Informazioni sulle antenne riceventi e trasmittenti di piccole dimensioni. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Teoria

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Recentemente, molte pubblicazioni sono apparse nella letteratura radioamatoriale sulle antenne riceventi e trasmittenti di piccole dimensioni. Sono ampiamente utilizzati (soprattutto in apparecchiature portatili e su oggetti mobili) per la ricezione di emittenti e stazioni televisive, comunicazioni radio, rilevamento della direzione, ecc. Ecco perché un'analisi comparativa di tali antenne, una discussione sui loro vantaggi e svantaggi, nonché una conversazione su alcune "leggende" relative ad antenne elettricamente piccole. È sempre, ad esempio, che un'antenna magnetica ricevente è migliore di una elettrica sotto l'azione di interferenze ravvicinate [1]? Proviamo a capirlo. Cominciamo con le definizioni.

Le antenne elettricamente piccole (ESA) sono antenne le cui dimensioni sono molto inferiori alla lunghezza d'onda l o, per definizione di S. Shchelkunov e G. Friis [2], quando la dimensione massima dell'antenna, misurata dai terminali di ingresso, non supera l/8. Un'antenna a telaio elettricamente piccola è chiamata antenna magnetica (MA), Nella zona vicina (a distanze molto inferiori a l), trasmettendo MA, prevale ovunque la componente magnetica H del campo elettromagnetico (il rapporto tra la componente elettrica E e la magnetico - E / H - è molto inferiore rispetto alla zona lontana). L'MA ricevente è corrispondentemente più suscettibile a un campo magnetico alternato che a uno elettrico, cioè ha selettività di componente [3]. Un'antenna elettrica (EA) - un perno corto sopra una superficie conduttrice o un dipolo con una lunghezza molto inferiore a l - al contrario, è più suscettibile alla componente E. Se il perimetro del telaio è paragonabile alla lunghezza d'onda operativa, quindi non ha proprietà MA. Quindi, ad esempio, un frame con un perimetro di 11 m non ha una selettività dei componenti significativa nell'intervallo KB, ad esempio, nella banda di frequenza 10-20 MHz. Allo stesso modo, un dipolo di dimensioni simili a l non è un'antenna elettrica nel senso indicato. La presenza di un nucleo ferromagnetico nell'MA non è affatto necessaria, ma se lo è, l'antenna è chiamata ferrite.

Ora sul principale

1. Un'antenna magnetica in ricezione in condizioni di interferenza non è sempre migliore di una elettrica. L'MA potrebbe fornire la migliore immunità al rumore tra gli EMA semplici grazie alla selettività dei componenti se le sorgenti di interferenza creassero un campo elettromagnetico con una predominanza della componente E nella zona vicina del dispositivo ricevente [3]. Tuttavia, questo non è sempre fatto. Ad esempio, la commutazione di reti elettriche porta alla comparsa di onde elettromagnetiche smorzate con un ampio spettro in sezioni di queste reti. Se l'antenna del ricevitore si trova vicino ai fili di una tale rete, nel campo vicino viene percepita come un rumore impulsivo. Le ampiezze delle componenti di corrente e tensione di interferenza in una data banda di ricezione stretta sono spesso distribuite in modo non uniforme lungo i fili: ci sono zone di antinodi di corrente (massima) e antinodi di tensione (Fig. 1).

Ris.1

Anche il campo elettromagnetico nella zona vicina è disomogeneo lungo la linea. Presso gli antinodi della corrente predomina la componente magnetica, e presso gli antinodi della tensione la componente elettrica. Nella regione 1 (Fig. 1), MA fornirà la migliore immunità al rumore e nella regione 2 - EA. Esperimenti hanno mostrato [4] che l'intensità delle onde stazionarie e la distribuzione degli antinodi di tensione e corrente dipendono da molte condizioni diverse, tra cui il numero e la natura dei carichi collegati alla rete. Mediamente, con la stessa probabilità, il ricevitore può trovarsi vicino all'antinodo di corrente o di tensione. Pertanto, non è sempre e ovunque che un'antenna magnetica sia meno suscettibile alle interferenze "industriali", come talvolta viene riportato. Inoltre, questo non si può dire quando si parla di antenne ad anello in generale. Perché è davvero sempre un miglioramento significativo quando si passa da un filo corto (pin) a un buon telaio schermato simmetrico, come descritto in [1]? (E questo fatto supporta attivamente l'illusione in questione). Il fatto è che molto spesso un filo corto come antenna non è l'unico elemento radiante (ricevente) del sistema di antenne; anche i fili della rete, della messa a terra e di altre strutture metalliche collegate all'alloggiamento del trasmettitore (ricevitore) partecipano al radiazione (ricezione).

