Rezistență la radiații - Radiation resistance

Parte dintr- o serie pe
Antene
Tipuri comune Dipol Fractal Buclă Monopol Antenă de satelit Televiziune Bici
Componente Balun Blocați convertorul Cablu coaxial Contrapoise (sistem de sol) A hrani Linia de alimentare Downconverter bloc redus de zgomot Radiator pasiv Receptor Rotator Ciot Transmiţător Tuner Twin-lead
Sisteme Ferma antena Radio amator Rețea celulară Hotspot Rețea fără fir municipală Radio Stâlpi și turnuri radio Wifi Fără fir
Siguranță și reglementare Radiații și sănătate ale telefonului mobil Dispozitive electronice fără fir și sănătate Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor ( Reglementări Radio ) Conferința mondială de radiocomunicații
Surse / regiuni de radiații Boresight Nor focal Avion pe pamant Lobul principal Câmpul apropiat și îndepărtat Lobul lateral Plan vertical
Caracteristici Câștig de matrice Directivitate Eficienţă Lungimea electrică Raza echivalentă Factor Ecuația transmisiei Friis Câştig Înălţime Model de radiații Rezistența la radiații Propagarea radio Spectrul radio Raport semnal-zgomot Emisiune falsă
Tehnici Direcția fasciculului Inclinarea fasciculului Beamforming Celula mică Laboratoarele Bell Bell -Space-Time stratificat (BLAST) Massive multiple input-output multiple (MIMO) Reconfigurare Răspândiți spectrul Acces multiplu pentru divizia spațială pe bandă largă (WSDMA)
v t e

Radiații rezistență este acea parte a unei antene lui feedpoint rezistență electrică , care este cauzată de radiația undelor electromagnetice de la antenă. În transmisia radio, un emițător radio este conectat la o antenă. Transmițătorul generează un curent alternativ de frecvență radio care este aplicat antenei, iar antena radiază energia din curent alternativ ca unde radio . Deoarece antena absoarbe energia pe care o radiază de la transmițător, terminalele de intrare ale antenei prezintă o rezistență la curentul de la transmițător. Spre deosebire de alte rezistențe găsite în circuitele electrice, rezistența la radiații nu se datorează opoziției ( rezistivității ) materialului conductorilor antenei la curentul electric; este o rezistență virtuală datorată pierderii de energie a antenei ca unde radio. Rezistența la radiații poate fi definită ca valoarea rezistenței care ar disipa aceeași cantitate de energie radiată ca undele radio de antenă cu curentul de intrare al antenei care trece prin ea. Din legea lui Joule , este egală cu puterea totală radiată ca undele radio de către antena împărțită la pătratul RMS curent în terminalele de antenă: . ${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$${\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$${\ displaystyle I _ {\ text {rms}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P _ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$

Rezistența la radiații este determinată de geometria antenei și de frecvența de funcționare . Rezistența totală a punctului de alimentare la bornele antenei este egală cu rezistența la radiație plus rezistența la pierderi datorată pierderilor ohmice din antenă. Într-o antenă de recepție, rezistența la radiații reprezintă rezistența sursei antenei, iar porțiunea din puterea radio recepționată consumată de rezistența la radiații reprezintă undele radio reradiate (împrăștiate) de antenă.

Cauză

Undele electromagnetice sunt radiate de sarcini electrice atunci când sunt accelerate . Într-o antenă de transmisie, undele radio sunt generate de curenți electrici care variază în timp , constând din electroni care accelerează pe măsură ce curg înainte și înapoi în antena metalică, acționată de câmpul electric datorită tensiunii oscilante aplicate antenei de către emițătorul radio . O undă electromagnetică duce impulsul departe de electronul care l-a emis. Cauza rezistenței la radiații este reacția la radiație , forța de retragere asupra electronului atunci când emite un foton de undă radio , care îi reduce impulsul . Aceasta se numește forța Abraham-Lorentz . Forța de recul este într-o direcție opusă câmpului electric din antenă accelerând electronul, reducând viteza medie a electronilor pentru o anumită tensiune de acționare, deci acționează ca o rezistență opusă curentului.

