Dlaczego 50 Ω jest często wybierane jako impedancja wejściowa anten, a impedancja wolnej przestrzeni wynosi 377 Ω?


30

Aby skutecznie dostarczać energię do innej części obwodu bez odbicia, należy dopasować impedancje wszystkich elementów obwodu. Wolną przestrzeń można uznać za kolejny element, ponieważ antena nadawcza powinna ostatecznie wypromieniować do niej całą moc z linii transmisyjnej.

Teraz, jeśli impedancje w linii transmisyjnej i w antenie są dopasowane do 50 Ω, ale impedancja wolnej przestrzeni wynosi 377 Ω, to czy nie wystąpi niedopasowanie impedancji, a w konsekwencji promieniowanie nieoptymalne z anteny?

wprowadź opis zdjęcia tutaj

EDYTOWAĆ:

O ile zebrałem odpowiedzi, literaturę i dyskusje online, antena działa jak transformator impedancji między linią zasilającą a wolną przestrzenią. Argument jest następujący: żadna moc z linii zasilającej nie jest odbijana i musi iść do anteny. Można założyć, że antena jest rezonansowa i dlatego promieniuje całą swoją moc w wolną przestrzeń (nie uwzględniając strat ciepła itp.). Oznacza to, że nie ma mocy odbitej między anteną a wolną przestrzenią, a zatem przejście między anteną a wolną przestrzenią jest dopasowane.

To samo powinno być prawdą w odwrotnym kierunku dla anteny odbiorczej (Zasada wzajemności): fala w wolnej przestrzeni ( Z0 ) uderza w antenę, a odbierana moc jest doprowadzana do linii transmisyjnej (ponownie poprzez transformację impedancji). Przynajmniej w jednym artykule (Devi i in., Projektowanie szerokopasmowej anteny w kształcie litery 377 Ω E do pozyskiwania energii RF, Mikrofale i litery optyczne (2012) t. 54, nr 3, 10.1002 / mop 26607) wspomniał, że antena 377 Ω z oddzielnym obwodem dopasowującym ją do 50 Ω została wykorzystana do „osiągnięcia szerokiego pasma impedancji” przy wysokim poziomie mocy. Jeśli antena zwykle jest już transformatorem impedancyjnym, jaki jest wtedy potrzebny obwód dopasowujący? Lub alternatywnie, w jakich okolicznościach antena nie jest również transformatorem impedancyjnym?

Kilka pomocnych źródeł i dyskusji, które znalazłem:


3
W przypadku telewizji widzę częściej 75 Ω i trzeba wziąć pod uwagę impedancję linii zasilającej, a następnie sprawdzić, gdzie leży najlepszy transfer mocy (wikipedia ma wykres) i inne parametry, a następnie znaleźć kompromis
PlasmaHH

W skrócie: 50 omów to niezły kompromis między transmisją mocy w kierunku anteny a stratami dielektrycznymi w kablach, które możemy łatwo osiągnąć. Fajnie jest robić rzeczy łatwo.
DonFusili,

4
„Moje pytanie brzmi: w jaki sposób pojedynczy drut (o długości fali 1/4 lub 1/2) przekształca się z 50 na 377?” - masz na myśli, w jaki sposób antena przekształca się z 50 do 377 Ohm? Jeśli to właśnie chcesz wiedzieć, to powinno być twoje pytanie. W przeciwnym razie odpowiedź brzmi: „ponieważ taka jest impedancja tego typu anteny”.
Bruce Abbott,

1
Oba są prawdziwe. To nie jest sprzeczność. Anteny działają jak transmory i można je budować w sposób umożliwiający transformację do wysokiej lub niskiej impedancji, w zależności od konstrukcji anteny. To samo dotyczy wzmacniaczy lub linii transmisyjnych.
Curd

2
@ahemmetter: ... ponieważ to tylko linia transmisyjna. Po prostu nie ma specjalnej właściwości anten: wydajnego przesyłania energii do / odbierania energii z kosmosu. Po prostu dopasowanie impedancji to nie wszystko, czego potrzebujesz.
Curd

Odpowiedzi:


15

Impedancja wejściowa niektórych urządzeń / obwodów (transformatorów) niekoniecznie musi odpowiadać ich impedancji wyjściowej.

Rozważ antenę 50Ω (lub inną impedancję) jako transformator, który przekształca 50Ω (po stronie drutu) do 377Ω (po stronie spacji).

Impedancja anteny nie jest (tylko) podana przez impedancję wolnej przestrzeni, ale (także) przez sposób jej budowy.

