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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Antenne toroidali. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Teoria Il compito attuale della tecnologia delle antenne è la creazione di antenne elettricamente piccole ed efficienti. Sono necessari sia per le stazioni radio portatili e mobili delle gamme HF, VHF e microonde, sia per i sistemi radio stazionari a onde lunghe in condizioni di spazio limitato. Questo articolo introduce i lettori a uno dei modi interessanti per risolvere questo problema. Le dimensioni di un'antenna elettricamente piccola sono, per definizione, molto più piccole della lunghezza d'onda λ nello spazio libero. Il problema con la progettazione di tali antenne è che al diminuire delle dimensioni del sistema radiante, l’efficienza della radiazione diminuisce rapidamente. Sorgono difficoltà nell'accoppiare antenne non risonanti con sorgenti (ricevitori). È possibile ridurre le dimensioni fisiche dell'antenna mantenendo le dimensioni elettriche (d'onda) sostituendo i conduttori diritti con conduttori a spirale piegati a forma di elica (Fig. 1).
Tali strutture sono chiamate rallentanti. La velocità di propagazione delle onde lungo l'asse della spirale è inferiore alla velocità della luce, quindi la lunghezza d'onda λs in tale struttura alla stessa frequenza è inferiore a λ. In questo modo la lunghezza fisica dell'antenna risonante può essere ridotta di decine di volte. Le antenne di radiazione trasversale a spirale (perpendicolare all'asse) sono ampiamente utilizzate nelle apparecchiature radio portatili e fisse. Se il vibratore lineare viene arrotolato in un anello chiuso, otteniamo un telaio (Fig. 2a). La distribuzione della corrente elettrica 1e in un telaio elettricamente piccolo può essere considerata uniforme, quindi si irradierà uniformemente in tutte le direzioni azimutali, ma solo con polarizzazione orizzontale (Fig. 2,6), come un vibratore magnetico verticale elementare. Se la distribuzione attuale non è uniforme, il diagramma non sarà altrettanto simmetrico. Quando la lunghezza del perimetro del telaio è un multiplo di un numero intero di semionde, in tale antenna sono possibili risonanze. Quindi, in un'antenna di tipo quadrato, sul suo perimetro sono posizionate due semionde.
Alle onde medie, lunghe e ultralunghe, per le caratteristiche della loro propagazione, si preferisce la polarizzazione verticale. È qui che il problema della riduzione delle dimensioni verticali delle antenne è particolarmente acuto. Proviamo ad immaginare un vibratore verticale amatoriale a quarto d'onda con una portata di 136 kHz e un'altezza di circa 550 m! Tuttavia, non è affatto necessario utilizzare la corrente elettrica come sorgente di radiazioni. Secondo il principio della dualità commutativa, se la corrente elettrica anulare uniformemente distribuita (Fig. 2a) viene sostituita dalla corrente magnetica IM (poiché in natura non esistono cariche magnetiche, questa sarà una corrente magnetica fittizia, la cui densità è proporzionale alla velocità di variazione dell'induzione magnetica), quindi nella radiazione del campo, i vettori dei componenti elettrici e magnetici cambieranno di posto. Otterremo una sorgente equivalente come diagramma di radiazione ad un vibratore elettrico elementare, nel nostro caso verticale (Fig. 3).
Una corrente magnetica ad anello può essere ottenuta in un'antenna elicoidale toroidale (THA), formata piegando un'elica lineare in un anello chiuso. La forma della spirale può essere arbitraria (cerchio, rettangolo, ecc.). Nella fig. La Figura 4 mostra uno schizzo di un toroide a sezione trasversale quadrata e sono indicate le designazioni delle dimensioni.
Nella fig. La Figura 5a mostra un esempio di costruzione di un'antenna toroidale a 7 spire. In un tale sistema, le risonanze sono possibili anche quando un numero intero di semionde di corrente magnetica si adatta lungo l'asse del toroide. Ma in una spirale, la lunghezza d'onda è più corta, quindi un TNA risonante può avere dimensioni significativamente più piccole di un telaio risonante costituito da un filo lineare. Nella fig. 5,b,c,d i modelli direzionali spaziali (DP) del TNA sono forniti sia per le singole componenti del campo elettrico Eθ, Eφ, sia per il campo totale EΣ. Una caratteristica dei TNA risonanti con un avvolgimento a spirale è che in esso, oltre a creare una componente vorticosa del campo magnetico toroidale della corrente elettrica della spirale, c'è sempre una componente toroidale (lungo l'asse del toroide), grazie alla quale il campo di radiazione contiene non solo la verticale Eθ, ma anche una componente orizzontale significativa Eφ del campo elettrico.
