소형 수신 및 송신 안테나. 계획, 설명

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최근 아마추어 무선 문헌에 소형 수신 및 송신 안테나에 대한 많은 출판물이 등장했습니다. 그들은 방송 및 텔레비전 방송국, 라디오 통신, 방향 찾기 등을 수신하기 위해 (특히 휴대용 장비 및 모바일 개체에서) 널리 사용됩니다. 따라서 이러한 안테나의 비교 분석, 장단점에 대한 논의 및 전기적으로 작은 안테나와 관련된 일부 "전설"에 대한 대화. 예를 들어, 근접 간섭이 작용할 때 수신 자기 안테나가 전기 안테나보다 항상 더 낫습니까[1]? 이것을 알아 내려고 노력합시다. 정의부터 시작하겠습니다.

ESA(Electrically Small Antenna)는 입력 단자에서 측정한 안테나의 최대 크기가 파장 l보다 훨씬 작은 안테나입니다. l/2. 전기적으로 작은 루프 안테나를 자기 안테나(MA)라고 합니다. 근거리 영역(l보다 훨씬 작은 거리에서)에서 MA를 전송하면 전자기장의 자기 성분 H가 모든 곳에서 우세합니다(전기 성분 E 대 자기 - E / H -는 원거리 영역보다 훨씬 적습니다). 수신 MA는 그에 따라 전기장보다 교류 자기장에 더 민감합니다. 즉, 구성 요소 선택성이 있습니다[8]. 전기 안테나(EA) - 전도 표면 위의 짧은 핀 또는 길이가 l보다 훨씬 짧은 쌍극자는 E 성분에 더 취약합니다. 프레임의 둘레가 작동 파장과 비슷하면, MA 속성이 없습니다. 예를 들어 둘레가 3m인 프레임은 KB 범위, 예를 들어 11-10MHz 주파수 대역에서 중요한 구성 요소 선택성을 갖지 않습니다. 유사하게, 크기가 l에 필적하는 쌍극자는 표시된 의미에서 전기 안테나가 아닙니다. MA에 강자성 코어의 존재는 전혀 필요하지 않지만 존재하는 경우 안테나를 페라이트라고 합니다.

이제 메인에 대해

1. 간섭 조건에서 수신 시 자기 안테나가 항상 전기 안테나보다 나은 것은 아닙니다. MA는 간섭 소스가 수신 장치의 근거리 영역에서 E 구성 요소가 우세한 전자기장을 생성하는 경우 구성 요소 선택성으로 인해 단순 EMA 중에서 최고의 잡음 내성을 제공할 수 있습니다[3]. 그러나 이것이 항상 수행되는 것은 아닙니다. 예를 들어, 전력 네트워크에서 전환하면 이러한 네트워크 섹션에서 넓은 스펙트럼을 가진 감쇠된 전자기파가 나타납니다. 수신기 안테나가 이러한 네트워크의 전선 근처에 있으면 근거리 필드에서 임펄스 노이즈로 인식됩니다. 주어진 좁은 수신 대역에서 간섭의 전류 및 전압 구성 요소의 진폭은 전선을 따라 가장 자주 고르지 않게 분포됩니다. 전류 양극 (최대)과 전압 양극 (그림 1)의 영역이 있습니다.

소형 송수신 안테나에 대하여
Pic.1

근거리 영역의 전자기장은 선을 따라 불균일합니다. 전류의 양극 근처에서는 자기 성분이 우세하고 전압의 양극 근처에서는 전기 부품이 우세합니다. 영역 1(그림 1)에서 MA는 최고의 잡음 내성을 제공하고 영역 2 - EA에서 제공합니다. 실험에 따르면 [4] 정상파의 강도와 전압 및 전류 양극의 분포는 네트워크에 연결된 부하의 수와 특성을 포함하여 다양한 조건에 따라 달라집니다. 평균적으로 동일한 확률로 수신기는 전류 또는 전압의 양극 근처에 있을 수 있습니다. 따라서 때때로 보고되는 바와 같이 자기 안테나가 "산업" 간섭에 덜 민감한 것은 항상 그리고 모든 곳에서 그런 것은 아닙니다. 또한 일반적으로 루프 안테나에 대해 말할 때 이것은 말할 수 없습니다. [1]에 설명된 것처럼 짧은 와이어(핀)에서 우수한 대칭 차폐 프레임으로 이동할 때 왜 항상 상당한 개선이 이루어집니까? (그리고 이 사실은 문제의 망상을 적극적으로 지지한다). 사실 대부분의 경우 안테나로서의 짧은 전선은 안테나 시스템의 유일한 방사(수신) 요소가 아니며, 송신기(수신기) 하우징에 연결된 주전원, 접지 및 기타 금속 구조물의 전선도 여기에 참여합니다. 방사선 (접수).