Rezistență la radiații și rezistență la pierderi

Rezistența la radiații este doar o parte a rezistenței punctului de alimentare la bornele antenei. O antenă are alte pierderi de energie care apar ca rezistență suplimentară la bornele antenei; rezistența ohmică a elementelor de antenă metalice, pierderile la sol din curenții induși în sol și pierderile dielectrice în materialele izolante . Rezistența totală a punctului de alimentare este egală cu suma rezistenței la radiații și a rezistenței la pierdere${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$

${\ displaystyle R _ {\ text {IN}} = R _ {\ text {R}} + R _ {\ text {L}}}$

Puterea alimentată antenei este împărțită proporțional între aceste două rezistențe. ${\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$

${\ displaystyle P _ {\ text {IN}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} (R _ {\ text {R}} + R _ {\ text {L}})}$

${\ displaystyle P _ {\ text {IN}} = P _ {\ text {R}} + P _ {\ text {L}}}$

Unde

${\ displaystyle P _ {\ text {R}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} R _ {\ text {R}} \ quad}$ și ${\ displaystyle \ quad P _ {\ text {L}} = I _ {\ text {IN}} ^ {2} R _ {\ text {L}}}$

Puterea consumată de rezistența la radiații este convertită în unde radio, funcția dorită a antenei, în timp ce puterea consumată de rezistența la pierderi este convertită în căldură, reprezentând o risipă de putere a emițătorului. Deci, pentru pierderea minimă de putere, este de dorit ca rezistența la radiații să fie mult mai mare decât rezistența la pierdere. Raportul dintre rezistența la radiații și rezistența totală a punctului de alimentare este egal cu eficiența antenei. ${\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$${\ displaystyle P _ {\ text {L}}}$ ${\ displaystyle \ eta}$

${\ displaystyle \ eta = {P _ {\ text {R}} \ over P _ {\ text {IN}}} = {R _ {\ text {R}} \ over R _ {\ text {R}} + R _ {\ text {L}}}}$

Pentru a transfera puterea maximă la antenă, emițătorul și linia de alimentare trebuie să fie potrivite cu impedanța antenei. Aceasta înseamnă că linia de alimentare trebuie să prezinte antenei o rezistență egală cu rezistența de intrare și o reactanță (capacitate sau inductanță) egală cu opusul reactanței antenei. Dacă aceste impedanțe nu sunt potrivite, antena va reflecta o parte din puterea înapoi către transmițător, deci nu toată puterea va fi radiată. Rezistența la radiație a antenei este de obicei partea principală a rezistenței sale de intrare, deci determină ce potrivire de impedanță este necesară și ce tipuri de linie de transmisie ar fi bine potrivite cu antena. ${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$

Efectul punctului de alimentare

Într-o antenă rezonantă , curentul și tensiunea formează unde staționare de -a lungul lungimii elementului antenei, astfel încât magnitudinea curentului din antenă variază sinusoidal de-a lungul lungimii sale. Feedpoint , locul unde linia de alimentare este atașat de transmițător, pot fi situate la diferite puncte de-a lungul elementului de antenă. Deoarece rezistența la radiații depinde de curentul de intrare, aceasta variază în funcție de punctul de alimentare. Este cel mai mic pentru punctele de alimentare situate într-un punct de curent maxim (un antinod ) și cel mai mare pentru punctele de alimentare situate într-un punct de curent minim, un nod , cum ar fi la sfârșitul elementului (teoretic, într-un element de antenă infinit de subțire, rezistența la radiații este infinită la un nod, dar grosimea finită a elementelor reale ale antenei îi conferă o valoare ridicată, dar finită, de ordinul a mii de ohmi). Alegerea feedpoint este uneori folosit ca un mod convenabil de impedanță potrivi o antenă la linia de hrana pentru animale, prin atașarea feedline la antena de la un punct la care rezistența de intrare este egală cu impedanța caracteristică a liniei de alimentare.

