4.4: Характеристики антени

Чотири основні фактори, які диференціюють антени, - це частотна характеристика, імпеданс, спрямованість та електромагнітна поляризація. При виборі антени для конкретного застосування слід враховувати ці фактори. У цьому розділі обговорюються ці та інші фактори, які впливають на вибір антени.

Частота і пропускна здатність

Для зв'язку використовуються електромагнітні хвилі широкого діапазону частот. Різні назви дають електромагнітні сигнали в різних діапазонах частот. У таблиці$\PageIndex{1}$ наведено назву, яка використовується для позначення різних діапазонів частот, для яких використовуються антени.

Таблиця$\PageIndex{1}$: Назви електромагнітних діапазонів частот [15] [54].

Частота	Абревіатура	Ім'я
30-3000 Гц	ЕЛЬФ	Надзвичайно низька частота
3-30 кГц	ВЛЬФ	Дуже низька частота
30-300 кГц	ЛФ	Низькочастотний
300 кГц -3 МГц	МФ	Середня частота
3-30 МГц	HF	Висока частота
30-300 МГц	УКХ	Дуже висока частота
300 МГц-3 ГГц	УВЧ	Ультра висока частота
3-30 ГГц	ШФ	Супер висока частота
30-300 ГГц	ЕХФ	Надзвичайно висока частота

Електромагнітні хвилі рідко використовуються для зв'язку в найнижчій смузі частот, перерахованих в табл$\PageIndex{1}$. Однак одним із прикладів був Project ELF (скорочення від надзвичайно низької частоти). Це була американська військова радіосистема, яка використовувалася для зв'язку з підводними човнами, і діяла вона на$76 \text{Hz}$ [52]. Масив брав участь 84 миль антен, розкинутих поблизу передавальних споруд на півночі Вісконсіна та верхньому півострові Мічиган [52], і він працював з 1988 по 2004 рік [53]. Він мав вхідну потужність 2,3 МВт, але тільки 2,3 Вт електромагнітного випромінювання передавалося через те, що довжина використовуваних антенних елементів становила невелику частку довжини хвилі. Кілька переданих ват змогли досягти підводних човнів під океаном у всьому світі [52]. На передачу або отримання трьох листів знадобилося 15-20 хвилин [52].

Антени зазвичай використовуються для передачі і прийому електромагнітного випромінювання в діапазоні частот від$3 \text{ kHz} \lesssim f \lesssim 3 \text{ THz}$. Однак антена, призначена для роботи на$3 \text{kHz}$ виглядає зовсім інакше, ніж антена, призначена для роботи на$3 \text{ THz}$. Дротові антени використовуються для сигналів приблизно в діапазоні частот$3 \text{ kHz} \lesssim f \lesssim 3 \text{ GHz}$. Тверді конусні, пластинчасті або апертурні антени використовуються для передачі і прийому сигналів в діапазоні частот$3 \text{ GHz} \lesssim f \lesssim 3 \text{ THz}$ [15, гл. 15]. Щоб зрозуміти необхідність різних методів, розглянемо довжини хвиль, що беруть участь. Сигнал з частотою$f = 30 \text{ kHz}$, наприклад, має довжину хвилі$\lambda = 1.00 \cdot 10^4 m$. Довжина антени часто буває того ж порядку, що і довжина хвилі. Хоча ми можемо побудувати дротяні антени такої довжини, вони не переносні. Як інший приклад, сигнал wifi, який працює на$2.5 \text{ GHz}$ має довжину хвилі$\lambda = 12.5 cm$. Дротяні антени, які мають таку довжину, легко будувати та транспортувати. Однак дротяні антени, призначені для сигналів на більш високих частотах, може бути важко точно сконструювати через їх невеликий розмір. З цієї причини дротяні антени зазвичай використовуються на нижчих частотах, тоді як конусні або пластинчасті антени використовуються більш високі частоти.

