рис.3.1.2 рис.3.1.3.
Поскольку антенна потребляет от источника активную мощность (излучая её в эфир), то по аналогии с любой электрической схемой потребляющей мощность вводят сопротивление, на котором эта мощность выделяется. В данном случае оно называется сопротивлением излучения Rизл. Надо подчеркнуть, что физически этого сопротивления нет. Rизл всего лишь математический коэффициент, связывающий излученную антенной мощность с квадратом максимальной амплитуды тока в антенне. Но Rизл весьма наглядный параметр, характеризующий эффективность излучения антенны, поэтому часто используется.
Rизл весьма сложным образом зависит от размеров антенны, её геометрии, и распределения тока. В частном случае простой линейной антенны длиной до волны (при условии, что нет участков с противофазно протекающими токами) Rизл прямо пропорционально площади под распределением тока по антенне (очень наглядно это можно оценить на закладке «Вид» MMANA). Отсюда вытекает важный для практики укороченных антенн вывод: при одинаковой физической длине эффективнее излучает (то есть имеет более высокое Rизл) та антенна, по которой протекают больший ток, и по которой он равномернее распределен.
На рисунках 3.1.2 и 3.1.3 показано как зависит Rизл симметричного диполя, находящегося в свободном пространстве от его размера [2]:
Как любое реальное устройство, антенна не имеет КПД=100%. То есть не вся мощность, подведенная к антенне, излучается. Часть её рассеивается в тепло в антенне и окружающих предметах. Эта часть мощности описывается сопротивлением потерь антенны Rп. Может и это математическая абстракция как Rизл? Ну нет, Rп существует настолько реально физически, что для его описания требуется несколько разных частей. Rп состоит из:
Rs – омических потерь в проводах и элементах антенны. Rs растет с частотой. Это следствие так называемого поверхностного эффекта – переменное магнитное поле вытеснят ток из центра проводника на его края. Поэтому ВЧ ток протекает только по тонкому поверхностному слою провода, не проникая вглубь. Глубина проникновения тока описывается формулой:
(3.1.6)
где: d – в мкм;
F – в МГц;
K– коэффициент, равный 67 для меди, 83 для алюминия, 127 для бронзы.
Как следует из этой формулы d , составляет несколько десятков микрон на 1,8 МГц, и уменьшается до нескольких микрон на УКВ. Поэтому в антенной технике очень важно качество поверхности используемых металлов. Шероховатости, плёнки окисла резко увеличивают Rs. Из-за поверхностного эффекта фактором, определяющим сопротивление потерь на ВЧ, является не площадь сечения проводника, а периметр его сечения. Например, тонкая, но широкая фольга имеет заметно меньшие потери на ВЧ, чем толстый провод. Поэтому же нет смысла использовать толстые сплошные проводники – тонкостенная труба равного диметра будет ничем не хуже.
Ri – потери в изоляции. Любой изолятор в составе антенны имеет утечку, и соответственно - потери. Для правильного учёта сопротивление изоляции пересчитывается из параллельного сопротивления утечки, в последовательное Ri. Очевидно, что чем лучше изоляция, тем меньше потерь, и меньше последовательное сопротивление потерь Ri.
Rз – сопротивление потерь в земле. Для вертикальных антенн с противовесами, лежащими на земле, часть тока от источника, возбуждающего антенну, протекает через землю. Это, конечно, приводит к дополнительным потерям на обогрев земли.
Ro – характеризует тепловые потери в окружающих предметах, лежащих в ближней зоне антенны. Как описано в разделе 3.1.1 в ближней зоне антенны существует реактивное поле (напряженность которого резко растёт с укорочением антенны). В этом поле «плещется» реактивная энергия, связанная с излучателем. Она никуда не излучается, она «принадлежит» излучателю точно так же, как, например поле рассеяния вокруг катушки П-контура передатчика. Если в ближней зоне антенны нет ничего, то эта реактивная энергия «плещется» без потерь. Но как только в реактивное поле попадает предмет с потерями, он немедленно переводит часть энергии поля в тепловые потери (расположите рядом с выходной катушкой мощного передатчика сердечник с потерями и посмотрите, как он нагреется). В практических конструкциях КВ антенн, как правило, в ближней зоне (напомню, её радиус составляет l/2p) находятся предметы с потерями – дома, деревья, металлоконструкции, крыша, земля (это не те потери, что в предыдущем пункте за счет непосредственного протекания тока антенны через землю, это тепловые потери реактивного поля в земле).
