Добротность и КПД рамочной антенны. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны УКВ

Комментарии к статье

Малогабаритные рамочные антенны многие годы вызывают интерес радиолюбителей. В последнее время появились выпускаемые промышленностью антенны, дистанционно настраиваемые с помощью КПЕ с моторным приводом.

Общеизвестно, что добротность Q малой (по сравнению с длиной волны X) рамки высока, и поэтому полоса пропускания 2Δf = f 0/Q составляет не более нескольких процентов от ее резонансной частоты f 0. Об эффективности же (КПД) рамок ходят либо легенды, либо совсем недостоверные данные.

В радиолюбительских условиях несложно изготовить рамочную антенну, настроить ее на нужную частоту f 0 и согласовать с фидером. Легко определить и полосу пропускания 2Δf, хотя бы по возрастанию модуля входного сопротивления в 1,4 раза при расстройке на Δf. КСВ в фидере при этом изменяется от единицы на частоте f 0 до примерно 2,6 на частотах f 0 ± Δf. Оказывается, этих данных вполне достаточно, чтобы оценить эффективность построенной рамочной антенны, размеры которой, разумеется, тоже известны Давайте вместе с автором выведем несколько простых формул, которые позволят оценить КПД. Если же кто-то не любит математики, он может просто посмотреть окончание статьи с выводами и результатами. Надеюсь, они не покажутся ему сложными (hi).

Итак, речь пойдет о "круглой" рамке с периметром р = πD, заметно меньшим λ/2 (рис. 1). Индуктивность рамки компенсируется емкостью конденсатора настройки С, таким образом, антенна настраивается в резонанс, и ее сопротивление становится чисто активным и равным R∑ + Rn, где R∑ - сопротивление излучения; Rn - сопротивление потерь. При этом в рамке устанавливается кольцевой ток максимальной амплитуды с практически равномерным распределением по периметру. Согласование с кабелем делается по-разному: петлей связи, ферритовым трансформатором или гамма шлейфом, как на рис. 1.

Приведем сначала известные из теории антенн формулы, полезные при расчете рамочной антенны. Ее сопротивление излучения R∑ = 20π2р4/λ4, как видим, достаточно мало и быстро падает с уменьшением периметра. Сопротивление потерь тоже стараются сделать малым, поскольку КПД = R∑/(R∑ + Rn).

Добротность рамки, как и обычного колебательного контура, равна отношению индуктивного сопротивления на резонансной частоте X = 2πf 0L к активному: Q = X/2(R∑ + Rn). Двойка в знаменателе введена для учета трансформированного к рамке выходного сопротивления передатчика или входного сопротивления приемника, равных (по условиям согласования) активному сопротивлению антенны. У антенны без потерь (Rn = О, КПД = 100 %) добротность - конечная величина, поскольку остаются полезные потери на излучение: Q0 = X/2R∑. Легко также показать, что КПД = Q/Q0.

Для расчета индуктивности рамки в литературе предложено довольно много формул, незначительно отличающихся числовыми коэффициентами (абсолютно точной формулы не существует, так как трудно учесть малые эффекты: отличие формы от круга, конечный диаметр провода, распределение тока по его поверхности, скин-эффект и т. д.). Автор предпочитает пользоваться наиболее простой и довольно точной формулой- L = μ0R ln(R/r), где μ0=4π10-7 Гн/м - магнитная константа; R = D/2 и r = d/2 - радиусы соответственно рамки и провода. Все размерности здесь - в системе единиц СИ. Видим, что индуктивность прямо пропорциональна диаметру рамки D, помноженному на коэффициент формы β = ln(D/d). Его значения приведены на графике (рис. 2)

Вычислим индуктивное сопротивление X = 2πf0L = πf0Lμ0Dβ и перейдем от частоты к длине волны, учитывая, что f0 = c/λ. с = 1√μ0/e0(скорость света) и √μ0/e0 = 120π (волновое сопротивление свободного пространства):

Осталось найти добротность:

Как и для других малых антенн (см. предыдущие статьи автора на эту тему), добротность оказалась обратно пропорциональной кубу линейных размеров или объему ближнего поля антенны. Упростим формулу: поскольку π ≈ 3 с ошибкой не более 5 %, то запишем окончательно:

Q0 = β(λ/p)3.

Такой должна быть добротность рамочной антенны с КПД = 100 %. Если измеренное значение Q меньше (а больше оно теоретически быть не может), то КПД = Q/Q0. Теперь радиолюбители смогут, рассчитав по известному периметру рамки ее необходимую добротность Q0 и измерив реальную добротность Q, определить КПД своей антенны.

Автор: Владимир Поляков (RA3AAE), г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Антенны УКВ.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Тающие айсберги создают новые оазисы жизни на дне океана 30.06.2026

Глобальное потепление активно меняет облик нашей планеты, и одним из наиболее заметных его проявлений становится ускоренное таяние ледников в полярных регионах. Этот процесс не только приводит к подъему уровня Мирового океана, но и вызывает цепную реакцию в морских экосистемах, порой создавая неожиданные и парадоксальные последствия. Массовое высвобождение айсбергов из Гренландии - яркий пример того, как климатические изменения перестраивают жизнь в самых глубоких и удаленных уголках океана. Из-за повышения температуры количество айсбергов, откалывающихся от гренландских ледников, стремительно растет. Ученые проанализировали данные за последние 40 лет и установили, что с 2000 года поток ледяных глыб через пролив Фрама увеличился в четыре раза. Об этом сообщает Futurism со ссылкой на исследование специалистов из Технического университета Дании. Такое беспрецедентное нашествие айсбергов представляет серьезную опасность для международного судоходства. Одновременно оно радикально тра ...>>