Więc antena robi dopasować impedancję wolnej przestrzeni (z jednej strony); a idealnie również impedancja obwodu (z drugiej strony).
Ponieważ impedancja strony kosmicznej jest zawsze taka sama (dla wszystkich rodzajów anten pracujących w próżni lub powietrzu), nie trzeba o tym wspominać.
Tylko strona drutu jest tym, czego potrzebujesz i na czym możesz się troszczyć.

Powód 50 Ω lub 75 Ω lub 300 Ω lub ... został wybrany jako impedancja anteny ze względów praktycznych z powodu budowy konkretnych anten / linii transmisyjnych / wzmacniaczy o tej impedancji.

Możliwym ansatzem do obliczenia rezystancji promieniowania R anteny jest:

Znajdź odpowiedź na pytanie: „Ile mocy P (średniej z jednego okresu) promieniuje, jeśli do anteny zostanie przyłożony sinusoidalny sygnał o danej amplitudzie napięcia (lub prądu) V0 (lub I0 )?”

Wtedy dostajesz R=V022P (lub=2PI02 )

Moc promieniowaną P uzyskuje się całkując wektor S Poyntinga (= promieniowaną moc na obszar) nad kulą otaczającą antenę.

Wektor Poyntinga to S=1μ0E×BgdzieEiBsą polami elektrycznymi / magnetycznymi powodowanymi przez napięcia i prądy w Twojej antenie.

Przykład takiego obliczenia można znaleźć w artykule Wikipedii na temat „Anteny dipolowej”, w akapicie Krótki dipol .


6
Moje pytanie brzmi: w jaki sposób pojedynczy drut (o długości fali 1/4 lub 1/2) przekształca się z 50 na 377? Nie ma tam oczywistego stosunku 2:15.
Puffafish,

4
„Po prostu” zastosuj równania Maxwella do geometrii anteny, a przekonasz się, że okaże się, że tak (nie dokładnie, ale mniej więcej). Twoje oczekiwanie, że natychmiast „zobaczysz” stosunek 50/377 w stosunku długości drutu lub fali, nie jest uzasadnione; ale otrzymasz wynik, jeśli wykonasz integracje itp.
Curd

3
W najlepszym razie argumentujesz, że impedancja punktu zasilania jest tym, czym jest, ponieważ to właśnie działa. To nie jest odpowiedź. Odpowiedź wyjaśnia, dlaczego impedancja punktu zasilania jest właśnie taka. I nie, to nie pasuje zbytnio do linii zasilającej, a jeśli odwrotnie, linia zasilająca jest zaprojektowana z impedancją anteny jako jednym z celów.
Chris Stratton

2
Dzięki za dodanie ansatz. Tak więc, aby wyjaśnić: impedancja wejściowa (szczególnie rezystancja promieniowania ) jest impedancją „widzialną” przez linię transmisyjną, podczas gdy moc wypromieniowana w wolną przestrzeń zależy od impedancji wolnej przestrzeni w wektorze Poyntinga S = E 2R . A antena po prostu przekształca się między obiema impedancjami. Czy to mniej więcej poprawne? S=E2Z0
ahemmetter

1
@ Faekynn: Nie powiedziałbym, że mają związek, ponieważ: przypuśćmy, że zanurzysz antenę 50 Ω (powietrze) w wodzie (lub innym medium), jej odporność na promieniowanie zmieniłaby się bardzo dobrze.
Curd

8

Wszystkie odpowiedzi wymieniają niektóre ważne punkty, ale tak naprawdę nie odpowiadają na pytanie, które chcę powtórzyć dla jasności:

Why is 50 Ω often chosen as the input impedance of antennas, whereas the free space impedance is 377 Ω?

Krótka i prosta odpowiedź

Te dwie impedancje nie mają żadnego związku. Opisują różne zjawiska fizyczne: impedancja wejściowa anteny nie jest związana z impedancją wolnej przestrzeni 377 Ω. Tylko przypadkowo jednostka obu terminów jest taka sama (tj. Ohm). Co więcej, 50 Ω jest tylko wspólną wartością dla charakterystycznych impedancji linii przesyłowych itp., Patrz inne odpowiedzi.

Zasadniczo impedancja wejściowa anteny, jakikolwiek inny opór lub reaktancja oraz impedancje charakterystyczne są opisami na poziomie obwodu do obsługi napięć i prądów, natomiast impedancja fali w wolnej przestrzeni służy do opisu pól elektrycznych i magnetycznych. W szczególności (wartość rzeczywista) impedancja wejściowa 50 Ω oznacza, że ​​jeśli przyłożymy napięcie 50 V do zasilania anteny, prąd 1 A przepłynie przez punkt zasilania anteny. Impedancja w wolnej przestrzeni nie ma związku z żadną konfiguracją anteny lub materiału. Opisuje stosunek pól elektrycznych i magnetycznych w propagującej fali płaskiej, który jest aproksymowany uzyskany w nieskończonej odległości od anteny promieniującej.