Per compensare la componente toroidale della corrente elettrica, vengono realizzati due avvolgimenti identici, avvolti in direzioni diverse (sinistra e destra), e vengono accesi in antifase (Fig. 6a).
Dove gli avvolgimenti si intersecano, non sono collegati. Abbiamo ricevuto un'antenna elicoidale toroidale con avvolgimenti elicoidali opposti (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). I campi magnetici nella cavità toroidale di entrambi gli avvolgimenti si sommano. Nei diagrammi di Fig. 6b e 3 è chiaro che la quota della componente Eθ nel campo di radiazione è aumentata notevolmente, i minimi del diagramma totale lungo l'asse y sono diventati meno profondi, ma ancora una volta non abbiamo ottenuto il diagramma complessivo, come in Fig. XNUMX. Ciò è spiegato dal fatto che il campo magnetico nella cavità del toroide non è distribuito uniformemente lungo l'asse, ma secondo la distribuzione delle ampiezze dell'onda di corrente stazionaria. Mostreremo di seguito come superare questo ostacolo, ma ora considereremo alcune proprietà interessanti delle antenne già descritte. Nella fig. La Figura 7 mostra le dipendenze dalla frequenza calcolate delle componenti attiva (R) e reattiva (X) dell'impedenza di ingresso del TNA a a = 0,6 m, h = 0,8 m e N = 7. Caratteristica è l'alternanza di “serie” pari e strane risonanze “parallele” (di natura simile alle risonanze nei circuiti oscillatori in serie e paralleli).
Per confronto, la tabella mostra i valori calcolati delle frequenze di risonanza (in megahertz) e delle resistenze di risonanza (in kiloohm) per questa antenna (TNA) e per l'antenna STNA con gli stessi parametri. La natura dell'alternanza delle risonanze nell'STNA è la stessa del TNA, tuttavia, a parità di parametri, le frequenze di risonanza dell'STNA sono inferiori; ciò può essere spiegato dall'influenza della capacità tra gli avvolgimenti. Si noti che entrambe le antenne non hanno uno stretto multiplo delle frequenze di risonanza. I parametri principali delle antenne toroidali sono le dimensioni e il numero di spire N. Per i calcoli e la modellazione abbiamo scelto una forma in sezione trasversale sotto forma di un quadrato con lato h. Se trascuriamo l'influenza dell'ambiente interno ed esterno al toroide, allora, data la frequenza della 1a risonanza (MHz) e il raggio a (m), possiamo calcolare la dimensione h (m) delle antenne discusse sopra utilizzando la formula formule: per TNA:
per STNA:
Le formule sono state ottenute utilizzando l'analisi di regressione basata sui risultati della modellazione computerizzata per un diametro del filo di 1,3 mm con dimensioni di 0,6 m ≤ a ≤ 4 m, 0,5 m ≤ h ≤ 4 m, con 0,3 ≤ h / a ≤ 1,3 e gamma di frequenza 0,7 MHz < f1 < 23 MHz. L'errore quadratico medio nelle condizioni specificate è di circa 0,03 M. La conversione della scala è possibile anche per altre frequenze (tutte le dimensioni cambiano proporzionalmente alla variazione della lunghezza d'onda). Una caratteristica interessante della STNA è la capacità di ottenere (solo per alcune combinazioni di parametri) un diagramma di radiazione prossimo all'isotropo (Fig. 8), ottenuto, in particolare, alla frequenza di 70 MHz per un'antenna con parametri N = 5, a = 0,2 m e h = 0,27 m in condizioni di spazio libero.
Nella fig. La Figura 9 mostra le dipendenze comparative dell'efficienza di TNA e STNA dalla frequenza. Di norma l'efficienza diminuisce rapidamente al diminuire delle dimensioni principali dell'antenna e all'aumentare del numero di spire. La massima efficienza del TNA è nella regione tra la 2a e la 3a risonanza, per l'STNA - alla 3a e alla 5a risonanza, e i suoi valori massimi sono inferiori a quelli del TNA. Le antenne di entrambi i tipi sono caratterizzate da minimi di efficienza profondi anche per risonanze superiori alla seconda. Ciò si spiega con la distribuzione della corrente negli avvolgimenti sfavorevole per un'irradiazione efficace.
Le antenne elettricamente piccole hanno generalmente una bassa efficienza e sono quindi molto sensibili all'effetto feeder dell'antenna. Ha senso usarli su oggetti in movimento con un alimentatore molto corto o senza uno. L'ellitticità della polarizzazione delle antenne toroidali è utile, ad esempio, per garantire una comunicazione ininterrotta nei sistemi mobili, in particolare per la ricezione stabile dei programmi radiofonici VHF FM. Nella fig. La Figura 10 mostra il posizionamento dell'STNA con le caratteristiche secondo la Fig. 8 sul tetto dell'auto e mostra il diagramma di radiazione tenendo conto dell'influenza del corpo e del terreno.
