Малі антени: фізичні обмеження. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Антени. Теорія

Коментарі до статті

Електрично малими вважаються антени, розміри яких не перевищують 10...20% довжини хвилі. До них відносяться диполь, укорочений ємнісними навантаженнями на кінцях і котушками індуктивності, розташованими біля ємнісних "капелюшок" (рис. 1), і кільцева рамка (рис. 2). Котушки в диполі доцільно включати саме так, як показано на малюнку, оскільки струм у вертикальній частині при цьому максимальний і розподілений рівномірніше, що забезпечує максимальну діючу висоту диполя, що практично дорівнює його геометричній висоті hд = h (диполь Герца). Включення однієї котушки в центрі гірше - струм до кінців диполя падає, і висота, що діє, зменшується. Діюча висота рамки становить hд = 2πSр/λ, де S - площа рамки.

І диполь, і рамку налаштовують на робочу частоту резонанс: перший - котушками, другу - конденсатором, включеним у розрив проводу. Це забезпечує компенсацію їх реактивних опорів, що необхідно за умов погодження з навантаженням (при прийомі) або з генератором (при передачі). Нагадаємо, що за теоремою взаємності властивості антен однакові при передачі та прийомі.

Важливий параметр антен - опір випромінювання, для малих антен дорівнює RΣ = 80π2(hд/λ)2- Саме на такий опір R = RΣ треба навантажувати прийомну антену, щоб вона віддавала максимальну потужність, і саме такий опір "побачить" генератор, якщо підключити замість R (див. малюнки). Бачимо, що опір випромінювання різко зменшується зі зменшенням розмірів, а отже, і висоти, що діє, - пропорційно квадрату h для диполя і S для рамки. Виникають проблеми узгодження. Якщо тепер врахувати, що ККД антени η = R?/(R? + Rn), де Rn - опір втрат, то можна зробити наступний висновок.

Висновок 1. Чим менше антена, тим менше мають бути в ній омічні втрати. Опір провідників антени Rn треба зменшувати пропорційно квадрату довжини для диполя та квадрату площі для рамки. Малі антени з тонких проводів ефективно працювати не можуть - необхідні "товсті" провідники, а краще - об'ємні тіла з розвиненою поверхнею (скін-ефект!) та низьким поверхневим опором.

Припустимо, що ми сконструювали подібну "об'ємну" антену умовно у вигляді циліндра радіусом r і висотою h, що випромінює через бічну поверхню (рис. 3). Навіть не розглядаючи, що всередині цього циліндра, тобто якою є конструкція антени, вдається зробити наступний важливий висновок. Вся потужність Р, що випромінюється, дорівнює інтегралу від щільності її потоку (вектора Пойнтін-га) П по будь-якій замкнутій поверхні, що оточує антену.

Для простоти замінимо інтегрування множенням П на площу бічної поверхні Sбок = 2πrh: P = П · Sбок = EH · 2Kπrh. Звідси одержуємо EH = P/2πrh. Поклавши випромінювану потужність постійної, бачимо, зменшення розмірів антени (твору rh) призводить до зростання напруженості як електричного Е, і магнітного Н полів антени. Яке їх зростає сильніше, залежить від конкретної конструкції антени. Крім того, облік ближнього поля (квазістатичного) може дати ще більші значення напруженості.

Висновок 2. Зменшення розмірів антени призводить до зростання напруженості полів поблизу неї, за мінімальною оцінкою напруженість поля обернено пропорційна розмірам антени. Оскільки поля породжуються напругами та струмами, у маленьких антенах неминучі перенапруги та надструми.

Наведені висновки пояснюють, чому, наприклад, короткий диполь у вигляді об'ємного біконуса і рамка з широкої мідної стрічки ефективні, а ті ж антени з тонкого дроту - ні. Ельма вже при потужності 136 Вт, що підводиться, а така ж електрично мала антена детекторного приймача розвиває (без навантаження) напруга в десятки вольт.

Розглянемо тепер питання добротності антени Q, що визначає її широкосмуговість 2Δf = f0/Q з прикладу антени, показаної на рис. 1. Оскільки розміри антени малі в порівнянні з довжиною хвилі, практично вся індуктивність L зосереджена в "подовжують" котушках, а ємність С - між "коротливими" кінцевими дисками. Так само, як і коливальний контур, добротність антени дорівнює відношенню реактивного ємнісного або індуктивного опору (на резонансній частоті вони рівні) до активного. Останнє за відсутності втрат складається із опору випромінювання RΣ і рівного йому за умовою узгодження вихідного опору передавача або вхідного опору приймача R. Таким чином, Q = Xc/2RΣ.

