Мистика коротких антенн. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны. Теория

Комментарии к статье

Когда хотят похвалить высокую чувствительность приемника часто говорят, что он, мол, принимает сигналы радиостанций даже на "кусок провода ". В этой статье автор теоретически и экспериментально доказывает, что пресловутый "кусок провода" - далеко не самая плохая антенна, а при надлежащем согласовании со входом приемника может обеспечить весьма большое напряжение сигнала.

Для радиовещательного приема на длинных и средних волнах раньше повсеместно применялись, да и теперь, несмотря на широкое распространение ферритовых магнитных антенн, еще часто используются электрические антенны в виде отрезка обычного провода, расположенного вертикально. При работе с такой антенной для хорошего приема требуется заземление или противовес. В самом простейшем случае противовесом служит корпус приемника, а если он питается от сети, то противовесом будут провода сетевого шнура и самой электрической сети. Горизонтальные проволочные антенны применяются редко, поскольку все радиостанции ДВ и СВ диапазонов излучают волны исключительно с вертикальной поляризацией, что связано со свойствами поверхности Земли, близкими к свойствам проводника для этих диапазонов.

Радиолюбителям, особенно тем, кто экспериментировал с простейшими и недостаточно чувствительными приемниками прямого усиления, известно, что короткие проволочные антенны весьма эффективны, в частности, отрезок провода длиной 1...2 м развивает часто значительно больший сигнал, чем ферритовая антенна. В чем же секрет? Ведь длина проволочной антенны неизмеримо меньше длины волны, и по всем канонам она не должна быть эффективной. Попытки проанализировать работу короткой вертикальной радиоприемной антенны, а также желание оптимизировать ее, привели к очень любопытным, и даже, удивительным результатам, которые автор предлагает любознательным читателям.

Оптимизация, в смысле получения максимального напряжения на входе приемника (именно напряжения, а не мощности!), свелась к исключению конденсатора входного контура и замене его емкостью самой антенны, как показано на рис. 1. При этом входное сопротивление УРЧ предполагалось бесконечно большим, что при использовании полевого транзистора на ДВ и СВ близко к истине. Входная емкость УРЧ и емкость катушки суммируются с емкостью антенны. При анализе их учитывать не будем.

На рис. 1 показано также распределение тока в антенне, представляющее собой начальный участок синусоиды. С достаточной точностью его можно считать треугольным. Заменив его прямоугольником той же площади, получим действующую высоту антенны h, равную половине ее геометрической высоты.

Индуктивность катушки подбирается такой, чтобы совместно с емкостью антенны получить резонанс на принимаемой частоте. Эквивалентная схема получившейся цепи показана на рис. 2.

При резонансе емкостное сопротивление антенны - Хс равно индуктивному Xt (по абсолютному значению) и реактивные сопротивления компенсируют друг друга, поэтому ток в цепи максимален и равен e/R, где е - ЭДС сигнала, развиваемая в антенне (е = Eh: Е - напряженность поля), и R - активное сопротивление цепи. Поскольку напряжение на вход УРЧ (U) снимается с катушки, оно равно току в цепи, помноженному на индуктивное сопротивление катушки: U = EhXL / R.

У нас получилась простая формула расчета напряжения, развиваемого описанной антенной. Абсолютное значение параметра XL =Xc определяется длиной антенны (емкость антенны составляет 7...15 пф на метр длины) и принимаемой частотой сигнала f. Поэтому Хс = 1/2πfC. Соответствующую индуктивность также легко найти: L = XL /2πf. Е должно быть известно, a h можно измерить линейкой. Но формулу можно и еще более упростить, заметив, что отношение XL /R есть ни что иное, как добротность Q антенной цепи: U = EhQ. При короткой антенне добротность всей цепи практически равна добротности катушки.

В качестве примера посчитаем сигнал от не слишком удаленной ДВ или СВ радиостанции с напряженностью поля 10 мВ/м, принимаемой на отрезок провода длиной 2 м (h = 1 м). Добротность антенного контура положим равной 100. Произведя несложные перемножения чисел, приходим к весьма удивительному результату - U = 1 В! Этого напряжения вполне достаточно для детектирования сигнала даже без УРЧ. Но надо сделать некоторые оговорки. Во-первых, катушка должна иметь довольно большую индуктивность. В нашем примере даже в середине СВ диапазона на частоте 1 МГц реактивное сопротивление XL составляет около 10 кОм. индуктивность около 1.5 мГн, а резонансное сопротивление антенного контура, равное XLQ, близко к 1 МОм. Входное сопротиьление УРЧ или детектора должно быть еще больше. Такова плата за высокое напряжение, развиваемое антенной.

