Радиационная стойкость - Radiation resistance

Радиационная стойкость это часть антенна точка питания электрическое сопротивление что вызвано излучением электромагнитные волны от антенны.^[1] В радиопередаче радиопередатчик подключен к антенне. Передатчик генерирует радиочастота переменный ток который подается на антенну, и антенна излучает энергию переменного тока как радиоволны. Поскольку антенна поглощает энергию, излучаемую передатчиком, входные клеммы антенны представляют собой сопротивление току передатчика. В отличие от других сопротивлений в электрических цепях, сопротивление излучения не связано с противодействием (удельное сопротивление ) материала антенных проводников к электрическому току; это виртуальное сопротивление из-за потери антенной энергии в виде радиоволн.^[2]^[1] Радиационная стойкость ${ displaystyle R _ { text {R}}}$ может быть определено как значение сопротивления, которое рассеивает такое же количество энергии, как и радиоволны, излучаемые антенной при проходящем через нее входном токе антенны.^[3]^[2]^[4] Из Закон Джоуля, она равна полной мощности ${ displaystyle P _ { text {R}}}$ излучается антенной в виде радиоволн, разделенной на квадрат среднеквадратичное значение Текущий ${ displaystyle I _ { text {rms}}}$ в антенные клеммы:^[4] ${ displaystyle R _ { text {R}} = P _ { text {R}} / I _ { text {rms}} ^ {2}}$ .^[5]

Радиационная стойкость определяется геометрией антенны и рабочим режимом. частота.^[6] Общее сопротивление в точке питания на выводах антенны равно сопротивлению излучения плюс сопротивление потерь из-за омических потерь в антенне. В приемной антенне сопротивление излучения представляет собой сопротивление источника антенны, а часть принятой радиомощности, потребляемой радиационным сопротивлением, представляет собой радиоволны, переизлученные (рассеянные) антенной.^[7]^[8]

Причина

Электромагнитные волны излучаются электрические заряды когда они ускоренный.^[1]^[9] В передающей антенне радиоволны генерируются изменяющимся во времени электрические токи, состоящий из электроны ускоряются, поскольку они текут вперед и назад в металлической антенне, управляемой электрическое поле из-за колебательного напряжения, приложенного к антенне радиопередатчик.^[10]^[6] Электромагнитная волна несет импульс от электрона, который его испустил. Причина радиационной стойкости - радиационная реакция, то сила отдачи на электрон, когда он излучает радиоволны фотон, что снижает ее импульс.^[11]^[12]^[1] Это называется Сила Абрахама – Лоренца. Сила отдачи находится в направлении, противоположном электрическое поле в антенне, ускоряющей электрон, уменьшая среднюю скорость электронов для данного управляющего напряжения, поэтому она действует как сопротивление, противодействующее току.

Радиационная стойкость и сопротивление потерь

Сопротивление излучения - это только часть сопротивления точки питания на выводах антенны. Антенна имеет другие потери энергии, которые проявляются как дополнительное сопротивление на выводах антенны; омическое сопротивление металлических элементов антенны, потерь на землю от токов, наводимых в земле, и диэлектрические потери в изоляционный материалы. Общее сопротивление точки питания ${ displaystyle R _ { text {IN}}}$ равна сумме радиационной стойкости ${ displaystyle R _ { text {R}}}$ и сопротивление потерь ${ displaystyle R _ { text {L}}}$

{ displaystyle R _ { text {IN}} = R _ { text {R}} + R _ { text {L}}}

Сила ${ displaystyle P _ { text {IN}}}$ подаваемый на антенну делится пропорционально между этими двумя сопротивлениями.^[2]^[13]

{ displaystyle P _ { text {IN}} = I _ { text {IN}} ^ {2} (R _ { text {R}} + R _ { text {L}})}