Molti hanno familiarità con la situazione in cui una lampada al neon si illumina quando viene toccata dal corpo del trasmettitore, dai tubi di riscaldamento ... Se alla ricezione viene utilizzato un tale "sistema di antenne", tutti gli elementi elencati percepiscono tutti i tipi di interferenza e interferenza in un edificio con molti circuiti e linee commutate (alimentazione, telefono, ecc.). Ma realizzare un dipolo simmetrico corto è persino più facile di un telaio di alta qualità. È solo necessario eliminare la suscettibilità della linea di alimentazione ai campi elettromagnetici ed eliminare la penetrazione dei segnali nel ricevitore da percorsi laterali diversi dall'antenna.

Se l'idea sbagliata discussa sopra era una sopravvalutazione della selettività dell'MA ricevente, un altro malinteso anche molto comune è che le MA presumibilmente trasmittenti sono molto peggiori dell'EA. In numerose pubblicazioni si afferma che quando si lavora sulla trasmissione, i frame piccoli sono molto meno efficaci delle antenne elettriche di dimensioni comparabili, a causa della resistenza alle radiazioni molto inferiore. Infatti, per un dipolo di lunghezza l_SD= 20 pence²(ll)², mentre una cornice tonda con perimetro l_SP= 20 pence²(ll)⁴. A parità di l=1 m e l=80 m, R_SP/R_SD=1/6400. La potenza irradiata è: P_S= Io²R_S, dove Ia è il valore effettivo della corrente dell'antenna nei punti di connessione. Dall'ultima espressione ne consegue che possiamo aspettarci l'uguaglianza delle potenze irradiate dalle nostre antenne se la corrente nell'anello è 80 volte maggiore della corrente di ingresso del dipolo. È vero? Risulta abbastanza.

2. Tenendo conto delle perdite nei circuiti di accoppiamento, il dipolo elettricamente piccolo e l'anello sono approssimativamente equivalenti in termini di efficienza quando si lavora sulla trasmissione. L'efficienza E dell'antenna, che è uguale al rapporto tra la potenza irradiata e la potenza assorbita dal generatore, dipende non solo dalla resistenza di perdita propria dell'antenna (Ra), ma anche dalla resistenza di perdita nell'elemento di adattamento richiesto ( compensazione della reattanza) Rc: E \uXNUMXd R_S/ (R_S+R_A+Rc), vedi fig. 2.

Ris.2

La resistenza attiva (in ohm) delle antenne, tenendo conto dell'effetto pelle per un telaio con perimetro l, è pari a

dove d è il diametro del conduttore (mm), mg è la permeabilità relativa del materiale dell'antenna, se s_м - resistenze specifiche del materiale dell'antenna e del rame, rispettivamente, del dipolo di lunghezza l: R_inferno=R_aP/3. Le perdite attive negli elementi corrispondenti dipendono dai loro parametri e fattori di qualità: Rc=¦Xa¦/Qc, dove Xa è la componente reattiva dell'impedenza di ingresso dell'antenna, che è capacitiva per l e induttiva per il frame, e per EMA ¦X_aP¦<¦X_{anno Domini}¦ L'elemento corrispondente fornisce una risonanza in serie nel circuito dell'antenna (Xa + Xc = 0). Fattori di qualità reale per il dipolo Qsd=200...400, per il frame Qsr=1000...2000. Le reattanze (in ohm) possono essere calcolate utilizzando le formule:

Si ottengono, come i precedenti, sulla base di relazioni note (vedi, ad esempio, [5–7]). Nelle tabelle sono riportati i risultati dei calcoli delle antenne ad anello dipolo e monogiro in rame (d=10 mm), per l=80 m, Qsd=200, Qcp=1000.

