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:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Случайная новость из Архива Углекислый газ превратили в уголь 27.02.2019 Исследователи из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT) научилась превращать углекислый газ в твердые частицы углерода. Уже существуют технологии, направленные на преобразование СО2 в жидкость, которую можно хранить под землей. Но у такого метода есть существенные минусы: большие затраты на транспортировку и риск утечки жидкости из хранилищ. Превращать углекислый газ в твердое вещество - гораздо более безопасный и экологичный подход. Однако ранее это было возможно только при чрезвычайно высоких температурах. Теперь же, используя жидкие металлы в качестве катализатора, ученые смогли превратить углекислый газ обратно в уголь при комнатной температуре. Это первый шаг к разработке надежного и эффективного способа очищения атмосферы от одного из основных парниковых газов, ответственных за глобальное потепление. "Хотя мы не можем буквально повернуть время вспять, превращение углекислого газа обратно в уголь и захоронение его в земле - это своеобразная перемотка "климатических часов", - говорят ученые. Они отмечают, что побочным продуктом этого процесса является синтетическое топливо, которое можно использовать в промышленности.

Другие интересные новости:

▪ Электрический барьер защитит купальщиков от акул

▪ Робот, передающий эмоции во время чтения

▪ Серотонин не влияет на развитие депрессии

▪ Зарядка носимых устройств от дыхания пользователя

▪ Искусственный свет полнит

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Автомобиль. Подборка статей

▪ статья Лешек Кумор. Знаменитые афоризмы

▪ статья Какие притоки Дона текут рядом и имеют одинаковое название? Подробный ответ

▪ статья Ориентирование карты по компасу. Советы туристу

▪ статья Тройной квадрат. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Повышение надежности тангенты. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025