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:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Гибкий 32-разрядный микроконтроллер ARM 24.07.2021 В отличие от обычных полупроводниковых чипов, гибкие электронные устройства базируются на подложках из бумаги, пластика или фольги, и используют активные тонкопленочные полупроводниковые материалы, в том числе органические соединения, оксиды металлов и аморфный кремний. После шести лет разработки ARM представила первый полностью 32-разрядный гибкий микроконтроллер PlasticARM, который состоит из 56 340 тонкопленочных NMOS-транзисторов (Negative channel Metal-Oxide-Semiconductor) и резисторов на пластиковой подложке, предоставленной британской производственной компанией PragmatIC Semiconductor из Кембриджа. Чипсет реализован с использованием 0,8-микронного процесса PragmatIC и стандартного инструментария. Он состоит из четырех металлических слоев на 200-миллиметровой полиимидной пластине. В двух нижних слоях размешаются стандартные ячейки, а два верхних служат для их соединения. Такой подход позволил довести общую плотность вентилей приблизительно до 300 на мм2. С площадью 59,2 квадратных миллиметров, PlasticARM в 12 раз больше предыдущей совместной разработки ARM и PragmatIC - выделенного ядра FlexIC для нагрузок машинного обучения - и знаменует собой значительный шаг в создании недорогой гибкой пластиковой электроники для повседневных объектов, подключаемых к Интернету Вещей. Как сообщается в статье, опубликованной вчера журналом Nature, гибкий микроконтроллер включает в себя 32-разрядный центральный процессор, контроллер NVIC (Nested Vector Interrupt Controller) для обработки прерываний от внешних устройств, периферии, памяти и интерфейса, шину межсоединений AHB-lite и 456 байт ROM. Прошивка содержит три тестовые программы с использованием набора инструкций ARMv6-M и стандартной инструментальной цепочки ARM. Вся система на чипе (SoC) работает с тактовой частотой 29 кГц от трехвольтового источника питания и потребляет 21 мВт, из которых на процессор приходится 45%, на память - 33% и на периферийные устройства - оставшиеся 22%. Главной проблемой, связанной с пластиком, было потребление энергии и рассеивание тепла. Разработанные ARM библиотеки ячеек с низким энергопотреблением, по прогнозам инженеров компании, способны поддерживать пластиковые чипы, сложность которых достигает примерно 100 000 вентилей (это позволит использовать с ядром контроллера больше периферийных устройств). Для миллиона и более логических вентилей, вероятно, потребуется технология комплементарных металл-оксидных полупроводников (КМОП).

Другие интересные новости:

▪ Температура мозга

▪ Наножилье для солнцелюбивых бактерий

▪ Испытан мощнейший гиперзвуковой двигатель

▪ Испытания суборбитального космического самолета SpaceShipTwo

▪ Домашний кинотеатр с системой автоматической настройки АС

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электронные справочники. Подборка статей

▪ статья И я его лягнул. Крылатое выражение

▪ статья Что такое радиоволны? Подробный ответ

▪ статья Свида белая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Сопряжение с компьютером цифрового мультиметра серии 830. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Источники двуполярного образцового напряжения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025