Итого, сопротивление потерь:
Rп=Rs+Ri+Rз+Rо (3.1.7)
Ясно, что подведенная к антенне мощность выделяется как на Rизл, так и на Rп. Поэтому КПД антенны hА определяется как:
(3.1.8)
Для получения приемлемого КПД надо стараться, чтобы Rизл было бы в несколько раз выше Rп. При использовании укороченных антенн Rизл сильно падает (см. рис. 3.1.2) – до единиц Ом. Поэтому приходится всеми доступными мерами снижать Rп – использовать проводники с большим периметром сечения, с качественной изоляцией. И даже при этих условиях Rп укороченной антенны часто получается выше, чем полноразмерной. Дело в том, что в укороченной антенне (из-за повышенной добротности) всегда более сильно реактивное поле, и соответственно выше составляющая Rо.
На практике Rп в зависимости от конструкции антенны составляет единицы (в тяжелых случаях – десятки) Ом и увеличивается с ростом частоты, уменьшением высоты над землёй и с укорочением антенны (рост Rо!). Поэтому КПД антенны резко падает с её укорочением.
Напротив, при использовании полноразмерных (от полуволны и больше) антенн с высоким Rизл (см. рис. 3.1.3) КПД получается довольно большим. На фоне высокого Rизл (несколько десятков … сотен Ом) доля потерь приходящихся на Rп становится невелика и не имеет особого смысла бороться за снижение сопротивления потерь. Но даже полноразмерную антенну нежелательно располагать близко (радиус ближней зоны 0,16l) к поглощающим местным предметам из-за опасности заметного возрастания Rо.
Кажется, что входной импеданс антенны (Zа=Rа+jXа) – понятие настолько очевидное, что не требуется никаких пояснений. Za – это то, что покажет измеритель импеданса (ВЧ-мост например), подключенный непосредственно ко входным зажимам антенны.
Но к сожалению, в литературе очень часто путают активную часть входного импеданса антенны Ra и сопротивление излучения Rизл. Причем грешат этим не только любители. А на базе этой путаницы делаются далеко идущие, но ошибочные выводы.
Многое станет яснее, если представить антенну в виде эквивалентной схемы: сложного колебательного LC-контура в который включены резисторы Rизл и Rп. Разберем несколько примеров.
Антенна диполь от полуволны и короче. Её эквивалентная схема представляет собой обычный последовательный LC-контур, в который последовательно же включены Rизл и Rп. Если Rп пренебрежимо мало по сравнению с Rизл, то в этом случае Ra действительно равно Rизл.
Волновой диполь с питанием посередине. Эквивалентной схемой антенны является параллельный колебательный контур с резисторами Rизл и Rп в одной из ветвей. На резонансе входное сопротивление Ra достигает нескольких тысяч Ом. А для Rизл график рис. 3.1.3 даёт величину чуть более 200 Ом. То есть в данном случае Rизл и Rа отличаются почти на порядок.
Сильно укороченный диполь (несколько сотых l) с настроечной катушкой и большой ёмкостной нагрузкой в виде сходящихся широких пластин (это коммерческая антенна ISOTRON производители которой вещают о её "чудесных" свойствах). Эквивалентная схема: последовательный LC-контур с последовательно включенным Rизл менее 1 Ома (см. рис 3.1.2) и малой ёмкостью. Параллельно этому контуру включен большой конструктивный конденсатор ёмкостной нагрузки пластин. Получающаяся сложная эквивалентная схема имеет два близких по частоте резонанса – последовательный и параллельный (очень похоже на эквивалентную схему кварцевого резонатора). На параллельном резонансе входное сопротивление сложного контура достигает нескольких десятков Ом. Которое её авторы ошибочно принимают за Rизл и на этом основании делают вывод о аномально высоком КПД антенны, и ссылаются на некую «таинственную» (для них, вероятно) физику этой антенны. На самом же деле несколько десятков Ом это входное сопротивление Ra. А сопротивление излучения как было 1 Ом, так и осталось. И КПД антенны, исходя из именно из 1 Ома сопротивления излучения, на самом деле оказывается очень низким.
Запомним: сопротивление излучения Rизл (определяющее КПД) это одно, а активная часть входного сопротивления антенны Ra – это совершенно другое. В некоторых частных случаях они могут совпадать но, как правило, Rизл меньше Ra.