Pentru a oferi o valoare semnificativă pentru eficiența antenei, rezistența la radiație și rezistența la pierderi trebuie să fie menționate în același punct al antenei, de obicei la terminalele de intrare. Rezistența la radiații este de obicei calculată în raport cu curentul maxim din antenă. Dacă antena este alimentată într-un punct de curent maxim, la fel ca în dipolul comun cu jumătate de undă sau în monopolul cu un sfert de undă alimentat de bază , acea valoare este rezistența la radiații. Cu toate acestea, dacă antena este alimentată într-un alt punct, rezistența la radiație echivalentă în acel punct poate fi calculată cu ușurință din raportul curenților antenei ${\ displaystyle I _ {\ text {0}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {R0}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {R1}}}$

${\ displaystyle P _ {\ text {R}} = I _ {\ text {0}} ^ {2} R _ {\ text {R0}} = I _ {\ text {1}} ^ {2} R _ {\ text { R1}}}$

${\ displaystyle R _ {\ text {R1}} = {\ Big (} {I _ {\ text {0}} \ over I _ {\ text {1}}} {\ Big)} ^ {2} R _ {\ text {R0}}}$

Receptor de antene

Într-o antenă de recepție, rezistența la radiații reprezintă rezistența sursei antenei ca sursă de energie ( echivalentul Thevenin ). Datorită reciprocității electromagnetice , o antenă are aceeași rezistență la radiații la recepționarea undelor radio ca atunci când transmite. Dacă antena este conectată la o sarcină electrică, cum ar fi un receptor radio , puterea primită de la undele radio care lovesc antena este împărțită proporțional între rezistența la radiații și rezistența la pierdere a antenei și rezistența la sarcină. Puterea disipată în rezistența la radiații se datorează undelor radio reradiate (împrăștiate) de antenă. Puterea maximă este furnizată receptorului atunci când impedanța este potrivită cu antena. Dacă antena este fără pierderi, jumătate din puterea absorbită de antenă este livrată receptorului, cealaltă jumătate este reradiată.

Rezistența la radiații a antenelor comune

Antenă	Rezistența la radiații ohmi	Sursă
Dipol cu ​​jumătate de undă alimentat central	73.1	Kraus 1988 : 227 Balanis 2005 : 216
Dipol scurt de lungime ${\ displaystyle \ lambda / 50 <L <\ lambda / 10}$	${\ displaystyle 20 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2}}$	Kraus 1988 : 216 Balanis 2005 : 165.215
Monopol de un sfert de undă alimentat de bază pe solul perfect conducător	36,5	Balanis 2005 : 217 Stutzman & Thiele 2012 : 80
Monopol scurt de lungime pe solul perfect conducător${\ displaystyle L \ ll \ lambda / 4}$	${\ displaystyle 40 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2}}$	Stutzman & Thiele 2012 : 78–80
Antena buclă rezonantă, 1 circumferință${\ displaystyle \ lambda}$	~ 100	Weston 2017 : 15 Schmitt 2002 : 236
Buclă mică de zonă cu viraje (circumferință )${\ displaystyle A}$${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ ll \ lambda / 3}$	${\ displaystyle 320 \ pi ^ {4} {\ Big (} {NA \ over \ lambda ^ {2}} {\ Big)} ^ {2}}$	Kraus 1988 : 251 Balanis 2005 : 238
Buclă mică de zonă cu viraje pe un miez de ferită cu permeabilitate relativă eficientă${\ displaystyle A}$${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$	${\ displaystyle 320 \ pi ^ {4} {\ Big (} {\ mu _ {\ text {eff}} NA \ over \ lambda ^ {2}} {\ Big)} ^ {2}}$	Kraus 1988 : 259 Milligan 2005 : 260

Figurile de mai sus presupun că antena este realizată din conductori subțiri și că antenele dipol sunt suficient de departe de pământ sau de structurile împământate.

Dipol jumătate de undă e rezistența la radiație de 73 ohmi este suficient de aproape de impedanța caracteristică a comun 50 și 75 ohm cablu coaxial , care poate fi , de obicei , alimentat direct fără a fi nevoie de o impedanta de potrivire a rețelei. Acesta este un motiv pentru utilizarea pe scară largă a dipolului cu jumătate de undă ca element condus în antene.

