sub rezonantă, este capacitivă, ceea ce provoacă pierderi de putere la limitele benzii de funcționare a antenei. R (transpirație) - rezistența la pierderi a antenei depinde de mulți factori, de exemplu, de apropierea acesteia de suprafața Pământului sau de suprafețele conductoare, pierderile ohmice în elementele și firele antenei, pierderile de izolație. Impedanța de intrare a antenei trebuie să fie corelată cu impedanța undei a căii de alimentare (sau cu impedanța de ieșire a emițătorului) astfel încât să asigure în acesta din urmă un mod apropiat de cel al undei de călătorie.
Pentru antenele de televiziune, impedanța de intrare: antenă log-periodică - 75 ohmi, pentru canalul de undă - 300 ohmi. Pentru antenele cu canale de undă, atunci când utilizați un cablu de televiziune cu o impedanță de undă de 75 ohmi, este necesar un dispozitiv de potrivire, un transformator RF.

Raportul undelor stătătoare (KSV)

Raportul undelor staționare caracterizează gradul de potrivire a antenei cu alimentatorul, precum și potrivirea ieșirii emițătorului și a alimentatorului. În practică, întotdeauna o parte din energia transmisă este reflectată și returnată transmițătorului. Energia reflectată determină supraîncălzirea emițătorului și îl poate deteriora.

SWR se calculează după cum urmează:
KSV = 1 / KBV = (U pad + U neg) / (U pad - U neg), unde U pad și U neg sunt amplitudinile undelor electromagnetice incidente și reflectate.
Cu amplitudinile undelor incidente (U drop) și reflectate (U neg) în linia KBV, aceasta este legată de relația: KBV = (U drop + U neg) / (U drop - U neg)
În mod ideal SWR=1, valorile de până la 1,5 sunt considerate acceptabile.

Model direcțional (DN)

Modelul de radiație este una dintre caracteristicile cele mai evidente ale proprietăților de recepție ale unei antene. Diagramele direcționale sunt reprezentate în coordonate polare sau dreptunghiulare (carteziane). . Luați în considerare, de exemplu, modelul de radiație al unei antene de tip „canal de undă” construită în coordonate polare în plan orizontal (Fig. 1). Grila de coordonate este formată din două sisteme de linii. Un sistem de linii sunt cercuri concentrice centrate la origine. Cercurile cu cea mai mare rază corespund EMF maximă, a cărei valoare este considerată condiționat egală cu unu, iar cercurile rămase sunt valori intermediare ale EMF de la unu la zero. Un alt sistem de linii care formează o grilă de coordonate este un mănunchi de linii drepte care împart unghiul central de 360° în părți egale. În exemplul nostru, acest unghi este împărțit în 36 de părți de 10° fiecare.

Să presupunem că unda radio vine din direcția prezentată în fig. 1 săgeată (unghi 10°). Din diagrama de radiație se poate observa că această direcție de sosire a undei radio corespunde EMF maximă la bornele antenei. Când primiți unde radio provenind din orice altă direcție, EMF la bornele antenei va fi mai mică. De exemplu, dacă undele radio ajung la unghiuri de 30 și 330 ° (adică la un unghi de 30 ° față de axa antenei din partea directorilor), atunci valoarea EMF va fi de 0,7 maxim, la unghiuri de 40 și 320. ° - 0,5 maxim și etc.

Pe modelul de radiație (Fig. 1), sunt vizibile trei regiuni caracteristice - 1, 2 și 3. Regiunea 1, care corespunde celui mai înalt nivel al semnalului primit, este numită principala , sau lobul principal al diagramei de radiație. Zonele 2 și 3, situate pe partea laterală a reflectorului antenei, sunt numite lobii din spate și laterali ai diagramei de radiație. . Prezența lobilor din spate și lateral indică faptul că antena primește unde radio nu numai din față (din partea regizorilor), ci și din spate (din partea laterală a reflectorului), ceea ce reduce imunitatea la zgomot la recepție. În acest sens, la reglarea antenei, acestea tind să reducă numărul și nivelul lobilor din spate și lateral.
Modelul de radiație descris, care caracterizează dependența EMF la bornele antenei de direcția de sosire a undei radio, este adesea numit model de radiație de-a lungul „câmpului” , întrucât EMF este proporțională cu intensitatea câmpului electromagnetic la punctul de recepție. Prin pătrarea EMF corespunzător fiecărei direcții de sosire a undei radio, se poate obține modelul de putere (linia punctată în Fig. 2).
Pentru o evaluare numerică a proprietăților direcționale ale antenei, se folosesc conceptele unghiului de deschidere al lobului principal al diagramei de radiație și nivelul lobilor posterior și lateral. Unghiul de deschidere al lobului principal al diagramei de radiație este unghiul în care EMF la bornele antenei scade la un nivel de 0,7 față de maxim. Unghiul de deschidere poate fi determinat și folosind diagrama de radiație prin putere, prin scăderea acestuia la un nivel de 0,5 față de maxim (unghiul de deschidere la „jumătate” de putere). În ambele cazuri, valoarea numerică a unghiului de deschidere este, desigur, aceeași.
Nivelul lobilor din spate și laterali ai modelului de tensiune este definit ca raportul dintre EMF la bornele antenei atunci când este recepționat din partea maximă a lobului posterior sau lateral la EMF din partea maximului principal. lob. Când antena are mai mulți lobi posteriori și laterali de dimensiuni diferite, este indicat nivelul celui mai mare lob.

