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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Auf kleinen Empfangs- und Sendeantennen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennen. Theorie In letzter Zeit sind in der Amateurfunkliteratur viele Veröffentlichungen über kleine Empfangs- und Sendeantennen erschienen. Sie sind weit verbreitet (insbesondere in tragbaren Geräten und auf mobilen Objekten) zum Empfang von Rundfunk- und Fernsehsendern, Funkkommunikation, Peilung usw. Deshalb soll eine vergleichende Analyse solcher Antennen, eine Diskussion ihrer Vor- und Nachteile sowie ein Gespräch über einige "Legenden" im Zusammenhang mit elektrisch kleinen Antennen. Ist es zum Beispiel immer so, dass eine magnetische Empfangsantenne besser ist als eine elektrische unter Einwirkung von nahen Interferenzen [1]? Versuchen wir, das herauszufinden. Beginnen wir mit Definitionen. Elektrisch kleine Antennen (ESA) sind Antennen, deren Abmessungen viel kleiner sind als die Wellenlänge l oder nach Definition von S. Shchelkunov und G. Friis [2], wenn die maximale Größe der Antenne, gemessen von den Eingangsanschlüssen, nicht überschritten wird l/8. Eine elektrisch kleine Rahmenantenne wird als Magnetantenne (MA) bezeichnet. Im Nahbereich (bei Entfernungen viel kleiner als l), die MA senden, herrscht überall die magnetische Komponente H des elektromagnetischen Feldes (das Verhältnis der elektrischen Komponente E zur magnetisch - E / H - ist viel geringer als in der Fernzone ). Der empfangende MA ist für ein magnetisches Wechselfeld entsprechend anfälliger als für ein elektrisches, d.h. er besitzt Komponentenselektivität [3]. Eine elektrische Antenne (EA) – ein kurzer Stift über einer leitenden Oberfläche oder ein Dipol mit einer Länge von viel weniger als 11 – ist dagegen anfälliger für die Komponente E. Wenn der Umfang des Rahmens mit der Betriebswellenlänge vergleichbar ist, dann hat es keine MA-Eigenschaften. So hat beispielsweise ein Rahmen mit einem Umfang von 10 m keine signifikante Komponentenselektivität im KB-Bereich, beispielsweise im 20-XNUMX-MHz-Frequenzband. Ebenso ist ein mit l vergleichbarer Dipol keine elektrische Antenne im angedeuteten Sinne. Das Vorhandensein eines ferromagnetischen Kerns im MA ist überhaupt nicht erforderlich, aber wenn doch, wird die Antenne Ferrit genannt. Nun zu den wichtigsten 1. Eine magnetische Antenne ist beim Empfang unter Störbedingungen nicht immer besser als eine elektrische. MA könnte aufgrund der Komponentenselektivität die beste Störfestigkeit unter den einfachen EMAs bieten, wenn die Störquellen ein elektromagnetisches Feld mit einer Dominanz der E-Komponente im Nahbereich des Empfangsgeräts erzeugen [3]. Dies wird jedoch nicht immer getan. Beispielsweise führt das Schalten in Stromnetzen dazu, dass in Abschnitten dieser Netze gedämpfte elektromagnetische Wellen mit breitem Spektrum auftreten. Wenn sich die Empfangsantenne in der Nähe der Drähte eines solchen Netzwerks befindet, wird dies im Nahfeld als Impulsrauschen wahrgenommen. Die Amplituden der Störstrom- und Spannungskomponenten in einem gegebenen schmalen Empfangsband sind meistens ungleichmäßig entlang der Drähte verteilt: Es gibt Zonen von Strombäuchen (Maxima) und Spannungsbäuchen (Abb. 1).