Dłuższa odpowiedź

Pierwszą impedancją wspomnianą w pytaniu jest impedancja wejściowa anteny, która jest sumą rezystancji promieniowania, rezystancji strat i składników reaktywnych, które są opisane jako część urojona. Jest to związane z prądami I i napięciami V na picie zasilającym na poziomie opisu obwodu, tj.

R=VI.
Zmieniając punkt zasilania anteny, wartość tej oporności na promieniowanie może się zmienić (fakt ten jest wykorzystywany np. Do dopasowania wstawianych anten paskowych z paskiem mikropaskowym). Promieniowane pola pozostają jednak zasadniczo takie same.

R

Odporność na promieniowanie nie jest prawdziwą rezystancją, jest jedynie modelem dla przypadku promieniowania (tj. Działania anteny w celu transmisji mocy), gdzie energia traci się z punktu widzenia obwodu, ponieważ jest ona promieniowana.

EH

Z0,freespace=EH=π119,9169832Ω377Ω.

Z0,coax=12πμ0ϵ0lnrouterrinner,

Er1rln(rinner/router).
Bϕ
Bϕ=kωEr=1cEr,
c
B=μH,
Hϕ=ϵμEr=Z0,freespaceEr,

W przypadku wolnej przestrzeni w kablu koncentrycznym impedancja fali wynosi zawsze około 377 Ω, podczas gdy impedancja charakterystyczna zależy od geometrii i może przyjąć dowolną możliwą wartość od prawie zera do bardzo dużych wartości.

Wnioski i uwagi końcowe

Jeśli ponownie spojrzymy na przykład kabla koncentrycznego i pozostawimy go otwartym na końcu, osiągnięcie charakterystycznej impedancji ~ 377 Ω nie będzie miało nic wspólnego z polami. Każdy kabel koncentryczny wypełniony powietrzem ma impedancję falową ~ 377 Ω, ale to wcale nie pomaga uczynić otwartego kawałka kabla koncentrycznego dobrą anteną. Dlatego dobra definicja anteny wcale nie odnosi się do impedancji, ale czyta

An antenna is a transducer from a guided wave to an unguided wave.


„Pierwsza impedancja wspomniana w pytaniu to impedancja wejściowa anteny, która jest sumą rezystancji i strat promieniowania”. nie jest poprawnym stwierdzeniem. Impedancja wejściowa anteny może również składać się z nierealnego elementu. Odporność na promieniowanie i straty wydajności są tylko warunkami rzeczywistymi (czysto rezystancyjnymi). Wiele popularnych anten (w tym ścisła definicja anteny o długości fali 1/2) ma składową impedancji reaktywnej.
Glenn W9IQ

Powinienem zauważyć, że ściśle mówiąc, prawdziwa część impedancji wejściowej anteny i rezystancji anteny może być zupełnie inna. Klasycznym przykładem jest antena dipolowa zasilana niecentrycznie o długości fali 1/2.
Glenn W9IQ

„Jeśli ponownie spojrzymy na przykład kabla koncentrycznego i pozostawiamy go otwartym na końcu, osiągnięcie impedancji linii ~ 377 Ω nie ma nic wspólnego z polami.” Nie jest to również „impedancja linii” ani wejście impedancja ani impedancja charakterystyczna.
Glenn W9IQ

@ GlennW9IQ na temat pierwszego komentarza: masz rację, zapomniałem wspomnieć o reaktywnych wejściowych częściach impedancji.
Faekynn

Drugi komentarz: prawdopodobnie zależy to od sposobu zdefiniowania odporności na promieniowanie. dla mnie oporność na promieniowanie zmienia się tylko w przypadku zasilenia niecentralnego i nadal jest równa rzeczywistej części impedancji wejściowej anteny, ale teraz dla innego rodzaju anteny
Faekynn

5

50 omów to konwencja. O wiele wygodniej jest, jeśli pomieszczenie pełne sprzętu ma tę samą impedancję.

Dlaczego to konwencja? Ponieważ koncentryczny jest popularny, a ponieważ 50 omów stanowi dobrą wartość dla impedancji koncentrycznej i jest to ładna okrągła liczba.

