Как устроена магнитная антенна. Каков принцип работы магнитной антенны. Для чего используются магнитные антенны. Какие преимущества имеют магнитные антенны перед другими типами антенн. Как выбрать магнитную антенну.
Что такое магнитная антенна и как она устроена
Магнитная антенна представляет собой специальное устройство для приема радиосигналов, основанное на использовании магнитной составляющей электромагнитного поля. Основными элементами магнитной антенны являются:
- Катушка индуктивности
- Ферритовый сердечник
- Каркас из диэлектрического материала
Катушка индуктивности наматывается на каркас, внутри которого располагается ферритовый сердечник. За счет высокой магнитной проницаемости феррита происходит концентрация магнитного потока, что позволяет существенно повысить чувствительность антенны.
Принцип работы магнитной антенны
Принцип действия магнитной антенны основан на явлении электромагнитной индукции. Как происходит прием сигнала магнитной антенной:
- Магнитная составляющая электромагнитного поля пронизывает витки катушки антенны
- В катушке индуцируется ЭДС (электродвижущая сила)
- Величина ЭДС прямо пропорциональна частоте сигнала и количеству витков катушки
- Наведенная ЭДС создает переменный ток в катушке
- Сигнал с катушки подается на вход приемника для дальнейшего усиления и обработки
Ферритовый сердечник играет ключевую роль, концентрируя магнитный поток и многократно усиливая наводимую в катушке ЭДС. Это позволяет получить высокую чувствительность при компактных размерах антенны.
Преимущества магнитных антенн
Магнитные антенны обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами антенн:
- Компактные размеры при хорошей чувствительности
- Слабая чувствительность к электрическим помехам
- Выраженные направленные свойства
- Широкий диапазон рабочих частот
- Простота конструкции и низкая стоимость
Благодаря этим преимуществам магнитные антенны нашли широкое применение в портативных и автомобильных радиоприемниках, а также в специальной радиоаппаратуре.
Основные характеристики магнитных антенн
При выборе магнитной антенны следует учитывать следующие ключевые характеристики:
- Диапазон рабочих частот
- Добротность
- Действующая высота
- Индуктивность катушки
- Размеры и форма ферритового сердечника
Правильный выбор этих параметров позволяет оптимизировать чувствительность антенны в требуемом диапазоне частот. Например, для приема длинных и средних волн используются антенны с длинным ферритовым стержнем и большим количеством витков катушки.
Применение магнитных антенн
Благодаря своим преимуществам магнитные антенны широко используются в различных областях:
- Портативные радиоприемники
- Автомобильные радиостанции
- Пейджеры и мобильные телефоны
- Радиопеленгаторы
- Измерительные приборы
- Системы радиочастотной идентификации (RFID)
Особенно эффективно применение магнитных антенн в условиях высокого уровня электрических помех, например в промышленных зонах или внутри транспортных средств.
Конструктивные особенности магнитных антенн
При разработке магнитных антенн необходимо учитывать ряд важных конструктивных особенностей:
- Оптимальное соотношение длины и диаметра ферритового сердечника
- Выбор марки феррита с учетом диапазона частот
- Расчет оптимального числа витков и способа намотки катушки
- Обеспечение механической прочности конструкции
- Экранирование от внешних электрических полей
Правильный учет этих факторов позволяет создать эффективную магнитную антенну с требуемыми характеристиками. При этом важно найти компромисс между чувствительностью, габаритами и стоимостью антенны.
Настройка и согласование магнитных антенн
Для обеспечения максимальной эффективности магнитной антенны необходимо выполнить ее настройку и согласование с входными цепями приемника. Основные этапы этого процесса:
- Настройка резонансной частоты контура антенны
- Оптимизация добротности контура
- Согласование выходного сопротивления антенны с входным сопротивлением приемника
- Подстройка связи между антенной и входным контуром приемника
Правильная настройка позволяет получить максимальную чувствительность и избирательность приемного тракта. При этом могут использоваться различные методы настройки — механическое перемещение элементов, подстроечные конденсаторы, варикапы и др.
Перспективы развития магнитных антенн
Несмотря на то, что магнитные антенны известны уже много десятилетий, они продолжают активно развиваться. Основные направления совершенствования:
- Применение новых магнитных материалов с улучшенными характеристиками
- Оптимизация конструкции с помощью компьютерного моделирования
- Интеграция антенн в микросхемы и печатные платы
- Создание активных магнитных антенн со встроенными усилителями
- Разработка многодиапазонных и широкополосных магнитных антенн
Эти инновации позволят еще больше расширить области применения магнитных антенн и улучшить их характеристики. В частности, ожидается широкое внедрение магнитных антенн в системах беспроводной связи нового поколения.
Магнитная антенна. В.Фролов
Магнитные антенны широко применяются в промышленных и любительских радиоприемниках. Объясняется это тем, что они имеют небольшие размеры и хорошо выраженные направленные свойства. Кроме того, они малочувствительны к электрическим помехам, что особенно ценно в условиях больших городов, где уровень таких помех велик.
Основными элементами магнитной антенны, обозначаемой на схемах буквами MA, являются (рис. 1): катушка индуктивности 1, намотанная на каркасе 2 из изоляционного материала, и сердечник 3 из высокочастотного ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью.