Storicamente lo sviluppo delle antenne toroidali è associato al desiderio di ridurre la dimensione verticale di un sistema radiante con polarizzazione verticale e schema circolare. Come notato, in un'antenna STNA convenzionale con una sorgente di eccitazione non è possibile ottenere una distribuzione uniforme della corrente magnetica lungo l'asse del toroide. Nella fig. 11a mostra le intersezioni delle spire degli avvolgimenti sinistro e destro su tutta la superficie esterna del toroide in forma espansa, e in Fig. 12 (curva 1) - distribuzione dell'intensità del campo magnetico lungo l'asse del toroide per un STNA convenzionale a 8 giri a f3 = 27 MHz. A causa della distribuzione non uniforme del campo, i diagrammi di radiazione di tale antenna sono vicini a quelli mostrati in Fig. 6.
Un modo per ottenere una distribuzione quasi uniforme della corrente magnetica è dividere gli avvolgimenti in sezioni, in ciascuna delle quali le direzioni (sinistra e destra) di entrambi gli avvolgimenti cambiano in opposte a quelle vicine (Fig. 11,6). Nei luoghi in cui gli avvolgimenti sono divisi in sezioni, vengono installati terminali per collegare ulteriori fonti di eccitazione. In questo caso, invece di una, è necessario collegare quattro sorgenti di modo comune identiche. La distribuzione della corrente magnetica in questo caso (Fig. 12,6) è ottenuta senza variazioni di segno, anche se con leggere increspature. Questa soluzione ha permesso di ottenere un andamento su un’ampia banda di frequenze che non differisce da quello mostrato in Fig. 3. L'efficienza calcolata dell'STNA partizionato in questo caso alla frequenza di 36 MHz si è rivelata circa doppia rispetto a quella dell'STNA non sezionale (59% contro 29%). In conclusione, notiamo i vantaggi e gli svantaggi più importanti delle antenne considerate e le possibilità della loro applicazione. I vantaggi generali sono la riduzione delle dimensioni verticali delle antenne (a causa dell'aumento delle dimensioni orizzontali!), l'assenza di requisiti per contrappesi e messa a terra. In sostanza il TNA è un telaio costituito da un conduttore a spirale, che permette di ridurre le dimensioni fisiche dell'antenna risonante. Tale antenna è interessante perché ha una polarizzazione ellittica e la dipendenza del modello dalla forma, dall'ambiente circostante e dall'asimmetria della connessione consente a tali antenne di essere ampiamente e variamente utilizzate nelle comunicazioni, nelle trasmissioni, nella telemetria e in altre apparecchiature radio portatili. La presenza di un secondo avvolgimento opposto nell'STNA, in generale, peggiora le condizioni di radiazione e quindi la minore efficienza. Tuttavia, queste antenne hanno una migliore ellitticità di polarizzazione, che è importante per i sistemi di comunicazione mobile in condizioni multipercorso. Lo stesso modello isotropico di un STNA non sezionale è difficilmente realizzabile nella pratica a causa della forte influenza dell'ambiente, ma l'impedenza di ingresso dell'STNA è debolmente influenzata dagli oggetti circostanti (e, in particolare, dalle superfici conduttive). L'STNA non sezionale può trovare applicazione nei dispositivi portatili per comunicazioni radio di basso livello e chiamate radio personali e nei sistemi di comunicazione cellulare nGPS. Il principale campo di applicazione delle antenne toroidali, equivalenti a un vibratore verticale (con polarizzazione verticale e schema uniforme sul piano orizzontale), sono le onde relativamente lunghe, per le quali la conduttività della terra (o dell'acqua) è piuttosto elevata. Svantaggi di STNA: tecnologia di produzione complessa. Quando si sezionano le antenne, si presentano ulteriori problemi con il collegamento di più prese di corrente. Svantaggi generali: quando le dimensioni vengono ridotte, l'efficienza dell'antenna diminuisce drasticamente e quando si cerca di migliorarla (aumentando lo spessore e la selezione del materiale del filo, migliorando la qualità dei dielettrici), la larghezza di banda viene ridotta. Problemi di adattamento quando si sintonizza da una frequenza all'altra rendono difficile l'uso di antenne toroidali nella gamma di frequenze. Il lettore interessato può fare riferimento alla letteratura brevettuale [1-4] e ai risultati degli studi con la partecipazione dell'autore [5, 6]. Diversi nuovi metodi per fabbricare un emettitore polarizzato verticalmente basato su strutture toroidali sono stati proposti in [7]. In [8] viene proposto un algoritmo universale per sintetizzare antenne da segmenti con correnti elettriche e magnetiche. Letteratura
Autore: A. Grechikhin (UA3TZ)
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