Dlaczego jest to dobra wartość dla kabla koncentrycznego? Impedancja koncentryczna jest funkcją stosunku średnic ekranu i przewodnika środkowego oraz zastosowanego materiału dielektrycznego:

Z0=138ϵlog10(Dd)

Lub przestawione algebraicznie:

Dd=10ϵZ0/138

gdzie:

  • Z0
  • ϵ
  • D
  • d

Z0=377Ω

Dd=102.1 377/138=9097

Tak więc w przypadku kabla koncentrycznego o zewnętrznej średnicy 10 mm (RG-8, LMR-400 itp. Mają w przybliżeniu ten rozmiar), środkowy przewodnik musiałby mieć 10 mm / 9097 = 1,10 mikrometra . To niewiarygodnie w porządku: gdyby mógł być nawet wyprodukowany z miedzi, byłby wyjątkowo delikatny. Dodatkowo strata byłaby bardzo wysoka ze względu na wysoką odporność.

Z0=50Ω

OK, więc 50 omów to konwencja, ponieważ działa na kabel koncentryczny. Ale co z wolną przestrzenią, której nie możemy zmienić? Czy to problem?

Nie całkiem. Anteny są transformatorami impedancyjnymi. Dipol z drutem rezonansowym jest bardzo łatwą do skonstruowania anteną i ma impedancję punktu zasilania 70 omów, a nie 377.

To nie jest taka obca koncepcja. Powietrze i inne materiały mają również impedancję akustyczną , która jest stosunkiem ciśnienia do przepływu objętościowego. Jest analogiczny do impedancji elektrycznej, która jest stosunkiem napięcia do prądu. Gdzieś w domu prawdopodobnie masz głośnik (być może subwoofer) z klaksonem: klakson ten przyjmuje bardzo niską impedancję akustyczną powietrza i przekształca go w coś wyższego, aby lepiej pasował do sterownika.

Antena pełni tę samą funkcję, ale dla fal elektrycznych. Wolna przestrzeń, w którą promieniuje antena, ma stałą impedancję 377 omów, ale impedancja na drugim końcu zależy od geometrii anteny. Wcześniej wspomniany dipol rezonansowy ma impedancję 70 omów. Ale zagięcie tego dipola, aby tworzyło „V” zamiast linii prostej, zmniejszy tę impedancję. Monopole antena ma połowę impedancji anteny: 35 omów. Składany dipol ma cztery razy impedancja prostego dipola: 280 omów.

Bardziej skomplikowane geometrie anteny mogą powodować dowolną impedancję punktu zasilania, więc technicznie byłoby możliwe zaprojektowanie anteny o impedancji punktu zasilania 377 omów, ale z powyższych powodów nie chcesz używać jej z koncentrycznym. Ale być może dwuprzewodowy działałby, chociaż nie byłoby żadnej szczególnej przewagi nad dwuprzewodowym 377 omem.

Pod koniec dnia zadaniem anteny jest z definicji przekształcenie fali w jednym medium (wolna przestrzeń) w falę w innym medium (linia zasilająca). Oba zwykle nie mają tej samej charakterystycznej impedancji, więc antena musi być transformatorem impedancyjnym, aby skutecznie wykonać zadanie. Większość anten przekształca się na 50 omów, ponieważ większość ludzi chce korzystać z linii koncentrycznych 50 omów.


Dobra odpowiedź. Ale średnica na wewnętrznej powierzchni ekranu LMR-400 wynosi 0,285 "(7,2 mm). 10 mm to średnica nad płaszczem zewnętrznym. To sprawia, że ​​twój punkt jest jeszcze lepszy, ponieważ teraz twój przewodnik musi mieć średnicę 8 µm (lub około 80 AWG).
davidmneedham

To prawda, powinienem powiedzieć, że jest to przybliżenie.
Phil Frost

1
To prawda, jak podajesz w swojej odpowiedzi there wouldn't be any particular advantage to 377 ohm twin-lead.. Brakuje przyczyny, którą podaję w mojej odpowiedzi: impedancja lub oporność linii 377 Ohm to stosunek napięcia i prądu, podczas gdy impedancja fali swobodnej w przestrzeni 377 Ohm jest stosunkiem pól elektrycznych i magnetycznych . Więc ta sama jednostka, ale bez relacji.
Faekynn

@ Faekynn Jest to także stosunek pól elektrycznych i magnetycznych w linii transmisyjnej, jeśli weźmie się pod uwagę pola istniejące między przewodnikami w linii transmisyjnej.
Phil Frost

1
tak, to prawda, ale różnica się utrzymuje. Impedancja falowa kabla koncentrycznego wypełnionego powietrzem wynosi ~ 377 Ohm, ale impedancja linii jest czymś logarytmicznym (średnice). Tak więc również dla linii przesyłowej występują te dwie niezwiązane impedancje. Próbowałem to wyjaśnić w mojej odpowiedzi.
Faekynn