Auch entlang der Leitung ist das elektromagnetische Feld im Nahbereich inhomogen. In der Nähe der Strombäuche überwiegt die magnetische Komponente und in der Nähe der Spannungsbäuche die elektrische Komponente. In Region 1 (Abb. 1) ergibt MA die beste Störfestigkeit und in Region 2 - EA. Experimente haben gezeigt [4], dass die Intensität stehender Wellen und die Verteilung von Spannungs- und Strombäuchen von vielen verschiedenen Bedingungen abhängen, einschließlich der Anzahl und Art der an das Netz angeschlossenen Lasten. Im Durchschnitt kann sich der Empfänger mit gleicher Wahrscheinlichkeit in der Nähe des Strom- oder Spannungsbauchs befinden. Daher ist eine Magnetantenne nicht immer und nicht überall weniger anfällig für "industrielle" Störungen, wie manchmal berichtet wird. Darüber hinaus kann dies nicht gesagt werden, wenn man allgemein über Schleifenantennen spricht. Warum ist es wirklich immer eine deutliche Verbesserung, wenn man von einem kurzen Draht (Stift) zu einem guten symmetrisch geschirmten Rahmen wechselt, wie in [1] beschrieben? (Und diese Tatsache unterstützt aktiv die fragliche Täuschung). Tatsache ist, dass ein kurzer Draht als Antenne meistens nicht das einzige strahlende (empfangende) Element des Antennensystems ist; die Drähte des Netzes, der Erdung und anderer Metallstrukturen, die mit dem Gehäuse des Senders (Empfängers) verbunden sind, sind ebenfalls daran beteiligt Strahlung (Empfang). Многим знакома ситуация, когда неоновая лампочка светится при прикосновении к корпусу передатчика, трубам отопления... Если такая "антенная система" используется на приеме, то все перечисленные элементы воспринимают всевозможные помехи и наводки в здании с множеством коммутируемых цепей и линий (силовых, телефонных usw.). Aber einen kurzen symmetrischen Dipol zu machen ist noch einfacher als einen hochwertigen Rahmen. Es ist lediglich erforderlich, die Anfälligkeit der Speiseleitung gegenüber elektromagnetischen Feldern zu eliminieren und das Eindringen von Signalen in den Empfänger durch andere Nebenwege als die Antenne zu eliminieren. Wenn das oben diskutierte Missverständnis eine Überschätzung der Selektivität des empfangenden MA war, dann ist ein weiteres, ebenfalls weit verbreitetes Missverständnis, dass angeblich sendende MA viel schlechter sind als EA. In einer Reihe von Veröffentlichungen wird festgestellt, dass kleine Rahmen aufgrund des viel geringeren Strahlungswiderstands bei Arbeiten an der Übertragung viel weniger effektiv sind als elektrische Antennen vergleichbarer Größe. Für einen Dipol der Länge lSД=20p2(ll)2, während ein runder Rahmen mit einem Umfang lSP=20p2(ll)4. Mit den gleichen l=1 m und l=80 m, RSP/RSД=1/6400. Strahlungsleistung ist: PS=Ia2RS, wobei Ia der Effektivwert des Antennenstroms an den Verbindungspunkten ist. Aus dem letzten Ausdruck folgt, dass wir die Gleichheit der von unseren Antennen abgestrahlten Leistungen erwarten können, wenn der Strom in der Schleife das 80-fache des Eingangsstroms des Dipols beträgt. Ist es echt? Es fällt ziemlich aus. 2. Unter Berücksichtigung der Verluste in den Anpassschaltungen sind der elektrisch kleine Dipol und die Schleife in Bezug auf den Wirkungsgrad beim Arbeiten an der Übertragung ungefähr gleichwertig. Der Wirkungsgrad E der Antenne, gleich dem Verhältnis der abgestrahlten Leistung zur vom Generator entnommenen Leistung, hängt nicht nur vom Eigenverlustwiderstand der Antenne (Ra) ab, sondern auch vom Verlustwiderstand im erforderlichen Anpasselement (Reaktanzkompensation). ) Rc: E = RS/ (RS+RA+Rc), siehe Abb. 2.
