O anténách pro nejmenší / Habr

Zkusme přijít na to, jak fungují antény a proč je elektromagnetická energie vyzařována z pohodlného vodiče do cizího dielektrika, a obejdeme se bez vulgárních výrazů, které si samozřejmě vyžádají velmi vážná zjednodušení až vulgarizaci, ale přesto nám umožní získat prvotní představu a chuť číst materiály pro pokročilejší nevyjímaje.

Pokud jste radiotechnik, zkušený radioamatér nebo prostě dobře znáte fyziku, pak se vám přísně nedoporučuje číst následující, abyste se vyhnuli negativním důsledkům pro vaše duševní zdraví. Byli jste varováni.

Začněme nudnými základy. Za starých dobrých časů, kdy neexistoval ani internet, ani toto vaše fido, nebyly známé fenomény elektřiny a magnetismu považovány za něco spojeného, ​​majícího společnou povahu, dokud přesně před dvěma sty lety Dán Oersted nezjistil, že tok elektrického proudu vodičem způsobí odchylku střelky kompasu, tzn. vytváří magnetické pole dostupné pro pozorování a měření pomocí těch nejjednodušších přístrojů.

Brzy Francouz Ampère odvodil po sobě pojmenovaný zákon, který popisuje závislost elektrického proudu a z něj vznikajícího magnetického pole, a o něco později Angličan Faraday, který se do toho zapojil, objevil a matematicky vysvětlil jev elektromagnetické indukce. Skot Maxwell po poměrně dlouhé době vytváří teorii elektromagnetického pole, na kterou jsme se měli spolehnout v dalším příběhu, ale dohodli jsme se, že se bez matanu co nejvíce obejdeme, aby i ti nejodvážnější humanisté mohli získat chuť pro technologii místo toho, aby se strašili složitými recepturami. Všechny tyto práce vedly k tomu, že v roce 1887 německý Hertz experimentálně prokázal existenci rádiových vln sestrojením rádiového vysílače a rádiového přijímače, které se zcela nečekaně ukázaly jako funkční. Sám Hertz však nedocenil perspektivu svého rozhlasového vysílání (první na světě!) a proto je vynález rádia častěji spojován s Italem Marconim, který kromě toho, že byl nepopiratelný inženýrský génius, byl také úspěšný z hlediska komercializace. Ano, pokud by to někoho zajímalo, první rádiový přenos hlasu patří Kanaďanovi Fesendenovi, kterému se to v roce 1900 podařilo.

Proud ve vodiči vytváří magnetické pole. Proč bychom měli pokládat ruce na holý drát? Pak, abyste si snadno zapamatovali směr vektoru magnetického pole v závislosti na směru proudu ve vodiči – „pravidlo pravé ruky“.

Nyní tedy víme, že tok elektrického proudu ve vodiči způsobuje vznik magnetického pole v blízkosti vodiče. To je velmi, velmi zjednodušeně řečeno elektromagnetismus. Proto první věc, kterou se můžeme naučit, je, že vyzařování antén je spojeno s tokem elektrického proudu v nich.