1

Robię pierwsze kroki w dziedzinie anteny i pola RF. Dowiedziałem się o impedancji anteny, kiedy znalazłem to pytanie i spróbuję na nie odpowiedzieć. Mam nadzieję, że zrozumiałem pytanie! Przepraszam, jeśli odpowiedź wygląda głupio, jestem po prostu „POCZĄTKUJĄCY” :)

Powiedzieliście: „Dlaczego 50 Ω jest często wybierane jako impedancja wejściowa anten, podczas gdy impedancja wolnej przestrzeni wynosi 377 Ω?”, Myślę, że odpowiedź jest już zawarta w pytaniu. Tak, to słowo „WEJŚCIE”. 50 Ohm jest wybierany jako wejście, a nie jako impedancja wyjściowa, jeśli chcemy transmitować lub odbierać maksymalną moc między linią koncentryczną a anteną, musimy dopasować ich impedancję (w tym przypadku jest to 50 Ohm ze względu na standardy) Jeśli wybierzesz 377 Ohm jako impedancję wejściową anteny, aby dopasować ją do impedancji powietrza, utracisz transmisję mocy między linią koncentryczną a anteną.
Jeśli weźmiemy pod uwagę antenę jako element obwodu, który ma wejście i „impedancję wyjściową”, będzie wyglądać następująco:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab


0

Rr73Ω

Rr


O to jednak chodzi: w jaki sposób odporność na promieniowanie jest związana z impedancją wolnej przestrzeni? Alternatywnie, czy antenę można zmienić tak, aby była dopasowana do linii zasilającej, ale nie emitowała mocy w wolnej przestrzeni (i zamiast tego jest tracona jako ciepło)?
ahemmetter

@ amperomierz antena niepromieniująca jest nazywana obciążeniem pozornym. Zazwyczaj jest on zbudowany z rezystora o większej mocy i ostrożnych środkach, aby osiągnąć chłodzenie i zarządzać impedancją w geometrii elementu, dzięki czemu SWR pozostaje bliski ideału nawet przy wyższych częstotliwościach. Możesz oczywiście dodać rezystory szeregowo lub równolegle z prawdziwą anteną, ale prawdopodobnie nie chciałbyś.
Chris Stratton,

Brakuje w tej odpowiedzi stwierdzenia, dlaczego impedancja punktu zasilania dipola jest właśnie taka.
Chris Stratton,

@ChrisStratton Ach, zupełnie zapomniałem o obciążeniu manekina, prawda. Byłby to więc przykład czegoś, co jest dopasowane do wejścia, ale już nie do wolnego miejsca, ponieważ nie przekształca żadnych impedancji.
ahemmetter

Impedancja dipola półfalowego wynosi 73 + 43j . Jeśli dipol zostanie nieznacznie skrócony, aby rezonansował , impedancja spada do około 70 omów.
Phil Frost

0

To pytanie jest dobrym przykładem nadinterpretacji zasad elektrotechniki, które zostały opracowane, aby fizyka była łatwiejsza do opanowania w praktycznych kontekstach. Impedancja po prostu nie jest tak ważna.

Energia fali radiowej jest zawarta w polach elektrycznych i magnetycznych rozmieszczonych w przestrzeni przestrzennej. Równania Maxwella ustalają wymagania dotyczące relacji między tymi polami, a równania jednorodne implikują, że rozprzestrzeniają się zaburzenia równowagi. To ostatnie wynika z faktu, że równanie falowe można łatwo wyprowadzić z równań podstawowych.

W równaniu falowym implikowana jest prędkość propagacji, która jest odwrotnością pierwiastka kwadratowego iloczynu iloczynu przenikalności magnetycznej i przenikalności elektrycznej ośrodka propagacji.

Pierwiastek kwadratowy ilorazu tych dwóch wielkości ma jednostki impedancji, a gdy omawianym ośrodkiem jest próżnia lub powietrze, nazywa się to „impedancją promieniowania wolnej przestrzeni”.

Wyrażenie to odnosi się do łatwości (lub trudności) ustalenia niezrównoważenia zaburzeń elektromagnetycznych. Luźno jest to miara zdolności objętości ośrodka do magazynowania energii w formie elektromagnetycznej. Więcej energii wymaga większej objętości lub ryzykujesz nieliniową awarię. Bardzo luźno oceniamy, jak trudno jest wepchnąć energię do systemu.

