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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ringantennen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennen. Theorie Die aktuelle Aufgabe der Antennentechnik ist die Schaffung effizienter elektrischer Kleinantennen. Sie werden sowohl für tragbare und mobile Funkstationen im HF-, VHF- und Mikrowellenbereich als auch für stationäre Langwellenfunkanlagen unter beengten Platzverhältnissen benötigt. Dieser Artikel stellt den Lesern eine der interessanten Möglichkeiten zur Lösung dieses Problems vor. Die Abmessungen einer elektrisch kleinen Antenne sind per Definition viel kleiner als die Wellenlänge λ im freien Raum. Das Problem beim Entwurf solcher Antennen besteht darin, dass mit abnehmender Größe des Strahlungssystems die Strahlungseffizienz schnell abnimmt. Bei der Anpassung nichtresonanter Antennen an Quellen (Empfänger) treten Schwierigkeiten auf. Es ist möglich, die physikalischen Abmessungen der Antenne zu reduzieren und gleichzeitig die elektrischen (Wellen-)Abmessungen beizubehalten, indem gerade Leiter durch spiralförmig gebogene Leiter ersetzt werden (Abb. 1).
Solche Strukturen werden verlangsamende Strukturen genannt. Die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung entlang der Spiralachse ist geringer als die Lichtgeschwindigkeit, daher ist die Wellenlänge λs in einer solchen Struktur bei derselben Frequenz kleiner als λ. Die physikalische Länge der Resonanzantenne kann auf diese Weise um das Zehnfache reduziert werden. Spiralförmige transversale (senkrechte zur Achse) Strahlungsantennen werden häufig in tragbaren und stationären Funkgeräten verwendet. Wird der Linearvibrator zu einem geschlossenen Ring gerollt, entsteht ein Rahmen (Abb. 2a). Die Verteilung des elektrischen Stroms 1e in einem elektrisch kleinen Rahmen kann als gleichmäßig angesehen werden, sodass er gleichmäßig in alle azimutalen Richtungen strahlt, jedoch nur mit horizontaler Polarisation (Abb. 2,6), wie ein elementarer vertikaler Magnetvibrator. Wenn die Stromverteilung ungleichmäßig ist, ist das Diagramm nicht so symmetrisch. Wenn die Länge des Rahmenumfangs ein Vielfaches einer ganzzahligen Anzahl von Halbwellen ist, sind in einer solchen Antenne Resonanzen möglich. Bei einer quadratischen Antenne werden also zwei Halbwellen auf ihrem Umfang platziert.
Bei mittleren, langen und ultralangen Wellen wird aufgrund ihrer Ausbreitungseigenschaften die vertikale Polarisation bevorzugt. Hier ist das Problem der Reduzierung der vertikalen Abmessungen von Antennen besonders akut. Versuchen wir uns einen Amateur-Viertelwellen-Vertikalvibrator mit einer Reichweite von 136 kHz und einer Höhe von etwa 550 m vorzustellen! Es ist jedoch keineswegs notwendig, elektrischen Strom als Strahlungsquelle zu verwenden. Wenn gemäß dem Prinzip der kommutativen Dualität der gleichmäßig verteilte elektrische Ringstrom (Abb. 2a) durch einen magnetischen Strom IM ersetzt wird (da es in der Natur keine magnetischen Ladungen gibt, handelt es sich um einen fiktiven magnetischen Strom, dessen Dichte beträgt proportional zur Änderungsrate der magnetischen Induktion), dann tauschen in der Feldstrahlung die Vektoren der elektrischen und magnetischen Komponenten ihre Plätze. Wir erhalten eine Quelle, deren Strahlungsmuster einem elementaren elektrischen Vibrator entspricht, in unserem Fall vertikal (Abb. 3).
Ein ringförmiger magnetischer Strom kann in einer Toroidal Helical Antenna (THA) erzeugt werden, die durch Falten einer linearen Helix zu einem geschlossenen Ring gebildet wird. Die Form der Spiralspule kann beliebig sein (Kreis, Rechteck usw.). In Abb. Abbildung 4 zeigt eine Skizze eines Ringkerns mit quadratischem Querschnitt und die Größenbezeichnungen sind angegeben.
