Og hvis det er mulig å bruke en tuner for å få en sender til å mate strøm i en kleshenger, hvorfor bekymrer vi oss for å lage resonansantenner i utgangspunktet?
Med et ord - effektivitet.
Tenk på at en full størrelse 40 meter, 1/2 bølgelengde dipol er omtrent 65 fot (19,8 meter) lang. En dipol som bare er 0,6 meter lang, vil ha en gevinst på bare 0,5 dB mindre enn 65 fot dipolen. Dette ville neppe være en merkbar forskjell i luften. Men problemet er at vi ikke kan gjøre antennesystemet effektivt nok til å innse det mindre 0,5 dB tapet. Systemets ineffektivitet resulterer ofte i betydelige tap sammenlignet med en dipol i full størrelse.
Men vi skal heller ikke være besatt av resonansantenner - det gjør liten forskjell med praktiske antenner hvis vi ordentlig håndterer deres ikke-resonante effekter . En 10/8 bølgedipol har nesten dobbelt forsterkningen av en 1/2 bølgedipol. Det er ikke resonant, men kan enkelt matches med en overføringslinje med et enkelt matchende nettverk. En Yagi-antenne er ikke resonant uten tillegg av et matchende nettverk. Tenk også på at mange resonansantenner uansett ikke er resonansfulle ved impedansen til matelinjen - for eksempel er et ideelt 1/4 bølgeformplan vertikalt resonant ved omtrent 34 ohm.
Her er noen typiske kilder til antennesystem ineffektivitet:
Strålingsmotstand mot resistente tap
Strålebestandighet er et ofte misforstått og misbrukt begrep. Strålingsmotstanden til en antenne er forårsaket av stråling fra elektromagnetiske bølger. For en ledig plass, 1/2 bølge, sentrert dipol med rimelig konstruksjon, er strålingsbestandigheten ~ 73 ohm. Eventuelle resistive tap (kraft som ikke utstråles) i antennen legger til denne strålingsmotstanden for å bidra til matepunktimpedansen. I tilfelle av denne dipolen vil det være en veldig liten mengde RF-motstand på grunn av ledningene som utgjør dipolen. Hvis vi bruker 14 gauge (1,45 mm) ledning for å konstruere antennen, vil RF-motstanden være ~ 2,7 ohm. Den totale matepunktimpedansen vil da være 75,7 ohm i dette eksemplet.
Effektiviteten til en antenne er gitt av formelen:
$ $ Effektivitet = \ left (\ frac {R_r} {R_r + R_l} \ høyre) $$
hvor R r er strålingsmotstanden og R l er de resistive tapene.
Så hvis vi bruker dette på vårt dipoleeksempel ovenfor, vil effektiviteten være 96,4%. Derimot vil den to fots dipolen ha en R på ca. 0,04 ohm og en komparativ R på 0,08 ohm, noe som resulterer i en effektivitet på 33%.
For å fullføre denne delen av effektivitetsbildet, bør du vurdere at:
$$ Gain = Directivity \ times Efficiency $$
En dipol i full størrelse har en direktivitet på 1,65. Multipliser dette ganger 96,4% effektiviteten til eksemplet ovenfor, og forsterkningen blir 1,59 (2,02 dBi). For den korte dipolen er retningsvirkningen 1,5. Multipliser dette ganger 33% effektiviteten til eksemplet ovenfor, og forsterkningen blir 0,5 (-3,01 dBi). Så vi har allerede en 5 dB forskjell mellom de to antennene, og det er fortsatt andre system tap som må tas i betraktning.
Matchende nettverk / tunere sterk >
I eksemplet på vår 1/2 bølgedipol er antennens matepunktimpedans ~ 75 ohm. Hvis vi prøver å kjøre dette med en 50 ohm kilde, kan det være lurt å ha en tuner eller et matchende nettverk som gjør transformasjonen mellom de to stort sett resistive impedansene. I dette tilfellet vil en velbygd tuner eller et matchende nettverk ha en effektivitet i området 80-95% (mindre enn 1 dB tap).
