Considérons le domaine du système de redevances ponctuelles le plus simple. Le système de charges ponctuelles le plus simple est un dipôle électrique. Un dipôle électrique est un ensemble de deux charges ponctuelles de même ampleur mais de signe opposé. –q Et +q, décalés les uns par rapport aux autres d'une certaine distance. Soit le rayon vecteur tiré de la charge négative à la charge positive. Vecteur
est appelé le moment électrique du dipôle ou moment dipolaire, et le vecteur est appelé le bras dipolaire. Si la longueur est négligeable par rapport à la distance du dipôle au point d'observation, alors le dipôle est appelé dipôle ponctuel.
Calculons le champ électrique d'un dipôle électrique. Puisque le dipôle est un point un, peu importe, dans les limites de la précision du calcul, à partir de quel point du dipôle la distance est mesurée r au point d'observation. Laissez le point d'observation UN se trouve dans le prolongement de l'axe dipolaire (Fig. 1.13). Conformément au principe de superposition du vecteur intensité, l'intensité du champ électrique en ce point sera égale à
on a supposé que , .
Sous forme vectorielle
où et sont les intensités de champ excitées par les charges ponctuelles –q et + q. D'après la Fig. 1.14, il est clair que le vecteur est antiparallèle au vecteur et que son module pour un dipôle ponctuel est déterminé par l'expression
Il n'est pris en compte ici que selon les hypothèses retenues.
Sous forme vectorielle, la dernière expression sera réécrite comme suit
Il n'est pas nécessaire que ce soit perpendiculaire JSC passé par le centre d’un dipôle ponctuel. Dans l'approximation acceptée, la formule résultante reste vraie même au-delà du point À PROPOS tout point dipolaire est accepté.
Le cas général se réduit aux cas particuliers analysés (Fig. 1.15). Réduisons-le de la charge + q perpendiculaire CDà la ligne de surveillance Virginie. Mettons-le au point D frais à deux points + q Et –q. Cela ne changera pas les champs. Mais l’ensemble résultant de quatre charges peut être considéré comme un ensemble de deux dipôles avec des moments dipolaires et . On peut remplacer le dipôle par la somme géométrique des dipôles et . En appliquant maintenant aux dipôles les formules précédemment obtenues pour l'intensité sur le prolongement de l'axe du dipôle et sur la perpendiculaire restituée à l'axe du dipôle, conformément au principe de superposition on obtient :
En considérant cela, on obtient :
ici c'est utilisé ça.
Ainsi, la caractéristique du champ électrique d'un dipôle est qu'il diminue dans toutes les directions proportionnellement à , c'est-à-dire plus rapidement que le champ d'une charge ponctuelle.
Considérons maintenant les forces agissant sur un dipôle dans un champ électrique. Dans un champ uniforme, charges + q Et –q sera sous l'influence de forces égales en ampleur et de direction opposée (Fig. 1.16). Le moment de ce couple de forces sera :
Le moment tend à faire tourner l'axe dipolaire vers la position d'équilibre, c'est-à-dire dans la direction du vecteur. Il existe deux états d’équilibre d’un dipôle : lorsque le dipôle est parallèle au champ électrique et lorsqu’il lui est antiparallèle. La première position sera stable, mais la seconde ne le sera pas, puisque dans le premier cas, avec un petit écart du dipôle par rapport à la position d'équilibre, un moment d'une paire de forces apparaîtra, tendant à le ramener à sa position d'origine ; dans le second cas, le moment résultant éloigne encore plus le dipôle de la position d'équilibre.
Théorème de Gauss
Comme mentionné ci-dessus, il a été convenu de tracer les lignes de force avec une densité telle que le nombre de lignes traversant une unité de surface perpendiculaire aux lignes du site serait égal au module du vecteur. Ensuite, à partir du motif des lignes de tension, on peut juger non seulement de la direction, mais aussi de l’ampleur du vecteur en différents points de l’espace.
Considérons les lignes de champ d'une charge ponctuelle positive stationnaire. Ce sont des lignes radiales partant de la charge et se terminant à l’infini. Réalisons N de telles lignes. Puis à distance rà partir de la charge, le nombre de lignes de force coupant une surface unitaire d'une sphère de rayon r, sera égal. Cette valeur est proportionnelle à l'intensité du champ d'une charge ponctuelle à distance r. Nombre N vous pouvez toujours choisir de telle sorte que l'égalité soit respectée
où . Puisque les lignes de force sont continues, le même nombre de lignes de force coupe une surface fermée de n'importe quelle forme entourant la charge. q. Selon le signe de la charge, les lignes de force entrent dans cette surface fermée ou sortent. Si le nombre de lignes sortantes est considéré comme positif et le nombre de lignes entrantes négatif, alors on peut omettre le signe du module et écrire :
| . | (1.4) |
Flux vectoriel de tension. Plaçons un pad élémentaire d'aire . La zone doit être si petite que l'intensité du champ électrique en tous ses points peut être considérée comme la même. Traçons une normale au site (Fig. 1.17). La direction de cette normale est choisie arbitrairement. La normale fait un angle avec le vecteur. Le flux du vecteur d'intensité du champ électrique à travers une surface sélectionnée est le produit de la surface et de la projection du vecteur d'intensité du champ électrique sur la normale à la zone :
où est la projection du vecteur sur la normale au site.
