О малогабаритных приемных и передающих антеннах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны. Теория

 Комментарии к статье

В радиолюбительской литературе в последнее время появилось немало публикаций о малогабаритных приемных и передающих антеннах. Их широко применяют (особенно в портативной аппаратуре и на подвижных объектах) для приема радиовещательных и телевизионных станций, радиосвязи, пеленгации и т. д. Вот почему может быть интересен и полезен сравнительный анализ таких антенн, обсуждение их достоинств и недостатков, а также разговор о некоторых "легендах", относящихся к электрически малым антеннам. Всегда ли, например, приемная магнитная антенна лучше электрической при действии близких помех [1]? Попробуем разобраться в этом. Начнем с определений.

Электрически малыми антеннами (ЭМА) называют антенны, размеры которых много меньше длины волны l или, по определению С. Щелкунова и Г. Фрииса [2], когда максимальный размер антенны, измеренный от входных зажимов, не превышает l/8. Электрически малая рамочная антенна называется магнитной антенной (МА), В ближней зоне (на расстояниях много меньше l), передающей МА везде преобладает магнитная компонента Н электромагнитного поля (отношение электрической компоненты Е к магнитной - Е/Н - намного меньше, чем в дальней зоне). Приемная МА соответственно более восприимчива к переменному магнитному полю, чем к электрическому, т. е. имеет компонентную селективность [3]. Электрическая антенна (ЭА) - короткий штырь над проводящей поверхностью или диполь длиной много меньше l, - наоборот, более восприимчива к компоненте Е. Если же периметр рамки сравним с длиной рабочей волны, то у нее нет свойств МА. Так, например, рамка периметром 11 м не обладает существенной компонентной селективностью в диапазоне KB, скажем, в полосе частот 10-20 МГц. Аналогично и диполь сравнимых с l размеров не является электрической антенной в указанном смысле. Наличие ферромагнитного сердечника в МА совершенно не обязательно, но если он есть, антенну называют ферритовой.

Теперь о главном

1. Магнитная антенна на приеме в условиях помех не всегда лучше электрической. МА могла бы обеспечить наилучшую среди простых ЭМА помехозащищенность из-за компонентной селективности, если бы источниками помех создавалось в ближней зоне приемного устройства электромагнитное поле с преобладанием компоненты Е [3]. Однако это выполняется далеко не всегда. Например, коммутации в силовых сетях приводят к появлению в участках этих сетей затухающих электромагнитных волн с широким спектром. Если антенна приемника находится вблизи проводов такой сети, то в ближней зоне воспринимается как импульсная помеха. Амплитуды составляющих тока и напряжения помехи в данной узкой полосе приема чаще всего распределены вдоль проводов неравномерно: имеются зоны пучностей (максимумов) тока и пучностей напряжения (рис. 1).

Рис.1

Электромагнитное поле в ближней зоне также неоднородно вдоль линии. Вблизи пучностей тока преобладает магнитная компонента, а вблизи пучностей напряжения - электрическая. В области 1 (рис. 1) лучшую помехозащищенность даст МА, а в области 2 - ЭА. Эксперименты показали [4], что интенсивность стоячих волн и распределение пучностей напряжения и тока зависят от множества разных условий, в том числе и от количества и характера подключенных к сети нагрузок. В среднем с одинаковой вероятностью приемник может оказаться вблизи пучности тока либо напряжения. Таким образом, не всегда и не везде магнитная антенна менее восприимчива к "промышленным" помехам, как о том иногда сообщают. Тем более нельзя утверждать это, говоря о рамочных антеннах вообще. Почему же реально всегда получают существенное улучшение при переходе от короткого провода (штыря) к хорошей симметричной экранированной рамке, подобной описанной в [1]? (И этот факт активно поддерживает заблуждение, о котором идет речь). Дело в том, что чаще всего короткий провод в качестве антенны является не единственным излучающим (воспринимающим) элементом антенной системы, в излучении (приеме) участвуют также провода питающей сети, заземления, другие металлические конструкции, соединенные с корпусом передатчика (приемника).

Многим знакома ситуация, когда неоновая лампочка светится при прикосновении к корпусу передатчика, трубам отопления... Если такая "антенная система" используется на приеме, то все перечисленные элементы воспринимают всевозможные помехи и наводки в здании с множеством коммутируемых цепей и линий (силовых, телефонных и т. п.). А ведь сделать короткий симметричный диполь даже проще, чем качественную рамку. Нужно только исключить восприимчивость фидерной линии к электромагнитным полям и устранить проникновение сигналов в приемник побочными путями помимо антенны.