{ displaystyle P _ { text {IN}} = P _ { text {R}} + P _ { text {L}}}

куда

{ displaystyle P _ { text {R}} = I _ { text {IN}} ^ {2} R _ { text {R}} quad}

и

{ displaystyle quad P _ { text {L}} = I _ { text {IN}} ^ {2} R _ { text {L}}}

Сила ${ displaystyle P _ { text {R}}}$ потребляемая радиационная стойкость преобразуется в радиоволны, желаемая функция антенны, в то время как мощность ${ displaystyle P _ { text {L}}}$ потребляемое сопротивлением потерь преобразуется в тепло, что представляет собой потерю мощности передатчика.^[2] Поэтому для минимальных потерь мощности желательно, чтобы сопротивление излучения было намного больше сопротивления потерь. Отношение радиационной стойкости к общему сопротивлению точки питания равно эффективность ${ displaystyle eta}$ антенны.

{ displaystyle eta = {P _ { text {R}} over P _ { text {IN}}} = {R _ { text {R}} over R _ { text {R}} + R _ { текст {L}}}}

Для передачи максимальной мощности на антенну передатчик и фидер должны быть согласованный импеданс к антенне. Это означает, что фидер должен предоставлять антенне сопротивление, равное входному сопротивлению. ${ displaystyle R _ { text {IN}}}$ и реактивное сопротивление (емкость или индуктивность) равняется противоположному реактивному сопротивлению антенны. Если эти импедансы не совпадают, антенна будет отражать часть мощности обратно к передатчику, поэтому не вся мощность будет излучаться. Сопротивление излучения антенны обычно является основной частью ее входного сопротивления, поэтому оно определяет, какое согласование импеданса необходимо и какие типы линия передачи хорошо бы подошли к антенне.

Влияние точки питания

В резонансный антенна, форма тока и напряжения стоячие волны по длине антенного элемента, поэтому величина тока в антенне изменяется синусоидально по ее длине. В точка питания, место, где линия подачи от передатчика крепится, может располагаться в разных точках вдоль антенного элемента. Поскольку радиационная стойкость зависит от входного тока, она зависит от точки питания.^[14] Он самый низкий для точек питания, расположенных в точке максимального тока ( пучность ), и самое высокое для точек питания, расположенных в точке минимального тока, a узел, например, на конце элемента (теоретически в бесконечно тонком антенном элементе сопротивление излучения бесконечно в узле, но конечная толщина реальных антенных элементов дает ему высокое, но конечное значение, порядка тысяч Ом ).^[15] Выбор точки питания иногда используется как удобный способ согласование импеданса антенну к своей фидерной линии, подключив фидер к антенне в точке, в которой ее входное сопротивление равно характеристическое сопротивление линии подачи.

Чтобы дать значимое значение для эффективности антенны, сопротивление излучения и сопротивление потерь должны относиться к одной и той же точке на антенне, обычно к входным клеммам.^[16]^[17] Радиационная стойкость обычно рассчитывается относительно максимального тока ${ displaystyle I _ { text {0}}}$ в антенне.^[14] Если антенна питается от точки максимального тока, как в обычном центральном питании полуволновой диполь или четвертьволновые с базовым питанием монополь, это значение ${ displaystyle R _ { text {R0}}}$ - радиационная стойкость. Однако, если антенна питается в другой точке, эквивалентное сопротивление излучения в этой точке ${ displaystyle R _ { text {R1}}}$ легко вычисляется из отношения антенных токов^[15]^[17]

{ displaystyle P _ { text {R}} = I _ { text {0}} ^ {2} R _ { text {R0}} = I _ { text {1}} ^ {2} R _ { text { R1}}}

{ displaystyle R _ { text {R1}} = { Big (} {I _ { text {0}} over I _ { text {1}}} { Big)} ^ {2} R _ { text {R0}}}

Приемные антенны

В приемной антенне сопротивление излучения представляет собой сопротивление источника антенны как (Эквивалент Тевенина ) источник питания. Из-за электромагнитная взаимность антенна при приеме радиоволн имеет такое же сопротивление излучению, как и при передаче. Если антенна подключена к электрической нагрузке, например, радиоприемник, мощность, полученная от радиоволн, падающих на антенну, делится пропорционально между сопротивлением излучения и сопротивлением потерь антенны и сопротивлением нагрузки.^[7]^[8] Мощность, рассеиваемая в сопротивлении излучения, возникает из-за переизлучения (рассеяния) антенной радиоволн.^[7]^[8] Максимальная мощность передается на приемник, когда его сопротивление согласовано с антенной. Если антенна работает без потерь, половина мощности, потребляемой антенной, передается приемнику, другая половина переизлучается.^[7]^[8]

