Журнал Радио 10 номер 2002 год. РАДИО - О СВЯЗИ

Журнал Радио 10 номер 2002 год. "РАДИО" - О СВЯЗИ МАЛЫЕ АНТЕННЫ: ФИЗИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ Владимир ПОЛЯКОВ (RA3AAE)   В радиолюбительских журналах и в Интернете есть немало описаний передающих антенн, которые имеют очень малые размеры по сравнению с длиной волны. Причем, по утверждениям авторов, у таких антенн может быть высокий КПД, да к тому же они еще и широкополосны! Между тем существуют некоторые общие физические ограничения, о которых необходимо помнить, когда речь идет о малогабаритных антеннах. В этой статье рассказывается о том, что можно и чего нельзя ожидать от таких антенн.

Электрически малыми считаются антенны, размеры которых не превосходят 10...20% длины волны λ. К ним относятся диполь, укороченный емкостными нагрузками на концах и катушками индуктивности, расположенными около емкостных "шляпок" (рис. 1), и кольцевая рамка (рис. 2). Катушки в диполе целесообразно включать именно так, как показано на рисунке, поскольку ток в вертикальной части при этом максимален и распределен равномернее, что обеспечивает максимальную действующую высоту диполя, практически равную его геометрической высоте hд = h (диполь Герца). Включение одной катушки в центре хуже — ток к концам диполя падает, и действующая высота уменьшается. Действующая высота рамки составляет hд = 2πSр/λ, где S — площадь рамки.

И диполь, и рамку настраивают на рабочую частоту в резонанс: первый — катушками, вторую — конденсатором, включенным в разрыв провода. Это обеспечивает компенсацию их реактивных сопротивлений, что необходимо по условиям согласования с нагрузкой (при приеме) или с генератором (при передаче). Напомним, что по теореме взаимности свойства антенн одинаковы при передаче и приеме.

Важный параметр антенн — сопротивление излучения, для малых антенн равное RΣ = 80π2(hд/λ)2- Именно на такое сопротивление R = RΣ надо нагружать приемную антенну, чтобы она отдавала максимальную мощность, и именно такое сопротивление "увидит" генератор, если его подключить вместо R (см. рисунки). Видим, что сопротивление излучения резко уменьшается с уменьшением размеров, а следовательно, и действующей высоты — пропорционально квадрату h для диполя и S для рамки. Возникают трудности согласования. Если теперь учесть, что КПД антенны η = RΣ/(RΣ + Rn), где Rn — сопротивление потерь, то можно сделать следующий вывод.

Вывод 1. Чем меньше антенна, тем меньше должны быть в ней омические потери. Сопротивление проводников антенны Rn надо уменьшать пропорционально квадрату длины для диполя и квадрату площади для рамки. Малые антенны из тонких проводов эффективно работать не могут — необходимы "толстые" проводники, а лучше — объемные тела с развитой поверхностью (скин-эффект!) и низким поверхностным сопротивлением.

Допустим, что мы сконструировали подобную "объемную" антенну условно в виде цилиндра радиусом r и высотой h, излучающего через боковую поверхность (рис. 3). Даже не рассматривая, что внутри этого цилиндра, т. е. какова конструкция антенны, удается сделать следующий важный вывод. Вся излучаемая мощность Р равна интегралу от плотности ее потока (вектора Пойнтин-га) П по любой замкнутой поверхности, окружающей антенну.

Для простоты заменим интегрирование умножением П на площадь боковой поверхности Sбок = 2πrh: P=П•Sбок = EH•2Kπrh. Отсюда получаем EH = P/2πrh. Положив излучаемую мощность постоянной, мы видим, что уменьшение размеров антенны (произведения rh) приводит к возрастанию напряженности как электрического Е, так и магнитного Н полей антенны. Какое из них возрастает сильнее, зависит уже от конкретной конструкции антенны. Кроме того, учет ближнего поля (квазистатического) может дать еще большие значения напряженностей.

Вывод 2. Уменьшение размеров антенны приводит к возрастанию напряженности полей вблизи нее, по минимальной оценке напряженность поля обратно пропорциональна размерам антенны. Поскольку поля порождаются напряжениями и токами, в маленьких антеннах неизбежны перенапряжения и сверхтоки.

