Малые антенны: физические ограничения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны. Теория

Комментарии к статье

Электрически малыми считаются антенны, размеры которых не превосходят 10...20% длины волны λ. К ним относятся диполь, укороченный емкостными нагрузками на концах и катушками индуктивности, расположенными около емкостных "шляпок" (рис. 1), и кольцевая рамка (рис. 2). Катушки в диполе целесообразно включать именно так, как показано на рисунке, поскольку ток в вертикальной части при этом максимален и распределен равномернее, что обеспечивает максимальную действующую высоту диполя, практически равную его геометрической высоте hд = h (диполь Герца). Включение одной катушки в центре хуже - ток к концам диполя падает, и действующая высота уменьшается. Действующая высота рамки составляет hд = 2πSр/λ, где S - площадь рамки.

И диполь, и рамку настраивают на рабочую частоту в резонанс: первый - катушками, вторую - конденсатором, включенным в разрыв провода. Это обеспечивает компенсацию их реактивных сопротивлений, что необходимо по условиям согласования с нагрузкой (при приеме) или с генератором (при передаче). Напомним, что по теореме взаимности свойства антенн одинаковы при передаче и приеме.

Важный параметр антенн - сопротивление излучения, для малых антенн равное RΣ = 80π2(hд/λ)2- Именно на такое сопротивление R = RΣ надо нагружать приемную антенну, чтобы она отдавала максимальную мощность, и именно такое сопротивление "увидит" генератор, если его подключить вместо R (см. рисунки). Видим, что сопротивление излучения резко уменьшается с уменьшением размеров, а следовательно, и действующей высоты - пропорционально квадрату h для диполя и S для рамки. Возникают трудности согласования. Если теперь учесть, что КПД антенны η = RΣ/(RΣ + Rn), где Rn - сопротивление потерь, то можно сделать следующий вывод.

Вывод 1. Чем меньше антенна, тем меньше должны быть в ней омические потери. Сопротивление проводников антенны Rn надо уменьшать пропорционально квадрату длины для диполя и квадрату площади для рамки. Малые антенны из тонких проводов эффективно работать не могут - необходимы "толстые" проводники, а лучше - объемные тела с развитой поверхностью (скин-эффект!) и низким поверхностным сопротивлением.

Допустим, что мы сконструировали подобную "объемную" антенну условно в виде цилиндра радиусом r и высотой h, излучающего через боковую поверхность (рис. 3). Даже не рассматривая, что внутри этого цилиндра, т. е. какова конструкция антенны, удается сделать следующий важный вывод. Вся излучаемая мощность Р равна интегралу от плотности ее потока (вектора Пойнтин-га) П по любой замкнутой поверхности, окружающей антенну.

Для простоты заменим интегрирование умножением П на площадь боковой поверхности Sбок = 2πrh: P=П·Sбок = EH·2Kπrh. Отсюда получаем EH = P/2πrh. Положив излучаемую мощность постоянной, мы видим, что уменьшение размеров антенны (произведения rh) приводит к возрастанию напряженности как электрического Е, так и магнитного Н полей антенны. Какое из них возрастает сильнее, зависит уже от конкретной конструкции антенны. Кроме того, учет ближнего поля (квазистатического) может дать еще большие значения напряженностей.

Вывод 2. Уменьшение размеров антенны приводит к возрастанию напряженности полей вблизи нее, по минимальной оценке напряженность поля обратно пропорциональна размерам антенны. Поскольку поля порождаются напряжениями и токами, в маленьких антеннах неизбежны перенапряжения и сверхтоки.

Приведенные выводы поясняют, почему, например, короткий диполь в виде объемного биконуса и рамка из широкой медной ленты эффективны, а те же антенны из тонкого провода - нет Становится понятным также, почему Г- или Т-образная антенна в диапазоне 136 кГц светится огнями Святого Эльма уже при подводимой мощности 100 Вт, а такая же электрически малая антенна детекторного приемника развивает (без нагрузки) напряжение в десятки вольт.

Рассмотрим теперь вопрос о добротности антенны Q, определяющей ее широкополосность 2Δf = f0/Q на примере антенны, показанной на рис. 1. Поскольку размеры антенны малы по сравнению с длиной волны, практически вся индуктивность L сосредоточена в "удлиняющих" катушках, а емкость С - между "укорачивающими" концевыми дисками. Так же, как и у колебательного контура, добротность антенны равна отношению реактивного емкостного или индуктивного сопротивления (на резонансной частоте они равны) к активному. Последнее при отсутствии потерь складывается из сопротивления излучения RΣ и равного ему по условию согласования выходного сопротивления передатчика или входного сопротивления приемника R. Таким образом, Q = Xc/2RΣ.

Емкостное сопротивление найдем, используя формулу для емкости плоского конденсатора: С = ε0S/h, Хс = 1/ωС = h/ωε0S. Выразив угловую частоту через длину волны ω = 2πс/λ и используя известные из уравнений Максвелла соотношения для скорости распространения волны (скорости света) с = 1/(μ0ε0)1/2 и волнового сопротивления свободного пространства W = 1/(μ0ε0)1/2 = 120π, получаем Хс = 60λh/S. Подставляя эту формулу и выражение для сопротивления излучения в формулу для добротности, получаем окончательно Q = 3λ3/8π2Sh = λ3/26V. Здесь V = Sh - объем, занимаемый антенной. Таким образом, добротность антенны оказалась обратно пропорциональна ее объему.

