Как излучает антенна?
Оригинал взят у yuri4z5lf в Как излучает антенна?
Эта заметка написана для радиолюбительского форума по антеннам http://forum.qrz.ru/thread35799.html
Как излучает антенна?
Антенна никак не излучает, это просто неудачный термин, который приводит ко многим заблуждениям и ошибкам при постройке и установке радиолюбительских антенн. Но если антенна не излучает, то может быть она вообще не нужна? Нет, антенна нужна для создания электрического и магнитного полей в непосредственной близости от неё. А эти поля уже служат источниками излучения, в них зарождаются электромагнитные волны, которые затем распространяются в окружающей среде. Попробуем разобраться, как это происходит. Я не буду прибегать к математическим формулам, постараюсь показать все процессы "на пальцах". Для простоты ограничимся процессами в пространстве около полуволнового диполя с питанием в центре.
Создаваемые высокочастотным генератором потенциалы противоположной полярности в плечах диполя приводят к тому, что в окружающей диполь среде протекают электрические токи. Если это воздух или вакуум - то ёмкостные токи (токи смещения).
Ток, протекающий по самóй антенне, создаёт магнитное поле.
Оба эти поля, электрическое и магнитное, нáмертво привязаны к антенне, и никуда от неё не убегают. Их интенсивность (напряжённость) быстро убывает по мере удаления от антенны, и для практических целей можно считать, что на расстоянии от любой точки антенны бóльшем, чем λ/2π, этих полей уже нет. Пространство вокруг антенны, ограниченное этим расстоянием, называют "ближней зоной".
Колебания электрического и магнитного полей ближней зоны сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол, близкий к 90°. То есть для высокочастотного генератора, питающего антенну, ближняя зона представляет собой преимущественно реактивную нагрузку, эквивалентную по своим свойствам высокодобротному колебательному LC контуру.
Но как же всё-таки происходит излучение?
В любой точке пространства ближней зоны можно выделить элемент тока смещения i . Вокруг него образуется вихревой (замкнутый кольцами) магнитный поток Ψ .
Если поперёк этого потока поместить короткозамкнутую проводящую рамку S, то в ней появится индуктированный ток. Даже если такой рамки реально нет, в замещающем её воображаемом контуре протекает вихревой (т.е. замкнутый кольцом) ток смещения. Он в свою очередь возбуждает вокруг себя вихревой магнитный поток, тот - новые вихревые токи смещения, и так до бесконечности. Этот процесс захватывает всё большее пространство, распространяясь во все стороны. Если это происходит в свободном пространстве, фронт процесса удаляется от антенны со скоростью 300 000 км в секунду, т.е. со скоростью света.
Аналогично магнитное поле антенны в окрестностях той же точки ближней зоны создаёт вихревые электрические токи смещения, которые в свою очередь возбуждают вихревые магнитные потоки, а те - новые вихревые токи, и т.д.
Синфазно накладываясь друг на друга, эти два процесса образуют сферическую электромагнитную волну.
Таким образом, излучает каждая точка ближней зоны, которую создаёт антенна. Но не сама антенна. Антенна играет вспомогательную роль, служит передаточным звеном между генератором и полями ближней зоны. С помощью антенны генератор накачивает энергию в ближнюю зону, восполняя её потери, в том числе потери на излучение.
Развивая эту мысль, можно представить антенну вместе с её ближней зоной в виде согласующего устройства между генератором и внешней средой, "эфиром". Входное сопротивление этого устройства равно входному сопротивлению антенны в точке питания от генератора, а выходное равно волновому сопротивлению среды (для пустоты это 377 ом).
Понятно, что примитивный уровень моего объяснения сложных процессов в ближней зоне антенны оставит у читателя много вопросов. Однако более подробное и точное объяснение потребует привлечения уравнений Максвелла. А такой уровень изложения можно найти в любом вузовском учебнике по антеннам, и я не вижу смысла их подменять.
Уже из представленной выше упрощённой картины можно сделать один важный практический вывод - ближняя зона антенны должна быть чистой от любых проводящих предметов: электрических проводов, телевизионных кабелей, водопроводных труб, и т.д. Желательно отсутствие в ней даже плохо проводящих предметов: деревьев, шиферных и черепичных крыш, кирпичных и бетонных частей здания. Всё это крадёт дорогостоящую высокочастотную энергию передатчика, и превращает её в бесполезное тепло. Особенно вредно присутствие в ближней зоне токонесущих проводов и кабелей. Они фактически являются частью вашей антенны. Мало того, что поглощаемая ими энергия создаёт помехи всем подключённым к ним бытовым радиоэлектронным приборам в доме, но и сами эти приборы создают помехи радиоприёму в том случае, когда одна и та же антенна используется радиолюбителем как для передачи, так и для приёма.