Радиационная стойкость обычных антенн


Антенна	Радиационная стойкость Ом	Источник
Полуволновой диполь с центральным питанием	73.1^[18]	Краус 1988:227,Баланис 2005:216
Короткий диполь длины ${ displaystyle lambda / 50$	${ displaystyle 20 pi ^ {2} { Big (} {L over lambda} { Big)} ^ {2}}$	Краус 1988:216, Баланис 2005:165,215
Четвертьволновой монополь с питанием от базы по идеально проводящей земле	36.5	Баланис 2005:217, Штутцман и Тиле 2012:80
Короткий монополь длины ${ Displaystyle L ll lambda / 4}$ по идеально проводящей земле	${ displaystyle 40 pi ^ {2} { Big (} {L over lambda} { Big)} ^ {2}}$	Штутцман и Тиле 2012:78–80
Резонансная рамочная антенна, 1 шт. ${ displaystyle lambda}$ длина окружности	~100	Уэстон 2017:15, Шмитт 2002:236
Малая петля площади ${ displaystyle A}$ с ${ displaystyle N}$ повороты (длина окружности ${ Displaystyle ll lambda / 3}$ )	${ displaystyle 320 pi ^ {4} { Big (} {NA over lambda ^ {2}} { Big)} ^ {2}}$	Краус 1988:251, Баланис 2005:238
Малая петля площади ${ displaystyle A}$ с ${ displaystyle N}$ повороты на ферритовом сердечнике с эффективной относительной проницаемостью ${ displaystyle mu _ { text {eff}}}$	${ displaystyle 320 pi ^ {4} { Big (} { mu _ { text {eff}} NA over lambda ^ {2}} { Big)} ^ {2}}$	Краус 1988:259, Миллиган 2005:260

На рисунках выше предполагается, что антенна сделана из тонких проводников и что дипольные антенны находятся достаточно далеко от земли или заземленных конструкций.

В полуволновой диполь радиационное сопротивление 73 Ом достаточно близко к характеристическое сопротивление обычных 50 и 75 Ом коаксиальный кабель что его обычно можно кормить напрямую, без необходимости согласование импеданса сеть. Это одна из причин широкого использования полуволнового диполя в качестве ведомый элемент в антеннах.^[19]

Связь монополей и диполей

Сопротивление излучения монопольной антенны, создаваемое заменой одной стороны дипольной антенны перпендикулярной заземляющей поверхностью, составляет половину сопротивления исходной дипольной антенны. Это связано с тем, что монополь излучает только половину пространства, пространства над плоскостью, поэтому диаграмма направленности идентична половине диаграммы направленности диполя и, следовательно, при том же входном токе он излучает только половину мощности.^[20] Это не очевидно из формул в таблице, поскольку производная несимметричная антенна составляет только половину длины исходной дипольной антенны. Это можно показать, рассчитав радиационную стойкость короткого монополя, равного половине длины диполя.

{ Displaystyle R _ { текст {R}} = 40 pi ^ {2} { Big (} {L / 2 over lambda} { Big)} ^ {2} = 10 pi ^ {2} { Big (} {L over lambda} { Big)} ^ {2} qquad}

(монополь длины L / 2)

Сравнение этого с формулой для короткого диполя показывает, что монополь имеет половину радиационного сопротивления.

