|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Еквівалентність електричних та магнітних антен. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Антени. Теорія Ця стаття, що розглядає деякі питання електродинаміки, представляє не тільки теоретичний інтерес, а й призводить до важливих практичних висновків, які можуть виявитися корисними при проектуванні та розрахунку антен для довгих та середніх хвиль, а також при осмисленні особливостей їхньої роботи. Ще основоположник електродинаміки та радіотехніки Генріх Герц, експериментуючи з різними приймальними антенами наприкінці XIX століття, використовував короткий розрізний вібратор з ємнісним навантаженням на кінцях у вигляді куль або дисків (електрична антена) та кільце з дроту (магнітна антена), показані на рис. 1, а та рис. 1, б. Індикатором поля був дуже маленький розрядний проміжок між клемами антени Х-Х.
Теоретично антен широко користуються поняттями елементарного електричного диполя (диполя Герца) і елементарного магнітного диполя - кільця зі струмом. Обидві елементарні антени малі проти довжиною хвилі. З розвитком теорії було сформульовано принцип двоїстості, що з взаємозв'язку електричних і магнітних полів. Використовуючи його, А. Пістолькорс у 1944 р. вказав на аналогію між вібраторними та щілинними антенами [1]. На ДВ електричні антени виконуються у вигляді вертикальних проводів або щоглі ємнісним навантаженням у верхній частині у вигляді горизонтального проводу або мережі проводів. Земля на ДВ - добрий провідник, і біля неї можуть поширюватися хвилі тільки з вертикальною поляризацією. Тому над землею зазвичай височіє лише одна половинка диполя Герца (рис. 1, в), іншою половинкою служить її дзеркальне відображення в землі (показано штриховими лініями). Таким антенам потрібне дуже хороше заземлення. Магнітні антени виконуються або у вигляді невеликих рамок, або зовсім маленьких котушок на феритовому стрижні. Магнітним антенам не потрібно заземлення, і у них вища завадостійкість. Однак ефективність поширених магнітних антен дуже низька, тому вони не годяться як передавальні. Але не завжди магнітні антени були маленькими – на початку 20-х років минулого століття на приймальних центрах застосовувалися ДВ рамкові антени діаметром до 20 м! Інтерес до великих рамкових антен зберігся і в наші дні, обумовлений він бажанням отримати від антени максимальний сигнал, наприклад, для детекторного приймача [3]. Ось і виникає питання, яка антена ефективніша, електрична чи велика рамкова магнітна? І чи діє у цьому випадку принцип двоїстості? Не можна сказати, що питання поставлене вперше - воно вирішувалося ще в 20-ті роки минулого століття, природно, на рівні знань та уявлень того часу [4]. Відповідь була отримана виходячи з поняття висоти антени, що діє - у електричної антени вона виявилася набагато більше і їй віддавалася перевага. На ДВ радіоаматорам практично неможливо побудувати повнорозмірну антену, порівнянну з довжиною хвилі. Тому розглянемо лише малі антени, що використовуються як приймальні. Антени розмістимо біля поверхні провідної землі (рис. 2).
Зліва (рис. 2,а) показані вектори електромагнітної хвилі, що приходить від радіостанції: напруженості електричного поля Е (поляризація вертикальна), напруженості магнітного поля Н і щільності потоку енергії П. З рівнянь Максвелла для хвиль у вільному просторі слід, що П = Е · Н, або тільки для модулів (абсолютних величин) П = Е - Н = Е2/120? На рис. 2,б показана електрична Г-подібна антена у вигляді вертикального зниження висотою h, навантаженого горизонтальним дротом довжиною L. Для полегшення розрахунків покладемо L>>h, тоді майже вся ємність антени буде зосереджена між горизонтальним дротом і землею. Струм у будь-якому перерізі вертикального провідника буде однаковий, і діюча висота електричної антени hде = h. Слід зазначити, що вертикальне зниження з клемами Х-Х можна підключити й у будь-якому іншому місці горизонтального дроту, наприклад, у середині, отримавши Т-подібну антену. На результатах нашого аналізу це ніяк не позначиться. Понад те, заземлення можна замінити противагою - відрізком дроту довжиною L, прокладеним землі (штрихова лінія на рис. 2,б). Сильний ємнісний зв'язок противаги із землею