In Abb. Abbildung 5a zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Ringantenne mit 7 Windungen. In einem solchen System sind Resonanzen auch dann möglich, wenn eine ganze Zahl von Halbwellen des magnetischen Stroms entlang der Achse des Toroids passt. In einer Spirale ist die Wellenlänge jedoch kürzer, sodass ein resonanter TNA deutlich kleinere Abmessungen haben kann als ein resonanter Rahmen aus einem linearen Draht. In Abb. In Abb. 5,b,c,d sind die räumlichen Richtungsmuster (DP) des TNA sowohl für einzelne Komponenten des elektrischen Feldes Eθ, Eφ als auch für das Gesamtfeld EΣ angegeben. Ein Merkmal resonanter TNAs mit einer Spiralwicklung ist, dass in Es gibt zusätzlich zur Erzeugung einer toroidalen Magnetfeldwirbelkomponente des elektrischen Stroms der Spirale immer eine toroidale Komponente (entlang der Achse des Toroids), wodurch das Strahlungsfeld nicht nur das vertikale Eθ enthält, sondern auch eine signifikante horizontale Eφ-Komponente des elektrischen Feldes.
Um den toroidalen Anteil des elektrischen Stroms zu kompensieren, werden zwei identische Wicklungen hergestellt, in unterschiedliche Richtungen (links und rechts) gewickelt und gegenphasig eingeschaltet (Abb. 6a).
Wo sich die Wicklungen kreuzen, sind sie nicht verbunden. Wir erhielten eine toroidale Wendelantenne mit gegenläufigen Wendelwicklungen (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Die Magnetfelder beider Wicklungen im Ringkernhohlraum addieren sich. In den Diagrammen in Abb. In den Abbildungen 6b und 3 ist deutlich zu erkennen, dass der Anteil der Eθ-Komponente im Strahlungsfeld deutlich zugenommen hat, die Minima des Gesamtdiagramms entlang der y-Achse sind weniger tief geworden, aber auch hier haben wir nicht das Gesamtdiagramm erhalten, wie in Abb. XNUMX. Dies wird durch die Tatsache erklärt, dass das Magnetfeld im Hohlraum des Toroids nicht gleichmäßig entlang der Achse verteilt ist, sondern entsprechend der Verteilung der Amplituden der stehenden Stromwelle. Wir werden im Folgenden zeigen, wie man dieses Hindernis überwinden kann, doch nun betrachten wir einige interessante Eigenschaften der bereits beschriebenen Antennen. In Abb. Abbildung 7 zeigt die berechneten Frequenzabhängigkeiten der aktiven (R) und reaktiven (X) Komponenten der Eingangsimpedanz des TNA bei a = 0,6 m, h = 0,8 m und N = 7. Charakteristisch ist der Wechsel gerader „Reihen“ und seltsame „parallele“ Resonanzen (ähnlich Resonanzen in Reihen- und Parallelschwingkreisen).
