В ряде практических случаев размеры антенны, соизмеримые с длиной волны, недопустимо велики. Поэтому и были разработаны электрически укороченные (малые) антенны. Важно также, чтобы антенна являлась единственным элементом, излучающим или принимающим электромагнитную энергию. Один из вариантов таких антенн, электрически укороченная рамочная антенна. Эксперименты проводились на частотах 14, 27 и 430 МГц.
Рис.1.
Рамочная антенна обладает наилучшими свойствами, когда при данном периметре покрывает наибольшую площадь, т. е. является круглой рамкой. Но для удобства рассмотрения обратимся к квадратной рамке и вертикальной поляризации излучаемых (принимаемых) волн (рис. 1 ,а).
Коэффициент направленного действия (КНД) квадратной рамки с периметром
L = l
(l
— длина волны) в свободном пространстве по сравнению с полуволновым диполем составляет 1,35 дБ при сопротивлении Rå
= 100 Ом [1].
Квадратную рамку с вертикальной поляризацией можно представить состоящей из двух полуволновых вертикальных диполей, нагруженных с концов (емкостная нагрузка) и разнесенных на четверть длины волны.
Излучение вверх и вниз отсутствует, так как токи в горизонтальных проводниках рамки компенсируют друг друга. Распределение тока I и напряжения U вдоль проводника рамки представлено на рис. 1,6.
Точки А и С, пучности тока, являются точками нулевого потенциала. При подключении антенны в разрыв в точке
А один диполь запитывается током, а другой — в точках В и D — противофазными напряжениями. Диаграммы направленности рамки, находящейся в свободном пространстве, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, приведены на рис. 1 в, г и по своей форме близки к диаграмме направленности полуволнового диполя [2].
Рис.2.
Электрическое укорочение рамочной антенны может быть осуществлено увеличением емкостной нагрузки диполей путем включения в пучности напряжения, т. е. в точки В и D, емкостей, что дополнительно изменяет фазу напряжения в этих точках на 180° (рис. 2,а). Назовем эту антенну укороченной рамочной антенной из двух полурамок.
Ток в контуре рамки протекает теперь только в одном направлении (рис. 2,6), т. е. токи в противоположных проводниках рамки оказываются относительно друг друга противоположно направленными.
Это означает, что излучение в направлении, перпендикулярном плоскости рамки, отсутствует, т. е. диаграмма направленности представляет приблизительно круг в вертикальной плоскости и "восьмерку" в горизонтальной (рис. 2,в, г). Если считать аналогом данной антенны два полуволновых диполя с противоположно направленными равными токами, то КНД в горизонтальной плоскости относительно круговой диаграммы направленности составляет 3,8 дБ [1].
Таким образом, данная антенна по своим свойствам приближается к магнитной антенне — антенне с постоянным распределением тока вдоль контура рамки, и излучающей преимущественно магнитную составляющую электромагнитного поля в ближней зоне.
Рис.3.
Рассматриваемая антенна имеет четыре точки нулевого потенциала: А, С — пучности тока и В, D — середины расстояний между обкладками конденсаторов — узлы напряжений. Соответственно запитывать антенну можно вблизи этих точек. Проще всего применить Т-образное согласование при питании в пучности тока (рис. 3,а) [2] либо емкостный делитель напряжения при подключении в узле напряжения (рис. 3,б
) [1].
Ориентировочно параметры подключающей цепи можно определить из следующих соображений. Первоначально рамка выбранного периметра
L < l
, настраивается в резонанс на рабочую частоту f с помощью двух одинаковых конденсаторов емкостью 2С и измеряется добротность ненагруженной рамки Q.
Волновое сопротивление рамочной антенны как LC-контура r
А =1 /(2p
fС). Коэффициент включения линии питания с волновым сопротивлением r
л в антенный контур, исходя из условия, что при согласовании добротность контура уменьшается в два раза, k = (r
АQ/r
л)1
/
2
. Расстояние между точками подключения Т-образного согласования Lт = L/k.
Элементы емкостного делителя Cн = kC, C' = 4C-k/(k — 2). Если подключить линию питания в разрыв рамки в точке А, то входное сопротивление Rвх = r
A/Q. Сопротивление излучения рамки [3] Rå
= 80p
І(2p
Sp/l
²)², где Sp — площадь рамки, или для круглой рамки Rå
= 20p
І(L/l
)²+².
Рис.4.
