Warum spielt die Länge einer Antenne im Verhältnis zur Wellenlänge eine Rolle?

Angenommen, Sie haben eine Empfangs-, Dipol-, Antenne. Ignorieren Sie das Vorhandensein von freiem Raum um die Antenne herum – ignorieren Sie diese Wellenlänge – und denken Sie nur an den Anteil des elektromagnetischen Felds unmittelbar um die Antenne herum. Das Feld übt auf die Elektronen in der Antenne eine Kraft senkrecht zur Ausbreitung der Welle aus (genauer gesagt in die gleiche Richtung wie die Polarisation der Welle). Daraus ergibt sich der rechte Winkel.

Die Wellenlänge der Welle im Weltraum ist bisher unerheblich, weil die Antennenelemente sie nicht sehen, sie sehen nur ein lokal oszillierendes Feld.

Denken Sie nun darüber nach, was im Antennenleiter passiert. Es gibt eine Kraft, die bewirkt, dass sich die Elektronen bewegen (ein Strom). Andererseits hat die Antenne Enden, und aus dem Ende eines Drahts kann kein Strom fließen (außerhalb der Bedingungen, die hier nicht zutreffen).

Betrachten Sie nur das Feld, das auf einige Elektronen in der Nähe der Antennenmitte auftrifft, und ignorieren Sie den Rest des Felds. Sie können sich in Bewegung setzen, und wie jede andere Stromänderung in einem Leiter breitet sie sich als Welle entlang des Leiters mit einer Geschwindigkeit nahe (aber nicht gleich) der Lichtgeschwindigkeit aus. Wenn diese Änderung ein Ende des Drahtes erreicht, kann dort kein Strom mehr fließen, so dass sie wie jede Welle, die auf ein Hindernis trifft, zurückreflektiert wird und ihren Ausgangspunkt erreicht, und es gibt stehende Wellen innerhalb der Antenne.

Sie haben angegeben, dass Sie die Idee von Schallwellen und stehenden Wellen in einem Rohr bereits verstehen, daher werde ich es überspringen, dort näher darauf einzugehen. Beachten Sie nur, dass die richtige Analogie nur aus der Perspektive der Analyse stehender Wellen lautet:

• Drahtende: geschlossenes Rohrende – Stromknoten – Spannungsbauch
• Mitte Dipol: Mitte beidseitig geschlossenes Rohr — Strombauch — Spannungsknoten

Es gibt keine offensichtliche direkte Analogie für die Wechselwirkung der EM-Welle, da sie sich über die gesamte Länge ausbreitet – es ist, als hätten Sie eine Reihe von Lüftern im Rohr, nicht wie eine äußere Druckwelle, die durch eine Öffnung geht.

Zusammenfassend: Die beiden Längen sind ähnlich, nicht weil die Ausdehnung der Welle im freien Raum trotz rechtem Winkel irgendwie der Ausdehnung des Drahtes entspricht, sondern weil es zwei Wellenphänomene gleicher Frequenz und annähernd gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit gibt .

Warum spielt also die relative Länge der Antenne zur Wellenlänge eine Rolle?

Eine Monopolantenne (zum Beispiel) kann "kurz" sein und nimmt ein Signal auf, das proportional kleiner ist UND wie eine Impedanz aussieht, die für den Empfänger hochkapazitiv ist. Der "resistive" Teil des Signals wird ebenfalls sehr klein sein: -

Bild von hier aufgenommen

Dies ist eine gute Sache für Quarzradios, da bei (sagen wir) einer Länge von 0,05$\lambda$Es kann mit einer Spule reaktiv abstimmen und einen anständigen Q-Faktor erzeugen, um dem Kristallradio eine gute Selektivität zu verleihen.

Bei einer Sendeantenne ist dies hingegen problematisch, da man zwei Dinge tun muss: -

• Dem wirkt die Kapazität entgegen (ca. 1000 Ohm bei 0,05$\lambda$) mit einer Reiheninduktivität, um einen anständigen Strom in die Antenne treiben zu können
• Fahren Sie einen wirklich niederohmigen Widerstand (die transformierte Impedanz des freien Raums an den elektrischen Anschlüssen der Antenne). Es ist auch schwierig, Sub-1-Ohm-Koaxialkabel zu finden!

Daher werden Sendeantennen so gewählt, dass sie eine Länge haben, die die elektrische Schnittstelle einfacher macht. Zum Beispiel bei 0,25$\lambda$die Impedanz ist rein ohmsch bei ca. 37 Ohm. Sie könnten sogar eine Länge wählen, die etwas kleiner als 0,5 ist$\lambda$und erhalten Sie einen Widerstand von über 2000 Ohm ohne reaktiven Teil.

Wenn Sie zu größeren Antennenlängen wechseln, erhalten Sie ein sich wiederholendes Muster: -

Bild von hier aufgenommen

Die Basis des Diagramms ist in MHz, wobei eine Viertelwelle bei 2,5 MHz liegt. Der reaktive Teil der Impedanz ist blau und der resistive Teil rot, wobei beide in Ohm entlang der y-Achse angegeben sind. Es gibt einige Diskrepanzen in den Amplituden zwischen den beiden Bildern, aber das ist nicht der Punkt - der Punkt ist, dass die Antennenlänge die Impedanz stark beeinflusst und sich schrittweise wiederholt, wenn Sie von einer elektrisch kurzen Antenne zu einer elektrisch langen Antenne wechseln.

In Bezug auf das Antennendiagramm sieht ein Dipol mit der Antenne vertikal und in der Mitte so aus: -

Bild von hier aufgenommen