Радиокоммуникации играют ключевую роль в современной электронике, но их теорию сложно понять начинающему любителю. Да, у нас есть общее представление: мы знаем о частотах и, вероятно, можем объяснить разницу между амплитудной и частотной модуляциями. Однако большинству из нас сложно сформулировать, как создать качественную антенну или как приёмник может настраиваться на конкретную частоту, игнорируя все остальные.
В этой статье я постараюсь изложить введение в радио без использования жаргона радиолюбителей и сложной математики. Для этого я воспользуюсь концепциями, рассмотренными в четырёх предыдущих статьях моего блога:
- Базовые концепции электронных цепей
- Электромагнитные поля и хранение энергии
- Задержки распространения сигналов и отражения сигналов
- Анализ диапазона частот при помощи дискретного преобразования Фурье и дискретного косинусного преобразования
Если вы подзабыли какие-то из этих тем, то рекомендую сначала освежить память.
▍ Давайте изготовим антенну
Если вы знакомы с основами электроники, то проще всего начать изучение антенн, представив заряженный конденсатор, растягиваемый так, что его внутреннее электрическое поле распространяется по окружающему пространству:
Электрические поля можно визуализировать, отрисовав пути гипотетических положительно заряженных частиц, расположенных по соседству. В случае нашего бывшего конденсатора мы увидели бы дугообразные линии, соединяющие пластины (строго говоря, они распространяются в обе стороны в бесконечность).
Неизменяющееся электрическое поле не особо полезно для радио, но если мы начнём перемещать заряды туда и обратно между полюсами антенны, то получим замечательный релятивистский эффект: цепочку переменных полей, распространяющуюся со скоростью света, ускользая с частью энергии, которую мы раньше всегда могли вернуть из статического поля конденсатора.
Иными словами, поприветствуйте электромагнитные волны:
Идеально ровный сигнал тоже бесполезен для коммуникаций, но мы можем закодировать информацию, слегка меняя его характеристики, например, регулируя амплитуду. И если мы так поступим, то благодаря хитрому трюку, о котором мы поговорим чуть ниже, принимающей стороне можно разделять одновременные передачи на разных частотах.
Но для начала нужно провести проверку: если мы подключим наш разобранный конденсатор к источнику сигнала, то ничего не произойдёт. Разделив пластины, мы существенно снизили электроёмкость устройства, то есть, по сути, получили разомкнутую цепь. Для перемещения достаточного количества электронов потребуется довольно высокое напряжение. Без этого движения, то есть без надёжного тока, излучаемая энергия будет ничтожной.
Самое изящное решение этой проблемы заключается в использовании полуволновой дипольной антенны: два проводника на одной оси, на которые из центра подаётся синусоидальный сигнал, а длина каждого проводника равна ¼ длины волны. Если вы забыли или не знали, преобразование из частоты (f, в герцах) в длину волны (λ) выполняется по следующей формуле:
Третье значение (c) — это скорость света за секунду в предпочтительных единицах измерения.
Полуволновой диполь имеет интересное свойство: если мы примем в расчёт задержки распространения сигнала, то увидим, что каждый пик ведущего сигнала достигает концов антенны идеально синхронно с предыдущим колебанием. Такой паттерн приводит к созданию стоячей волны с существенным размахом напряжения на дальних концах антенны. Ещё одна особенность заключается в постоянно низком напряжении (и низком импедансе) в точке возбуждения. Благодаря всем этим характеристикам антенна оказывается очень эффективной и удобной в управлении:
Все диполи, рассчитанные на нечётные кратные полуволн (3/2 λ, 5/2 λ, …), проявляют такое резонирующее поведение. Похожий резонанс также присутствует в чётных кратных (1 λ, 2 λ, …), но стоячая волна оказывается не в том месте, постоянно мешая возбуждению антенны, а не помогая ему.
Антенны с другими длинами резонируют неидеально, но могут быть достаточно близки. Слишком короткую для резонанса антенну можно улучшить подключением коллинеарного индуктора, добавляющего отставание тока. Возможно, вы видели антенны с пружинообразными секциями в основании — это называется электрическим удлинением. При этом характеристики короткой антенны будут не такими же, как у обычной, но это позволяет контролировать входное полное сопротивление.
