Основные параметры усилителя

1.3.4. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики

Коэффициент
усиления по напряжению в комплексной
форме имеет вид
.
Его модуль
,
зависящий от частоты, называетсяамплитудно-частотной
характеристикой

(АЧХ) усилителя (рис. 1.4., а). На рис. 1.4. по
горизонтали отложена угловая частота

= 2f.
Для АЧХ характерно наличие области
средних частот, в которой К почти не
зависит от частоты и обозначается Ко
(номинальный коэффициент усиления). По
вертикальной оси чаще всего откладывается
относительное (нормированное) усиление
М = К/Ко,
т.е. коэффициент усиления, отнесенный
к коэффициенту усиления на средних
частотах (нормированная АЧХ).

Рис. 1.4.

На
нижних и верхних частотах АЧХ обычно
спадает. Частоты, на которых нормированное
усиление уменьшается до условного
уровня отсчета d,
называются граничными частотами
усиления: fн
и fв.
Типовым (стандартным) уровнем отсчета
считается значение d
= 1/=0,707.
Частоты от fн
до fв,
как отмечено ранее, называют полосой
пропускания усилителя.

В
усилителе не все спектральные составляющие
сложного колебания усиливаются в
одинаковое число раз. Это приводит к
искажению формы сигнала (амплитудно-частотные
или частотные искажения). Искажения
характеризуются неравномерностью АЧХ
(выражается в децибелах: 20lgM
и указывается в ТУ на аппаратуру, М=К/Ко).
Неравномерность нормированной АЧХ
может характеризуется спадом характеристики
(f)
= M(f)
– 1 при M(f)<l
или подъемом при (M(f)>l.

В
звуковых сигналах частотные искажения
воспринимаются на слух как изменения
тембра (высоты тона). В усилителях
звуковых частот допускается спад
величины М не более чем на 3дБ (в 1,41 раза),
а в усилителях измерительной техники

не более чем на 0,1дБ.

Зависимость
от частоты фазового сдвига, вносимого
усилителем, характеризуют фазо-частотной
характеристикой (ФЧХ) (рис. 1.4, б). Из
теории цепей известно, что если ФЧХ
четырехполюсника не является прямой
линией, то время прохождения через
четырехполюсник различных спектральных
составляющих сложного колебания
различно. Это приводит к

искажению
сигнала, которое характеризуется
изменением формы сигнала (фазочастотные
искажения). На практике ФЧХ используется
реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости
и сравнительной сложности измерения
фазовых сдвигов. Однако применительно,
например, к волоконно-оптическим линиям
связи, подобные сдвиги различных
спектральных составляющих сигнала
могут привести к размыванию импульса
сигнала и соответственно к потере
информации. Применительно к проводным
протяженным линиям связи можно также
отменить существование данной проблемы,
поскольку скорость распространения
спектральных составляющих различных
частот различна (рис. 1.5).

Рис. 1.5.

Частотные
и фазовые искажения называются линейными,
если создаются емкостями и индуктивностями
схемы, являющимися линейными элементами.
Они искажают лишь форму сложного
колебания, изменяются соотношения
амплитуд и фаз между отдельными
спектральными составляющими, а форму
гармонического (синусоидального)
колебания не изменяют. Соответственно
это не приводит к появлению новых
спектральных составляющих в спектре
сигнала.

Масштаб для АЧХ и
ФЧХ по оси частот обычно берут
логарифмический. Это позволяет растянуть
график в области низких частот и сжать
в области высоких частот, что обеспечивает
большую наглядность.

Стоячие волны

Когда две волны одинаковой длины распространяются в одной среде, но в противоположных направлениях (изображены синим и оранжевым цветами в примерах ниже), они могут взаимодействовать и образовывать стоячую волну (изображена зеленым цветом в примерах ниже). Стоячие волны называются так потому, что в то время, как синие волны движутся влево, а оранжевые волны движутся вправо, зеленые стоячие волны не обладают никаким видимым движением в какую-либо сторону.