Når det gjelder vårt korte dipoleksempel, er situasjonen litt mer komplisert. Vi må både avbryte den kapasitive reaktansen til dipolen og matche den svært lave tilførselspunktimpedansen. Uten å gå gjennom arbeidskrevende beregninger av samsvarende nettverkseffektivitet, ville det ikke være urimelig å forvente mindre enn 10% effektivitet (>10 dB tap) fra det matchende nettverket. Dette betyr at minst 90% av den påførte kraften eller signalet vil gå tapt for varme i det matchende nettverket alene. Vårt korte dipol system har nå en gevinst på -13 dBi, som er mer enn 15 dB ned fra vårt dipoleeksempel i full størrelse. Dette tilsvarer å sammenligne signalstyrken til en 100 watt sender til en 3 watt sender.
Overføringslinjetap
Alle overføringslinjer fra den virkelige verden viser tap. Dette er i seg selv en reduksjon i effektiviteten. Spesifikasjonen for overføringslinjen viser tapet for overføringslinjen ved en gitt frekvens forutsatt at overføringsledningen er avsluttet i sin karakteristiske impedans. Når overføringslinjen ikke avsluttes med sin karakteristiske impedans, øker tapet av overføringslinjen (effektiviteten reduseres ytterligere).
Ved å plassere en tuner eller et matchende nettverk nær antennen for å gi en samsvar med karakteristisk impedans til overføringslinjen, kan de ekstra tapene på grunn av en misforhold i overføringslinjen unngås. Dette maksimerer effektiviteten til en gitt overføringslinje.
Det er en sekundær effekt når overføringslinjen ikke er koblet til en belastning som samsvarer med dens karakteristiske impedans - overføringsledningen vil ikke lenger vise sin karakteristiske impedans. En annen måte å si dette på er at det blir en impedansstransformator. For eksempel vil vår 75 ohm dipolimpedans i det tidlige eksemplet når den er koblet til 23 fot RG213 bli transformert til 34 ohm ved senderenden av overføringslinjen. De totale tapene i overføringsledningen vil være 0,119 dB, hvorav bare 0,009 dB skyldes feil samsvar. Et gratis program som TLDetails gjør raskt arbeid med disse beregningene:
I noen tilfeller er denne transformasjonen kan brukes til vår fordel ved å transformere antenneimpedansen til noe som er mer brukbart fra et systemeffektivitetsperspektiv. I andre tilfeller kan det forverre systemeffektiviteten. Men vurder denne transformerende effekten i lys av effektiviteten til senderen.
Sendereffekteffektivitet
Den endelige effektivitetsfaktoren som skal vurderes er utgangseffekten til senderen. De fleste amatørsendere er designet for å levere sin nominelle utgangseffekt når de er koblet til en resistiv belastning på 50 ohm. Ethvert avvik fra denne belastningen vil vanligvis føre til lavere utgangseffekt fra senderen. Dette tapet av senderens utgangseffekt reduserer effektivt effektiviteten til systemet.
For eksempel, en 100 watt, 50 ohm kildeimpedanssender som er koblet til 23 fot RG213 som avsluttes med vår 75 ohm dipol , vil gi 96 watt (hvis ingen beskyttelseskretser sparker inn). Dette er en utgangseffektivitet på 96% (et tap på 0,17 dB). Merk at dette er mest sannsynlig i dette eksemplet mer effektivt enn å bruke en antennemottaker på senderen for å matche senderimpedansen til feedlineimpedansen (selv om dette er en 1,5: 1 SWR).
SWR
SWR er basert på forholdet mellom overføringslinjens karakteristiske impedans og impedansen til belastningen på overføringsledningen. Når det gjelder et sendesystem, er belastningen vanligvis antennen. Når det gjelder et mottakersystem, er belastningen typisk mottakerinngangsimpedansen.
Siden vi allerede har behandlet forholdet mellom overføringslinjens karakteristiske impedans og lastimpedansen i den tidligere overføringslinjeseksjonen, trenger ikke å betrakte SWR som en annen kilde til ineffektivitet.