Rádiové komunikace využívají střídavý proud různých frekvencí (nebo vlnových délek – když mluvíme o anténách, je často výhodnější mluvit o vlnových délkách, a když mluvíme o rádiové technice obecně, je výhodnější mluvit o frekvencích).
Různé frekvence umožňují současně provádět mnoho nezávislých přenosů a oddělit jejich příjem, vybrat potřebné frekvence a vyřadit nepotřebné. Existuje několik způsobů, jak to udělat, ale jsou tématem samostatných článků. Střídavý proud má jednu nepříjemnou vlastnost: ačkoli zcela dodržuje Ohmův zákon (vzájemná závislost napětí, odporu obvodu a proudu v něm), napětí a proud se nemusí časově shodovat. Ano, ano, „fázový posun“ není nutně v hlavě, je to víc než jen elektrotechnický a radiotechnický termín. To se stane. Pokud bychom přivedli střídavé napětí na nějaký ideální rezistor, pak by se souosý střídavý proud v tomto obvodu rovnal napětí ve voltech dělené odporem v ohmech – stejně jako slušné množství stejnosměrného proudu. Ale pokud místo rezistoru máme induktor, pak se věc stává více matoucí. Když přivedeme napětí na cívku, zdá se, že odolává proudu, který jí prochází, takže proud je mimo fázi s napětím. Mimochodem, pokud vypnete přívod napětí z cívky, bude také vzdorovat a bude se snažit udržet tok proudu skrz sebe (do té míry, do jaké cívka dokáže ukládat energii) – už tam není žádné napětí, ale proud stále teče. To je odpor, nazývá se reaktivní, čím vyšší je frekvence. To znamená, že s rostoucí frekvencí při stejné indukčnosti nebo se zvyšující se indukčností při stejné frekvenci se zvyšuje odpor vůči střídavému proudu. U kondenzátorů je vše stejné, ale pouze obráceně. Když je na kondenzátor přivedeno napětí, proud do něj nejprve klesá, jako do prázdné jímky, před napětím a poté klesá, když se nabíjí. Snadnost, s jakou střídavý proud proudí do kondenzátoru, znamená, že jak se zvyšuje frekvence, odpor vůči střídavému proudu klesá se stejnou kapacitou a při stejné frekvenci, jak se kapacita zvyšuje, odpor vůči střídavému proudu také klesá. Mějte proto na paměti: reaktance, tedy indukční nebo kapacitní odpor vůči střídavému proudu, závisí na frekvenci.

Vlevo je tradiční sinusový oscilogram, vpravo fázový posun na příkladu „zpoždění“ proudu od napětí v přítomnosti indukční reaktance v obvodu.

Celkový odpor, který se skládá z aktivní složky (podmíněný odpor, který spotřebovává energii „čistě“, bez ovlivnění fáze) a reaktivní složky (indukčnost a/nebo kapacita s fázovým posunem), se nazývá komplexní odpor nebo impedance.

Anténa je tedy vodič, do kterého je přiváděna elektrická energie a který ji vyzařuje do okolního prostoru. Vydává elektrický proud do vodiče, který kolem vodiče vytváří magnetické pole.

Proč elektromagnetická energie opouští vodič, který je pro něj pohodlný, do vakua, které je pro něj nepříjemné? Ale ona nevychází! Energie vytváří v poli oscilace, ale sama se nepohybuje. Srovnejme se zvukovými vlnami. Když reproduktor (anténa) vytváří vibrace, vzduch (éter) se nepohybuje, vítr nevzniká, ale vibrace se šíří ve vzduchu (éteru). Totéž se děje s elektromagnetickými vlnami, až na to, že elektromagnetická energie se nešíří vzduchem, ale éterem. Později však zjistí, že předpokládaný éter neexistuje a že Země také není placatá a elektromagnetické pole je ve vakuu skvělé. ale víme, že existuje éter a země samozřejmě není plochá, ale mírně konvexní. To znamená, že energie se opět nepřenáší spolu s prostředím (přesněji polem), ale je přenášena v důsledku šíření vln v obecně stacionárním prostředí (v poli).

Anténa jako oscilační obvod. Než si povíme o konkrétních návrzích jednoduchých antén, na jejichž principech dokážeme porozumět struktuře složitých, promluvme si o elektrické rezonanci. Abychom to udělali, vraťme se k reaktanci. Tkanina antény může být reprezentována jako distribuovaná kapacita a distribuovaná indukčnost – jako cívka rozvinutá na přímý drát a jako kondenzátorové desky degenerované do stejného drátu. Přítomnost reaktance v obvodu, jak si pamatujeme, odděluje fáze proudu a napětí. Pokud však zvolíme určitou kombinaci indukčnosti a kapacity (a to bude fungovat pouze na jedné konkrétní frekvenci, protože si pamatujeme, že reaktance se mění se změnami frekvence), pak se ukáže, že kapacita a indukčnost se navzájem ruší a vidíme čistě aktivní odpor při zatížení. Tento druh vzájemné kompenzace a výsledek v podobě čistě aktivního odporu jako výsledek kompenzace se nazývá elektrická rezonance. Samo o sobě je to pro činnost antény nedůležité, protože anténa, jak jsme již zjistili, vyzařuje proud ve vodiči. Existuje však řada důvodů, proč se člověk snaží dosáhnout rezonance v anténě. Faktem je, že na rozdíl od stejnosměrného proudu je pro střídavý proud důležité, aby vlnová impedance (připomínám Ohmův zákon, totiž že odpor obvodu je číselně roven přivedenému napětí děleno proudem) generátoru, přenosové vedení a zátěž, tzn. samotné antény byly stejné. Pokud není rovnost, část elektromagnetické energie se odrazí zpět do generátoru, což vede k celé řadě nežádoucích jevů. Významná reaktance má za následek vysoký nesoulad a významný odraz energie. To však platí i pro aktivní složku impedance, kterou lze snáze sladit s nevýznamnou, snadno kompenzovatelnou reaktivní složkou. Technicky se proto snaží vytvořit antény, ve kterých reaktivní složka chybí nebo se snadno kompenzuje a aktivní složka se rovná charakteristické impedanci generátoru nebo se snadno transformuje. V případě nejjednodušších antén vytvoření určité kapacity antény nebo určité indukčnosti jednoduše znamená výběr rozměrů. Proto se velikosti antén obvykle neměří v lineárních jednotkách, ale ve zlomcích vlnové délky.

