Про малогабаритні приймальні та передавальні антени. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Антени. Теорія

 Коментарі до статті

У радіоаматорській літературі останнім часом з'явилося чимало публікацій про малогабаритні приймальні та передавальні антени. Їх широко застосовують (особливо в портативній апаратурі і на рухомих об'єктах) для прийому радіомовних і телевізійних станцій, радіозв'язку, пеленгації і т. д. деяких "легендах", що відносяться до електрично малих антен. Чи завжди, наприклад, приймальна магнітна антена краща за електричну при дії близьких перешкод [1]? Спробуємо розібратися у цьому. Почнемо з визначень.

Електрично малими антенами (ЕМА) називають антени, розміри яких набагато менше довжини хвилі l або, за визначенням С. Щелкунова і Г. Фрііса [2], коли максимальний розмір антени, виміряний від вхідних затискачів, не перевищує l/8. Електрично мала рамкова антена називається магнітною антеною (МА), У ближній зоні (на відстані багато менше l), що передає МА скрізь переважає магнітна компонента Н електромагнітного поля (ставлення електричної компоненти Е до магнітної - Е/Н - набагато менше, ніж у дальній зоні ). Прийомна МА відповідно більш сприйнятлива змінному магнітному полю, ніж електричному, т. е. має компонентну селективність [3]. Електрична антена (ЕА) - короткий штир над провідною поверхнею або диполь довжиною багато менше l, - навпаки, більш сприйнятлива до компоненти Е. Якщо ж периметр рамки порівняний з довжиною робочої хвилі, то у неї немає властивостей МА. Так, наприклад, рамка периметром 11 м не має суттєвої компонентної селективності в діапазоні KB, скажімо, у смузі частот 10-20 МГц. Аналогічно і диполь порівнянних з l розмірів перестав бути електричної антеною у вказаному сенсі. Наявність феромагнітного сердечника в МА зовсім не обов'язково, але якщо він є, антену називають феритової.

Тепер про головне

1. Магнітна антена на прийомі в умовах перешкод не завжди краща за електричну. МА могла б забезпечити найкращу серед простих ЕМА перешкодозахищеність через компонентну селективність, якби джерелами перешкод створювалося в ближній зоні приймального пристрою електромагнітне поле з величезним переважанням компоненти Е [3]. Однак це виконується далеко не завжди. Наприклад, комутації в силових мережах призводять до появи в ділянках цих мереж електромагнітних хвиль, що загасають, з широким спектром. Якщо антена приймача знаходиться поблизу проводів такої мережі, то в ближній зоні сприймається як імпульсна перешкода. Амплітуди складових струму та напруги перешкоди в цій вузькій смузі прийому найчастіше розподілені вздовж проводів нерівномірно: є зони пучностей (максимумів) струму та пучностей напруги (рис. 1).

Ріс.1

Електромагнітне поле у ​​ближній зоні також неоднорідне вздовж лінії. Поблизу пучностей струму переважає магнітна компонента, а поблизу пучностей напруги електрична. В області 1 (рис. 1) кращу перешкодобезпечність дасть МА, а в області 2 - ЕА. Експерименти показали [4], що інтенсивність стоячих хвиль та розподіл пучностей напруги та струму залежать від безлічі різних умов, у тому числі від кількості та характеру підключених до мережі навантажень. У середньому з однаковою ймовірністю приймач може виявитись поблизу пучності струму або напруги. Таким чином, не завжди і не скрізь магнітна антена менш сприйнятлива до "промислових" перешкод, як іноді повідомляють. Тим більше не можна стверджувати це, говорячи про рамкові антени взагалі. Чому ж реально завжди отримують суттєве поліпшення при переході від короткого дроту (штиря) до гарної симетричної екранованої рамки, подібної до описаної в [1]? (І цей факт активно підтримує оману, про яку йдеться). Справа в тому, що найчастіше короткий провід як антена є не єдиним випромінюючим (сприймаючим) елементом антеної системи, у випромінюванні (прийому) беруть участь також дроти мережі, заземлення, інші металеві конструкції, з'єднані з корпусом передавача (приймача).

