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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Elektrisch verkürzte Rahmenantenne. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / UKW-Antennen In vielen praktischen Fällen sind die Abmessungen der Antenne im Verhältnis zur Wellenlänge unzulässig groß. Daher wurden elektrisch verkürzte (kleine) Antennen entwickelt. Wichtig ist auch, dass die Antenne das einzige Element ist, das elektromagnetische Energie aussendet oder empfängt. Eine der Varianten solcher Antennen, eine elektrisch verkürzte Rahmenantenne, wird im Artikel besprochen. Die Experimente wurden bei Frequenzen von 14, 27 und 430 MHz durchgeführt. Eine Rahmenantenne hat die besten Eigenschaften, wenn sie bei gegebenem Umfang die größte Fläche abdeckt, also ein runder Rahmen ist. Der Einfachheit halber wenden wir uns jedoch dem quadratischen Rahmen und der vertikalen Polarisation der emittierten (empfangenen) Wellen zu (Abb. 1a).
Der Richtwirkungskoeffizient (DAC) eines quadratischen Rahmens mit einem Umfang e = λ (λ ist die Wellenlänge) im freien Raum beträgt im Vergleich zu einem Halbwellendipol 1,35 dB bei einem Widerstand von rΣ = 100 Ohm [1]. Man kann sich eine vertikal polarisierte quadratische Schleife so vorstellen, dass sie aus zwei vertikalen Halbwellendipolen besteht, die an den Enden geladen sind (kapazitive Belastung) und durch eine Viertelwellenlänge getrennt sind. Es gibt keine Auf- und Abstrahlung, da sich die Ströme in den horizontalen Leitern des Rahmens gegenseitig aufheben. Die Verteilung von Strom I und Spannung U entlang des Rahmenleiters ist in Abb. dargestellt. 1b. Die Punkte A und C, Strombäuche, sind Punkte mit Nullpotential. Wenn die Antenne am Punkt A an die Lücke angeschlossen ist, wird ein Dipol mit Strom und der andere – an den Punkten B und D – mit gegenphasigen Spannungen versorgt. Die Strahlungsmuster des im freien Raum befindlichen Rahmens in der vertikalen und horizontalen Ebene sind in Abb. dargestellt. 1 c, d und ähneln in ihrer Form dem Strahlungsmuster eines Halbwellendipols [2]. Die elektrische Verkürzung der Rahmenantenne kann durch Erhöhung der kapazitiven Belastung der Dipole durch Einschalten der Spannungsbäuche, also an den Punkten B und D, Kapazitäten erfolgen, wodurch sich zusätzlich die Phase der Spannung an diesen Punkten um 180° ändert (Abb. 2, a). Nennen wir diese Antenne eine verkürzte Rahmenantenne aus zwei Halbrahmen.
Der Strom im Rahmenstromkreis fließt jetzt nur noch in eine Richtung (Abb. 2, b), d. h. die Ströme in den gegenüberliegenden Leitern des Rahmens sind zueinander entgegengesetzt gerichtet. Dies bedeutet, dass es keine Strahlung in Richtung senkrecht zur Rahmenebene gibt, d. h. das Strahlungsmuster ist in der vertikalen Ebene ungefähr ein Kreis und in der horizontalen eine „Acht“ (Abb. 2, c, d). Betrachten wir zwei Halbwellendipole mit entgegengesetzt gerichteten gleichen Strömen als Analogon dieser Antenne, dann beträgt der Gewinn in der horizontalen Ebene relativ zum kreisförmigen Strahlungsdiagramm 3,8 dB [1]. Damit nähert sich diese Antenne in ihren Eigenschaften einer magnetischen Antenne an – einer Antenne mit einer konstanten Stromverteilung entlang der Schleifenkontur, die hauptsächlich die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes in der Nahzone abstrahlt. Die betrachtete Antenne hat vier Punkte mit Nullpotential: A, C – Gegenknoten des Stroms und B, D – Mittelpunkte der Abstände zwischen den Platten der Kondensatoren – Spannungsknoten. Dementsprechend kann die Antenne in der Nähe dieser Punkte mit Strom versorgt werden. Am einfachsten ist es, eine T-förmige Anpassung zu verwenden, wenn der Strom im Gegenknoten gespeist wird (Abb. 3, a) [2], oder ein kapazitiver Spannungsteiler, wenn er an einen Spannungsknoten angeschlossen wird (Abb. 3, b) [1].
Nähere Parameter der Verbindungsschaltung können aus den folgenden Überlegungen ermittelt werden.
Es ist eine andere Version einer elektrisch verkürzten Rahmenantenne bekannt - ein Halbwellendipol mit kapazitiver Last, gefaltet in einen Rahmen (Abb. 4, a). Um diese Antenne zu implementieren, muss der Umfang der Schleife weniger als die halbe Wellenlänge betragen. Punkte mit Nullpotential - Punkt A und die Mitte des Abstands zwischen den Platten des Kondensators C (Abb. 4, b). Das Strahlungsdiagramm stimmt ungefähr mit dem Strahlungsdiagramm einer Rahmenantenne aus zwei Halbrahmen überein. Die Stromleitung wird in der Nähe von Nullpotentialpunkten angeschlossen, wie es bei einer Rahmenantenne mit zwei Halbrahmen der Fall ist.
