Teoria w pigu³ce Dlaczego antena promieniuje falę

Teoria w pigu³ce
Dlaczego antena promieniuje falê elektromagnetyczn¹?
Karol Œwierc
Anteny, z którymi zwykle siê spotykamy, odbieraj¹ falê
elektromagnetyczn¹. Jednak zjawisko to jest odwracalne. Dlatego, równie¿ dla anten odbiorczych podaje siê charakterystykê promieniowania, nie odbioru (zasada wzajemnoœci, stwierdza, ¿e parametry anteny traktowanej jako nadawcza s¹ identyczne z parametrami tej samej anteny traktowanej jako odbiorcza). Siêgnijmy jednak do podstaw.
Spoczywaj¹cy ³adunek elektryczny wytwarza pole elektryczne. Sta³y pr¹d (a wiêc poruszaj¹cy siê ³adunek, choæ istnieje zasadnicza ró¿nica miêdzy poruszaj¹cym siê pojedynczym ³adunkiem a pr¹dem) wytwarza stacjonarne pole magnetyczne. Co to jest pole? Jak w ogóle jest mo¿liwe oddzia³ywanie na odleg³oœæ (przyci¹ganie lub odpychanie ³adunków, magnesów czy obwodów z pr¹dem)? Co poœredniczy miêdzy tymi
„obiektami”, ¿e w absolutnej pró¿ni oddzia³uj¹ na siebie? Co
je ³¹czy? Jakieœ nienamacalne „pole”? Nie bêdziemy zbyt g³êboko wnikaæ w fizyczn¹ naturê tych zagadek. Trzeba zgodziæ
siê z tym, i¿ pole to jest „samodzielnym bytem” na tych samych prawach co materia-substancja. Jak w polu zawarta jest
energia? Gdzie jest energia w cewce zasilacza-przetwornicy
pracuj¹cej jako element magazynuj¹cy energiê, aby przekazaæ
j¹ do strony wtórnej zasilacza? Zasilacz jest izolowany galwanicznie, izolowane chassis, a energia przep³ywa. Czy ta ener-
gia jest w przewodzie transformatora, w rdzeniu, czy w „polu”?
Nie s¹ to pytania banalne.
Stwierdziliœmy, jak wytwarzane jest stacjonarne pole elektryczne i magnetyczne – poprzez ³adunek i/lub jego ruch. Okazuje siê, ¿e jak tym ³adunkiem „porz¹dnie potrz¹sn¹æ” to wytwarzane przezeñ pole oderwie siê od niego i uchodzi w przestrzeñ jako fala elektromagnetyczna (zabieraj¹c i nios¹c ze sob¹
energiê). To obrazowe sformu³owanie promieniowania nale¿y
wyraziæ œciœle, ¿e falê elektromagnetyczn¹ wytwarza ³adunek
podlegaj¹cy przyspieszeniu. Taki jest cel anteny nadawczej.
Równie¿ odwrotnie, fala elektromagnetyczna oddzia³uje na
³adunki swobodne w antenie indukuj¹c si³ê elektromotoryczn¹, napiêcie transmitowane kablem antenowym i wzmacniane
w tunerze odbiornika. Jest wprawdzie jeden przypadek gdy
³adunek w ruchu stacjonarnym promieniuje, ale to jako ciekawostka. Chodzi o zjawisko Czerenkowa, odkryte w 1934 r.
przez Wawi³owa i Czerenkowa. Ma ono miejsce w oœrodkach
materialnych, w których jak wiadomo prêdkoœæ fali elektromagnetycznej jest mniejsza od „c”. Gdy ³adunek porusza siê z
prêdkoœci¹ wiêksz¹ ani¿eli rozprzestrzenia siê fala elektromagnetyczna, porusza siê z prêdkoœci¹ „ponaddŸwiêkow¹”, szybciej od œwiat³a? Owszem, wolno mu, na to teoria ograniczeñ
nie nak³ada. Nie wolno tylko szybciej od œwiat³a w pró¿ni, bo
SERWIS ELEKTRONIKI
Dlaczego antena promieniuje falê elektromagnetyczn¹?