Приведенные выводы поясняют, почему, например, короткий диполь в виде объемного биконуса и рамка из широкой медной ленты эффективны, а те же антенны из тонкого провода — нет Становится понятным также, почему Г- или Т-образная антенна в диапазоне 136 кГц светится огнями Святого Эльма уже при подводимой мощности 100 Вт, а такая же электрически малая антенна детекторного приемника развивает (без нагрузки) напряжение в десятки вольт.

Рассмотрим теперь вопрос о добротности антенны Q, определяющей ее широкополосность 2Δf = f0/Q на примере антенны, показанной на рис. 1. Поскольку размеры антенны малы по сравнению с длиной волны, практически вся индуктивность L сосредоточена в "удлиняющих" катушках, а емкость С — между "укорачивающими" концевыми дисками. Так же, как и у колебательного контура, добротность антенны равна отношению реактивного емкостного или индуктивного сопротивления (на резонансной частоте они равны) к активному. Последнее при отсутствии потерь складывается из сопротивления излучения RΣ и равного ему по условию согласования выходного сопротивления передатчика или входного сопротивления приемника R. Таким образом, Q = Xc/2RΣ.

Емкостное сопротивление найдем, используя формулу для емкости плоского конденсатора: С = ε0S/h, Хс = 1/ωС = h/ωε0S. Выразив угловую частоту через длину волны ω = 2πс/λ и используя известные из уравнений Максвелла соотношения для скорости распространения волны (скорости света) с = 1/(μ0ε0)1/2 и волнового сопротивления свободного пространства W = 1/(μ0ε0)1/2 = 120π, получаем Хс = 60λh/S. Подставляя эту формулу и выражение для сопротивления излучения в формулу для добротности, получаем окончательно Q = 3λ3/8π2Sh = λ3/26V. Здесь V = Sh — объем, занимаемый антенной. Таким образом, добротность антенны оказалась обратно пропорциональна ее объему.

Но как быть в случае короткого линейного вибратора, у которого емкостные "шляпки" на концах (см. рис. 1) заменены вертикальными проволочными отрезками (рис. 4)? Ведь объем такого диполя практически нулевой. Однако между концевыми отрезками существует емкость, настраивающая антенну совместно с индуктивностью L в резонанс. Силовые линии электрического поля, связанного с этим "конденсатором", показаны штриховыми линиями. Оно убывает очень быстро с удалением от диполя, поэтому можно говорить о некотором эффективном объеме, в котором это поле сосредоточено. Он имеет форму, близкую к эллипсоиду вращения (рис. 4, тонкие сплошные линии). По сути, это объем ближнего квазистатического поля антенны. Для диполя оно преимущественно электрическое, отчего он и называется электрической антенной. Так же можно оценить и объем поля проволочной рамки. Оно преимущественно магнитное. Для рамки индуктивное сопротивление пропорционально первой степени диаметра, а сопротивление излучения — четвертой, в результате добротность оказывается пропорциональной кубу диаметра. Теперь удается сформулировать еще один вывод.

Вывод 3. Добротность малой антенны обратно пропорциональна объему, занимаемому ее ближним, квазистати-ческим полем. Добротность не удается уменьшить, варьируя конструкцию антенны, поскольку в любом случае при уменьшении размеров активное сопротивление излучения уменьшается очень быстро по отношению к реактивному.

Сделаем приближенные оценки, считая объем антенны равным кубу ее линейных размеров. При габаритах антенны порядка λ/3 выведенная нами формула дает Q = 1, т. е. такая (большая) антенна может быть широкополосной. Но уменьшая габариты до λ/10, мы получаем добротность около 40 и относительную полосу пропускания не более 2,5%, а уменьшение габаритов до λ/20 дает добротность более 300 и сужает полосу до 0,3%.

Если же малая антенна имеет широкую полосу пропускания и низкую добротность, то это может говорить лишь о следующем: либо антенна не мала и излучают какие-либо ее части, явно не входящие в конструкцию (оплетка кабеля, элементы опор и т. д.), либо у антенны велико сопротивление потерь и ее КПД низок.

Низкий КПД — не такое уж большое препятствие для проведения любительских радиосвязей. Допустим, что мы расширили полосу пропускания антенны с размерами λ/20 до 10% (в 30 раз), введя потери и понизив КПД тоже в 30 раз, т. е. до 3%. Подключив стоваттный передатчик и излучая мощность 3 Вт, вполне можно проводить даже дальние радиосвязи, чем, возможно, и объясняются восторженные отзывы о работе малогабаритных антенн.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 10 номер 2002 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.