Na linii przesyłowej, powiedzmy, staroświeckim bliźniaczym przewodzie, mamy podobną sytuację z różnymi warunkami brzegowymi. Energia w linii jest magazynowana (przejściowo) w oscylującym polu elektrycznym między przewodnikami i oscylującym polu magnetycznym wokół przewodów. Energia ta może rozprzestrzeniać się w dwóch kierunkach. Jeśli masz równe ilości energii rozchodzące się w obu kierunkach, masz rezonans lub falę stojącą. Jeśli masz dopasowane zakończenia, energia opuszcza linię, gdy dotrze do końca i nie odbija się ani nie rozprzestrzenia z powrotem. Ważne jest, aby zrozumieć, że energia jest przekazywana w izolatorze , a nie w przewodach. Przewody są obecne tylko w celu zapewnienia warunków brzegowych, a nośniki ładunku w przewodach oscylują zasadniczo na swoim miejscu, zapewniając zaciski dla pól elektrycznych i sprzęgając pola elektryczne i magnetyczne. Pomysły te odnoszą się równie dobrze do linii współosiowych, ale łatwiej jest wizualizować w podwójnym odprowadzeniu.

Podobnie jak wolna przestrzeń, linia przesyłowa ma charakterystyczną impedancję, która jest miarą jej zdolności do tymczasowego magazynowania energii rozłożonej na jej długości. Ta impedancja zależy od geometrii przewodników (warunki brzegowe) oraz względnej przepuszczalności i przenikalności materiałów, z których wykonano linię. Podobnie, istnieje charakterystyczna prędkość propagacji, która zazwyczaj stanowi znaczną część prędkości światła w próżni.

Wymóg „dopasowania” impedancji wynika z fizyki odbicia fali. Oczywiście żadna energia odbita nie jest propagowana poza układ. Mecz eliminuje odbijaną energię. Ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że dopasowania do Internetu szerokopasmowego są trudne. Dopasowania są zazwyczaj dostrojone do konkretnej częstotliwości projektowej systemu, a sygnały poza pasmem mogą wykazywać znaczące odbicia.

W rezonansowej linii zasilającej fakt ten wykorzystuje się, napędzając linię z jej częstotliwością rezonansową. W rezonansie impedancja linii jest czysto rezystancyjna. Trudność polega na tym, że musisz dokładnie kontrolować długość linii zasilającej i jest to przydatne tylko przy jego częstotliwości rezonansowej.

Bardziej praktycznym kompromisem jest dopasowanie impedancji. Wówczas linia zasilająca może mieć dowolną rozsądną długość, a sygnał może być kompozycją wielu częstotliwości lub wielu niezależnych sygnałów, w granicach szerokości pasma dopasowania.

Prosta antena, taka jak dipol, działa w rezonansie. Jest to linia rezonansowa. Ma zatem czysto rezystywną impedancję charakterystyczną (zależną od geometrii i fizyki) przy częstotliwości projektowej. Linia dopasowana do tej impedancji dostarczy całą swoją energię do anteny. Antena, będąca rezonansowym przewodem zasilającym, z kolei dostarcza całą swoją energię do następnego układu, którym jest zwykle wolna przestrzeń. Robi to, ponieważ przy częstotliwości projektowej nie ma impedancji reaktywnej. Jeśli potrzebujesz przepchnąć więcej energii, musisz napędzać antenę mocniej, co podnosi szczytowe napięcia i prądy w antenie, co zwiększa ilość energii wypychanej w wolną przestrzeń podczas danego cyklu. Oczywiście istnieją ograniczenia narzucone przez nieliniowy podział.

Antena szerokopasmowa to tak naprawdę stratna linia zasilająca. W ramach projektowanego pasma cała energia jest wypromieniowywana do momentu, gdy oscylacja osiągnie koniec linii zasilania. Takie anteny zazwyczaj ucieleśniają geometrię stożkową w jakiejś formie, z dolnym limitem częstotliwości ustalonym przez podstawę stożka i górnym limitem częstotliwości ustawionym przez praktyczne ograniczenia punktowości stożka.


n

Uwaga: MathJax jest tutaj obsługiwany. Korzystanie z niej może uczynić twoją odpowiedź bardziej zrozumiałą.
Peter Mortensen

Jaka jest twoja definicja „linii rezonansowej”? „W rezonansie impedancja linii jest czysto rezystancyjna”. nie może tak być, ponieważ jakakolwiek rzeczywista linia przesyłowa (tj. ze stratą) musi mieć składową bierną jako część impedancji charakterystycznej.
Glenn W9IQ,

