Журнал Радио 11 номер 2002 год. РАДИОПРИЕМ

Журнал Радио 11 номер 2002 год. РАДИОПРИЕМ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ АНТЕНН В. ПОЛЯКОВ, г. Москва    Данная статья, рассматривающая некоторые вопросы электродинамики, представляет не только теоретический интерес, но и приводит к немаловажным практическим выводам, которые могут оказаться полезными при проектировании и расчете антенн для длинных и средних волн, а также при осмыслении особенностей их работы.

Еще основоположник электродинамики и радиотехники Генрих Герц, экспериментируя с различными приемными антеннами в конце XIX века, использовал короткий разрезной вибратор с емкостной нагрузкой на концах в виде шаров или дисков (электрическая антенна) и кольцо из проволоки (магнитная антенна), показанные на рис. 1,а и рис. 1,б. Индикатором поля служил очень маленький разрядный промежуток между клеммами антенны Х-Х.

В теории антенн широко пользуются понятиями элементарного электрического диполя (диполя Герца) и элементарного магнитного диполя — колечка с током. Обе элементарные антенны малы по сравнению с длиной волны. С развитием теории был сформулирован принцип двойственности, вытекающий из взаимосвязи электрических и магнитных полей. Используя его, А. Пистолькорс в 1944 г. указал на аналогию между вибраторными и щелевыми антеннами [1].

На ДВ электрические антенны выполняются в виде вертикальных проводов или мачте емкостной нагрузкой в верхней части в виде горизонтального провода или сети проводов. Земля на ДВ — хороший проводник, и около нее могут распространяться волны только с вертикальной поляризацией. Поэтому над землей обычно возвышается лишь одна половинка диполя Герца (рис. 1,в), другой половинкой служит ее зеркальное отражение в земле (показано штриховыми линиями). Таким антеннам нужно очень хорошее заземление.

Магнитные антенны выполняются либо в виде небольших рамок, либо совсем маленьких катушек на ферритовом стержне. Магнитным антеннам не нужно заземления, и у них выше помехоустойчивость. Однако эффективность распространенных магнитных антенн очень низка, поэтому они не годятся в качестве передающих. Но не всегда магнитные антенны были маленькими — в начале 20-х годов прошлого века на приемных центрах применялись ДВ рамочные антенны диаметром до 20 м! Интерес к большим рамочным антеннам сохранился и в наши дни, обусловлен он желанием получить от антенны максимальный сигнал, например, для детекторного приемника [3].

Вот и возникает вопрос, какая антенна эффективнее, электрическая или большая рамочная магнитная? И действует ли в этом случае принцип двойственности? Нельзя сказать, что вопрос поставлен впервые — он решался еще в 20-е годы прошлого века, естественно, на уровне знаний и представлений того времени [4]. Ответ был получен исходя из понятия действующей высоты антенны — у электрической антенны она оказалась гораздо больше и ей отдавалось предпочтение.

На ДВ радиолюбителям практически невозможно построить полноразмерную антенну, соизмеримую с длиной волны. Поэтому рассмотрим только малые антенны, используемые в качестве приемных. Антенны разместим у поверхности проводящей земли (рис. 2).

Слева (рис. 2,а) показаны векторы приходящей от радиостанции электромагнитной волны: напряженности электрического поля Е (поляризация вертикальная), напряженности магнитного поля Н и плотности потока энергии П. Из уравнений Максвелла для волн в свободном пространстве следует, что П = Е • Н, или только для модулей (абсолютных величин) П = Е - Н = Е2/120π .

На рис. 2,б показана электрическая Г-образная антенна в виде вертикального снижения высотой h, нагруженного горизонтальным проводом длиной L. Для облегчения расчетов положим L >> h, тогда почти вся емкость антенны будет сосредоточена между горизонтальным проводом и землей. Ток в любом сечении вертикального проводника будет одинаков, и действующая высота электрической антенны hдэ = h.

Надо заметить, что вертикальное снижение с клеммами Х-Х можно подключить и в любом другом месте горизонтального провода, например, в середине, получив Т-образную антенну. На результатах нашего анализа это никак не скажется. Более того, заземление можно заменить противовесом — отрезком провода длиной L, проложенным по земле (штриховая линия на рис. 2,б). Сильная емкостная связь противовеса с землей обеспечит практически короткое замыкание для высокочастотных токов.

Магнитную антенну (рис. 2,в) выполним в виде прямоугольной одновитко-вой рамки тех же размеров. Нижний провод рамки будет проходить непосредственно у поверхности земли, поэтому его индуктивность будет очень мала по сравнению с индуктивностью верхнего. Отметим, что нижний провод можно заменить двумя заземлениями, но их сопротивление потерь в реальности будет больше сопротивления провода. Действующая высота магнитной антенны составит hдм = 2πS/λ = kS, где S — площадь рамки; к = 2π/λ .

Вывести эту формулу просто: на вертикальных сторонах рамки наводится ЭДС, равная Eh, причем на дальней (правой) стороне рамки ЭДС отстает по фазе на малый угол kL. ЭДС на клеммах Х-Х составит EhkL. Поскольку S = hL. получаем hдм = kS. Учитывая, что L h, проще всего воспользоваться формулами для разомкнутой и замкнутой на конце длинных линий: Хэ = W•ctgL = W/tgkL и Хм = W • tgkL. Ввиду малости значения kL тангенсы можно заменить их аргументами, тогда Хэ = W/kL и Хм = WkL.

