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:

Микропластик в атмосфере - скрытый ускоритель глобального потепления 31.05.2026

Микропластик уже давно признан одним из самых масштабных загрязнителей планеты. Он проникает в океаны, почву, организмы животных и даже в тело человека. Однако до недавнего времени мало кто задумывался о его влиянии на климатические процессы. Новое исследование показало, что микро- и нанопластик в атмосфере способен поглощать тепло, тем самым внося дополнительный вклад в глобальное потепление. Ученые обнаружили, что воздействие пластиковых частиц на климат зависит от их цвета. Светлые частицы отражают солнечный свет и способствуют некоторому охлаждению, в то время как более темные - активно поглощают тепло и излучение. Со временем пластик в атмосфере темнеет под воздействием ультрафиолета, что усиливает его согревающий эффект. Этот процесс напоминает пожелтение пластиковых парковочных талонов, оставленных на солнце. Соавтор исследования, заслуженный профессор наук о Земле в Университете Дьюка Дрю Шинделл отметил, что влияние микропластика на изменение климата пока относительно не ...>>

Универсальный бытовой робот-гуманоид GigaAI SeeLight S1 31.05.2026

Развитие робототехники постепенно переносит сложные машины из промышленных цехов прямо в повседневную жизнь людей. Китайская компания GigaAI сделала важный шаг в этом направлении, представив SeeLight S1 - первую в стране модель универсального бытового робота-гуманоида. Эта разработка призвана взять на себя рутинные домашние дела и стать настоящим помощником в повседневной жизни. Уже в конце текущего месяца сотня роботов SeeLight S1 начнет проходить испытания в специализированном жилом комплексе, предназначенном для работников высокотехнологичных отраслей. По словам генерального директора GigaAI Чжу Чжэна, в первой половине 2027 года роботы будут переданы для бесплатного тестирования обычным семьям в Ухане - столице провинции Хубэй. Такой подход позволит собрать реальные данные о работе устройства в домашних условиях. В демонстрационном видео робот, передвигающийся на колесах, уверенно справляется с множеством бытовых задач. Он нарезает овощи, жарит яйца, загружает стиральную маши ...>>

Вкусовые пристрастия формируются еще в утробе 30.05.2026

Предпочтения человека к еде закладываются задолго до первого прикорма. Современная наука подтверждает, что ребенок начинает знакомиться с ароматами и вкусами пищи еще до рождения, через околоплодные воды. Новое международное исследование показало, что регулярное потребление определенных продуктов беременной женщиной может формировать долгосрочные пищевые предпочтения у ребенка, сохраняющиеся даже спустя годы после появления на свет. Ученые из университетов Великобритании, Франции и Нидерландов провели эксперимент с участием беременных женщин. Одной группе будущих мам давали капсулы с порошком капусты кейл, другой - с порошком моркови. Реакцию детей на эти запахи проверяли в три этапа: сначала в утробе матери с помощью 4D-УЗИ на поздних сроках беременности, затем в возрасте трех месяцев и, наконец, когда детям исполнилось три года. Результаты оказались весьма убедительными. Дети женщин, принимавших порошок кейла, положительно реагировали на запах этой капусты, но негативно - на ар ...>>

Случайная новость из Архива Вода может иметь несколько жидких состояний 21.11.2020 Ученые экспериментально доказали, что переохлажденная вода может существовать в виде двух несмешивающихся жидких фаз с различной плотностью. Результаты исследований опубликованы в журнале Science. Вода - одно из самых распространенных веществ. При этом она обладает уникальными физическими свойствами - при изменении давления и температуры ведет себя не так, как другие жидкости. Аномалии фазовых состояний воды долгие годы изучают физики и химики всего мира. Всем знакомо обычное жидкое состояние воды при нормальной температуре. Однако еще тридцать лет назад ученые предположили, что при сверхнизких температурах у воды может быть несколько жидких состояний. Исследователи из США, Канады, Швеции и Южной Кореи под руководством Николаса Джовамбаттиста (Nicolas Giovambattista), профессора Городского университета Нью-Йорка и заведующего кафедрой физики Бруклинского колледжа экспериментально доказали, что при минус 63 градусах Цельсия вода может при низком давлении существовать в виде жидкости с низкой плотностью, а при высоком - в виде жидкости с высокой плотностью. Эти две жидкости имеют заметно разные свойства - отличаются по плотности на 20 процентов и при соответствующих условиях не смешиваются друг с другом, как нефть и вода. Противоречащая интуиции гипотеза с самого начала была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды. Это потому, что эксперименты, в которых можно получить два жидких состояния сразу, очень сложные из-за казалось бы неизбежного образования льда в условиях, когда теоретически должны существовать две жидкости".

Другие интересные новости:

▪ Коровы в виртуальном мире

▪ Евроколибри - ранние пташки

▪ 64-слойные чипы 3D NAND 512 Гбит

▪ Ветряки выше Эйфелевой башни

▪ Искусственные фрукты

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Аккумуляторы, зарядные устройства. Подборка статей

▪ статья Венера. Крылатое выражение

▪ статья Отчего образуются морщины? Подробный ответ

▪ статья Проведение лабораторных и практических работ по биологии. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Охранное устройство с управлением ключами-таблетками iBUTTON. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Чудеса для разминки. Химический опыт

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026