Если заблуждение, рассмотренное выше, заключалось в завышенной оценке селективности приемной МА, то другое, также весьма распространенное заблуждение состоит в том, что якобы передающие МА значительно хуже ЭА. В ряде публикаций утверждается, что при работе на передачу малые рамки гораздо менее эффективны, чем электрические антенны сравнимых размеров, ввиду значительно меньшего сопротивления излучения. В самом деле, у диполя длиной l<l сопротивление излучения (в омах) равно R_SД=20p²(l/l)², а у круглой рамки периметром l<l R_SP=20p²(l/l)⁴. При одинаковых l=1 м и l=80 м, R_SP/R_SД=1/6400. Излучаемая мощность равна: Р_S=Ia²R_S, где Ia - эффективное значение тока антенны в точках подключения. Из последнего выражения следует, что можно ожидать равенстве излучаемых нашими антеннами мощностей, если ток в рамке будет в 80 раз больше входного тока диполя. Реально ли это? Оказывается, вполне.

2. С учетом потерь в цепях согласования электрически малые диполь и рамка по эффективности при работе на передачу примерно равноценны. Эффективность Э антенны, равная отношению излучаемой мощности к отбираемой от генератора, зависит не только от сопротивления собственных потерь антенны (Rа), но и от сопротивления потерь в необходимом элементе согласования (компенсации реактивного сопротивления) Rс: Э=R_S/(R_S+R_A+Rc), см. рис. 2.

Рис.2

Активное сопротивление (в омах) антенн с учетом скин-эффекта для рамки периметром l равно

где d - диаметр проводника (мм), mг - относительная проницаемость материала антенны, s и s_м - удельные сопротивления материала антенны и меди соответственно диполя длиной l: R_аД=R_aP/3. Активные потери в элементах согласования зависят от их параметров и добротностей: Rc=¦Хa¦/Qс, где Хa - реактивная составляющая полного входного сопротивления антенны, имеющая емкостный характер для l и индуктивный для рамки, причем для ЭМА ¦Х_aP¦<¦Х_aД¦ Элемент согласования обеспечивает последовательный резонанс в антенном контуре (Ха+Хс=0). Реальные добротности для диполя Qсд=200...400, для рамки Qср=1000...2000. Реактивные сопротивления (в омах) можно рассчитать по формулам:

Они получены, как и предыдущие, на основании известных соотношений (см., например, [5-7]). Результаты расчетов диполя и одновитковых рамочных антенн, изготовленных из меди (d=10 мм), для l=80 м, Qсд=200, Qcp=1000, указаны в таблицах.

Таблица 1. Расчетные данные для диполя длиной 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
Эд, %	14,8	2,3	0,34	0,05	0,0075
Qэф	85	98	99	100	100

Таблица 2. Расчетные данные для рамки периметром l

Параметр	l/l
	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
Эр, %	5,55	0,78	0,11	0,015	0,002
Эр/Эд	0,37	0,33	0,31	0,29	0,27
Qэф	294	293	276	254	227

Таблица 3. Расчетные данные для рамки диаметром l

Параметр	l/l
	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
Эр, %	17,6	2,8	0.39	0,053
Эр/Эд	7,54	8,25	7,82	7,12
Qэф	264	297	288	269

Они показывают, что по эффективности малая рамка может быть даже лучше диполя сравнимых размеров. Хотя, конечно, сама эффективность весьма мала и сильно падает с уменьшением относительных размеров. Аналогичные расчеты для алюминия дали ухудшение эффективности не более 12 % для рамки и 0,2 % дляля. Для l=160 м при тех же прочих параметрах эффективность оказалась хуже в среднем на 20%. Приведенные результаты хорошо согласуются с данными работы [8], полученными для штыря над идеально проводящей поверхностью. Итак, если эффективность рамки быстро падает из-за уменьшения R_SP, то эффективность диполя уменьшается столь же быстро из-за роста потерь в согласующем элементе.

3. Что же лучше, малая рамка или малый диполь, если по эффективиости они примерно равноценны?.

Важнейшее преимущество работе в окружении предметов из диэлектрика с потерями (тело оператора, строительные материалы и т. п.) влияние среды на резонансную частоту (расстройка) и на эффективность (вносимые потери) рамки намного слабее, чем влияние на диполь. Автором испытаны передатчики с генераторами одинаковой мощности и антеннами: рамочной диаметром 42 см и дипольной длиной 120 см; длина волны 82 м. Эффективность обеих антенн, находившихся в свободном пространстве (оценивалась по дальнему полю), оказалась примерно одинаковой. Ствол дерева, тело и руки оператора рядом с диполем изменяли напряженность поля в десятки раз, А рамку можно было положить в рюкзак на спине оператора, надеть на шею или полностью закопать в снег, и это не приводило к заметному ухудшению параметров поля.

