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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Умный датчик жизни 14.03.2013 Компания Toshiba разработала интеллектуальный носимый электронный датчик параметров жизнедеятельности. Теперь можно удаленно контролировать основные показатели организма, что важно для больных людей, летчиков, спасателей и простых людей, которые постоянно беспокоятся о состоянии своих близких. Новый датчик оснащен 32-битным чипом, беспроводной системой передачи данных. Сам чип имеет габариты всего 14,5х14,5 мм, если к нему добавить антенну, аккумулятор, различные сенсоры, то получится один из самых компактных и продвинутых носимых датчиков параметров жизненно важных функций организма. Датчик под названием Silmee одновременно собирает данные о состоянии организма: делает электрокардиограмму, измеряет пульс, температуру тела, регистрирует движения и т.д. Эти данные по беспроводной связи можно по Bluetooth отправить на смартфон или планшет, а оттуда - хоть в любую точку планеты. Собранный датчик будет иметь габариты 25х60 мм и весить всего 10 г. Столь малые размеры и вес позволят использовать его в самых разнообразных приложениях: от контроля состояния послеоперационного пациента, до слежения за солдатами во время учений и детьми в школе. В настоящее время на рынке существует множество достаточно компактных медицинских приборов вроде электронных тонометров или термометров. Silmee объединяет все эти приборы в одном компактном корпусе и открывает путь для развития новых медицинских услуг. Кроме того, возможно множество "нестандартных" применений в области ухода за больными, контроля за детьми. Также Silmee может выступать в качестве аппаратного обеспечения для мобильных приложений, например определяющих насколько вы понравились определенному человеку.

Другие интересные новости:

▪ Стандарт USB 3.2

▪ К 2017 году ожидается бум микрогибридов

▪ Мышь-невидимка

▪ Samsung SSD

▪ Фрактальные антенны для умной одежды

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электронные справочники. Подборка статей

▪ статья Глас народа - глас Бога. Крылатое выражение

▪ статья Почему пчелы жалятся? Подробный ответ

▪ статья Лук сибирский. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Антенный тюнер. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Исчезающие монеты. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026