Coeficient de direcție (KND)

Câștigul direcțional: (DPC) al unei antene de transmisie este raportul dintre pătratul intensității câmpului generat de antenă în direcția lobului principal și pătratul intensității câmpului generat de o antenă de referință omnidirecțională sau direcțională (semi-undă). vibratorul este un dipol al cărui coeficient de direcție față de o antenă ipotetică nedirecțională este de 1,64 sau 2,15 dB) pentru aceeași putere de intrare. (KND) este o mărime adimensională, poate fi exprimată în decibeli (dB, dBi, dBd). Cu cât lobul principal (DN) este mai îngust și cu cât nivelul lobilor laterali este mai mic, cu atât câștigul este mai mare.
Câștigul real al antenei în termeni de putere în raport cu un radiator izotrop ipotetic sau un vibrator cu jumătate de undă este caracterizat de câștigul de putere KU (Putere), care este legat de (DPC) prin raportul:
KU (Putere) \u003d KND - Eficiență (eficiența antenei)

Câștig (KU)

Factorul de amplificare (GA) al antenei este raportul dintre puterea de la intrarea antenei de referință și puterea furnizată la intrarea antenei luate în considerare, cu condiția ca ambele antene să creeze intensități de câmp egale într-o direcție dată în aceeași direcție. distanța la emiterea puterii și la recepție, raportul de putere, alocat pe încărcături potrivite de antene.
KU este o mărime adimensională, poate fi exprimată în decibeli (dB, dBi, dBd).
Câștigul antenei este caracterizat printr-un câștig în putere (tensiune), care este alocat într-o sarcină adaptată conectată la bornele de ieșire ale antenei în cauză, în comparație cu o antenă „izotropă” (adică având un DN circular) sau, pt. de exemplu, un vibrator cu jumătate de undă. În acest caz, este necesar să se țină seama de proprietățile direcționale ale antenei și de pierderile din aceasta (eficiență). Pentru antenele de recepție de televiziune (KU) este aproximativ egal cu coeficientul de directivitate (DRC) al antenei, deoarece eficiența unor astfel de antene este în intervalul 0,93 ... 0,96. Câștigul antenelor de bandă largă este dependent de frecvență și nu este uniform pe întreaga bandă de frecvență. În pașaportul pentru antenă, este adesea indicată valoarea maximă (KU).

Factorul de eficiență (COP)

În modul de transmisie, (eficiența) este raportul dintre puterea radiată de antenă și puterea furnizată acesteia, deoarece există pierderi în treapta de ieșire a emițătorului, în alimentator și în antena în sine, eficiența antenei este întotdeauna mai mică. decât 1. La recepția antenelor de televiziune, eficiența este între 0,93…0,96.

După o serie de experimente cu antene elicoidale, a fost trasat un grafic

impedanța de intrare a antenelor dipol și elicoidale verticale în funcție de factorul de viteză (Fig. 6.9) în intervalul 7 ... 28 MHz. Antenele au fost realizate pe un cadru dielectric cu diametrul de 10 mm până la 10 cm, înfășurarea spirală a fost uniformă și s-a folosit un fir cu un diametru mai mare de 0,5 mm.

După cum au arătat experimentele, pentru antenele elicoidale scurtate cu K = 2 ... 10, o modificare a diametrului cadrului lor în interval de 1 ... 10 cm nu afectează în mod semnificativ impedanța de intrare. Cu toate acestea, pentru antenele elicoidale puternic scurtate cu K > 10, rezultatele mele au arătat că impedanța de intrare depinde în mare măsură de diametrul cadrului lor dielectric și de frecvența la care antena elicoidală are rezonanță, deci pentru ele un grafic atât de simplu ca în Fig. . 6.9 nu a putut fi obținut.

După cum se poate observa din acest grafic, un cablu coaxial cu o impedanță caracteristică de 50 ohmi, cu o lungime electrică care este un multiplu de jumătate din lungimea de undă a antenei, este potrivit pentru alimentarea antenelor dipol și elicoidale verticale cu K> 3. În unele cazuri, antenele verticale au avut inițial o impedanță de intrare mult mai mare decât în ​​Fig. 6.9, dar reglarea „solului” antenei la rezonanță a permis coborârea acesteia. Conectarea unui cablu coaxial la o antenă verticală modifică de obicei ușor impedanța de intrare la sfârșitul conexiunii cablului la transceiver, caz în care modificarea impedanței de intrare

mergând în direcția scăderii. Antena elicoidale dipol

comparativ cu unul vertical, are de obicei o impedanță de intrare mai apropiată de cea afișată pe grafic. Cu toate acestea, conectarea unui cablu coaxial la o antenă elicoidală dipol poate determina ca impedanța antenei să fie semnificativ diferită de cea indicată pe grafic, atât în ​​sus, cât și în jos. Cel puțin 10 inele de ferită instalate la capetele cablului coaxial reduc influența acestuia

pe impedanța de intrare, dar nu eliminați complet. Dacă raportul de aspect al antenei spiralate depășește 5, este recomandabil să instalați un șoc de înaltă frecvență nu din inele de ferită, ci sub forma a 5-20 de spire ale unui cablu coaxial cu un diametru de 10 ... 20 cm la capătul cablului coaxial care alimentează antena.

