|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Тороїдальні антени. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Антени. Теорія Актуальне завдання антеної техніки - створення ефективних електрично малих антен. Вони потрібні як для портативних та мобільних радіостанцій KB, УКХ та НВЧ діапазонів, так і для стаціонарних довгохвильових радіосистем в умовах обмеженості простору. Пропонована стаття знайомить читачів з одним із цікавих шляхів вирішення цього завдання. Розміри електрично малої антени за визначенням набагато менші за довжину хвилі λ у вільному просторі. Проблема конструювання таких антен у тому, що із зменшенням розмірів випромінюючої системи швидко зменшується ефективність випромінювання. Виникають проблеми узгодження нерезонансних антен із джерелами (приймачами). Зменшити фізичні розміри антени за збереження електричних (хвильових) розмірів вдається заміні прямолінійних провідників спіральними, вигнутими як гвинтової лінії (рис. 1).
Такі структури називають сповільнюючими. Швидкість поширення хвилі адоль осі спіралі менша за швидкість світла, тому довжина хвилі λs в такій структурі при тій же частоті менше λ. Фізичну довжину резонансної антени у такий спосіб можна скоротити в десятки разів. Спіральні антени поперечного (перпендикулярно до осі) випромінювання широко використовуються в портативних і стаціонарних радіозасобах. Якщо лінійний вібратор згорнути у замкнуте кільце, отримаємо рамку (рис. 2, а). Розподіл електричного струму 1е в електрично малій рамці можна вважати рівномірним, тому вона випромінюватиме рівномірно по всіх азимутальних напрямках, але тільки з горизонтальною поляризацією (рис. 2,6), як елементарний вертикальний магнітний вібратор. При нерівномірному розподілі струму діаграма не буде такою симетричною. Коли довжина периметра рамки кратна цілому числу напівхвиль, у такій антені можливі резонанси. Так, в антені типу "квадрат" на її периметрі укладаються дві напівхвилі.
На середніх, довгих і наддовгих хвилях, зважаючи на особливості їх поширення, віддають перевагу вертикальній поляризації. Саме тут проблема скорочення вертикальних розмірів антен стоїть особливо гостро. Спробуємо уявити аматорський чвертьхвильовий вертикальний вібратор діапазону 136 кГц заввишки близько 550 м! Однак зовсім не обов'язково як джерело випромінювання використовувати електричний струм. Відповідно до принципу перестановної двоїстості, якщо рівномірно розподілений кільцевий електричний струм (рис. 2,а) замінити магнітним струмом IM (оскільки у природі немає магнітних зарядів, це буде фіктивний магнітний струм, щільність якого пропорційна швидкості зміни магнітної індукції), то в полі випромінювання вектори електричної та магнітної компонентів поміняються місцями. Ми отримаємо джерело, еквівалентне за діаграмою спрямованості елементарному електричному вібратору, у разі вертикальному (рис. 3).
Кільцевий магнітний струм можна отримати в тороїдальній спіральній антені (Toroidal Helical Antenna, THA), яка утворюється в результаті згортання лінійної спіралі в замкнене кільце. Форма витка спіралі може бути довільною (коло, прямокутник і т. д.). На рис. 4 наведено ескіз тороїда з квадратною формою перерізу та зазначені позначення розмірів.
На рис. 5,а показаний приклад побудови 7-виткової тороїдальної антени. У такій системі також можливі резонанси, коли по осі тороїда укладається ціле число напівхвиль магнітного струму. Але в спіралі довжина хвилі менша, тому резонансна ТНА може мати значно менші розміри, ніж резонансна рамка з лінійного дроту. На рис. 5,б,в,г дано просторові діаграми спрямованості (ДН) ТНА як за окремими складовими електричного поля Еθ, Еφ, так і за сумарним полем ЕΣ Особливістю резонансних ТНА з однією спіральною обмоткою є те, що в ній, крім створює тороїдальне магнітне поле вихровий складової електричного струму спіралі, завжди є тороїдальна складова (вздовж осі тороїда), через яку поле випромінювання містить не тільки вертикальну Еθ, а й значну горизонтальну Еφ компоненту електричного поля.
Для компенсації тороїдальної складової електричного струму роблять дві однакові обмотки, намотані в різні боки (ліву та праву), і включають їх протифазно (рис. 6,а).