Рассмотрев в общем полуволновые диполи, давайте вернёмся к анимации распространения поля антенны:
Обратите внимание на две мёртвые зоны вдоль оси антенны — они возникают из-за деструктивной интерференции электрических полей. Посмотрим, сможете ли сами понять причину — помните, что для прохождения по всей длине диполя сигналу нужна ровно половина цикла.
Теперь давайте подумаем, что произойдёт, если мы расположим идентичную принимающую антенну на каком-то расстоянии от передатчика. Посмотрите на приёмник A справа:
Легко увидеть, что красный диполь «плывёт» в переменных электрических полях — он «ощущает» между своими полюсами возвратно-поступательные токи на рабочей частоте передатчика. Кроме того, если длина антенны подобрана правильно, должна также возникать конструктивная интерференция индуцированных токов, что приводит к гораздо большим амплитудам сигнала.
На иллюстрации показано интуитивно понятное объяснение того, о чём я не говорил выше: что диполи длиннее ½ длины волны более направленные. Если посмотреть на приёмник B слева, то станет ясно, что даже небольшой наклон длинного диполя приводит к тому, что концы подвергаются действию противоположных электрических полей, приводя к сильному снижению или полному отсутствию суммарного тока.
Не все антенны являются диполями, но большинство работает схожим образом. Одним из небольших отличий монополя является то, что одна половина антенны заменена на подключение к земле. Более сложные формы обычно используются с целью поддержания резонанса на множественных частотах или для тонкой настройки направленности. Вы можете столкнуться и с антенными решётками — эти устройства используют паттерны конструктивной и деструктивной интерференции между сигналов с цифровым управлением для гибкой фокусировки на нужной точке.
▍ Преимущества и недостатки модуляции сигналов
В сравнении с конструкцией антенн модуляция сигнала выглядит гораздо проще. Существует амплитудная модуляция (AM), меняющая амплитуду несущего сигнала для кодирования информации; есть частотная модуляция (frequency modulation, FM), сдвигающая несущий сигнал вверх и вниз; и есть фазовая модуляция (phase modulation, PM). Также существует квадратурная амплитудная модуляция (quadrature amplitude modulation, QAM), которая надёжным образом передаёт информацию при помощи относительной амплитуды двух сигналов с фазами, смещёнными на 90°.
Как бы то ни было, после выделения несущего сигнала демодуляцию обычно выполнить довольно легко. В случае AM бывает достаточно очистить усиленную синусоиду при помощи диода, а затем пропустить её через фильтр низких частот, чтобы получить огибающую звуковой частоты. С другими модуляциями всё чуть сложнее, в FM и PM для определения сдвигов используются фазовая автоподстройка частоты, но в целом в этом нет ничего особенно сложного.
Однако в модуляции всё равно есть два тонких момента. Во-первых, частота изменения несущего сигнала должна быть гораздо меньше, чем его рабочая частота. Если модуляция слишком быстрая, то несущая волна будет уничтожена и превратится в широкополосный шум. Единственная причина работы цепей резонансных антенн и настройки радио заключается в том, что между циклами практически ничего не меняется, так что при локальном отслеживании мы имеем дело с почти идеальной синусоидой постоянной частоты.
Второй аспект заключается в том, что вся модуляция является частотной. Может показаться, что AM — это какой-то хитрый фокус с нулевой шириной полосы: в конечном итоге, мы просто меняем амплитуду синусоиды фиксированной частоты, так что может помешать нам выполнять любое количество AM-передач, разделённых на небольшую часть герца?
К сожалению, это невозможно: в посте о преобразовании Фурье мы говорили, что любое отклонение от стабильной синусоиды привносит в диапазон частот кратковременные артефакты. Масштаб артефактов пропорционален частоте изменения — AM в этом не уникальна и тоже занимает полосу частот. Проиллюстрируем это сигналом местной AM-станции. Как видно, артефакты модуляции звука распределяются на несколько кГц по обе стороны от несущей частоты:
И в самом деле, все типы модуляции сводятся к тому, что берётся низкочастотный диапазон сигналов (например, звук) и тем или иным образом перемещается в срез спектра схожего размера в окрестностях какой-то выбранной центральной частоты.