„c”, to nie tylko prêdkoœæ œwiat³a, to bardzo wa¿na sta³a naszej
przyrody, a miêdzy innymi jedn¹ z jej szczególnych cech jest
prêdkoœæ fali elektromagnetycznej w pró¿ni! A wiêc, mimo ¿e
jest to ruch jednostajny, obserwuje siê promieniowanie. Dodajmy równie¿ jako ciekawostkê, i¿ „normalne” promieniowanie dipola jest proporcjonalne do drugiej potêgi momentu
dipolowego i a¿ do czwartej potêgi czêstotliwoœci. Dlatego te¿
moc tracona w formie promieniowania przesy³owych linii energetycznych jest znikoma. Jednak, wróæmy do tematu „przyziemnego” – anteny.
Antena jest w gruncie rzeczy elementem zapewniaj¹cym
przejœcie od fali prowadzonej w prowadnicy falowej do fali
rozchodz¹cej siê w wolnej przestrzeni (lub odwrotnie). Podajmy w tym miejscu ró¿nicê charakterystyk spadku mocy od
odleg³oœci, na któr¹ fala jest przesy³ana. W kablu spadek jest
jednakowy (w decybelach) na ka¿dy jednakowy jego odcinek,
otrzymujemy wiêc funkcjê ekspotencjaln¹ (typu e-x). Moc fali
w wolnej przestrzeni spada odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odleg³oœci (~1/x2).
Najprostsz¹ antenê otrzymamy rozcinaj¹c i odginaj¹c od
siebie koñce kabla antenowego. W³aœnie efekt „przyspieszenia”, niestacjonarnoœci ruchu ³adunków w tym odcinku linii
jest Ÿród³em promieniowania anteny. Stwierdzamy zatem, i¿
obecnoœæ fali w antenie i jej „prowadnicy” jest zwi¹zana z obecnoœci¹ ³adunków na powierzchni przewodników. £adunki te
s¹ potrzebne do wzbudzenia fali, nie do jej przesy³ania. Poniewa¿ w antenie zachodz¹ zjawiska rezonansowe, jej wymiary
geometryczne musz¹ byæ œciœle powi¹zane z d³ugoœci¹ promieniowanej (odbieranej) fali.
Powiemy teraz w wielkim skrócie o fali elektromagnetycznej wypromieniowanej (odbieranej) przez „pryzmat” parametrów anten.
Charakterystyka promieniowania – Jest to natê¿enie promieniowanej (odbieranej) fali roz³o¿one po sferze, w której
œrodku umieszczamy antenê. Pomiaru dokonuje siê w tzw. strefie dalekiej, co oznacza, ¿e wymiary fizyczne anteny s¹ zaniedbywalne. W wielu publikacjach poœwiêconych technice antenowej mo¿na znaleŸæ wykresy charakterystycznych „listków”
anteny.
Kierunkowoœæ – Okreœla ona, jak silnie antena koncentruje energiê w jednym kierunku (oczywiœcie, kosztem kierunków innych).
Zysk energetyczny – To bardzo podobny parametr do kierunkowoœci; uwzglêdnia on dodatkowo sprawnoœæ energetyczn¹ anteny. Wyra¿ony jest on najczêœciej w decybelach, jednak
nale¿y zawsze zwróciæ uwagê „wzglêdem czego” (dB to miara wzglêdnej wielkoœci). Najczêœciej bêdzie to wzglêdem anteny izotropowej, nierealizowalnej fizycznie anteny o charakterystyce wykazuj¹cej pe³n¹ symetriê sferyczn¹ (charakterystyka jest powierzchni¹ kuli). Jak wiadomo, aby unikn¹æ niedomówieñ za skrótem decybela czêsto dodaje siê jak¹œ umown¹ literkê. W omawianym przypadku jest to „i” – dBi. Jeœli
zysk okreœlany jest wzglêdem najprostszej realizowalnej anteny, dipola pó³falowego, dodaje siê „d” – dBd. Pochodnym parametrem do zysku anteny jest zastêpcza moc promieniowana
izotropowo – EIRP.
Impedancja wejœciowa – Jest to stosunek napiêcia do pr¹du na zaciskach anteny. Zwykle wielkoœæ zespolona, w skomplikowany sposób zale¿y nie tylko od budowy anteny, ale tak-
¿e od innych obiektów (przewodz¹cych) znajduj¹cych siê w
pobli¿u, np. dzia³anie „reflektorów” i „direktorów”, prêtów
niepo³¹czonych galwanicznie z czêœci¹ anteny maj¹c¹ kontakt
z prowadnic¹ falow¹, kablem. Gdy impedancja wejœciowa anteny „nie pasuje” do impedancji kabla, stosuje siê jak wiadomo odpowiednie symetryzatory.