Puisque le nombre de lignes de champ traversant une seule zone est égal au module du vecteur d'intensité au voisinage de la zone sélectionnée, le flux du vecteur d'intensité à travers la surface est proportionnel au nombre de lignes de champ traversant cette surface. Par conséquent, dans le cas général, le flux du vecteur d'intensité de champ à travers la zone peut être interprété visuellement comme une valeur égale au nombre de lignes de champ pénétrant cette zone :
| . | (1.5) |
A noter que le choix de la direction de la normale est conditionnel, elle peut être orientée dans l'autre sens. Par conséquent, le flux est une grandeur algébrique : le signe du flux dépend non seulement de la configuration du champ, mais aussi de l'orientation relative du vecteur normal et du vecteur intensité. Si ces deux vecteurs forment un angle aigu, le flux est positif ; s'il est obtus, le flux est négatif. Dans le cas d'une surface fermée, il est d'usage de prendre la normale en dehors de la zone couverte par cette surface, c'est-à-dire de choisir la normale extérieure.
Si le champ est inhomogène et la surface est arbitraire, alors l'écoulement est défini comme suit. La surface entière doit être divisée en petits éléments d'aire , calculer les flux de contraintes à travers chacun de ces éléments, puis additionner les flux à travers tous les éléments :
Ainsi, l’intensité du champ caractérise le champ électrique en un point de l’espace. Le flux d'intensité ne dépend pas de la valeur de l'intensité du champ en un point donné, mais de la répartition du champ sur la surface d'une zone particulière.
Les lignes de champ électrique ne peuvent commencer que par des charges positives et se terminer par des charges négatives. Ils ne peuvent ni commencer ni se terminer dans l’espace. Par conséquent, s’il n’y a pas de charge électrique à l’intérieur d’un certain volume fermé, alors le nombre total de lignes entrant et sortant de ce volume doit être nul. Si plus de lignes quittent le volume qu’elles n’y entrent, alors il y a une charge positive à l’intérieur du volume ; s'il y a plus de lignes entrantes que de lignes sortantes, alors il doit y avoir une charge négative à l'intérieur. Lorsque la charge totale à l’intérieur du volume est égale à zéro ou lorsqu’il ne contient aucune charge électrique, les lignes de champ le traversent et le flux total est nul.
Ces considérations simples ne dépendent pas de la manière dont la charge électrique est répartie dans le volume. Il peut être situé au centre du volume ou près de la surface qui délimite le volume. Un volume peut contenir plusieurs charges positives et négatives réparties de quelque manière que ce soit dans le volume. Seule la charge totale détermine le nombre total de lignes de tension entrantes ou sortantes.
Comme le montrent (1.4) et (1.5), le flux du vecteur d'intensité du champ électrique à travers une surface fermée arbitraire entourant la charge q,égal à . S'il y a à l'intérieur de la surface n charges, alors, selon le principe de superposition de champ, le flux total sera la somme des flux d'intensités de champ de toutes les charges et sera égal à , où dans ce cas nous entendons la somme algébrique de toutes les charges couvertes par le fermé surface.
Théorème de Gauss. Gauss fut le premier à découvrir le simple fait que le flux du vecteur d'intensité du champ électrique à travers une surface fermée arbitraire doit être associé à la charge totale située à l'intérieur de ce volume.
Énergie potentielle d'un dipôle dur
Considérons le dipôle dit rigide - il s'agit d'un dipôle dans lequel la distance entre les charges ne change pas ($l=const$). Déterminons quelle est l'énergie potentielle d'un dipôle dans un champ électrostatique externe. Si la charge $q$, qui est située en un point du champ de potentiel $\varphi $, a une énergie potentielle égale à :
alors l'énergie dipolaire est égale à :
où $(\varphi )_+;(\varphi )_-$ sont les potentiels de champ externe aux points où se trouvent les charges $q$ et $-q$. Le potentiel du champ électrostatique diminue linéairement si le champ est uniforme dans la direction du vecteur intensité de champ. Dirigons l'axe X le long du champ (Fig. 1). On obtient alors :
De la fig. 1 on voit que le changement de potentiel de $(\varphi )_+à\ (\varphi )_-$ se produit sur le segment $\triangle x=lcos \vartheta$, donc :
Moment dipolaire électrique
Remplaçons (4) par (2), nous obtenons :
où $\overrightarrow(p)$=$q\overrightarrow(l)$ est le moment électrique du dipôle. L'équation (6) ne prend pas en compte l'énergie d'interaction des charges dipolaires. La formule (6) a été obtenue sous la condition que le corps soit homogène ; cependant, elle est également valable pour un corps inhomogène.