Каков принцип действия магнитной антенны?
Радиоволны, излучаемые антенной радиостанции, представляют собой периодически изменяющееся электромагнитное поле, в котором неразрывно связаны электрическое и магнитное поля. Эти поля — составляющие радиоволн. Назначение антенны состоит в том, чтобы преобразовать энергию электромагнитного поля (радиоволн) в электрические колебания, которые можно усилить приемником.
Знакомая всем Г-образная антенна, представляющая собой отрезок провода, является электрической антенной, так как она реагирует на электрическую составляющую поля. Под действием электромагнитного поля в такой антенне возникает электродвигающая сила (э. д. с), которую можно непосредственно использовать в приемнике для усиления и преобразования в звуковые колебания. В отличие от электрической, магнитная антенна реагирует на магнитную составляющую поля радиоволн, поэтому ее и именуют магнитной антенной.
Простейшей магнитной антенной является рамочная антенна (рис. 2), состоящая из одного или нескольких витков провода, имеющих форму рамки. Магнитное поле, пронизывающее плоскость такой антенны, индуцирует в ней электрические колебания — переменную э. д. с. Таким образом, в магнитной антенне происходит преобразование энергии магнитного поля в электрическую. По этой причине рамочную антенну, как и катушку магнитной антенны с сердечником, называют также магнитоприемником.
Величина э. д. с, наведенной полем в рамочной антенне, зависит от положения ее в пространстве. Она максимальна тогда, когда плоскость витков антенны направлена на радиостанцию. Если рамку поворачивают вокруг вертикальной оси, то за один оборот э. д. с. дважды достигнет наибольшей величины и дважды уменьшится до нуля. На рис. 2 это свойство магнитной антенны показано диаграммой направленности, имеющей вид восьмерки.
Направленные свойства магнитной антенны широко используются в специальных приемниках, например в аппаратуре для «охоты на лис».
Однако, если размеры рамочной антенны небольшие, то даже при значительном числе витков э. д. с, возникающая в ней под действием поля, очень мала и недостаточна для нормальной работы приемника.
При введении внутрь витков рамочной антенны ферромагнитного сердечника (например, ферритового), э. д. с. резко увеличивается. Происходит это потому, что сердечник концентрирует силовые линии поля и рамка пронизывается теперь магнитным потоком большей плотности, чем до введения в нее сердечника.
Магнитная проницаемость — важнейшая характеристика магнитного материала. У ферритов числовое значение магнитной проницаемости входит в условное обозначение их марок, например, 600НН, 400НН и т. д. Но это так называемая начальная магнитная проницаемость ?н. Ее измеряют на сердечниках тороидальной формы. Сердечник же магнитной антенны обычно представляет собой прямой стержень круглого или прямоугольного сечения. Магнитные свойства таких сердечников оценивают величиной эффективной магнитной проницаемости ?эф. Она зависит от размеров и начальной магнитной проницаемости сердечника. При одинаковых площадях поперечного сечения сердечник большей длины имеет большую ? эф. Зависимость ?эф от отношения длины сердечника l к его диаметру d для некоторых марок ферритов изображена графически на рис.
3.
Эффективность приемных антенн принято оценивать величиной действующей высоты hд. Чем она больше, тем больше э. д. с., наведенная электромагнитным полем в антенне, тем более слабые сигналы можно принять. Этот параметр магнитной антенны зависит от ?эф сердечника, площади его сечения S, числа витков n катушки, ее длины а и диаметра dK (рис. 4), а также от расположения катушки на сердечнике и рабочей длины радиоволны. При увеличении ?эф, S, n, а и уменьшении разницы в диаметрах сердечника и катушки действующая высота антенны увеличивается. Она растет и при уменьшении длины волны. При прочих равных условиях h
Качество катушки индуктивности оценивают ее добротностью — числом, показывающим, во сколько раз индуктивное сопротивление катушки переменному току больше сопротивления ее постоянному току. Сопротивление катушки переменному току, как известно, зависит от ее индуктивности L и частоты тока, протекающего через нее.
Чем больше L катушки и рабочая частота тока, тем больше ее сопротивление переменному току. Таким образом, если задана частота тока и индуктивность, то добротность катушки молено увеличить путем уменьшения ее сопротивления постоянному току. Сделать это можно различными конструктивными способами (например, наматывать катушку так, чтобы получить нужную индуктивность при меньшей длине провода, увеличивать диаметр катушки и провода), но наибольший эффект дает введение в катушку ферромагнитного сердечника. Поскольку при этом индуктивность увеличивается в несколько раз, оказывается возможным уменьшить число витков катушки, а следовательно и ее сопротивление постоянному току.
Однако на добротность катушки магнитной антенны значительно больше влияют потери в сердечнике, чем потери в ее проводе. Поэтому, выбирая марку феррита для сердечника, надо учитывать, что с увеличением частоты потери в разных ферритах растут неодинаково (рис. 5). В феррите марки 2000НН, например, потери увеличиваются уже на частотах 100—150 кгц7 а в феррите марки 100НН — на частотах в несколько мегагерц.