Nejjednodušší antény plné velikosti. Půlvlnný dipól, čtvrtvlnný zemník a podobná provedení.

Jak vidíte, rozložení proudů a napětí je stejné. Pouze pokud ve čtvrtvlnné základní rovině je jedna polovina dipólu kolík a druhá polovina je zem, pak v půlvlnném dipólu je druhá polovina jeho druhou polovinou.

Abychom se seznámili s principy, které jsou stejné pro všechny složitější antény, navrhuji porozumět konstrukci a činnosti základních antén – symetrického půlvlnného dipólu nebo asymetrické čtvrtvlnné základní roviny. Do jisté míry jsou totožné a půlvlnný dipól lze považovat za extrémní případ čtvrtvlnné zemnice, jejíž úhel radiálů (protizávaží) dosáhl 180° k vyzařovacímu čepu, takže většina uvažované vlastnosti jsou stejně použitelné pro obě antény.

Jak vidíme, taková anténa má elektrickou rezonanci, protože její vodič obsahuje celé číslo půlvln proudu a celé číslo půlvln napětí. Jsou mezi sebou mimo fázi, ale jejich reaktivita se ruší.

Pokud by anténa byla o něco kratší než polovina vlnové délky, pak by měla kapacitní impedanční složku a musela by být kompenzována indukčností (připomíná to někomu cívky na základně CB autoantén?), a pokud by na naopak došlo k jeho prodloužení, pak by se objevila indukční složka, kterou je nutné kompenzovat kapacitou .

Radiační odolnost. Na odolnosti vůči záření není nic zvláštního. Nebo spíš ne takhle. Radiační odpor neexistuje ve fyzikálním smyslu, jedná se o analytickou hodnotu, která se používá k určení účinnosti antény. Nejjednodušší způsob, jak si představit radiační odpor, je aktivní složka celkového odporu celé antény, která se spotřebuje na záření. Ve skutečnosti existuje termín „radiační ztráta“ a to je užitečná „ztráta“, pokud mluvíme o anténě, ale není to totéž jako radiační odpor, takže se nenechte zmást. Neexistuje žádný imaginární odpor média vůči imaginárnímu záření do něj ani ničemu jinému – existují různé vlastnosti, jako je dielektrická konstanta, které zatím nebudeme uvažovat.

Anténa obsahuje také ztrátový odpor ve formě odporu vodiče, který se vynakládá na její ohřev, a různé ztráty v konstrukčních prvcích a odpovídajících spojích. Znalost radiačního odporu je nezbytná pro pochopení účinnosti antény: u některých antén může být radiační odpor jednotek a zlomků ohmů, navzdory skutečnosti, že ztrátový odpor je mnohonásobně větší, což znamená, že účinnost takové antény je extrémně nízká i přes to, že její design je jinak dostačující. V jednoduchých anténách, jako je uvažovaný dipól nebo základní deska, se radiační odpor blíží celkovému odporu samotné antény, protože ztráty ve vodiči jsou relativně malé, ale v žádném případě se nejedná o totožné koncepty.

