Актуальная задача антенной техники - создание эффективных электрически малых антенн. Они нужны как для портативных и мобильных радиостанций KB, УКВ и СВЧ диапазонов, так и для стационарных длинноволновых радиосистем в условиях ограниченности пространства. Предлагаемая статья знакомит читателей с одним из интересных путей решения этой задачи.

Размеры электрически малой антенны по определению много меньше длины волны λ в свободном пространстве. Проблема конструирования таких антенн состоит в том, что с уменьшением размеров излучающей системы быстро уменьшается эффективность излучения. Возникают трудности согласования нерезонансных антенн с источниками (приемниками).

Уменьшить физические размеры антенны при сохранении электрических (волновых) размеров удается при замене прямолинейных проводников спиральными, изогнутыми в виде винтовой линии (рис. 1).

Такие структуры называют замедляющими. Скорость распространения волны адоль оси спирали меньше скорости света, поэтому длина волны λs в такой структуре при той же частоте меньше λ. Физическую длину резонансной антенны таким способом можно сократить в десятки раз. Спиральные антенны поперечного (перпендикулярно оси) излучения широко используются в портативных и стационарных радиосредствах.

Если линейный вибратор свернуть в замкнутое кольцо, получим рамку (рис. 2,а). Распределение электрического тока 1э в электрически малой рамке можно считать равномерным, поэтому она будет излучать равномерно по всем азимутальным направлениям, но только с горизонтальной поляризацией (рис. 2,6), как элементарный вертикальный магнитный вибратор. При неравномерном распределении тока диаграмма не будет такой симметричной. Когда длина периметра рамки кратна целому числу полуволн, в такой антенне возможны резонансы. Так, в антенне типа "квадрат" на ее периметре укладываются две полуволны.

На средних, длинных и сверхдлинных волнах, ввиду особенностей их распространения, предпочитают вертикальную поляризацию. Именно здесь проблема сокращения вертикальных размеров антенн стоит особенно остро. Попробуем представить себе любительский четвертьволновый вертикальный вибратор диапазона 136 кГц высотой около 550 м! Однако совсем не обязательно в качестве источника излучения использовать электрический ток. В соответствии с принципом перестановочной двойственности, если равномерно распределенный кольцевой электрический ток (рис. 2,а) заменить магнитным током IM (поскольку в природе нет магнитных зарядов, это будет фиктивный магнитный ток, плотность которого пропорциональна скорости изменения магнитной индукции), то в поле излучения векторы электрической и магнитной компонент поменяются местами. Мы получим источник, эквивалентный по диаграмме направленности элементарному электрическому вибратору, в нашем случае вертикальному (рис. 3).

Кольцевой магнитный ток можно получить в тороидальной спиральной антенне (Toroidal Helical Antenna, THA), которая образуется в результате свертывания линейной спирали в замкнутое кольцо. Форма витка спирали может быть произвольной (окружность, прямоугольник и т. д.). На рис. 4 приведен эскиз тороида с квадратной формой сечения и указаны обозначения размеров.

На рис. 5,а показан пример построения 7-витковой тороидальной антенны. В такой системе также возможны резонансы, когда по оси тороида укладывается целое число полуволн магнитноготока. Но в спирали длина волны меньше, поэтому резонансная ТНА может иметь значительно меньшие размеры, чем резонансная рамка из линейного провода.

На рис. 5,б,в,г даны пространственные диаграммы направленности (ДН) ТНА как по отдельным составляющим электрического поля Еθ, Еφ, так и по суммарному полю ЕΣ Особенностью резонансных ТНА с одной спиральной обмоткой является то, что в ней, помимо создающей тороидальное магнитное поле вихревой составляющей электрического тока спирали, всегда есть тороидальная составляющая (вдоль оси тороида), из-за которой поле излучения содержит не только вертикальную Еθ, но и значительную горизонтальную Еφ компоненту электрического поля.