{ Displaystyle R _ { текст {R}} = 20 pi ^ {2} { Big (} {L over lambda} { Big)} ^ {2} qquad qquad qquad}

(диполь длины L)

Расчет

Расчет радиационной стойкости антенны непосредственно по силе реакции на электроны очень сложен и представляет концептуальные трудности при учете сила электрона.^[1] Вместо этого радиационная стойкость рассчитывается путем вычисления дальняя зона диаграмма направленности антенны, поток мощности (Вектор Пойнтинга ) под каждым углом для заданного тока антенны.^[21] Он встроен в сферу, охватывающую антенну, чтобы дать общую мощность ${ displaystyle P _ { text {R}}}$ излучается антенной. Тогда радиационная стойкость рассчитывается по мощности по формуле сохранение энергии, в качестве сопротивления, которое антенна должна представить входному току, чтобы поглотить излучаемую мощность от передатчика, используя Закон Джоуля ${ displaystyle R _ { text {R}} = P _ { text {R}} / I _ { text {rms}} ^ {2}}$ ^[5]

Маленькие антенны

Электрически короткие антенны, антенны длиной намного меньше длина волны, делают передающие антенны плохого качества, так как они не могут эффективно питаться из-за их низкой радиационной стойкости. Как видно из приведенной выше таблицы, для антенн короче их основной резонансной длины ( ${ displaystyle lambda / 2}$ для дипольной антенны, ${ displaystyle lambda / 4}$ для монополя окружность ${ displaystyle lambda}$ для петли) радиационное сопротивление уменьшается пропорционально квадрату их длины.^[22] По мере уменьшения длины сопротивление потерь, которое последовательно с сопротивлением излучения, составляет большую часть сопротивления точки питания, поэтому оно потребляет большую часть мощности передатчика, вызывая снижение эффективности антенны.

Например, военно-морские силы используют радиоволны около 15-30 кГц в очень низкая частота (VLF) диапазон для связи с подводными лодками. Радиоволна 15 кГц имеет длину волны 20 км. Мощные морские береговые передатчики СНЧ, передающие на подводные лодки, используют большие монополь мачтовые антенны, высота которых ограничена стоимостью строительства, до 300 метров (980 футов). Хотя по обычным стандартам это высокие антенны, на частоте 15 кГц это все равно всего около 0,015 длины волны, поэтому VLF-антенны электрически короткие. Из таблицы .015 ${ displaystyle lambda}$ несимметричная антенна имеет сопротивление излучения около 0,09 Ом. Снизить сопротивление потерь антенны до этого уровня крайне сложно. Поскольку омическое сопротивление огромного наземная система и загрузочная катушка не может быть меньше примерно 0,5 Ом, эффективность простой вертикальной антенны ниже 20%, поэтому более 80% мощности передатчика теряется в сопротивлении заземления. Для увеличения радиационной стойкости в ОНЧ передатчиках используются огромные емкостные антенны с верхней загрузкой, такие как зонтичные антенны и плоские антенны, в котором воздушная сеть из горизонтальных проводов прикреплена к верхней части вертикального излучателя, чтобы соединить «пластину конденсатора» с землей и увеличить ток в вертикальном излучателе. Однако это может повысить эффективность максимум до 50-70%.

Небольшие приемные антенны, например ферритовые рамочные антенны используемые в радиоприемниках AM, также имеют низкую радиационную стойкость и, следовательно, имеют очень низкую мощность. Однако на частотах ниже 30 МГц это не проблема, так как слабый сигнал от антенны можно просто усилить в приемнике.

На частотах ниже 1 МГц размер обычного электрические схемы настолько меньше длины волны, что, если рассматривать их как антенны, они излучают незначительную часть мощности в виде радиоволн. Это объясняет, почему электрические цепи можно использовать с переменным током без потери энергии в виде радиоволн.