Relația monopolurilor și dipolilor

Rezistența la radiații a unei antene monopol create prin înlocuirea unei părți a antenei dipol cu ​​un plan de masă perpendicular este jumătate din rezistența antenei dipol originale. Acest lucru se datorează faptului că monopolul radiază doar în jumătate din spațiu, spațiul de deasupra planului, astfel încât modelul de radiație este identic cu jumătate din modelul dipol și, prin urmare, cu același curent de intrare, acesta radiază doar jumătate din putere. Acest lucru nu este evident din formulele din tabel, deoarece antena monopol derivată are doar jumătate din lungimea antenei dipol originale. Acest lucru poate fi demonstrat prin calcularea rezistenței la radiații a unui monopol scurt de jumătate din lungimea unui dipol

${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = 40 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L / 2 \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} = 10 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} \ qquad}$ (monopol de lungime L / 2)

Comparând acest lucru cu formula dipolului scurt, se arată că monopolul are jumătate din rezistența la radiații

${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = 20 \ pi ^ {2} {\ Big (} {L \ over \ lambda} {\ Big)} ^ {2} \ qquad \ qquad \ qquad}$ (dipol de lungime L)

Calcul

Calculul rezistenței la radiații a unei antene direct din forța de reacție asupra electronilor este foarte complicat și prezintă dificultăți conceptuale în contabilizarea forței de sine a electronului. Rezistența la radiații se calculează în schimb calculând modelul de radiație al câmpului îndepărtat al antenei, fluxul de putere ( vectorul Poynting ) la fiecare unghi, pentru un curent de antenă dat. Acesta este integrat peste o sferă care închide antena pentru a da puterea totală radiată de antenă. Apoi, rezistența la radiații este calculată din puterea prin conservarea energiei , deoarece rezistența antenei trebuie să o prezinte la curentul de intrare pentru a absorbi puterea radiată de la transmițător, folosind legea lui Joule.${\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ text {R}} = P _ {\ text {R}} / I _ {\ text {rms}} ^ {2}}$

Antene mici

Antenele scurte electric , antenele cu o lungime mult mai mică decât lungimea de undă , fac antene de transmisie slabe, deoarece nu pot fi alimentate eficient datorită rezistenței lor scăzute la radiații. După cum se poate vedea în tabelul de mai sus, pentru antenele mai scurte decât lungimea lor rezonantă fundamentală ( pentru o antenă dipolară, pentru un monopol, circumferința unei bucle), rezistența la radiație scade odată cu pătratul lungimii lor. Pe măsură ce lungimea este redusă, rezistența la pierderi, care este în serie cu rezistența la radiații, reprezintă o fracțiune mai mare din rezistența punctului de alimentare, deci consumă o fracțiune mai mare din puterea emițătorului, determinând scăderea eficienței antenei. ${\ displaystyle \ lambda / 2}$${\ displaystyle \ lambda / 4}$${\ displaystyle \ lambda}$

De exemplu, navele folosesc unde radio de aproximativ 15 - 30 kHz în banda de frecvență foarte joasă (VLF) pentru a comunica cu submarinele scufundate. O undă radio de 15 kHz are o lungime de undă de 20 km. Transmițătoarele puternice VLF de țărm naval care transmit submarinelor utilizează antene mari cu catarg monopol care sunt limitate de costurile de construcție la înălțimi de aproximativ 300 de metri (980 ft). Deși acestea sunt antene înalte la standarde obișnuite, la 15 kHz, aceasta este încă de aproximativ 0,015 lungime de undă mare, deci antenele VLF sunt scurte electric . Din tabel, o antenă .015 monopol are o rezistență la radiații de aproximativ 0,09 ohm. Este extrem de dificil să reduceți rezistențele de pierdere ale antenei la acest nivel. Deoarece rezistența ohmică a sistemului imens la sol și a bobinei de încărcare nu poate fi făcută mai mică de aproximativ 0,5 ohm, eficiența unei antene verticale simple este sub 20%, astfel încât mai mult de 80% din puterea emițătorului se pierde în rezistența la sol. Pentru a crește rezistența la radiații, emițătoarele VLF folosesc antene uriașe încărcate capacitiv, cum ar fi antene umbrelă și antene cu platou , în care o rețea aeriană de fire orizontale este atașată la partea superioară a radiatorului vertical pentru a face o "placă de condensator" la sol, pentru a crește curentul în radiatorul vertical. Cu toate acestea, acest lucru poate crește eficiența doar la cel mult 50 - 70%. ${\ displaystyle \ lambda}$