У місцях перетину обмотки не з'єднуються. Ми отримали тороїдальну спіральну антену із зустрічними спіральними обмотками (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Магнітні поля в порожнині тороїда від обох обмоток складаються. На діаграмах рис. 6,б, віг видно, що частка складової Еθ в полі випромінювання помітно зросла, мінімуми сумарної діаграми вздовж осі стали менш глибокими, проте ми знову не отримали загальну діаграму, як на рис. 3. Це пояснюється тим, що магнітне поле в порожнині тороїда розподілено вздовж осі не рівномірно, а відповідно до розподілу амплітуд стоячої хвилі струму. Як долають цю перешкоду, покажемо нижче, а зараз розглянемо деякі цікаві властивості вже описаних антен. На рис. 7 наведено розрахункові частотні залежності активної (R) і реактивної (X) складових вхідного імпедансу ТНА при а = 0,6 м, h = 0,8 м і N = 7. Характерне чергування парних "послідовних" та непарних "паралельних" резонансів ( подібних за характером з резонансами в послідовному та паралельному коливальних контурах).
Для порівняння в таблиці наведено розрахункові значення резонансних частот (у мегагерцах) та резонансних опорів (у кілоомах) для цієї антени (ТНА) та для антени СТНА з такими ж параметрами. Характер чергування резонансів у СТНА такий самий, як у ТНА, проте за однакових параметрів резонансні частоти СТНА нижче; це можна пояснити впливом ємності між обмотками. Зауважимо, що в обох антен немає суворої кратності резонансних частот. Основні параметри тороїдальних антен - це розміри та кількість витків N. Ми вибрали для розрахунків та моделювання форму перерізу у вигляді квадрата зі стороною h. Якщо знехтувати впливом середовища всередині та поза тороїдом, то, задавшись частотою 1-го резонансу (МГц) і радіусом а (м), можна розрахувати розмір h (м) розглянутих вище антен за формулами: для ТНА:
для СТНА:
Формули отримані за допомогою регресійного аналізу за результатами комп'ютерного моделювання для діаметра дроту 1,3 мм розмірів 0,6 м ≤а ≤ 4 м, 0,5м≤h≤4м, причому 0,3≤h/а≤1,3, діапазону частот 0,7 МГц < f1 < 23 МГц. Середньоквадратична похибка за зазначених умов близько 0,03 м. Можливий масштабний перерахунок для інших частот (всі розміри змінюються пропорційно зміні довжини хвилі). Цікавою особливістю СТНА є можливість отримання (тільки для окремих комбінацій параметрів), близької до ізотропної, діаграми спрямованості (рис. 8). Ця діаграма отримана, зокрема, при частоті 70 МГц для антени з параметрами N = 5, а = 0,2 м та h = 0,27 м в умовах вільного простору.
На рис. 9 наведено порівняльні залежності ККД ТНА та СТНА від частоти. Як правило, ККД швидко зменшується при зменшенні основних розмірів антени та збільшенні кількості витків. Найбільший ККД у ТНА - в області між 2-м та 3-м резонансами, у СТНА - при 3-му та 5-му резонансах, а максимальні його значення нижчі, ніж у ТНА. Для антен обох типів характерні глибокі мінімуми ККД за всіх парних резонансах вище другого. Це несприятливим для ефективного випромінювання розподілом струму в обмотках.
Електрично малі антени мають низький ККД і тому дуже чутливі до антенного ефекту фідера. Їх можна використовувати на рухомих об'єктах з дуже коротким фідером або взагалі без нього. Еліптичність поляризації тороїдальних антен корисна, наприклад, для забезпечення безперебійного зв'язку в рухомих системах, зокрема для стійкого прийому програм УКХ ЧС радіомовлення. На рис. 10 показано розміщення СТНА з характеристикою рис. 8 на даху автомобіля та наведена діаграма спрямованості з урахуванням впливу кузова та землі.
Історично розвиток тороїдальних антен пов'язане з бажанням зменшити вертикальний розмір випромінюючої системи з вертикальною поляризацією та круговою ДН. Як було зазначено, у звичайній антені СТНА з одним джерелом збудження не вдається отримати рівномірного розподілу магнітного струму вздовж осі тороїда. На рис. 11,а показані перетину витків лівої та правої обмоток на всій зовнішній поверхні тороїда в розгорнутому вигляді, а на рис. 12 (крива 1) - розподіл напруженості магнітного поля вздовж осі тороїда для 8-виткової звичайної СТНА при f3 = 27 МГц. Внаслідок нерівномірності розподілу поля діаграми спрямованості такої антени близькі до показаних на рис. 6.