Возникает вопрос, а нельзя ли катушку большой индуктивности в схеме рис. 1 заменить обычным колебательным контуром? Конечно, можно, но развиваемое на контуре напряжение сигнала при этом будет меньше. Избавляя читателя от довольно трудоемкого математического анализа, скажем только, что напряжение сигнала уменьшается (примерно) пропорционально отношению емкости антенны к полной емкости контура. Объясняется это тем, что дополнительные реактивные токи, протекая через сопротивление катушки R, вызывают и дополнительные потери. Ясно, что собственная емкость катушки и входная емкость УРЧ также играют вредную роль, уменьшая развиваемое напряжение. В приведенном примере, применив стандартную средневолновую катушку индуктивностью 200 мкГн с подключенным параллельно ей конденсатором емкостью около 130 пФ для настройки на частоту 1 МГц. мы получим на контуре напряжение сигнала около 0,15 В. что, в общем-то, тоже не мало!

Далее, ради интереса предположим, что катушка идеальна и не имеет потерь. Теперь эквивалентная схема будет выглядеть, как на рис. 3. Кстати, в этом случае можно безболезненно уменьшить индуктивность катушки и подсоединить параллельно контурный конденсатор. Получившийся контур придется настроить на несколько более высокую частоту, чем нужная, на которой он будет обладать индуктивным характером сопротивления, тем большим, чем меньше расстройка. Подбирая расстройку, получаем индуктивное сопротивление контура Xt, в точности равное емкостному сопротивлению антенны - Хс, и снова приходим к эквивалентной схеме рис. 3. Практически настройка производится как обычно, по максимуму напряжений сигнала на контуре, и соответствует точному резонансу контура на нужной частоте, с учетом емкости антенны.

Что же теперь представляет собой активное сопротивление антенной цепи? Раньше оно складывалось из сопротивления потерь катушки и сопротивления излучения антенны, причем последнее было значительно меньше, и мы им пренебрегли. Теперь сопротивление потерь катушки равно нулю, конденсатор, если он есть, также практически потерь не вносит, и остается только сопротивление излучения. Как известно из теории, для коротких антенн Rизл = 1600h/λ2. Подставив это выражение в полученную нами формулу для напряжения, развиваемого на катушке, получаем U = EXLλ2/1600h, т. е. при укорочении антенны напряжение даже возрастает!

Предвижу возражения; этот фантастический результат получен, мол. для нереальных условий, т. е. когда потери в катушке отсутствуют, а ее добротность стремится к бесконечности. Разумеется, никто не собирается помещать катушку в жидкий гелий, чтобы получить сверхпроводимость и добиться отсутствия потерь - хотя это можно сделать, но будет слишком дорого и хлопотно. Давным-давно известен и широко используется другой путь - компенсация потерь в катушке с помощью положительной обратной связи, или регенерация. При подходе к порогу самовозбуждения в регенераторе эквивалентная добротность контура намного возрастает, а с ней увеличиваются и напряжение сигнала и чувствительность. Получается, что легенды о необыкновенных приемных качествах Q-умножителей, использующих регенерацию во входном контуре, возникли совсем не на пустом месте!

На длинных и средних волнах регенерацию во входном контуре используют не часто, в основном потому, что при большой добротности сужается полоса пропускания (В) и ослабляются высшие частоты звукового спектра AM сигналов, ведь В = f/Q. Но на коротких волнах и требуемые полосы поуже и частоты повыше, поэтому там большую добротность входного контура можно только приветствовать. По измерениям, проведенным автором, получить довольно стабильную добротность 10 000 в хорошо спроектированном Q-умножителе вполне возможно. Посчитаем, какое напряжение разовьет довольно слабый сигнал с Е =10 мкВ/м в нашей антенне длиной 2 м, присоединенной к такому контуру: U = EhQ = 0,1 В. Комментарии, как говорят, излишни.