Электрический контакт с металлическим предметом, конечно, может сильно повлиять и на рамку, но от этого есть простое средство - изоляция. Другие преимущества малых рамок: они не требуют противовеса (как, например, короткий штырь), менее требовательны к качеству изоляции, меньше воздействуют на ткани живых организмов при работе на передачу (потери в электрическом ближнем поле малого диполя значительно больше), прочнее механически. Направленность при вертикальной поляризации в одних случаях может быть полезной, в других - нет. Полоса пропускания магнитной антенны несколько уже, чем электрической. Однако, как видно из таблиц, ошибочно думать, что чем меньше антенна, тем уже полоса пропускания. Повышению добротности Qэф контура диполя препятствует рост потерь в согласующей катушке, а росту добротности контура МА с уменьшением размеров препятствует уменьшение собственной индуктивности. Трудности при изготовлении и эксплуатации МА заключаются в обеспечении минимальных активных потерь в соединениях. Ток рамки в десятки раз больше тока диполя, поэтому потери энергии на плохих контактах в сотни и тысячи раз больше. Практически это означает непригодность резьбовых соединений (только пайка или сварка) и необходимость бесконтактных элементов настройки. Таким образом, преимуществ у магнитной антенны больше, в особенности при работе в неферромагнитных средах.

4. Имеет ли преимущество многовитковая малая рамка над одновитковой того же диаметра?

Это также один из вопросов, ответ на который не вполне очевиден. Из табл. 2 и 3 видно, что для одновитковой рамки RE1<<RA1 и RA1~RC1, так что эффективность ее Э1~R_S1/2R_A1. Поскольку сопротивление излучения и сопротивление потерь в согласующем элементе пропорциональны квадрату числа витков (N2), а сопротивление собственных потерь пропорционально числу витков (N), эффективность N-витковой рамки приближенно оценивается формулой: Э_N=R_S1N/(1+N)R_A1. Точные расчеты при l/l=0,0125 (по табл. 2) показали, что при N=2 эффективность при том же диаметре (l - периметр витка) увеличилась на 29%, при N=4 - на 54%, при N=10 - на 75%. Следовательно, эффективность малой N-витковой рамки будет несколько выше, чем одновитковой, но не более чем в 2 раза. В заключение подчеркнем, что все выводы об эффективности, сделанные для передающих антенн, справедливы для этих антенн и в режиме приема. Неправильно считать, что только действующая высота опредеlет эффективность. Эффективность малой рамки на приеме не хуже, чем у диполя таких же размеров, несмотря на то, что действующая высота диполя в десятки раз больше. Также эффективность N-витковой рамки на приеме не будет в N раз больше эффективности одновитковой, несмотря на то, что действующая высота пропорциональна N. В сказанном много раз убеждался каждый, кто имел дело с изготовлением и испытанием спортивных пеленгаторов.

Литература

1. Андрианов В. Широкополосная рамочная антенна.- Радио, 1991, № 1, с. 54-56.
2. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны.- М.: Сов. радио, 1950.
3. Гречихин А. Компонентная селекция.- Радио, 1984, № 3, с. 18- 20.
4. Гаврилин А. Т., Гречихин А. И. О структуре ближнего электромагнитного поля коммутационных помех.- В кн.: Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах: Межвуз. сборник.- Горький: ГПИ, 1987, с. 43-48.
5. Белоцерковский Г. Б. Антенны.- М.: Оборонгиэ, 1956.
6. Гинкин Г. Г. Справочник по радиотехнике.- М.- Л.: ГЭИ, 1948.
7. Мейнке X., Гундлах Ф. В, Радиотехнический справочник. Т. 1.- М.-Л.: ГЭИ, 1960.
8. Walter С. Н„ Newman Е. Н. Electrically small antennas.- Report HDL-TR-041-1 (Feb. 1974).- Washington, 1974.

Публикация: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Смотрите другие статьи раздела Антенны. Теория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Радиосигнал из артерии 03.08.2003 Сотрудники Высшей технической школы в Аахене (Германия) создали микроскопический зонд, который может постоянно измерять давление и температуру крови в сосудах человека. Миниатюрная капсула диаметром два миллиметра, изготовленная из кремния, вводится в сосуд через прокол с помощью гибкого зонда и доводится под контролем рентгена до места разветвления артерии. После удаления зонда из сосуда от капсулы отходят в разные стороны три пружинные ножки, удерживающие ее на месте. Микросхема, находящаяся в капсуле, начинает передавать по радио данные о температуре и давлении. Сигнал улавливает прибор, находящийся в кармане или на поясе у пациента. Тот же прибор подпитывает микросенсоры путем индукционной передачи энергии. Получены интересные результаты постоянного измерения давления: оказывается, уже сам вид человека в белом халате вызывает у многих подъем давления на 20 миллиметров. Создатели прибора полагают, что он найдет широкое применение в медицине года через два, когда будет налажено его серийное производство.

Другие интересные новости:

▪ Вспомогательная микросхема Toshiba TC358791XBG

▪ Ультракороткофокусный проектор Fengmi Laser TV C3

▪ Обнаружена планета-близнец Земли

▪ Умная камера видеонаблюдения с функцией слежения

▪ Электронный браслет проверит чистоту рук врачей и поваров

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта ВЧ усилители мощности. Подборка статей

▪ статья Аргус. Крылатое выражение

▪ статья Сколько у человека чувств? Подробный ответ

▪ статья Работа на цифровых печатных машинах типа XEIKON-DCP/32 D и др.. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Блок электронного зажигания на тиристоре. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Необычное применение аудиосистемы с DOLBY SURROUND PRO LOGIC. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025