Типичная глупость, которую совершают многие радиолюбители, не понимающие работу антенны и роль ближней зоны - это использование антенн типа LW ("верёвка") и разных вариантов Т-образных и Г-образных антенн с однопроводным питанием. В этом случае роль второго плеча диполя играет всё хорошо или плохо проводящее, что попадает в пространство ближней зоны и соединено с сетью электропитания. Иногда это целый многоквартирный дом, битком набитый разными бытовыми электроприборами, в том числе создающими помехи радиоприёму. Даже в том случае, когда дом небольшой и находится в сельской местности, вторым плечом диполя у "верёвки" служит поверхностный слой почвы под антенной, а в нём будут большие высокочастотные потери. Распространённое убеждение, что такой антенне нужно заземление, углублённое до подпочвенных вод - тоже удивительная глупость. Высокочастотные вихревые токи проникают в почву всего на несколько сантиметров, и всё, что забито в неё глубже - коту под хвост. Второе плечо диполя должно быть продуманно, грамотно реализовано, и по возможности отнесено на расстояние не менее λ/2π от любых проводящих предметов. Это касается и сети "радиалов" вертикальных антенн.
В случае использования замкнутых антенн (типа "дельта") требования к удалению всех частей антенны от проводящих предметов - те же.
Попробую объяснить ещё одно явление, которое мне самому долгое время оставалось непонятным. В учебниках и популярных пособиях по антеннам говорится, что электрическая и магнитная составляющие поля ближней зоны вблизи антенны сдвинуты по фазе на четверть периода, а по мере удаления от антенны фазовый сдвиг уменьшается, и на границе ближней зоны колебания этих полей практически синфазны. Какая сила заставляет их сближаться по фазе - это не объясняется.
На самом деле фазовый сдвиг электрического и магнитного полей ближней зоны как был 90° в непосредственной близости от антенны, им же остаётся на её границах и даже за её пределами - везде, где только обнаруживается их присутствие. А компоненты электромагнитного излучения из каждой точки среды, окружающей антенну, как были синфазны вблизи антенны, такими и остаются на любом удалении от неё. Просто вблизи антенны господствуют по амплитуде привязанные к антенне электрическое и магнитное поля с фазовым сдвигом 90°, а за пределами ближней зоны они настолько затухают, что картину поля определяет сравнительно медленно затухающее синфазное электромагнитное поле совокупности точечных источников. Благодаря наложению этих полей друг на друга в линейной окружающей среде, у внешнего наблюдателя, вооруженного прибором, измеряющим сдвиг фаз между электрической и магнитной компонентами поля, возникает впечатление, что этот сдвиг плавно уменьшается от 90° до нуля по мере удаления от антенны.
Я думаю, что моя заметка достигла своей цели - ещё раз обратила ваше внимание на важность процессов, происходящих в ближней зоне антенны, и тему можно закрыть. А что касается упрёков в том, что я повторил уже известное, то я могу сказать: уравнения Максвелла известны уже полтора столетия, но глупости делают до сих пор. Если пройтись по темам этого форума, можно найти множество таких примеров.
Обычно авторов заметок "теоретического" плана спрашивают: а у тебя самого какая антенна? С удовольствием расскажу. Моя антенна схематически показана на этом рисунке:
Я живу в небольшом одноэтажном доме в старом районе Ашкелона. Рядом нет многоэтажных домов. Домик не мой, я его снимаю, поэтому не могу ничего ставить на крыше. Соседи вокруг в основном пожилые люди, заботящиеся о своём здоровьи, поэтому антенна не должна быть громоздкой и слишком заметной. И наконец, участок земли вокруг дома маленький, и я не могу поставить антенну длиннее 15 метров. Это мои условия.
Мои требования к антенне: она должна обеспечивать надёжную связь с друзьями в Израиле на "сороковке" и быть достаточно эффективной для дальних связей на "двадцатке". Работа на высокочастотных диапазонах сейчас, в период невысокой солнечной активности, бывает эпизодически, и рассчитывать на них антенну нет смысла. Если есть прохождение, то для нормальной работы на 15 и 10-метровом диапазонах достаточно нескольких ватт, потому что потери в ионосфере падают по мере повышения частоты. На диапазонах 160 и 80м я работать не могу, сильные помехи от проходящей недалеко от дома высоковольтки.