Один із способів отримати близький до рівномірного розподіл магнітного струму полягає в розбитті обмоток на секції, у кожній з яких напрямки (ліве та праве) обох обмоток змінюються на протилежні сусіднім (рис. 11,6). У місцях розбиття обмоток на секції встановлюються клеми для підключення додаткових джерел збудження. У цьому випадку треба замість одного підключити чотири однакові синфазні джерела. Розподіл магнітного струму при цьому (рис. 12,6) виходить без змін знака, хоча і з невеликими пульсаціями. Таке рішення дозволило у широкій смузі частот отримати ДН, що не відрізняється від наведеної на рис. 3. Розрахунковий ККД секціонованої СТНА в даному випадку на частоті 36 МГц виявився приблизно вдвічі більшим, ніж у несекціонованої СТНА (59% проти 29%). На закінчення відзначимо найважливіші переваги та недоліки розглянутих антен та можливості їх застосування. Загальні плюси - зменшення вертикального розміру антен (за рахунок збільшення горизонтальних розмірів!), Відсутність вимог до противаг і заземлення. По суті, ТНА є рамкою, виготовленою зі спірального провідника, що дозволило скоротити фізичні розміри резонансної антени. Така антена цікава вже тим, що має еліптичну поляризацію, а залежність ДН від форми, оточення та асиметрії підключення дозволяє широко та різноманітно використовувати такі антени у зв'язковій, радіомовній, телеметричній та іншій портативній радіоапаратурі. Наявність другої, зустрічної обмотки у СТНА, взагалі кажучи, погіршує умови випромінювання, звідси й нижча ефективність. Однак у цих антен краще виражена еліптичність поляризації, що важливо для рухливих систем зв'язку в умовах променевості. Ізотропна ДН несекціонованої СТНА сама по собі навряд чи реалізується на практиці через сильний вплив оточення, а ось на вхідний імпеданс СТНА навколишні предмети (і, зокрема, провідні поверхні) впливають слабо. Несекціоновані СТНА можуть знайти застосування в портативних пристроях низового радіозв'язку та персонального радіовиклику, в системах стільникового зв'язку nGPS. Основна сфера застосування тороїдальних антен, еквівалентних вертикальному вібратору (з вертикальною поляризацією та рівномірною ДН у горизонтальній площині), - порівняно довгі хвилі, для яких провідність землі (або води) досить велика. Мінуси СТНА – складна технологія виготовлення. При секціонуванні антен виникають додаткові турботи з підключенням кількох точок живлення. Загальні мінуси - при зменшенні розмірів різко зменшується ККД антени, а при спробах його покращити (за рахунок збільшення товщини та підбору матеріалу дроту, підвищення якості діелектриків) зменшується смуга пропускання. Проблеми з узгодженням при перебудові з однієї частоти на іншу ускладнюють використання тороїдальних антен у діапазоні частот. Зацікавлений читач може звернутися до патентної літератури [1-4] та результатів досліджень за участю автора [5, 6]. У [7] запропоновано кілька нових способів виготовлення випромінювача з вертикальною поляризацією на основі тороїдальних структур. У [8] запропоновано універсальний алгоритм синтезу антен із сегментів з електричними та магнітними струмами. література
Автор: А.Гречіхін (UA3TZ)
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
▪ Атомний годинник на квантовій заплутаності ▪ Інтернет може допомогти схуднути ▪ Вимірник ємності, індуктивності та опору 875B ▪ Роботи можуть допомогти у реабілітації пацієнтів ▪ Рекорд швидкості пересування за допомогою магнітної левітації
▪ розділ сайту Охорона та безпека. Добірка статей ▪ стаття Боги судили інакше. Крилатий вислів ▪ стаття Де знаходиться престижний район, у якому заборонено автомобілі? Детальна відповідь ▪ стаття Слюсар з виготовлення та монтажу повітропроводів. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Індикатор перекосу фаз. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Універсальний таймер для зарядного пристрою. 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