Introducere în elementele de bază ale antenelor

Salvați sau distribuiți

O scurtă istorie a electromagnetismului

Cu peste 2600 de ani în urmă (și probabil chiar mai devreme), grecii antice au descoperit că o bucată de chihlimbar frecată pe blană atrage obiecte ușoare, de exemplu, pene. În același timp, oamenii vechi au descoperit minereu magnetic, care este o bucată de rocă magnetizată.

La începutul secolului al XIX-lea, Hans Christian Oersted a așezat firul perpendicular pe acul busolei și nu a văzut nimic. Dar când a întors firul în paralel cu săgeata busolei și a trecut curentul prin el, acul sa deplasat într-o direcție. Când a ratat curentul prin fir în direcția opusă, acul busolei sa deplasat și în direcția opusă.

Introducere în elementele de bază ale antenelor

Curentul care trece prin conductor, perpendicular pe acul busolei, nu provoacă mișcarea acestuia

Acul busolei, situat paralel cu conductorul, prin care curge curentul. Când direcția de curgere a curentului în direcția opusă se schimbă, abaterea săgeții se schimbă și în direcția opusă.

Acest fir era prima antenă de transmisie, iar busola era primul receptor. Oamenii de știință de atunci pur și simplu nu știau despre asta.

Deși nu este foarte elegant, acest experiment a dat o idee despre cum funcționează universul - că încărcăturile care se deplasează printr-un fir formează un câmp magnetic perpendicular pe fir. (Oamenii de știință au aflat curând că acest câmp înconjurător al conductorului este rotund, nu este o linie dreaptă perpendiculară pe dirijor.)

Cu ajutorul acestor informații, oamenii de știință au reușit să descrie modul în care câmpurile electrice și magnetice interacționează cu încărcăturile electrice și să formeze baza pentru înțelegerea electromagnetismului.

Curând, Nikola Tesla, în laboratorul său fără fire, a aprins lămpile, a demonstrat prima barcă de jucărie cu telecomandă și a creat un sistem de curent alternativ, pe care astăzi îl folosim în întreaga lume pentru a transmite energie electrică.

Mai puțin de un secol după experimentul Oersted, Guglielmo Marconi a inventat o metodă de transmitere a primelor semnale telegrafice fără fir pe întreg teritoriul Atlanticului.

Și acum, la două secole după primul experiment cu un compas, putem lua fotografii de planete îndepărtate și le trimite prin spațiul vast de pe dispozitivul pe care le putem ține în mâinile lor - și toate datorită antenele.

Blocuri compozite

În universul nostru există anumite reguli. Oamenii au descoperit acest lucru acum mii de ani, când au început să distingă gravitatea și capacitatea unor obiecte de a atrage sau respinge alte obiecte. Apoi oamenii au descoperit un alt set de reguli de atracție și repulsie, care au fost complet separate de prima.

O imagine care prezintă simetria oglinzilor dintre încărcăturile electrice, poli magneți și mâini

Suprapunerea valurilor (principiul suprapunerii)

Valurile transferă energia de la un loc la altul.

Starea intactă pentru o perioadă lungă de timp, suprafața apei din piscină va apărea netedă și fixă. În cazul în care apa perturba într-un singur loc, moleculele de apa moleculele de apa care deranja perturbă moleculele de apă vecine și așa mai departe până când ajunge la excitare marginea piscina vecină.

Moleculele care au început un lanț de evenimente rămân în vigoare, aproape de locația lor inițială, dar emoția va ajunge la marginea bazinului în câteva secunde. Valurile transmit energie fără a transfera materie.

Un val în piscină

Valurile, așa cum le descriem, sunt mișcarea tulburărilor prin mediul înconjurător. O singură perturbare inițială sau un milion de astfel de perturbații conduce la o reacție în lanț a coliziunilor moleculelor din bazin la propagarea perturbării.

Graficul propagării a două valuri în bazin

Atunci când două valuri perturbă aceeași zonă a spațiului, amplitudinile lor se vor adăuga sau se vor scădea, creând interferențe constructive sau distructive. Această practică de adunare sau scădere temporară se numește principiul suprapunerii.

Graficul interferenței constructive a valurilor

După ce valurile se amestecă într-un anumit loc, ei continuă să se miște în aceeași direcție și cu aceeași viteză cu care au început să se miște, atât timp cât rămân în același mediu. Viteza și direcția se pot schimba când valul intră într-un mediu nou. Undele sonore trec prin aer, undele de apă trec prin lichide - substanțele prin care trece valurile se numesc "mediu".

Undele electromagnetice pot călători prin medii precum aerul și apa sau prin spațiul gol - nu au nevoie de un mediu pentru a răspândi energia de la un loc la altul.

Reflecția unui val

Atunci când undele trec de la un mediu la altul, o parte din energia lor este transferată, o parte a energiei este reflectată și o parte din energie este disipată în mediul înconjurător.

Proprietățile materialelor acestor două medii determină relația dintre transmisie și reflexie și împrăștiere. Și, de asemenea, proprietățile materialelor determină dacă valul va fi inversat după reflexie.