Практически считается, что для антенн ДВ и СВ диапазонов наиболее целесообразно применять ферриты с начальной магнитной проницаемостью от 400 до 1000, для антенн KB диапазона — от 50 до 150.
Как видно из рис. 3, при увеличении длины сердечника lС (при неизменном d) ?эф увеличивается, поэтому всегда следует стремиться к тому, чтобы отношение lc/d было мaксимально возможным. Обычно длина сердечника ограничивается размерами корпуса приемника и отношение l/d не превышает 20—25.
Форма поперечного сечения сердечника влияет на свойства магнитной антенны гораздо меньше. Ее обычно выбирают из чисто конструктивных соображений. Так, в целях наилучшего использования объема в малогабаритных транзисторных приемниках применяют сердечники прямоугольного сечения, свойства которых равнозначны свойствам круглых сердечников с такой же площадью поперечного сечения.
В транзисторных приемниках обычно применяют настраиваемые магнитные антенны, используя их катушки в качестве катушек индуктивности входных контуров (LаC на рис.
6). В результате этого во входной контур вносятся дополнительные потери и его добротность становится меньше добротности антенной катушки. В этом случае приемные свойства магнитной антенны, оценивают величиной приведенной (эффективной) действующей высоты. Она равна произведению добротности входного контура на рабочей частоте на действующую высоту магнитной антенны до подключения ее к приемнику. Дополнительные потери вносит и переключатель диапазонов, а также соединительные провода. Чем провода короче и качественнее контакты переключателя, тем потери в них меньше.
Индуктивность L и добротность Q антенной катушки зависят в основном от магнитных свойств сердечника (магнитной проницаемости и потерь) и расположения катушки на сердечнике. При введении в катушку ферритового сердечника ее индуктивность увеличивается в 5—12 раз в зависимости от |цн сердечника, размеров его и катушки. Индуктивность катушки максимальна, когда она находится на середине сердечника (по рис. 4 х=0) и уменьшается примерно на 20% при перемещении ее к концу сердечника.
Этим свойством катушки радиолюбители пользуются для подбора ее индуктивности при налаживании приемников. Но надо иметь в виду, что магнитный поток в сечении сердечника при приближении к его концам уменьшается (из-за неравномерности поля в сердечнике). Это приводит к уменьшению действующей высоты, а следовательно и к уменьшению наводимой в катушке э. д. с. по сравнению с э. д. с., наведенной в катушке при ее расположении на середине сердечника.
Добротность катушки при смещении ее на край сердечника уменьшается более чем на 30%. Поэтому, учитывая все сказанное о взаимном расположении катушки и сердечника, не следует располагать катушку ближе 10 мм от края сердечника. При этом добротность катушки падает примерно на 10%.
На индуктивность и добротность катушки влияют также длина а катушки и ее диаметр dK (рис. 4). Увеличение длины намотки катушки (а) при неизменном числе витков приводит к уменьшению ее индуктивности и добротности.
Оптимальная длина намотки катушки соответствует 0,15—0,3l. Увеличение длины намотки до 0,6—0,7l ведет к некоторому увеличению действующей высоты (примерно на 20—30%), но при этом потери в сердечнике увеличиваются и добротность катушки падает.
При увеличении диаметра dK катушки ее добротность увеличивается и достигает максимальной величины, когда ее диаметр превышает диаметр сердечника примерно в 1,3 раза. Однако действующая высота антенны при этом уменьшается. Поэтому на практике приходится искать компромиссные решения: применять тонкостенные каркасы и однослойные катушки.
Наматывать катушку непосредственно на ферритовом сердечнике не следует, так как при этом увеличивается собственная емкость катушки из-за влияния диэлектрической постоянной сердечника. Вид намотки выбирают, исходя из диапазона рабочих частот, числа витков и диаметра провода катушки и размеров сердечника. Наилучшие результаты с точки зрения приемных свойств антенны получаются при однослойной намотке катушки с принудительным шагом.
При шаге намотки, равном 1,5—2 мм, марка провода практически не влияет на добротность катушки. Однако такой вид намотки приемлем только при малом числе витков, например, для катушек KB антенн.
На практике чаще применяют сплошную рядовую намотку, хотя в этом случае марка провода оказывает очень большое влияние на добротность. Для катушек диапазона СВ целесообразно применять литцендрат (например, ЛЭШО 9×0,07), который позволяет увеличить добротность катушки в 1,5—2 раза по сравнению с проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2.
Каркасы катушек СВ и ДВ диапазонов можно склеить из прессшпана или кабельной бумаги. Толщина стенок каркасов не должна превышать 0,4—0,6 мм. Для каркасов катушек KB диапазона лучше использовать высококачественные диэлектрики, такие, как полистирольная пленка (стирофлекс).
Иногда катушку магнитной антенны разбивают на две неравные секции; основную и подстроечную. Каждую из них наматывают на отдельном каркасе. В этом случае изменять индуктивность катушки можно перемещением только подстроечной секции (с меньшим числом витков), не трогая основную, которая может находиться на середине сердечника.
Такой способ регулирования индуктивности позволяет сохранить высокую эффективность магнитной антенны.