Но как быть в случае короткого линейного вибратора, у которого емкостные "шляпки" на концах (см. рис. 1) заменены вертикальными проволочными отрезками (рис. 4)? Ведь объем такого диполя практически нулевой. Однако между концевыми отрезками существует емкость, настраивающая антенну совместно с индуктивностью L в резонанс.

Силовые линии электрического поля, связанного с этим "конденсатором", показаны штриховыми линиями. Оно убывает очень быстро с удалением от диполя, поэтому можно говорить о некотором эффективном объеме, в котором это поле сосредоточено. Он имеет форму, близкую к эллипсоиду вращения (рис. 4, тонкие сплошные линии). По сути, это объем ближнего квазистатического поля антенны. Для диполя оно преимущественно электрическое, отчего он и называется электрической антенной. Так же можно оценить и объем поля проволочной рамки. Оно преимущественно магнитное. Для рамки индуктивное сопротивление пропорционально первой степени диаметра, а сопротивление излучения - четвертой, в результате добротность оказывается пропорциональной кубу диаметра. Теперь удается сформулировать еще один вывод.

Вывод 3. Добротность малой антенны обратно пропорциональна объему, занимаемому ее ближним, квазистати-ческим полем. Добротность не удается уменьшить, варьируя конструкцию антенны, поскольку в любом случае при уменьшении размеров активное сопротивление излучения уменьшается очень быстро по отношению к реактивному.

Сделаем приближенные оценки, считая объем антенны равным кубу ее линейных размеров. При габаритах антенны порядка λ/3 выведенная нами формула дает Q = 1, т. е. такая (большая) антенна может быть широкополосной. Но уменьшая габариты до λ/10, мы получаем добротность около 40 и относительную полосу пропускания не более 2,5%, а уменьшение габаритов до λ/20 дает добротность более 300 и сужает полосу до 0,3%.

Если же малая антенна имеет широкую полосу пропускания и низкую добротность, то это может говорить лишь о следующем: либо антенна не мала и излучают какие-либо ее части, явно не входящие в конструкцию (оплетка кабеля, элементы опор и т. д.), либо у антенны велико сопротивление потерь и ее КПД низок.

Низкий КПД - не такое уж большое препятствие для проведения любительских радиосвязей. Допустим, что мы расширили полосу пропускания антенны с размерами λ/20 до 10% (в 30 раз), введя потери и понизив КПД тоже в 30 раз, т. е. до 3%. Подключив стоваттный передатчик и излучая мощность 3 Вт, вполне можно проводить даже дальние радиосвязи, чем, возможно, и объясняются восторженные отзывы о работе малогабаритных антенн.

Автор: В.Поляков (RA3AAE)

Смотрите другие статьи раздела Антенны. Теория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Случайная новость из Архива Увеличение продолжительности собачьей жизни 28.12.2024 На рынок выходят стартапы, разработавшие препараты, которые, по прогнозам ученых, помогут значительно продлить здоровую жизнь собак. Эти разработки базируются на исследованиях старения и метаболических изменений, происходящих с возрастом у животных. Один из таких препаратов - LOY-002 от американского стартапа Loyal, представляет собой таблетки со вкусом говядины, предназначенные для замедления процессов старения у собак. Основной целью препарата является восстановление метаболизма и подавление изменений, связанных с возрастом, таких как ослабление организма. Это достигается путем контроля уровня инсулина, который имеет тенденцию увеличиваться с возрастом, что способствует ускоренному старению клеток. Считается, что LOY-002 помогает замедлить этот процесс и таким образом продлить активную жизнь собаки. Другим важным направлением является исследование рапамицина в рамках Dog Aging Project, долгосрочного проекта, направленного на изучение процессов старения у собак. Рапамицин, который уже используется в медицине как иммунодепрессант для людей после трансплантации органов, оказался многообещающим препаратом для животных. Исследования показали, что низкие дозы рапамицина могут продлить жизнь собак, улучшить их сердечно-сосудистую систему и когнитивные функции. Механизм действия рапамицина заключается в его способности регулировать клеточный рост и метаболизм, что замедляет старение организма и снижает вероятность развития возрастных заболеваний. Этот проект также имеет большие перспективы для применения в области исследований долгожительства человека. Разработка методов продления жизни животных помогает ученым понять основные механизмы старения, которые можно будет применить в будущем для людей. Это становится важным шагом на пути к пониманию того, как можно замедлить возрастные изменения в организме человека и продлить его активное долголетие. Стартапы и исследования в области продолжительности жизни животных активно развиваются и вызывают большой интерес как среди владельцев домашних животных, так и среди специалистов, занимающихся проблемами старения. Возможно, в будущем эти препараты помогут не только продлить активность собак, но и дать ученым ключ к более глубокой и эффективной борьбе с возрастными изменениями у людей. Эти достижения в области ветеринарии могут значительно улучшить качество жизни домашних животных, а также предоставить ценные данные для дальнейших исследований в области продления жизни человека.

Другие интересные новости:

▪ Дети как средство от гипертонии

▪ На рынке появился новый РЧ-модуль на базе CC1100

▪ Телевизор управляется взглядом

▪ Память на движущихся нанотрубках

▪ Лунный маяк

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрик в доме. Подборка статей

▪ статья Станок для ручной пересадки. Чертеж, описание

▪ статья Какой небесный объект сопровождал рождение и смерть Марка Твена? Подробный ответ

▪ статья Органы государственного надзора и контроля

▪ статья Учет электроэнергии низкого напряжения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Оружие охотника на лис. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025