Как работает антенна? - коротко
Антенна преобразует переменный ток в электромагнитные волны и наоборот, используя резонанс длины волны с её геометрией. Электрическое поле, создаваемое током, излучается в пространство, а принимающие волны индуцируют ток в проводнике.
Как работает антенна? - развернуто
Антенна представляет собой устройство, преобразующее электрические колебания тока в распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны и наоборот. При подаче переменного тока на её элементы возникает переменный магнитный поток, который, согласно законам электромагнитной индукции, генерирует переменное электрическое поле. Вместе эти поля образуют электромагнитную волну, которая отрывается от поверхности антенны и распространяется в окружающем пространстве со скоростью света.
Для эффективного излучения длина проводника должна быть сопоставима с длиной волны сигнала. Наиболее распространённые варианты – полуволновый и четвертьволновый резонаторы, когда длина элемента составляет половину или четверть длины волны в свободном пространстве. При такой геометрии ток и напряжение распределяются вдоль проводника так, что создаётся максимальный дипольный момент, а энергия передаётся в виде волны с минимальными потерями.
Ключевыми параметрами, определяющими качество работы, являются:
- Импеданс. Сопротивление антенны должно согласовываться с сопротивлением передающего или приёмного устройства (обычно 50 Ω). Несогласованность приводит к отражению части энергии и ухудшению КПД.
- Коэффициент стоячей волны (КСВ). При правильном согласовании КСВ близок к 1, что свидетельствует о полном поглощении мощности.
- Поляризация. Ориентация электрического поля волны (вертикальная, горизонтальная или круговая) должна соответствовать поляризации приёмного устройства, иначе часть сигнала будет потеряна.
- Диаграмма направленности. Форма распределения излучения в пространстве определяется формой и размером антенны; узконаправленные конструкции концентрируют энергию в определённом угле, широкоугольные – равномерно распределяют её.
Когда антенна работает в обратном режиме, принимая сигнал, процесс происходит в обратном порядке. При попадании внешней электромагнитной волны на её элементы в проводнике индуцируются переменные токи. Эти токи создают напряжение, которое передаётся в приёмный тракт. Эффективность приёма также зависит от согласования импеданса и поляризации, поэтому в системах связи часто используют автосогласующие схемы и адаптеры.
Существует множество типов антенн, каждая из которых оптимизирована под определённые условия эксплуатации:
- Дипольные – простейшие, обеспечивают полуволновой резонанс и широкую полосу частот.
- Широкополосные (логопериодические) – позволяют покрывать широкий диапазон частот без изменения конструкции.
- Рупорные – усиливают направленность за счёт постепенного расширения волновода.
- Параболические – концентрируют энергию в узкую лучевую зону, применяются в спутниковой связи и радиолокации.
- Петлевые и спиральные – компактные, часто используют в мобильных устройствах и системах RFID.
Таким образом, антенна функционирует как преобразователь энергии между электрическим током и электромагнитным полем, опираясь на резонансные свойства, согласование импеданса и геометрическое формирование излучения. Правильный подбор параметров и типовой конструкции обеспечивает надёжную передачу и приём радиосигналов в самых разнообразных системах связи.