Здесь кто-то может возразить: преобразование Фурье — не единственный способ восприятия спектра частот. Только то, что мы видим гало на графике быстрого преобразования Фурье, не значит, что они на самом деле реальны. Теоретически это может быть правдой. Но дело в том, что принцип работы радиоприёмников очень напоминает преобразование Фурье…
▍ Внутри супергетеродинного приёмника
Как мы сказали чуть выше, принцип работы почти каждого радиоприёмника сводится к смешению (умножению) усиленного сигнала антенны с синусоидой выбранной частоты. Это очень похоже на то, как преобразование Фурье разделяет сложные сигналы на отдельные частотные компоненты.
В обсуждении дискретного косинусного преобразования (DCT) в одной из предыдущих статей говорилось, что если совпадающая частота присутствует во входном сигнале, то при умножении получается волна с постоянным смещением, пропорциональным величине этого частотного компонента. Для всех остальных входных частот получающиеся волны при анализе в течение достаточно долгого промежутка времени обнуляются.
Но этот временной промежуток усреднения тоже любопытен: в вышеупомянутой статье мы отметили, что итоговые составные колебания имеют более короткие периоды, если исходные частоты находятся далеко друг от друга, и более длинные, если частоты близки. Как оказывается, для DCT низкочастотный цикл всегда имеет вид |f1 — f2| и наложен поверх менее интересного высокочастотного цикла.
Это поведение может показаться загадочным, но оно естественным образом возникает из свойств синусоид. Давайте начнём с равенства сумм углов, имеющего красивое и простое доказательство на основе треугольников. Это равенство имеет следующую формулу:
Из этого можно тривиальным образом показать следующее:
Если поделить обе части пополам и перевернуть, то мы получим формулу равенства произведения двух частот синусоид и суммы косинусов при f1 — f2 и f1 + f2:
Для доказательства нам даже не нужно верить в тригонометрию. Музыкантам уже давно известно тесно связанное с этим явление: при воспроизведении двух очень схожих тонов в результате получается неожиданная медленно пульсирующая частота. Вот демонстрация пульсации в 5 Гц, создаваемая сочетанием 400 Гц и 405 Гц:
Впрочем, вернёмся к радио: из этого следует, что если нам нужно получать передачи, центрированные относительно 10 МГц, то проще всего будет смешать входной радиосигнал с синусоидой на 10 МГц. Согласно нашим формулам, это должно понизить частоту 10,01 МГц до пульсации в 10 кГц (с дополнительным компонентом 20,01 МГц), превратить 10,02 МГц в 20 кГц (+ 20,02 МГц) и так далее. После завершения смешения на выходе применяется фильтр низких частот, сохраняющий только низкие частоты, составляющие схему модуляции, и избавляющий от всего ненужного, в том числе от нежелательных компонентов f1 + f2. Недостаток этой методики становится очевидным, если вспомнить, что на выходе частоты пульсации проявляют симметрию относительно 0 Гц. В вышеупомянутом примере входной компонент 9,99 МГц создаёт зеркальный сигнал на 10 кГц — именно там, где должны были оказаться 10,01 МГц. Чтобы избежать этого отзеркаливания, приёмники смешивают радиочастотный входной сигнал с частотой ниже, чем интересующий нас сигнал, сдвигая его на постоянную ненулевую промежуточную частоту (fif), а затем применяют полосовой фильтр для извлечения соответствующих частей.
В такой схеме, придуманной Эдвином Армстронгом примерно в 1919 и названной супергетеродином, по-прежнему присутствует неотъемлемое отзеркаливание, но точка симметрии может быть размещена очень далеко. Благодаря этому трюку становится проще управлять случайным отзеркаливанием ненужных нам передач, например, спроектировав антенну так, чтобы она имела узкую частотную характеристику и вообще не принимала мешающие сигналы, или разместив перед смесителем фильтр низких радиочастот. Поведение супергетеродинов иногда принимается во внимание и при выделении спектра радиочастот.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
Комментарии (49)
Jury_78
01.04.2024 13:17+2получим формулу равенства произведения двух частот синусоид
Чтоб это работало в приемнике должен быть элемент выполняющий эту операцию - смеситель, а у вас ни слова об этом.