Часто магнитные антенны делают двухдиапазонными, размещая их катушки по обе стороны от середины сердечника (рис- 7). Для такой антенны большое значение имеет способ коммутации катушек. Обычно во время приема станций ДВ диапазона обе катушки антенны включают последовательно. При переходе же на СВ диапазон нерабочую катушку необходимо включать параллельно рабочей либо замыкать накоротко (рис. 8). Оставлять ее незамкнутой нельзя, так как это приводит к уменьшению добротности рабочей катушки на 10—15%. Замкнутая накоротко катушка незначительно (на 7—10%) уменьшает индуктивность рабочей катушки и практически не влияет на ее добротность.
При использовании магнитной антенны в ламповом приемнике входной контур, состоящий из катушки магнитной антенны и конденсатора настройки, может быть подключен ко входу приемника полностью. Это объясняется тем, что входное сопротивление каскада на полевом транзисторе или электронной лампе составляет мегаомы, а сопротивление контура на резонансной частоте — сотни килоом.
В этом случае входное сопротивление лампы практически не шунтирует контур и его добротность остается достаточно высокой.
Другое дело, когда магнитная антенна используется в транзисторном приемнике. Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, не превышает сотен ом. Если вход такого усилителя подключить ко всему контуру, то в результате сильного шунтирующего действия входного сопротивления транзистора добротность контура станет низкой, и его приемные свойства резко ухудшатся. Чтобы этого не случилось, вход транзисторного усилителя подключают не ко всему контуру, а к небольшой части его. Делают это чаще всего так: рядом с катушкой магнитной антенны помещают катушку связи Lсв, намотанную на отдельном каркасе и подключают ее ко входу усилителя (рис. 6 и 8). Число витков катушки Lсв должно быть небольшим и составлять 5—10% от числа витков антенной катушки. При такой связи магнитной антенны с транзистором первого каскада приемника напряжение, снимаемое с контура, уменьшается в 10—20 раз, а шунтирующее действие транзистора ослабляется в 100—400 раз, что позволяет сохранить хорошие приемные свойства магнитной антенны— добротность и действующую высоту.
В том случае, когда для магнитной антенны используется стержень из феррита 600НН или 400НН диаметром 8 и длиной 140—160 мм, а для настройки приемника конденсатор с максимальной емкостью 380 пф, катушка СВ диапазона должна содержать 50—60 витков провода ПЭЛШО 0,1—0,15 или литцендрата ЛЭШО 7×0,07, намотанного в один слой, а катушка связи — 5—7 витков провода ПЭЛШО 0,1— 0,15. Катушка ДВ диапазона должна иметь 180—200 витков провода ПЭЛШО 0,1, причем для уменьшения собственной емкости ее желательно наматывать внавал 4—5 секциями. Катушка связи в этом случае состоит из 10—15 витков такого же провода. Если провода марки ПЭЛШО нет, катушки магнитной антенны можно намотать проводом в эмалевой изоляции, например, марки ПЭВ-1 Или ПЭВ-2, однако собственная ёмкость катушек при этом несколько возрастет.
Если длина стержня 90—100 мм, то число витков катушки надо увеличить на 20—30%. На практике обычно поступают так: наматывают заведомо большее число витков, а при настройке их отматывают до тех пор, пока не будет получен необходимый диапазон частот.
При размещении магнитной антенны в корпусе приемника необходимо учитывать, что расположенные поблизости от нее стальные детали могут очень сильно влиять на добротность антенной катушки. Так, расположенный рядом с ней, или напротив торца сердечника стальной корпус громкоговорителя уменьшает добротность катушки в 7—12 раз! Об этом надо всегда помнить и не располагать никаких стальных деталей ближе 25—30 мм от катушки и сердечника. В крайнем случае, лучше уменьшить длину сердечника, чем терять в добротности катушки.
И, наконец, что тоже надо помнить: не следует применять для крепления сердечника металлические держатели, создающие короткозамкнутые витки вокруг сердечника.
В.Фролов
Поделиться:
Манитная и рамочная антенны — как они работают, их особенности
Кроме обычных антенн иногда применяется рамочная антенна, представляющая собой прямоугольную круглую или другой формы плоскую катушку из нескольких витков провода, обладающую свойством направленного приема (рис.
1).
Рис. 1. Рамочная антенна имеет свойство направленности.
Поворачивая рамочную антенну, можно получить наилучшую слышимость нужной радиостанции и уменьшить помехи от других станций. Действующая высота рамки увеличивается с увеличением площади рамки и числа витков провода.
Направленные свойства рамочной антенны широко используются в радионавигационных устройствах для определения местонахождения и правильного курса следования кораблей и самолетов.
Однако рамочная антенна, имея размеры, значительно меньшие, чем наружная или комнатная антенна, дает гораздо более слабый прием. Поэтому она не получила распространения в радиолюбительской практике.
В последнее время в промышленных и любительских радиоприемниках, особенно в миниатюрных и переносных, применяются магнитные (ферритовые) антенны.
Такая антенна представляет собой стержневой сердечник, изготовленный из высокочастотного магнитного материала с большой магнитной проницаемостью (феррита), на который надета небольшая катушка (рис.
2). Иногда катушка делается в виде нескольких секций на разные участки диапазона принимаемых волн.
Рис. 2. Магнитная антенна.