Людське око може виявляти електромагнітне випромінювання з частотами і довжинами хвиль в діапазоні

$$4.6 \cdot 10^{14} \mathrm{ Hz} \lesssim f \lesssim 7.5 \cdot 10^{14} \mathrm{ Hz} \quad \text { or } \quad 400 \mathrm{nm} \lesssim \lambda \lesssim 650 \mathrm{nm} \nonumber$$

Антени не використовуються для прийому та передачі оптичних сигналів через малі довжини хвиль, що беруть участь, навіть якщо оптичні сигнали підкоряються тій же фундаментальній фізиці, що і радіочастотне електромагнітне випромінювання. Зелене світло, наприклад, має довжину хвилі поблизу$\lambda = 500 nm$ і частоту поблизу$6 \cdot 10^{14} \text{ Hz}$. Антена, призначена для передачі та виявлення цього світла, повинна бути приблизно довжиною$\frac{\lambda}{2} \approx 250 nm$. Атом знаходиться приблизно$0.1 nm$ в довжину, тому антена, призначена для зеленого світла, буде лише приблизно 2500 атомів завдовжки. Антени такого розміру були б недоцільними з багатьох причин. Ще одна причина того, що для передачі та прийому оптичних сигналів потрібні різні методи, полягає в тому, що електричні схеми не можуть працювати зі швидкістю оптичних частот. Методи передачі і виявлення оптичних сигналів розглядаються в розділах 6 і 7.

При виборі антени слід враховувати діапазон частот, які будуть передаватися або приймати, а також їх пропускну здатність. Деякі антени призначені для роботи у вузькому діапазоні частот, тоді як інші антени призначені для роботи в більш широкому діапазоні частот. Антена з вузькою пропускною здатністю буде корисна в тому випадку, коли антена використовується для прийому сигналів тільки в певній смузі частот, тоді як антена з широкою смугою пропускання буде корисною, коли антена повинна приймати сигнали в більш широкому діапазоні частот. Наприклад, антена, призначена для прийому телевізійних сигналів у США, повинна бути розроблена для широкого діапазону,$30 \text{ MHz} - 3 \text{ G Hz}$ оскільки телевізійні сигнали потрапляють у діапазони УКХ та УВЧ.

Як і всі датчики, антени виявляють як сигнал, так і шум. Шум в радіоприймачі може бути внутрішнім по відношенню до приймальної схеми або через зовнішні джерела, такі як інші сусідні передавачі [49, с. 4]. Антена з широкою смугою пропускання буде отримувати більше шуму за рахунок зовнішніх джерел, ніж антена з вузькою пропускною здатністю. Шумові характеристики антени впливають на здатність приймати слабкі сигнали, тому їх слід враховувати при виборі антени для застосування [50].

Імпеданс

І антени, і лінії електропередачі мають характерний імпеданс. Термін лінія електропередачі визначається в п. 4.3 як довга пара провідників. Якщо довжина провідників довга в порівнянні з довжиною хвилі сигналу, що передається, напруга і струм можуть змінюватися по довжині лінії, і енергія може зберігатися в лінії. З цієї причини лінії електропередачі описуються характеристичним опором в Омах. Характеристичний імпеданс дає відношення напруги до струму по лінії, і він дає інформацію про здатність ЛЕП накопичувати енергію в електричному і магнітному полі. Типові значення імпедансу ліній електропередачі, що використовуються для зв'язку, - 50 або 75$\Omega$. Аналогічно кожна антена має свій характерний опір, вимірюваний в Омах, який представляє відношення напруги до струму в антені.

Чому імпеданс важливий? Передавальні антени часто фізично віддаляються від джерела сигналу і підключаються лінією електропередачі. Аналогічно, приймальні антени часто знаходяться в іншому місці, ніж приймаюча схема, і з'єднані лінією електропередачі. Щоб ефективно передавати сигнал між передавальною або приймальною схемою та антеною, імпеданс між антеною та лінією передачі повинен бути узгоджений. При цьому, де характеристичний опір лінії і антени рівні, енергія тече по лінії передачі між схемою і антеною. Лінії електропередач виготовляються з хороших, але не ідеальних, провідників. Невелика кількість енергії може бути перетворено в тепло через опору в лініях, але ця кількість енергії часто буває тривіальним. Однак, якщо існує невідповідність імпедансу між антеною та лінією електропередачі, відображення будуть встановлені на інтерфейсі антени лінії передачі. Менше енергії буде передаватися до або від антени, оскільки енергія буде зберігатися в лінії, і кількість енергії, що бере участь, може бути значним. У правильно спроектованій системі були опори антени і лінії електропередачі збігаються, відображення не відбувається, тому якомога більше енергії передається до або від антени.