많은 사람들이 송신기 본체, 가열 파이프를 만질 때 네온 램프가 빛나는 상황에 익숙합니다 ... 이러한 "안테나 시스템"이 수신에서 사용되면 나열된 모든 요소는 모든 종류의 간섭과 간섭을 감지합니다. 많은 교환 회로와 회선(전력, 전화 등)이 있는 건물. 그러나 짧은 대칭 쌍극자를 만드는 것은 고품질 프레임보다 훨씬 쉽습니다. 전자기장에 대한 피더 라인의 민감성을 제거하고 안테나 이외의 측면 경로를 통해 수신기로의 신호 침투를 제거하기만 하면 됩니다.

위에서 논의한 오해가 수신 MA의 선택도를 과대평가한 것이라면 또 다른 매우 일반적인 오해는 전송 MA가 EA보다 훨씬 나쁘다는 것입니다. 여러 간행물에서 전송 작업 시 작은 프레임은 복사 저항이 훨씬 낮기 때문에 비슷한 크기의 전기 안테나보다 훨씬 덜 효과적이라고 주장합니다. 실제로 길이가 l인 쌍극자의 경우_SD=20p²(리터/리터)², 둘레가 있는 원형 프레임 l_SP=20p²(리터/리터)⁴. 동일한 l=1m 및 l=80m에서 R_SP/R_SD=1/6400. 복사 전력: P_S=이아²R_S, 여기서 Ia는 연결 지점에서 안테나 전류의 유효 값입니다. 마지막 식에서 루프의 전류가 쌍극자 입력 전류의 80배인 경우 안테나에서 방사되는 전력의 평등을 기대할 수 있습니다. 진짜야? 그것은 꽤 밝혀졌습니다.

2. 정합 회로의 손실을 고려하면 전기적으로 작은 쌍극자와 루프는 전송 작업 시 효율성 측면에서 거의 동일합니다. 안테나의 효율 E는 방사된 전력 대 발전기에서 가져온 전력의 비율과 같으며 안테나 자체의 손실 저항(Ra)뿐만 아니라 필요한 정합 소자의 손실 저항(리액턴스 보상 ) Rc: E = R_S/(아르 자형_S+R_A+Rc), 그림 참조. 2.

소형 송수신 안테나에 대하여
Pic.2

둘레가 l인 프레임의 표피 효과를 고려한 안테나의 능동 저항(옴)은 다음과 같습니다.

소형 송수신 안테나에 대하여

여기서 d는 도체 직경(mm), mg은 안테나 재료의 상대 투자율, s 및 s_м - 길이가 l인 쌍극자의 안테나 재료 및 구리 각각의 비저항: R_지옥=R_aP/삼. 정합 소자의 능동 손실은 매개변수와 품질 계수에 따라 달라집니다. Rc=¦Xa¦/Qc, 여기서 Xa는 안테나 입력 임피던스의 반응성 구성요소로, l에 대해 용량성, 프레임에 대해 유도성 및 EMA ¦X에 대해_aP¦<¦X_{기원 후}¦ 정합 소자는 안테나 회로에서 직렬 공진을 제공합니다(Xa + Xc = 0). 쌍극자 Qsd=200...400의 실제 품질 계수, 프레임 Qsr=1000...2000. 리액턴스(옴)는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

소형 송수신 안테나에 대하여

그것들은 이전 것들과 마찬가지로 알려진 관계에 기초하여 얻어진다(예를 들어, [5-7] 참조). l=10m, Qsd=80, Qcp=200에 대해 구리(d=1000mm)로 만들어진 다이폴 안테나와 단일 회전 루프 안테나의 계산 결과가 표에 나와 있습니다.