Моя антенна представляет собой немного укороченный полуволновый диполь на 40м с асимметричным питанием. Недостаточная длина антенны восполняется ёмкостной нагрузкой в виде "сопли" длиной 2м, свободно висящей на конце левого плеча диполя. Правое плечо длиной 6м работает как часть оттяжки. Вертикальные стойки высотой 8м сделаны из водопроводных полдюймовых труб. Просвет между антенной и коньком черепичной крыши дома 4м.
На рисунке красными и синими линиями показано распределение токов в антенне на 40м, полученное при моделировании на MMANA. Видно, что большие токи возбуждаются в стойках, что нехорошо. Это из-за наличия вертикальных элементов антенны. Однако что есть - то есть. Чердак и потолок дома попадают в ближнюю зону, что тоже не подарок. Но на чердаке нет водопроводных труб и кабелей, а электрическая проводка дома довольно скудная, что хорошо.
Кабель питания антенны - телевизионный 75-омный. На диапазонах 40 и 20м КСВ в кабеле около 5, что приводит к потере мощности в нём 10-15%. Вполне терпимо. В ближней зоне теряется больше. На высокочастотных диапазонах потери в кабеле больше, но зато в ближней зоне меньше. Встроенный тьюнер моего TS-440SAT вполне справляется со своей задачей на всех любительских диапазонах. Так что и с этой далеко не самой лучшей антенной можно работать.
Тема исчерпана, и её можно окончательно закрыть. Спасибо всем, кто принял участие в её обсуждении. Ещё раз кратко повторю содержание моей заметки, представленной на обсуждение.
Итак, прямо с поверхности провода антенны радиоволны НЕ излучаются. Они выходят из пространства, окружающего антенну. Это пространство можно представить в виде "облака", густо насыщенного точечными источниками излучения, которое распространяется от каждого из них во все стороны. В этом "облаке" можно условно выделить непосредственно прилегающую к антенне область с границами, отстоящими на 0,16 длины волны от любой точки антенны. В этой области (её называют "ближней зоной") интенсивность излучения особенно велика.
При выборе и установке антенны её нужно рассматривать как единое целое с её ближней зоной, и позаботиться о том, чтобы внутри ближней зоны не оказались посторонние токопроводящие предметы. При этом надо иметь в виду, что размеры ближней зоны не зависят от размера и типа антенны - только от длины волны.
Вот пожалуй и всё. Еще раз всем спасибо и 73!
Эта заметка написана для радиолюбительского форума по антеннам http://forum.qrz.ru/thread35799.html
Как излучает антенна?
Антенна никак не излучает, это просто неудачный термин, который приводит ко многим заблуждениям и ошибкам при постройке и установке радиолюбительских антенн. Но если антенна не излучает, то может быть она вообще не нужна? Нет, антенна нужна для создания электрического и магнитного полей в непосредственной близости от неё. А эти поля уже служат источниками излучения, в них зарождаются электромагнитные волны, которые затем распространяются в окружающей среде. Попробуем разобраться, как это происходит. Я не буду прибегать к математическим формулам, постараюсь показать все процессы "на пальцах". Для простоты ограничимся процессами в пространстве около полуволнового диполя с питанием в центре.
Создаваемые высокочастотным генератором потенциалы противоположной полярности в плечах диполя приводят к тому, что в окружающей диполь среде протекают электрические токи. Если это воздух или вакуум - то ёмкостные токи (токи смещения).
Ток, протекающий по самóй антенне, создаёт магнитное поле.
Оба эти поля, электрическое и магнитное, нáмертво привязаны к антенне, и никуда от неё не убегают. Их интенсивность (напряжённость) быстро убывает по мере удаления от антенны, и для практических целей можно считать, что на расстоянии от любой точки антенны бóльшем, чем λ/2π, этих полей уже нет. Пространство вокруг антенны, ограниченное этим расстоянием, называют "ближней зоной".
Колебания электрического и магнитного полей ближней зоны сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол, близкий к 90°. То есть для высокочастотного генератора, питающего антенну, ближняя зона представляет собой преимущественно реактивную нагрузку, эквивалентную по своим свойствам высокодобротному колебательному LC контуру.
Но как же всё-таки происходит излучение?
В любой точке пространства ближней зоны можно выделить элемент тока смещения i . Вокруг него образуется вихревой (замкнутый кольцами) магнитный поток Ψ .