Багатьом знайома ситуація, коли неонова лампочка світиться при дотику до корпусу передавача, труб опалення... Якщо така "антена система" використовується на прийомі, то всі перелічені елементи сприймають всілякі перешкоди та наведення в будівлі з безліччю комутованих ланцюгів та ліній (силових, телефонних) і т.п.). А зробити короткий симетричний диполь навіть простіше, ніж якісну рамку. Потрібно тільки виключити сприйнятливість лінії фідера до електромагнітних полів і усунути проникнення сигналів у приймач побічними шляхами крім антени.

Якщо помилка, розглянута вище, полягала в підвищеній оцінці селективності приймальної МА, то інше, також дуже поширена помилка полягає в тому, що нібито передають МА значно гірше ЕА. У ряді публікацій стверджується, що при роботі на передачу малі рамки набагато менш ефективні, ніж електричні антени порівняних розмірів через значно менший опір випромінювання. Справді, у диполя довжиною l_SД= 20p²(l/l)², а біля круглої рамки периметром l_SP= 20p²(l/l)⁴. При однакових l=1 м та l=80 м, R_SP/R_SД=1/6400. Випромінювана потужність дорівнює: Р_S=Ia²R_Sде Ia - ефективне значення струму антени в точках підключення. З останнього виразу випливає, що очікується рівності випромінюваних нашими антенами потужностей, якщо струм у рамці буде у 80 разів більше вхідного струму диполя. Чи це реально? Виявляється, цілком.

2. З урахуванням втрат у ланцюгах узгодження електрично малі диполь та рамка ефективності під час роботи на передачу приблизно рівноцінні. Ефективність Е антени, що дорівнює відношенню випромінюваної потужності до генератора, що відбирається від залежить від опору власних втрат антени (Rа), але і від опору втрат у необхідному елементі узгодження (компенсації реактивного опору) Rс: Е=R_S/ (R_S+R_A+Rc) див. рис. 2.

Ріс.2

Активний опір (в омах) антен з урахуванням скін-ефекту для рамки периметром l дорівнює

де d - діаметр провідника (мм), mг - відносна проникність матеріалу антени, s та s_м - питомі опори матеріалу антени та міді відповідно до диполя довжиною l: R_аД=R_aP/3. Активні втрати в елементах узгодження залежать від їх параметрів і добротностей: Rc=|Хa|/Qс, де Хa - реактивна складова повного вхідного опору антени, що має ємнісний характер для l і індуктивний для рамки, причому для ЕМА|Х_aPХ<Х_aДЕлемент узгодження забезпечує послідовний резонанс в антеному контурі (Ха + Хс = 0). Реальні добротності для диполя Qсд = 200 ... 400, для рамки Qср = 1000 ... 2000. Реактивні опори (в омах) можна розрахувати за формулами:

Вони одержані, як і попередні, на підставі відомих співвідношень (див., наприклад, [5-7]). Результати розрахунків диполя та одновиткових рамкових антен, виготовлених з міді (d=10 мм), для l=80 м, Qсд=200, Qcp=1000, вказані в таблицях.

Таблиця 1. Розрахункові дані для диполя завдовжки l

Параметр	l/l.
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ом	1,97	0,493	0,123	0,031	0,0077
Ra, Ом	0,043	0,021	0,011	0,0054	0,0027
Xa, Ом	-2264	-4120	-7235	-12374	-20524
Rc, Ом	11,3	20,6	36,1	61,8	103
Ед, %	14,8	2,3	0,34	0,05	0,0075
Qеф	85	98	99	100	100

