Основы антенн: диаграмма направленности, диэлектрическая и магнитная проницаемости, коэффициенты направленного действия и усиления
Основы антенн
Во второй части серии «Основы антенн» мы рассмотрим физику антенн, которую мы используем каждый день, включая информацию о диэлектрической проницаемости, усилении, направленности и многом другом.
Антенны передают информацию между точками путем изменения электромагнитных полей в одном месте и детектирования изменений электромагнитных полей в другом месте. Чтобы понять, как антенны могут передавать информацию на всё более удаленные места, вы должны сначала понять физику, которая регулирует их работу.
Обзор
«Введение в основы антенн» предоставляет первую часть информации о фундаментальной физике, необходимой для понимания, как антенны передают и принимают информацию. Данная статья расширит представления предыдущей статьи, чтобы добавить понятия диаграммы излучения в ближнем и дальнем поле, диэлектрической проницаемости, направленности и усилении.
Что происходит в проводнике антенны?
Представьте генератор синусоидального сигнала, подключенный к проводу и создающий изменяющуюся во времени разность потенциалов, приложенную к проводу. Из-за приложенной разности потенциалов носители заряда внутри провода будут передвигаться. Изменение амплитуды и полярности разности потенциалов, создаваемой генератором синусоидального сигнала, заставляет электроны постоянно ускоряться, замедляться и изменять направление движения вдоль провода.
Демонстрационное видео выше показывает моделирование излучающего заряда из Университета Колорадо. Вы можете попробовать это моделирование здесь.
Сначала генератор синусоидального сигнала перемещает заряды в одном направлении, создавая электрические и магнитные поля, которые увеличиваются по мере роста напряжения. Эти поля постоянно меняются, и эти изменения полей распространяются от антенны со скоростью света – быстро, но предел всё-таки есть.
По мере продолжения периода синусоиды генератора напряжение уменьшается, и величины магнитного и электрического полей так же уменьшаются. Когда генератор синусоиды меняет полярность, а затем увеличивает величину напряжения, носители заряда замедляются, меняют направление движения и ускоряются. Это изменяет полярность электрического и магнитного полей.
Недавно излученные в предыдущем полупериоде поля и поля из текущего полупериода создают чередующиеся крайние точки в напряженностях полей, которые распространяются от антенны.
Присутствие в проводе носителей заряда создает электрическое поле, которое исходит от провода; движение носителей заряда создает магнитное поле, которое окружает провод; а ускорение носителей заряда создает электромагнитные волны, которые распространяются от провода.
Я настоятельно рекомендую вам взглянуть на превосходный видеоплейлист от доктора Джона Белчера из MIT, который лучше иллюстрирует изменения линий полей.
Область, близкая к антенне, d ≪ λ, называется областью ближнего поля, и в ней доминируют магнитные поля. Переходная зона находится на расстоянии от одной до двух длин волн; а дальше расположена область дальнего поля, d > 2λ, где электрическое поле становится более размеренным и доминирующим.
Большинство антенн работают в дальней зоне и передают информацию на большие расстояния с помощью изменяющихся магнитных полей. Антенны ближней зоны, которые используют сильные магнитные поля в области, близкой к антенне, становятся все более популярными, хотя дальность связи ближнего поля ограничивается несколькими длинами волн.
Даже притом, что радиопередатчики, какие как nRF24 и Bluetooth-устройства, имеют ограниченную дальность связи, они всё еще используют связь в дальней зоне – информацию передает электрическое поле. RFID-метки и NFC-метки имеют очень маленькую дальность связи и используют связь в ближней зоне (т.е. доминирующее магнитное поле).
Диаграммы направленности
Анимация выше показывает контуры постоянной плотности мощности излучения, распространяющегося со временем от антенны и отслеживаемого в плоскости, в которой вертикально расположена дипольная антенна. Это двумерный срез трехмерной диаграммы направленности излучения.