Для подтверждения сказанного, автор собрал устройство, показанное на рис. 4. Это "истоковый" детектор на полевом транзисторе (когда-то аналогичные по своим свойствам детекторы делались на лампах и назывались катодными). Сопротивление в цепи истока выбрано довольно большим, транзистор работает вблизи отсечки, на нижнем сгибе характеристики и поэтому хорошо детектирует AM сигнал. Большое запирающее смещение на затворе (относительно истока) гарантирует высокое входное сопротивление, а 100% ООС по звуковой частоте обеспечивает малые искажения. Конденсатор С2 и цепочка R3C4 отфильтровывают высокочастотные составляющие, а переменный резистор R4 служит регулятором громкости. С него звуковой сигнал подавался на простой УМЗЧ (В. Поляков. "Универсальный усилитель 3Ч". - Радио. 1994. № 12. с. 34, 35).

Конденсатор входного контура заменяет емкость антенны, катушки и входную емкость транзистора. Антенной служит полутораметровый отрезок провода, протянутый от рабочего стола на окно, а заземлением служит труба центрального отопления подокном. Катушка была взята готовая, от магнитной антенны промышленного ДВ приемника. Она содержала около 250 витков провода ПЭЛ 0,2, намотанных в один слой виток к витку на каркасе диаметром 12 мм. Для настройки служил магнитный стержень той же антенны, вдвигаемый в катушку. Ввиду малой емкости настройка контура получилась на частоты средневолнового диапазона. Четыре московских радиостанции развивали на затворе транзистора сигнал от 0,5 до 1,5 В. так что теория полностью подтвердилась - регулятор громкости приходилось устанавливать на минимум!

Померить высокочастотное напряжение на затворе было совсем не просто - осциллограф к затвору подключить нельзя из-за шунтирования сигнала. Щуп осциллографа подключался к истоку, вместо конденсатора С2. Детектирование при этом становилось хуже, зато транзистор передавал высокочастотный сигнал в режиме истокового повторителя. Уменьшая емкость С2. можно наблюдать регенерацию и даже самовозбуждение. Обратная связь при этом получается по схеме емкостной трехточки. образованной емкостью затвор-исток и конденсатором С2. При достаточной регенерации можно было в вечернее время слушать и дальние станции.

Любопытен такой факт: когда во время эксперимента провод антенны оторвался от контура, прием московских станций продолжался (хотя и со значительно меньшей громкостью) на ферритовый стержень.

Автор: В.Поляков, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Антенны. Теория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Выращены томаты без косточек 19.07.2025

Современное сельское хозяйство все чаще обращается к молекулярной биологии, чтобы преодолеть вызовы, связанные с климатом, сроками хранения и требованиями рынка. Один из таких прорывов связан с выращиванием плодов без семян - давно востребованных как в пищевой промышленности, так и среди потребителей. Пока обезкосточенные бананы и виноград стали привычными, новое внимание ученых сосредоточено на других культурах. Индийские исследователи уверенно двигаются в этом направлении, предложив инновационный подход к созданию томатов без косточек. Исследование было проведено на кафедре ботаники факультета естественных наук Университета Маунтин-Си в индийском городе Вадодара. Руководство проектом осуществлял профессор Сунил Сингх, а финансирование обеспечивал Совет по научным и инженерным исследованиям. Ученые сосредоточились на изучении так называемых каспазоподобных генов, которые играют ключевую роль в развитии растений, в частности - в вегетативных и репродуктивных функциях. По словам п ...>>

Сахар из углекислого газа 19.07.2025

Новая разработка китайских исследователей в этой области может радикально изменить подход к производству сахара и других органических соединений. В условиях, когда Китай, несмотря на подходящий климат, ежегодно вынужден импортировать до пяти миллионов тонн сахара - около трети от общего объема потребления - поиск альтернативных способов получения этого ресурса становится особенно актуальным. Расширение посевных площадей под сахарную свеклу и тростник приводит к деградации почв и нарушению экосистем, а значит, необходимо искать более экологически безопасные решения. Ответ на этот вызов предложили ученые Тяньцзинского института промышленной биотехнологии при Китайской академии наук. Им удалось разработать метод, позволяющий превращать углекислый газ в сложные углеводы - такие как фруктоза, глюкоза, амилоза и другие сахара, пригодные для пищевой и химической промышленности. Как подчеркивает издание South China Morning Post, эта технология может одновременно снизить выбросы парниковы ...>>