Падающая волна (оранжевая) и отраженная волна (синяя) объединяются, формируя стоячую волну (зеленая)

Стоячая волна возникает только при определенных условиях в среде, которые определяются режимом отражения и длиной падающей волны.

Больше вариаций дБ

Две других единицы измерения, основанных на дБ, – это дБн (dBc) и дБи (dBi).

Вместо фиксированного значения, такого как 1 мВт, дБн (dBc) использует в качестве опорного сигнала уровень несущей сигнала. Например, фазовый шум (смотрите второй раздел данной главы) выражается в единицах дБн/Гц (dBc/Hz); первая часть этой единицы измерения указывает, что мощность фазового шума на определенной частоте измеряется относительно мощности несущей (в этом случае «несущая» относится к мощности сигнала на номинальной частоте).

Идеализированная точечная антенна принимает определенное количество энергии от схемы передатчика и равномерно излучает ее во всех направлениях. Считается, что эти «изотропные» антенны имеют нулевой коэффициент усиления и нулевые потери.

Однако, другие антенны могут быть сконструированы таким образом, чтобы концентрировать излучаемую энергию в определенных направлениях, и в этом смысле антенна может иметь «усиление». Антенна на самом деле не добавляет мощности к сигналу, но эффективно увеличивает переданную мощность путем концентрации электромагнитного излучения в соответствии с направлением системы связи (очевидно, что более практично, когда разработчик антенны знает пространственную взаимосвязь между передатчиком и приемником).

Здесь вы можете увидеть неравномерное распределение излучаемой энергии, которая приводит к усилению в прямом направлении (т.е., 0°)

Единица измерения дБи (dBi) позволяет производителям антенн указывать «коэффициент усиления», который использует популярную шкалу дБ. Как всегда, когда мы работаем с дБ, нам необходимо отношение, а в случае с дБи (dBi) коэффициент усиления антенны выражается через опорное усиление изотропной антенны.

Некоторые антенны (например, те, которые сопровождаются параболическим зеркалом, «тарелкой») имеют значительный коэффициент усиления, и поэтому они могут внести нетривиальный вклад в расстояние и производительность радиочастотной системы.

Когда дБ абсолютны?

Мы установили, что дБ является отношением и, следовательно, не может описывать абсолютные значения мощности и амплитуды сигнала. Однако было бы неудобно постоянно переключаться между значениями в дБ и не в дБ, и, возможно, именно поэтому радиоинженеры ввели единицу измерения дБм (dBm).

Мы можем избежать проблемы «только отношение», просто создав новую единицу измерения, которая всегда будет содержать опорное значение. В случае дБм опорное значение равно 1 мВт. Таким образом, если у нас есть сигнал 5 мВт, и мы хотим оставаться в области дБ, мы можем выразить мощность этого сигнала как 7дБм:

\

Вы определенно хотите ознакомиться с концепцией дБм. Это стандартная единица, используемая в реальной разработке радиочастотных систем, и она очень удобна, когда вы, например, вычисляете энергетический баланс линии связи, поскольку усиления и потери, выраженные в дБ, могут просто складываться и вычитаться из выходной мощности, выраженной в дБм.

Существует также единица дБВт (dBW); в качестве опорного значения она использует 1 Вт вместо 1 мВт. В настоящее время большинство радиоинженеров работает с относительно маломощными системами, и это, вероятно, объясняет, почему дБм встречается чаще.

Радиовещательные приемные антенны.

Радиовещательные приемные антенны с высотой, близкой к половине или даже четверти длины волны, оказываются, как правило, непомерно большими. К счастью, это ограничение часто не играет существенной роли, так как напряженность поля, создаваемого передающей станцией, обычно настолько большая, что даже маленькая антенна обеспечивает более чем достаточный сигнал для современного радиоприемника. Исключая из рассмотрения крайне удаленные пункты, надо сказать, что длинная наружная антенна не улучшает отношение сигнал/шум и часто может лишь ухудшить прием. Большинство вещательных радиоприемников выпускаются со встроенной рамочной или ферритовой антенной. Такое устройство представляет собой электрически небольшой магнитный диполь.

