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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA La mistica delle antenne corte. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Teoria Quando vogliono lodare l'elevata sensibilità del ricevitore, spesso dicono che, dicono, riceve segnali dalle stazioni radio anche su un "pezzo di filo". In questo articolo, l'autore dimostra teoricamente e sperimentalmente che il famigerato "pezzo di filo" è tutt'altro che la peggiore antenna e, con un'adeguata coordinazione con l'ingresso del ricevitore, può fornire una tensione di segnale molto elevata. Per la trasmissione della ricezione su onde lunghe e medie, erano ampiamente utilizzate e anche adesso, nonostante l'uso diffuso di antenne magnetiche in ferrite, le antenne elettriche sono ancora spesso utilizzate sotto forma di un pezzo di filo ordinario posizionato verticalmente. Quando si lavora con un'antenna di questo tipo, per una buona ricezione è necessaria la messa a terra o un contrappeso. Nel caso più semplice, il corpo del ricevitore funge da contrappeso e, se è alimentato dalla rete, i fili del cavo di alimentazione e la stessa rete elettrica saranno il contrappeso. Le antenne filari orizzontali sono raramente utilizzate, poiché tutte le stazioni radio nelle bande LW e MW emettono onde esclusivamente con polarizzazione verticale, che è associata alle proprietà della superficie terrestre che sono vicine a quelle di un conduttore per queste distanze. I radioamatori, soprattutto quelli che hanno sperimentato i ricevitori a guadagno diretto più semplici e poco sensibili, sanno che le antenne a filo corto sono molto efficaci, in particolare un pezzo di filo lungo 1...2 m sviluppa spesso un segnale molto più grande di una ferrite antenna. Qual'è il segreto? Dopotutto, la lunghezza di un'antenna a filo è incommensurabilmente inferiore alla lunghezza d'onda e, secondo tutti i canoni, non dovrebbe essere efficace. I tentativi di analizzare il funzionamento di una corta antenna di ricezione radio verticale, nonché il desiderio di ottimizzarla, hanno portato a risultati molto curiosi e persino sorprendenti, che l'autore offre ai lettori curiosi. L'ottimizzazione, nel senso di ottenere la massima tensione all'ingresso del ricevitore (cioè tensione, non potenza!), è stata ridotta fino all'esclusione del condensatore del circuito di ingresso e sostituendolo con la capacità dell'antenna stessa, come mostrato in Fig. 1. Allo stesso tempo, si presumeva che l'impedenza di ingresso dell'URF fosse infinitamente grande, il che è quasi vero quando si utilizza un transistor ad effetto di campo su DV e SV. La capacità di ingresso dell'URF e la capacità della bobina vengono aggiunte alla capacità dell'antenna. Non li prenderemo in considerazione nella nostra analisi.
Sulla fig. 1 mostra anche la distribuzione di corrente nell'antenna, che è la sezione iniziale della sinusoide. Con sufficiente precisione, può essere considerato triangolare. Sostituendolo con un rettangolo della stessa area, si ottiene l'altezza effettiva dell'antenna h, pari alla metà della sua altezza geometrica. L'induttanza della bobina è scelta in modo tale da ottenere, insieme alla capacità dell'antenna, la risonanza alla frequenza ricevuta. Il circuito equivalente del circuito risultante è mostrato in fig. 2.