Serge78rus
01.04.2024 13:17+4Более неудачного и непонятного описания принципа работы супергетеродинного приемника, чем в этой статье, я еще не встречал. Пример с "музыкантами":
Музыкантам уже давно известно тесно связанное с этим явление: при
воспроизведении двух очень схожих тонов в результате получается
неожиданная медленно пульсирующая частота.вообще "не в тему": биения, получаемые при сложении двух синусоид (как в случае с "музыкантами") и новые частоты, получаемые при перемножении синусоид (как в случае преобразователя частоты супергетеродина) - по сути абсолютно разные вещи.
Serge78rus
01.04.2024 13:17+4Попытка объяснить "на пальцах" принцип работы полуволнового вибратора путем мысленного "разворачивания" обкладок конденсатора крайне неудачная - Вы оперируете только электрической компонентой электромагнитного поля полностью игнорируя магнитную, а они друг без друга "не работают".
Гораздо более адекватное объяснение "на пальцах" работы полуволнового вибратора получается, если "разворачивать" проводники четвертьволнового отрезка симметричной длинной линии. Правда, для этого предварительно придется объяснить работу этой самой длинной линии :) А именно: картину электрического и магнитного полей в линии, почему вход разомкнутого четвертьволнового отрезка эквивалентен короткому замыканию, и т.д.
В общем, без понимания основ теории электромагнитного поля и, увы, совсем без формул, обойтись не удастся. Все попытки совсем упрощенного объяснения "на пальцах" приводят к созданию ложной картины мира у "вновь посвященных", что в последствии приводит к слепой вере в массу "еретических" легенд относительно антенн, в изобилии гуляющих по интернету.
AndronNSK
01.04.2024 13:17+2Помню, когда был курс радио физики и какой-то похожий продвинутый курс, там любая тема начиналась с "все исходит из уравнения Максвелла". А потом накручивались дивергенции ротора, градиенты, и прочая магия.
Так что ответ на вопрос из заголовка должен быть: "по уравнению Максвелла".))))
j_aleks
01.04.2024 13:17А если мы а если вообще не в ту сторону смотрим, а если рассмотреть не ЭЛЕКТРОмагнитные волны, а МАГНИТОэлектрические, предположим что эффект "ЭЛЕКТРО" в них есть суть паразитный эффект.
Кто нибудь пробовал пересчитать теорию на этот манер, а то открылись бы занятные перспективы, как то нормальная подводная связь например...
checkpoint
01.04.2024 13:17Ничего пересчитывать не надо. Антенны бывают с явно выраженными электрическими и явно выраженными магнитными свойствами. То, о чем Вы говорите это магнитная антенна - ферритовый сердечник с намотанной проволокой, часто использовалась в радиоприемниках ДВ, СВ и КВ диапазонов в средине-конце прошлого века.
Дистилированная вода, кстати, является отличным диэлектриком (E=80) и поэтому хорошо проводит ЭМ волны. Проблема с речной (питьевой) и морской водой - из-за примеси солей она становится электролитом, ЭМ волна в такой среде бытро затухает.
Serge78rus
01.04.2024 13:17Дистилированная вода, кстати, является отличным диэлектриком (E=80) и поэтому хорошо проводит ЭМ волны.
Дистиллированная вода является отличным диэлектриком на постоянном токе. На ВЧ понятие "хороший диэлектрик" подразумевает не только высокое объемное сопротивление, но и низкий тангенс угла диэлектрических потерь. А вот с этим у воды все не так хорошо: полярные свойства молекул воды, за счет которых и получается столь высокая диэлектрическая проницаемость, также обуславливают и довольно высокие потери. Кстати, и величина диэлектрической проницаемости воды порядка 80 справедлива лишь для постоянного тока и НЧ, а по мере роста частоты падает.