Zum Vergleich zeigt die Tabelle die berechneten Werte der Resonanzfrequenzen (in Megahertz) und Resonanzwiderstände (in Kilo-Ohm) für diese Antenne (TNA) und für die STNA-Antenne mit den gleichen Parametern. Die Art des Resonanzwechsels im STNA ist die gleiche wie im TNA, allerdings sind bei gleichen Parametern die Resonanzfrequenzen des STNA niedriger; Dies kann durch den Einfluss der Kapazität zwischen den Wicklungen erklärt werden. Beachten Sie, dass beide Antennen kein striktes Vielfaches der Resonanzfrequenzen haben. Die Hauptparameter von Toroidantennen sind die Abmessungen und die Anzahl der Windungen N. Für die Berechnungen und Modellierung haben wir eine Querschnittsform in Form eines Quadrats mit der Seite h gewählt. Wenn wir den Einfluss der Umgebung innerhalb und außerhalb des Toroids vernachlässigen, können wir anhand der Frequenz der 1. Resonanz (MHz) und des Radius a (m) die Größe h (m) der oben diskutierten Antennen anhand von berechnen Formeln: für TN:
für STNA:
Die Formeln wurden mithilfe einer Regressionsanalyse basierend auf den Ergebnissen der Computermodellierung für einen Drahtdurchmesser von 1,3 mm mit den Abmessungen 0,6 m ≤ a ≤ 4 m, 0,5 m ≤ h ≤ 4 m, mit 0,3 ≤ h / a ≤ 1,3 und erhalten Frequenzbereich 0,7 MHz < f1 < 23 MHz. Der quadratische Mittelfehler beträgt unter den angegebenen Bedingungen etwa 0,03 m. Eine Skalenumrechnung ist auch für andere Frequenzen möglich (alle Abmessungen ändern sich proportional zur Änderung der Wellenlänge). Ein interessantes Merkmal von STNA ist die Fähigkeit, (nur für bestimmte Parameterkombinationen) ein nahezu isotropes Strahlungsmuster zu erhalten (Abb. 8). Dieses Muster wurde insbesondere bei einer Frequenz von 70 MHz für eine Antenne mit den Parametern N erhalten = 5, a = 0,2 m und h = 0,27 m unter Freiraumbedingungen.
In Abb. Abbildung 9 zeigt die vergleichenden Abhängigkeiten der Effizienz von TNA und STNA von der Frequenz. In der Regel nimmt der Wirkungsgrad mit abnehmenden Hauptabmessungen der Antenne und zunehmender Windungszahl rapide ab. Die höchste Effizienz des TNA liegt im Bereich zwischen der 2. und 3. Resonanz, beim STNA – bei der 3. und 5. Resonanz, und seine Maximalwerte sind niedriger als die des TNA. Antennen beider Typen zeichnen sich durch tiefe Effizienzminima bei allen gleichmäßigen Resonanzen über der Sekunde aus. Dies ist auf die für eine effektive Abstrahlung ungünstige Stromverteilung in den Wicklungen zurückzuführen.
Elektrisch kleine Antennen haben im Allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad und reagieren daher sehr empfindlich auf den Antennenspeiseeffekt. Sinnvoll ist der Einsatz bei bewegten Objekten mit sehr kurzem Feeder oder auch ohne. Die Elliptizität der Polarisation von Ringantennen ist beispielsweise nützlich, um eine unterbrechungsfreie Kommunikation in mobilen Systemen sicherzustellen, insbesondere für den stabilen Empfang von UKW-UKW-Rundfunkprogrammen. In Abb. Abbildung 10 zeigt die Platzierung des STNA mit den Merkmalen gemäß Abbildung. 8 auf dem Dach des Autos und zeigt das Strahlungsmuster unter Berücksichtigung des Einflusses der Karosserie und des Bodens.
Historisch gesehen war die Entwicklung von Toroidantennen mit dem Wunsch verbunden, die vertikale Größe eines Strahlungssystems mit vertikaler Polarisation und kreisförmigem Muster zu reduzieren. Wie bereits erwähnt, ist es bei einer herkömmlichen STNA-Antenne mit einer Anregungsquelle nicht möglich, eine gleichmäßige Verteilung des Magnetstroms entlang der Toroidachse zu erreichen. In Abb. In Abb. 11a sind die Schnittpunkte der Windungen der linken und rechten Wicklung auf der gesamten Außenfläche des Toroids in erweiterter Form dargestellt, und in Abb. 12 (Kurve 1) – Verteilung der magnetischen Feldstärke entlang der Toroidachse für einen herkömmlichen 8-Windungs-STNA bei f3 = 27 MHz. Aufgrund der ungleichmäßigen Feldverteilung ähneln die Strahlungsdiagramme einer solchen Antenne denen in Abb. 6.