Умные очки для плаванья Form Smart Swim 2 18.07.2025

Новое поколение умных очков от компании Form обещает превратить каждую тренировку в интеллектуальный и высокоточный процесс, совмещая комфорт, аналитику и навигацию в одном устройстве. На рынок поступили обновленные умные очки для плавания Smart Swim 2. Очки Smart Swim 2 стали развитием предыдущей модели, получив целый ряд усовершенствований. Устройство не только стало на 15% компактнее и легче, но и обзавелось новыми функциями, среди которых - встроенный пульсометр и цифровой компас. Миниатюрный электронный блок с аккумулятором, оптическим датчиком и прочими компонентами теперь можно закрепить как с левой, так и с правой стороны, что добавляет гибкости в использовании. Одной из наиболее примечательных функций стала возможность измерения частоты сердечных сокращений в режиме реального времени. Для профессионалов это дает возможность максимально точно контролировать нагрузку, не выходя из воды. А те, кто предпочитает плавание в открытых водоемах, смогут оценить встроенный компас, ...>>

Случайная новость из Архива Влияние страха и боли на контроль своего тела 16.04.2025 Недавнее исследование, проведенное в Университете Хиросимы, раскрывает, как эмоциональные состояния, такие как страх и боль, а также прошлый опыт, могут ослабить способность человека ощущать контроль над своим телом. В ходе эксперимента использовалась виртуальная реальность, чтобы выяснить, как различные внешние стимулы могут повлиять на восприятие своего тела. В исследовании участникам предлагали наблюдать за своим виртуальным телом с помощью гарнитуры виртуальной реальности. Они видели, как виртуальное тело подвергается физическому воздействию, например, как его гладят по спине, что создавалось иллюзию владения этим телом. Этот метод активно использует внешние стимулы - визуальную и тактильную информацию, чтобы воздействовать на восприятие тела и усилить ощущение "своего" тела в виртуальном пространстве. Однако исследователи пошли дальше и проверили, как воздействие эмоциональных состояний, таких как боль и страх, влияет на восприятие виртуального тела. Когда участникам показывали нож, вонзающийся в спину их виртуального тела, им приходилось воспринимать виртуальное тело как свое собственное в контексте болезненного переживания. Страх, вызванный этим стимулом, измеряли с помощью проводимости кожи, а результаты показали, что реакция страха была сильнее у тех, кто наиболее идентифицировал себя с виртуальным телом. Важно, что степень этой реакции зависела от того, как сильно участники ощущали связь с виртуальной репрезентацией себя. Еще более интересным было то, что факторы сверху вниз - такие как ожидания, основанные на предыдущем опыте, - также оказывали влияние на ощущение владения телом. Например, когда участники были проинформированы о болезненных ощущениях, таких как боль в животе, иллюзия владения виртуальным телом становилась слабее. Это означало, что восприятие тела не только зависит от физического воздействия, но и от того, что люди ожидают или что они пережили в прошлом. Данные исследования могут объяснить, почему некоторые люди испытывают трудности с ощущением связи со своим телом, особенно в случаях деперсонализации. У тех участников, которые склонны к деперсонализации, иллюзия владения виртуальным телом ослабевала сильнее, что подтверждает, что эмоциональные и психологические состояния могут влиять на восприятие тела. Исследователи предполагают, что такой эффект может быть обусловлен тем, как восприятие тела меняется под влиянием внешних факторов и эмоциональных переживаний. Например, когда человек испытывает физическую боль или страх, это может ослабить его способность воспринимать тело как свое собственное. Также важно отметить, что негативный опыт может затруднять установление связи между виртуальным телом и реальным телом, что является ключом для появления иллюзии владения. Результаты этого эксперимента подчеркивают важность не только физических, но и эмоциональных факторов в восприятии и ощущении контроля над собственным телом. Это открытие может оказать влияние на понимание различных психосоматических расстройств, таких как деперсонализация, и дать новые идеи для разработки методов лечения этих состояний.

Другие интересные новости:

▪ Спутниковый доктор

▪ Передача данных по USB 3.2 со скоростью до 20 Гбит/с

▪ Создана самая сильная кислота

▪ Ультразвук помогает лекарствам дойти до цели

▪ Дорожная полиция приказывает плюнуть

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Справочные материалы. Подборка статей

▪ статья Старая гвардия. Крылатое выражение

▪ статья Чем опасно использование монооксида дигидрогена? Подробный ответ

▪ статья Биржевой маклер. Должностная инструкция

▪ статья Адаптер для звуковой сигнализации. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Нормы испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей. Масляные и электромагнитные выключатели. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025