Vraťme se k dipólu. Dokud dodáváme energii v jejím geometrickém středu, kde je proud maximální a napětí minimální, je radiační odpor malý. Teoreticky se rovná přibližně 73 Ohmům a v praxi je to o něco méně v závislosti na relativní tloušťce materiálu. Jakmile se polovina dipólu rozdělí na jednotlivé radiály, odpor se mírně sníží a klesne na přibližně 36 ohmů pod úhlem 90° vůči kolíku. To samozřejmě ovlivňuje účinnost antény. Ale pro jasnost budeme uvažovat dipól. Jak se napájecí bod pohybuje od středu k okraji, uvidíme, že proud klesá a napětí stoupá, to znamená, že se zvyšuje radiační odpor, který dosáhne svého maxima při napájení z konce. Tato okolnost neovlivňuje všechny ostatní charakteristiky antény; stále vyzařuje se stejným vyzařovacím diagramem, což znamená, že má stejnou účinnost vyzařování (ne však účinnost celé sestavy antény, protože účinnost závisí na relativních ztrátách).

Impedance antény se rovná napětí v napájecím bodě dělenému dodávaným proudem. A skládá se, jak jsme již zjistili, z radiačního odporu, při kterém užitečně ztrácíme energii na záření, které potřebujeme, a ztrátového odporu, při kterém ztrácíme energii zbytečně. Impedanci antény můžeme ovlivnit různými způsoby. Beze změny geometrie můžeme posunout výkonový bod. Můžeme použít různé transformační prvky (včetně doslova transformátorů s vinutím na těch frekvencích, při kterých je jejich použití racionální). Všechny tyto manipulace nijak neovlivňují vyzařovací účinnost antény a jsou potřeba pouze pro sladění antény s generátorem (vysílačem). Například středově napájený půlvlnný dipól s odporem přibližně 73 ohmů, prostřednictvím jednoduchého transformátoru 1:4, může být přizpůsoben oscilátoru navrženému pro 18 ohmovou nebo 300 ohmovou anténu, v závislosti na způsobu připojení vodičů . Činnost antény to nijak neovlivní, kromě vlivu ztrát v transformátoru na účinnost celé konstrukce sestavy.

Pokud se vám zdá, že anténa má pouze monopól – určitý kolík, kus drátu nebo jen dráhu na desce s plošnými spoji, pak se ve skutečnosti jedná o variantu zemnice, která nemá speciálně určené radiály, ale radiály jsou země, tělo operátora (např. přenosná radiostanice) nebo pozemní polygony na desce. Ztráty v takových radiálech jsou samozřejmě větší než u těch speciálně vytvořených jako součást antény, proto je účinnost takových konstrukcí vždy nižší, stejně jako míra impedančního přizpůsobení kvůli nepředvídatelnosti situačních namísto vypočítaných radiálů.

Jak se délka antény zvětšuje za půlvlnný dipól, vyzařovací odpor se nejprve zvětšuje, dosahuje maxima při sudém počtu půlvln, a poté opět klesá a dosahuje minima při lichém počtu půlvln. Mírné zvětšení délky zužuje vyzařovací diagram a zvyšuje účinnost přenosu ve zvoleném směru, zatímco výrazné zvětšení vede k fragmentaci obrazce do mnoha laloků a je obecně neúčinné, proto se v praxi většinou nepoužívá kromě vícepásmových antén. , ve kterém se jedná o kompromisní řešení.

Obecně platí, že jakékoli zvýšení délky dipólu nad polovinu vlny má za následek, že se na plátně objeví oblasti, kde proud teče opačným směrem. Tento proud se samozřejmě také podílí na vyzařování, ale interference pole, které vytváří, s polem konvenčně hlavní části sítě vede k rozštěpení vyzařovacího diagramu, což je ve většině případů škodlivé: obvykle rádiové komunikace probíhá jedním nebo několika známými směry a radiace je na „zbytečné“ straně jednoduše znamená promarněné ztráty. Například pozemní komunikace probíhá směrem k horizontu a záření do vesmíru plýtvá výkonem vysílače. Proto, když je nutné zvýšit směrovost antény, aby se energie více zaměřila v požadovaném směru, raději používají složitější konstrukce založené na dipólech než prodlužování jediného dipólu.