Если электрические и магнитные силовые линии, образующие поле антенны, поменять местами, то полученное в результате поле теоретически возможно в том смысле, что оно подчиняется законам электромагнетизма. Трудность состоит в том, что для излучения такого поля требуется магнитный аналог исходной излучающей системы; но магнитный аналог электрических зарядов, движущихся по электрическим проводникам, – это некие магнитные заряды, движущиеся по магнитным проводникам; однако ни магнитного заряда, ни магнитного проводника пока еще не удалось обнаружить. Существует, однако, магнитный аналог очень маленького диполя – катушка индуктивности. Хотя миниатюрный магнитный диполь, или рамочная антенна, как его называют, является весьма малоэффективной передающей антенной, такие качества, как миниатюрность и отличные возможности противостоять местным помехам и шумам, делают его идеальным средством для приема радиовещательных передач. Диаграмма направленности небольшой рамочной антенны представлена на рис. 6. Поворачивая рамку, можно, используя резко выраженные нули диаграммы, совпадающие с осью рамки, исключить прием помехи. Такая рамочная антенна может иметь форму плоской спирально намотанной катушки, размещаемой на задней стенке корпуса приемника, или форму тонкого соленоида с ферритовым сердечником. Благодаря резко выраженным нулям диаграммы направленности такую рамочную антенну используют в радиопеленгационной аппаратуре.

Диапазон ЧМ-радиовещания (от 88 до 108 МГц) заключен между нижним и верхним каналами ОВЧ-диапазона телевидения (от 2-го до 13-го канала); поэтому антенны, применяемые для передачи и приема ЧМ-сигналов, по существу такие же, как и используемые для телевидения, и хотя в последующем описании речь будет идти преимущественно о телевизионных антеннах, последние в большей или меньшей степени пригодны также и для ЧМ-радиовещания. Обычно и ЧМ-радиостанции, и телевизионные передающие станции ведут передачи на волнах с горизонтальной поляризацией.

Мощность видеопередатчика в дБ

Выходная мощность VTX (видеопередатчика) обычно описывается в мВт (милливатт), и вы можете Ее можно легко преобразовать мВт в дБм:

Не любите математику? Не волнуйтесь, есть тонны онлайн-калькуляторов для преобразования мВт и дБ. Вот таблица с перечислением всех распространенных значений мощности, используемых на VTX и соответствующими значениями дБм:

mW dBm
1
10 10
25 13.98
50 16.99
100 20
200 23.01
300 24.77
400 26.02
500 26.99
600 27.78
800 29.03
1000 (1W) 30
1500 (1.5W) 31.76
2000 (2W) 33.01

Главное, что нужно помнить — каждое увеличение на 3 дБ удваивает силу сигнала. А для удвоения дальности требуется увеличение на 6 дБ. Из этого можно сделать вывод, что настройка с 200 мВт VTX на 400 мВт НЕ удвоит ваш диапазон, а увеличит его примерно на 50%.

dBi, dBm и Ватты

ЛикБез > Измерения

Децибел— логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений.Величина, выраженная в децибелах, численно равнадесятичному логарифмубезразмерного отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять:

Децибел— это безразмерная единица, применяемая для измерения отношения некоторых величин— «энергетических» (мощности, энергии, плотности потока мощности ит.п.) или «силовых» (силы тока, напряжения ит.п.). Иными словами, децибел— это относительная величина. Не абсолютная, как, например,ваттиливольт, а такая же относительная, как кратность («трёхкратное отличие») илипроценты, предназначенная для измерения отношения («соотношения уровней») двух других величин, причём к полученному отношению применяетсялогарифмический масштаб.Русское обозначение единицы «децибел»— «дБ», международное— «dB» (неправильно: дб, Дб).Децибел не является официальной единицей в системе единицСИ, хотя по решениюГенеральной конференции по мерам и весамдопускается его применение без ограничений совместно с СИ, аМеждународное бюро мер и весоврекомендовала включить его в эту систему.Сравнение с другими логарифмическими единицами