Феррит сильно намагничивается под действием даже очень слабого магнитного поля проходящих радиоволн, а потери энергии в нем гораздо меньше, чем во многих других магнитных материалах.
Благодаря этим свойствам феррита даже при небольших размерах катушки магнитной антенны в ней под действием радиоволн возникает такая же э. д. с., как и в рамочной антенне, но больших размеров.
Сердечник магнитной антенны в большинстве случаев имеет длину от 5 до 30 см и диаметр от 1 до 2 см. Число витков катушки бывает порядка нескольких десятков. Направленное действие у магнитной антенны такое же, как и у рамочной.
Чтобы принять на рамочную антенну, надо, чтобы плоскость ее витков совпала с направлением на передающую станцию. А чтобы принять на магнитную антенну, надо расположить ее так, чтобы ось сердечника была перпендикулярна этому направлению, но при этом плоскость витков катушки как раз и будет направлена на радиостанцию.
Отметим, что магнитная антенна значительно слабее воспринимает индустриальные помехи. Последние имеют явно выраженную электрическую составляющую, а на магнитную антенну в основном воздействует магнитная составляющая электромагнитного поля.
Другими словами, в местах, где действуют индустриальные помехи, прием на магнитную антенну будет значительно чище от помех, чем на обычные любительские антенны.
Обычно магнитную антенну монтируют внутри самого приемника. Для использования ее направленных свойств миниатюрные приемники поворачивают до получения наиболее громкой слышимости. В больших приемниках магнитную антенну вращают специальной ручкой.
Следует помнить, что по своей чувствительности магнитная антенна равноценна комнатной антенне малых размеров (в виде небольшого куска провода). Поэтому для приемников с низкой чувствительностью магнитная антенна непригодна.
Ее целесообразно применять лишь для переносных миниатюрных приемников, а также в случае, когда нужно уменьшить помехи от других радиостанций, имеющих длину волны, близкую к длине волны принимаемой станции, но расположенных в ином направлении.
Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.
1663
Статьи для начинающих
- Горизонтальная антенна УКВ диапазона с параллельным питанием
- Проходит электрический ток через конденсатор или нет?
- Как правильно подобрать и взаимозаменить детали радиоприемника
- Одноламповый батарейный приемник СВ (200 до 550 м) и ДВ (800 до 2000 м)
Основы антенн
Правильное понимание антенн требует знакомства с электромагнетизмом, теорией цепей, электроникой и обработкой сигналов.
Кэндес Суриано, доктор философии, Suriano Solutions
Джон Суриано, доктор философии, Nidec Motors, Auburn Hills, MI, USA
Tom Holmes, Agilent Technologies, Tipp City, OH, USA
Qin Yu , Alcatel-Lucent, Колумбус, Огайо, США
Как антенна улавливает сигнал и преобразует его во что-то полезное для приемной схемы? Каков текущий путь для сигналов, полученных или переданных от антенны? Почему существуют разные типы антенн и почему они имеют разную форму? Какие стандартные инженерные термины связаны с антенной техникой? Как усиливаются сигналы от антенн?
Это отправная точка для понимания многих требований по электромагнитной совместимости и процедур тестирования, а также для решения проблем соответствия.
Основы антенн можно вывести из фундаментальных принципов электромагнетизма и электрических цепей. Даже элементарное понимание может оказаться бесценным при решении проблем ЭМС.
Как антенны обнаруживают сигналы?
Рис. 1. Антенна электрического поля (а) и антенна магнитного поля (б). Антенны выполняют две взаимодополняющие функции: преобразование электромагнитных волн в напряжение и ток, используемые в цепи, и преобразование напряжения и тока в электромагнитные волны, которые передаются в космос. Сигналы передаются через пространство электромагнитными волнами, состоящими из электрических полей, измеряемых в вольтах на метр, и магнитных полей, измеряемых в амперах на метр. В зависимости от типа обнаруживаемого поля антенна принимает ту или иную конструкцию. Антенны, предназначенные для улавливания электрических полей, такие как антенна на рис. 1(а), сделаны из стержней и пластин, а антенны, предназначенные для улавливания магнитных полей, как на рис. 1(б), сделаны из проволочных петель.
Иногда части электрических цепей могут иметь характеристики, которые непреднамеренно делают их антеннами. EMC заботится о снижении вероятности того, что эти непреднамеренные антенны будут подавать сигналы в свои цепи или влиять на другие цепи.
Рассмотрим антенну автомобильного радиоприемника. Когда электрическое поле (В/м) попадает на антенну, оно создает напряжение по ее длине (м*В/м = В) относительно земли. Приемник определяет напряжение между антенной и землей. Другой способ представить этот тип антенны — это один вывод вольтметра, измеряющий потенциал в космосе. Другой провод вольтметра является землей цепи.
Какое значение имеет форма антенны?
Некоторые антенны сделаны из проволочных петель. Эти антенны обнаруживают магнитное поле, а не электрическое поле. Точно так же, как магнитное поле в катушке с проводом создается током в этой катушке, точно так же ток индуцируется в катушке с проводом, когда магнитное поле проходит через эту катушку.
