Радиокомплекты для любителей иногда включают в себя «антенну», которая представляет собой не что иное, как провод соответствующей длины. Это хорошее напоминание о том, что самая простая антенна – это просто проводник, и что простой проводник может стать антенной, хотим мы этого или нет.
Антенна определяется как «пассивный компонент, который используется для преобразования радиочастотного электрического сигнала в электромагнитное излучение (ЭМИ) или наоборот». Но компоненты, которые мы называем антеннами – не единственные источники ЭМИ в цепи. ЭМИ возникает, когда напряжение вызывает изменяющийся во времени ток через проводник. Энергия, которая изначально присутствует в проводнике как движение электрического заряда, преобразуется в энергию, которая распространяется в пространство в виде электрических и магнитных полей. Аналогично, электромагнитная энергия преобразуется в сигналы напряжения и тока внутри проводника, когда проводник подвергается воздействию электромагнитных волн.
Электронные устройства всех видов, в том числе те, которые не используют какую-либо форму беспроводной связи, используют изменяющиеся во времени сигналы, генерирующие ЭМИ, а также подвергаются воздействию ЭМИ, которое индуцирует изменяющиеся во времени сигналы. В этом смысле антенны повсюду: дорожки печатных плат, провода разъемов и выводы компонентов способны излучать и принимать электромагнитное излучение. Однако в другом смысле антенны есть не везде. Компоненты и схемы, особенно те, которые используют высокочастотные сигналы, спроектированы так, чтобы уменьшить нежелательные излучения и противостоять влиянию потенциально разрушительного ЭМИ. Несмотря на то, что печатная плата типичного встроенного устройства заполнена проводниками, которые теоретически функционируют как радиочастотные передатчики и приемники, эти непреднамеренные антенны обычно не оказывают вредного воздействия на реальную функциональность.
Размеры и конфигурация антенны определяют, насколько эффективно она излучает или принимает, поэтому первым шагом при использовании любой базовой антенны является регулировка ее физической длины в соответствии с длиной волны сигнала. Во многих случаях обычные проводники едва ли можно назвать антеннами — они настолько коротки по сравнению с длиной волны сигнала, что эффекты передачи или приема незначительны. Их действительно нельзя сравнивать со сложными оптимизированными антеннами, которые обеспечивают высокоэффективное преобразование и могут даже обеспечивать большое усиление, как показано на следующем изображении, на котором космический корабль «Вояджер» оснащен параболической антенной, обеспечивающей усиление 48 дБ.
Но нужно знать, что более длинные проводники также могут быть плохими антеннами. Однако, когда проводник не предназначен для передачи или приема радиочастотных сигналов, это полезно. Например, витая пара в сочетании с дифференциальной передачей сигналов делает длинные проводники менее склонными к излучению проблемного ЭМИ и более устойчивыми к входящему ЭМИ.
Мы установили, что каждый проводник, по крайней мере теоретически, является антенной, но степень, в которой это применимо к электронному проектированию, зависит от природы задействованных сигналов. Цифровые сигналы, особенно высокочастотные цифровые сигналы, с удовольствием будут использовать дорожки вашей печатной платы, например, такие как показаны на следующем изображении, а также выводы компонентов и межсоединения в качестве антенн. Широкий диапазон синусоидальных частот, присутствующих при быстрых переходах логического уровня, обеспечивает множество возможностей для более эффективного преобразования между электрической и электромагнитной областями.
Однако цифровые сигналы по своей сути устойчивы к принимаемому ЭМИ. Это связано с тем, что помехи ухудшают производительность только в том случае, если они достаточно сильны, чтобы изменить напряжение на другую сторону логического порога.
«Аналоговые» и «ВЧ» сигналы относятся к нецифровым сигналам. Здесь «аналоговый» подразумевает более низкие частоты. Аналоговые и радиочастотные сигналы чаще, чем цифровые, подвергаются заметному ухудшению из-за непреднамеренного включения антенн в цепь, но радиочастотные сигналы создают уникальные проблемы. Высокочастотные сигналы в радиочастотных цепях более эффективно излучаются через короткие проводники. Кроме того, короткие проводники более эффективно принимают сигналы, которые трудно игнорировать или отфильтровывать, поскольку их частоты сопоставимы с частотами интересующей системы. По этой причине проектировщики радиочастотных устройств должны понимать, что (почти) каждый проводник является антенной.
Мы надеемся, что эта статья помогла вам понять концепцию, которая иногда является решающим аспектом проектирования электроники.
© digitrode.ru