Как правило, чтобы показать диаграмму направленности излучения в дальней зоне, из-за сложности прослеживается только один контур (линия или поверхность равных значений) вокруг антенны. Контурные поверхности сосредоточены вокруг антенны, а контурные линии центрированы на взаимно перпендикулярных плоскостях, которые пересекают антенну, часто через линию симметрии. Диполь Герца выше передает в вертикальном направлении очень мало энергии, что близко к нулю.
Для получения различных диаграмм направленности разрабатываются различные конструкции антенн. Сложность диаграммы зависит от конструкции антенны.
Технические описания антенн иногда поставляются с трехмерными проекциями диаграмм направленности. Но чаще всего мы видим двумерные графики и должны сами представить себе, как выглядит трехмерная модель диаграммы направленности.
Диэлектрическая и магнитная проницаемости
Диэлектрическая проницаемость
Майкл Фарадей заметил, что, когда диэлектрики (изоляторы) помещаются в зазор между параллельно расположенными пластинами конденсатора, емкость увеличивается. Это явление связано с поляризацией зарядов внутри диэлектрической среды.
Диэлектрическая проницаемость является мерой того, насколько легко эти заряды могут выстраиваться (поляризация) в присутствии электрического поля. Более высокая диэлектрическая проницаемость указывает на большую устойчивость к формированию электрического поля, а также на более медленное распространение в среде возмущений.
Материал с высокой диэлектрической проницаемостью, окруженный материалом с низкой диэлектрической проницаемостью, не будет влиять на частоту колебаний, но материал с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшит скорость распространения волны. Если вспомнить, что скорость волны равна произведению частоты на длину волны, то мы можем увидеть, что, если частота остается постоянной, то уменьшение скорости должно сопровождаться соответствующим уменьшением длины волны. Когда волна выходит из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, скорость и длина волны увеличиваются.
Когда антенна встроена в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, размеры антенны могут быть уменьшены в соответствии с уменьшение длины волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны.
Некоторые ранние GPS антенны (f = 1,56 ГГц) были размером 60 мм на 66 мм и толщиной в несколько миллиметров, плюс схема приемника дополнительно увеличивала размер устройства. Благодаря одновременному использованию технологий, уменьшающих размеры схем, и микрополосковых антенн последнего поколения, встроенных в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, GPS устройства, включающие в себя антенну и приемник, могут быть произведены в корпусе размером 4 мм на 4 мм и толщиной 2,1 мм.
Похожие технологии используются и в мобильных телефонах, где резонансные антенны существенно меньше длины волны, которая распространяется в воздухе.
При переходе волны между материалами с разной диэлектрической проницаемостью энергия отражается. Если волна движется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью (т.е. с высокой скоростью распространения) в материал с высокой диэлектрической проницаемостью (т.е. с низкой скоростью распространения), волна будет подвергаться инверсии (то есть сдвигу фазы на 180 градусов). Отраженные волны могут взаимодействовать с новыми приходящими волнами, создавая различные модели интерференции (смотрите Введение в основы антенн).
Магнитная проницаемость
Магнитная проницаемость – это способность материала накапливать энергию в магнитных полях. Напомним, что сигналы излучаются антеннами в виде электромагнитного излучения – в процессе участвуют и электрическое, и магнитные поля. Таким образом, не будет сюрпризом то, что магнитная проницаемость, как и диэлектрическая проницаемость, влияет на распространение электромагнитных волн. И диэлектрическая, и магнитная проницаемости дают в результате уменьшение скорости волны и уменьшение длины волны.
Чтобы закрепить идею о том, что диэлектрическая и магнитная проницаемости влияют на скорость (и длину волны) электромагнитного излучения, мы можем рассмотреть «скорость света», которая на самом деле является скоростью не только света, но и электромагнитного излучения в целом. Скорость света в вакууме – самая высокая скорость во вселенной, обозначается, как C, и рассчитывается с использованием диэлектрической и магнитной проницаемостей свободного пространства:
Направленность, эффективность и усиление
Изотропные антенны являются теоретическими точечными источниками, которые излучаются электромагнитную энергию одинаково во всех направлениях. Общая излучаемая мощность определяется путем интегрирования потока мощности на поверхности сферы радиусом r, которая окружает антенну. \(\text{Площадь поверхности}=4\pi r^2\)
Интеграл представляет собой теоретическую полную излучаемую мощность. По мере удаления от источника площадь поверхности интегрирующей сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса сферы. Энергия от изотропных излучателей рассеивается равномерно для покрытия этой увеличивающейся площади, и, таким образом, плотность потока электромагнитной мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния от излучателя.
