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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 전기 안테나와 자기 안테나의 동등성. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
전기역학의 일부 문제를 고려한 이 기사는 이론적 관심뿐만 아니라 장파 및 중파용 안테나를 설계 및 계산하고 작동 기능을 이해하는 데 유용할 수 있는 중요한 실제 결론으로 이어집니다. 전기역학과 무선공학의 창시자인 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)도 1세기 말에 다양한 수신 안테나를 실험하면서 볼이나 디스크(전기 안테나)의 형태로 끝 부분에 용량성 부하가 있는 짧은 분할 진동자를 사용했습니다. 그림에 표시된 와이어 링 (자기 안테나). 1a 및 그림. XNUMXb. 필드 표시기는 XX 안테나 단자 사이의 매우 작은 방전 간격이었습니다.
안테나 이론에서는 기본 전기 쌍극자 (Hertzian dipole)와 기본 자기 쌍극자 (전류가 흐르는 고리)의 개념이 널리 사용됩니다. 두 기본 안테나는 파장에 비해 작습니다. 이론의 발전과 함께 전기장과 자기장의 관계를 따르는 이중성의 원리가 공식화되었습니다. 그것을 사용하여 A. Pistohlkors는 1944년에 진동기와 슬롯 안테나 사이의 유추를 지적했습니다[1]. LW에서 전기 안테나는 수평 와이어 또는 와이어 네트워크 형태의 상부에 용량 성 부하가있는 수직 와이어 또는 마스트 형태로 만들어집니다. LW의 지구는 좋은 전도체이며 수직 편파만이 그 근처에서 전파될 수 있습니다. 따라서 헤르츠 쌍극자의 절반만 일반적으로 지면 위로 올라가고(그림 1c), 나머지 절반은 지면에서 거울 이미지(점선으로 표시됨)입니다. 이러한 안테나는 매우 좋은 접지가 필요합니다. 자기 안테나는 작은 프레임 형태나 페라이트 막대에 있는 아주 작은 코일 형태로 만들어집니다. 자기 안테나는 접지가 필요하지 않으며 잡음 내성이 더 높습니다. 그러나 일반적인 자기 안테나의 효율성은 매우 낮기 때문에 송신기로 적합하지 않습니다. 그러나 자기 안테나가 항상 작은 것은 아닙니다. 지난 세기의 20 대 초반에는 수신 센터에서 직경이 최대 20m 인 LW 루프 안테나가 사용되었습니다! 대형 루프 안테나에 대한 관심은 예를 들어 검출기 수신기용으로 안테나에서 최대 신호를 얻고자 하는 욕구로 인해 오늘날까지 계속되고 있습니다[3]. 따라서 어떤 안테나가 더 효율적입니까, 전기식입니까 아니면 대형 프레임 자기식입니까? 그리고 이 경우에도 이중성의 원리가 적용되나요? 처음으로 질문이 제기되었다고 말할 수는 없습니다. 지난 세기의 20 년대에 당연히 그 당시의 지식과 아이디어 수준에서 해결되었습니다 [4]. 대답은 안테나의 유효 높이 개념을 기반으로 얻었습니다. 전기 안테나의 경우 훨씬 더 큰 것으로 판명되어 선호되었습니다. LW에서 라디오 아마추어가 파장에 상응하는 전체 크기의 안테나를 구축하는 것은 거의 불가능합니다. 따라서 수신 안테나로 사용되는 작은 안테나만 고려합니다. 안테나는 전도성 접지 표면 근처에 배치됩니다(그림 2).