표 1. 길이 l의 쌍극자에 대해 계산된 데이터

매개 변수 엘/엘.
0,1 0,05 0,025 0,0125 0,00625
R_S, 옴 1,97 0,493 0,123 0,031 0,0077
라, 옴 0,043 0,021 0,011 0,0054 0,0027
자, 옴 -2264 -4120 -7235 -12374 -20524
Rc, 옴 11,3 20,6 36,1 61,8 103
에드, % 14,8 2,3 0,34 0,05 0,0075
케프 85 98 99 100 100

표 2. 둘레가 l인 프레임에 대해 계산된 데이터

매개 변수 NS
0,1 0,05 0,025 0,0125 0.00625
R_S, 옴 0,0197 0,00123 7,7*10^-6 4,8*10^-6 3*10^-7
라, 옴 0,129 0,064 0,032 0,016 0,008
자, 옴 212 93 40 16,7 6,7
Rc, 옴 0,212 0,093 0,04 0,0167 0,0067
어, % 5,55 0,78 0,11 0,015 0,002
어/에드 0,37 0,33 0,31 0,29 0,27
케프 294 293 276 254 227

표 3. 직경이 l인 프레임의 계산된 데이터

매개 변수 NS
0,05 0,025 0,0125 0,00625
R_S, 옴 0,12 0,075 0,0047 0,00003
라, 옴 0,20 0,10 0,05 0,025
자, 옴 359 159 69 29
Rc, 옴 0,36 0,16 0,07 0,03
어, % 17,6 2,8 0.39 0,053
어/에드 7,54 8,25 7,82 7,12
케프 264 297 288 269

그들은 효율성 측면에서 작은 루프가 비슷한 크기의 쌍극자보다 훨씬 더 나을 수 있음을 보여줍니다. 물론 효율성 자체는 매우 작고 상대 크기가 감소함에 따라 급격히 떨어집니다. 알루미늄에 대한 유사한 계산에서 프레임의 경우 12% 이하, LA의 경우 0,2% 이하의 효율 저하가 나타났습니다. l=160m의 경우 동일한 다른 매개변수를 사용하면 효율이 평균 20% 더 나빠지는 것으로 나타났습니다. 제시된 결과는 완벽하게 전도된 표면 위의 핀에 대해 얻은 [8]의 데이터와 잘 일치합니다. 따라서 R의 감소로 인해 프레임의 효율이 급격하게 떨어지면_SP, 그러면 쌍극자의 효율은 매칭 요소의 손실 증가로 인해 빠르게 감소합니다.

3. 효율성 면에서 거의 동등하다면 작은 프레임과 작은 쌍극자 중 어느 것이 더 낫습니까?

손실 유전 환경(운영자 신체, 건축 자재 등)에서 작업할 때의 가장 중요한 이점은 루프의 공진 주파수(디튜닝) 및 효율성(삽입 손실)에 대한 환경의 영향이 쌍극자에 미치는 영향. 저자는 프레임 직경 42cm 및 쌍극자 길이 120cm와 같은 전력 및 안테나의 발생기로 송신기를 테스트했습니다. 파장 82m 자유 공간(원거리장에서 추정)에 위치한 두 안테나의 효율은 거의 동일한 것으로 나타났습니다. 나무 줄기, 쌍극자 옆에 있는 오퍼레이터의 몸과 손은 전계 강도를 수십 번 변화시켰고, 프레임은 오퍼레이터의 등에 짊어진 배낭에 맬 수도 있고, 목에 걸거나, 눈 속에 완전히 묻힐 수도 있었는데, 이것은 필드 매개변수의 현저한 저하로 이어집니다.