Exemple 1
Devoir : Considérons un dipôle situé dans un champ non uniforme symétrique par rapport à l'axe X. Expliquez comment un dipôle se comportera dans un tel champ du point de vue des forces agissant sur lui.
Laissez le centre du dipôle se situer sur l'axe X (Fig. 2). L'angle entre le bras dipolaire et l'axe X est égal à $\vartheta \ne \frac(\pi )(2)$. Dans notre cas, les forces sont $F_1\ne F_2$. Un moment de rotation va agir sur le dipôle et
la force qui tend à déplacer le dipôle le long de l'axe X. Pour trouver le module de cette force, on utilise les formules :
Conformément à l’équation de l’énergie potentielle d’un dipôle, nous avons :
nous supposons que $\vartheta=const$
Pour les points de l'axe X, nous avons :
\ \
À $\vartheta 0$, cela signifie que le dipôle est attiré dans la région d'un champ plus fort. Pour $\vartheta >\frac(\pi )(2)$ $F_x
A noter que si $-\frac(\partial W)(\partial x)=F_x$, la dérivée de l'énergie potentielle donne la projection de la force sur l'axe correspondant, alors la dérivée $-\frac(\partial W) (\partial \vartheta) =M_\vartheta$ donne la projection du couple sur l'axe $?$ :
\[-\frac(\partial W)(\partial \vartheta)=M_\vartheta=-pEsin \vartheta (1.4.)\]
Dans la formule (1.4), le signe moins signifie que le moment tend à réduire l'angle entre le moment électrique du dipôle et le vecteur d'intensité de champ. Un dipôle dans un champ électrique a tendance à tourner de sorte que le moment électrique du dipôle soit parallèle au champ ($\overrightarrow(p)\uparrow \uparrow \overrightarrow(E)$). À $\overrightarrow(p)\uparrow \downarrow \overrightarrow(E)$ le couple sera également nul, mais un tel équilibre n'est pas stable.
Exemple 2
Affectation : Deux dipôles sont situés à une distance $r$ l'un de l'autre. Leurs axes reposent sur la même ligne droite. Les moments électriques sont égaux respectivement : $p_1$ et $p_2$. Calculez l'énergie potentielle de l'un des dipôles qui correspondra à la position d'équilibre stable.
Le système sera en équilibre lorsque les dipôles seront orientés comme le montre la figure. 3, le long du champ, avec des charges de signe opposé les unes aux autres.
Nous supposerons que le champ crée un dipôle de moment $p_1$ ; nous chercherons l'énergie potentielle d'un dipôle qui a un moment électrique $p_2$ au point de champ (A) à une distance r du premier dipôle. Supposons que les bras du dipôle soient petits par rapport à la distance entre les dipôles ($l\ll r$). Les dipôles peuvent être considérés comme ponctuels (nous supposons donc qu'un dipôle de moment $p_2\ est\ situé\ au\ point\ A$). L'intensité du champ qui crée le dipôle sur son axe au point A est égale en valeur absolue (à $\varepsilon =1$) :
L'énergie potentielle d'un dipôle de moment $p_2$ au point A peut être exprimée par la formule :
où nous avons pris en compte que les vecteurs de tension et de moment électrique du dipôle sont co-dirigés dans un état d'équilibre stable. Dans ce cas, l'énergie potentielle du deuxième dipôle sera égale à :
Réponse : Les énergies potentielles des dipôles seront égales en valeur à $W=-p_2\frac(p_1)(2\pi (\varepsilon )_0r^3)$.
Les vibrateurs à boucle de la série "D" (l'analogue étranger le plus proche de l'ANT150D de Telewave) sont fabriqués sous forme démontée à partir de trois parties - le vibrateur à boucle lui-même (1), la traverse (2) et l'unité de montage (3) (voir figure ).
Le vibrateur à boucle est constitué d'un tube en aluminium à paroi épaisse et a une longueur d'environ ?/2. Le point de fixation (4) à la traverse est soudé par soudage à l'arc sous argon, ce qui garantit un contact électrique fiable au niveau du ventre du courant. Pour correspondre au câble de 50 ohms, un transformateur 1/4 d'onde est utilisé ; grâce à la ligne électrique posée à l'intérieur du dipôle, l'antenne est équilibrée.
