Полное сопротивление антенны, что такое сопротивление излучения, как распределяются ток и напряжение вдоль антенны, чем отличаются собственное и взаимное сопротивления, и почему резонанс — не обязательное условие эффективной работы. Разбираем базовые понятия теории антенн.
Полное сопротивление антенны, сопротивление излучения
Мощность, подводимая к антенне, рассеивается двумя способами: излучением электромагнитных волн и тепловыми потерями в проводе, а также в близлежащих проводниках и диэлектрических материалах. При этом излучённая мощность — это то, что нам нужно, полезная часть. Однако она представляет собой форму «потерь» точно так же, как и мощность, расходуемая на нагрев провода или близлежащих диэлектриков. В любом случае рассеиваемая мощность равна I²R.
Когда речь идёт о тепловых потерях, R — это реальное сопротивление. Если же говорить об излучении, то R — это «виртуальное» сопротивление, которое, если бы его заменили реальным резистором того же номинала, рассеивало бы мощность, фактически излучаемую антенной. Это сопротивление называется сопротивлением излучения.
Сопротивление излучения представляет собой работу, совершаемую электронами в антенне при переносе энергии от источника сигнала к излучаемой электромагнитной волне. Таким образом, полная мощность в антенне равна I²(R_изл + R), где R_изл — сопротивление излучения, а R — сумма всех сопротивлений потерь.
В обычных антеннах, работающих на любительских частотах, мощность, теряемая в виде тепла в проводнике, не превышает нескольких процентов от полной мощности, подводимой к антенне. В децибелах потери составляют менее 0,1 дБ. Кроме того, ВЧ-сопротивление потерь медного провода даже такого малого сечения, как 14 AWG, очень низкое по сравнению с сопротивлением излучения антенны, которая достаточно удалена от окружающих предметов и не слишком близка к земле.
Поэтому можно считать, что омические потери в разумно расположенной антенне пренебрежимо малы, а полное сопротивление, которое показывает антенна (сопротивление в точке питания), есть сопротивление излучения. Как излучатель электромагнитных волн такая антенна представляет собой высокоэффективное устройство. (Это неверно для антенн, расположенных близко к земле, и для электрически малых антенн, таких как малые петли и мобильные антенны.)
Распределение тока и напряжения
При подводе мощности к антенне ток и напряжение изменяются по её длине. Прежде всего стоит отметить, что ток минимален на концах — независимо от длины антенны. Напротив, напряжение максимально именно на концах. В действительности ток не достигает нуля в минимумах из-за ёмкости на концах антенны. Изоляторы, петли на концах антенны и поддерживающие провода — всё это вносит вклад в эту ёмкость, которую также называют краевым эффектом.
Что касается полуволновой антенны, то в ней ток максимален в центре, а напряжение в центре минимально, как показано на рисунке 1.6. Картина чередующихся минимумов тока и напряжения, отстоящих друг от друга на ¼ длины волны, повторяется каждые ½ длины волны вдоль линейной антенны, как показано на рисунке 1.6B. При этом фаза тока и напряжения инвертируется в каждом последующем полуволновом участке.
Напряжение не равно нулю в своём минимуме из-за сопротивления антенны, которое, как отмечалось ранее, складывается как из ВЧ-сопротивления провода (омического сопротивления потерь), так и из сопротивления излучения.
Полное сопротивление антенны в точке питания
Поскольку радиолюбители свободны в выборе рабочих частот внутри выделенных диапазонов, нам нужно учитывать, как полное сопротивление в точке питания конкретной антенны изменяется с частотой внутри данного диапазона. Причём это касается и нескольких разных диапазонов, если мы намерены использовать одну антенну на нескольких диапазонах.
С любой антенной связаны две формы полного сопротивления: собственное сопротивление и взаимное сопротивление. Как можно ожидать, собственное сопротивление — это то, что измеряется на клеммах точки питания антенны, полностью удалённой от влияния любых других проводников.
Собственное сопротивление
Ток, втекающий в точку питания антенны, должен подаваться при конечном напряжении. Таким образом, собственное сопротивление антенны просто равно напряжению, приложенному к её точке питания, делённому на ток, втекающий в точку питания, согласно закону Ома. При этом там, где ток и напряжение точно совпадают по фазе, полное сопротивление является чисто активным с нулевым реактивным сопротивлением, и антенна резонансна. (Радиолюбители часто используют термин «резонансная» довольно вольно, обычно подразумевая «почти резонансная» или «близкая к резонансу». Резонанс не имеет никакого отношения к величине полного сопротивления — только к тому, что оно чисто активное.)
За исключением одной частоты, на которой антенна точно резонансна, ток в антенне имеет фазу, отличную от фазы приложенного напряжения. Иными словами, антенна проявляет полное сопротивление в точке питания, которое не является просто чистым активным сопротивлением. Что касается состава, то полное сопротивление в точке питания состоит либо из ёмкостного, либо из индуктивного реактивного сопротивления, включённого последовательно с активным сопротивлением.
Взаимное сопротивление
Взаимное, или связанное, сопротивление обусловлено паразитным влиянием близлежащих проводников, находящихся в реактивном ближнем поле антенны. Сюда же относится влияние земли, которая является проводником с потерями, но всё же проводником. При этом взаимное сопротивление определяется по закону Ома, точно так же, как и собственное сопротивление. Однако взаимное сопротивление — это отношение напряжения в одном проводнике к току в другом (связанном) проводнике. В результате взаимно связанные проводники могут искажать диаграмму направленности остронаправленной антенны, а также изменять полное сопротивление, наблюдаемое в точке питания.
Обязателен ли резонанс?
Обратите внимание: антенна не обязана быть резонансной, чтобы эффективно излучать. На самом деле в резонансной антенне нет ничего волшебного — конечно, при условии, что вы можете обеспечить какой-либо эффективный способ питания антенны. Более того, многие радиолюбители используют нерезонансные (в том числе случайной длины) антенны, питаемые открытой двухпроводной линией через антенный тюнер.
В результате они излучают сигнал ничуть не хуже тех, кто использует коаксиальный кабель и резонансные антенны, а в качестве бонуса обычно могут работать на нескольких диапазонах частот.
Важно рассматривать антенну и её фидер как единую систему, в которой все потери должны быть сведены к минимуму.