Tabella 1. Dati calcolati per un dipolo di lunghezza l

Parametro	ll.
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ohm	1,97	0,493	0,123	0,031	0,0077
Ra, Ohm	0,043	0,021	0,011	0,0054	0,0027
Xa, Ohm	all'2264 ottobre	all'4120 ottobre	all'7235 ottobre	all'12374 ottobre	all'20524 ottobre
Rc, Ohm	11,3	20,6	36,1	61,8	103
Ed, %	14,8	2,3	0,34	0,05	0,0075
Qef	85	98	99	100	100

Tabella 2. Dati calcolati per un telaio con perimetro l

Parametro	l / l
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0.00625
RS, Ohm	0,0197	0,00123	7,7*10-6	4,8*10-6	3*10-7
Ra, Ohm	0,129	0,064	0,032	0,016	0,008
Xa, Ohm	212	93	40	16,7	6,7
Rc, Ohm	0,212	0,093	0,04	0,0167	0,0067
Ehm, %	5,55	0,78	0,11	0,015	0,002
Er/Ed	0,37	0,33	0,31	0,29	0,27
Qef	294	293	276	254	227

Tabella 3. Dati di calcolo per un telaio con diametro l

Parametro	l / l
	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ohm	0,12	0,075	0,0047	0,00003
Ra, Ohm	0,20	0,10	0,05	0,025
Xa, Ohm	359	159	69	29
Rc, Ohm	0,36	0,16	0,07	0,03
Ehm, %	17,6	2,8	0.39	0,053
Er/Ed	7,54	8,25	7,82	7,12
Qef	264	297	288	269

Mostrano che un piccolo telaio può essere ancora più efficiente di un dipolo di dimensioni comparabili. Sebbene, ovviamente, l'efficienza stessa sia molto piccola e diminuisca notevolmente con la diminuzione delle dimensioni relative. Calcoli simili per l'alluminio hanno mostrato un peggioramento dell'efficienza non superiore al 12% per il telaio e allo 0,2% per l'anteriore. Per l=160 m con gli stessi altri parametri, l'efficienza è risultata peggiore in media del 20%. I risultati presentati sono in buon accordo con i dati di [8], ottenuti per un perno sopra una superficie perfettamente conduttiva. Quindi, se l’efficienza del telaio diminuisce rapidamente a causa della diminuzione di R_SP, quindi l'efficienza del dipolo diminuisce altrettanto rapidamente a causa della crescita delle perdite nell'elemento corrispondente.

3. Cosa c'è di meglio, una piccola cornice o un piccolo dipolo, se sono approssimativamente equivalenti in termini di efficienza?

Il vantaggio più importante di lavorare in un ambiente dielettrico con perdite (corpo dell'operatore, materiali da costruzione, ecc.) è che l'influenza dell'ambiente sulla frequenza di risonanza (detuning) e sull'efficienza (perdita di inserzione) del loop è molto più debole di l'effetto sul dipolo. L'autore ha testato trasmettitori con generatori della stessa potenza e antenne: diametro telaio 42 cm e lunghezza dipolo 120 cm; lunghezza d'onda 82 m L'efficienza di entrambe le antenne situate nello spazio libero (stimata dal campo lontano) si è rivelata approssimativamente la stessa. Il tronco dell'albero, il corpo dell'operatore e le mani accanto al dipolo hanno modificato l'intensità del campo decine di volte e il telaio poteva essere messo in uno zaino sulla schiena dell'operatore, messo al collo o completamente sepolto nella neve, e questo non portare ad un notevole deterioramento dei parametri di campo.