Eine Möglichkeit, eine nahezu gleichmäßige Verteilung des Magnetstroms zu erreichen, besteht darin, die Wicklungen in Abschnitte zu unterteilen, in denen sich die Richtungen (links und rechts) beider Wicklungen jeweils in die entgegengesetzte Richtung zu den benachbarten ändern (Abb. 11,6). An Stellen, an denen die Wicklungen in Abschnitte unterteilt sind, werden Klemmen zum Anschluss zusätzlicher Erregerquellen installiert. In diesem Fall müssen Sie statt einer vier identische Gleichtaktquellen anschließen. Die Verteilung des magnetischen Stroms ergibt sich in diesem Fall (Abb. 12,6) ohne Vorzeichenwechsel, allerdings mit leichten Welligkeiten. Diese Lösung ermöglichte es, über ein breites Frequenzband ein Muster zu erhalten, das sich nicht von dem in Abb. gezeigten unterscheidet. 3. Die berechnete Effizienz des geteilten STNA erwies sich in diesem Fall bei einer Frequenz von 36 MHz als etwa doppelt so hoch wie die des nicht-sektionalen STNA (59 % gegenüber 29 %). Abschließend stellen wir die wichtigsten Vor- und Nachteile der betrachteten Antennen und die Möglichkeiten ihrer Anwendung fest. Allgemeine Vorteile sind eine Verringerung der vertikalen Größe der Antennen (aufgrund einer Vergrößerung der horizontalen Abmessungen!), keine Anforderungen an Gegengewichte und Erdung. Im Wesentlichen ist der TNA ein Rahmen aus einem Spiralleiter, der es ermöglicht, die physikalischen Abmessungen der Resonanzantenne zu reduzieren. Eine solche Antenne ist interessant, weil sie eine elliptische Polarisation aufweist und die Abhängigkeit des Musters von Form, Umgebung und Verbindungsasymmetrie eine breite und vielfältige Verwendung solcher Antennen in Kommunikations-, Rundfunk-, Telemetrie- und anderen tragbaren Funkgeräten ermöglicht. Das Vorhandensein einer zweiten, gegenläufigen Wicklung im STNA führt im Allgemeinen zu einer Verschlechterung der Strahlungsbedingungen und damit zu einer geringeren Effizienz. Diese Antennen weisen jedoch eine bessere Polarisationselliptizität auf, was für mobile Kommunikationssysteme unter Mehrwegebedingungen wichtig ist. Das isotrope Muster eines nicht-sektionalen STNA selbst ist aufgrund des starken Einflusses der Umgebung in der Praxis kaum realisierbar, die Eingangsimpedanz des STNA wird jedoch durch umgebende Objekte (und insbesondere leitfähige Oberflächen) nur schwach beeinflusst. Nicht-sektionale STNA kann in tragbaren Geräten für die Funkkommunikation auf niedriger Ebene und persönliche Funkanrufe sowie in nGPS-Mobilfunkkommunikationssystemen Anwendung finden. Der Hauptanwendungsbereich von Toroidantennen, äquivalent zu einem Vertikalvibrator (mit vertikaler Polarisation und gleichmäßigem Muster in der horizontalen Ebene), sind relativ lange Wellen, für die die Leitfähigkeit der Erde (oder des Wassers) recht hoch ist. Nachteile von STNA – komplexe Fertigungstechnologie. Bei der Aufteilung von Antennen entsteht zusätzlicher Aufwand durch den Anschluss mehrerer Steckdosen. Allgemeine Nachteile: Wenn die Größe verringert wird, nimmt die Effizienz der Antenne stark ab, und wenn versucht wird, sie zu verbessern (durch Erhöhung der Dicke und Auswahl des Drahtmaterials, Verbesserung der Qualität der Dielektrika), verringert sich die Bandbreite. Anpassungsprobleme bei der Abstimmung von einer Frequenz auf eine andere erschweren den Einsatz von Ringantennen im Frequenzbereich. Der interessierte Leser kann auf die Patentliteratur [1-4] und die Ergebnisse von Studien unter Beteiligung des Autors [5, 6] zurückgreifen. In [7] wurden mehrere neue Methoden zur Herstellung eines vertikal polarisierten Emitters auf Basis toroidaler Strukturen vorgeschlagen. In [8] wird ein universeller Algorithmus zur Synthese von Antennen aus Segmenten mit elektrischen und magnetischen Strömen vorgeschlagen. Literatur
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ)
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