Поскольку плотность мощности изотропного излучателя уменьшается быстро по мере увеличения расстояния, разработчики при создании реальных антенн манипулируют направлением излучения энергии так, чтобы увеличить плотность мощности в нужных направлениях и уменьшить ее в остальных направлениях.
Коэффициент направленного действия (КНД, или просто направленность) – это отношение плотности мощности физической антенны в наиболее концентрированном направлении к плотности мощности теоретического изотропного излучателя при том же уровне полной излучаемой мощности.
Коэффициент направленного действия (КНД) выражается как обычное число, представляющее собой безразмерный коэффициент или значение в децибелах; и чем больше его значение, тем сильнее сфокусирован луч. Антенна, которая излучает одинаково во всех направлениях, обладает коэффициентом направленного действия, равным 1 (0 дБ). Диполь Герца, представленный ранее, из-за недостатка энергии, передаваемой в z-направлении, обладает КНД, равным 1,5 (1,76 дБ).
В зависимости области применения используются антенны с разной направленностью:
- антенны со слабой направленностью передают и принимают информацию со всех направлений более или менее одинаково. Они полезны в мобильных приложениях, где направление между передатчиком и приемником может изменяться;
- антенны с высокой направленностью способны передавать и принимать информацию на больших расстояниях, но должны быть направлены в сторону другой антенны. Они используются в стационарных установках, таких как спутниковое телевидение.
Параболические антенны (например, те, которые используются для приема спутникового телевидения) обладают коэффициентом усиления (КУ), равным 37,5 дБ. Коэффициент усиления антенны включает в себя коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент полезного действия (КПД) антенны.
Коэффициент полезного действия рассчитывается исходя из фактических потерь конкретной конструкции антенны из-за производственных дефектов, потерь поверхностного покрытия, несоответствия импеданса (волнового сопротивления) и других факторов. В то время как коэффициент направленного действия всегда больше или равен 1 (0 дБ), коэффициент усиления антенны может быть меньше 1 (0 дБ).
Рефлекторы (отражатели)
Диаграмма направленности излучения антенны дает нам информацию о ее способностях приема и передачи в различных направлениях. Диаграмма направленности излучения может быть сформирована путем добавления направляющих элементов (директоров) спереди антенны и отражающих элементов (рефлекторов) позади ее.
Рефлекторы перенаправляют энергию, которая излучалась бы антенной в обратном направлении, таким образом, что она распространяется в прямом направлении.
Пример рефлектора антенны можно ужидеть на следующей фотографии космического аппарата Voyager.
При приеме она захватывает энергию с большой площади и отражает ее в сторону приемного элемента. При передаче она концентрирует электромагнитное излучение вдоль центральной оси. Усиление, обеспечиваемое подобными антеннами, способствует успешной передаче информации на очень большие расстояния.
Телевизионные УВЧ антенны обладают отражающими элементами на дальней стороне дипольного приемного элемента; они собирают и отражают (в сторону приемного элемента) радиоволны, которые в противном случае прошли бы мимо.
Директоры
Как и отражающие элементы, направляющие элементы добавляются в антенны для формирования диаграммы направленности излучения. Их длины и расстояние между ними выбираются таким образом, чтобы они поглощали энергию и переизлучали ее синфазно с волнами, распространяющимися непосредственно к приемному элементу или непосредственно от передающего элемента. Это создает конструктивную интерференцию, которая используется только в прямом направлении антенны; волны, которые поступают с других сторон, поглощаются и переизлучаются не синфазно, что приводит к разрушающей интерференции.
Заключение
Надеюсь, что эта статья и предыдущая в данной серии помогли вам лучше понять, как работают антенны, и что представляют их характеристики. Оставляйте комментарии!