Tous les contacts sont soudés et les connexions à vis sont repeintes. L'ensemble du bloc d'alimentation est scellé : un tube en PVC est utilisé pour conférer de la rigidité, et un tube thermorétractable est utilisé pour l'étanchéité avec un adhésif-scellant moléculaire (5). L'ensemble de l'antenne est protégé des environnements agressifs par un revêtement polymère. Traverse d'antenne - un tuyau d'un diamètre de 35 mm est soigneusement ajusté au dipôle pour faciliter l'installation de l'antenne. Le point de fixation au mât est en fonte de silumine. Un traitement supplémentaire garantit également un amarrage fiable avec la traverse et une fixation facile à un mât d'un diamètre de 38 à 65 mm à n'importe quel angle. L'antenne comporte un repère (6) pour un phasage correct, ainsi qu'un trou de drainage (7) au bas du vibrateur.
L'antenne utilise un câble domestique (8) RK 50-7-11 à faibles pertes (0,09 dB/m à 150 MHz). Les antennes sont équipées de connecteurs de type N (9), soigneusement soudés et scellés.
Un emballage en carton pratique vous permet de transporter l'antenne par n'importe quel moyen de transport.
Les dipôles à boucle de la série "DP" présentent certaines différences de conception par rapport aux dipôles de la série "D".
Premièrement, cette antenne a une conception non séparable : le dipôle lui-même (10) est soudé à une traverse courte (11). L'alimentation électrique du dipôle est asymétrique, ce qui n'altère en rien ses caractéristiques. En raison de la proximité du mât réflecteur, la bande est un peu plus étroite et s'élève à 150-170 MHz, et le niveau de rayonnement en retour est inférieur de 10 dB. Mais dans la direction principale le gain est de 3 dBd.
Deuxièmement, la fixation au mât est réalisée avec des pinces légères en acier galvanisé (12) et permet de fixer l'antenne sur un mât (13) d'un diamètre de 25-60 mm. À tous autres égards, en termes de technologie de fabrication, les antennes de la série « DP » ne diffèrent pas des dipôles de la série « D ».
Les dipôles de la série "DH" sont les antennes les moins chères. Il s'agit d'un kit de bricolage dans lequel vous pouvez assembler un vibrateur linéaire classique avec correspondance gamma en quelques minutes en suivant nos instructions. Le kit comprend l'émetteur lui-même - une broche d'un diamètre de 12 mm (14), une traverse (15) avec un trou de fixation et un support soudé avec un connecteur (16).
Les pièces du gamma matcher vous permettent d'ajuster le dipôle presque parfaitement à n'importe quelle fréquence de votre choix (à l'aide d'un réflectomètre conventionnel).
Chaque dipôle est fourni avec des instructions détaillées pour la configuration et des graphiques des longueurs des vibrateurs.
Entre les mains d'un maître, cet ensemble se transformera en un véritable système d'antennes connecté et très performant !
Chaque appareil sans fil a besoin d'une antenne. Ce dispositif mécanique conducteur est un transducteur qui convertit un signal radiofréquence (RF) transmis en champs électriques et magnétiques qui constituent une onde radio. Il reconvertit également l’onde radio reçue en signal électrique. Un nombre presque infini de configurations sont possibles pour les antennes. Cependant, la plupart d’entre elles reposent sur deux types principaux : les antennes dipôles et les antennes fouet.
Le concept d'"antenne"
Une onde radio contient un champ électrique perpendiculaire au champ magnétique. Les deux sont perpendiculaires à la direction de propagation (photo ci-dessous). Ce champ électromagnétique crée l'antenne. Le signal émis par l'appareil est généré dans l'émetteur puis envoyé à l'antenne à l'aide d'une ligne de transmission, généralement un câble coaxial.
Les lignes sont des lignes de force magnétiques et électriques qui se déplacent ensemble et se soutiennent mutuellement lorsqu'elles « s'éloignent » de l'antenne.
La tension crée un champ électrique autour des éléments de l'antenne. Le courant dans l'antenne crée un champ magnétique. Les champs électriques et magnétiques se combinent et se régénèrent selon les célèbres équations de Maxwell, et l'onde « combinée » est envoyée depuis l'antenne dans l'espace. Lorsqu'un signal est reçu, une onde électromagnétique induit une tension dans l'antenne, qui reconvertit l'onde électromagnétique en un signal électrique pouvant être traité ultérieurement.
La principale considération dans l’orientation de toute antenne est la polarisation, qui fait référence à l’orientation du champ électrique (E) avec le sol. C'est aussi l'orientation des éléments émetteurs par rapport au sol. Une antenne montée verticalement perpendiculairement au sol émet une onde polarisée verticalement. Ainsi, une antenne située horizontalement émet une onde polarisée horizontalement.
La polarisation peut également être circulaire. Des configurations spéciales telles que des antennes hélicoïdales ou hélicoïdales peuvent émettre une onde rotative, créant une onde polarisée rotative. L'antenne peut créer un sens de rotation soit vers la droite, soit vers la gauche.