Modificarea diametrului elicei și a diametrului firului folosit pentru a înfășura o antenă reală scurtată nu afectează în mod semnificativ impedanța de intrare a antenei. Acest lucru se întâmplă deoarece, odată cu creșterea diametrului spiralei, antena radiază mai eficient, prin urmare, rezistența la radiații a antenei crește, iar impedanța de intrare a acesteia crește. Odată cu scăderea diametrului spiralei, eficiența radiației undelor electromagnetice de către antenă scade, prin urmare, rezistența la radiații scade, dar pierderile dielectrice în cadrul helix crește. O creștere a pierderilor dielectrice duce la o creștere a rezistenței de intrare a antenei elicoidale. Evident, pentru a crește eficiența antenei spiralate, este necesar să se folosească un fir de cel mai mare diametru posibil pentru fabricarea spiralei sale, iar diametrul spirelor spiralei ar trebui să fie cât mai mare posibil pentru practicile practice. implementarea antenei. Cadrul pe care este realizată spirala antenei trebuie să aibă pierderi dielectrice scăzute. În proiectarea unei antene elicoidale, este de dorit să se utilizeze o înfășurare uniformă a spiralei.

Problemele de proiectare, fabricare și utilizare a antenelor pentru benzile lungi (LW), medii (MW) și scurte (KB) conțin mult mai puține probleme decât antenele pentru banda VHF, în special cele de televiziune. Faptul este că în benzile LW, MW și HF, emițătoarele, de regulă, au o putere mare, propagarea undelor radio în aceste benzi este asociată cu valori mari de difracție și refracție în atmosferă și recepție. dispozitivele sunt foarte sensibile.

La transmiterea și recepționarea unui semnal în banda VHF și, în special, a unui semnal de televiziune, asigurarea valorilor necesare ale acestor parametri provoacă o serie de dificultăți și anume: atingerea puterii emițătoarelor de televiziune, precum cele de difuzare, nu a fost încă posibil; fenomenele de difracție și refracție în domeniul VHF sunt nesemnificative; sensibilitatea unui receptor de televiziune este limitată de nivelul propriului zgomot și este de aproximativ 5 μV datorită necesității de a primi un semnal în bandă largă. Prin urmare, pentru a obține o imagine de nivel înalt pe ecranul televizorului, nivelul semnalului de intrare trebuie să fie de cel puțin 100 μV. Cu toate acestea, din cauza puterii scăzute a emițătorului și a celor mai proaste condiții de propagare a undelor radio, puterea câmpului electromagnetic la punctul de recepție se dovedește a fi scăzută. Prin urmare, apare una dintre cerințele principale pentru o antenă de televiziune: pentru o anumită intensitate a câmpului la punctul de recepție, antena trebuie să furnizeze tensiunea semnalului necesară pentru funcționarea normală a receptorului de televiziune.

Antena de recepție este un singur fir sau un sistem de fire conceput pentru a converti energia undelor electromagnetice în energia curenților de înaltă frecvență. Parametrii antenelor în timpul funcționării pentru recepție și transmisie sunt identici, prin urmare, se poate aplica principiul reciprocității dispozitivelor de antenă, ceea ce face posibilă determinarea unor caracteristici și parametri ai antenelor în modul de transmisie, iar altele în modul de recepție .

Undele radio, care cad asupra obiectelor din jur, induc curenți electrici de înaltă frecvență în ele. Acestea din urmă creează un câmp electromagnetic, iar o undă electromagnetică este reflectată. Antena primește atât unde radio directe, cât și unde radio reflectate, care distorsionează imaginea de pe ecranul televizorului.

Studiile experimentale au arătat că atunci când se folosește polarizarea verticală, la punctul de recepție ajung semnificativ mai multe unde reflectate decât atunci când se folosește polarizarea orizontală. Acest lucru se explică prin faptul că în spațiul înconjurător, în special în orașe, există multe obstacole verticale, care reflectă bine (cladiri, stâlpi, conducte, magneți). La alegerea tipului de polarizare se iau în considerare și proprietățile antenelor. Din punct de vedere structural, antenele orizontale sunt mai simple decât cele verticale. Aproape toate au directivitate în plan orizontal, ceea ce slăbește recepția interferenței și a undelor reflectate din cauza selectivității spațiale.

Antenele de recepție de televiziune trebuie să îndeplinească următoarele cerințe de bază:

Au un design simplu și ușor de utilizat;

Selectivitate spațială ridicată;

Treceți o bandă largă de frecvență;

Asigurați un raport ridicat între nivelul semnalului și nivelul interferenței în timpul recepției;

Au o dependență slabă a impedanței de intrare și a câștigului de frecvență.

Impedanța de intrare a antenei

O antenă este o sursă de semnal, care este caracterizată printr-o forță electromotoare (EMF) și o rezistență internă, care se numește impedanța de intrare a antenei. Impedanța de intrare este determinată de raportul dintre direcția de la bornele antenei și curentul de la intrarea alimentatorului. Valoarea impedanței de intrare a antenei trebuie cunoscută pentru a potrivi corect antena cu cablul și televizorul: numai în această condiție intră cea mai mare putere în intrarea televizorului. Când este potrivită corect, impedanța de intrare a antenei ar trebui să fie egală cu impedanța de intrare a cablului, care, la rândul său, trebuie să fie egală cu impedanța de intrare a televizorului.

Impedanța de intrare a antenei are componente active și reactive. Impedanța de intrare a unei antene rezonante este pur activă. Depinde de tipul de antenă și de caracteristicile sale de design. De exemplu, impedanța de intrare a unui vibrator liniar cu jumătate de undă este de 75 ohmi, iar un vibrator buclă este de aproximativ 300 ohmi.

Coordonarea antenei cu cablul de alimentare

Potrivirea antenă-cablu este caracterizată de raportul undei de călătorie (TWR). În absența unei potriviri ideale între antenă și cablu, unda incidentă (tensiunea de intrare) este reflectată, de exemplu, de la capătul cablului sau din alt punct în care proprietatea acestuia se schimbă dramatic. În acest caz, undele incidente și reflectate se propagă de-a lungul cablului în direcții opuse. În acele puncte în care fazele ambelor unde coincid, tensiunea totală este maximă (antinod), iar în punctele în care fazele sunt opuse, este minimă (nod).