забезпечить практично коротке замикання для високочастотних струмів. Магнітну антену (рис. 2, в) виконаємо у вигляді прямокутної одновиткової рамки тих же розмірів. Нижній провід рамки проходитиме безпосередньо біля поверхні землі, тому його індуктивність буде дуже мала в порівнянні з індуктивністю верхнього. Зазначимо, що нижній провід можна замінити двома заземленнями, але їх опір втрат у реальності буде більшим за опір проводу. Діюча висота магнітної антени становитиме hдм = 2πS/λ = kS, де S - площа рамки; до = 2π/λ. Вивести цю формулу просто: на вертикальних сторонах рамки наводиться ЕРС, що дорівнює Eh, причому на дальній (правій) стороні рамки ЕРС відстає по фазі на малий кут kL. ЕРС на клемах Х-Х складе EhkL. Оскільки S = hL. отримуємо hдм = kS. Враховуючи, що L<<λ стає ясно, що діюча висота рамки hдм набагато менше hде. Для обох антен ЕРС, що розвивається на клемах Х-Х, становить Еhд, тому в [4] і було віддано перевагу електричним антенам, так як вони розвивають велику ЕРС. Але ефективність антен треба оцінювати не ЕРС (врешті-решт її можна підвищити звичайним трансформатором), а потужністю сигналу, що знімається з антени при даній напруженості поля. Максимальна потужність знімається за погодженням навантаження з джерелом сигналу (антеною). Узгодження, своєю чергою, у тому, щоб реактивне опір навантаження дорівнювало абсолютної величині, але назад за знаком реактивному опору джерела, які активні опору були рівні. Першу частину умови узгодження (компенсацію реактивностей) можна виконати, увімкнувши послідовно з навантаженням r реактивний опір -jX, як показано на рис. 3. Для електричної антени це буде індуктивність, що компенсує ємність антени, а для магнітної - ємність, що компенсує індуктивність рамки. Така компенсація, власне, і означає налаштування антени в резонанс на частоту радіостанції, що приймається. Еквівалентні схеми коливальних контурів, утворених електричною та магнітною антенами, показані відповідно на рис. 4, а та рис. 4, б.
Другу частину умови узгодження – рівність активних опорів джерела та навантаження – нам виконати не вдасться. Справа в тому, що активний опір ідеальної (без втрат) антени – це її опір випромінювання. Для наших антен воно дуже мало через невелику кількість їх розмірів, тому навіть не будемо наводити формул. Якщо вибрати такий самий малий опір навантаження, то добротність контуру (рис. 4) вийде надто високою, а смуга пропускання - надто вузькою для сигналу радіомовної станції. Прийде вибрати опір навантаження r виходячи з необхідної добротності контуру Q. Наприклад, якщо ми збираємося приймати радіостанцію "Маяк" на частоті 198 кГц, то добротність контуру повинна бути не більше 20, щоб забезпечити смугу пропускання близько 10 кГц. Добротність і визначить величину активного опору навантаження r = X/Q, а малим активним опором антени тепер можна буде знехтувати. Практично незручно включати мале навантажувальний опір послідовно в антенний контур, краще підключити його паралельно контуру, як показано на рис. 4,в та рис. 4,г. Паралельний опір R складе XQ, а формула перерахунку має такий вигляд: R = Х2/r. Потужність, що розвивається антеною у обраному таким чином навантажувальному опорі, складе Р = (Еhд)2/r, а r визначається реактивним опором антени X і добротністю Q. Отже, тепер нам необхідно обчислити реактивний опір обох антен: Хе = 1 /ωСант - для електричної та Хм =ωLант - для магнітної. Враховуючи наше припущення L> h, найпростіше скористатися формулами для розімкнутої та замкнутої на кінці довгих ліній: Хе = W · ctgL = W / tgkL і Хм = W · tgkL. Зважаючи на дещо значення kL тангенси можна замінити їх аргументами, тоді Хе = W/kL і Хм = WkL. Хвильовий опір лінії W= (L/C)1/2 знаходиться за формулою (з урахуванням провідної землі) W = 60 ln(h/d), де натуральний логарифм береться від відношення відстані між дротом і землею до діаметра дроту d. З наведених формул розрахуємо потужність, що віддається електричною антеною: Р = (Еhде)2 Q/Хе = E2Qkh2L/W. Зробимо те саме для магнітної антени: Р = (Еhдм)2 Q/Xм = E2Qkh2L/W. Вийшла та сама формула, як і доводить однакову ефективність малих електричної і магнітної антен. У вибраних нами умовах вони віддають рівні потужності за однакових