Transmiterea și reflectarea energiei valurilor unui singur val continuu incident de puls (portocaliu) ajunge la limita de medii, în care o parte din energie este reflectată (portocaliu deschis), și o parte din energie este transferată (portocaliu închis)

Reflecție și inversiune

Atunci când undele se propagă de la un mediu la altul, o parte a energiei incidente se reflectă. În funcție de proprietățile materialelor media, undele pot fi inversate în timpul reflecției.

Imaginați-vă o primăvară lungă legată de un pol. Dacă loviți ușor arcul din stânga, perturbația se va propaga de-a lungul întregii lungimi a arcului până când se lovește postul; și în acel moment va schimba direcția și va începe să se răspândească înapoi la tine din partea cealaltă, în dreapta. Aceasta este inversiunea.

Inversiunea unui val în reflecție

Luați același izvor și legați-l cu frânghia, înfășurată pe stâlp. Dacă loviți ușor arcul din stânga, perturbația se va întinde de-a lungul întregii lungimi a arcului, până când va atinge frânghia; în acest moment va schimba direcția și va începe să se răspândească înapoi la tine din aceeași parte, în stânga.

Absența inversării în reflecție

Înțelegerea reflexiei oscilațiilor de primăvară ne va ajuta să înțelegem ce se întâmplă în interiorul antenei.

Iată patru situații care vor ajuta la ilustrarea conceptelor de reflecție și inversiune.

Unda este inversată atunci când este reflectată, determinată de proprietățile mediului pe ambele părți ale interfeței.

În cazul în care valul este inversat de reflecție, și dorim să obțineți interferențe constructive în coarda, ar trebui să aibă o lungime frânghie egală cu jumătate din lungimea de undă, lungimea de undă completă sau o jumătate de lungime de undă, și așa mai departe: \ (L = n \). unde n este un număr întreg pozitiv.

Antena de rezonanță se bazează pe aceleași principii de reflecție și de interferență: Alegeți lungimea firului, astfel încât energia reflectată poate interfera constructiv, creând un semnal mai mare, și nu-l în scădere.

Valuri permanente

Când cele două valuri de aceeași lungime se extind în același mediu, dar în direcții opuse (reprezentate în culorile albastru și portocaliu în exemplele de mai jos), ele pot interacționa și formează o undă staționară (prezentată în verde în exemplele de mai jos). Valurile permanente sunt numite astfel încât, în timp ce undele albastre se mișcă spre stânga și undele portocalii se mișcă spre dreapta, undele verzi verticale nu au nici o mișcare vizibilă în nici o direcție.

Valul care se încadrează (portocaliu) și valul reflectat (albastru) se combină pentru a forma un val în picioare (verde)

Un val în picioare apare numai în anumite condiții din mediu, care sunt determinate de modul de reflecție și de lungimea undei incidentului.

Raportul de undă permanent (SWR)

Valurile permanente de amplitudine maximă apar cu o combinație foarte precisă a frecvenței (sau a lungimii de undă) și a lungimii antenei.

Din nefericire, este imposibil și practic imposibil să avem antene care să aibă lungimea exactă necesară pentru a forma un val de undă ideal în intervalul de frecvență dorit. Din fericire, acest lucru nu este necesar. O antenă cu o lungime fixă poate funcționa într-o gamă mică de frecvențe, cu un nivel mic, acceptabil de detuning.

Valuri și solicitări permanente în linie, prezentate în timpul perioadei de oscilații

Lungimea antenei trebuie să fie reglată pentru a obține o undă stând cât mai aproape de cea ideală în centrul domeniului de frecvență de operare.

Contoarele SWR (raportul undei în picioare) măsoară raportul dintre energia transmisă și energia reflectată, iar acest raport ar trebui să fie cât mai aproape posibil de 1: 1.

Reglajele mici se pot face prin adăugarea de componente pasive la circuitul dintre cascada de terminare și antena. Deficiențe mici în reglarea antenei pot provoca o diferență potențială în etapa de câștig final, încălzirea secțiunii finale a liniei de transmisie. Un dezechilibru mare poate determina o mare diferență de potențial să curgă din nou în circuitul emițătorului, provocând distrugerea dielectrică, scânteia și eșecul amplificatorului terminal.

Transferul de informații

Probabil, două metode de transmitere a informației sunt cele mai cunoscute: modularea frecvenței (FM, FM) și modularea amplitudinii (AM, AM).

Frecvență modulare

Cu modulație de frecvență, informațiile sunt transmise prin modificarea frecvenței undei purtătoare.

Modularea amplitudinii

Cu modularea amplitudinii, frecvența oscilației purtătoarelor rămâne constantă. Informațiile sunt transmise prin schimbarea amplitudinii transportatorului.

Antena Dipol

O antenă simplă care folosește două elemente identice se numește dipol. Cele mai scurte antene dipol lucrează cu oscilații, pentru care lungimea antenei este de jumătate din lungimea de undă și care creează valuri în picioare de-a lungul întregii lungimi a antenei.

Valuri permanente într-o antenă dipolă

Schimbarea câmpurilor electrice de-a lungul lungimii antenei creează unde radio care se propagă în direcțiile antenei.

Energia radiantă a antenei

Antenele vă permit să transmiteți și să primiți informații, să acționați și să fiți expuși câmpurilor electromagnetice care pătrund în univers. În următorul articol, vom analiza diferitele tipuri de antene și modul în care funcționează.