Поэтому с заверением, что дистиллированная вода хорошо проводит ЭМ волны, Вы несколько погорячились - да, проводит, но потери при этом значительны, поэтому "хорошо" здесь как то не очень уместно.
checkpoint
01.04.2024 13:17Согласно табличным данным, у дистилированой воды E=80 при частотах до 3 ГГц и t=20C. Недавно с этим пришлось столкнуться.
j_aleks
01.04.2024 13:17ну что-ж, не так давно проскочила публикация некой научной "вражеской" группы, суть в том, что, согласно "забубенному" молекулярному анализу воды были расчитаны частоты "прозрачности" , затем сваяли тестовый стенд, помнится труба несколько метров, с одной стороны "светили" с другой ловили, соответсвенно залили водой, теоретические изыскания подтвердились, даже графики с замерами напечатали, приличные децибелы случились, средняя частота 100 +- Гигагерц... дома накухонном столе не потренеруешся, правда висело в сети это недолго...
Позже, из абсолютно другого источника, всплыла информация, что некоей DARPA был сделан заказ на мобилные средства связи на частотный диапазон 100+- гигагерц... Забавно, не так ли...
Далее, по поводу проницаемости морской или пресной воды и математических изысканях... Да , эм волна не проникает в пучину вод. Но тупой детский вопрос-предложение, предположим, для ровного счета, компас на глубине -1км. в пучине вод работает?.... т.е. магнитному полю пофигу... А если за это поле "подергать", то может связь организовать можно... Это так, к размышлению о несовершенстве наших представлений про этот мир...
Jury_78
01.04.2024 13:17+2т.е. магнитному полю пофигу...
Если скорость изменения близка к нулю, если нет то уже не пофиг. :)
Есть другое предложение связь на нейтрино - вот кому все пофиг. ;)
engine9
01.04.2024 13:17Я конечно не специалист, но (c) Переменное электромагнитное поле существует именно как неразрывно связанное. Электрическая и магнитная составляющие порождают сами себя и получается что-то вроде колебательного контура без физических частей. Если энергия этого колебания будет тратиться на движение заряженных частиц (ионов) то оно будет затухать и уходить в тепло.
А постоянное магнитное поле понятное дело, что проникает в толщу воды, оно самой планетой генерируется.
Поправьте если я ошибся, мне самому интересно верно ли я понимаю матчасть.
klounader
01.04.2024 13:17У магнитных антенн проникающая способность всё же выше, чем у обычных электрических. Если проводник, равный длине волны свернуть в круг или прямоугольник, сделав его короткозамкнутым по сути, то у него появится отличная магнитная составляющая и бонусом - ярко выраженные направленные свойства, а заодно и мощный энергетический потенциал около антенны, позволяющий лучше отражаться от близко находящихся препятствий.
А вообще, у Тимура Гаранина есть полно ликбезов по различным антеннам, школьники пищат от его подачи.
j_aleks
01.04.2024 13:17это по бытовому из разряда, что вперед курица или яйцо, что генерирует что, или одно есть паразитное свойство при изменении другого, насколько я помню существовало (существует) несколько вариантов представления полей Максвеловское и еще чьито, я уже все забыл (каюсь), можно представить, что при изменениии магнитного поля происходит генерация электрополя, которое в свою очередь поглощается веществом, НО что есть понятие "измерение" и какое "изменение" обязательно генерирует электрополя, амплитудное, векторное, фазовое... Максвеловкая теория весьма обширная, и к сожалению, в мою голову уже не лезет (старая больная обезьяна)... Если Вам хватает здоровья и упорности, дерзайте... Быд один неоднозначный товарищь, с весьма занятной репутацией, упирающий как раз на Максвеловскую теорию, народ с классическим образованием утверждает что его идеи бредовые, возможно, но блин его тестовая пищалка на 400 Мгц, с глубины -40м ловилась... Я не проверял, но все же все-же...
MasterIT75
01.04.2024 13:17День добрый. Хотелось бы узнать Ваше мнение по поводу систем связи с шумоподобными сигналами.
nikolz
01.04.2024 13:17+3Объяснение антенны через конденсатор как минимум не полно, как максимум ошибочно. Поясняю. Когда Вы разводите обкладки конденсатора, то у вас между обкладками существуют электростатические силовые линии. Но радиосвязь - это электромагнитное поле. Т е для передачи по радио должна в вашем повествовании появиться индуктивность. В итоге конденсатор будет накапливать заряд электричества, а индуктивность -накапливать магнитную индукцию. А вместе они создадут колебательный контур, который и будет излучать электромагнитные волны.