Coeficientul undei de călătorie este determinat de relația:

În cazul ideal, KBV = 1 (când are loc modul de undă de călătorie, adică semnalul puterii maxime posibile este transmis la intrarea TV, deoarece nu există unde reflectate în cablu). Acest lucru este posibil prin potrivirea impedanțelor de intrare ale antenei, cablului și TV. Cel mai rău caz (când Umin=0) KBV=0 (există un mod de undă staționară, adică amplitudinile undelor incidente și reflectate sunt egale, iar energia nu este transmisă de-a lungul cablului).

Raportul undelor staţionare este determinat de relaţia:

Direcționalitate și câștig de antenă

Antena omnidirecțională de recepție primește semnale din toate direcțiile. O antenă de recepție direcțională este selectivă spațial. Acest lucru este important, deoarece cu un nivel scăzut de directivitate a câmpului la locația de recepție, o astfel de antenă crește nivelul semnalului recepționat și atenuează interferențele externe venite din alte direcții.

Directivitatea antenei de recepție este un număr care indică de câte ori puterea primită la intrarea televizorului atunci când este primită pe o antenă direcțională este mai mare decât puterea care poate fi obținută atunci când este primită pe o antenă omnidirecțională (la aceeași intensitate a câmpului).

Proprietățile de directivitate ale unei antene sunt caracterizate de un model de radiație. Modelul de radiație al antenei de recepție este o reprezentare grafică a dependenței tensiunii semnalului la intrarea TV de unghiul de rotație al antenei în planul corespunzător. Această diagramă caracterizează dependența EMF indusă în antenă de un câmp electromagnetic de direcția de sosire a semnalului. Este construit într-un sistem de coordonate polar sau dreptunghiular. Pe orez. 12 sunt prezentate modelele de radiație ale antenei de tip „canal de undă”.

Orez. 1. Model de antenă în sistemul de coordonate polare

Modelele de antene sunt cel mai adesea multi-lobi. Lobul corespunzător direcției de sosire a undei la care este indus EMF maxim în antenă se numește lobul principal. În cele mai multe cazuri, modelul de radiație are, de asemenea, lobi inversați (spate) și laterali. Pentru comoditatea comparării diferitelor antene între ele, modelele lor de radiație sunt normalizate, adică sunt construite în termeni relativi, luând cel mai mare EMF ca unu (sau sută la sută).

Principalii parametri ai modelului de radiație sunt lățimea (unghiul de deschidere) a lobului principal în planurile orizontale și verticale. Lățimea lobului principal este utilizată pentru a judeca proprietățile direcționale ale antenei. Cu cât această lățime este mai mică, cu atât este mai mare direcția.

Orez. 2. Modelul de radiație al antenei într-un sistem de coordonate dreptunghiular

Nivelul lobilor laterali și posteriori caracterizează imunitatea la zgomot a antenei. Se determină folosind factorul de protecție (PCF) al antenei, care este înțeles ca raportul dintre puterea emisă de antenă la o sarcină potrivită atunci când este primită din direcția din spate sau lateral, și puterea de la aceeași sarcină când este primită de la directia principala.

Adesea, coeficientul de acțiune de protecție este exprimat în unități logaritmice - decibeli:

Proprietățile direcționale ale antenei sunt, de asemenea, caracterizate de coeficientul direcțional (DRC) - un număr care arată de câte ori puterea semnalului care intră în intrarea TV atunci când este primit pe o antenă direcțională dată este mai mare decât puterea care ar putea fi obținută atunci când este primită. pe o antenă de referință omnidirecțională sau direcțională. Ca antenă de referință, se folosește cel mai adesea un vibrator cu jumătate de undă (dipol), al cărui coeficient de direcție în raport cu o antenă ipotetică nedirecțională este de 1,64 (sau 2,15 dB). Coeficientul de directivitate caracterizează câștigul maxim de putere posibil pe care îl poate oferi o antenă datorită proprietăților sale direcționale, presupunând că nu are deloc pierderi. În realitate, orice antenă are pierderi și câștigul de putere pe care îl oferă este întotdeauna mai mic decât maximul posibil. Câștigul real al antenei în termeni de putere în raport cu un radiator izotrop ipotetic sau un vibrator cu jumătate de undă este caracterizat de câștigul de putere K r, care este legat de KND prin relația:

Unde η - coeficientul de performanță (COP) al antenelor.

Eficiența antenei caracterizează pierderea de putere în antenă și este raportul dintre puterea de radiație și suma puterilor și pierderilor de radiație, adică la puterea totală care este furnizată antenei de la transmițător:

Unde P u- puterea de radiație, P n- pierdere de putere.

Lățimea de bandă a antenei

Lățimea de bandă a antenei de televiziune de recepție este un spectru de frecvență în care sunt menținute toate valorile principale ale caracteristicilor sale electrice. Răspunsul în frecvență al unei antene reglate este similar cu curba rezonantă a unui circuit oscilant. Prin urmare, prin analogie cu lățimea de bandă a buclei, se poate determina și lățimea de bandă a antenei.

La o frecvență de rezonanță (fixă), antena are o anumită impedanță de intrare, care este în concordanță cu impedanța de sarcină. Pentru o astfel de frecvență, se ia de obicei frecvența medie a canalului de televiziune, la care reactanța antenei este zero. La frecvențe sub rezonant este capacitiv, iar la frecvențe peste rezonant este inductiv.