Определение переменных

Символ	Единица измерения	Определение
${ displaystyle lambda}$	метр	Длина волны радиоволн
${ displaystyle pi}$	никто	Константа = 3,14159
${ displaystyle mu _ { text {eff}}}$	никто	Эффективный относительная проницаемость ферритового стержня в антенне
${ displaystyle A}$	метр²	Площадь поперечного сечения рамочной антенны
${ displaystyle f}$	герц	Частота радиоволн
${ displaystyle I _ { text {IN}}}$	ампер	Среднеквадратичный ток на антенных выводах
${ displaystyle I _ { text {0}}}$	ампер	Максимальный среднеквадратичный ток в антенном элементе
${ displaystyle I _ { text {1}}}$	ампер	Среднеквадратичный ток в произвольной точке антенного элемента
${ displaystyle L}$	метр	Длина антенны
${ displaystyle N}$	никто	Количество витков провода в рамочной антенне
${ displaystyle P _ { text {IN}}}$	ватт	Электроэнергия, подаваемая на антенные терминалы
${ displaystyle P _ { text {R}}}$	ватт	Мощность, излучаемая антенной в виде радиоволн
${ displaystyle P _ { text {L}}}$	ватт	Потребляемая мощность в сопротивлении потерь антенны
${ displaystyle R _ { text {R}}}$	ом	Радиационная стойкость антенны
${ displaystyle R _ { text {L}}}$	ом	Эквивалентное сопротивление потерь антенны на входных клеммах
${ displaystyle R _ { text {IN}}}$	ом	Входное сопротивление антенны
${ displaystyle R _ { text {R0}}}$	ом	Радиационная стойкость в точке максимального тока в антенне
${ displaystyle R _ { text {R1}}}$	ом	Радиационная стойкость в произвольной точке антенны

Примечания

^ ^а ^б ^c ^d ^е Фейнман, Лейтон и Сэндс, 1963 г., п. 32-1.
^ ^а ^б ^c ^d Стро, Р. Дин, изд. (2000). Антенная книга ARRL, 19-е изд.. Американская радиорелейная лига, Inc. стр. 2.2. ISBN 0872598179.
^ «Радиационная стойкость». Глоссарий ATIS Telecom. Альянс решений для телекоммуникационной отрасли. 2019 г.. Получено 14 мая 2020.
^ ^а ^б Ярман, Бинбога С. (2008). Проектирование сверхширокополосных сетей согласования антенн. Springer Science and Business Media. п. 22. ISBN 9781402084171.
^ ^а ^б В некоторых выводах используется пик синусоидального тока. ${ displaystyle I _ { text {p}} = { sqrt {2}} I _ { text {rms}}}$ вместо действующего значения тока и эквивалентной версии закона Джоуля: ${ displaystyle R _ { text {R}} = 2P _ { text {R}} / I _ { text {p}} ^ {2}}$
^ ^а ^б Баланис 2005, п. 10-11.
^ ^а ^б ^c ^d Краус 1988, п. 32.
^ ^а ^б ^c ^d Баланис 2005, п. 83-85.
^ Краус 1988, п. 50.
^ Сервей, Раймонд; Фаун, Джерри; Вуйль, Крис (2008). Колледж физики, 8-е изд.. Cengage Learning. п. 714. ISBN 0495386936.
^ ван Холтен, Тео (2016). Жуткий атомный мир? Это не обязательно так!. Springer. С. 272–274. ISBN 9789462392342.
^ Макдональд, Кирк Т. (29 мая 2017 г.). «Сила радиационной реакции и радиационная стойкость малых антенн» (PDF). Лаборатория Джозефа Генри, Принстонский университет. Получено 13 мая 2020. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
^ Эллингсон, Стивен В. (2016). Радиотехника. Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781316785164.
^ ^а ^б Краус 1988, п. 227-228.
^ ^а ^б Краус 1988, п. 228.
^ Раух, Том (2004). «Радиационная стойкость». Персональный сайт W8JI. Том Раух. Получено 12 мая 2020.
^ ^а ^б Баланис 2005, п. 179.
^ Из-за торцевых эффектов диполь конечной толщины не резонирует на длине половины длины волны. ${ displaystyle 0,5 lambda}$ но имеет индуктивное сопротивление. Типичный тонкий диполь на самом деле является резонансным (не имеет реактивного сопротивления) на немного меньшей длине около ${ displaystyle 0.475 lambda}$ , при котором его радиационная стойкость составляет около 67 Ом.Уоллес, Ричард; Андреассон, Кристер (2005). Введение в пассивные ВЧ- и СВЧ-компоненты. Артек Хаус. п. 77. ISBN 9781630810092.
^ Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике. Джон Уайли и сыновья. п. 135. ISBN 9780470772928.
^ Штутцман и Тиле 2012, п. 78-80.
^ Баланис 2005, п. 154.
^ Шмитт 2002, п. 232.