Jury_78
01.04.2024 13:17Когда Вы разводите обкладки конденсатора, то у вас между обкладками существуют электростатические силовые линии. Но радиосвязь - это электромагнитное поле. Т е для передачи по радио должна в вашем повествовании появиться индуктивность.
Ваше представление как минимум не полно, как максимум ошибочно. Если кратко, чтоб создать ЭМ поле достаточно переменного магнитного или электрического поля - см. ур. Максвелла.
nikolz
01.04.2024 13:17Вы где в уравнении Максвелла нашли, что антенна создается из конденсатора? см. уравнение Максвелла и уравнение Лоренца.
Для справки:
уравнения Максвелла не составляют ещё полной системы уравнений электромагнитного поля, поскольку они не содержат свойств среды, в которой возбуждено электромагнитное поле.
Jury_78
01.04.2024 13:17Вы где в уравнении Максвелла нашли, что антенна создается из конденсатора?
Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле
Для справки:
Начните с рассмотрения ЭМ поля в вакууме.
nikolz
01.04.2024 13:17Мне это не надо. Если Вы хотите что-то доказать, то докажите. Если доказывать не желаете, то в чем смысл такой дискуссии. Вы можете делать антенну и из конденсатора, а я добавляю еще и индуктивность. У меня все работает.
-------------------------
Для справки. Попробуйте спаять антенну и сделать передатчик без индуктивностей. Лишь по уравнению Максвелла.
Jury_78
01.04.2024 13:17+2Мне это не надо. Если Вы хотите что-то доказать, то докажите.
Я не знаю, тогда что вам надо? Других уравнений у меня для вас нет.
У меня все работает.
И у меня работает с конденсатором и у вас, даже если вы это отрицаете.
Попробуйте спаять антенну и сделать передатчик без индуктивностей.
Не надо путать принцип возникновения ЭМ волны и конкретное тех.устройство. ЭМ волну и молния создает без всяких колебательных контуров.
nikolz
01.04.2024 13:17Придумал вот такое объяснение как сделать антенну из конденсатора.
Сначала мы разворачиваем пластины. Потом удлиняем эти пластины до полуволны. При этом эти полуволновые отрезки становятся индуктивностью. В результате получается последовательный контур, что и требовалось получить.
Эквивалентная схема диполя.Эквивалентной схемой диполя, как известно, является последовательный контур. 
nv13
01.04.2024 13:17Эквивалентная схема не имеет никакого отношения к физическим основам излучения радиоволн. Просто снаружи и то и другое описывается похожими уравнениями.
nv13
01.04.2024 13:17В случае AM бывает достаточно очистить усиленную синусоиду при помощи диода
Ну вот так точно нельзя. Вы же ссылаетесь на преобразование Фурье и представление в частотной области? Почему бы детектирование и гетерогенирование не объяснять через свёртку в частотной области а не через мутноватые формулы с косинусами? Там и картинки будут понятней, и модулятор-демодулятор обретёт физический смысл
nikolz
01.04.2024 13:17+1Вот тут пожалуй лучше написано про антенны:
Prohard
01.04.2024 13:17Насчет антенн вам следовало начать с Генриха Герца - почему он сделал именно так , а не иначе?
nikolz
А как Вы объясните штыревую антенну у рации с батарейным питанием (вариант конденсатора не работает, вариант земли не работает и высокого напряжения нет)?
Jury_78
От ёмкости не так просто избавится.
Serge78rus
Когда говорят об антеннах, то под землей не обязательно подразумевается штырь, забитый в землю. В качестве земли может выступать любая подстилающая проводящая и достаточно протяженная поверхность, вовсе не обязательно гальванически связанная с землей. Так же вместо земли может использоваться противовес - кусок проводника, противоположно направленный штырю антенны (или "куст" из нескольких проводников).
В случае носимой рации роль противовеса (или "земли") выполняет корпус рации, если он металлический, или все проводящие "потроха" рации, в случае диэлектрического корпуса.
nikolz
А если радиостанция - это чип 3x3 мм и батарейка CR2032. Это тоже аналог земли? Полагаю, что у Вас изначально неверно объяснена антенна. Правило "буравчика" помните?