Astfel, o modificare a frecvenței duce atât la o modificare a componentei active, cât și la apariția unei componente reactive a rezistenței de intrare. Ca urmare, puterea furnizată sarcinii este redusă.

Acest lucru este vizibil mai ales la frecvențele extreme, cele mai îndepărtate de frecvența de rezonanță. Este permisă reducerea puterii de cel mult două ori. Pe baza acestei lățimi de bandă 2Af un astfel de spectru de frecvență este considerat aproape de frecvența de rezonanță în cadrul căreia puterea furnizată sarcinii va scădea de cel mult două ori.

Pentru a asigura o bună calitate a recepției, antena trebuie să treacă pe întregul spectru de frecvență al semnalului de televiziune, care pentru un canal este de 8 MHz. Calitatea imaginii este încă destul de bună dacă antena transmite o lățime de bandă de cel puțin 6 MHz. Îngustarea în continuare a benzii de frecvență duce la o deteriorare a calității imaginii și la pierderea clarității. Cea mai eficientă metodă de extindere a lățimii de bandă este reducerea rezistenței echivalente a undei a vibratorului prin creșterea dimensiunilor transversale ale acestuia. În acest fel, capacitatea liniară crește și inductanța liniară a vibratorului scade. Printre altele, lățimea de bandă a antenei este limitată și de lățimea de bandă a alimentatorului de picături.

Care este impedanța de intrare a unei antene?

Toată lumea știe că impedanța de intrare (impedanța) antenei este rareori egală cu impedanța liniei de alimentare. Aici voi încerca să arăt cum să coordonez încărcătura cu alimentatorul folosind metode eficiente.
În plus, toate exemplele vor fi date pentru un cablu coaxial cu o impedanță caracteristică de 50 ohmi, dar principiul de calcul este valabil și pentru alte linii de transmisie dezechilibrate și echilibrate.

Impedanța de intrare a antenei

Mai întâi, să aflăm care este impedanța de intrare a antenei. Se crede că este o rezistență reactivă și activă conectată în serie. Dar nu există un rezistor, un condensator sau un inductor real în antenă sau alimentator. Toate acestea sunt doar rezultatul calculării rezistențelor echivalente ale circuitului antenei.

Să fie folosită o „cutie neagră” ca sarcină, al cărei conector de intrare este alimentat cu tensiune RF. Pe acest conector, puteți măsura de fapt tensiunea instantanee u’ și curentul i’, precum și diferența de fază dintre ele j . Rezistența de intrare este rezistența activă și reactivă calculată, conectarea la care tensiunea RF dată va obține exact aceeași u ', i' și j .

Se știe că un astfel de echivalent poate avea atât conexiune serială (serial, Zs=Rs+jXs) cât și paralelă (paralelă, Zp=Rp||+jXp) a rezistențelor active și reactive. Fiecare conexiune în serie de rezistențe active (Rs) și reactive (Xs) corespunde unei conexiuni paralele de rezistențe active (Rp) și reactive (Xp). În general, Rs Nr. Rp și Xs Nr. XP. Dau formule prin care puteți converti valorile numerice dintr-un compus în altul.

De exemplu, să recalculăm conexiunea serială Zs=40+j30 W la paralela Zp.

Echivalentul unei conexiuni în serie este folosit mai des, dar echivalentul unei conexiuni paralele are aceeași valoare practică. Zs se numește impedanța serie, R este rezistența, X este reactanța și Zp este impedanța paralelă.

În conexiune paralelă, administrarea este adesea folosită, dar aceasta este conductivitate, iar vizibilitatea este mult redusă atunci când se folosește. De obicei, termenul de „impedanță” indică faptul că vorbim despre o conexiune în serie de rezistențe active și reactive echivalente.

Cu toate acestea, recalcularea conexiunii în serie a rezistențelor în conexiune paralelă este adesea necesară pentru a compensa componenta reactivă. Trebuie doar avut în vedere că prin compensare în serie și paralelă obținem diferite componente active ale rezistenței.

Pentru a converti Zs în Zp și invers, programul NETCALK este foarte potrivit.
Se pune întrebarea cum se măsoară parametrii sarcinii complexe. Din păcate, un simplu contor SWR este de puțin folos aici. Pentru aceasta folosesc analizorul vectorial VA1, care arata toate valorile digitale necesare pe display. De asemenea, puteți utiliza dispozitivul AA-330.

Compensare reactivă

Componenta reactivă a rezistenței (impedanța) este utilă pentru compensare. Acest lucru reduce SWR. Esența compensării este alinierea fazelor de tensiune și curent. Puteți modifica unghiul de fază între tensiune și curent conectând un element reactiv în serie sau în paralel.

Pentru ca diferența de unghiuri de fază să devină zero, este necesar să se conecteze o astfel de reactanță care este prezentă în circuitul de sarcină echivalent, doar cu semnul opus. Se știe că reactanța capacității are semn negativ, inductanță - pozitiv.

În cazul compensării în serie se conectează în serie un element reactiv echivalent suplimentar cu semn opus și se obține un circuit în serie, iar în cazul compensării în paralel, în paralel, se obține un circuit paralel. În cazul unei conexiuni în serie de rezistențe, acestea pur și simplu se adună

Și în cazul conexiunii în paralel

Dacă sarcina este complet compensată, aceste circuite sunt în rezonanță, în timp ce Xs=0 sau Xp=Ґ . De exemplu, avem o sarcină Zs=50+j30 W (Zp=68||+j113W), SWR=2.