0

Wszystko to jest dobre w teorii, ale to, co działa w praktyce, to inna historia. Jestem inżynierem komunikacji przez prawie 50 lat. Musimy pamiętać o tym, że próbujemy wyjaśnić urządzenie zwane anteną i wyjaśnić, dlaczego ono działa lub nie działa, lub jak dobrze działa lub nie działa. Tak, nowy uczeń zazwyczaj może wykonać funkcjonalne urządzenie na podstawie wszystkich tych obliczeń, jednak nie zawsze jest to prawdą. Z teorii zbudowałem bardzo wymagające anteny, które po prostu bardzo słabo działały, jeśli w ogóle. Dobrym przykładem jest biegun J, którego wydajność często nie jest wcale taka, jakiej można by się spodziewać, nawet jeśli po podłączeniu do bardzo fantazyjnego sprzętu do testowania anteny, tj. VNA, wygląda na to, że powinien być świetnym radiatorem i receptorem, podczas gdy w rzeczywistości był bardziej obojętny ładunek. Praktyka i teoria często się nie krzyżują. Wspomniano o 50 omach, tak, jest to wielki kompromis między światami 37,5 i 73 omami i do tego dobrze działa, w rzeczywistości wybrano 50 omów, ponieważ działało w praktyce i było łatwe do zbudowania z istniejących materiałów. W szczególności 1/2 calowe izolatory wstawiające rurę wodną i środkowy przewodnik do stosowania na okrętach Marynarki Wojennej USA podczas II wojny światowej. Trzeba było oddzielić przewody zasilające od anten na pokładzie do sprzętu znajdującego się w obrębie bezpieczeństwa statku. Przed II wojną światową istniały dosłownie Shacks „Radio Shacks” i nie mam na myśli nieistniejących sklepów z elektroniką, zbudowanych na głównym pokładzie, aby móc prowadzić anteny do radia. Nawet na nowszych (w tym czasie) statkach pokój radiowy został zbudowany na pokładzie głównym na ścianie zewnętrznej. Teraz z oczywistych względów bezpieczeństwa na statku wojennym pokój radiowy nigdy nie powinien znajdować się na pokładzie lub łatwo narażać się na ogień wroga, sprzęt i bezpieczeństwo osobiste były koniecznością, więc narodził się współosiowy. Tak, wcześniej były zastosowania teoretyczne, ale nie w ogólnej praktyce, był w użyciu drut ekranowany, ale nie był współosiowy ani nie musiał być, ale do przesyłania sygnałów z pokładu do pokładu i odwrotnie, inny przewód zasilający niż twinlead lub potrzebna była linia drabinowa, zarówno do ochrony przychodzących i wychodzących sygnałów, jak i do ochrony personelu i innych rzeczy, takich jak proch strzelniczy przed RF. Anteny są prawie takie same. Często widzę wzmiankę o wspomnianych antenach 1/4 fali, prawda jest taka, że ​​naprawdę nie ma czegoś takiego. Prawie wszystkie praktyczne anteny są pewnego rodzaju dipolem 1/2 fali. W przypadku fali 1/4 druga połowa anten to zwykle samochód lub inna płaszczyzna uziemienia. Jeśli chodzi o 377 omów do 50 lub jakiejkolwiek innej impedancji, chodzi o punkt zasilania i / lub dosłowny kąt anteny, taki jak wspomniana wcześniej antena „V”. Weźmy na przykład antenę zasilaną końcem 1/2 fali, potrzebną gdzieś pomiędzy transformatorem Balun 9: 1 a 12: 1, aby pasował i działał. Podobnie jak Off Center Fed Dipole. Teraz jest to magiczne i czasami paskudne słowo BalUn! Jest to po prostu nic złego lub magicznego, to po prostu dopasowany transformator. Często przechodzi się ze zrównoważonej linii zasilającej lub anteny na niezrównoważoną linię zasilającą lub antenę! Czy transformator wie, że jest wyważony z niezrównoważonego? NIE, nie wie. W rzeczywistości nie wie nawet, jaka jest impedancja, zna tylko stosunki, tj. 1 do 1, 4 do 1 lub 9 do 1. Ponownie podkreślam, że praktyką nie jest TEORIA, tysiące na świecie balunów 4: 1 są używane na całym świecie, dopasowując urządzenia 50 omów (Radia), a linie zasilające zwykle są współosiowe z antenami 300 400, a nawet 600 omów. Czy działają, fantastycznie, czy są poprawne, nie w twoim życiu, ale z drugiej strony wszystko to byłoby dyskusyjne, gdyby to nie działało w praktyce! Więc przestań się martwić, że liczby są poprawne, są one najlepszymi wskazówkami, co działa, DZIAŁA! Poza tym 377 omów jest teoretyczną przestrzenią kosmiczną i podobnie jak izotropowa Virginia, po prostu nie istnieje! ale z drugiej strony wszystko to byłoby dyskusyjne, gdyby nie działało w praktyce! Więc przestań się martwić, że liczby są poprawne, są one najlepszymi wskazówkami, co działa, DZIAŁA! Poza tym 377 omów jest teoretyczną przestrzenią kosmiczną i podobnie jak izotropowa Virginia, po prostu nie istnieje! ale z drugiej strony wszystko to byłoby dyskusyjne, gdyby nie działało w praktyce! Więc przestań się martwić, że liczby są poprawne, są one najlepszymi wskazówkami, co działa, DZIAŁA! Poza tym 377 omów jest teoretyczną przestrzenią kosmiczną i podobnie jak izotropowa Virginia, po prostu nie istnieje!