----------------
и еще..
антенна излучила, а дальше энергия от нее летит ка пуля из ружья на сотни метров (километров)? А как же в космосе? А как же свет и излучения радиодиапазона от Солнца?
Serge78rus
Если размер этого чипа и батарейки соизмеримы с четвертью длины волны, то да. Если много меньше, то штыревая антенна работать не будет (точнее будет, но очень не эффективно). Придется делать не штырь, а вибратор.
Разве я объяснял принципы работы антенны? Я бы не взялся это делать в комментарии (да и в полноразмерной статье не взялся бы)
Помню:) Правда уже не помню, сколько десятилетий назад им пользовался. А вот в контексте объяснения "на пальцах" принципа работы антенны оно точно не нужно - какая принципиальная разница, в каком из двух направлений будут простираться линии напряженности магнитного поля, порождаемого током в проводнике?
В отличие от пули, электромагнитная волна расширяется по мере распространения в пространстве в пределах телесного угла ДН антенны. По мере расширения плотность энергии волны уменьшается пропорционально квадрату расстояния (если пренебречь затуханием в среде). "сотни метров (километров)", на котором Вам удастся принять сигнал зависят от мощности передатчика, чувствительности приемника и уровня помех.
А что не так с космосом? Там условный вакуум, затухание почти отсутствует.
А что не так со светом? Это точно такие же электромагнитные волны. Только, когда переносите понятия с радиоволн на свет и обратно, не забывайте учитывать гигантскую разницу в длине волны (многие, увы, забывают и пытаются применительно к элементам антенны размером, соизмеримом с длинной волны, оперировать понятиями геометрической оптики, откуда получаются всякие "экраны", полностью подавляющие излучение в задней полусфере и прочая ересь).
kbtsiberkin
Самый значимый аналог земли для носимого радио - это рука и тело оператора! Даже при проверке портативных антенн на анализаторе без касания его корпуса рукой получается откровенная фигня в измерениях, тогда как при касании резонансы встают на нужные места.
nikolz
Правило "буравчика" не предполагает ни конденсаторов ни земли, а электромагнитное поле вокруг проводника создается и излучается этим проводником даже в космосе.
--------------------------
В детстве делал передатчики на средние волны. Антенной была батарея центрального отопления. И работало.
Jury_78
Чтоб работало правило необходим ток. Чтоб протекал ток цепь должнf быть замкнута.
nikolz
а как же конденсатор в цепи переменного тока?
Цепь не замкнута, а ток есть?
Jury_78
Конденсатор это не разрыв для переменного тока. См. ток смещения в ур. Максвелла.
nikolz
Вы ошибаетесь. Электрическая цепь разрывается конденсатором. При переменном токе конденсатор работает либо как аккумулятор , либо как генератор тока. Но разрыв электрической цепи никуда не девается. Более того, есть еще и радиосвязь, при которой цепи передатчика и приемника на разных сторонах электрически изолированы.
Jury_78
Это не я ошибаюсь, а Максвелл :)
У вас еще и закон сохранения энергии нарушается?
И что, чему это противоречит?
nikolz
Ну и как у Вас уравнение Максвелла доказывают, что конденсатор закорачивает разрыв на переменном токе?
Вы прикалываетесь? Каким образом нарушается закон сохранения энергии?
Вы уж не только лозунги вывешивайте, но и объясните их.
Jury_78
Уравнение показывает, что в цепи с конденсатором течет ток, и переносится энергия. Этого недостаточно?
Я не знаю зачем вы так обозвали конденсатор. Конденсатор не может работать ни аккумулятором ни источником тока в нем нет энергии. Вы можете зарядить конденсатор, потратив энергию, тогда из него энергию можно получить. Но он не станет аккумулятором или источником тока это совсем другие устройства.
nikolz
Поясняю для вас как работает конденсатор.
В начальный момент в нем нет энергии. При включении цепи, конденсатор начинает заряжаться,т е накапливает энергию (заряд). и работает как накопитель (аккумулятор) энергии.