Области примененияДецибелы широко применяются в любых областях техники, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диапазоне: в радиотехнике, антенной технике, в системах передачи информации, в оптике, акустике (в децибелах измеряетсяуровень громкости звука) и др. Так, в децибелах принято измерятьдинамический диапазон (например, диапазон громкости звучания музыкального инструмента), затухание волны при распространении в поглощающей среде, коэффициент усиления и коэффициент шума усилителя.Децибелы используются не только для измерения отношения физических величин второго порядка (энергетических:мощность, энергия) и первого порядка (напряжение, сила тока). В децибелах можно измерять отношения любых физических величин, а также использовать децибелы для представления абсолютных величин (см.опорный уровень).Переход к децибелам

Причины использования децибеловДля применения децибелов и оперирования логарифмами вместо процентов или долей есть ряд причин:

  • Характер отображения в органах чувств человека и животных изменений течения многих физических и биологических процессов пропорционален не амплитуде входного воздействия, а логарифму входного воздействия (живаяприрода живёт по логарифму). Поэтому вполне естественно шкалы приборов и вообще шкалы единиц устанавливать именно в логарифмические, в том числе, используя децибелы. Например музыкальная равномерно темперированная шкала частот является одной из таких логарифмических шкал.
  • Удобство логарифмической шкалы в тех случаях, когда в одной задаче приходится оперировать одновременно величинами, различающимися не во втором знаке после запятой, а в разы и, тем более, различающимися на много порядков (примеры: задача выбора графического отображения уровней сигнала, частотных диапазонов радиоприемников и др. звуковоспроизводящих устройств, расчет частот для настройки клавиатуры фортепьяно, расчеты спектров при синтезе и обработке музыкальных и других гармонических звуковых, световых волн, графические отображения скоростей в космонавтике, авиации, в скоростном транспорте, графическое отображения других переменных величин, изменения которых в широком диапазоне величин являются критически важными).
  • Удобство отображения и анализа величины, изменяющейся в очень широких пределах (примеры— диаграмма направленности антенны, амплитудно-частотная характеристика электрического фильтра).

Программа для пересчета dBm в Ватты (.jar)

Чувствительность приемника в дБ

Чувствительность приемника указывает минимальную радиочастотную мощность, которую может обнаружить приемник. Чем он более чувствителен, тем больше отрицательное число. (да, это отрицательное число)

Зачастую это число не оглашается публично, и мы не знаем, насколько оно точно. Производители часто оптимистично оценивают возможности своей продукции.

В случае, если вы нигде не можете найти это число, -85dB является хорошим показателем старых приемников. Модуль приемника RX5808 заявляется с чувствительностью -90dB соответствии с Foxtech. Я также спросил FuriousFPV о чувствительности их True-D. Их ответ -93dBm +/-5dBm.

Расширяем полосу

Как упоминалось в предыдущей статье, реальные усилители не имеют единого значения коэффициента усиления, которое применяется к сигналам любой частоты. Большинство операционных усилителей включают в себя внутреннюю компенсацию, чтобы сделать их более стабильными, что приводит к уменьшению коэффициента усиления без обратной связи на 20 дБ/декада, начиная с очень низких частот. И даже в устройствах, которые специально разработаны и оптимизированы для работы на высоких частотах, паразитные индуктивности и емкости в конечном итоге приведут к снижению коэффициента усиления. Но не позволяйте этим ограничениям полосы пропускания приводить вас в уныние – нам может помочь отрицательная обратная связь.

Теперь, когда мы рассматриваем частотную характеристику усилителя, нам следует изменить формулу коэффициента усиления с обратной связью следующим образом, где GОС,НЧ и AНЧ обозначают коэффициенты усиления с обратной связью и без обратной связи на частотах, намного меньших частоты среза без обратной связи.