Концы рамочной антенны присоединены к приемной цепи, через которую протекает этот наведенный ток, когда рамочная антенна обнаруживает магнитное поле. Магнитные поля обычно направлены перпендикулярно направлению их распространения, поэтому плоскость контура должна быть выровнена параллельно направлению распространения волны для обнаружения поля.
Некоторые типы антенн электрического поля: биконические , рупорные и микрополосковые . Как правило, антенны, излучающие электрические поля, состоят из двух компонентов, изолированных друг от друга. Простейшей антенной электрического поля является дипольная антенна , само название которой подразумевает ее двухкомпонентную природу. Два проводящих элемента действуют как пластины конденсатора, при этом поле между ними направлено в пространство, а не заключено между пластинами. С другой стороны, антенны магнитного поля состоят из катушек, которые действуют как катушки индуктивности. Поля индуктора проецируются в космос, а не ограничиваются замкнутой магнитной цепью.
Однако категоризация антенн таким образом несколько искусственна, поскольку фактический механизм излучения включает в себя как электрические, так и магнитные поля, независимо от конструкции.
Как антенны формируют и излучают электромагнитные поля?
Как упоминалось ранее, антенны электрического поля могут быть связаны с конденсаторами. Рассмотрим простой конденсатор с плоскими пластинами, показанный на рис. 2(а). Электрическое поле, возникающее при размещении заряда на каждой из пластин, находится между пластинами. Если пластины раздвинуты так, что они лежат в одной плоскости, электрическое поле между пластинами распространяется в космос. Тот же процесс происходит с дипольной антенной электрического поля, как показано на рисунке 2(b). Заряды на каждой части антенны создают поле в пространстве между двумя половинами антенны. Между двумя стержнями дипольной антенны имеется собственная емкость, как показано на рисунке 2(c). Ток необходим для зарядки дипольных стержней.
Ток в каждой части антенны течет в одном направлении. Такой ток называется режим антенны ток. Это состояние особенное, потому что оно приводит к радиации. Поскольку сигнал, подаваемый на две половины антенны, колеблется, поле продолжает меняться и посылает волны в космос.
Заряд и ток на диполе создают поля, перпендикулярные друг другу. Электрическое поле Е течет от положительного заряда к отрицательному заряду, размещенному на элементах под действием напряжения, приложенного к антенне, как показано на рисунке 3(а). Зарядный ток, подаваемый на антенну, создает магнитное поле Н, которое циркулирует по проводу по закону 9.0007 правило правой руки , как показано на рисунке 3(b). Бог сделал так, что когда электроны движутся по проводу, возникает магнитный «ветер», который циркулирует по проводу. Направляя большой палец правой руки по ходу тока, пальцы обхватывают провод по направлению магнитного поля.
Циркуляция этого магнитного поля приводит к индуктивности антенны. Таким образом, антенна представляет собой реактивное устройство, имеющее как емкость от распределения заряда, так и индуктивность от распределения тока.
Как показано на рисунке 3(c), поля E и H перпендикулярны друг другу. Они расходятся в космос от антенны по кругу. Когда сигнал на антенне колеблется, образуются волны. Поперечные электромагнитные волны (ТЕМ) создаются, в которых E и H перпендикулярны друг другу. Антенна также может преобразовывать TEM-волну обратно в ток и напряжение с помощью чего-то, что называется 9.0007 взаимность . Антенна дополняет друг друга при отправке и приеме.
Рис. 4. Поток энергии, приводящий к излучению. Состояние излучения антенны показано на рис. 4. Реактивные компоненты антенны накапливают энергию в электрических и магнитных полях, окружающих антенну. Реактивная мощность обменивается туда и обратно между источником питания и реактивными компонентами антенны.
Как и в любой LC-цепи, где напряжение и ток всегда сдвинуты по фазе на 90°, так и в антенне поле E (созданное напряжением) и поле H (созданное током) равны 90° не по фазе, если сопротивлением антенны пренебречь. В электрической цепи реальная мощность подается только тогда, когда нагрузка имеет реальную составляющую своего импеданса, которая приводит к тому, что составляющая тока и напряжения находятся в фазе. Это обстоятельство справедливо и для антенн. Антенна имеет небольшое сопротивление, поэтому часть реальной мощности рассеивается в антенне. Для возникновения излучения поля E и H должны совпадать по фазе друг с другом, как показано на рисунке 3(c). Как может иметь место это излучение, если антенна действует как емкость и как индуктивность? Синфазные компоненты являются результатом задержка распространения . Волны от антенны не формируются мгновенно во всех точках пространства одновременно, а распространяются со скоростью света. На больших расстояниях от антенны эта задержка приводит к тому, что компоненты полей E и H находятся в фазе.
Таким образом, существуют разные компоненты полей Е и Н, которые составляют запасающую энергию (реактивную) часть поля или излучаемую (реальную) часть поля. Реактивная часть определяется емкостью и индуктивностью антенны и существует преимущественно в ближнее поле . Реальная часть определяется так называемым сопротивлением излучения , вызванным задержкой распространения, и существует на большом расстоянии от антенны в дальнем поле . Иногда приемные антенны, например те, которые используются при испытаниях на электромагнитную совместимость, могут располагаться так близко к источнику, что на них больше влияют эффекты ближнего поля, чем излучение дальнего поля. При этом приемная и передающая антенны связаны емкостью и взаимной индуктивностью. Таким образом, приемная антенна действует как нагрузка на передатчик.