Смотрите также

[FOOTNOTEFeynmanLeightonSands196332-1-1] а ^б ^c ^d ^е Фейнман, Лейтон и Сэндс, 1963 г., п. 32-1.

[Straw-2] а ^б ^c ^d Стро, Р. Дин, изд. (2000). Антенная книга ARRL, 19-е изд.. Американская радиорелейная лига, Inc. стр. 2.2. ISBN 0872598179.

[ATIS-3] «Радиационная стойкость». Глоссарий ATIS Telecom. Альянс решений для телекоммуникационной отрасли. 2019 г.. Получено 14 мая 2020.

[Yarman-4] а ^б Ярман, Бинбога С. (2008). Проектирование сверхширокополосных сетей согласования антенн. Springer Science and Business Media. п. 22. ISBN 9781402084171.

[AlternateForm-5] а ^б В некоторых выводах используется пик синусоидального тока. ${ displaystyle I _ { text {p}} = { sqrt {2}} I _ { text {rms}}}$ вместо действующего значения тока и эквивалентной версии закона Джоуля: ${ displaystyle R _ { text {R}} = 2P _ { text {R}} / I _ { text {p}} ^ {2}}$

[FOOTNOTEBalanis200510-11-6] а ^б Баланис 2005, п. 10-11.

[FOOTNOTEKraus198832-7] а ^б ^c ^d Краус 1988, п. 32.

[FOOTNOTEBalanis200583-85-8] а ^б ^c ^d Баланис 2005, п. 83-85.

[FOOTNOTEKraus198850-9] Краус 1988, п. 50.

[Serway-10] Сервей, Раймонд; Фаун, Джерри; Вуйль, Крис (2008). Колледж физики, 8-е изд.. Cengage Learning. п. 714. ISBN 0495386936.

[Holten-11] ван Холтен, Тео (2016). Жуткий атомный мир? Это не обязательно так!. Springer. С. 272–274. ISBN 9789462392342.

[McDonald-12] Макдональд, Кирк Т. (29 мая 2017 г.). «Сила радиационной реакции и радиационная стойкость малых антенн» (PDF). Лаборатория Джозефа Генри, Принстонский университет. Получено 13 мая 2020. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[Ellingson-13] Эллингсон, Стивен В. (2016). Радиотехника. Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781316785164.

[FOOTNOTEKraus1988227-228-14] а ^б Краус 1988, п. 227-228.

[FOOTNOTEKraus1988228-15] а ^б Краус 1988, п. 228.

[Rauch-16] Раух, Том (2004). «Радиационная стойкость». Персональный сайт W8JI. Том Раух. Получено 12 мая 2020.

[FOOTNOTEBalanis2005179-17] а ^б Баланис 2005, п. 179.

[Wallace-18] Из-за торцевых эффектов диполь конечной толщины не резонирует на длине половины длины волны. ${ displaystyle 0,5 lambda}$ но имеет индуктивное сопротивление. Типичный тонкий диполь на самом деле является резонансным (не имеет реактивного сопротивления) на немного меньшей длине около ${ displaystyle 0.475 lambda}$ , при котором его радиационная стойкость составляет около 67 Ом.Уоллес, Ричард; Андреассон, Кристер (2005). Введение в пассивные ВЧ- и СВЧ-компоненты. Артек Хаус. п. 77. ISBN 9781630810092.

[Huang-19] Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике. Джон Уайли и сыновья. п. 135. ISBN 9780470772928.

[FOOTNOTEStutzmanThiele201278-80-20] Штутцман и Тиле 2012, п. 78-80.

[FOOTNOTEBalanis2005154-21] Баланис 2005, п. 154.

[FOOTNOTESchmitt2002232-22] Шмитт 2002, п. 232.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]