Dziękuję za odpowiedź! Mówisz, że dopasowanie impedancji do wolnego miejsca nie jest w praktyce konieczne? Wydaje się, że tak jest, ale pytanie brzmiało, z jakiego powodu to nie jest problem. Z praktyki i równań Maxwella widzę, że cała moc promieniowana jest z anteny, jeśli jest dopasowana do linii transmisyjnej. Niemniej jednak występuje niedopasowanie impedancji między dwoma składnikami, co powoduje odbicie na bardzo podstawowym poziomie fizycznym (nie tylko w niektórych uproszczonych modelach). Dlaczego więc nie musimy tego tutaj rozważać? Czy model ulega awarii w przypadku anten? Czy to są transformatory?
ahemmetter

Anteny Można uznać za transformatory danego typu. W rzeczywistości niektórzy są w relacjach magnetycznych, takich jak mała pętla magnetyczna jednoobrotowa. RF jest przekształcane w pola RF, tj. E i H lub w pole magnetyczne w przypadku anteny z pętlą magnetyczną. Tak, powiedziałbym, że można je nazwać transformatorem pewnego rodzaju.
Laurin Cavender

1
Witamy w EE.SE, @Laurin. Podziały akapitów istnieją już od ponad 50 lat. Użyj 2 x <Enter>, aby rozbić ścianę tekstu na logiczne bloki. Pomoże to znacznie poprawić czytelność.
Tranzystor

0

„... Aby skutecznie dostarczać energię do innej części obwodu bez odbicia, należy dopasować impedancję wszystkich elementów obwodu…”

To twoje założenie . I jest to poprawne, ale nie w przypadku anten .

Ponieważ w antenach mamy „odbicie”. Moc przyłożona do punktu zasilania (na przykład w dipolu) dociera do końca drutu i jest odbijana z powrotem do punktu zasilania, gdzie (jeśli rezonans) osiągnie napięcie lub prąd o 180 stopni poza fazą, w ten sposób anulując i reprezentowane przez (tak zwaną) falę stojącą.

Tak więc przyłożona moc odbija się do przodu i do tyłu w przewodzie anteny, aż wszystko zostanie wypromieniowane lub utracone jako ciepło. Nie ma więc znaczenia, czy impedancja anteny jest inna niż wolna przestrzeń. To, co naprawdę ma znaczenie, praktycznie, jeśli energia jest odbijana z powrotem do nadajnika i ogrzewa końcowe urządzenie wzmacniające, marnując w ten sposób zastosowaną moc / energię. Dzieje się tak, gdy impedancja końcowego wzmacniacza nie pasuje do systemu antenowego (linia transmisyjna plus antena). Ale kiedy system antenowy zostanie dopasowany do nadajnika, prawie cała energia zostanie przekazana do wolnej przestrzeni (z wyjątkiem rezystancji w przewodzie, która zwykle jest znikoma. Tak mi powiedziano.

Aby skomentować odpowiedź Laurina Cavendera WB4IVG: Teoretycznie nie ma różnicy między teorią a praktyką.


Z0

ahemmetter : to również dobre pytanie - i myślę o tym, aby rozważyć antenę Yagi - napędzany element ma przyłożoną moc, ale pola E wpływają na elementy odbłyśnika i reżysera oraz wpływają na całkowitą impedancję i wzór promieniowania.
Baruch Atta

Hm, w antenie Yagi różne fale indukowane z elementów pasywnych nakładają się na dalekie pole, ale nie w aktywnej części samej anteny. Zmieniają one wzór promieniowania bez wątpienia, ale czy impedancja wyjściowa również jest inna?
ahemmetter

„Dzieje się tak, gdy impedancja końcowego wzmacniacza nie pasuje do systemu antenowego (linia transmisyjna plus antena)”. nie jest poprawne. Jeżeli impedancja wyjściowa źródła (nadajnika) odpowiada impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej (tylko), wówczas nie następuje „ponowne odbicie” z powrotem do obciążenia. W przeciwnym razie następuje częściowe lub całkowite „odbicie” w kierunku obciążenia.
Glenn W9IQ
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.