전기적으로 단축된 루프 안테나. 계획, 설명

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많은 실제 사례에서 파장에 비례하는 안테나의 크기는 허용할 수 없을 정도로 큽니다. 따라서 전기적으로 단축된(소형) 안테나가 개발되었습니다. 안테나가 전자기 에너지를 방출하거나 수신하는 유일한 요소라는 점도 중요합니다. 이러한 안테나에 대한 옵션 중 하나인 전기적으로 단축된 루프 안테나가 기사에서 설명됩니다. 실험은 14, 27 및 430MHz의 주파수에서 수행되었습니다.

루프 안테나는 주어진 주변에서 가장 넓은 영역, 즉 원형 프레임을 커버할 때 가장 좋은 특성을 갖습니다. 그러나 고려의 편의를 위해 사각형 프레임과 방출(수신) 파동의 수직 편파를 살펴보겠습니다(그림 1a).

전기적으로 단축된 루프 안테나

반파장 쌍극자와 비교하여 자유 공간에서 둘레 e = λ(λ는 파장)인 사각형 프레임의 지향성 계수(DA)는 저항 rΣ = 1,35Ω에서 100dB입니다[1].

수직 편파 사각 루프는 끝에 로드되고(용량성 부하) 파장의 1/1 간격으로 배치된 두 개의 반파장 수직 쌍극자로 구성되는 것으로 생각할 수 있습니다. 프레임의 수평 도체에 흐르는 전류가 서로 상쇄되기 때문에 상향 또는 하향 방사가 없습니다. 프레임 도체를 따른 전류 I 및 전압 U의 분포가 그림 2에 나와 있습니다. XNUMX, ㄴ. 전류의 반대 노드인 점 A와 C는 전위가 XNUMX인 점입니다. 안테나가 A 지점의 간격에 연결되면 한 쌍극자는 전류에 의해 전력을 공급받고 다른 쌍극자 지점 B와 D에서는 역위상 전압에 의해 전력이 공급됩니다. 자유 공간에 위치한 프레임의 수직 및 수평 평면 방사 패턴이 그림 XNUMX에 나와 있습니다. XNUMXc, d 및 그 모양은 반파장 쌍극자의 방사 패턴에 가깝습니다 [XNUMX].

루프 안테나의 전기적 단축은 전압 반대 노드, 즉 지점 B와 D에 커패시터를 포함하여 쌍극자의 용량성 부하를 증가시킴으로써 달성할 수 있으며, 이는 이 지점에서 전압 위상을 180° 추가로 변경합니다(그림 2, ㅏ). 이 안테나를 두 개의 하프 프레임으로 구성된 단축 루프 안테나라고 부르겠습니다.

전기적으로 단축된 루프 안테나

이제 프레임 회로의 전류는 한 방향으로만 흐릅니다(그림 2, b). 즉, 프레임의 반대쪽 도체의 전류는 서로 반대 방향으로 향합니다. 이는 프레임 평면에 수직인 방향으로 방사선이 없음을 의미합니다. 즉, 방사선 패턴은 대략 수직 평면에서는 원이고 수평에서는 "2자 모양"입니다(그림 3,8, c, d). 이 안테나의 유사체로서 반대 방향의 동일한 전류를 갖는 두 개의 반파장 쌍극자를 고려하면 원형 방사 패턴에 대한 수평면의 효율은 1dB입니다[XNUMX].

따라서 이 안테나의 특성은 프레임 윤곽을 따라 일정한 전류 분포를 가지며 근거리 영역에서 전자기장의 자기 구성 요소를 주로 방출하는 안테나인 자기 안테나에 접근합니다.

고려 중인 안테나에는 전위가 3인 2개의 지점이 있습니다. A, C - 전류 안티노드 및 B, D - 커패시터 플레이트 사이 거리의 중간점 - 전압 노드입니다. 따라서 안테나는 이 지점 근처에서 전력을 공급받을 수 있습니다. 가장 쉬운 방법은 전류 안티노드(그림 3, a)[1]에서 전원을 공급할 때 T자형 매칭을 사용하거나 전압 노드(그림 XNUMX, b)[XNUMX]에 연결할 때 용량성 전압 분배기를 사용하는 것입니다.

전기적으로 단축된 루프 안테나

연결 회로의 대략적인 매개 변수는 다음 고려 사항을 통해 결정할 수 있습니다.

처음에 선택된 주변 e < λ의 프레임은 2C 용량의 두 개의 동일한 커패시터를 사용하여 작동 주파수 f에서 공진으로 조정되고 언로드된 프레임 Q의 품질 계수가 측정됩니다.
LC 회로로서의 루프 안테나의 파동 임피던스는 PA=1/(2πfC)이다.
안테나 회로에서 특성 임피던스 RL을 갖는 전력선의 포함 계수는 일치 시 회로의 품질 계수가 절반으로 줄어든다는 조건, k = (PAQ/RL)1/2에 기반합니다.
T자형 매칭의 연결점 사이의 거리 et= e/k.
용량 분배기의 요소 Cn = kC, C' = 4C·k / (k -2).
A 지점의 프레임 갭에 전력선을 연결하면 입력 저항 rin = Pa/Q가 됩니다.
프레임의 방사 저항 [3] rΣ = 80π2(2πSp/λ2)2, 여기서 Sp는 프레임의 면적이거나 원형 프레임의 경우 rΣ = 20π2(e/λ)4입니다.