Робот-тьютор Optio, помошник школьника 30.06.2026

Икусственный интеллект и робототехника все активнее помогают учителям и ученикам, делая обучение более персонализированным и увлекательным. Гуманоидные роботы, способные взаимодействовать с людьми естественным образом, открывают новые возможности для школ, особенно в условиях нехватки педагогических кадров и растущего интереса к технологиям. Одна из таких инновационных инициатив стартовала в американском штате Нью-Йорк. Компания Realbotix запустила своего помощника учителя на базе искусственного интеллекта под названием Optio в Центральном школьном округе Саламанки. Робот выступает в роли тьютора, предлагая персонализированное репетиторство, многоязычную помощь с домашними заданиями и круглосуточную академическую поддержку. По данным Interesting Engineering, проект направлен на повышение вовлеченности учащихся и внедрение передовых технологий в учебный процесс. В рамках пилотной программы школы округа планируют интегрировать человекоподобных роботов в классы. Изначально Optio буд ...>>

Биопрепараты повышают питательную ценность органической гречихи 29.06.2026

В органическом земледелии особое внимание уделяется не только урожайности, но и качественному составу продукции. Потребители все чаще выбирают продукты с высоким содержанием полезных веществ и без следов химических веществ. Исследования показывают, что применение биологических препаратов может существенно улучшить минеральный состав зерновых культур, делая их более ценными с точки зрения питания. В результате полевых экспериментов, проведенных в 2023-2025 годах, ученые установили, что использование биопрепаратов способствует активному накоплению макроэлементов, в частности фосфора и калия, в зерне органической гречихи. Об этом сообщила Леся Крупак из Белоцерковского национального аграрного университета в своей работе "Экологичность и производительность". Наиболее заметный эффект наблюдался при применении гумата калия. В этом случае содержание калия в зерне увеличивалось на 19-21 процент по сравнению с контрольными участками. Такой результат свидетельствует об улучшении работы тра ...>>

Случайная новость из Архива Сердечный имплантат с радиоволновым питанием 14.09.2012 Команда инженеров из Стэнфорда представила миниатюрное имплантируемое сердечное устройство, питающееся не от батареек, а от радиоволн. Размеры устройства составляют всего лишь около 0,8 мм, оно могло бы поместиться на кончике иглы. Полученные результаты были опубликованы в Applied Physics Letters. Ученые продемонстрировали работу миллиметрового устройства, имплантированного в грудную клетку на глубину около пяти см прямо на поверхность человеческого сердца. До сих пор такая глубина считалась недосягаемой для радиоволн. Инженеры считают, что это является лишь первым шагом в производстве беспроводных имплантатов. Помимо сердечных имплантатов, это могут быть эндоскопы, кардиостимуляторы, стимуляторы головного мозга и другие медицинские устройства, в которых критичны малые размеры и мощность. Имплантаты в свое время произвели революцию в медицине. В настоящее время подобные устройства - кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты и пр. - обеспечивают должное качество жизни сотням тысяч, если не миллионам, пациентов. Но в процессе проектирования этих устройств приходится решать сложные инженерные задачи. Критичны размеры питательного элемента и время его работы. Например, в кардиостимуляторе аккумулятор занимает до половины всего его объема. А когда батарейка садится, человеку необходима новая операция. Возможность получать энергию через радиоволны решает обе эти проблемы. Согласно существующим математическим моделям, предполагалось, что высокочастотные волны проникают не слишком глубоко в ткани человеческого организма. Из-за этого до сих пор не было попыток создать подобные импланты - потребовались бы низкочастотные передатчики и, следовательно, большие антенны. Слишком большие, для того, чтобы вживлять их в организм. Однако команда ученых во главе с Адой Пун, профессором электротехники Стэнфордского университета, опровергла это мнение. Электрические волны действительно быстро рассеиваются в тканях, однако радиоволны при должном подборе частот могут проникать на большую глубину. Пересмотрев модели, Ада Пун и ее соавторы показали, что в определенном высокочастотном диапазоне мощность передаваемой энергии увеличивается примерно в десять раз. Это означает, что приемные антенны могут быть в 10 раз меньше, а значит, проблем с имплантатом из-за размера уже не возникнет. При этом оптимальная частота, с которой работает устройство, способна производить около 50 микроватт энергии, что значительно превосходит потребности существующих кардиостимуляторов - 8 микроватт. Разработчики подали заявку на патент по конструкции антенны беспроводного имплантата и планируют продолжать работы, чтобы создать максимально эффективные устройства, соответствующие санитарным нормам, установленным IEEE.

Другие интересные новости:

▪ Ученые обнаружили в метеорите алмазы с погибшей протопланеты

▪ Китай начал исследования в области 5G-связи

▪ Примиальная клавиатура Seneca

▪ Миниатюрный датчик тканевой жидкости для носимой электроники

▪ Гибкий смартфон сможет заменить компьютер

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Инструмент электрика. Подборка статей

▪ статья Ученые степени Микки-Мауса. Крылатое выражение

▪ статья Какая рок-певица была капитаном женской юниорской сборной России по баскетболу? Подробный ответ

▪ статья Станочник деревообрабатывающих станков, занятый обработкой заготовок на строительных станках. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Защита двигателя мясорубки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Слабое место льда. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026