Dacă pornim containerul în serie cu sarcina cu Xc = -30 W, obținem Z=50 W şi SWR=1. Dacă conectăm un condensator în paralel cu sarcina cu Xc = -113 W, obținem Z=68 W şi SWR=1,36. În cazul compensării în serie, unui element suplimentar cu un echivalent îi corespunde un circuit în serie, în cazul unuia paralel - unuia paralel.

Potrivirea rezistenței

După cum am scris deja, prin conectarea elementului de compensare în moduri diferite, în cazul general obținem un Z diferit și, astfel, SWR. Să vedem cum putem compensa (potrivi) sarcina Zs=22+j25 W (Zp=50,4||+j44W), SWR=2,94.

Conectarea unui condensator în serie cu Xc=-25 W obținem Z=22 W (SWR=2,27). Dacă conectăm un condensator în paralel cu sarcina cu Xc \u003d -44 W, obținem Z=50,4 W şi SWR=1,01. După cum puteți vedea, în acest caz compensarea paralelă este incontestabil mai bună. Dacă o astfel de sarcină este conectată la un transmițător care funcționează la o frecvență de 14 MHz, atunci un condensator cu o capacitate de

Dacă transmițătorul are un circuit P de ieșire, atunci această capacitate trebuie adăugată la condensatorul de ieșire (rece). Acest lucru se poate face folosind condensatorul de ieșire, dacă este mărit cu cantitatea necesară. În acest caz, obținem o potrivire bună a emițătorului, proiectat pentru 50 W , cu sarcină (la punctul de conectare al alimentatorului cu transmițătorul, r \u003d 0), deși SWR din cablu va rămâne 2,94. W , apoi în paralel cu condensatorul circuitului P este necesar să conectați o inductanță de 0,5 mH (Xl=44 W ) sau, dacă este posibil, reduceți capacitatea condensatorului „rece” al buclei P cu 258pF (Xs = -44 W ). Parțial din această cauză, prin reglarea buclei P la o sarcină reală, obținem o capacitate inegală a unui condensator „rece” în comparație cu 50 W echivalent.

Parțial pentru că, prin modificarea capacității condensatoarelor P-loop, este posibil, în anumite limite, reglarea emițătorului la o sarcină care nu este egală cu cea calculată la proiectarea transmițătorului. Dacă transmițătorul nu are o buclă P sau un tuner, atunci această reactanță necompensată dezacordează filtrul de ieșire al transmițătorului, coeficientul de reflexie r >0 și transmițătorul nu este capabil să furnizeze puterea calculată către alimentator.

Vreau să remarc că nici circuitul P, nici tunerul din transceiver sau din apropierea acestuia, SWR din alimentator nu se schimbă. Aceste dispozitive pot potrivi numai impedanța de ieșire a transmițătorului cu impedanța de intrare a alimentatorului în punctul de conectare a acestuia la transmițător (a nu se confunda cu impedanța caracteristică a alimentatorului), adică îmbunătățirea reflectivității r . Pentru a îmbunătăți SWR în cablu, este necesar să se potrivească sarcina cu impedanța caracteristică a alimentatorului în punctul de conectare.
Puteți aplica compensarea în serie și paralelă în același timp. Depinde de cazul specific. Vă dau un exemplu real. Impedanța antenei la 1.9MHz are o impedanță de Zs=26+j44 W (Zp=100||+j59W), SWR=3,7.

Dacă un condensator cu Xc = -59 este conectat în paralel cu sarcina W, obținem Z=100 W , SWR=2, dacă conectăm un condensator în serie cu Xc=-44 W , obținem Z=26, SWR=1,92. Ultima opțiune este mai bună, dar totuși proastă. Acum, fără a schimba Rs, selectăm X astfel încât Rp să devină 50 W . Această opțiune corespunde cu Zs=26+j25 W . Conectați reactivitatea în serie cu sarcina Xs=(26+j25)-(26+j44)=-j19 W (condensator 4,4 nF). Primit Zs=26+j25 W recalculați la Zp=50||+j52 W.

Acum conectăm în paralel reactivitatea Xp=-j52 W (condensator 1.6nF) și obțineți Z=50 W şi SWR=1. Totul, antenă cu 50 W alimentator aprobat!
Toate acestea pot fi calculate cu ușurință folosind programul MMANA. Am scris toate acestea pentru a înțelege mecanismul de configurare și ce afectează ce.

Poți fi de acord în alt mod. Se știe că, dacă la alimentator este conectată o sarcină, a cărei rezistență nu este egală cu rezistența undei a alimentatorului, atunci alimentatorul va transforma rezistența la sarcină.

Valoarea numerică a rezistenței la intrarea alimentatorului va depinde de rezistența la sarcină, rezistența undei și lungimea alimentatorului. Folosind programul APAK-EL, constatăm că dacă la încărcarea Zs=26+j44 W conectați alimentatorul 50 W 4,76 m lungime, apoi la o frecvență de 1,9 MHz la intrare obținem Zs=50+j69 W.

Dacă în acest loc pornim capacitatea în serie cu Xc = -69 W (condensator 1.2nF), atunci obținem Z=50 W şi SWR=1. Din acest loc puteți conecta 50 W alimentator de orice lungime.

Sunt posibile și alte opțiuni de acord. Depinde de înțelegerea esenței și a fanteziei.
Acum să încercăm să potrivim antena la 14 MHz, a cărei rezistență este Zs=150-j260 W (Zp=600||-j346 W ). După cum puteți vedea, un element compensator nu funcționează.

Trebuie să luăm 50 W, nu 150 W sau 600 W . Introducem date în APAK-EL și găsim punctul cel mai apropiat de sarcină, unde Rtr=50 W.