왼쪽 (그림 2, a)에는 라디오 방송국에서 나오는 전자기파의 벡터가 표시됩니다 : 전계 강도 E (수직 편파), 자기장 강도 H 및 에너지 플럭스 밀도 P. Maxwell 방정식에서 자유 공간의 파동의 경우 P = E H 또는 모듈 (절대 값) P \u2d E-H \u120d EXNUMX / XNUMXπ에 대해서만 따릅니다. 무화과에. 2b는 길이가 L인 수평 와이어가 로드된 높이가 h인 수직 낙하 형태의 전기 L자형 안테나를 보여줍니다. 계산을 용이하게 하기 위해 L >> h를 입력하면 안테나의 거의 전체 커패시턴스가 수평 와이어와 지면 사이에 집중되어 있습니다. 수직 도체의 모든 섹션의 전류는 동일하며 전기 안테나의 유효 높이는 hde = h입니다. X-X 단자가 있는 수직 드롭은 수평 와이어의 다른 위치(예: 가운데)에 연결하여 T자형 안테나를 얻을 수도 있습니다. 이는 분석 결과에 어떤 식으로든 영향을 미치지 않습니다. 또한 접지는지면을 따라 놓인 길이 L의 와이어 조각 인 균형추로 대체 할 수 있습니다 (그림 2, b의 점선). 카운터웨이트와 그라운드의 강력한 용량 결합은 고주파 전류에 대해 거의 단락 회로를 제공합니다. 동일한 치수의 직사각형 단일 회전 프레임 형태로 자기 안테나(그림 2, c)를 만들 것입니다. 프레임의 하단 와이어는 접지에 직접 연결되므로 인덕턴스는 상단 인덕턴스에 비해 매우 작습니다. 아래쪽 전선은 두 개의 접지로 대체할 수 있지만 손실 저항은 실제로 전선의 저항보다 큽니다. 자기 안테나의 유효 높이는 hdm = 2πS/λ = kS이며, 여기서 S는 프레임 영역입니다. k \u2d XNUMXπ / λ. 이 공식을 도출하는 것은 쉽습니다. 프레임의 수직 측면에서 Eh와 같은 EMF가 유도되고 프레임의 먼(오른쪽) 측면에서 EMF가 작은 각도 kL만큼 위상이 뒤처집니다. 터미널 X-X의 EMF는 EhkL입니다. S = hL이기 때문에. 우리는 hdm = kS를 얻습니다. L<<λ를 고려하면 유효 프레임 높이 hdm이 hde보다 훨씬 작다는 것이 분명해집니다. 두 안테나 모두 X-X 단자에서 발생하는 EMF는 Ehd이며, 이것이 [4]에서 큰 EMF를 발생시키기 때문에 전기 안테나가 선호되는 이유입니다. 그러나 안테나의 효율성은 EMF가 아니라 (결국 기존 변압기로 높일 수 있음) 주어진 전계 강도에서 안테나에서 가져온 신호의 전력으로 평가해야합니다. 부하가 신호 소스(안테나)와 일치하면 최대 전력이 제거됩니다. 차례로 조정은 부하 리액턴스가 절대 값과 같지만 반대 부호에서는 소스 리액턴스와 활성 저항이 동일하다는 사실로 구성됩니다. 정합 조건(반응도 보상)의 첫 번째 부분은 그림에서와 같이 리액턴스 -jX를 부하 r과 직렬로 연결하여 얻을 수 있습니다. 3. 전기 안테나의 경우 안테나의 커패시턴스를 보상하는 인덕턴스가 되고 자기 안테나의 경우 프레임의 인덕턴스를 보상하는 커패시턴스가 됩니다. 실제로 이러한 보상은 수신된 라디오 방송국의 주파수에서 안테나를 공진 상태로 조정하는 것을 의미합니다. 전기 안테나와 자기 안테나로 구성된 발진 회로의 등가 회로는 그림 4과 4에 나와 있습니다. XNUMXa 및 그림. XNUMXb.
일치 조건의 두 번째 부분인 소스와 부하의 활성 저항의 동일성은 충족할 수 없습니다. 사실 이상적인(무손실) 안테나의 활성 저항은 방사 저항입니다. 우리 안테나의 경우 크기가 작기 때문에 매우 작기 때문에 공식도 제공하지 않습니다. 동일한 낮은 부하 저항을 선택하면 회로의 품질 계수(그림 4)가 너무 높아져 방송국 신호에 비해 대역폭이 너무 좁아집니다. 회로 Q의 필수 품질 계수를 기준으로 부하 저항 r을 선택해야 합니다. 예를 들어 Mayak 라디오 방송국을 198kHz의 주파수로 수신하려는 경우 회로의 품질 계수는 아니어야 합니다. 약 20kHz의 대역폭을 제공하기 위해 10개 이상입니다. 품질 요소는 부하 r = X / Q의 활성 저항 값을 결정하며 이제 안테나의 작은 활성 저항을 무시할 수 있습니다. 안테나 회로와 직렬로 작은 부하 저항을 포함하는 것은 실질적으로 불편하며, 그림 4과 같이 회로와 병렬로 연결하는 것이 훨씬 좋습니다. 4, c 및 그림. 2, 도시 병렬 저항 R은 XQ이고 변환 공식은 다음과 같습니다. R = XXNUMX / r. 이런 식으로 선택된 부하 저항에서 안테나에 의해 발전된 전력은 P \u2d (Ehd) 1 / r이고 r은 안테나 X의 리액턴스와 품질 계수 Q에 의해 결정됩니다. 이제 계산해야합니다. 