Волновое сопротивление линии W= (L/C)1/2 находится по формуле (с учетом проводящей земли) W = 60 ln(h/d), где натуральный логарифм берется от отношения расстояния между проводом и землей h к диаметру провода d.

Из приведенных формул рассчитаем мощность, отдаваемую электрической антенной: Р = (Еhде)2 Q/Хэ = E2Qkh2L/W. Сделаем то же для магнитной антенны: Р = (Еhдм)2 Q/Xм, = E2Qkh2L/W. Получилась та же самая формула, что и доказывает одинаковую эффективность малых электрической и магнитной антенн. В выбранных нами условиях они отдают равные мощности при одинаковых размерах. Логично предположить, что закономерность имеет более общий характер и принцип двойственности работает всегда.

Посмотрим теперь, целесообразно ли использовать многовитковые рамки. Намотав N витков при тех же размерах, мы получим в N раз большую ЭДС, но реактивное сопротивление X увеличится в N2 раз, поскольку индуктивность пропорциональна квадрату числа витков. Во столько же раз придется увеличить и сопротивление нагрузки, сохраняя прежней добротность Q. В результате мощность, отдаваемая антенной, не изменится. Таким образом, использование многовитковой рамки — это всего лишь способ трансформации сопротивлений, но не путь увеличения эффективности.

Полученная нами формула для мощности, отдаваемой антенной, заслуживает более подробного анализа. Прежде всего, мощность Р пропорциональна квадрату напряженности поля Е, т. е. плотности потока энергии. Этот результат уже был получен в [5] для идеальной антенны без потерь при согласовании нагрузки с ее сопротивлением излучения. Напомним выведенную там формулу: Рo = Е2λ2/6400. Теперь мы его получили для рассогласованной антенны.

Зависимость от длины волны λ теперь другая, λ стоит в знаменателе, входя в формулу через волновое число к, однако если выразить размеры антенны в длинах волн, то прежняя зависимость от длины волны восстановится. Таким образом, если размеры антенны h и L фиксированы (в метрах), то выгоднее использовать более короткие волны. Если же зафиксировать размеры антенны в длинах волн, т. е. изменять антенну пропорционально λ, то выгоднее длинные и сверхдлинные.

Чтобы получить от антенны максимальную мощность, целесообразно:
— понизить волновое сопротивление антенны W, что практически делается увеличением емкости и понижением индуктивности антенны путем соединения нескольких параллельных и разнесенных в пространстве проводов;
— увеличить добротность антенной системы Q, выбирая соответствующую нагрузку и снижая потери в "земле", изоляторах и проводниках;
— увеличить объем, занимаемый полем антенны.

Последний пункт нуждается в пояснениях. На рис. 5 показана конфигурация силовых линий как электрического (сплошные линии), так и магнитного поля антенны (штриховые линии). Антенна показана с торца, и видно, что ширина пространства, где силовые линии наиболее густы, получается порядка h. Поэтому произведение h2L — объем, в котором преимущественно сосредоточены поля антенны. Именно этот объем и выгодно увеличивать.

Для иллюстрации всего сказанного приведем один практический ориентировочный расчет электрической и магнитной антенн по рис. 2,б и в. Антенна высотой h = 10 м и длиной L = 30 м. Длина волны λ = 1500 м, добротность антенного контура Q = 20. При напряженности поля Е = 0,1 В/м мощность, снимаемая с обоих антенн, составит около 5 мВт, что вполне достаточно для громкоговорящего детекторного приема. В то же время условия согласования и нагрузки антенн будут совершенно разными.

Волновое сопротивление линии, образованной горизонтальным проводом антенны над землей при диаметре провода 1 мм, составит W = 60 In104 = 550 Ом, а кL = 0,125. Это дает Хэ = 550/0,125 = 4,4 кОм, а Хм = 550 0,125 = 70 Ом. Таким же должно быть и реактивное сопротивление компенсирующей катушки для электрической антенны (индуктивность L — около 3 мГн) и компенсирующего конденсатора для магнитной (емкость около 10 000 пФ). Соответственно сопротивление антенного контура при резонансе получится (надо умножить на добротность) 88 и 1,4 кОм. Именно такое сопротивление нагрузки R, или входное сопротивление детектора, и должно нагружать контур. С электрической антенной не обойтись без элементов согласования [6]. С магнитной антенной проще — детектор с низким входным сопротивлением можно подключить непосредственно к конденсатору С.

ЛИТЕРАТУРА
1. Белоцерковский Г. Б. Антенны. — М.: Оборонгиз, 1956.
2. Поляков В. Радиоприемные антенны. — Радио, 1998, ╧ 2. с. 60.
3. Беседин В. Еще один... — Радиолюбитель, 1994, ╧ 6, с. 34, 35.
4. Слепян Л. Расчет приемных рамок. — Радиолюбитель (Радио), 1925, ╧ Ю, с. 224,
225.
5. Поляков В. О питании радиоприемников "свободной энергией". — Радио, 1997, ╧ 1, с. 22, 23.
6. Поляков В. Усовершенствование детекторного приемника. — Радио, 2001, ╧ 1, с. 52, 53.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 11 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.