Если поперёк этого потока поместить короткозамкнутую проводящую рамку S, то в ней появится индуктированный ток. Даже если такой рамки реально нет, в замещающем её воображаемом контуре протекает вихревой (т.е. замкнутый кольцом) ток смещения. Он в свою очередь возбуждает вокруг себя вихревой магнитный поток, тот - новые вихревые токи смещения, и так до бесконечности. Этот процесс захватывает всё большее пространство, распространяясь во все стороны. Если это происходит в свободном пространстве, фронт процесса удаляется от антенны со скоростью 300 000 км в секунду, т.е. со скоростью света.
Аналогично магнитное поле антенны в окрестностях той же точки ближней зоны создаёт вихревые электрические токи смещения, которые в свою очередь возбуждают вихревые магнитные потоки, а те - новые вихревые токи, и т.д.
Синфазно накладываясь друг на друга, эти два процесса образуют сферическую электромагнитную волну.
Таким образом, излучает каждая точка ближней зоны, которую создаёт антенна. Но не сама антенна. Антенна играет вспомогательную роль, служит передаточным звеном между генератором и полями ближней зоны. С помощью антенны генератор накачивает энергию в ближнюю зону, восполняя её потери, в том числе потери на излучение.
Развивая эту мысль, можно представить антенну вместе с её ближней зоной в виде согласующего устройства между генератором и внешней средой, "эфиром". Входное сопротивление этого устройства равно входному сопротивлению антенны в точке питания от генератора, а выходное равно волновому сопротивлению среды (для пустоты это 377 ом).
Понятно, что примитивный уровень моего объяснения сложных процессов в ближней зоне антенны оставит у читателя много вопросов. Однако более подробное и точное объяснение потребует привлечения уравнений Максвелла. А такой уровень изложения можно найти в любом вузовском учебнике по антеннам, и я не вижу смысла их подменять.
Уже из представленной выше упрощённой картины можно сделать один важный практический вывод - ближняя зона антенны должна быть чистой от любых проводящих предметов: электрических проводов, телевизионных кабелей, водопроводных труб, и т.д. Желательно отсутствие в ней даже плохо проводящих предметов: деревьев, шиферных и черепичных крыш, кирпичных и бетонных частей здания. Всё это крадёт дорогостоящую высокочастотную энергию передатчика, и превращает её в бесполезное тепло. Особенно вредно присутствие в ближней зоне токонесущих проводов и кабелей. Они фактически являются частью вашей антенны. Мало того, что поглощаемая ими энергия создаёт помехи всем подключённым к ним бытовым радиоэлектронным приборам в доме, но и сами эти приборы создают помехи радиоприёму в том случае, когда одна и та же антенна используется радиолюбителем как для передачи, так и для приёма.
Типичная глупость, которую совершают многие радиолюбители, не понимающие работу антенны и роль ближней зоны - это использование антенн типа LW ("верёвка") и разных вариантов Т-образных и Г-образных антенн с однопроводным питанием. В этом случае роль второго плеча диполя играет всё хорошо или плохо проводящее, что попадает в пространство ближней зоны и соединено с сетью электропитания. Иногда это целый многоквартирный дом, битком набитый разными бытовыми электроприборами, в том числе создающими помехи радиоприёму. Даже в том случае, когда дом небольшой и находится в сельской местности, вторым плечом диполя у "верёвки" служит поверхностный слой почвы под антенной, а в нём будут большие высокочастотные потери. Распространённое убеждение, что такой антенне нужно заземление, углублённое до подпочвенных вод - тоже удивительная глупость. Высокочастотные вихревые токи проникают в почву всего на несколько сантиметров, и всё, что забито в неё глубже - коту под хвост. Второе плечо диполя должно быть продуманно, грамотно реализовано, и по возможности отнесено на расстояние не менее λ/2π от любых проводящих предметов. Это касается и сети "радиалов" вертикальных антенн.
В случае использования замкнутых антенн (типа "дельта") требования к удалению всех частей антенны от проводящих предметов - те же.
Попробую объяснить ещё одно явление, которое мне самому долгое время оставалось непонятным. В учебниках и популярных пособиях по антеннам говорится, что электрическая и магнитная составляющие поля ближней зоны вблизи антенны сдвинуты по фазе на четверть периода, а по мере удаления от антенны фазовый сдвиг уменьшается, и на границе ближней зоны колебания этих полей практически синфазны. Какая сила заставляет их сближаться по фазе - это не объясняется.
