Wie ist das Verhältnis von Antennenlänge zu Leistung?

Eine Antenne beliebiger Länge kann bei jeder Frequenz eine beliebige Energiemenge abstrahlen, sofern der Strom so groß ist, dass der Draht schmilzt. Ich denke, das ist ein theoretisches Argument, also nehmen wir einen perfekten Draht an, der keinen Widerstand hat und daher unendlichen Strom verarbeiten kann.

Jede Antennenlänge hat bei jeder Frequenz eine erkennbare Impedanz. Die Imaginärteile dieser Impedanz lassen die Antenne für den Sender induktiv oder kapazitiv erscheinen. Diese können keine Leistung abgeben. Aus reiner Energieerhaltungssicht sollte klar sein, dass die Imaginärteile der Impedanz nur Energie darstellen, die vorübergehend in einem Teil des Zyklus gespeichert und in einem anderen freigesetzt wird. Nur der ohmsche Teil (der Realteil) der Impedanz sieht für den Sender wie eine Verlustleistung aus. Diese an den Sender verlorene Leistung ist die Leistung, die von der Antenne abgestrahlt wird.

Um eine bestimmte Leistung abzustrahlen, müssen Sie die Antenne mit einem ausreichend großen Signal ansteuern, damit die Leistung in den Widerstandsteil der Impedanz der Antenne die Leistung ist, die Sie abstrahlen möchten.

Das war das theoretische Argument. In der Praxis ist der Realteil der Impedanz jedoch sehr klein und wird vom Imaginärteil überlagert, es sei denn, die Antennenlänge ist entweder "lang" (relativ zur Wellenlänge) oder ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/2 der Wellenlänge. Bei ungeraden Vielfachen von 1/2 Wellenlänge für einen Dipol (eine mittengespeiste Drahtlänge mit einem Schnitt zwischen den beiden Speisepunkten) wechselt die Reaktanz (der komplexe Teil der Impedanz) zwischen kapazitiv und induktiv und ist zufällig Null . Das bedeutet, dass die Antenne bei dieser Frequenz wie ein reiner Widerstand aussieht. Dies macht es viel einfacher, die Antenne zum Abstrahlen erheblicher Leistung zu verwenden. Wenn die Antennenimpedanz weitgehend reaktiv ist und eine kleine Widerstandskomponente aufweist, kann die zum Erreichen der gewünschten Leistung erforderliche Spannung sehr hoch sein. Jeder Sender, der versucht, diese Spannung zu erzeugen, muss auch mit dem größten Teil der zurückkommenden Leistung fertig werden (muss in der Lage sein, eine hochinduktive oder kapazitive Last zu treiben). Dies bedeutet, dass die Ströme hoch sind, was zu Verlusten in der Übertragungsleitung zwischen dem Sender und der Antenne führt. Aus diesen Gründen wählt man Antennen bestimmter Größe für bestimmte Frequenzen, nicht weil es sonst unmöglich wäre zu strahlen. Es ist durchaus möglich, nur nicht praktikabel.

Es gibt einen Trick, der verwendet werden kann, um Antennen mit großen reaktiven Komponenten für einen Sender resistiv erscheinen zu lassen. Dies geschieht, indem Induktivitäten und/oder Kondensatoren in Reihe und parallel zur Antenne geschaltet werden. Wenn es richtig gemacht wird, addieren sich diese reaktiven Impedanzen zur Impedanz der Antenne, um die reaktiven Komponenten aufzuheben und nur die ohmschen Komponenten übrig zu lassen. Eine andere Betrachtungsweise ist, dass die zusätzliche Reaktanz zusammen mit der vorhandenen Reaktanz der Antenne einen resonanten Schwingkreis bei der interessierenden Frequenz bildet. Dieser Schwingkreis erzeugt die großen Spannungen und Ströme, die zum Ansteuern der Antenne erforderlich sind, sodass der Sender nur das Minimum zum Ansteuern des Widerstandsteils erzeugen muss. Weitere Informationen hierzu finden Sie in einem sogenannten Smith-Diagramm. Dies ist ein grafisches Mittel, um die zusätzlichen reaktiven Komponenten zu bestimmen, die hinzugefügt werden müssen, damit das gesamte Netzwerk bei einem bestimmten Widerstand resistiv aussieht.

In der Praxis ist sogar diese Strategie begrenzt. Das liegt daran, dass die Antenne selbst immer noch die hohen Spannungen und Ströme benötigt, um Leistung mit einer ungünstigen Frequenz abzustrahlen. Echte Kondensatoren, Induktivitäten und sogar Drähte haben Grenzen und echte Verluste, daher kann diese Strategie in der Praxis nur bis jetzt angewendet werden.

Ich weiß nicht, was Sie mit massiver zylindrischer Antenne meinen , aber das ähnlichste, was mir einfällt, ist der Halbdipol mit reflektierender Ebene, auch Marconi-Antenne genannt .

Eine weitere Überlegung vor dem Start: Der Durchmesser des Zylinders hilft der Strahlung nicht, er dient nur der Leitfähigkeit und mechanischen Zwecken.

Beim Bau einer solchen Antenne sind zwei wichtige Faktoren zu berücksichtigen: die Richtwirkung und die Impedanz. Das erste bedeutet, wie Sie die Strahlung konzentrieren können, das zweite, wie effizient Sie die Leistung an die Antenne übertragen können (im Fernfeld wird nur Wirkleistung abgestrahlt).

Die Antennenimpedanz für einen Dipol (ähnlich für den Halbdipol) ist also wie folgt:

Wie Sie sehen können, hat es eine Art periodisches Verhalten, also sollten Sie mit Vielfachen von arbeiten$(2N-1) \lambda/4$, sonst haben Sie eine unendliche Eingangsimpedanz und tschüss Leistung.

Bei der Strahlung ist die Situation nicht viel besser: Das Strahlungsdiagramm für den Dipol mit sich ändernder Länge / Wellenlänge lautet wie folgt:

Wie Sie sehen können, bringt es keinen wirklichen Vorteil, mehr als zu pushen$\frac {2}{3} \lambda$, wenn man bedenkt, dass für L = Lambda die Impedanz unendlich ist.

Wo Sie aus der Länge gewinnen können, ist die Verwendung von Breitseiten-Arrays: Diese werden im Rundfunk verwendet und sind eine Reihe von Antennen, die in derselben vertikalen Linie angeordnet und mit einer bestimmten reziproken Phase gespeist werden. Sie haben eine omnidirektionale Strahlung in der xy-Ebene und eine sehr gerichtete Strahlung in jeder z-Ebene.

Übrigens, wenn Sie eine lange Antenne verwenden, liegt dies im Allgemeinen daran, dass Sie mit niedrigen Frequenzen arbeiten, nicht daran, dass sie besser strahlt. Die Größe ist meistens bei Arrays nützlich.