Idéalement, les antennes des appareils d'émission et de réception devraient avoir la même polarisation. Aux fréquences inférieures à environ 30 MHz, l'onde est généralement réfléchie, réfractée, tournée ou autrement modifiée par l'atmosphère, le sol ou d'autres objets. Par conséquent, la correspondance de polarisation des deux côtés n’est pas critique. Aux fréquences VHF, UHF et micro-ondes, la polarisation doit être la même pour garantir une transmission du signal de la plus haute qualité. Et notez que les antennes présentent une réciprocité, c’est-à-dire qu’elles fonctionnent aussi bien pour l’émission que pour la réception.
Antenne dipôle ou dipôle symétrique
Un dipôle est une structure demi-onde constituée de fil, de tube, de carte de circuit imprimé (PCB) ou d'un autre matériau conducteur. Il est divisé en deux quarts de longueur d'onde égaux et alimenté par une ligne de transmission.
Les lignes montrent la distribution des champs électriques et magnétiques. Une longueur d'onde (λ) est égale à :
demi-onde :
λ/2 = 492/fMHz
La longueur réelle est généralement réduite en fonction de la taille des fils d'antenne. Meilleure approximation de la longueur électrique :
λ/2 = 492 K/f MHz
où K est un coefficient reliant le diamètre du conducteur à sa longueur. Il s'agit de 0,95 pour les antennes filaires avec une fréquence de 30 MHz ou moins. Ou:
λ/2 = 468/fMHz
Longueur en pouces :
λ/2 = 5904 K/fMHz
La valeur K est plus petite pour les éléments de plus grand diamètre. Pour un tube d'un demi-pouce de diamètre, K est de 0,945. Le canal dipolaire pour 165 MHz doit avoir la longueur :
λ/2 = 5904(0,945)/165 = 33,81 pouces
ou deux segments de 16,9 pouces.
La longueur est importante car l’antenne est un dispositif résonant. Pour une efficacité de rayonnement maximale, il doit être réglé sur la fréquence de fonctionnement. Cependant, l’antenne fonctionne assez bien sur une plage de fréquences étroite, comme un filtre résonant.
La bande passante d'un dipôle est fonction de sa structure. Il est généralement défini comme la plage sur laquelle le rapport d'ondes stationnaires (ROS) de l'antenne est inférieur à 2:1. Le ROS est déterminé par la quantité de signal réfléchi par l'appareil le long de la ligne de transmission qui l'alimente. C'est une fonction de l'impédance de l'antenne par rapport à l'impédance de la ligne de transmission.
La ligne de transmission idéale est une paire conductrice équilibrée avec une résistance de 75 ohms. Un câble coaxial avec une impédance caractéristique de 75 ohms (Zo) peut également être utilisé. Un câble coaxial avec une impédance caractéristique de 50 ohms peut également être utilisé, car il s'adapte bien à l'antenne tant qu'il est inférieur à la moitié de la longueur d'onde au-dessus du sol.
Le câble coaxial est une ligne déséquilibrée car le courant RF circulera à l'extérieur du blindage coaxial, créant des interférences induites indésirables dans les appareils à proximité, même si l'antenne fonctionnera raisonnablement bien. La meilleure méthode d'alimentation consiste à utiliser un transformateur balun au point d'alimentation avec le câble coaxial. Un balun est un transformateur qui convertit les signaux équilibrés en signaux asymétriques ou vice versa.
Le dipôle peut être monté horizontalement ou verticalement selon la polarisation souhaitée. La ligne d'alimentation doit idéalement être perpendiculaire aux éléments rayonnants pour éviter toute distorsion du rayonnement, le dipôle est donc le plus souvent orienté horizontalement.
Le diagramme de rayonnement d'un signal d'antenne dépend de sa structure et de son installation. Le rayonnement physique est tridimensionnel, mais il est généralement représenté par des diagrammes de rayonnement horizontaux et verticaux.
Le diagramme de rayonnement horizontal du dipôle est un chiffre huit (Figure 3). Le signal maximum apparaît à l'antenne. La figure 4 montre le diagramme de rayonnement vertical. Ce sont des spécimens parfaits qui sont facilement déformés par le sol et les objets à proximité.
Le gain de l'antenne est lié à la directivité. Le gain est généralement exprimé en décibels (dB) sur la base d'une « référence » telle qu'une antenne isotrope, qui est une source ponctuelle d'énergie radiofréquence qui rayonne le signal dans toutes les directions. Pensez à une source de lumière ponctuelle illuminant l’intérieur d’une sphère en expansion. Une antenne isotrope a un gain de 1 ou 0 dB.
Si un émetteur façonne ou focalise le diagramme de rayonnement et le rend plus directionnel, il a un gain d'antenne isotrope. Le dipôle a un gain de 2,16 dBi par rapport à une source isotrope. Dans certains cas, le gain est exprimé en fonction de la référence dipolaire en dBd.