Імпеданс антени є функцією частоти. Антени передають і приймають сигнали зв'язку, які майже ніколи не є синусоїдами однієї частоти. Однак часто сигнали містять лише компоненти з частотами у вузькій смузі. Наприклад, радіостанція може мати несучу частоту$100 \text{ MHz}$, і вона може передавати сигнали з частотними компонентами$99.99 \text{ MHz} < f < 100.01 \text{ MHz}$. У цьому випадку імпеданс антени може бути наближений імпедансом при$100 \text{ MHz}$.

Спрямованість

Антени можуть бути призначені для випромінювання енергії однаково у всіх напрямках. Крім того, антени можуть бути розроблені для випромінювання енергії переважно в одному напрямку. Спрямованість$D$ - це безодинична міра рівномірності графіка діаграми випромінювання. Він визначається як відношення максимальної щільності потужності до середньої щільності потужності.

$$D = \frac{\text{Maximum power density radiated by antenna}}{\text{Average power density radiated by antenna}} \nonumber$$

Антена, яка випромінює однаково у всіх напрямках, називається ізотропною. Антена, яка випромінює однаково в два, але не третє, напрямок називається всенаправленной [15]. Наприклад, всенаправлена антена може випромінювати однаково у всіх горизонтальних напрямках, але не у вертикальному напрямку. Ізотропні антени мають в$D = 1$ той час як всі інші антени мають$D > 1$. Деякі програми вимагають ізотропної антени. Наприклад, радіостанція в центрі міста може використовувати ізотропну або всенаправлену антену для передачі до всього міста. В інших випадках краща спрямована антена. Стаціонарна метеостанція, яка передає дані на фіксовану базову станцію, буде витрачати енергію за допомогою ізотропної антени, оскільки вона може використовувати менше переданої потужності з однаковою прийнятою потужністю за допомогою спрямованої антени.

Отримана потужність може бути більшою, ніж задана рівнянням 4.2.2, якщо замість ізотропних антен використовуються спрямовані антени. Для передавальної антени з коефіцієнтом посилення$G_{trans}$ та приймальної антени з коефіцієнтом посилення$G_{rec}$ порівняно з ізотропною антеною рівняння 4.2.2 стає

$$P_{rec} = P_{trans}G_tG_r \left(\frac{\lambda}{4 \pi r} \right)^2 \label{4.4.3}$$

де вважається, що ефективна площа пов'язана з коефіцієнтом посилення приймача

$$G_r =\frac{4 \pi A}{\lambda^2}. \nonumber$$

Рівняння\ ref {4.4.3} відоме як рівняння Фрііса [55]. Отримана потужність буде меншою, ніж задана рівнянням 4.2.2 або\ ref {4.4.3} через втрати в повітрі або іншому матеріалі, через який проходить сигнал, і за рахунок різниці електромагнітної поляризації між передавачем і приймачем [49, с. 4].

Спрямованість - це груба міра антени. Більш точною мірою є ділянка радіаційної діаграми. Графік діаграми випромінювання являє собою графічне зображення інтенсивності випромінювання щодо положення у всьому просторі. Графік діаграми випромінювання може бути 3D-графіком або парою 2D-графіків. У разі, коли використовуються два 2D ділянки, один з ділянок є азимутальною ділянкою, а інший - ділянкою висот. На азимутальному графіку зображений горизонтальний зріз 3D діаграми випромінювання, паралельний площині xy. Графік висот показує вертикальний зріз, перпендикулярний площині xy. Більшість графіків діаграми випромінювання, включаючи всі наведені в цьому тексті, маркуються амплітудою електричного поля [15] [56]. Однак іноді вони позначаються амплітудою потужності замість цього. Діаграма випромінювання антени досить різна в ближньому полі, на відстані менше приблизно довжини хвилі, і в далекому полі, з відстанями, набагато більшими за довжину хвилі. Графіки радіаційної діаграми ілюструють лише поведінку далекого поля.