Když se zkrátí délka antény z půlvlnného dipólu (nebo se zkrátí kolík čtvrtvlnné základní desky), radiační odpor exponenciálně klesá, což ve spojení se stále složitějším přizpůsobovacím zařízením činí zkrácenou anténu extrémně neúčinnou. – malý odpor záření vedle velkého odporu znamená zbytečné zahřívání přizpůsobovacího zařízení nízkým zářením.

To je ve skutečnosti vše, co humanista potřebuje vědět o anténách.

Pozadí otázky je toto. jelikož jsem 20 let pracoval v oblasti TV, nesnáším to :) a prakticky se na to nedívám :) ale bylo potřeba nastavit televizi na jednom místě. Platit za ty sračky, co se vysílají vzduchem a kabelem je šílenství. Satelitní parabola je drahá a složitá na nastavení a nikdo nepotřebuje 700 arabských kanálů :) Existuje jen jedna cesta ven – T2. Koupil jsem si tuner za 20 $, zapojil jsem ho, vložil šroubovák jako obvykle místo antény. nic))) Šel jsem do obchodu s tím, že si koupím anténu, 20 $ za anténu))) Zbláznili jste se?)

Tak se stalo, že jsem od dětství kamarád s rádiovými vlnami a trochu rozumím tomu, co je co, konkrétně jsem na jedné vojenské univerzitě získal vzdělání na anténních napájecích zařízeních. mezi vědeckým komunismem, pochodováním a jinými kecy)))
Sám si tuner samozřejmě sestavit neumím, ale ANTÉNA je snadná)

Hmm. šel jsem se podívat na frekvenci vysílače)) Dokonce to bylo přítomno i v návodu k tuneru.

Ukázalo se, že kvůli zvláštnostem DVB-T vysílání se provádí ve 4 balíčcích po 8 kanálech, což vede k 32 kanálům.

Na příkladu oblasti Kyjeva (hlavního města junty:) najdeme…

těch. například pro Kyjev 26,29,31, 49, XNUMX a XNUMX kanálů a odpovídají frekvencím

těch. Zhruba řečeno, všechny frekvence T2 leží v rozsahu 500-800 MHz. Co nám to dává, všechno!

Aniž bych se pouštěl do vysokých věcí (a vezmu na slovo – elektromagnetické záření je velmi vysoká záležitost – nejtěžší předmět, který jsem kdy musel studovat, je elektrodynamika a šíření rádiových vln, no, možná statistické radioinženýrství) ) vysvětlím vše na svých prstech. Pozor, nejdůležitější bod k pochopení!

Je známo, že intenzita magnetického pole „žije“ v prostoru podle „sinusoidy“ nebo „kosinusu“ – podle toho, co je pro vás výhodnější:) Jak toto pole žije, ví obecně jen Bůh, který to vymyslel a my to popisujeme pomocí vlnových zákonů:) Podívejme se na obrázek.

Má naše „radiační pole“ a anténu – „půlvlnný vibrátor“ (přeskočte to pro blondýnky, není to tak, jak si myslíte:) Elektromagnetické pole vytváří skutečné napětí v prostoru a kladná část tohoto napětí se co do velikosti rovná záporné. A abychom tuto vlnu „chytili“ na anténu, musí to být poloviční vlna, pak na levém rameni antény je vrchol sinusu -1 a na pravém je maximum +1. V důsledku toho je potenciální rozdíl (výstupní signál) maximální – 2 jednotky, tj. to je optimální velikost antény. při zvětšování a zmenšování délky ramen antény dostáváme menší signál. Doufám, že je to jasné a nic dalšího není potřeba chápat))) Čtvrtvlnná anténa (na obrázku jedno rameno) funguje stejně.
Jsou to 1/4 vlnové antény, které jsou v telefonech a jiných zařízeních. stačí přijímaný signál zesílit o 2)) pak bude výstupní signál jako ze dvou ramen, ale se ziskem ve velikosti)

Naše frekvence jsou tedy 500-800 MHz.