두 안테나의 리액턴스 : He \uXNUMXd XNUMX / ωSant - 전기 및 Хм =ωLant - 자기. L>> h라는 가정을 고려하면 긴 줄의 끝에서 열림 및 닫힘에 대한 공식을 사용하는 것이 가장 쉽습니다. Xe = W ctgL = W/tgkL 및 Xm = W tgkL. kL 값이 작다는 관점에서 접선은 해당 인수로 대체할 수 있으며 Xe = W/kL 및 Xm = WkL입니다. 선 W= (L/C)1/2의 파동 임피던스는 공식(전도성 접지 고려) W = 60 ln(h/d)로 지정되며, 여기서 자연 로그는 다음의 비율에서 가져옵니다. 와이어와 접지 사이의 거리 h와 와이어 직경 d. 위의 공식에서 전기 안테나가 제공하는 전력을 계산합니다. P \u2d (Ehde) 2 Q / Xe \u2d E2Qkh2L / W. 자기 안테나에 대해 동일한 작업을 수행해 보겠습니다. P = (Ehdm)2 Q/Xm, = EXNUMXQkhXNUMXL/W. 동일한 공식을 얻었으며 이는 소형 전기 및 자기 안테나의 동일한 효율을 증명합니다. 우리가 선택한 조건에서는 동일한 크기로 동일한 전력을 제공합니다. 패턴이 더 일반적이고 이중성의 원리가 항상 작동한다고 가정하는 것이 논리적입니다. 이제 다중 회전 프레임을 사용하는 것이 편리한지 살펴보겠습니다. 같은 치수로 N번 감으면 EMF의 N배가 되지만 리액턴스 X는 N2배 증가합니다. 인덕턴스는 회전 수의 제곱에 비례하기 때문입니다. 동일한 품질 계수 Q를 유지하면서 부하 저항도 같은 양만큼 증가해야 합니다. 결과적으로 안테나에서 방출되는 전력은 변경되지 않습니다. 따라서 멀티턴 루프를 사용하는 것은 저항을 변환하는 방법일 뿐 효율을 높이는 방법은 아닙니다. 안테나에서 발산되는 전력에 대해 우리가 얻은 공식은 보다 자세한 분석이 필요합니다. 우선, 전력 P는 전계 강도 E의 제곱, 즉 에너지 플럭스 밀도에 비례합니다. 이 결과는 부하가 방사 저항과 일치할 때 손실이 없는 이상적인 안테나에 대해 [5]에서 이미 얻었습니다. 여기에서 도출된 공식을 상기하십시오: Po = E2λ2/6400. 이제 우리는 일치하지 않는 안테나에 대해 얻었습니다. 파장 λ에 대한 의존성은 이제 다르고 λ는 분모에 있으며 파수 k를 통해 공식을 입력하지만 안테나의 치수를 파장으로 표현하면 이전의 파장 의존성이 복원됩니다. 따라서 안테나 h와 L의 치수가 고정(미터 단위)되면 더 짧은 파장을 사용하는 것이 더 유리합니다. 그러나 안테나의 크기를 파장으로 고정하면, 즉 λ에 비례하여 안테나를 변경하면 길고 매우 긴 안테나가 더 유리합니다. 안테나에서 최대 전력을 얻으려면 다음을 수행하는 것이 좋습니다. - 여러 병렬 및 간격 와이어를 연결하여 안테나의 커패시턴스를 높이고 안테나의 인덕턴스를 낮춤으로써 실제로 수행되는 안테나 W의 파동 임피던스를 줄이기 위해; - 적절한 부하를 선택하고 "접지", 절연체 및 도체의 손실을 줄임으로써 안테나 시스템 Q의 품질 계수를 높입니다. - 안테나 필드가 차지하는 볼륨을 높입니다. 마지막 요점은 약간의 설명이 필요합니다. 무화과에. 도 5는 안테나의 전기장(실선) 및 자기장(파선) 모두의 필드 라인 구성을 나타낸다. 안테나는 끝에서 보았고 역선이 가장 밀집된 공간의 폭이 h 정도임을 알 수 있다. 따라서 제품 h2L은 안테나 필드가 주로 집중되는 볼륨입니다. 증가하는 데 유익한 것은이 볼륨입니다.
말한 모든 것을 설명하기 위해 그림 2에 따른 전기 및 자기 안테나의 실용적인 대략적인 계산을 제시합니다. 10b 및 c. 안테나 높이 h = 30m, 길이 L = 1500m 파장 λ = 20m, 안테나 회로의 품질 계수 Q = 0,1 전계 강도 E = 5V/m에서 두 안테나에서 가져온 전력은 약 XNUMX mW는 라우드스피킹 감지기 수신에 충분합니다. 동시에 안테나를 매칭하고 로딩하는 조건은 완전히 달라집니다. 와이어 직경이 1mm인 안테나의 수평 와이어가 지상에서 형성하는 라인의 웨이브 임피던스는 W = 60 In104 = 550 Ohm, kL = 0,125가 됩니다. 이것은 He = 550 / 0,125 = 4,4 kΩ이고 Xm = 550 0,125 = 70 Ω입니다. 전기 안테나용 보상 코일(인덕턴스 L은 약 3mH)과 자기식 보상 커패시터(약 10pF)의 리액턴스는 동일해야 합니다. 따라서 공진시 안테나 회로의 저항은 000 및 88kOhm으로 나타납니다 (품질 계수를 곱함). 회로에 부하를 주는 것은 이 부하 저항 R 또는 검출기의 입력 저항입니다. 전기 안테나를 사용하면 일치하는 요소 없이는 할 수 없습니다 [1,4]. 자기 안테나를 사용하면 더 쉽습니다. 입력 저항이 낮은 검출기를 커패시터 C에 직접 연결할 수 있습니다. 문학
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