На малюнку$\PageIndex{1}$ показана діаграма випромінювання для напівхвильової дипольної антени у вільному просторі, і вона була побудована за допомогою програмного забезпечення EZNEC [56]. Абревіатура NEC позначає Чисельні електромагнетики код. Фігура у верхньому лівому куті - це азимутальна ділянка, фігура у верхньому правому куті - це ділянка висоти, фігура в нижньому лівому куті - графік 3D-діаграми випромінювання, а фігура в правому нижньому куті - схема антени.

$\PageIndex{2}$На малюнку показані графіки діаграми випромінювання для 15-метрової чотирьохядерної антени. Виявляються чіткі частки і нулі.

Передній до заднього співвідношення ($\text{F/B ratio}$) - це міра, пов'язана з спрямованістю, яку можна знайти за графіком азимутальної діаграми випромінювання. За визначенням, це відношення сили потужності, що випромінюється спереду до задньої. Часто переднім напрямком вибирається напрямок найбільшої величини на ділянці діаграми випромінювання, а зворотний напрямок - протилежний. $\text{F/B ratio}$може бути вказано або за шкалою журналу в одиницях$\text{dB}$ або в лінійній шкалі, яка є безрозмірною. Його також можна визначити або як відношення напруженості напружень електричного поля, або як відношення сильних сторін потужностей, але найчастіше використовується потужність.

$$\text{F/B ratio} = \left[\frac{P_{front}}{P_{back}}\right]_{dB} = 10\log_{10}\left[\frac{P_{front}}{P_{back}}\right]_{lin} = 20\log_{10}\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{lin} \nonumber$$

Малюнок$\PageIndex{1}$: Графіки діаграми випромінювання для напівхвильової дипольної антени.

Малюнок$\PageIndex{2}$: Графіки діаграми випромінювання для 15-метрової чотирьохядерної антени.

$$\text{F/B ratio} = \left[\frac{P_{front}}{P_{back}}\right]_{dB} = 2\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{dB} \nonumber$$

$\text{F/B ratio}$На прикладі рис. $\PageIndex{2}$можна обчислити за азимутальною ділянкою. Сила поля в передньому напрямку$9 \text{dB}$ сильніше, ніж сила поля в зворотному напрямку.

$$\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{dB} = 9 \text{dB} \nonumber$$

З цієї інформації ми можемо обчислити напруженість поля в передньому напрямку до сили поля в лінійній шкалі.

$$\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{dB} = 10\log_{10}\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{lin} \nonumber$$

$$\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{lin} = 10^{\frac{1}{10} \cdot \left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{dB}} \nonumber$$

$$\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{lin} = 10^{\frac{9}{10}} = 7.94 \nonumber$$

Якщо ця антена використовується як передавач, сигнал у передньому напрямку в 7.9 разів сильніший, ніж сигнал у зворотному напрямку. Співвідношення спереду до спини визначає коефіцієнт потужності, і для цієї антени, це$18 \text{dB}$.

$$\text{F/B ratio} = \left[\frac{P_{front}}{P_{back}}\right]_{dB} = 2\left[\frac{|\overrightarrow{E}_{front}|}{|\overrightarrow{E}_{back}|}\right]_{dB} = 18 \text{dB} \nonumber$$

При виборі антени потрібно багато рішень, пов'язаних з спрямованістю антени. Для конкретного застосування може знадобитися ізотропна або спрямована антена. Якщо потрібна спрямована антена, величина спрямованості повинна бути вирішена. Крім того, орієнтація антени повинна бути вирішена так, щоб вузли та нулі знаходилися у відповідних напрямках. Слід враховувати як кут азимута, так і кут піднесення вузлів і нулів [50, с. 22-1].