Известен еще один вариант электрически укороченной рамочной антенны — полуволновый диполь с емкостной нагрузкой, свернутый в рамку (рис. 4,а). Для реализации этой антенны периметр рамки должен быть меньше половины длины волны. Точки нулевого потенциала — точка А и середина расстояния между обкладками конденсатора С (рис. 4,6). Диаграмма направленности приблизительно совпадает с диаграммой направленности рамочной антенны из двух полурамок. Подключение линии питания производится вблизи точек нулевого потенциала, как это делается в рамочной антенне с двумя полурамками.
Укороченная рамочная антенна из двух полурамок характеризуется более равномерным распределением амплитуды тока вдоль проводника рамки по сравнению с рамочной антенной с непрерывной рамкой, поэтому при одинаковых периметрах обладает большим сопротивлением излучения Rå
и, как следствие, большей эффективностью h
А (коэффициентом полезного действия). Выигрыш по данным измерений достигает 3 дБ при L/l
, = 0,2.
Исследование укороченной рамочной антенны из двух полурамок производилось на частотах 14, 27 и 430 МГц.
Для частоты 14 МГц квадратная рамка из медного провода диаметром 2 мм имела периметр l
= 0,3l, емкости 2С = 22 пФ, добротность ненагруженной рамки Q = 100, сопротивление излучения Rå
= 2 Ом, входное сопротивление в пучности тока Rвх = 10 Ом, эффективность h
А = 0,1 и полосу пропускания 0,3 МГц. Для подключения кабеля с волновым сопротивлением Рл = 50 Ом емкостный делитель напряжения состоял из конденсаторов С' = 47пФиСн = 510пФ, а длина отрезка проводника рамки для Т-образного согласования Lт = 160 мм. Симметрирование осуществлялось с помощью ферритового кольца и нескольких витков коаксиального кабеля [2]. Антенна применялась как комнатная приемная для наблюдения за работой любительских радиостанций. В ряде случаев удавалось уменьшить уровень мешающих сигналов вследствие симметрии антенны, ослабляющей синфазные помехи, и наличия "нулей" на диаграмме направленности.
Для частоты 27 МГц было изготовлено несколько антенн из двух полурамок с периметрами L
= (0,1...0,5)l
. Их исследование дало следующее. У рассматриваемой рамочной антенны сопротивление излучения очень сильно падает при уменьшении размеров. Оно зависит в квадрате от площади (или в четвертой степени от периметра круглой рамки). Поэтому для рамочных антенн с периметром L < 0,1 l
сопротивление излучения значительно меньше сопротивления потерь, и полоса пропускания антенны определяется только параметрами антенного LC-контура. Для рамочной антенны с периметром f > 0,2l
сопротивление излучения становится соизмеримо с сопротивлением потерь, добротность начинает падать, а полоса пропускания антенны и эффективность — расти. Кроме того, желательно при запитывании антенны стремиться к тому, чтобы центральные части вибраторов, т. е. пучности тока, были свободны от подключающих элементов. Поэтому емкостный делитель напряжения предпочтительнее Т-образного согласования.
Рамочная антенна для частоты 430 МГц имела размеры 36x22 мм и была изготовлена из посеребренного медного провода диаметром 1,5 мм. Емкости 2С состояли из подстроечных конденсаторов 1...5 пФ. Применялось несимметричное Т-образное согласование. Оплетка кабеля с r
л = 50 Ом подключалась к точке нулевого потенциала — пучности тока, а центральная жила — на расстоянии 10 мм от нее. Полоса пропускания нагруженной антенны — 4,5 МГц, эффективность—0,05...0,1.
Рассматриваемая рамочная антенна является симметричной, не требует противовеса, имеет точки нулевого потенциала (что позволяет применять общепринятые способы питания), может подстраиваться конденсаторами переменной емкости, мало чувствительна к наличию в непосредственной близости от нее диэлектрических и слабо проводящих предметов, не содержит индуктивных согласующих элементов. При заданном периметре наибольшей эффективностью обладает укороченная круглая рамочная антенна, состоящая из двух полурамок, запитанная через емкостный делитель напряжения при минимально возможных потерях в материале рамки и конденсаторах.
Н. Туркин
Литература
:
1. Devoidere John. Low-Band DXing. American Radio Relay League, Inc. — 1987, p. 266.
2. Григоров И. Практические конструкции антенн. — М.: ДМК, 2000, 352 с. ил.
3. Гречихин Л. Электрически малые антенны: возможности и заблуждения. — Радио, 1992, № 11, с. 8—10.