Когда полярность напряжения меняется, то конденсатор начинает разряжаться, т е отдавать энергию в цепь. таким образом при воздействии знакопеременного напряжения конденсатор либо заряжается, либо разряжается. Закон сохранения энергии при этом соблюдается. Откуда Вы взяли, что этот закон нарушается?
Jury_78
Против такого объяснения возражений нет. Лишних сущностей только не надо.
Lordbl4
всё гораздо проще
OldFashionedEngineer
Есть мнение, что первично распространение магнитного поля. А что является его переносчиком - частный случай. Можно направлять поле, заставляя перемещаться электроны в проводнике. А можно и по другому. В конденсаторе используется барьер из диэлектрика. Диэлектрик, в отличии от изолятора, может поляризоваться под действием приложенной к его противоположным сторонам разности потенциалов. Именно токи поляризации переносят энергию, создавая движение поля. Вроде так получается
checkpoint
Статья явно недописана и брошена на пол пути. Нет ни слова про согласование, про переданную и отраженную мощность и их соотношение (КСВ), про диаграмму направленности. Автор вскользь упомнянул про мертвые зоны у диподя и на этом остановился. Все это в радиосвязи как закон Ома для электрика. :)
Про портативные радиостанции. Есть такое понятие как "ground plane" или "виртуальная земля" - это противовес для вибратора (для штыря антенны) или "вторая обкладка антенного конденсатора". В качестве GP может выступать как печатная плата радиостанции или оплётка фидера, так и её корпус, и даже человек держащий её в руке. GP может работать как самостоятельно, так и иметь емкостную связь с человеком (оператором) и с настоящей Землей. Отсюда есть ряд интересных моментов:
Когда оператор берет в руки портативную радиостанцию он увеличивает емкостную связь и это улучает характеристики приема, но тут же изменяет диаграмму направленности - она становится повернутой в противоположную сторону от того, куда смотрит оператор. Что бы понять это, нарисуйте на листе бумаги человека в качестве одной обкладки конденсатора и радистанцию, которую он держит в руке - в качестве другой. Между ними нарисуйти линии электрического поля. Часть линий замыкается, а часть выходит из обкладок и удаляется в окружающее пространство. Прикинте куда будет направлен градиент этого поля.
Земля оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на распространение ЭМ волны. Физически заземленная радиостанция работает лучше (больше дальность, выше чувствительность). Но недостаточно высоко подвешенный вибратор будет малоэффективен, так как всё создаваемое поле межу обкладками "антенного конденсатора" будет тут же уходить в землю и возвращаться в систему питания радиостанции. Поэтому, портативные радиостанции, при работет непосредственно у поверхности земли (1-2 метра) показыват очень плохую дальность свзязи даже в прямой видимости. Но если вибратор поднять над поверхностью земли на 3-5 метров то дальность связи увеличится в разы. В этом случае говорят, что Земля обладает экранирующим эффектом.
Штыревые антенны, которые представляют из себя четвертьволновой монополь, как правило настроеные на заводе на использование GP - корпуса, фидера или печатной платы радиостанции. Если такую антенну отсосединить и начать её испытывать на приборах, то она будет показывать совершенно другие характеристики, так как отсутствует GP с которой она настроена в резонанс. В этом слысле, любое тестироване штыревых антенн без понимания происходящего, обречено на провал.
На Ютубе много видеороликов (особенно сейчас с фронта), где непонимающие в радиосвязи люди пытаются тестировать и _настраивать_ штыревые антенны подключая их к анализаторам спектра или КСВ-метрам напрямуя без создания эквивалентной GP, а потом беруться доказывать и рассуждать о качестве той или иной антенны. Надо понимать, что антенна это комплексное являние включающее в себя систему из вибратора, фидера, самой радиостанции, её оператора и окружающей местности. КСВ у антенны в непосредственной близости у земли и на высоте 5 м будут разными и резонансы будут в разных точках.
Это вкратце. Автору пожелаю сил и ресурсов для того, чтобы дописать статью.
Iustinianus
Как говорил начальник отдела по разработке антенн, люди делятся на три типа:
Неантеннщики: это все мы, кто разрабатывали передатчик и приемник.
Антеннщики: это его подчиненные.
Великие антеннщики: это те из неантеннщиков, кто лезет в теорию антенн и даёт советы по их проектированию и измерениям.