\

Здесь нет ничего удивительного. Интересно то, что происходит с частотной характеристикой; если вы проанализируете коэффициент усиления с обратной связью как функцию частоты, вы обнаружите, что частота среза с обратной связью (fср,НЧ) связана с частотой среза без обратной связи (fср, без ОС) следующим образом:

\

Таким образом, в схеме «усилитель плюс обратная связь» мы фактически получаем значительно бо́льшую полосу пропускания. Отметим также, что, как и при снижении чувствительности к коэффициенту усиления, более высокое коэффициент усиления без обратной связи приводит к большему увеличению полосы пропускания.

Возможно, вы заметили здесь кое-что интересное: полоса пропускания увеличивается на коэффициент (1 + AНЧβ), а коэффициент усиления на низких частотах уменьшается на коэффициент (1 + AНЧβ). Это приводит к довольно элегантной связи, при которой уменьшение коэффициента усиления усилителя на определенный коэффициент вызывает увеличение полосы пропускания на тот же коэффициент. Это лучше всего пояснить на графиках частотных характеристик. Вот коэффициент усиления LT1638, операционного усилителя общего назначения от Linear Tech, без обратной связи.

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента усиления LT1638 без обратной связи от частоты

Как и ожидалось, мы имеем спад 20 дБ/декада, начинающийся на очень низких частотах. Теперь давайте добавим обратную связь с β = 0,1 (что соответствует коэффициенту усиления 10).

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента усиления LT1638 с обратной связью от частоты при β = 0,1

В этой схеме (1 + AНЧβ) ≈ (1 + 708 000 × 0,1) = 70 801 = 97 дБ. С помощью этого эксперимента мы можем легко подтвердить, что коэффициент усиления действительно уменьшается на 97 дБ. На следующем графике курсоры расположены вблизи двух частот среза.

Рисунок 5 – Уменьшение коэффициента усиления на частотах среза

Полоса пропускания увеличивается в 130 900 / 1,38 = 94 855 раз, что соответствует ожидаемому соотношению, но не совсем так, как мы прогнозируем. Результаты здесь менее точны, чем с коэффициентом усиления, поскольку математические соотношения предполагают идеальную однополюсную частотную характеристику, тогда как однополюсная характеристика является лишь приближением фактического коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи к частотным характеристикам.

Следующий график, который включает в себя кривые для двух дополнительных схем обратной связи, помогает проиллюстрировать обратную зависимость между коэффициентом усиления с обратной связью и шириной полосы пропускания с обратной связью: при увеличении коэффициента усиления полоса пропускания уменьшается.

Рисунок 6 – Зависимость между значением коэффициента усиления и шириной полосы пропускания

Усиление в децибелах

Опубликованные числа для усиления антенны почти всегда выражаются в децибелах (дБ), в логарифмической шкале. Из коэффициента усиления G можно найти усиление в децибелах как:

граммdBязнак равно10⋅журнал10⁡(грамм).{\ Displaystyle G_ {дБи} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left (G \ right).}

Следовательно, антенна с пиковым усилением мощности 5 будет иметь усиление 7 дБи. Используется дБи, а не просто дБ, чтобы подчеркнуть, что это усиление согласно основному определению, в котором антенна сравнивается с изотропным излучателем.

Когда фактические измерения усиления антенны производятся в лаборатории, напряженность поля тестовой антенны измеряется при подаче, скажем, 1 Вт мощности передатчика на определенном расстоянии. Эта напряженность поля сравнивается с напряженностью поля, найденной с помощью так называемой эталонной антенны на том же расстоянии, получающей ту же мощность, для определения усиления тестируемой антенны. Это отношение было бы равно G, если бы эталонная антенна была изотропным излучателем (irad).