Таблиця 2. Розрахункові дані для рамки периметром l

Параметр	л/л
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0.00625
RS, Ом	0,0197	0,00123	7,7*10-6	4,8*10-6	3*10-7
Ra, Ом	0,129	0,064	0,032	0,016	0,008
Xa, Ом	212	93	40	16,7	6,7
Rc, Ом	0,212	0,093	0,04	0,0167	0,0067
Ер, %	5,55	0,78	0,11	0,015	0,002
Ер/Ед	0,37	0,33	0,31	0,29	0,27
Qеф	294	293	276	254	227

Таблиця 3. Розрахункові дані для рамки діаметром l

Параметр	л/л
	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ом	0,12	0,075	0,0047	0,00003
Ra, Ом	0,20	0,10	0,05	0,025
Xa, Ом	359	159	69	29
Rc, Ом	0,36	0,16	0,07	0,03
Ер, %	17,6	2,8	0.39	0,053
Ер/Ед	7,54	8,25	7,82	7,12
Qеф	264	297	288	269

Вони показують, що з ефективності мала рамка може бути краще диполя порівняних розмірів. Хоча, звісно, ​​сама ефективність дуже мала і падає зі зменшенням відносних розмірів. Аналогічні розрахунки алюмінію дали погіршення ефективності трохи більше 12 % для рамки і 0,2 % дляля. Для l=160 м за тих же інших параметрах ефективність виявилася гіршою в середньому на 20%. Наведені результати добре узгоджуються з даними роботи [8], отриманими для штиря над поверхнею, що ідеально проводить. Отже, якщо ефективність рамки швидко падає через зменшення R_SP, то ефективність диполя зменшується так само швидко через зростання втрат у узгоджувальному елементі.

3. Що ж краще, мала рамка або малий диполь, якщо за ефективністю вони приблизно рівноцінні?

Найважливіша перевага роботи в оточенні предметів з діелектрика з втратами (тіло оператора, будівельні матеріали тощо) вплив середовища на резонансну частоту (розлад) і на ефективність (втрати) рамки набагато слабші, ніж вплив на диполь. Автором випробувані передавачі з генераторами однакової потужності та антенами: рамковою діаметром 42 см та дипольною довжиною 120 см; довжина хвилі 82 м. Ефективність обох антен, що у вільному просторі (оцінювалася далекому полю), виявилася приблизно однаковою. Стовбур дерева, тіло і руки оператора поруч із диполем змінювали напруженість поля в десятки разів. А рамку можна було покласти в рюкзак на спині оператора, надіти на шию або повністю закопати в сніг, і це не призводило до помітного погіршення параметрів поля.

Електричний контакт із металевим предметом, звичайно, може сильно вплинути і на рамку, але від цього є простий засіб – ізоляція. Інші переваги малих рамок: вони не вимагають противаги (як, наприклад, короткий штир), менш вимогливі до якості ізоляції, менше впливають на тканини живих організмів при роботі на передачу (втрати в ближньому електричному полі малого диполя значно більше), міцніше механічно. Спрямованість при вертикальній поляризації в одних випадках може бути корисною, в інших – ні. Смуга пропускання магнітної антени дещо вже, ніж електричної. Однак, як видно з таблиць, помилково думати, що чим менше антена, тим смуга пропускання. Підвищенню добротності Qеф контуру диполя перешкоджає зростання втрат у котушці, а зростанню добротності контуру МА зі зменшенням розмірів перешкоджає зменшення власної індуктивності. Труднощі при виготовленні та експлуатації МА полягають у забезпеченні мінімальних активних втрат у з'єднаннях. Струм рамки в десятки разів більше струму диполя, тому втрати енергії на поганих контактах у сотні та тисячі разів більше. Практично це означає непридатність різьбових з'єднань (тільки паяння або зварювання) та необхідність безконтактних елементів налаштування. Таким чином, переваг у магнітної антени більше, особливо під час роботи в неферомагнітних середовищах.

4. Чи має перевагу багатовиткова мала рамка над одновітковою того ж діаметра?