Der aktive Widerstand (in Ohm) der Antennen, unter Berücksichtigung des Skin-Effekts, für einen Rahmen mit einem Umfang l ist
wobei d der Leiterdurchmesser (mm) ist, mg die relative Permeabilität des Antennenmaterials ist, s und sм - spezifische Widerstände des Antennenmaterials bzw. Kupfers des Dipols der Länge l: RHölle=RaP/3. Wirkverluste in den Anpasselementen hängen von ihren Parametern und Gütefaktoren ab: Rc=¦Xa¦/Qc, wobei Xa der reaktive Anteil der Antenneneingangsimpedanz ist, die für l kapazitiv und für den Rahmen induktiv ist, und für EMA ¦XaP¦<¦XaД¦ Das Anpasselement sorgt für eine Serienresonanz im Antennenkreis (Xa + Xc = 0). Echte Qualitätsfaktoren für den Dipol Qsd=200...400, für den Rahmen Qsr=1000...2000. Reaktanzen (in Ohm) können mit den folgenden Formeln berechnet werden:
Sie werden, wie die vorigen, auf der Grundlage bekannter Beziehungen gewonnen (siehe zB [5–7]). Die Ergebnisse der Berechnungen der Dipol- und Singleturn-Rahmenantennen aus Kupfer (d = 10 mm), für l = 80 m, Qsd = 200, Qcp = 1000, sind in den Tabellen gezeigt. Tabelle 1. Berechnete Daten für einen Dipol der Länge l
Tabelle 2. Berechnete Daten für einen Rahmen mit einem Umfang l
Tabelle 3. Berechnete Daten für einen Rahmen mit einem Durchmesser l
Sie zeigen, dass eine kleine Schleife hinsichtlich der Effizienz sogar besser sein kann als ein Dipol vergleichbarer Größe. Allerdings ist der Wirkungsgrad selbst natürlich sehr gering und nimmt mit abnehmender relativer Größe stark ab. Ähnliche Berechnungen für Aluminium ergaben eine Verschlechterung der Effizienz von nicht mehr als 12 % für den Rahmen und 0,2 % für die La. Für l=160 m fiel bei gleichen übrigen Parametern der Wirkungsgrad um durchschnittlich 20 % schlechter aus. Die präsentierten Ergebnisse stimmen gut mit den Daten von [8] überein, die für einen Stift über einer perfekt leitenden Oberfläche erhalten wurden. Wenn also die Effizienz des Rahmens aufgrund der Verringerung von R schnell abnimmtSP, dann sinkt der Wirkungsgrad des Dipols ebenso schnell durch das Anwachsen der Verluste im Anpasselement. 3. Was ist besser, ein kleiner Rahmen oder ein kleiner Dipol, wenn sie in Bezug auf die Effizienz ungefähr gleichwertig sind? Der wichtigste Vorteil des Arbeitens in einer verlustbehafteten dielektrischen Umgebung (Körper des Bedieners, Baumaterialien usw.) besteht darin, dass der Einfluss der Umgebung auf die Resonanzfrequenz (Verstimmung) und auf den Wirkungsgrad (Einfügungsdämpfung) der Schleife viel schwächer ist als die Wirkung auf den Dipol. Der Autor testete Sender mit Generatoren gleicher Leistung und Antennen: Rahmendurchmesser 42 cm und Dipollänge 120 cm; Wellenlänge 82 m. Die Effizienz beider im freien Raum befindlichen Antennen (aus dem Fernfeld geschätzt) erwies sich als annähernd gleich. Der Baumstamm, der Körper und die Hände des Bedieners neben dem Dipol änderten die Feldstärke dutzende Male, und der Rahmen konnte in einen Rucksack auf dem Rücken des Bedieners gesteckt, um den Hals gelegt oder vollständig im Schnee vergraben werden, was nicht der Fall war zu einer merklichen Verschlechterung der Feldparameter führen. Elektrischer Kontakt mit einem Metallgegenstand kann natürlich den Rahmen stark beeinträchtigen, aber es gibt ein einfaches Mittel dagegen - Isolation. Weitere