Однако настоящий изотропный излучатель не может быть построен, поэтому на практике используется другая антенна. Часто это будет полуволновой диполь, очень хорошо понятная и повторяемая антенна, которую можно легко построить для любой частоты. Директивное усиление полуволнового диполя, как известно, составляет 1,64, и его можно сделать почти 100% эффективным. Поскольку коэффициент усиления был измерен относительно этой эталонной антенны, разницу в коэффициенте усиления тестовой антенны часто сравнивают с коэффициентом усиления диполя. Таким образом, коэффициент усиления относительно диполя часто указывается и обозначается с использованием дБд вместо дБи, чтобы избежать путаницы. Следовательно, с точки зрения истинного усиления (относительно изотропного излучателя) G, это значение для усиления определяется как:

граммdBdзнак равно10⋅журнал10⁡(грамм1,64).{\ displaystyle G_ {dBd} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left ({\ frac {G} {1.64}} \ right).}

Например, вышеупомянутая антенна с усилением G = 5 будет иметь усиление по отношению к диполю 5 / 1,64 = 3,05, или в децибелах это можно назвать 10 log (3,05) = 4,84 дБд. В основном:

граммdBdзнак равнограммdBя-2,15dB{\ displaystyle G_ {дБд} = G_ {дБи} -2,15 дБ}

Обычно используются как дБи, так и дБд. Когда максимальное усиление антенны указывается в децибелах (например, производителем), необходимо знать, означает ли это усиление относительно изотропного излучателя или относительно диполя. Если он указывает дБи или дБд, то двусмысленности нет, но если указан только дБ, то необходимо обращаться к мелкому шрифту. Любую фигуру можно легко преобразовать в другую, используя указанное выше соотношение.

Обратите внимание, что при рассмотрении диаграммы направленности антенны усиление по отношению к диполю не подразумевает сравнения усиления этой антенны в каждом направлении с усилением диполя в этом направлении. Скорее, это сравнение усиления антенны в каждом направлении с пиковым усилением диполя (1,64)

Следовательно, в любом направлении эти числа на 2,15 дБ меньше, чем усиление, выраженное в дБи.

Петлевое усиление

Величина, которая непосредственно определяет, является ли цепь отрицательной обратной связи устойчивой, – это не коэффициент усиления с обратной связью или коэффициент усиления без обратной связи, а скорее петлевой коэффициент усиления (петлевое усиление), определяемый как . Напомним нашу формулу для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:

\

Эта формула предполагает, что является положительным числом (потому что положительный означает, что обратная связь отрицательна). Что происходит, когда не является положительным? Рассмотрим случай, когда = -1:

\

В этом контексте коэффициент усиления усилителя с обратной связи, равный бесконечности, соответствует автогенератору – даже при нулевом входе выход насыщен. Таким образом, критической величиной в анализе устойчивости является петлевое усиление.

Важно выработать четкое понимание идеи того, почему возникают проблемы с устойчивостью, и как их предотвратить. Эта последовательность вопросов и ответов должна помочь решить некоторые из наиболее заметных проблем

Вопрос: Откуда взялся этот сдвиг фазы? Я не просил никакого сдвига фазы в моем усилителе.

Ответ: Вспомните, что все усилители в конечном итоге будут демонстрировать спад усиления на высоких частотах. Усиление у операционных усилителей с внутренней компенсацией начинает спадать на очень низких частотах. В любом случае этот спад вызван полюсами где-то в цепи, а полюсы всегда приносят сдвиг фазы, а также уменьшают усиление.

Вопрос: Хорошо, у меня есть сдвиг фазы. Но все мои схемы на ОУ предназначены для применения либо для постоянного напряжения, либо для низкочастотных сигналов. Для моих сигналов не будет большого сдвига фазы, поэтому мне не нужно беспокоиться об устойчивости, верно?

Ответ: Хороший вопрос. К сожалению, частота интересующего вас сигнала, по сути, не имеет значения. Реальные сигналы всегда содержат шум, и часть этого шума будет находиться на высоких частотах. Кроме того, любой случайный скачок напряжения содержит высокочастотную составляющую. Помните, что при достаточном сдвиге фаз мы имеем дело с положительной, т. е. регенеративной, обратной связью. Даже когда эти неизбежные высокочастотные компоненты имеют очень низкую амплитуду, если ваша схема не является устойчивой по своей природе, регенеративный характер положительной обратной связи будет увеличивать их амплитуду до тех пор, пока колебания не станут заметными.