Для компенсации тороидальной составляющей электрического тока делают две одинаковые обмотки, намотанные в разные стороны (левую и правую), и включают их противофазно (рис. 6,а).

В местах пересечения обмотки не соединяются. Мы получили тороидальную спиральную антенну со встречными спиральными обмотками (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Магнитные поля в полости тороида от обеих обмоток складываются. На диаграммах рис. 6,б, виг видно, что доля составляющей Еθ в поле излучения заметно возросла, минимумы суммарной диаграммы вдоль оси у стали менее глубокими, однако мы опять не получили общую диаграмму, как на рис. 3. Это объясняется тем, что магнитное поле в полости тороида распределено вдоль оси не равномерно, а в соответствии с распределением амплитуд стоячей волны тока. Как преодолевают это препятствие, покажем ниже, а сейчас рассмотрим некоторые интересные свойства уже описанных антенн.

На рис. 7 приведены расчетные частотные зависимости активной (R) и реактивной (X) составляющих входного импеданса ТНА при а = 0,6 м, h = 0,8 м и N = 7. Характерно чередование четных "последовательных" и нечетных "параллельных" резонансов (сходных по характеру с резонансами в последовательном и параллельном колебательных контурах).

Для сравнения в таблице приведены расчетные значения резонансных частот (в мегагерцах) и резонансных сопротивлений (в килоомах) для этой антенны (ТНА) и для антенны СТНА с такими же параметрами.

Характер чередования резонансов у СТНА такой же, как у ТНА, однако при одинаковых параметрах резонансные частоты СТНА ниже; это можно объяснить влиянием емкости между обмотками. Заметим, что у обеих антенн нет строгой кратности резонансных частот.

Основные параметры тороидальных антенн - это размеры и количество витков N. Мы выбрали для расчетов и моделирования форму сечения в виде квадрата со стороной h. Если пренебречь влиянием среды внутри и вне тороида, то, задавшись частотой 1-го резонанса (МГц) и радиусом а (м), можно рассчитать размер h (м) рассмотренных выше антенн по формулам:

для ТНА:

для СТНА:

Формулы получены с помощью регрессионного анализа по результатам компьютерного моделирования для диаметра провода 1,3 мм размеров 0,6 м ≤а ≤ 4 м, 0,5м≤h≤4м, причем 0,3≤h/а≤1,3, и диапазона частот 0,7 МГц < f1 < 23 МГц. Среднеквадратическая погрешность при указанных условиях около 0,03 м. Возможен масштабный пересчет и для других частот (все размеры изменяются пропорционально изменению длины волны).

Интересной особенностью СТНА является возможность получения (только для отдельных комбинаций параметров), близкой к изотропной, диаграммы направленности (рис. 8) Эта диаграмма получена, в частности, при частоте 70 МГц для антенны с параметрами N = 5, а = 0,2 м и h = 0,27 м в условиях свободного пространства.

На рис. 9 приведены сравнительные зависимости КПД ТНА и СТНА от частоты. Как правило, КПД быстро уменьшается при уменьшении основных размеров антенны и увеличении количества витков. Наибольший КПД у ТНА - в области между 2-м и 3-м резонансами, у СТНА - при 3-м и 5-м резонансах, а максимальные его значения ниже, чем у ТНА. Для антенн обоих типов характерны глубокие минимумы КПД при всех четных резонансах выше второго. Это объясняется неблагоприятным для эффективного излучения распределением тока в обмотках.

Электрически малые антенны вообще имеют низкий КПД и поэтому очень чувствительны к антенному эффекту фидера. Их имеет смысл использовать на подвижных объектах с очень коротким фидером или вообще без него. Эллиптичность поляризации тороидальных антенн полезна, например, для обеспечения бесперебойной связи в подвижных системах, в частности, для устойчивого приема программ УКВ ЧМ радиовещания. На рис. 10 показано размещение СТНА с характеристикой по рис. 8 на крыше автомобиля и приведена диаграмма направленности с учетом влияния кузова и земли.