розмірів. Логічно припустити, що закономірність має загальніший характер і принцип двоїстості працює завжди. Подивимося тепер, чи доцільно використовувати багатовиткові рамки. Намотавши N витків за тих самих розмірах, ми отримаємо в N разів більшу ЕРС, але реактивний опір X збільшиться в N2 разів, оскільки індуктивність пропорційна квадрату числа витків. У стільки ж разів доведеться збільшити і опір навантаження, зберігаючи колишню добротність Q. В результаті потужність, що віддається антеною, не зміниться. Таким чином, використання багатовиткової рамки - це лише спосіб трансформації опорів, але не шлях збільшення ефективності. Отримана нами формула для потужності, що віддається антеною, заслуговує на більш докладний аналіз. Насамперед, потужність Р пропорційна квадрату напруженості поля Е, тобто щільності потоку енергії. Цей результат був отриманий в [5] для ідеальної антени без втрат за узгодження навантаження з її опором випромінювання. Нагадаємо виведену там формулу: Рo = Е2?2/6400. Тепер ми його отримали для неузгодженої антени. Залежність від довжини хвилі тепер інша, стоїть у знаменнику, входячи в формулу через хвильове число до, проте якщо виразити розміри антени в довжинах хвиль, то колишня залежність від довжини хвилі відновиться. Таким чином, якщо розміри антени h і L фіксовані (в метрах), то вигідніше використовувати короткі хвилі. Якщо ж зафіксувати розміри антени в довжинах хвиль, тобто змінювати антену пропорційно λ, то вигідніше довгі та наддовгі. Щоб отримати від антени максимальну потужність, доцільно: - знизити хвильовий опір антени W, що робиться збільшенням ємності і зниженням індуктивності антени шляхом з'єднання кількох паралельних і рознесених у просторі проводів; - збільшити добротність антеної системи Q, вибираючи відповідне навантаження та знижуючи втрати у "землі", ізоляторах та провідниках; - Збільшити обсяг, займаний полем антени. Останній пункт потребує пояснень. На рис. 5 показано конфігурацію силових ліній як електричного (суцільні лінії), так і магнітного поля антени (штрихові лінії). Антена показана з торця, і видно, що ширина простору, де силові лінії найгустіші, виходить порядку h. Тому добуток h2L - обсяг, у якому переважно зосереджені поля антени. Саме цей обсяг і вигідно збільшуватиме.
Для ілюстрації всього сказаного наведемо один практичний орієнтовний розрахунок електричної та магнітної антен за рис. 2,б та в. Антена висотою h = 10 м і довжиною L = 30 м. Довжина хвилі λ = 1500 м, добротність антенного контуру Q = 20. що цілком достатньо для гучномовного детекторного прийому. У той же час умови узгодження та навантаження антен будуть абсолютно різними. Хвильовий опір лінії, утвореної горизонтальним дротом антени над землею при діаметрі дроту 1 мм, складе W = 60 In104 = 550 Ом, а кL = 0,125. Це дає Хе = 550/0,125 = 4,4 кОм, а Хм = 550 0,125 = 70 Ом. Таким же має бути і реактивний опір котушки, що компенсує, для електричної антени (індуктивність L - близько 3 мГн) і компенсуючого конденсатора для магнітної (ємність близько 10 000 пФ). Відповідно опір антенного контуру при резонансі вдасться (треба помножити на добротність) 88 і 1,4 кОм. Саме такий опір навантаження R, або вхідний опір детектора, повинен навантажувати контур. З електричною антеною не обійтися без елементів узгодження [6]. З магнітною антеною простіше - детектор з низьким вхідним опором можна підключити безпосередньо до конденсатора. література
Автор: В.Поляков, м.Москва
Шум транспорту затримує зростання пташенят
06.05.2024 Бездротова колонка Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024
▪ У самотніх людей мозок працює інакше ▪ Судноплавство забруднює повітря ▪ Лінивець не такий вже лінивий
▪ Розділ сайту Будівельнику, домашньому майстру. Добірка статей ▪ стаття Основні засади геології. Історія та суть наукового відкриття ▪ стаття Як оцінював ступінь досконалості людського ока німецький фізик Гельмгольц? Детальна відповідь ▪ стаття Обслуговування молочних насосів. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Широкосмуговий підсилювач ТВ сигналів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Радіотелефони та все про них. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page