Це також одне з питань, відповідь на яке не цілком очевидна. З табл. 2 і 3 видно, що для одновіткової рамки RE1<_S1/2R_A1. Оскільки опір випромінювання та опір втрат у узгоджувальному елементі пропорційні квадрату числа витків (N2), а опір власних втрат пропорційно числу витків (N), ефективність N-виткової рамки приблизно оцінюється формулою: Е_N=R_S1N/(1+N)R_A1. Точні розрахунки при l/l=0,0125 (по табл. 2) показали, що за N=2 ефективність при тому діаметрі (l - периметр витка) збільшилася на 29%, при N=4 - на 54%, при N =10 – на 75%. Отже, ефективність малої N-виткової рамки буде дещо вищою, ніж одновиткової, але не більше ніж у 2 рази. Насамкінець підкреслимо, що всі висновки про ефективність, зроблені для передаючих антен, справедливі для цих антен і в режимі прийому. Неправильно вважати, що тільки висота, що діє, визначить ефективність. Ефективність малої рамки на прийомі не гірша, ніж у диполя таких же розмірів, незважаючи на те, що висота диполя, що діє, в десятки разів більша. Також ефективність N-виткової рамки на прийомі не буде в N разів більше ефективності одновіткової, незважаючи на те, що висота, що діє, пропорційна N. У сказаному багато разів переконувався кожен, хто мав справу з виготовленням і випробуванням спортивних пеленгаторів.

література

1. Андріанов В. Широкосмугова рамкова антена. - Радіо, 1991 № 1, с. 54-56.
2. Щелкунов С., Фрііс Г. Антени.- М.: Рад. радіо, 1950.
3. Гречихін А. Компонентна селекція. - Радіо, 1984 № 3, с. 18-20.
4. Гаврилін А. Т., Гречихін А. І. Про структуру ближнього електромагнітного поля комутаційних перешкод.- У кн.: Методи та пристрої обробки сигналів у радіотехнічних системах: Міжвуз. збірник. - Горький: ДПІ, 1987, с. 43-48.
5. Білоцерківський Г. Б. Антени.- М.: Оборонгіе, 1956.
6. Гінкін Г. Г. Довідник з радіотехніки. - М. - Л.: ГЕІ, 1948.
7. Мейнке X., Гундлах Ф. В, Радіотехнічний довідник. Т. 1. - М.-Л.: ГЕІ, 1960.
8. Walter С. Н "Newman Е. Н. Electrically small antennas.- Report HDL-TR-041-1 (Feb. 1974). - Washington, 1974.

Публікація: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Дивіться інші статті розділу Антени. Теорія.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем ​​з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву Антена зменшує випромінювання телефону 19.11.2002 Англійська компанія "Sarantel" розробила антену "PowerHelix" для мобільних телефонів, яка може майже вдвічі зменшити їхнє шкідливе випромінювання. Основу PowerHelix складають дві спіралеподібні канавки, нанесені на виконану з кераміки циліндричну частину антени. Спочатку такі антени призначалися для застосування у GPS-приймачах та системах автомобільної телеметрії. При використанні нової антени можна на 85% зменшити потужність, що поглинається користувачем мобільника, а також збільшити швидкість передачі даних в стільниковій мережі, не вдаючись до будівництва нових базових станцій і не збільшуючи потужність передавачів телефонів.

Інші цікаві новини:

▪ Морська вода замінить в акумуляторах важкі метали

▪ Самонавіювання чи алергія

▪ Звукові хвилі - джерела негативної гравітації, що мають негативну масу

▪ Безбарвна кава, що не залишає слідів.

▪ MAX77950 - універсальний приймач бездротової енергії

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Мобільний зв'язок. Добірка статей

▪ стаття Правила поведінки та дії населення на території, що піддається радіоактивному зараженню. Основи безпечної життєдіяльності

▪ стаття Кого безуспішно намагалися вбити 638 разів? Детальна відповідь

▪ стаття Кисневе різання. Типова інструкція з охорони праці

▪ стаття Моментальна телевізійна антена із підручних матеріалів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Удосконалення імпульсного стабілізатора напруги. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024