Il contatto elettrico con un oggetto metallico, ovviamente, può influire notevolmente sul telaio, ma esiste un semplice rimedio per questo: l'isolamento. Altri vantaggi dei telai di piccole dimensioni: non richiedono contrappeso (come, ad esempio, un perno corto), sono meno esigenti sulla qualità dell'isolamento, hanno un effetto minore sui tessuti degli organismi viventi durante la trasmissione (perdite nel campo elettrico vicino di un piccolo dipolo sono molto maggiori), meccanicamente più forti. La direzionalità con polarizzazione verticale può essere utile in alcuni casi, ma non in altri. La larghezza di banda di un'antenna magnetica è leggermente più stretta di quella di un'antenna elettrica. Tuttavia, come si evince dalle tabelle, è un errore pensare che più piccola è l'antenna, più stretta sarà la larghezza di banda. Un aumento del fattore di qualità Qeff del circuito dipolo è impedito da un aumento delle perdite nella bobina di adattamento e un aumento del fattore di qualità del circuito MA con una diminuzione delle dimensioni è impedito da una diminuzione della propria induttanza. Le difficoltà nella produzione e nel funzionamento di MA risiedono nel garantire perdite attive minime nei collegamenti. La corrente di anello è decine di volte maggiore della corrente di dipolo, quindi la perdita di energia su contatti difettosi è centinaia e migliaia di volte maggiore. In pratica ciò significa l'inadeguatezza delle connessioni filettate (solo saldature o saldature) e la necessità di elementi di regolazione senza contatto. Pertanto, i vantaggi di un'antenna magnetica sono maggiori, soprattutto quando si opera in ambienti non ferromagnetici.

4. Un telaio piccolo multigiro ha un vantaggio rispetto a un telaio monogiro dello stesso diametro?

Anche questa è una delle domande, la cui risposta non è del tutto ovvia. Dal tavolo. 2 e 3 si vede che per un telaio a giro singolo RE1<_S1/2R_A1. Poiché la resistenza alla radiazione e alla perdita nell'elemento di accoppiamento sono proporzionali al quadrato del numero di spire (N2) e la resistenza alla perdita intrinseca è proporzionale al numero di spire (N), l'efficienza del telaio a N-spire è approssimativamente stimato dalla formula:_N=R_S1N/(1+N)R_A1. Calcoli accurati a l/l=0,0125 (secondo la tabella 2) hanno mostrato che a N=2 l'efficienza con lo stesso diametro (l è il perimetro della bobina) aumentava del 29%, a N=4 - del 54%, a N \u10d 75 - del 2%. Di conseguenza, l'efficienza di un anello a N piccolo sarà leggermente superiore a quella di un anello a giro singolo, ma non più di XNUMX volte. In conclusione, sottolineiamo che tutte le conclusioni sull'efficienza delle antenne trasmittenti sono valide per queste antenne e nella modalità di ricezione. È sbagliato presumere che solo l'altezza effettiva determinerà l'efficacia. L'efficienza di un piccolo anello alla ricezione non è peggiore di quella di un dipolo della stessa dimensione, nonostante l'altezza effettiva del dipolo sia dieci volte maggiore. Inoltre, l'efficienza di un anello N-turn alla ricezione non sarà N volte maggiore dell'efficienza di un anello a un giro, nonostante il fatto che l'altezza effettiva sia proporzionale a N. Tutti coloro che si sono occupati della produzione e del collaudo di i rilevatori di direzione sportiva si sono convinti di quanto detto più volte.

Letteratura

1. Andrianov V. Antenna ad anello a banda larga - Radio, 1991, n. 1, p. 54-56.
2. Shchelkunov S., Friis G. Antenne.- M.: Sov. radio, 1950.
3. Grechikhin A. Selezione dei componenti - Radio, 1984, No. 3, p. 18-20.
4. Gavrilin A. T., Grechikhin A. I. Sulla struttura del campo elettromagnetico vicino dell'interferenza di commutazione.- Nel libro: Metodi e dispositivi per l'elaborazione del segnale nei sistemi di ingegneria radio: Mezhvuz. raccolta - Gorky: GPI, 1987, p. 43-48.
5. Antenne Belotserkovsky G. B. - M.: Oborongie, 1956.
6. Ginkin G. G. Handbook of radio engineering.- M.-L.: GEI, 1948.
7. Meinke X., Gundlach F.V., Manuale di ingegneria radiofonica. T. 1.- M.-L.: GEI, 1960.
8. Walter C. H. Newman E. H. Antenne elettricamente piccole.- Report HDL-TR-041-1 (febbraio 1974).- Washington, 1974.

Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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