електромагнітна поляризація

Електромагнітна хвиля, що виходить від передавальної антени, описується електричним полем$\overrightarrow{E}$ і магнітним полем$\overrightarrow{H}$. Хвиля обов'язково має як електричне поле, так і магнітне поле, оскільки, згідно з рівняннями Максвелла, змінні в часі електричні поля індукують мінливі в часі магнітні поля, а магнітні поля, що змінюються часом, індукують електричні поля. У будь-якій точці простору і в будь-який час напрямок електричного поля, напрямок магнітного поля, напрямок поширення хвилі взаємно перпендикулярні. Більш конкретно,

$$\left( \text{Direction of } \overrightarrow{E} \right) \times \left( \text{Direction of } \overrightarrow{H} \right) = ( \text{Direction of propogation} ). \nonumber$$

Електромагнітна хвиля, яка змінюється залежно від положення так само, як вона змінюється з часом, називається плоскою хвилею, оскільки плоскі хвильові фронти поширюються з постійною швидкістю в заданому напрямку. Наприклад, синусоїдальна плоска хвиля, яка рухається в позитивному$\hat{a}_z$ напрямку, описується

$$\overrightarrow{E} = E_0\cos(10^6t - 300z) \hat{a}_x . \nonumber$$

Для цього плоска хвиля,$\overrightarrow{E}$ спрямована$\hat{a}_x$ вздовж$\hat{a}_y$, спрямована вздовж, а хвиля поширюється в$\hat{a}_z$ напрямку.$\overrightarrow{H}$ Як інший приклад розглянемо плоску хвилю, описану

$$\overrightarrow{E} = E_0\cos(10^6t - 300z) \left( \frac{\hat{a}_x + \hat{a}_y}{\sqrt{2}} \right) . \nonumber$$

Для цієї площини хвиля напрямок$\overrightarrow{E}$ знаходиться$45^{\circ}$ від$\hat{a}_x$ осі, напрямок$\overrightarrow{H}$ -$45^{\circ}$ від$\hat{a}_y$ осі, і знову вона поширюється в$\hat{a}_z$ напрямку. Обидва ці електричні поля описують синусоїдальні плоскі хвилі, оскільки електричне поле змінюється залежно від положення, як це відбувається з часом, синусоїдально в обох випадках.

Ми можемо класифікувати плоскі хвилі за їх електромагнітною поляризацією. Плоскі хвилі можна класифікувати як лінійно поляризовані, ліві циркулярно поляризовані, праві циркулярно поляризовані, ліві еліптично поляризовані або праві еліптично поляризовані. У попередньому розділі ми зіткнулися з різною ідеєю матеріальної поляризації. Додаток C обговорює перевантажену термінологію, включаючи термін поляризація.

Обидві електромагнітні хвилі, описані рівнянням 4.4.13 та рівнянням 4.4.14, лінійно поляризовані. В обох випадках напрямок електричного поля залишається постійним у міру поширення хвилі щодо як положення, так і часу. Якщо напрямок електричного поля обертається рівномірно навколо осі, утвореної напрямком поширення, хвиля називається циркулярно поляризованої. Якщо напрямок електричного поля обертається нерівномірно, хвиля називається еліптично поляризованою. Для кругополяризованих хвиль проекція хвилі на площину, перпендикулярну осі, утворену напрямком поширення, кругова. Для еліптичних хвиль проекція еліптична. Щоб визначити, чи є поляризація лівою чи правою, наведіть великий палець правої руки в напрямку поширення, і порівняйте обертання електричного поля з обертанням пальців. Якщо обертання йде уздовж напрямку пальців правої руки, хвиля правильно поляризована. В іншому випадку вона залишається поляризованою. Наприклад, хвиля, описана

$$\overrightarrow{E} =E_0\cos(10^6t - 300z) \frac{\hat{a}_x}{\sqrt{2}} + E_0\sin(10^6t - 300z) \frac{\hat{a}_y}{\sqrt{2}} \nonumber$$