물론 금속 물체와의 전기적 접촉은 프레임에 큰 영향을 미칠 수 있지만 이에 대한 간단한 해결책이 있습니다. 바로 격리입니다. 소형 프레임의 다른 장점: 평형추(예: 짧은 핀)가 필요하지 않고, 절연 품질에 대한 요구가 적고, 전송할 때 살아있는 유기체의 조직에 대한 영향이 적습니다(근접 전기장 손실). 작은 쌍극자의 크기가 훨씬 크며 기계적으로 더 강합니다. 수직 편광이 있는 방향성은 어떤 경우에는 유용할 수 있지만 다른 경우에는 유용하지 않을 수 있습니다. 자기 안테나의 대역폭은 전기 안테나의 대역폭보다 다소 좁습니다. 그러나 표에서 알 수 있듯이 안테나가 작을수록 대역폭이 좁아진다고 생각하면 오산입니다. 쌍극자 회로의 품질 계수 Qef의 증가는 정합 코일의 손실 증가에 의해 방지되고, 크기 감소에 따른 MA 회로의 품질 계수 증가는 자체 인덕턴스의 감소에 의해 방지됩니다. MA의 제조 및 운영의 어려움은 연결에서 최소한의 활성 손실을 보장하는 것입니다. 루프 전류는 쌍극자 전류보다 수십 배 더 크므로 불량 접점의 에너지 손실은 수백, 수천 배 더 큽니다. 실제로 이것은 나사산 연결(납땜 또는 용접만 해당)이 부적합하고 비접촉 조정 요소가 필요함을 의미합니다. 따라서 자기 안테나의 장점은 특히 비강자성 환경에서 작동할 때 더 큽니다.

4. 다중 회전 소형 프레임이 동일한 직경의 단일 회전 프레임보다 이점이 있습니까?

이것은 또한 질문 중 하나이며 대답이 명확하지 않습니다. 테이블에서. 도 2 및 3에서, 단일 회전 프레임의 경우 RE1<_S1/2R_A1. 정합소자의 방사저항과 손실저항은 권수(N2)의 제곱에 비례하고 고유손실저항은 권수(N)에 비례하므로 N-턴 프레임의 효율은 대략 다음 공식으로 추정: E_N=R_S1N/(1+N)R_A1. l/l=0,0125(표 2에 따름)에서의 정확한 계산은 N=2에서 동일한 직경(l은 코일의 둘레)의 효율이 N=29에서 4%, N=54에서 10% 증가한 것으로 나타났습니다. N \u75d 2 - XNUMX%. 결과적으로 작은 N-턴 루프의 효율성은 단일-턴 루프의 효율성보다 다소 높지만 XNUMX배 이하입니다. 결론적으로 우리는 송신 안테나의 효율성에 대한 모든 결론이 이러한 안테나와 수신 모드에서 유효하다는 점을 강조합니다. 유효 높이만이 효과를 결정할 것이라고 가정하는 것은 잘못된 것입니다. 수신 시 작은 루프의 효율성은 쌍극자의 유효 높이가 XNUMX배 더 크다는 사실에도 불구하고 동일한 크기의 쌍극자보다 나쁘지 않습니다. 또한 유효 높이가 N에 비례한다는 사실에도 불구하고 리셉션에서 N 턴 프레임의 효율성은 단일 턴 프레임의 효율성보다 N 배 크지 않습니다. 제조 및 테스트를 처리 한 모든 사람 의 스포츠 방향 찾기가 여러 번 말한 내용을 확신했습니다.

문학

1. Andrianov V. 광대역 루프 안테나 - Radio, 1991, No. 1, p. 54-56.
2. Shchelkunov S., Friis G. Antennas.- M.: Sov. 라디오, 1950.
3. Grechikhin A. 구성 요소 선택 - Radio, 1984, No. 3, p. 18-20.
4. Gavrilin A. T., Grechikhin A. I. 스위칭 간섭의 근접 전자기장의 구조에 관하여.- 책에서: 무선 공학 시스템의 신호 처리를 위한 방법 및 장치: Mezhvuz. - Gorky: GPI, 1987, p. 43-48.
5. Belotserkovsky G.B. 안테나 - M .: Oborongie, 1956.
6. Ginkin G. G. 무선 공학 핸드북.- M.-L.: GEI, 1948.
7. Meinke X., Gundlach F. V. 무선 엔지니어링 참고서. T. 1.- M.-L.: GEI, 1960.
8. Walter C. H. Newman E. H. 전기적으로 작은 안테나.- HDL-TR-041-1 보고(1974년 1974월).- Washington, XNUMX.

간행물: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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