Как сопротивление антенны зависит от частоты?
Импеданс антенны зависит от частоты. Распределение тока и заряда на антенне изменяется с частотой.
Ток на диполе обычно имеет форму синусоидальной зависимости от положения на антенне в зависимости от частоты. Поскольку длина волны сигнала зависит от частоты, на определенных частотах длина антенны равна ключевым долям длины волны. Ток на диполе для частот, соответствующих ½ и 1 длине волны, показан на рис. 5(a) и 5(b) соответственно. При ½ длины волны ток от источника максимален. Таким образом, входное сопротивление антенны на этой частоте минимально и эквивалентно сопротивлению антенны (фактическое + сопротивление излучения). На частоте с длиной волны, равной длине антенны, ток от источника равен нулю; и, следовательно, входное сопротивление бесконечно. График зависимости импеданса от частоты показан на рисунке 5(c).
Излучают ли антенны во всех направлениях?
Мощность антенны излучается по схеме, которая может быть неодинаковой во всех направлениях.
Для характеристики усиления антенны используется отношение мощности, излучаемой в заданном направлении, к плотности мощности, если излучение происходило равномерно во всех направлениях (распределялось по поверхности сферы). Для дипольной антенны большая часть мощности излучается в направлении, перпендикулярном оси антенны, как показано на рис. 3. направленность антенны — это усиление в направлении максимальной мощности, то есть в направлении, перпендикулярном оси диполя. Усиление измеряется в дБи=10*log(усиление).
Трехмерная или двумерная диаграмма направленности антенны также называется диаграммой мощности , графиком мощности , или распределением мощности . Он наглядно иллюстрирует, как антенна принимает или передает в определенном диапазоне частот. Обычно он строится для дальнего поля. На диаграмму направленности антенны в первую очередь влияет геометрия антенны. На него также влияет окружающий ландшафт или другие антенны.
Иногда несколько антенн используются в антенная решетка для воздействия на направленность. Как показано на рисунке 6(a), две антенны, питаемые от одного и того же источника, могут использоваться для подавления полей в плоскости антенн, если они разнесены на ½ длины волны. Вид сверху на это устройство показан на рисунке 6(b) с эскизом диаграммы направленности.
Зеркало, Зеркало на стене: в чем важность отражений?
Когда мы смотрим в зеркало, мы видим эффект отражения электромагнитного излучения. Почему волны отражаются от проводящих поверхностей? Каков результат этих отражений излучения? В основе отражений лежит граничное условие полей на поверхности проводника. Граничные условия для полей E и H показаны на рисунке 7. Внутри проводника заряды могут свободно перемещаться под воздействием электрических полей, а ток индуцируется изменяющимися во времени магнитными полями. Заряд вблизи проводника заставляет заряды мигрировать по поверхности проводника. Любая тангенциальная составляющая поля E заставит заряды двигаться до тех пор, пока тангенциальная составляющая E не станет равной нулю. Полученный эффект эквивалентен image , или виртуальный заряд, расположенный под поверхностью проводника, показанной на рисунке 7(c). Изображение не является реальным, но представляет собой заряд, который вызовет эффект, эквивалентный реальному результату.
Магнитное поле, которое изменяется во времени, индуцирует ток в идеальном проводнике. Ток противодействует магнитному полю, так что никакая нормальная составляющая не может проникнуть через поверхность проводника. Таким образом, текущее изображение, показанное на рисунке 7(c), вызывает исчезновение результирующей нормальной компоненты H на поверхности.
Эффект изображения очень важен, потому что антенны часто находятся рядом с проводящими поверхностями, такими как Земля, листовой металл автомобиля или самолета, или плоскость заземления печатной платы. Поля, излучаемые в космос, представляют собой сумму полей от антенны и от изображения. Если мы рассмотрим E-поле от диполя, то легко увидеть эффект. На рис. 8(а) диполь, параллельный проводнику, показан своим изображением. Когда диполь перпендикулярен плоскости земли, под ним существует изображение диполя с инвертированным зарядом, как показано на рисунке 8(b). В этих двух примерах поле в некоторой точке пространства представляет собой сумму полей от диполя и его изображения. Когда поле, излучаемое диполем, попадает на проводник, как показано на рисунке 8(c), отражение можно интерпретировать как волну от изображения.
Рис. 8. (a) Диполь параллелен и (b) перпендикулярен проводнику и изображению и (c) отражение волны от диполя объясняется с учетом эффекта изображенияКак формируются и усиливаются сигналы от антенн?
Антенны подключаются к передатчикам или приемникам через линии передачи.
Поскольку импеданс антенны не является постоянной функцией частоты, его нельзя согласовать с линией передачи на всех частотах. Когда полное сопротивление антенны не соответствует полному сопротивлению линии передачи (обычно 50 Вт или 75 Вт), в месте соединения с антенной образуются отражения. Волны, исходящие от источника, отражаются обратно по линии передачи, снижая возможность передачи мощности. VSWR , коэффициент стоячей волны по напряжению, является мерой несоответствия. КСВ представляет собой отношение максимального напряжения к минимальному напряжению на линии передачи. При несоответствии импеданса КСВ больше единицы, что указывает на наличие отражений. По мере того, как импеданс на конце линии передачи становится выше — приближаясь к разомкнутой цепи, КСВ приближается к бесконечности, указывая на то, что отражается вся мощность. Эта ситуация аналогична падению светового луча на границу раздела двух сред, таких как воздух и вода, при котором часть света отражается, а часть уходит в воду.