După cum puteți vedea, lungimea cablului suplimentar va fi de doar 30 cm. În acest loc vom avea Zs=50-j161 W . Dacă în acest loc conectăm în serie inductanța cu Xl=161 W , atunci obținem acordul deplin (Z=50 W , SWR=1).
Toate acestea pot fi coordonate la locul unde sarcina este conectată la alimentator. Exemplu cu MMANA

După cum puteți vedea, puteți fi de acord conectând o inductanță de 1,35 m H paralel cu sarcina și aplicați un semnal sarcinii printr-un condensator de 68,5pF.

pene

Buclele sunt numite segmente scurte sau deschise ale alimentatorului. Într-un alimentator ideal (alimentator fără pierderi), rezistența unor astfel de segmente este pur reactivă, nu există o parte activă.

Astfel de segmente de alimentare pot fi utilizate pentru compensarea componentei reactive. Acest lucru este util dacă se aplică compensarea paralelă. Deseori utilizate segmente de până la un sfert de lungime de undă. Pot fi mai lungi, dar alimentatoarele reale au pierderi și cu cât linia este mai lungă, cu atât mai mult.

Lungime electrică în buclă închisă până la 1/4 l are o reactanță inductivă la capăt, deschis - capacitiv. Astfel de segmente de alimentare pot simula atât inductanța, cât și capacitatea. Dar nu trebuie să uităm că inductanța sau capacitatea buclei depinde de frecvență.

În exemplul de mai sus, vedem că trebuie să conectăm o inductanță de 1,352 m H. Cu ajutorul MMANA, constatăm că o astfel de inductanță la 14 MHz are o buclă scurtcircuitată la capăt dintr-un cablu RG58/U de 2,62 m lungime.

Folosind același exemplu, vom încerca să coordonăm același lucru folosind MMANA într-un mod diferit, folosind doar o buclă.

Astfel, dacă un cablu scurtcircuitat are 67,5 cm lungime. conectați în paralel cu alimentatorul la o distanță de 2,57 m. de la sarcină, atunci vom coordona complet alimentatorul cu încărcătura. Alternativ, puteți conecta o buclă deschisă de 2,84 m lungime în paralel. la o distanta de sarcina de 3,82 m.
Sunt posibile și alte opțiuni de acord. Dar trebuie amintit că pierderile în alimentatoarele cu rezistență scăzută (coaxiale) la valori SWR ridicate sunt semnificative, așa că este recomandabil să alegeți o metodă de potrivire care să producă cele mai scurte segmente de alimentare cu SWR ridicat și să folosiți cabluri groase de înaltă calitate.
După cum puteți vedea, practic totul poate fi coordonat în moduri diferite.
Doar pentru asta aveți nevoie de un dispozitiv de măsurare și, bineînțeles, de un computer. Impedanța complexă a antenei nu poate fi măsurată nici cu un tester, nici cu un contor SWR. Fără aceste date, reconcilierea se transformă într-o sarcină laborioasă și adesea duce la rezultate nesatisfăcătoare.

În acest articol, am descris mai multe metode de potrivire. Am încercat să descriu esența problemei cât mai simplu posibil, dar nu este foarte simplu într-o astfel de întrebare.
Acest articol a fost scris de mine acum câțiva ani în lituaniană și acum a fost tradus în rusă. În prezent există și alte versiuni ale programelor APAK-EL și MMANA, exemple sunt date folosind versiunile vechi.
APAK-EL are o utilitate care poate fi folosită și pentru a calcula reactivitățile compensatoare. Cu toate acestea, principiul coordonării în sine nu se schimbă de la acesta.
Sper ca articolul sa fie de folos cuiva.

Vytas (LY3BG), ly3bgtakas.lt

PRELEZA 9

• 
  ^ Emițător izotrop
• 
  Vibrator simetric
• 
  Principalele caracteristici ale antenelor. Caracteristica amplitudinii antenei
• 
  Rezistența la radiații
• 
  Impedanța antenei
• 
  Impedanta de intrare
• 
  Rezistenta la pierderi

^

EMITĂTOR ISOTROPIC.

Un emițător izotrop este un dispozitiv care radiază uniform și egal energie electromagnetică în toate direcțiile.

Cu toate acestea, în practică, emițătorii omnidirecționali nu există. Fiecare antenă de transmisie, chiar și cea mai simplă, radiază energii inegal și există întotdeauna o direcție în care este radiată energia maximă.

Cel mai simplu sau elementar emițător este un vibrator electric electromagnetic, care constă dintr-un fir foarte scurt în comparație cu lungimea de undă, circulat de un curent electric, a cărui amplitudine și fază sunt aceleași în orice punct al firului. Un model practic al unui vibrator elementar este dipolul hertzian. Structura câmpului de radiație al dipolului hertzian are un maxim într-un punct situat pe o dreaptă perpendiculară pe dipol. De-a lungul câmpului dipol = 0.
^

VIBRATOR SIMETRIC.

Este format din doi conductori de aceeași lungime, între care este conectată o linie de alimentare - un alimentator care conectează antena la transmițător.

Cel mai adesea se folosește un vibrator simetric cu lungimea l de jumătate , numit vibrator semiundă fig. 37a.

Datorită reflectării curentului și tensiunii la capetele firelor antenei, de-a lungul firelor se stabilește o undă staționară de curent și tensiune.

De-a lungul vibratorului cu semiundă, câmpul undei de curent și tensiune se stabilește, de-a lungul vibratorului cu lungimea de undă, unda de curent și tensiune (Fig. 37b). Cu toate acestea, în orice caz, la capete sunt instalate un nod de curent și un antinod de tensiune.
^

PRINCIPALELE CARACTERISTICI ALE ANTENELE.