має право кругову поляризацію. Як ще один приклад, хвиля

$$\overrightarrow{E} =E_0\cos(10^6t - 300z) \frac{\hat{a}_x}{2} + E_0\sin(10^6t - 300z) \frac{\hat{a}_y \sqrt{3}}{\sqrt{2}} \nonumber$$

правий еліптично поляризований. Хвиля

$$\overrightarrow{E} =E_0\cos(10^6t - 300z) \frac{\hat{a}_x}{\sqrt{2}} - E_0\sin(10^6t - 300z) \frac{\hat{a}_y}{\sqrt{2}} \nonumber$$

залишається круговою поляризацією. Ці визначення проілюстровані на рис. $\PageIndex{3}$.

Яке відношення має електромагнітна поляризація до антен? Антени можуть бути призначені для передачі лінійно, циркулярно або еліптично поляризованих сигналів. Антени, призначені для передачі або прийому циркулярно поляризованих сигналів, часто містять дроти, які котуються у відповідному напрямку навколо осі. Якщо сигнал передається за допомогою антени, призначеної для передачі лінійно поляризованих хвиль, найкращою антеною для використання в якості приймача буде та, яка також призначена для лінійно поляризованих хвиль. Сигнал може бути виявлений антеною, призначеної для сигналу різної електромагнітної поляризації, але отриманий сигнал буде шумніше або слабкіше. Аналогічно, якщо сигнал передається за допомогою антени, призначеної для правої кругової поляризації, найкращою приймаючою антеною для використання буде також призначена для правої кругової поляризації.

Малюнок$\PageIndex{3}$: Ілюстрація типів електромагнітної поляризації для плоської хвилі, що рухається в$\hat{a}_z$ напрямку.

Інші міркування антени

Антени виготовляються з хороших провідників. У розділах 2 і 3 ми побачили, що матеріали, що входять до складу багатьох пристроїв перетворення енергії, сильно впливають на поведінку. Хоча провідність провідників змінюється, загалом матеріал, з якого виготовлена антена, не суттєво впливає на її поведінку. Крім пропускної здатності, імпедансу, спрямованості та електромагнітної поляризації, інші фактори, такі як розмір, форма та конфігурація, відрізняють одну антену від іншої. Також слід враховувати механічні фактори. Ідеальною антеною може бути та, яка легко сконструювати або монтувати в потрібному місці, переносна або вимагає незначного обслуговування [50]. Якщо антена повинна бути встановлена зовні, антена повинна витримувати сніг, вітер, ожеледь та інші екстремальні погодні умови [50]. Хоча рівняння Максвелла корисні для прогнозування діаграми випромінювання антени, вони не дають інформації про ці інші фактори.

Ідеальної антени немає. В одному випадку найкращою антеною може бути Yagi, який є дуже спрямованим і призначений для роботи у вузькій смузі частот. В іншому застосуванні найкраща антена може бути механічно міцною і встановленої таким чином, щоб витримувати сильний вітер [50, стор. 17-29]. В іншому випадку найкраща антена може бути портативною і легко налаштовуватися однією людиною незалежно від її діаграми випромінювання [50, стор. 21-26]. В іншому випадку найкращою антеною може бути провід довільної довжини, що звисає з дерева, тому що це було найпростішим і швидким для побудови. Як і в будь-якій галузі машинобудування, проектування антен передбачає компроміси. Наприклад, найкраща антена для виявлення$800 \text{ MHz}$ лінійно поляризованого сигналу - це антена, яка призначена для виявлення$800 \text{ MHz}$ сигналів, призначена для виявлення лінійно поляризованих сигналів, орієнтована в належному напрямку та має імпеданс, відповідний імпедансу використовуваної лінії передачі. Сигнал все ще може бути виявлений за допомогою антени, призначеної для іншої частоти, призначеної для різної електромагнітної поляризації, неправильно спрямованої або з невідповідним імпедансом. Однак у всіх цих випадках буде надходити менш інтенсивний сигнал.

Малюнок$\PageIndex{4}$: Засніжена тарілка антена.