Ємнісний опір знайдемо, використовуючи формулу для ємності плоского конденсатора: = ε0S/h, Хс = 1/ωС = h/ωε0S. Виразивши кутову частоту через довжину хвилі ? 2 = 1π, отримуємо Хс = 0λh/S. Підставляючи цю формулу і вираз для опору випромінювання формулу для добротності, отримуємо остаточно Q = 0λ1/2π1Sh = λ0/0V. Тут V = Sh - обсяг, який займає антена. Таким чином, добротність антени виявилася обернено пропорційна її обсягу.

Але як бути у разі короткого лінійного вібратора, у якого ємнісні "капелюшки" на кінцях (див. рис. 1) замінені вертикальними дротяними відрізками (рис. 4)? Адже обсяг такого диполя є практично нульовим. Однак між кінцевими відрізками існує ємність, що налаштовує антену спільно з індуктивністю L резонанс.

Силові лінії електричного поля, пов'язаного з цим конденсатором, показані штриховими лініями. Воно зменшується дуже швидко з віддаленням від диполя, тому можна говорити про деякий ефективний обсяг, в якому це поле зосереджено. Він має форму, близьку до еліпсоїда обертання (рис. 4, суцільні тонкі лінії). По суті це обсяг ближнього квазістатичного поля антени. Для диполя воно переважно електричне, через що він і називається електричною антеною. Також можна оцінити і обсяг поля дротяної рамки. Воно переважно магнітне. Для рамки індуктивне опір пропорційно першого ступеня діаметра, а опір випромінювання - четвертої, в результаті добротність виявляється пропорційною кубу діаметра. Тепер вдається сформулювати ще один висновок.

Висновок 3. Добротність малої антени обернено пропорційна обсягу, що займає її ближнім, квазистати-чеським полем. Добротність не вдається зменшити, варіюючи конструкцію антени, оскільки в будь-якому випадку при зменшенні розмірів активний опір випромінювання зменшується дуже швидко по відношенню до реактивного.

Зробимо наближені оцінки, рахуючи обсяг антени рівним кубу її лінійних розмірів. При габаритах антени порядку λ/3 виведена нами формула дає Q = 1, тобто така (велика) антена може бути широкосмуговою. Але зменшуючи габарити до λ/10 ми отримуємо добротність близько 40 і відносну смугу пропускання не більше 2,5%, а зменшення габаритів до λ/20 дає добротність більше 300 і звужує смугу до 0,3%.

Якщо ж мала антена має широку смугу пропускання і низьку добротність, то це може говорити лише про наступне: або антена не мала і випромінюють якісь її частини, що явно не входять в конструкцію (оплітка кабелю, елементи опор і т. д.), або в антени великий опір втрат та її ККД низький.

Низький ККД - не така велика перешкода для проведення аматорських радіозв'язків. Припустимо, що ми розширили смугу пропускання антени з розмірами λ/20 до 10% (в 30 разів), ввівши втрати та знизивши ККД теж у 30 разів, тобто до 3%. Підключивши стоватний передавач і випромінюючи потужність 3 Вт, можна проводити навіть далекі радіозв'язки, чим, можливо, і пояснюються захоплені відгуки про роботу малогабаритних антен.

Автор: В.Поляков (RA3AAE)

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 Електричний купе-кросовер Skoda Enyaq Coupe iV 30.01.2022 Компанія Skoda представила новий електричний купе-кросовер Enyaq Coupe iV, який буде доступний у спортивній версії RS. Новинка отримала спадну лінію даху, задню частину з чітко окресленою гранню краю багажника та пороги, пофарбовані в колір кузова. Enyaq Coupe iV побудований на базі модульної електричної платформи MEB (modular electrification toolkit), створеної компанією Volkswagen. На цій платформі побудований раніше випущений кросовер Enyaq iV. Покупцям будуть доступні версії з двома різними акумуляторами, а також чотири варіанти потужності силової установки (від 132 кВт базової версії до 220 кВт версії RS), а також повний або задній привід. Запас ходу сягатиме 545 км за циклом WLTP, крім того, Skoda Enyaq Coupe iV підтримуватиме технологію швидкої зарядки (подробиці не повідомляються). Новинка має важливий козир у рукаві у вигляді низького коефіцієнта аеродинамічного опору, що становить всього 0,234. Автомобіль Skoda Enyaq Coupe iV отримав величезний екран мультимедійно-розважальної системи, кермо трьохспиці, фізичні кнопки управління системою клімат-контролю, круїз-контроль і різні системи допомоги водієві.

Інші цікаві новини:

▪ Нова серія мультиспортивних смарт-годин Garmin fenix 5

▪ Гнучкі телевізори LG та Samsung

▪ Кава може змінювати відчуття смаку

▪ Гомеопатія марна і для тварин

▪ Ігрова платформа для віртуальних ігор Virtuix Omni

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Заводські технології вдома. Добірка статей

▪ стаття Небо в діамантах. Крилатий вислів

▪ стаття Як утворюються вулкани? Детальна відповідь

▪ стаття Гуайява. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Чорнильні порошки. Прості рецепти та поради

▪ стаття Подорож лотерейного квитка. Секрет фокусу

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