Szerokoœæ pasma – Popularne s¹ obecnie anteny szerokopasmowe. Szerokoœæ pasma okreœla stosunek czêstotliwoœci,
przy której za³o¿one parametry anteny zmieniaj¹ siê nie wiêcej od za³o¿onej wartoœci. Rzadko w literaturze spotkaæ mo¿na precyzyjne i œcis³e okreœlenie tych warunków. Czasem poszczególne parametry anteny w zdecydowanie ró¿ny sposób
zale¿¹ od czêstotliwoœci pracy. Rozs¹dnym podejœciem jest
okreœlanie szerokoœci pasma wzglêdem najbardziej krytycznego parametru, np. impedancji wejœciowej lub zysku energetycznego.
Apertura i powierzchnia skuteczna – Zwykle interesuje
nas jak¹ moc otrzymamy na zaciskach anteny, gdy umieœcimy
j¹ w polu elektromagnetycznym o zadanym natê¿eniu. Obrazowo mówi¹c „ile wektora Poyntinga (to wektor gêstoœci mocy
fali elektromagnetycznej) antena jest w stanie przechwyciæ”.
To okreœla powierzchnia skuteczna lub wspó³czynnik wykorzystania apertury.
Polaryzacja – Jaka mo¿e byæ polaryzacja fali elektromagnetycznej? Pionowa, pozioma, ko³owa, prawo- lub lewoskrêtna. To te¿ okreœla polaryzacja, jak¹ antena wytwarza lub na
mocy zasady wzajemnoœci, odbiera. Wektory elektryczny i
magnetyczny fali s¹ wzglêdem siebie prostopad³e. Przyjê³o siê
zatem, ¿e gdy nie precyzuje siê, o polaryzacjê którego wektora
chodzi, mowa o wektorze natê¿enia pola elektrycznego. Warto w tym miejscu dodaæ, i¿ w przestrzeni mo¿e rozchodziæ siê
tylko fala, dla której 3 wektory E, H i kierunek propagacji, s¹
wzajemnie prostopad³e, tzw. fala TEM, w prowadnicach falowych bywa odmiennie.
D³ugoœæ skuteczna – Parametr analogiczny do powierzchni
dla anten liniowych.
Zastêpcza temperatura szumowa – To ciekawy parametr,
nie ma on nic (lub niewiele) wspólnego z rzeczywist¹ temperatur¹ anteny. Ka¿dy opornik o rezystancji R wytwarza wskutek fluktuacji cieplnych pewn¹ moc szumu proporcjonaln¹ do
jego temperatury bezwzglêdnej i proporcjonaln¹ do szerokoœci pasma (szum bia³y); wspó³czynnikiem proporcjonalnoœci
jest tu sta³a Boltzmanna. Je¿eli na zaciskach dowolnego uk³adu o rezystancji R wystêpuje moc szumów, która jest równa
mocy wydzielonej na zaciskach opornika o takiej samej wartoœci R umieszczonego w temperaturze T, to mówimy, ¿e uk³ad
ma zastêpcz¹ temperaturê szumow¹ równ¹ T. To parametr bardzo u¿yteczny zw³aszcza w uk³adach wzmacniaczy w.cz., gdzie
problem szumów jest kluczowy. Na temperaturê szumów anteny sk³ada siê szum termiczny samej anteny oraz szumy pochodz¹ce od obiektów zewnêtrznych. Jako ciekawostkê powiedzmy, i¿ tak okreœlona temperatura „pustego nieba” równa
jest oko³o 3 stopnie Kelwina. Uwa¿a siê, ¿e promieniowanie
to jest pozosta³oœci¹ po „wielkim wybuchu” bêd¹cym prawdopodobnie pocz¹tkiem naszego Wszechœwiata.
Wspó³czynnik przydatnoœci – Jest to stosunek zysku energetycznego do zastêpczej temperatury szumów (uwzglêdniaj¹cej temperaturê szumów anteny, linii transmisyjnej i zwykle
tak¿e odbiornika).
}
SERWIS ELEKTRONIKI