Исторически развитие тороидальных антенн связано с желанием уменьшить вертикальный размер излучающей системы с вертикальной поляризацией и круговой ДН. Как было отмечено, в обычной антенне СТНА с одним источником возбуждения не удается получить равномерного распределения магнитного тока вдоль оси тороида. На рис. 11,а показаны пересечения витков левой и правой обмоток на всей наружной поверхности тороида в развернутом виде, а на рис. 12 (кривая 1) - распределение напряженности магнитного поля вдоль оси тороида для 8-витковой обычной СТНА при f3 = 27 МГц. В результате неравномерности распределения поля диаграммы направленности такой антенны близки к показанным на рис. 6.

Один из способов получить близкое к равномерному распределение магнитного тока состоит в разбиении обмоток на секции, в каждой из которых направления(левое и правое)обеих обмоток изменяются на противоположные соседним (рис. 11,6). В местах разбиения обмоток на секции устанавливаются клеммы для подключения дополнительных источников возбуждения. В данном случае надо вместо одного подключить четыре одинаковых синфазных источника. Распределение магнитного тока при этом (рис. 12,6) получается без изменений знака, хотя и с небольшими пульсациями.

Такое решение позволило в широкой полосе частот получить ДН, не отличающуюся от приведенной на рис. 3. Расчетный КПД секционированной СТНА в данном случае на частоте 36 МГц оказался примерно вдвое больше, чем у несекционированной СТНА (59 % против 29 %).

В заключение отметим важнейшие достоинства и недостатки рассмотренных антенн и возможности их применения.

Общие плюсы - уменьшение вертикального размера антенн (за счет увеличения горизонтальных размеров!), отсутствие требований к противовесам и заземлению.

В сущности, ТНА представляет собой рамку, изготовленную из спирального проводника, что позволило сократить физические размеры резонансной антенны. Такая антенна интересна уже тем, что имеет эллиптическую поляризацию, а зависимость ДН от формы, окружения и асимметрии подключения позволяет широко и разнообразно использовать такие антенны в связной, радиовещательной, телеметрической и другой портативной радиоаппаратуре.

Наличие второй, встречной обмотки у СТНА, вообще говоря, ухудшает условия излучения, отсюда и ниже эффективность. Однако у этих антенн лучше выражена эллиптичность поляризации, что важно для подвижных систем связи в условиях многолучевости. Изотропная ДН несекционированной СТНА сама по себе вряд ли реализуема на практике ввиду сильного влияния окружения, а вот на входной импеданс СТНА окружающие предметы (и, в частности, проводящие поверхности) влияют слабо. Несекционированные СТНА могут найти применение в портативных устройствах низовой радиосвязи и персонального радиовызова, в системах сотовой связи nGPS.

Основная область применения тороидальных антенн, эквивалентных вертикальному вибратору (с вертикальной поляризацией и равномерной ДН в горизонтальной плоскости), - сравнительно длинные волны, для которых проводимость земли (или воды) достаточно велика.

Минусы СТНА - сложная технология изготовления. При секционировании антенн возникают дополнительные хлопоты с подключением нескольких точек питания.

Общие минусы - при уменьшении размеров резко уменьшается КПД антенны, а при попытках его улучшить (за счет увеличения толщины и подбора материала провода, повышения качества диэлектриков) уменьшается полоса пропускания. Проблемы с согласованием при перестройке с одной частоты на другую затрудняют использование тороидальных антенн в диапазоне частот.

Заинтересованный читатель может обратиться к патентной литературе [1-4] и к результатам исследований с участием автора [5, 6]. В [7] предложены несколько новых способов изготовления излучателя с вертикальной поляризацией на основе тороидальных структур. В [8] предложен универсальный алгоритм синтеза антенн из сегментов с электрическими и магнитными токами.

Автор: А.Гречихин (UA3TZ)