Vorteile von Small Frames: Sie benötigen kein Gegengewicht (wie z. B. einen kurzen Stift), stellen geringere Anforderungen an die Isolationsqualität, wirken sich beim Senden weniger auf das Gewebe lebender Organismen aus (Verluste im elektrischen Nahfeld eines kleinen Dipols sind viel größer), mechanisch stärker. Direktionalität mit vertikaler Polarisation kann in einigen Fällen nützlich sein, in anderen jedoch nicht. Die Bandbreite einer magnetischen Antenne ist etwas geringer als die einer elektrischen. Wie jedoch aus den Tabellen ersichtlich ist, ist es ein Irrtum zu glauben, je kleiner die Antenne, desto schmaler die Bandbreite. Eine Erhöhung der Güte Qeff der Dipolschaltung wird durch eine Erhöhung der Verluste in der Anpassungsspule verhindert, und eine Erhöhung der Güte der MA-Schaltung bei einer Verringerung der Größe wird durch eine Verringerung ihrer eigenen Induktivität verhindert. Schwierigkeiten bei der Herstellung und dem Betrieb von MA sind auf minimale Wirkverluste in den Anschlüssen zu gewährleisten. Der Schleifenstrom ist zehnmal größer als der Dipolstrom, daher ist der Energieverlust bei schlechten Kontakten hundert- und tausendmal größer. In der Praxis bedeutet dies die Untauglichkeit von Schraubverbindungen (nur Löten oder Schweißen) und die Notwendigkeit von berührungslosen Justierelementen. Somit sind die Vorteile einer Magnetantenne größer, insbesondere beim Betrieb in nicht ferromagnetischen Umgebungen. 4. Hat ein Multi-Turn-Small-Frame einen Vorteil gegenüber einem Single-Turn-Frame mit gleichem Durchmesser? Auch das ist eine der Fragen, deren Antwort nicht ganz offensichtlich ist. Aus Tabelle. Aus den 2 und 3 ist ersichtlich, dass für einen Single-Turn-Rahmen RE1<S1/ 2RA1. Da der Strahlungswiderstand und der Verlustwiderstand im Anpassungselement proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen (N2) sind und der Eigenverlustwiderstand proportional zur Anzahl der Windungen (N) ist, ist die Effizienz des Rahmens mit N-Windungen ungefähr geschätzt durch die Formel: EN=RS1N/(1+N)RA1. Genaue Berechnungen bei l/l=0,0125 (gemäß Tabelle 2) zeigten, dass bei N=2 der Wirkungsgrad bei gleichem Durchmesser (l ist der Umfang der Spule) um 29 % zunahm, bei N=4 um 54 %, bei N \u10d 75 - um 2%. Folglich ist die Effizienz einer kleinen Schleife mit N-Windungen etwas höher als bei einer Schleife mit einer Windung, aber nicht mehr als zweimal. Abschließend betonen wir, dass alle Schlussfolgerungen zur Effizienz, die für Sendeantennen gemacht wurden, für diese Antennen und im Empfangsmodus gelten. Es ist falsch anzunehmen, dass nur die effektive Höhe die Wirksamkeit bestimmt. Die Effizienz einer kleinen Schleife beim Empfang ist nicht schlechter als die eines Dipols gleicher Größe, obwohl die effektive Höhe des Dipols zehnmal größer ist. Außerdem ist die Effizienz eines N-Turn-Rahmens beim Empfang nicht N-mal größer als die Effizienz eines Single-Turn-Rahmens, obwohl die effektive Höhe proportional zu N ist. Jeder, der sich mit der Herstellung und Prüfung von befasst hat Sportpeiler hat sich vielfach von dem Gesagten überzeugen lassen. Literatur 1. Andrianov V. Breitband-Rahmenantenne - Radio, 1991, Nr. 1, p. 54-56.
Veröffentlichung: N. Bolschakow, rf.atnn.ru
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