На самом деле фазовый сдвиг электрического и магнитного полей ближней зоны как был 90° в непосредственной близости от антенны, им же остаётся на её границах и даже за её пределами - везде, где только обнаруживается их присутствие. А компоненты электромагнитного излучения из каждой точки среды, окружающей антенну, как были синфазны вблизи антенны, такими и остаются на любом удалении от неё. Просто вблизи антенны господствуют по амплитуде привязанные к антенне электрическое и магнитное поля с фазовым сдвигом 90°, а за пределами ближней зоны они настолько затухают, что картину поля определяет сравнительно медленно затухающее синфазное электромагнитное поле совокупности точечных источников. Благодаря наложению этих полей друг на друга в линейной окружающей среде, у внешнего наблюдателя, вооруженного прибором, измеряющим сдвиг фаз между электрической и магнитной компонентами поля, возникает впечатление, что этот сдвиг плавно уменьшается от 90° до нуля по мере удаления от антенны.
Я думаю, что моя заметка достигла своей цели - ещё раз обратила ваше внимание на важность процессов, происходящих в ближней зоне антенны, и тему можно закрыть. А что касается упрёков в том, что я повторил уже известное, то я могу сказать: уравнения Максвелла известны уже полтора столетия, но глупости делают до сих пор. Если пройтись по темам этого форума, можно найти множество таких примеров.
Обычно авторов заметок "теоретического" плана спрашивают: а у тебя самого какая антенна? С удовольствием расскажу. Моя антенна схематически показана на этом рисунке:
Я живу в небольшом одноэтажном доме в старом районе Ашкелона. Рядом нет многоэтажных домов. Домик не мой, я его снимаю, поэтому не могу ничего ставить на крыше. Соседи вокруг в основном пожилые люди, заботящиеся о своём здоровьи, поэтому антенна не должна быть громоздкой и слишком заметной. И наконец, участок земли вокруг дома маленький, и я не могу поставить антенну длиннее 15 метров. Это мои условия.
Мои требования к антенне: она должна обеспечивать надёжную связь с друзьями в Израиле на "сороковке" и быть достаточно эффективной для дальних связей на "двадцатке". Работа на высокочастотных диапазонах сейчас, в период невысокой солнечной активности, бывает эпизодически, и рассчитывать на них антенну нет смысла. Если есть прохождение, то для нормальной работы на 15 и 10-метровом диапазонах достаточно нескольких ватт, потому что потери в ионосфере падают по мере повышения частоты. На диапазонах 160 и 80м я работать не могу, сильные помехи от проходящей недалеко от дома высоковольтки.
Моя антенна представляет собой немного укороченный полуволновый диполь на 40м с асимметричным питанием. Недостаточная длина антенны восполняется ёмкостной нагрузкой в виде "сопли" длиной 2м, свободно висящей на конце левого плеча диполя. Правое плечо длиной 6м работает как часть оттяжки. Вертикальные стойки высотой 8м сделаны из водопроводных полдюймовых труб. Просвет между антенной и коньком черепичной крыши дома 4м.
На рисунке красными и синими линиями показано распределение токов в антенне на 40м, полученное при моделировании на MMANA. Видно, что большие токи возбуждаются в стойках, что нехорошо. Это из-за наличия вертикальных элементов антенны. Однако что есть - то есть. Чердак и потолок дома попадают в ближнюю зону, что тоже не подарок. Но на чердаке нет водопроводных труб и кабелей, а электрическая проводка дома довольно скудная, что хорошо.
Кабель питания антенны - телевизионный 75-омный. На диапазонах 40 и 20м КСВ в кабеле около 5, что приводит к потере мощности в нём 10-15%. Вполне терпимо. В ближней зоне теряется больше. На высокочастотных диапазонах потери в кабеле больше, но зато в ближней зоне меньше. Встроенный тьюнер моего TS-440SAT вполне справляется со своей задачей на всех любительских диапазонах. Так что и с этой далеко не самой лучшей антенной можно работать.
Тема исчерпана, и её можно окончательно закрыть. Спасибо всем, кто принял участие в её обсуждении. Ещё раз кратко повторю содержание моей заметки, представленной на обсуждение.
Итак, прямо с поверхности провода антенны радиоволны НЕ излучаются. Они выходят из пространства, окружающего антенну. Это пространство можно представить в виде "облака", густо насыщенного точечными источниками излучения, которое распространяется от каждого из них во все стороны. В этом "облаке" можно условно выделить непосредственно прилегающую к антенне область с границами, отстоящими на 0,16 длины волны от любой точки антенны. В этой области (её называют "ближней зоной") интенсивность излучения особенно велика.
При выборе и установке антенны её нужно рассматривать как единое целое с её ближней зоной, и позаботиться о том, чтобы внутри ближней зоны не оказались посторонние токопроводящие предметы. При этом надо иметь в виду, что размеры ближней зоны не зависят от размера и типа антенны - только от длины волны.
Вот пожалуй и всё. Еще раз всем спасибо и 73!