Alla risonanza, la resistenza capacitiva dell'antenna - Xc è uguale alla Xt induttiva (in valore assoluto) e le reattanze si compensano, quindi la corrente nel circuito è massima e pari a e / R, dove e è la FEM di il segnale sviluppato nell'antenna (e \uXNUMXd Eh: E sono i campi di intensità) e R è la resistenza attiva del circuito. Poiché la tensione all'ingresso dell'URF (U) viene rimossa dalla bobina, è uguale alla corrente nel circuito moltiplicata per la resistenza induttiva della bobina: U = EhXL / R. Abbiamo una semplice formula per calcolare la tensione sviluppata dall'antenna descritta. Il valore assoluto del parametro XL =Xc è determinato dalla lunghezza dell'antenna (la capacità dell'antenna è 7...15 pF per metro di lunghezza) e dalla frequenza del segnale ricevuto f. Quindi Xc = 1/2πfC. Anche l'induttanza corrispondente è facile da trovare: L = XL /2πf. E deve essere conosciuto, ah può essere misurato con un righello. Ma la formula può essere ulteriormente semplificata osservando che il rapporto XL/R non è altro che il fattore di qualità Q del circuito d'antenna: U = EhQ. Con un'antenna corta, il fattore di qualità dell'intero circuito è quasi uguale al fattore di qualità della bobina. Ad esempio, calcoliamo un segnale proveniente da una stazione radio LW o MW non troppo distante con un'intensità di campo di 10 mV/m, ricevuto su un pezzo di filo lungo 2 m (h = 1 m). Impostiamo il fattore di qualità del circuito dell'antenna pari a 100. Dopo aver effettuato semplici moltiplicazioni di numeri, arriviamo a un risultato molto sorprendente: U = 1 V! Questa tensione è abbastanza per rilevare un segnale anche senza URF. Ma alcune riserve devono essere fatte. Innanzitutto, la bobina deve avere un'induttanza abbastanza grande. Nel nostro esempio, anche nel mezzo della banda MW alla frequenza di 1 MHz, la reattanza XL è di circa 10 kOhm. l'induttanza è di circa 1.5 mH e l'impedenza di risonanza del circuito dell'antenna, pari a XLQ, è vicina a 1 MΩ. L'impedenza di ingresso dell'amplificatore RF o del rilevatore dovrebbe essere ancora più elevata. Questo è il pagamento per l'alta tensione sviluppata dall'antenna. Sorge la domanda, è possibile che una grande bobina di induttanza nel circuito di Fig. 1 da sostituire con un circuito oscillatorio convenzionale? Certo, è possibile, ma la tensione del segnale sviluppata sul circuito sarà inferiore. Per salvare il lettore da un'analisi matematica piuttosto laboriosa, diremo solo che la tensione del segnale diminuisce (approssimativamente) in proporzione al rapporto tra la capacità dell'antenna e la capacità totale del loop. Ciò è spiegato dal fatto che ulteriori correnti reattive, che fluiscono attraverso la resistenza della bobina R, causano ulteriori perdite. È chiaro che anche l'autocapacità della bobina e la capacità di ingresso della RF svolgono un ruolo dannoso, riducendo la tensione sviluppata. Nell'esempio mostrato, utilizzando un induttore a onde medie standard da 200 uH con un condensatore di circa 130 pF collegato in parallelo per sintonizzarsi a 1 MHz. otterremo sul circuito una tensione di segnale di circa 0,15 V. Che, in generale, non è nemmeno piccola! Inoltre, per interesse, supponiamo che la bobina sia ideale e non abbia perdite. Ora il circuito equivalente sarà come in Fig. 3. A proposito, in questo caso, puoi ridurre in modo indolore l'induttanza della bobina e collegare un condensatore ad anello in parallelo. Il circuito risultante dovrà essere sintonizzato su una frequenza leggermente superiore a quella desiderata, alla quale avrà natura induttiva di resistenza, tanto maggiore quanto minore sarà la scordatura. Selezionando il detuning, si ottiene la reattanza induttiva del circuito Xt, che è esattamente uguale alla capacità dell'antenna - Xc, e si arriva nuovamente al circuito equivalente di Fig. 3. In pratica, la sintonizzazione viene eseguita come di consueto, in base alla massima tensione del segnale sul circuito, e corrisponde all'esatta risonanza del circuito alla frequenza desiderata, tenendo conto della capacità dell'antenna.