Aniž bychom zacházeli do hlubin teorie výpočtu antén, vezměme si nejjednodušší vzorec pro čtvrtvlnnou anténu.
L= 7137/F, vezmeme průměrnou frekvenci 700 MHz. 7137/700=10,2 cm to je ono. to je celá věda:)

Nejjednodušší anténa pro T2 je odizolovaný kus rádiového drátu o délce 10 cm :) nebo šroubovák stejné délky)
a vypadá to takto) no, je pravda, že pro vložení do tuneru je potřeba ještě našroubovat F-konektor za 0,5 $.
Navíc tato „anténa“ bude fungovat pro celý frekvenční rozsah DVB-T.

Pro zájemce je zde videonávod, jak na to. velmi dobré složitý))

Funguje to skvěle! Tady je obrázek mého domu.

„Úroveň“ je samozřejmě úroveň signálu a „Kvalita“ je poměr signálu k šumu. Ale vzhledem k tomu, že v okolí mého domu nejsou žádné výškové budovy, není to silný ukazatel. V železobetonové výškové budově dostanete opak: poměr signál/šum 50% a úroveň 100% a bude to „skákat“. Protože kolem je spousta kovu a všechno to ty vlny rozkopne, jako fotbalisté kopou do míče po hřišti, ale na rozdíl od míče s každým odrazem vzniká nová „skutečná“ vlna, která se bude sčítat se všemi ostatními – interference (učili jsme se o tom ve škole ve fyzice:) atd. atd. co dělat chytit přesněji!

Nejlepší možností by byla anténa Kharchenko. Z drátu se dá ručně ohnout za 5 minut.

má vynikající přizpůsobení z hlediska vlnového odporu (zvídavá mysl řidiče Hondy (a nejen řidiče Hondy) uhodne, že délka strany kosočtverce je 1/4 požadované vlnové délky)

a anténa Baltika, i když preferuji Carlsberg :)) i když by to mohl být Tuborg:)

Toto je nádherná anténa – širokopásmový vlnový vibrátor. Velmi dobré. širokopásmové) čím silnější je průměr plechovky, tím více širokopásmového připojení), vše je pro tuto anténu v síti k dispozici v hojnosti.
Tato anténa také skvěle přijímá metrové televizní vysílání.

Pojďme otevřít anténu za 20 dolarů (jejíž cena mě šokovala)

krásné ? ))) Blázni – přineste si nikláky. Chápu, že ne každý má nastudované antény, ale mít takového zákazníka. je moc. jsou to stejné 2 smyčky antény Harchenko, mírně upravené. Pro spravedlnost podotýkáme, že ve středu antény je nanozařízení.

Je tam velmi. důležitá LED, která signalizuje správnost investice 20 dolarů (no, průměrný uživatel je klidnější, když se něco rozsvítí:) a několik kondenzátorů. aby odpovídaly vlnové impedanci antény a přijímače. V anténě Kharchenko to není potřeba kvůli úspěšné konfiguraci antény.

Co jiného můžete dělat, když drát nefunguje a vzhled je důležitý? Kupte si jakoukoli GSM anténu za 3-4 $) Měl jsem jednu povalovanou z GSM poplašného systému „Lun“. Je to jen kus desky v plastové krabičce!
A výrobci těchto antén si nedovolí prodat tento kousek za více než 4 dolary. nejedná se o Digital Video Broadcasting – Pozemní, nikoli vesmírné technologie))

Na místě to vypadá takto.

Zásah nikdo nezrušil, v betonovém panelovém domě je to monstrózní. a muselo se to posunout 0,5 od zdi domu ven.

A tak na všech 4 kanálech byly navíc zachyceny kanály z oblasti Záporoží))) Opravdu nechápu, jak to je :)) vždyť je to 500 km)) Ale fungují, i když s rušením…

Proč platit víc?

Konečně je tu další. tento zázrak nanotechnologie stojí 850 UAH = 35 $ CARL!

Poznáváte Charčenkovu anténu? existuje i typ zesilovače, který v případě digitálního signálu nedává moc smysl. respektive smysl má jen v případě otevřených ploch bez odrazů. A nejsmutnější na tom je, že uvnitř železobetonových konstrukcí z toho bude efekt jako z kusu drátu.

Doufám, že to bude pro někoho užitečné)

JDM všem! a znalosti o anténách) a mír samozřejmě.