Вопрос: Тогда всё безнадежно! Усилители всегда демонстрируют сдвиг фазы на высоких частотах, а сигналы всегда зависят от высокочастотных составляющих – так как же схема может быть устойчивой?

Ответ: Не отчаивайтесь – здесь вступает в игру петлевое усиление. Подумайте об общей структуре обратной связи: любые сигналы, проходящие по петле обратной связи, умножаются на A, а затем на β. Вот почему мы называем «петлевым» усилением. Если на высоких частотах, где сдвиг фазы достигает 180°, меньше единицы, высокочастотные сдвинутые по фазе сигналы будут постепенно исчезать, вместо того, чтобы постепенно вырастать в основные колебания. Убедитесь, что вы понимаете это. Представьте маленькие синусоидальные сигналы, проходящие через петлю : если больше единицы, синусоидальные сигналы будут увеличивать друг друга каждый раз, когда они проходят через петлю обратной связи, и их амплитуда будет постепенно увеличиваться, поскольку усиливает их. Если меньше единицы, сигналы будут постепенно ослабляться до незначительной величины, несмотря на то, что они усиливают друг друга в узле «вычитания».

Рисунок 3 – Отсутствие возбуждения колебаний на высоких частотах при Aβ < 1

Бегущая волна

В отличие от вышеупомянутых антенн, антенны бегущей волны не являются резонансными, поэтому они по своей природе имеют широкую полосу пропускания. Обычно это проволочные антенны с несколькими длинами волн, через которые волны напряжения и тока распространяются в одном направлении, а не отражаются назад и вперед, образуя стоячие волны, как в резонансных антеннах. У них линейная поляризация (кроме спиральной антенны). Однонаправленные антенны бегущей волны оканчиваются резистором на одном конце, равным характеристическому сопротивлению антенны , для поглощения волн с одного направления. Это делает их неэффективными в качестве передающих антенн.

Напиток — Простейшая однонаправленная антенна бегущей волны. Состоит из прямого провода длиной от одной до нескольких длин волн, подвешенного у земли, подключенного к приемнику на одном конце и оконцованного резистором, равным его характеристическому сопротивлению , 400–800  Ом на другом конце. Его диаграмма направленности имеет главный лепесток, расположенный под небольшим углом в небе от оконечного конца. Он используется для приема небесных волн, отраженных от ионосферы, в коротковолновой связи спропуском на большие расстояния.

Ромбический — состоит из четырех одинаковых отрезков проволоки в форме ромба . Он питается от сбалансированной линии питания в одном из острых углов, и две стороны подключены к резистору, равному характеристическому сопротивлению антенны на другом. Он имеет главный лепесток в горизонтальном направлении от оконечного конца ромба. Используется для небесной связи на коротковолновых диапазонах.

Утечка — антенны СВЧ, состоящие из волновода или коаксиального кабеля с прорезью или отверстиями, прорезанными в нем, поэтому он непрерывно излучает по всей своей длине.

Спиральный (осевой режим) — состоит из проволоки в форме спирали, установленной над отражающим экраном. Он излучаетволны с круговой поляризацией на конце луча с типичным усилением 15 дБи. Он используется на частотах VHF и UHF, где возможны размеры антенн. Часто используется для спутниковой связи, в которой используется круговая поляризация, поскольку она нечувствительна к относительному вращению оси луча. Когда спиральная антенна имеет около 10 или более витков, каждый виток соответствует полной длине волны, тогда это форма антенны бегущей волны. Если у него всего несколько витков (или только один), а общая окружность витков составляет одну или несколько длин волн, то это разновидность большой рамочной антенны. Когда суммарная окружность всех оборотов, взятых вместе, меньше одной длины волны, тогда спираль представляет собой непрерывно нагруженный монополь, называемый « резиновой уткой », «обтягивающей» антенной или «метловидной» антенной.

Диполь или симметричная вибраторная антенна

Диполь представляет собой полуволновую структуру из проволоки, трубки, печатной платы (PCB) или другого проводящего материала. Он разделен на две равные четверти длины волны и подпитывается линией передачи.

