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:

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Гибкий алмаз вырабатывает электричество 15.09.2026

Алмаз традиционно воспринимается как исключительно твердый и практически неподвижный материал, поэтому возможность получать из него электричество при механической деформации долгое время казалась невероятной. В начале XX века алмаз относили к непьезоэлектрическим материалам, то есть считалось, что при сжатии или изгибе он, в отличие от кварца, не способен создавать электрический заряд. Однако исследователи из Университета Гонконга обнаружили, что при определенных условиях это представление требует пересмотра. Проблема заключалась прежде всего в физической природе самого минерала. Обычный алмаз настолько тверд, что заметно согнуть его практически невозможно. Поэтому специалисты использовали другой подход и изготовили из алмаза чрезвычайно тонкую гибкую мембрану. После механического воздействия на такую конструкцию измерительные приборы зарегистрировали устойчивые электрические сигналы. Эксперименты неоднократно повторяли и проводили в различных условиях, чтобы исключить случайное про ...>>

Найдена химическая причина возрастных изменений запаха кожи 14.09.2026

Запах человеческого тела меняется на протяжении всей жизни, и особенно заметные изменения могут происходить в пожилом возрасте. Речь идет не только о привычном запахе пота или особенностях гигиены: старение сопровождается целым комплексом биохимических процессов в коже, способных влиять на ее естественный запах. Ученые обнаружили одно из веществ, которое связывают с характерным ароматом, часто называемым "запахом старости". Исследователи установили, что важную роль в этом процессе играет 2-ноненаль - органическое соединение из группы ненасыщенных жирных альдегидов. Это вещество обладает характерным запахом, который нередко описывают как сочетание прогорклого масла и затхлого картона. Его количество в коже увеличивается по мере старения организма, поэтому концентрация 2-ноненаля рассматривается специалистами как одна из биохимических причин возрастного изменения запаха. По словам дерматологов, заметные изменения начинают становиться более вероятными после 40 лет. Доктор Сонал Чоуд ...>>

Случайная новость из Архива Нити, отслеживающие газ 14.03.2020 Различные электронные устройства для определения присутствия тех или иных вредоносных газов в помещениях или в атмосфере в целом, конечно, имеют широкий ход и распространение, однако все-таки обладают сравнительно высокой ценой на изготовление и продажу, что нередко делает их не вполне подходящими для своей цели. Именно поэтому команда специалистов по химическому инжинирингу из Университета Тафтс в Массачусетсе представила свою новую интересную разработку специальных цветных нитей, имплементированных в ткань одежды, которые могут определять присутствие вредных и опасных примесей в атмосфере, демонстрируя это сменой своего основного цвета. Такая разработка, как становится понятно из предварительного описания, обладает действительно замечательным уровнем качества и более низкой ценой в сравнении с традиционной сигнальной электроникой. Сами нити представляют собой соединение специальных тканей и полимеров, обработанных красками, а именно краской MnTPP, синим бромотимолом и красным метилом. Первые две могут определять присутствие аммониевого газа, а третья - хлорида кислорода. Затем специалисты сделали их поверхность более устойчивой и крепкой за счет обработки уксусной кислотой, а после этого добавили органический полимер под названием полидиметилсилоксан - или сокращенно PDMS - который позволил сделать внешнюю оболочку цветных нитей более химически стабильной и в то же время позволяя ей менять цветовую индикацию краски в зависимости от присутствия в атмосфере того или иного вредоносного газа. Стоит отметить, что пока что разработка является экспериментальной и не претендует на свое массовое распространение на рынке и в медицине в целом. Подобный вариант ткани, умеющей обнаруживать следы вредных газовых примесей может быть действительно отличным в долгосрочной перспективе, служа в качестве химической и инженерной базы для создания еще более многофункциональных и точных разработок в этом сегменте. Таким образом, нам остается дожидаться новостей относительно продвижения по развитию и модернизации такой цветной ткани, которая наверняка всех удивит в будущем!

Другие интересные новости:

▪ TWS-наушники Urbanista Phoenix с встроенной солнечной батареей

▪ Электромобиль Mini Electric

▪ Мужской контрацептив RISUG

▪ Шестое чувство человека

▪ Дешевый аналог строительного песка из отходов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электротехнические материалы. Подборка статей

▪ статья Не ведают, что творят. Крылатое выражение

▪ статья Что такое мистраль? Подробный ответ

▪ статья Станочник-расточник. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Автоматическое отключение радиоаппаратуры. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Сетевой фильтр с полной гальванической развязкой от сети. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026