Во всех ответах указаны некоторые допустимые моменты, но они не дают точного ответа на вопрос, который я хочу повторить для ясности:
Why is 50 Ω often chosen as the input impedance of antennas, whereas the free space impedance is 377 Ω?
Краткий и простой ответ
Эти два сопротивления не имеют никакого отношения вообще. Они описывают различные физические явления: входной импеданс антенны не связан с импедансом в свободном пространстве 377 Ом. Только случайно единица обоих слагаемых одинакова (т. Е. Ом). Кроме того, 50 Ом - это обычное значение для характеристических сопротивлений линий передачи и т. Д., См. Другие ответы.
По сути, входной импеданс антенны, любое другое сопротивление или реактивное сопротивление, а также характеристические импедансы являются описаниями на уровне цепи для обработки напряжений и токов, тогда как импеданс волны в свободном пространстве предназначен для описания электрических и магнитных полей. В частности, (действительное) входное сопротивление 50 Ом означает, что если вы подаете напряжение 50 В на антенну, ток 1 А будет течь через точку питания антенны. Импеданс в свободном пространстве не имеет отношения к какой-либо конфигурации антенны или материала. Он описывает соотношение электрического и магнитного полей в распространяющейся плоской волне, которое аппроксимируется полученным на бесконечном расстоянии излучающей антенной.
Более длинный ответ
Первый импеданс, упомянутый в вопросе, - это входной импеданс антенны, который представляет собой сумму радиационной стойкости, сопротивления потерь и реактивных компонентов, которые описаны как мнимая часть. Это связано с токами I и напряжениями V на выводе питания на уровне описания схемы, то есть
R=VI.
При изменении точки подачи антенны значение этого радиационного сопротивления может измениться (этот факт используется, например, для согласования вставных антенн с микрополосковыми вставками). Однако излучаемые поля остаются в основном такими же.
Это сопротивление R сопротивления излучения такого же типа, как у резистора или характеристического импеданса линии передачи коаксиальных линий или микрополосковых линий, поскольку они также определяются через напряжения и токи.
Сопротивление излучению не является реальным сопротивлением, это всего лишь модель для случая излучения (т. Е. Работы антенны для передачи мощности), когда мощность теряется с точки зрения схемы, поскольку она излучается.
Второй импеданс представляет собой волновой импеданс полей, который описывает отношения электрического ( E ) и магнитного ( H ) полей. Импеданс в свободном пространстве, например, задается как
Z0,freespace=EH=π119,9169832Ω≈377Ω.
Мы сразу видим, что поля и напряжения имеют отношение, которое может изменяться в зависимости от геометрии и т. Д., Или не может быть уникального определения напряжений (например, в полом волноводе).
Чтобы сделать это отсутствие взаимосвязи импедансов такого рода более понятным, может помочь пример.
В очень простом случае волны ТЕА внутри коаксиального кабеля мы знаем, как рассчитать волновое сопротивление коаксиального кабеля на основе геометрии как
Z0,coax=12πμ0ϵ0−−−√lnrouterrinner,
если предположить, что наполняющим материалом является вакуум. Это характерный импеданс (линии передачи) для токов и напряжений этой линии, и это тот тип импеданса, который должен соответствовать входному импедансу антенны.
Однако, посмотрев на поля внутри кабеля, мы обнаружим, что электрическое поле имеет только радиальную составляющую (точные значения в данном контексте не имеют значения)
Er∝1rln(rinner/router).
Что более интересно,полеB имеет толькоϕ -компоненту, которая является масштабированной версией электрического радиального поля
Bϕ=kωEr=1cEr,
Гдеc является скорость света, которая составляет от свободного пространства (!)Потому что среда внутри свободное пространство. Используя
B=μH,
наконец , мы знаем фи-компоненту магнитного поля как
Hϕ=ϵ√μ−−√Er=Z0,freespaceEr,
Таким образом, отношение электрических и магнитных полей , является постоянным , и только зависящей от среды; однако это не зависит от геометрии кабеля.
Для свободного пространства внутри коаксиального кабеля волновое сопротивление всегда составляет приблизительно 377 Ом, в то время как характеристическое сопротивление зависит от геометрии и может принимать любое возможное значение от почти нуля до чрезвычайно больших значений.
Заключение и заключительные замечания
Если мы снова посмотрим на пример коаксиального кабеля и оставим его открытым в конце, то достижение характеристического сопротивления ~ 377 Ом не имеет отношения к полям. Любой коаксиальный кабель, заполненный воздухом, имеет волновое сопротивление ~ 377 Ом, но это вовсе не помогает сделать открытый кусок коаксиального кабеля хорошей антенной. Следовательно, хорошее определение антенны вообще не относится к импедансам, а гласит:
An antenna is a transducer from a guided wave to an unguided wave.