Зберегти або поділитися
Коротка історія електромагнетизму
Більше 2600 років тому (і, ймовірно, ще раніше) стародавні греки виявили, що шматок бурштину, натертий про хутро, притягує легкі предмети, наприклад, пір'я. Приблизно в той же час стародавні люди виявили магнітну руду, яка представляє собою шматки намагніченою гірської породи.
На початку дев'ятнадцятого століття Ханс Крістіан Ерстед помести провід перпендикулярно стрілкою компаса і нічого не побачив. Але коли він повернув провід паралельно стрілці компаса і пропустив через нього струм, стрілка відхилилася в одному напрямку. Коли він пропустив струм через дріт в протилежному напрямку, стрілка компаса також відхилилася в протилежному напрямку.
Цей провід був першою передавальною антеною, а компас був першим приймачем. Вчені в той час просто не знали про це.
Ще не дуже елегантно, цей експеримент дав підказку про те, як працює всесвіт - що заряди, що рухаються через провід, створюють магнітне поле, яке перпендекулярно проводу. (Вчені незабаром дізналися, що це поле, що оточує провідник, має круглу форму, а не форму прямої, перпендикулярної провіднику.)
За допомогою цієї інформації вчені змогли описати способи, з якими електричні і магнітні поля взаємодіють з електричними зарядами, і сформувати основи розуміння електромагнетизму.
Незабаром Нікола Тесла в своїй лабораторії без проводів запалив лампи, продемонстрував першу іграшкову човен з дистанційним управлінням і створив систему змінного струму, яку сьогодні ми використовуємо по всьому світу для передачі електричної енергії.
Менш ніж через сторіччя після експерименту Ерстеда, Гульєльмо Марконі винайшов спосіб передачі перших бездротових телеграфних сигналів через Атлантику.
І ось тепер, через два століття після першого експерименту з компасом, ми можемо робити фотографії далеких планет і відправляти їх через неосяжний космос на пристрої, які ми можемо тримати в руках - і все завдяки антен.
складові блоки
У нашому Всесвіті діють певні правила. Люди виявили це тисячі років тому, коли стали розрізняти силу тяжіння і здатність одних об'єктів притягувати або відштовхувати інші об'єкти. Потім люди виявили ще один набір правил тяжіння і відштовхування, які були повністю відокремлені від першого.
Накладення хвиль (принцип суперпозиції)
Хвилі переносять енергію з одного місця в інше.
Залишаючись недоторканим протягом тривалого періоду часу, поверхня води в басейні буде здаватися плоскою і нерухомою. Якщо потурбувати воду в одному місці, молекули води потурбують сусідні молекули води, які потурбують сусідні молекули води і так далі, поки хвилювання не дійде до краю басейну.
Молекули, які почали ланцюг подій, залишаються на місці, близькому їх початкового розташуванню, але хвилювання досягне краю басейну за секунди. Хвилі передають енергію без перенесення речовини.
Одиночна хвиля в басейні
Хвилі, як ми їх описуємо, це рух обурення через середу. Одиночне початкове обурення або мільйон таких збурень, до поширення обурення призводить ланцюгова реакція зіткнень молекул в басейні.
Графік поширення двох хвиль в басейні
Коли дві хвилі обурюють одну і ту ж область простору, їх амплітуди будуть складатися або відніматися, створюючи або конструктивну, або руйнує інтерференцію. Ця практика тимчасового складання або віднімання називається принципом суперпозиції.
Графік конструктивної інтерференції хвиль
Після того, як хвилі інтерферують в певному місці, вони продовжують рух в тому ж напрямку і з тією ж швидкістю, з якими вони почали рух, так довго, поки вони залишаються в тому ж середовищі. Швидкість і напрямок можуть змінитися, коли хвиля увійде в нове середовище. Звукові хвилі проходять через повітря, водні хвилі проходять через рідини - речовини, через які проходять хвилі, називаються «середовищем».
Електромагнітні хвилі можуть проходити через такі середовища, як повітря і вода, або через порожнечу космосу - вони не вимагають середовища для поширення енергії з одного місця в інше.
відображення хвилі
При переході хвиль з однієї середовища в іншу частину їх енергії передається, частина енергії відбивається, а частина енергії розсіюється в навколишнє середовище.
Властивості матеріалів цих двох середовищ визначають співвідношення передачі до відбиття і розсіювання. А також властивості матеріалів визначають, чи буде хвиля інвертуватися при відображенні.
Передача і відображення енергії одиночного хвильового імпульсу Безперервна падаюча хвиля (помаранчевий) потрапляє на кордон середовищ, де частина енергії відбивається (світло-помаранчевий), а частина енергії передається (темно-оранжевий)
Відображення і інверсія
Коли хвилі поширюються з одного середовища в іншу, частина падаючої енергії відбивається. Залежно від властивостей матеріалів середовищ хвилі можуть інвертуватися при відображенні.