Antenne verticale avec éléments réfléchissants horizontaux supplémentaires
Cet appareil est essentiellement un demi-dipôle monté verticalement. Le terme monopôle est également utilisé pour décrire cette configuration. Le sol situé sous l'antenne, la surface conductrice ayant le plus petit rayon λ/4, ou un motif de conducteurs λ/4 appelés radiaux, constituent la seconde moitié de l'antenne (Fig. 5).
Si l’antenne est connectée à une bonne masse, on parle d’antenne Marconi. La structure principale est l’autre moitié λ/4 de l’émetteur. Si le plan de masse est de taille et de conductivité suffisantes, alors les performances de mise à la terre sont équivalentes à celles d'un dipôle monté verticalement.
Longueur verticale quart d'onde :
λ/4 = 246 K/fMHz
Le facteur K est inférieur à 0,95 pour les produits verticaux, qui sont généralement fabriqués avec un tube plus large.
L'impédance du point d'alimentation est un demi-dipôle ou environ 36 ohms. Le chiffre réel dépend de la hauteur au-dessus du sol. Comme un dipôle, le plan de masse est résonnant et possède généralement une composante réactive par rapport à son impédance fondamentale. La ligne de transmission la plus courante est le câble coaxial de 50 Ω, car il correspond relativement bien à l'impédance de l'antenne avec un ROS inférieur à 2:1.
L'antenne verticale avec un élément réfléchissant supplémentaire est omnidirectionnelle. Le diagramme de rayonnement horizontal est un cercle dans lequel l'appareil rayonne le signal de manière égale dans toutes les directions. La figure 6 montre le diagramme de rayonnement vertical. Comparé au diagramme de rayonnement vertical d'un dipôle, le plan de masse a un angle de rayonnement plus faible, ce qui présente l'avantage d'une propagation plus large à des fréquences inférieures à environ 50 MHz.
conclusions
De plus, deux antennes verticales ou plus peuvent être configurées avec un élément réfléchissant supplémentaire pour créer un signal plus directionnel et amplifié. Par exemple, une radio AM directionnelle utilise deux tours ou plus pour envoyer un signal fort dans une direction tout en l'annulant dans l'autre.
Rapport d'onde stationnaire
Les ondes stationnaires sont des modèles de distribution de tension et de courant le long d'une ligne de transmission. Si l'impédance caractéristique (Zo) d'une ligne correspond à l'impédance de sortie du générateur (émetteur) et à la charge de l'antenne, la tension et le courant le long de la ligne sont constants. Lorsque l'impédance est adaptée, le transfert de puissance maximal se produit.
Si la charge de l'antenne ne correspond pas à l'impédance linéaire, toute la puissance transmise n'est pas absorbée par la charge. Toute puissance non absorbée par l'antenne est réfléchie sur la ligne, interférant avec le signal direct et créant des variations de courant et de tension le long de la ligne. Ces variations sont des ondes stationnaires.
Une mesure de cet écart est le rapport d’ondes stationnaires (SWR). Le SWR est généralement exprimé comme le rapport des valeurs maximales et minimales des valeurs de courant ou de tension direct et inverse le long de la ligne :
ROS = I max /I min = V max /V min
Une autre manière plus simple d'exprimer le SWR est le rapport entre l'impédance caractéristique de la ligne de transmission (Zo) et l'impédance de l'antenne (R) :
SWR = Z o /R ou R/Z o
selon l'impédance la plus grande.
Le ROS idéal est de 1 : 1. Un ROS de 2 pour 1 indique une puissance réfléchie de 10 %, ce qui signifie que 90 % de la puissance transmise arrive à l'antenne. Un SWR de 2:1 est généralement considéré comme le maximum autorisé pour le fonctionnement le plus efficace du système.
Considérons maintenant le champ résultant qui apparaît lors de l'action simultanée de deux oscillateurs. Dans le chapitre précédent, plusieurs cas parmi les plus simples ont déjà été abordés. Nous donnerons d’abord une image qualitative du phénomène puis décrirons les mêmes effets d’un point de vue quantitatif. Prenons le cas le plus simple, lorsque les oscillateurs et le détecteur sont situés dans le même plan horizontal, et que les oscillateurs oscillent dans le sens vertical.
En figue. 29.5a montre une vue de dessus des deux oscillateurs ; dans ce cas, la distance qui les sépare dans le sens nord-sud est égale à la moitié de la longueur d'onde et ils oscillent dans la même phase, c'est-à-dire la différence de phase des oscillateurs est nulle. Nous nous intéressons à l'intensité du rayonnement dans différentes directions. Par intensité, nous entendons la quantité d'énergie qui nous passe en 1 seconde ; elle est proportionnelle au carré de l'intensité du champ moyennée dans le temps. Ainsi, pour déterminer la luminosité de la lumière, vous devez prendre le carré de l’intensité du champ électrique, et non l’intensité elle-même. (L'intensité du champ électrique est caractérisée par la force avec laquelle le champ agit sur une charge stationnaire, et la quantité d'énergie traversant une certaine zone est proportionnelle au carré de l'intensité du champ et est mesurée en watts par mètre carré. La proportionnalité Le coefficient sera dérivé dans le chapitre suivant.) Si nous sommes à l'ouest d'un système d'oscillateurs et que nous recevons des champs des deux oscillateurs qui sont de même amplitude et avec la même phase, de sorte que le champ électrique total est deux fois plus grand. grand comme le champ d’un oscillateur individuel. Par conséquent, l’intensité sera quatre fois supérieure à l’intensité résultant de l’action d’un seul oscillateur. (Les nombres sur la figure 29.5 indiquent l'intensité, et l'unité de mesure est l'intensité du rayonnement d'un oscillateur placé à l'origine.) Maintenant, mesurons le champ dans la direction nord ou sud, le long de la ligne des oscillateurs. Étant donné que la distance entre les oscillateurs est égale à la moitié de la longueur d'onde, leurs champs de rayonnement diffèrent en phase d'exactement un demi-cycle et le champ total est donc nul. Pour un angle intermédiaire (égal à ) l'intensité est égale à 2, c'est-à-dire qu'en décroissant, l'intensité prend successivement les valeurs 4, 2, O, etc. Il faut apprendre à trouver l'intensité pour différents angles. Essentiellement, cela revient au problème de l’addition de deux oscillations avec des phases différentes.
Graphique 29.5. Dépendance de l'intensité du rayonnement de deux dipôles situés à une distance d'une demi-longueur d'onde sur la direction du rayonnement.
a - dipôles en phase (); b - dipôles en antiphase.
Jetons un coup d'œil rapide à quelques cas plus intéressants. Laissez la distance entre les oscillateurs, comme précédemment, être égale à la moitié de la longueur d'onde, mais les oscillations d'un oscillateur sont en retard par rapport aux oscillations de l'autre en phase de la moitié de la période (voir Fig. 29.5, b). L’intensité dans la direction horizontale (ouest ou est) devient nulle car un oscillateur « pousse » dans une direction et l’autre pousse dans la direction opposée. Dans la direction nord, le signal de l'oscillateur le plus proche arrive un demi-cycle plus tôt que le signal de l'oscillateur éloigné. Mais celui-ci n'est retardé dans ses oscillations que d'une demi-période, de sorte que les deux signaux arrivent simultanément, et l'intensité dans la direction nord est de 4. L'intensité sous un angle de 30°, comme nous le montrerons plus loin, est encore égale à 2.
Venons-en maintenant à une propriété intéressante, très utile en pratique. Notez que les relations de phase entre les oscillateurs sont utilisées lors de la transmission d'ondes radio. Disons que nous voulons envoyer un signal radio aux îles hawaïennes. Pour cela, nous utilisons un système d'antenne situé comme indiqué sur la Fig. 29,5, a, et définissez une différence de phase nulle entre eux. L'intensité maximale ira alors dans la bonne direction, puisque les îles hawaïennes se trouvent à l'ouest des États-Unis. Le lendemain, nous déciderons de transmettre des signaux au Canada. Et comme le Canada est au nord, il suffit de changer le signe d'une des antennes pour que les antennes soient en antiphase, comme sur la Fig. 29.5, b, et la transmission se dirigera vers le nord. Vous pouvez proposer différents dispositifs de système d'antenne. Notre méthode est l’une des plus simples ; on peut considérablement compliquer le système et, en choisissant les relations de phase souhaitées, envoyer un faisceau d'intensité maximale dans la direction souhaitée, sans même déplacer aucune des antennes ! Cependant, dans les deux émissions de radio, nous avons gaspillé beaucoup d'énergie, cela allait exactement dans la direction opposée ; intéressant de savoir s'il existe un moyen d'envoyer des signaux dans une seule direction ? À première vue, il semble qu’une paire d’antennes de ce type rayonnera toujours symétriquement. En réalité, la situation est beaucoup plus variée ; Considérons, à titre d'exemple, le cas d'un rayonnement asymétrique provenant de deux antennes.
Graphique 29.6. Deux antennes dipôles offrant un rayonnement maximal
Supposons que la distance entre les antennes soit égale à un quart de la longueur d'onde et que l'antenne nord soit en retard par rapport à celle du sud en phase d'un quart de période. Qu'obtiendrons-nous alors (Fig. 29.6) ? Comme nous le montrerons plus tard, dans la direction ouest l'intensité est égale à 2. Dans la direction sud le résultat sera nul, car le signal de la source nord arrive 90° plus tard que le signal de la source sud et, de plus, il est en retard de phase de 80° supplémentaires ; en conséquence, la différence de phase totale est de 180° et l'effet total est nul. Dans la direction nord, le signal de la source arrive 90° plus tôt que le signal de , puisque la source est un quart d'onde plus proche. Mais la différence de phase est de 90° et compense le retard, donc les deux signaux arrivent avec la même phase, ce qui donne une intensité de 4.
Ainsi, en faisant preuve d'une certaine ingéniosité dans l'emplacement des antennes et en choisissant les déphasages souhaités, il est possible de diriger l'énergie du rayonnement dans une seule direction. Certes, l’énergie sera toujours émise sur une plage d’angles assez large. Est-il possible de concentrer le rayonnement dans une plage d’angles plus étroite ? Examinons à nouveau la transmission des vagues vers les îles hawaïennes ; là, les ondes radio allaient vers l'ouest et l'est sur une large gamme d'angles, et même à un angle de 30°, l'intensité n'était que la moitié du maximum, l'énergie était gaspillée.
Cette situation peut-elle être améliorée ? Considérons le cas où la distance entre les sources est égale à dix longueurs d'onde (Fig. 29.7) et la différence de phase des oscillations est nulle. Ceci est plus proche de la situation décrite précédemment, où nous avons expérimenté des intervalles égaux à plusieurs longueurs d'onde plutôt qu'à de petites fractions de longueur d'onde. Voici une image différente.
Graphique 29.7. Distribution d'intensité de deux dipôles. Situés à distance les uns des autres
Si la distance entre les sources est égale à dix longueurs d'onde (on choisit le cas le plus simple lorsqu'elles sont en phase), alors dans les directions ouest et est l'intensité est maximale et égale à 4. Si on se déplace d'un petit angle, la phase la différence devient égale à 180° et l'intensité s'inverse jusqu'à zéro. Plus strictement : si nous traçons des lignes droites de chaque oscillateur jusqu'au point d'observation et calculons la différence de distance par rapport aux oscillateurs, et qu'elle s'avère égale, alors les deux signaux seront en antiphase et l'effet total est égal à zéro. Le premier zéro de la figure correspond à cette direction. 29,7 (la figure n'est pas à l'échelle ; il s'agit essentiellement d'un diagramme approximatif). Cela signifie que nous obtenons un faisceau étroit dans la direction souhaitée ; si on s'écarte légèrement, l'intensité disparaît. Malheureusement, sur le plan pratique, de tels systèmes de transmission présentent un inconvénient majeur : sous un certain angle, la distance peut devenir égale et les deux signaux seront alors à nouveau en phase ! Le résultat est une image avec une alternance de maxima et de minima, exactement comme dans le chapitre. 28 pour une distance entre oscillateurs égale à .
Comment se débarrasser de tous les maxima supplémentaires ? Il existe un moyen plutôt intéressant d’éliminer les effets indésirables. Plaçons-en toute une série d'autres entre nos deux antennes (Fig. 29.8). Laissez la distance entre les extrêmes être toujours égale à , et après chacune, mettons une antenne et accordons toutes les antennes sur la même phase. Nous aurons ainsi six antennes au total, et l'intensité dans la direction ouest-est augmentera bien entendu considérablement par rapport à l'intensité d'une seule antenne. Le champ augmentera six fois et l'intensité, déterminée par le carré du champ, augmentera trente-six fois. Près de la direction ouest-est, comme auparavant, une direction d’intensité nulle apparaîtra, et plus loin, là où l’on s’attendait à voir un maximum élevé, seule une petite « bosse » apparaîtra. Essayons de comprendre pourquoi cela se produit.
Chiffre. 29.8. Un dispositif de six antennes dipôles et une partie de la distribution d'intensité de son rayonnement.
La raison de l'apparition du maximum, semble-t-il, existe toujours, puisqu'il peut être égal à la longueur d'onde, et les oscillateurs 1 et 6, étant en phase, amplifient mutuellement leurs signaux. Mais les oscillateurs 3 et 4 sont déphasés par rapport aux oscillateurs 1 et 6, différant en phase d'eux d'environ une demi-longueur d'onde, et provoquent l'effet inverse par rapport à ces oscillateurs. Par conséquent, l’intensité dans cette direction s’avère faible, bien que pas exactement égale à zéro. En conséquence, un faisceau puissant apparaît dans la direction souhaitée et un certain nombre de petits maxima latéraux. Mais dans notre exemple particulier, il y a un inconvénient supplémentaire : puisque la distance entre dipôles voisins est égale, il est possible de trouver l'angle pour lequel la différence de trajectoire des rayons provenant des dipôles voisins est exactement égale à la longueur d'onde. Les signaux des oscillateurs voisins différeront de 360°, c'est-à-dire qu'ils seront à nouveau en phase, et dans cette direction nous recevrons un autre puissant faisceau d'ondes radio ! En pratique, cet effet peut être facilement évité si la distance entre les oscillateurs est choisie inférieure à une longueur d'onde. L'apparition même de maxima supplémentaires à une distance entre des oscillateurs de plus d'une longueur d'onde est très intéressante et importante, mais pas pour la transmission d'ondes radio, mais pour les réseaux de diffraction.