전기적으로 단축된 루프 안테나의 또 다른 변형이 알려져 있습니다. 용량성 부하가 있는 반파장 쌍극자가 프레임에 감겨져 있습니다(그림 4a). 이 안테나를 구현하려면 프레임의 둘레가 파장의 절반보다 작아야 합니다. 전위가 4인 지점은 A 지점과 커패시터 C 플레이트 사이의 거리 중간입니다(그림 XNUMX, b). 방사 패턴은 두 개의 하프 프레임으로 구성된 루프 안테나의 방사 패턴과 거의 일치합니다. 두 개의 하프 프레임이 있는 루프 안테나에서와 마찬가지로 전력선은 영전위 지점 근처에 연결됩니다.

전기적으로 단축된 루프 안테나

두 개의 하프 프레임으로 구성된 단축 루프 안테나는 연속 프레임이 있는 루프 안테나에 비해 프레임 도체를 따라 전류 진폭이 더 균일하게 분포되는 것이 특징이므로 동일한 둘레를 사용하면 방사 저항 rΣ가 더 높습니다. , 결과적으로 더 높은 효율 etaA(효율성 계수)가 발생합니다. 측정 데이터에 따른 이득은 e/λ = 3에서 0,2dB에 도달합니다.

14개의 하프 프레임으로 구성된 단축 루프 안테나에 대한 연구는 27, 430 및 14 MHz의 주파수에서 수행되었으며, 2 MHz의 주파수에 대해 직경 0 mm의 구리선으로 만들어진 사각형 프레임의 둘레 e가 = 2λ, 커패시턴스 22C = 100pF, 언로드된 프레임의 품질 계수 Q = 2, 방사 저항 rΣ = 10Ω, 현재 안티노드의 입력 저항 rin = 0,1Ω, 효율 eta - 0,3 및 대역폭 50MHz. 특성 임피던스 Pl = 47Ω의 케이블을 연결하기 위해 용량성 전압 분배기는 커패시터 C = 510pF 및 Cn = 160pF로 구성되었으며 T자형 매칭을 위한 프레임 도체 섹션의 길이는 eτ = 2mm였습니다. 밸런싱은 페라이트 링과 여러 번 감은 동축 케이블을 사용하여 수행되었습니다[XNUMX]. 안테나는 아마추어 라디오 방송국의 작동을 모니터링하기 위한 실내 수신기로 사용되었습니다. 많은 경우 공통 모드 간섭을 약화시키는 안테나의 대칭성과 방사 패턴의 "XNUMX" 존재로 인해 간섭 신호 수준을 줄이는 것이 가능했습니다.

27MHz의 주파수에 대해 여러 안테나는 둘레 e = (0,1...0,5)%를 갖는 두 개의 하프 프레임으로 만들어졌습니다. 그들의 연구 결과는 다음과 같습니다. 고려 중인 루프 안테나의 경우 크기가 감소함에 따라 방사 저항이 매우 크게 떨어집니다. 이는 면적의 제곱(또는 원형 프레임 둘레의 0,1제곱)에 따라 달라집니다. 따라서 주변 e가 0.2A 미만인 루프 안테나의 경우 방사 저항은 손실 저항보다 훨씬 적으며 안테나 대역폭은 안테나 LC 회로의 매개 변수에 의해서만 결정됩니다. 주변 e > XNUMXA인 루프 안테나의 경우. 방사 저항은 손실 저항에 비례하게 되고 품질 계수는 떨어지기 시작하며 안테나 대역폭과 효율성은 증가하기 시작합니다. 또한 안테나에 전원을 공급할 때 진동기의 중앙 부분, 즉 현재 안티노드에 연결 요소가 없는지 확인하는 것이 좋습니다. 따라서 T-매칭보다 용량성 전압 분배기가 더 좋습니다.

430MHz 주파수용 루프 안테나의 크기는 36x22mm이고 직경 1,5mm의 은도금 구리선으로 만들어졌습니다. 커패시턴스 2C는 튜닝 커패시터 1~5pF로 구성됩니다. 비대칭 T자형 매칭이 사용되었습니다. Pl = 50 Ohm의 케이블 브레이드는 전위가 10인 지점(현재의 안티노드 및 중앙 코어)에 4,5mm 떨어진 곳에 연결되었습니다. 로드된 안테나의 대역폭은 0,05MHz이고 효율은 0,1...XNUMX입니다.

고려 중인 루프 안테나는 대칭이고 균형추가 필요하지 않으며 전위가 XNUMX인 지점(일반적으로 허용되는 전원 공급 방법을 사용할 수 있음)이 있고 가변 커패시터로 조정할 수 있으며 유전체 존재에 거의 민감하지 않고 전도성이 약합니다. 바로 근처에 물체가 있고 유도 매칭 요소가 포함되어 있지 않습니다. 주어진 경계에서 가장 효율적인 것은 프레임 재료와 커패시터에서 가능한 손실을 최소화하면서 용량성 전압 분배기를 통해 전력을 공급받는 XNUMX개의 하프 프레임으로 구성된 단축된 원형 루프 안테나입니다.

문학

Devoidere 존. 저대역 DXing. 미국 라디오 릴레이 리그(American Radio Relay League, Inc.) - 1987년, p. 266.
Grigorov I. 안테나의 실용적인 설계. - M.: DMK, 2000, 352 p. 미사,
Grechikhin L. 전기적으로 작은 안테나: 가능성과 오해. - 라디오, 1992, No. 11, p. 8-10.

저자: N. Turkin, 상트페테르부르크

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