Уявіть собі довгу пружину, прив'язану до стовпа. Якщо ви злегка вдарите пружину зліва, обурення пошириться по всій довжині пружини, поки воно не вдарить стовп; і в цей момент воно змінить напрямок і почне поширюватися назад до вас з іншого боку, справа. Це і є інверсія.
Інверсія хвилі при відбитті
Візьміть ту ж саму пружину і прив'яжіть її до мотузки, одягненої петлею на стовп. Якщо ви злегка вдарите пружину зліва, обурення пошириться по всій довжині пружини, поки воно не вдарить мотузку; в цей момент воно змінить напрямок і почне поширюватися назад до вас з того ж боку, зліва.
Відсутність інверсії при відображенні
Розуміння відображення коливань пружини допоможе нам зрозуміти, що відбувається всередині антени.
Ось чотири ситуації, які допоможуть проілюструвати поняття відображення і інверсії.
Інвертується чи ні хвиля при відображенні, це визначається властивостями середовищ по обидві сторони кордону розділу.
Якщо хвиля інвертується при відображенні, і ми хочемо отримати конструктивну інтерференцію в мотузці, у нас повинна бути мотузка довжиною, яка дорівнює половині довжини хвилі, повній довжині хвилі або півтора довжин хвилі і так далі: \ (L = n \). де n - ціле позитивне число.
Антенний резонанс заснований на тих же принципах відображення і інтерференції: вибирайте довжину проводу так, щоб відображена енергія могла интерферировать конструктивно, створюючи більший сигнал, а без зменшення його.
стоячі хвилі
Коли дві хвилі однакової довжини поширюються в одному середовищі, але в протилежних напрямках (зображені синім і помаранчевим кольорами в прикладах нижче), вони можуть взаємодіяти і утворювати стоячу хвилю (зображена зеленим кольором в прикладах нижче). Стоячі хвилі називаються так тому, що в той час, як сині хвилі рухаються вліво, а помаранчеві хвилі рухаються вправо, зелені стоячі хвилі не володіють ніяким видимим рухом в будь-яку сторону.
Падаюча хвиля (помаранчева) і відбита хвиля (синя) об'єднуються, формуючи стоячу хвилю (зелена)
Стояча хвиля виникає тільки при певних умовах в середовищі, які визначаються режимом відображення і довжиною падаючої хвилі.
Коефіцієнт стоячої хвилі (КСВ, SWR)
Стоячі хвилі максимальної амплітуди виникають при дуже точної комбінації частоти (або довжини хвилі) і довжини антени.
На жаль, недоцільно і фактично неможливо мати антени, які мають точної довжиною, необхідною для формування ідеальної стоячій хвилі в необхідному діапазоні частот. На щастя, в цьому немає необхідності. Антена з однієї фіксованою довжиною може працювати в невеликому діапазоні частот з невеликим, прийнятним рівнем розладу.
Довжина антени повинна бути налаштована для отримання стоячій хвилі якомога ближчою до ідеальної в центрі робочого діапазону частот.
Вимірювачі КСВ (коефіцієнта стоячої хвилі) вимірюють відношення енергії, що передається до відбитої, і це ставлення має бути якомога ближче до 1: 1.
Невеликі підстроювання можуть бути виконані шляхом додавання в схему пасивних компонентів між кінцевим каскадом посилення і антеною. Невеликі недоліки в налаштуванні антени можуть викликати появу різниці потенціалів на кінцевому каскаді посилення, нагрівання кінцевого ділянки передавальної лінії. Великий дисбаланс може викликати подачу великий різниці потенціалів назад на схему передавача, викликаючи пробою діелектрика, іскріння і вихід з ладу крайового підсилювача.
Передача інформації
Ймовірно, найбільш відомі два способи передачі інформації: частотна модуляція (ЧМ, FM) і амплітудна модуляція (АМ, AM).
частотна модуляція
При частотної модуляції інформація передаються за допомогою зміни частоти несучого коливання.
амплітудна модуляція
При амплітудної модуляції частота несучого коливання залишається постійною. Інформація передається за допомогою зміни амплітуди несучої.
дипольна антена
Проста антена, яка використовує два однакових елемента, називається диполем. Найкоротші дипольні антени працюють з коливаннями, для яких довжина антени дорівнює половині довжини хвилі, і які створюють стоячі хвилі по всій довжині антени.
Стоячі хвилі в дипольної антени
Змінюються електричні поля уздовж довжини антени створюють радіохвилі, які поширюються в напрямках від антени.
Антенна, що випромінює енергію
Антени дозволяють передавати і отримувати інформацію, впливаючи і піддаючись впливу електромагнітних полів, які пронизують всесвіт. У наступній статті ми розглянемо різні типи антен, і як вони працюють.
Зберегти або поділитися