Линии показывают распределение электрических и магнитных полей. Одна длина волны (λ) равна:

λ = 984/fMHz

половина волны:

λ/2 = 492/fMHz

Фактическая длина обычно сокращается в зависимости от размера антенных проводов. Лучшее приближение к электрической длине:

λ/2 = 492 K/fMHz

где K — коэффициент, связывающий диаметр проводника с его длиной. Это 0,95 для проводных антенн с частотой 30 МГц или менее. Или:

λ/2 = 468/fMHz

Длина в дюймах:

λ/2 = 5904 K/fMHz

Значение K меньше для элементов большего диаметра. Для трубки диаметром в полдюйма K составляет 0,945. Дипольный канал для 165 МГц должен иметь длину:

λ/2 = 5904(0.945)/165 = 33.81 дюйма

или два 16,9-дюймовых сегмента.

Длина важна, потому что антенна является резонансным устройством. Для максимальной эффективности излучения он должен быть настроен на рабочую частоту. Однако антенна работает достаточно хорошо на узком диапазоне частот, как резонансный фильтр.

Полоса пропускания диполя является функцией его структуры. Обычно он определяется как диапазон, в котором отношение коэффициента стоячей волны антенны (КСВ) меньше 2:1. КСВ определяется величиной отраженного сигнала от устройства назад по линии передачи, подающей на него. Это функция импеданса антенны с отношением к импедансу линии передачи.

Фактическое сопротивление антенны в ее центральной точке зависит от ее частоты и высоты антенны. При резонансе и полуволне над землей импеданс антенны составляет приблизительно 73 Ом. Паразитный резонанс, импеданс антенны будет включать либо индуктивный, либо емкостный компонент реактивного сопротивления.

Идеальной линией передачи является сбалансированная проводящая пара с сопротивлением 75 Ом. Также можно использовать коаксиальный кабель с характеристическим импедансом 75 Ом (Zo). Коаксиальный кабель с характеристическим импедансом 50 Ом также может использоваться, так как он хорошо соответствует антенне, если он меньше половины длины волны над землей.

Коаксиальный кабель является несбалансированной линией, так как радиочастотный ток будет протекать снаружи коаксиального экрана, создавая некоторые нежелательные индуцированные помехи в соседних устройствах, хотя антенна будет работать достаточно хорошо. Лучший метод подачи — использовать симметрирующий трансформатор в точке подачи с коаксиальным кабелем. Симметрирующий трансформатор — это трансформаторное устройство, которое преобразует сбалансированные сигналы в несбалансированные сигналы или наоборот.

Диполь может быть установлен горизонтально или вертикально в зависимости от желаемой поляризации. Линия подачи идеально должна проходить перпендикулярно к излучающим элементам, чтобы избежать искажения излучения, поэтому диполь наиболее часто ориентирован горизонтально.

Диаграмма излучения сигнала антенны зависит от ее структуры и монтажа. Физическое излучение является трехмерным, но обычно оно представлено как горизонтальными, так и вертикальными диаграммами направленности.

Горизонтальная диаграмма направленности диполя представляет собой цифру восемь (рисунок 3). Максимальный сигнал появляется на антенне. На рисунке 4 показана вертикальная диаграмма направленности. Это идеальные образцы, которые легко искажаются землей и любыми соседними объектами.

Усиление антенны связано с направленностью. Коэффициент усиления обычно выражается в децибелах (дБ) с учетом некоторого «эталона», такого как изотропная антенна, которая является точечным источником радиочастотной энергии, излучающая сигнал во всех направлениях. Подумайте о точечном источнике света, освещающем внутреннюю часть расширяющейся сферы. Изотропная антенна имеет коэффициент усиления 1 или 0 дБ.

Если передатчик формирует или фокусирует диаграмму излучения и делает ее более направленной, он имеет усиление по изотропной антенне. Диполь имеет коэффициент усиления 2,16 дБи по изотропному источнику. В некоторых случаях коэффициент усиления выражается в зависимости от дипольного задания в дБд.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий