Как работают антенны: от движения электронов до радиоволн

Радио может казаться волшебством. Небольшой кусок металла передаёт энергию через долину, хотя с приёмником его ничто не соединяет. Но в основе этой физики лежит простая вещь: электроны, движущиеся в проводе. В этом руководстве мы шаг за шагом проследим это движение, от обычного провода до работающих дипольной и монопольной антенн, а затем вернёмся к тому, как антенна принимает сигнал.

Начнём с провода: что делают электроны?

В металлическом проводе уже есть множество электронов, способных двигаться. В меди примерно один электрон от каждого атома может свободно перемещаться по металлу, а не оставаться связанным с одним атомом. Батарее не нужно поставлять эти электроны. Они уже там, ещё до любого подключения.

Если подключить источник питания, вдоль провода возникает электрическое поле. Оно толкает каждый свободный электрон, и все они начинают дрейфовать в одном направлении, вдобавок к своему быстрому хаотичному движению.

Этот дрейф удивительно медленный, часто лишь доли миллиметра в секунду. Лампа всё же загорается почти мгновенно, потому что электрическое поле распространяется по проводу намного быстрее самих электронов, и электроны по всей длине провода начинают двигаться почти одновременно.

Почему электроны движутся туда и обратно?

Батарея толкает в одном направлении. Радиопередатчик работает иначе. Он создаёт переменное напряжение, которое плавно меняется, меняет полярность и повторяется.

Когда один конец провода положительный, электроны притягиваются к нему. Когда полярность меняется, электрическая сила тоже меняет направление, и электроны движутся обратно. Они никуда по-настоящему не продвигаются вдоль провода, а лишь колеблются туда и обратно около своих мест.

Одна деталь часто вызывает путаницу. Электроны несут отрицательный заряд, поэтому движутся в сторону, противоположную той, которую принято считать направлением электрического тока. Это соглашение появилось ещё до открытия электронов и закрепилось. Поэтому стрелки тока и стрелки электронов направлены в противоположные стороны.

Читаем волну: что на самом деле показывает график?

Радиосигналы обычно изображают в виде синусоиды. Её описывают четыре основных понятия:

• Цикл: одно полное повторение формы волны.
• Амплитуда: насколько волна отклоняется от нуля.
• Частота: сколько циклов происходит за секунду, измеряется в герцах. Радиосигнал на 868 МГц повторяется 868 миллионов раз в секунду.
• Фаза: в какой точке цикла волна находится в данный момент.

Главное, что нужно запомнить: график показывает, как величина, например напряжение или ток, меняется со временем. Это не физический путь электрона. Электроны не движутся по проводу по синусоиде.

Лучший способ прочитать волну — это проследить один полный цикл. Ток прямо описывает коллективное движение электронов, поэтому здесь мы будем использовать его. Каждый электрон также сохраняет быстрое хаотичное движение, поэтому «движение» ниже означает их коллективный дрейф. Помните, что условный ток направлен противоположно этому дрейфу. Следите за номерами на графике:

1. Крайнее левое положение. Электроны сместились влево до предела. Их коллективный дрейф на мгновение останавливается, поэтому ток равен нулю.
2. Вправо с максимальной скоростью. Электроны проходят через центральное положение. Ток на пике и направлен влево, поэтому красная кривая в нижней точке.
3. Замедление, затем крайнее правое положение. Электроны достигают другой крайней точки, и их коллективный дрейф снова на мгновение останавливается. Ток равен нулю.
4. Влево с максимальной скоростью. Они проходят центр в обратном направлении. Ток на пике и направлен вправо, поэтому красная кривая в верхней точке.
5. Возврат в начало. Они снова замедляются до крайнего левого положения, и начинается следующий цикл.

Обратите внимание: положение и ток достигают пика не одновременно. Электроны дальше всего от центра именно тогда, когда ток равен нулю, а ток сильнее всего, когда они проходят центр.

Этот пример относится к простому резистивному проводу, где напряжение растёт и падает в такт с током, поэтому график напряжения имел бы те же моменты пиков. В антенне всё иначе. Электроны реагируют на локальное электрическое поле в своём месте, а ток и заряд меняются вдоль антенны, поэтому один лишь график напряжения не всегда точно показывает, когда меняется ток.

Расстояния тоже крошечные. При типичных радиочастотах и токах дрейф туда и обратно может быть намного меньше размера атома.

Как — это движение создаёт радиоволну?

Здесь сходятся три физических факта:

1. У электронов есть электрическое поле. Оно есть вокруг любого заряда и простирается в окружающее пространство.
2. Электрический ток создаёт магнитное поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле вокруг провода.
3. Меняющиеся поля порождают друг друга. Меняющееся электрическое поле создаёт магнитное, а меняющееся магнитное поле создаёт электрическое.

Постоянный ток даёт постоянное магнитное поле, и оно просто остаётся вокруг провода. Но в антенне токи и заряды меняют направление миллионы раз в секунду. Поля рядом с антенной не могут подстроиться мгновенно, потому что изменения распространяются с конечной скоростью. Часть меняющегося поля продолжает двигаться наружу как самоподдерживающаяся картина электрических и магнитных полей. Эта бегущая картина и есть электромагнитная волна, и она уносит энергию от антенны со скоростью света.

Электроны остаются в металле. Удаляется только волна.

У волны тоже свой момент пика. Она рождается из изменения, поэтому её поле зависит от того, как быстро меняется ток. Быстрее всего ток меняется в момент разворота электронов, когда сам ток равен нулю. Затем этому эффекту нужно время, чтобы дойти, поэтому в удалённую точку он приходит позже. Так что положение электронов, ток и уходящее поле не достигают пика одновременно.

Почему важна длина антенны?

Длина волны, часто обозначаемая λ, — это расстояние, которое волна проходит за один цикл. Радиоволны очень быстрые, но на 868 МГц каждый цикл предельно короток, поэтому волна успевает пройти лишь около 345 мм, прежде чем начнётся следующий цикл.

Теперь представьте сигнал, идущий вдоль антенны. На конце металл заканчивается, поэтому сигнал отражается и идёт обратно. При подходящей длине прямая и отражённая волны складываются в сильную повторяющуюся картину тока вдоль антенны. Это немного похоже на раскачивание качелей в нужный момент: каждый новый толчок передатчика добавляется к уже идущему движению. Это резонанс, и именно поэтому время сигнала и длина антенны должны работать согласованно.

Особенно распространены две длины. Полуволновая антенна имеет длину в половину волны от конца до конца. Четвертьволновая антенна — это один элемент длиной в четверть волны, работающий с плоскостью заземления.

Когда идея ясна, арифметика проста. Длина волны равна скорости света, делённой на частоту, поэтому четверть волны в метрах примерно равна 75, делённым на частоту в МГц. Это даёт около 86 мм на 868 МГц и 82 мм на 915 МГц, двух распространённых частотах LoRa.

Дипольная антенна: два плеча работают вместе

Дипольная антенна — это два проводящих плеча, соединённых с источником сигнала в центре. Источник вталкивает электроны в одно плечо, вытягивая их из другого, а затем меняет направление. Так электроны движутся вдоль плеч в одном общем направлении, сначала туда, затем обратно, а заряд снова и снова оттесняется к концам.

В типичном полуволновом диполе это устанавливается в повторяющуюся картину, которую называют стоячей волной:

• Ток сильнее всего вблизи центра и падает почти до нуля на концах, потому что электроны не могут выйти за пределы металла.
• Заряд накапливается у концов: один конец положительный, другой отрицательный, и они меняются местами каждые полпериода.

В результате получается знакомая диаграмма направленности в форме бублика. Диполь сильнее всего излучает в стороны и почти ничего не излучает вдоль своей оси.

Как диполь излучает волну: шаг за шагом

Заряды и силовые линии дают ещё один полезный способ представить тот же процесс. Силовая линия электрического поля идёт от положительного заряда к отрицательному, поэтому посмотрите, что делают линии в течение первого полупериода:

1. Заряды начинают разделяться. Источник толкает электроны вниз по антенне. На верхнем плече остаётся положительный заряд, а нижнее получает отрицательный, начиная от центра. Их соединяют короткие силовые линии.
2. Поле расширяется. По мере распространения заряда вдоль плеч силовые линии растут наружу вместе с ним. Изменения поля распространяются со скоростью света, поэтому удалённое пространство их ещё не чувствует.
3. Заряд достигает пика. Через четверть цикла больше всего заряда накопилось у концов, и коллективный дрейф электронов на мгновение останавливается. Ток равен нулю, как и в цикле, который мы разобрали раньше.
4. Изменения распространяются наружу. Когда электроны меняют направление, электрическое и магнитное поля вокруг антенны меняются. Эти изменения распространяются наружу со скоростью света и уносят энергию. Кривые линии на схеме помогают представить электрическое поле; это не физические нити, отрывающиеся от провода.

В следующем полупериоде заряд накапливается наоборот, и картина повторяется с полем в обратном направлении. Эта повторяющаяся картина меняющихся электрических и магнитных полей, расходящаяся наружу, и есть радиоволна.

Монопольная антенна: один элемент и плоскость заземления

Четвертьволновый монополь — это один проводящий элемент длиной в четверть волны, который работает с проводящей поверхностью, называемой плоскостью заземления, или противовесом. Сигнал подаётся между основанием элемента и этой поверхностью. Несмотря на название, плоскость заземления не обязательно соединять с землёй.

Представьте идеальную плоскую плоскость заземления с идеальной проводимостью. Заряды на её поверхности перераспределяются под действием элемента, и их влияние над плоскостью точно такое же, как если бы под ней существовало зеркальное отражение антенны. Положительному заряду на конце элемента соответствует отрицательный заряд на конце отражения, а ток в отражении течёт в соответствующем направлении. Вместе элемент и его отражение имеют ту же форму, что и полуволновый диполь. Плоскость заземления электрически заменяет недостающую половину.

Это значит, что диаграмма направленности идеального четвертьволнового монополя совпадает с верхней половиной бублика диполя.

Реальные плоскости заземления, конечно, не бесконечны. Подойдут крыша автомобиля, набор радиальных проводов или печатная плата, но маленькая или неровная поверхность меняет настройку и может наклонить диаграмму. Зеркальная модель — это отправная точка, а не точное описание каждого устройства.

Диполь и монополь: простое сравнение

Вот обе конструкции рядом, на одной частоте.

Ни одна конструкция не лучше сама по себе. Выбор обычно зависит от доступного места, поверхности для установки и того, к чему крепится устройство.

Дополнительная техническая заметка: импеданс и усиление

В идеальном случае полуволновый диполь имеет входной импеданс около 73 Ом и усиление около 2,15 дБи. Идеальный четвертьволновый монополь на бесконечной плоскости заземления с идеальной проводимостью имеет примерно вдвое меньший импеданс, около 36 Ом, и усиление около 5,15 дБи, потому что та же мощность идёт в половину пространства. Пиковое усиление реальной установки зависит от её геометрии, потерь и диаграммы направленности.

Как антенна принимает сигнал

Теперь обратите всю историю. Когда электромагнитная волна достигает приёмной антенны, её электрическое поле толкает свободные электроны в металле. По мере смены знака поля электроны движутся туда и обратно, создавая небольшие переменные напряжение и ток в точке питания антенны. Приёмник усиливает и декодирует этот сигнал.

Благодаря свойству, называемому взаимностью, антенна обычно имеет одинаковые диаграмму направленности и усиление при передаче и приёме. Диполь, который плохо передаёт вдоль своей оси, так же плохо принимает с этого направления.

Практический пример: монополь на трекере

GPS-трекер Loko использует монопольную антенну, поэтому всё сказанное выше относится к нему напрямую. Его диаграмма слабее всего в направлении конца антенны, поэтому направить антенну прямо на другую радиостанцию обычно хуже, чем держать её вертикально. Ей нужна проводящая поверхность для работы, а металл рядом или тело могут изменить настройку и поглотить энергию. Расположение антенны — лишь одна из частей радиолинии, как объясняют эти руководства о прямой радиовидимости и дальности сигнала.

Что почитать ещё

• What's the difference between a dipole and a ground plane antenna? (Electronic Design)
• Understanding antenna specifications and operation, part 2 (DigiKey)
• Dipole antenna и monopole antenna (Википедия, на английском)