Antenele mici de recepție, cum ar fi antenele cu buclă de ferită utilizate în radiourile AM, au, de asemenea, o rezistență scăzută la radiații și astfel produc o ieșire foarte mică. Cu toate acestea, la frecvențe sub aproximativ 30 MHz, aceasta nu este o astfel de problemă, deoarece semnalul slab de la antenă poate fi pur și simplu amplificat în receptor.

La frecvențe sub 1 MHz, dimensiunea circuitelor electrice obișnuite este cu atât mai mică decât lungimea de undă, încât, atunci când sunt considerate antene, radiază o fracțiune nesemnificativă a puterii în ele ca unde radio. Acest lucru explică de ce circuitele electrice pot fi utilizate cu curent alternativ fără a pierde energie ca unde radio.

Definiția variabilelor

Simbol	Unitate	Definiție
${\ displaystyle \ lambda}$	metru	Lungimea de undă a undelor radio
${\ displaystyle \ pi}$	nici unul	Constantă = 3,14159
${\ displaystyle \ mu _ {\ text {eff}}}$	nici unul	Permeabilitatea relativă efectivă a tijei de ferită în antenă
${\ displaystyle A}$	metru 2	Secțiunea transversală a antenei buclei
${\ displaystyle f}$	hertz	Frecvența undelor radio
${\ displaystyle I _ {\ text {IN}}}$	amper	RMS curent în terminalele antenei
${\ displaystyle I _ {\ text {0}}}$	amper	Curent RMS maxim în elementul antenei
${\ displaystyle I _ {\ text {1}}}$	amper	RMS curent într-un punct arbitrar în elementul antenei
${\ displaystyle L}$	metru	Lungimea antenei
${\ displaystyle N}$	nici unul	Numărul de rotații ale firului în antena buclă
${\ displaystyle P _ {\ text {IN}}}$	watt	Puterea electrică livrată terminalelor antenei
${\ displaystyle P _ {\ text {R}}}$	watt	Puterea radiată ca unde radio de antenă
${\ displaystyle P _ {\ text {L}}}$	watt	Puterea consumată în rezistențele la pierdere ale antenei
${\ displaystyle R _ {\ text {R}}}$	ohm	Rezistența la radiații a antenei
${\ displaystyle R _ {\ text {L}}}$	ohm	Rezistență echivalentă la pierderea antenei la bornele de intrare
${\ displaystyle R _ {\ text {IN}}}$	ohm	Rezistența la intrare a antenei
${\ displaystyle R _ {\ text {R0}}}$	ohm	Rezistența la radiații la punctul de curent maxim în antenă
${\ displaystyle R _ {\ text {R1}}}$	ohm	Rezistența la radiații în punct arbitrar în antenă

Note

Referințe

• Feynman, Richard P .; Leighton, Robert B .; Sands, Matthew (1963). Prelegerile Feynman despre fizică, vol. Eu . Addison-Wesley. ISBN 9780465040858.
• Balanis, Constantine A. (2005). Teoria antenei: analiză și proiectare, Ed . A III-a . John Wiley și Sons. ISBN 047166782X.
• Kraus, John D. (1988). Antene, Ed . A II-a . Tata McGraw-Hill. ISBN 0-07-463219-1.
• Milligan, Thomas A. (2005). Modern Antenna Design, Ed . A II-a . John Wiley și Sons. ISBN 9780471457763.
• Schmitt, Ron (2002). Electromagnetică explicată: un manual pentru RF fără fir, EMC și electronică de mare viteză . Newnes. ISBN 9780750674034.
• Stutzman, Warren L .; Thiele, Gary A. (2012). Teoria și proiectarea antenei . John Wiley. ISBN 9780470576649.
• Weston, David (2017). Compatibilitate electromagnetică: principii și aplicații, Ed . A II-a . CRC Press. ISBN 9781351830492.

Vezi si

• Eficiența antenei
• Impedanța spațiului liber