КСВ снижает мощность, передаваемую на антенну, или уменьшает сигнал от антенны, когда она используется для приема сигналов. Изменение КСВ и отраженная пропорция показаны на рисунке 9.(а) и 9(б) соответственно для системы мощностью 50 Вт, в которой сопротивление нагрузки варьируется.
Феррит увеличивает импеданс только для синфазного тока и не влияет на обычный дифференциальный ток в кабеле. Следовательно, ток, вызывающий дисбаланс, уменьшается, что улучшает работу антенны. Для приемных антенн входящий сигнал может индуцировать ток на экране, что вызывает дисбаланс. Ферритовая шайба уменьшает ток на экране. Рис. 10. (a) ток синфазного сигнала из-за соединения с заземлением и (b) использование простого балуна Антенны используются для приема очень слабых сигналов. Поэтому часто необходимо использовать усилитель для увеличения отношения сигнал-шум . Минимальный тепловой шум окружающей среды, обнаруженный в полосе пропускания 9 кГц, составляет примерно –27 дБмкВ (–134 дБм). Однако когда сигналы обрабатываются и усиливаются до пригодных для использования уровней, появляется шум. Коэффициент шума усилителя определяется как разница между его минимальным уровнем шума и фоновым шумом окружающей среды. Рассмотрим антенну, улавливающую сигнал мощностью всего 0 dBuV, как показано на рисунке 11(a).
Сигнал может быть на 27 дБ выше окружающего; но для приемника с коэффициентом шума 24 дБ сигнал всего на 3 дБ выше уровня шума. Таким образом, отношение сигнал/шум составляет всего 3 дБ. Для увеличения этого запаса можно использовать хороший усилитель, как показано на рис. 11(b). Здесь усилитель на 20 дБ повышает уровень сигнала с 0 dBuV до 20 dBuV. Усилитель также повышает окружающий звук на 20 дБ до –7 дБмкВ. Поскольку коэффициент шума усилителя составляет 8 дБ, он добавляет еще 8 дБ к фоновому шуму, что составляет +1 дБмкВ. Уровень собственных шумов приемника (-3 dBuV) ниже этого значения и поэтому не влияет на результат. Новое отношение сигнал/шум равно 19.дБмкВ.
РЕЗЮМЕ
Для правильного понимания антенн требуется знакомство с электромагнетизмом, теорией цепей, электроникой и обработкой сигналов. Такие знания незаменимы для инженера по электромагнитной совместимости, который должен интерпретировать результаты испытаний, повышать точность и чувствительность испытаний и предлагать способы устранения непреднамеренных антенн в конструкции изделий.
ССЫЛКИ
[1] W.L. Weeks, Antenna Engineering , McGraw-Hill Book Co., New York, 1968
[2] William H. Hayt, Jr., Engineering Electro Magnetics , McGraw-Hill Book Co., 1981
[2] William H. Hayt, Jr. 3] Уоррен Л. Штуцман и Гэри А. Тиле, . Теория и проектирование антенн, , второе издание, John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 1998.
. [4] Клейтон Р. Пол и Сайед А. Насар, . Введение в электромагнитные поля , McGraw-Hill Book Co., Нью-Йорк, 1982.
[5] «Основы измерения коэффициента шума в радиочастотном и микроволновом диапазоне», Agilent Application Note 57-1, Agilent Technologies
[6] Клейтон Р. Пол, Введение в электромагнитную совместимость , John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 1992.
основы антенны » Electronics Notes
Радиоантенны или антенны необходимы для работы любой радиосистемы. Понимание того, как они работают, и основная теория являются ключом к установке, оптимизации и проектированию антенн.
Основы антенны Включает:
Основы теории антенн
Поляризация
Антенна ближнего и дальнего поля
Резонанс и пропускная способность
Усиление и направленность
Полное сопротивление подачи
Методы согласования 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.
Углубленная теория антенн может стать довольно сложной, но качественное и упрощенное теоретическое объяснение помогает понять, что на самом деле происходит, 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 запускается 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 усилитель 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 одинаковый коэффициент усиления, 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
Существует несколько основных тем, общих для всех типов радиоантенн и составляющих 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. Подробнее о . . . . поляризация антенны.
- Резонанс и ширина полосы: Резонанс и полоса пропускания 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 общим 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.
Ширина полосы частот антенн может быть важна. 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.
Подробнее о . . . . резонанс антенны и полоса пропускания.
- 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.
Узнайте больше о . . . . усиление и направленность.
- Сопротивление и согласование фидера: Входное соединение с антенной представляет собой 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 для обеспечения оптимизации ее характеристик.
Подробнее о .
Подобно линейной поляризации, антенны с круговой поляризацией должны иметь одинаковое направление поляризации, чтобы принимать сигналы, передаваемые другой антенной. 
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.