Qual è ora la resistenza attiva del circuito dell'antenna? In precedenza, consisteva nella resistenza alla perdita della bobina e nella resistenza alle radiazioni dell'antenna, quest'ultima essendo molto più piccola e l'abbiamo trascurata. Ora la resistenza alla perdita della bobina è zero, anche il condensatore, se presente, praticamente non introduce perdite e rimane solo la resistenza alle radiazioni. Come è noto dalla teoria, per antenne corte Rid = 1600h/λ2. Sostituendo questa espressione nella formula che abbiamo ottenuto per la tensione sviluppata sulla bobina, otteniamo U = EXLλ2 / 1600h, cioè quando l'antenna si accorcia, la tensione aumenta addirittura! prevedo obiezioni; questo fantastico risultato è stato ottenuto, dicono. per condizioni irrealistiche, cioè quando non ci sono perdite nella bobina e il suo fattore di qualità tende all'infinito. Ovviamente nessuno metterà una bobina nell'elio liquido per ottenere superconduttività e zero perdite - sebbene ciò possa essere fatto, sarà troppo costoso e fastidioso. Un altro modo è noto da tempo e ampiamente utilizzato: compensazione delle perdite nella bobina mediante feedback positivo o rigenerazione. Quando ci si avvicina alla soglia di autoeccitazione nel rigeneratore, il fattore di qualità equivalente del circuito aumenta in modo significativo e, con esso, aumentano sia la tensione del segnale che la sensibilità. Si scopre che le leggende sulle straordinarie qualità di ricezione dei moltiplicatori Q che utilizzano la rigenerazione nel circuito di ingresso non sono nate affatto da zero! A lunghezze d'onda lunghe e medie, la rigenerazione nel circuito di ingresso non viene spesso utilizzata, principalmente perché con un fattore di alta qualità, la larghezza di banda (B) si restringe e le frequenze più alte dello spettro audio AM vengono attenuate, perché B \u10d f / Q. Ma a lunghezze d'onda corte, le bande richieste sono più strette e le frequenze sono più alte, quindi un grande fattore di qualità del circuito di ingresso non può che essere accolto con favore. Secondo le misurazioni effettuate dall'autore, è del tutto possibile ottenere un fattore di qualità abbastanza stabile di 000 in un moltiplicatore Q ben progettato. Calcoliamo quale tensione svilupperà un segnale piuttosto debole con E = 10 μV / m nella nostra antenna lunga 2 m collegata a tale circuito: U = EhQ = 0,1 V. I commenti, come si suol dire, sono superflui. A conferma di quanto detto, l'autore ha assemblato il dispositivo mostrato in Fig. 4. Questo è un rivelatore a transistor ad effetto di campo "sorgente" (in passato, rivelatori simili nelle loro proprietà erano realizzati su lampade e venivano chiamati rivelatori catodici). La resistenza nel circuito sorgente è scelta abbastanza grande, il transistor opera vicino al taglio, alla curvatura inferiore della caratteristica, e quindi rileva bene il segnale AM. Un'ampia polarizzazione gate-off (relativa alla sorgente) garantisce un'elevata impedenza di ingresso e un feedback audio al 100% garantisce una bassa distorsione. Il condensatore C2 e il circuito R3C4 filtrano i componenti ad alta frequenza e il resistore variabile R4 funge da controllo del volume. Da esso, un segnale audio è stato inviato a un semplice UMZCH (V. Polyakov. "Universal amplifier 3Ch". - Radio. 1994. No. 12. p. 34, 35). Il condensatore del circuito di ingresso sostituisce la capacità dell'antenna, della bobina e la capacità di ingresso del transistor. L'antenna è un pezzo di filo di un metro e mezzo teso dal desktop alla finestra e il tubo del riscaldamento centralizzato funge da messa a terra sotto la finestra. La bobina è stata presa già pronta, dall'antenna magnetica di un ricevitore DV industriale. Conteneva circa 250 giri di filo PEL 0,2, avvolti in uno strato giro per girare su un telaio di 12 mm di diametro. Per la messa a punto, nella bobina è stata inserita un'asta magnetica della stessa antenna. A causa della bassa capacità, la sintonizzazione del circuito si è rivelata sulle frequenze della gamma delle onde medie. Quattro stazioni radio di Mosca hanno sviluppato un segnale da 0,5 a 1,5 V sul gate del transistor, quindi la teoria è stata completamente confermata: il controllo del volume doveva essere impostato al minimo! Non è stato affatto facile misurare la tensione ad alta frequenza al gate: un oscilloscopio non può essere collegato al gate a causa dello shunt del segnale. La sonda dell'oscilloscopio era collegata alla sorgente, invece che al condensatore C2. In questo caso, il rilevamento è peggiorato, ma il transistor ha trasmesso un segnale ad alta frequenza in modalità source follower. Capacità decrescente C2. si possono osservare la rigenerazione e persino l'autoeccitazione. Il feedback in questo caso è ottenuto secondo lo schema capacitivo a tre punti. formato dalla capacità gate-source e dal condensatore C2. Con una rigenerazione sufficiente, la sera era possibile ascoltare stazioni lontane. Un fatto interessante è che quando durante l'esperimento il filo dell'antenna si è staccato dal circuito, la ricezione delle stazioni di Mosca è continuata (anche se a un volume molto più basso) sull'asta di ferrite. Autore: V.Polyakov, Mosca
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