CARACTERISTICI DE AMPLITUDINE ALE DIRECTIEI ANTENLOR.

Este obișnuit să se determine proprietățile direcționale ale antenelor prin caracteristica de directivitate a amplitudinii, adică dependenţa intensităţii câmpului radiat de antenă E (,) la punctul de observare la o distanţă constantă. Reprezentarea grafică a caracteristicii de directivitate a amplitudinii se numește model de directivitate, care este reprezentată ca o suprafață descrisă de un vector-rază pornind de la originea coordonatelor, a cărui lungime în fiecare direcție este proporțională cu funcția. F (, ) .

Modelul de radiație este construit atât în ​​sistemul de coordonate polar (Fig. 38a), cât și în sistemul de coordonate dreptunghiular (Fig. 38b).

Direcția de radiație maximă a antenelor se numește direcția principală. Iar petala care îi corespunde este cea principală. Restul petalelor sunt laterale. Direcțiile în care antena nu primește și nu radiază sunt numite nule ale diagramei de radiație.

Lobul principal se caracterizează prin lățimea la jumătate de putere  0,5 și lățimea la zerouri  0. Lățimea  0,5 se determină din RP la nivelul 0,707, se ia pe baza că puterea la nivelul 0,5 și intensitatea câmpului la nivelul 0,707 sunt legate prin relația

R 0,5 / R max = E 2 0,707 / E 2 max = 0,5 .

Coeficientul de direcție al factorului de directivitate caracterizează capacitatea antenei de a concentra câmpul electromagnetic radiat în orice direcție. Este raportul dintre densitatea fluxului de putere radiată de antenă într-o direcție dată și densitatea fluxului de putere mediată pe toate direcțiile. Cu alte cuvinte, la determinarea factorului de directivitate, antena este comparată cu o antenă imaginară, complet omnidirecțională sau izotropă, care radiază aceeași putere ca cea luată în considerare.

Pentru antene cu deschidere

LA nd = 4 LA Spaniolă S a /  2 ,

Unde: LA isp - coeficientul de utilizare al suprafetei radiante a instrumentatiei;

S a este aria de deschidere a antenei.

Pentru majoritatea antenelor RRL și sistemelor de transmisie prin satelit, lățimea modelului de jumătate de putere în plan vertical este aproximativ egală cu lățimea modelului în plan orizontal.

Pentru a ține cont de eficiența unei antene reale, se introduce conceptul de câștig al antenei, care este determinat de relația

G=  a LA nd ,

Unde:  dar = R  / R 0 - randamentul antenei;

R  - puterea radiată de antenă;

R 0 este puterea furnizată antenei.

Câștigul antenei arată de câte ori ar trebui redusă puterea furnizată antenei în comparație cu puterea furnizată unui radiator izotrop cu o eficiență egală cu 1, astfel încât intensitatea câmpului la punctul de recepție să rămână neschimbată.

În domeniul undelor decimetrice și centimetrice  a  1 , de aceea

G = K nd.

Coeficientul de acțiune de protecție al CPD este introdus pentru a caracteriza gradul de atenuare de către antenă a semnalelor primite din direcții laterale și se calculează prin formula LA zd = G max /G pob unde G max si G fb - câștiguri de antenă în direcția lobului principal al RP și în direcția laterală.
^

REZISTENTA LA RADIAȚII.

Rezistența la radiații antenei R izl - un indicator care are dimensiunea rezistenței și conectează puterea radiată P izl cu curentul eu A, care curge prin orice secțiune a antenei

R izl = R izl / eu DAR 2 .

Deoarece curenții și tensiunile de-a lungul lungimii antenei sunt distribuite neuniform, pentru a rotunji valorile R izl, în cele mai multe cazuri, puterea radiată este legată de pătratul amplitudinii maxime a curentului (la antinod) sau de pătratul curentului la bornele de intrare ale antenei.

Valoare R izl depinde de raportul dintre dimensiunile antenei și lungimea de undă, forma antenei și alți factori.

Deci, mărirea lungimii unui vibrator simetric solitar la l =  , duce la o creștere a rezistenței la radiații. Cu toate acestea, scade și apoi crește din nou.

În general R izl are un caracter complex.

De exemplu, pentru un vibrator subțire cu jumătate de undă R izl = 73,1 Om, a X izl = 42,5 Ohm.

O creștere a grosimii vibratorului duce la o scădere a mărimii rezistenței undei.
^

REZISTENTA LA UNDE A ANTENEI.

Impedanța antenei Z OA este unul dintre parametrii importanți. Rezistența undelor este considerată prin metodele teoriei liniilor lungi.

Pentru un singur conductor cilindric de lungime l , căruia i se poate atribui antena sub formă de vibrator simetric, formula de calcul are forma

,

Unde: r n este raza conductorului.

O creștere a grosimii conductorului duce la o scădere a rezistenței undei.
^

REZISTENTA LA INTRARE.

Impedanța de intrare a antenei este un indicator care reprezintă raportul dintre tensiunea de la bornele antenei și curentul care circulă prin acestea. În general, această rezistență are un caracter complex.

Z Avh = R Avh + ix Avh

Unde: R Авх este componenta activă a rezistenței de intrare;

X Авх este componenta reactivă a rezistenței de intrare.
^

REZISTENTA LA PIERDERI.

Rezistența la pierdere este definită ca:

R P = R n + R Și + R 3 ,

Unde: R n - rezistența pierderilor pentru firele de încălzire;

R și - rezistența la pierderi în izolatoarele antenei;

R 3 - rezistența la pierderi în pământ și în sistemele de împământare.