Eine verkürzte Rahmenantenne aus zwei Halbrahmen zeichnet sich im Vergleich zu einer Rahmenantenne mit durchgehender Schleife durch eine gleichmäßigere Verteilung der Stromamplitude entlang des Schleifenleiters aus, weist daher bei gleichen Umfängen einen großen Strahlungswiderstand rΣ auf und dadurch ein höherer Wirkungsgrad ηA (Wirkungsgrad). Die Verstärkung erreicht laut Messdaten 3 dB bei e/λ = 0,2. Die Untersuchung einer verkürzten Rahmenantenne aus zwei Halbrahmen wurde bei Frequenzen von 14, 27 und 430 MHz durchgeführt. Bei einer Frequenz von 14 MHz hatte ein quadratischer Rahmen aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von 2 mm einen Umfang e = 0λ, Kapazität 2C = 22 pF, Gütefaktor eines unbelasteten Rahmens Q = 100, Strahlungswiderstand rΣ = 2 Ω, Eingangswiderstand im Strombauch rin = 10 Ω, Effizienz ηA - 0,1 und Bandbreite 0,3 MHz. Um ein Kabel mit einem Wellenwiderstand Pl = 50 Ohm anzuschließen, bestand der kapazitive Spannungsteiler aus den Kondensatoren C = 47 pF und Cn = 510 pF und die Länge des Rahmenleiterabschnitts für T-förmige Anpassung eτ = 160 mm. Die Symmetrierung erfolgte über einen Ferritring und mehrere Windungen eines Koaxialkabels [2]. Die Antenne wurde als Raumempfänger zur Überwachung der Arbeit von Amateurfunkstationen verwendet. In einigen Fällen konnte der Pegel der Störsignale aufgrund der Symmetrie der Antenne, die Gleichtaktstörungen dämpft, und des Vorhandenseins von „Nullen“ im Strahlungsmuster reduziert werden. Für eine Frequenz von 27 MHz wurden mehrere Antennen aus zwei Halbrahmen mit Umfang e = (0,1 ... 0,5) % hergestellt. Ihre Studie ergab Folgendes. Bei der betrachteten Rahmenantenne sinkt der Strahlungswiderstand mit abnehmender Größe sehr stark. Sie hängt vom Quadrat der Fläche (oder der vierten Potenz des Umfangs des kreisförmigen Rahmens) ab. Daher ist bei Rahmenantennen mit einem Umfang e < 0,1 A der Strahlungswiderstand viel geringer als der Verlustwiderstand, und die Antennenbandbreite wird nur durch die Parameter des Antennen-LC-Kreises bestimmt. Für eine Rahmenantenne mit einem Umfang e > 0.2A. Der Strahlungswiderstand gleicht sich dem Verlustwiderstand an, der Qualitätsfaktor beginnt zu sinken und die Antennenbandbreite und -effizienz nehmen zu. Darüber hinaus ist bei der Speisung der Antenne darauf zu achten, dass die zentralen Teile der Vibratoren, also die Gegenknoten des Stroms, frei von Verbindungselementen sind. Daher ist ein kapazitiver Spannungsteiler einer T-förmigen Anpassung vorzuziehen. Die 430-MHz-Rahmenantenne hatte die Maße 36x22 mm und bestand aus versilbertem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Die Kapazitäten 2C bestanden aus Trimmerkondensatoren 1...5 pF. Es wurde eine asymmetrische T-förmige Anpassung verwendet. Das Kabelgeflecht mit Pl = 50 Ω wurde im Abstand von 10 mm mit dem Nullpotentialpunkt – dem Strombauch – und dem Mittelkern verbunden. Die Bandbreite der belasteten Antenne beträgt 4,5 MHz, der Wirkungsgrad beträgt 0,05 ... 0,1. Die betrachtete Rahmenantenne ist symmetrisch, benötigt kein Gegengewicht, hat null Potentialpunkte (was die Verwendung herkömmlicher Stromversorgungsmethoden ermöglicht), kann durch variable Kondensatoren eingestellt werden, ist nicht sehr empfindlich gegenüber der Anwesenheit von dielektrischen und schwach leitenden Objekten in seiner unmittelbaren Umgebung und enthält keine induktiven Anpassungselemente. Für einen gegebenen Umfang hat die kürzeste runde Rahmenantenne, bestehend aus zwei Halbrahmen, die über einen kapazitiven Spannungsteiler mit möglichst geringen Verlusten im Rahmenmaterial und in den Kondensatoren gespeist wird, den höchsten Wirkungsgrad. Literatur
Autor: N. Turkin, St. Petersburg
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