Równoważność anten elektrycznych i magnetycznych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Anteny. Teoria

Komentarze do artykułu

Artykuł poruszający wybrane zagadnienia elektrodynamiki ma charakter nie tylko teoretyczny, ale prowadzi do ważnych wniosków praktycznych, które mogą być przydatne przy projektowaniu i obliczaniu anten na fale długie i średnie, a także w zrozumieniu cech ich charakterystyk. operacja.

Nawet twórca elektrodynamiki i radiotechniki Heinrich Hertz, eksperymentując z różnymi antenami odbiorczymi pod koniec XIX wieku, stosował krótki wibrator dzielony z obciążeniem pojemnościowym na końcach w postaci kulek lub dysków (antena elektryczna) i pierścień z drutu (antena magnetyczna), pokazany na ryc. 1,a i rys. 1, ur. Wskaźnikiem pola była bardzo mała przerwa bitowa pomiędzy zaciskami anteny X-X.

W teorii anten szeroko stosowane są pojęcia elementarnego dipola elektrycznego (dipol Hertza) i elementarnego dipola magnetycznego - pierścienia z prądem. Obie anteny elementarne są małe w porównaniu z długością fali. Wraz z rozwojem teorii sformułowano zasadę dualności, wynikającą z zależności pól elektrycznych i magnetycznych. Za jego pomocą A. Pistolkors w 1944 roku wskazał na analogię pomiędzy anteną wibracyjną a anteną szczelinową [1].

Na Dalekim Wschodzie anteny elektryczne wykonywane są w postaci przewodów pionowych lub masztu z obciążeniem pojemnościowym u góry w postaci poziomego przewodu lub sieci przewodów. Ziemia na Dalekim Wschodzie jest dobrym przewodnikiem i wokół niej mogą rozchodzić się tylko fale spolaryzowane pionowo. Dlatego tylko połowa dipola Hertza zwykle unosi się nad ziemią (ryc. 1, c), druga połowa to jego lustrzane odbicie w ziemi (pokazane liniami przerywanymi). Takie anteny wymagają bardzo dobrego uziemienia.

Anteny magnetyczne wykonywane są w postaci małych ramek lub bardzo małych cewek na pręcie ferrytowym. Anteny magnetyczne nie wymagają uziemienia i charakteryzują się wyższą odpornością na zakłócenia. Jednakże wydajność popularnych anten magnetycznych jest bardzo niska, dlatego nie nadają się one jako nadajniki. Ale anteny magnetyczne nie zawsze były małe - na początku lat 20. ubiegłego wieku w ośrodkach odbiorczych stosowano anteny pętlowe DV o średnicy do 20 m! Zainteresowanie dużymi antenami pętlowymi utrzymuje się do dziś, wynika to z chęci uzyskania maksymalnego sygnału z anteny, np. dla odbiornika detektora [3].

Powstaje zatem pytanie, która antena jest skuteczniejsza, elektryczna czy z dużą pętlą magnetyczną? A czy w tym przypadku obowiązuje zasada dualności? Nie można powiedzieć, że kwestia ta została podniesiona po raz pierwszy – została rozstrzygnięta już w latach 20. ubiegłego wieku, oczywiście na poziomie ówczesnej wiedzy i idei [4]. Odpowiedź uzyskano w oparciu o koncepcję efektywnej wysokości anteny - okazała się ona znacznie większa w przypadku anteny elektrycznej i była preferowana.

Na Dalekim Wschodzie radioamatorzy nie są w stanie zbudować pełnowymiarowej anteny proporcjonalnej do długości fali. Dlatego rozważymy tylko małe anteny używane jako anteny odbiorcze. Anteny umieścimy blisko powierzchni przewodzącej ziemi (ryc. 2).

Po lewej stronie (rys. 2a) pokazano wektory fali elektromagnetycznej docierającej ze stacji radiowej: natężenie pola elektrycznego E (polaryzacja pionowa), natężenie pola magnetycznego H oraz gęstość strumienia energii P. Z równań Maxwella dla fal w wolnej przestrzeni wynika, że wynika z tego, że P = E N, lub tylko dla modułów (wartości bezwzględne) P = E - N = E2/120π.

Na ryc. Rysunek 2b przedstawia antenę elektryczną w kształcie litery L w postaci pionowego spadku o wysokości h, obciążonego poziomym drutem o długości L. Dla uproszczenia obliczeń wstawmy L >> h, wtedy prawie cała pojemność anteny zostanie skoncentrowana pomiędzy poziomym drutem a ziemią. Prąd w dowolnym odcinku przewodu pionowego będzie taki sam, a efektywna wysokość anteny elektrycznej hde = h.

Należy zaznaczyć, że redukcję pionową z zaciskami X-X można podłączyć w dowolnym innym miejscu przewodu poziomego, np. pośrodku, uzyskując antenę w kształcie litery T. Nie będzie to miało żadnego wpływu na wyniki naszej analizy. Ponadto uziemienie można zastąpić przeciwwagą - kawałkiem drutu o długości L ułożonym wzdłuż ziemi (linia przerywana na ryc. 2, b). Silne połączenie pojemnościowe przeciwwagi z masą zapewni niemal zwarcie dla prądów o wysokiej częstotliwości.

Antena magnetyczna (rys. 2c) zostanie wykonana w postaci prostokątnej ramy jednozwojowej o tych samych wymiarach. Dolny drut ramy przejdzie bezpośrednio do powierzchni ziemi, więc jego indukcyjność będzie bardzo mała w porównaniu z indukcyjnością górnego. Należy pamiętać, że dolny przewód można zastąpić dwoma masami, ale ich rezystancja strat w rzeczywistości będzie większa niż rezystancja drutu. Efektywna wysokość anteny magnetycznej będzie wynosić hdm = 2πS/λ = kS, gdzie S jest polem ramki; k = 2π/λ.

Łatwo jest wyprowadzić ten wzór: po pionowych bokach ramy indukowany jest emf równy Eh, a po dalszej (prawej) stronie ramy emf jest opóźniony w fazie o mały kąt kL. Siła emf na zaciskach X-X będzie wynosić EhkL. Ponieważ S = hL. otrzymujemy hdm = kS. Biorąc pod uwagę, że L<<λ, staje się jasne, że rzeczywista wysokość ramy hdm jest znacznie mniejsza niż hde. Dla obu anten pole elektromagnetyczne powstające na zaciskach X-X wynosi Ehd, dlatego w [4] preferowano anteny elektryczne, ponieważ wytwarzają one duże pole elektromagnetyczne.

Ale skuteczność anten należy oceniać nie na podstawie pola elektromagnetycznego (w końcu można go zwiększyć za pomocą konwencjonalnego transformatora), ale na podstawie mocy sygnału odbieranego z anteny przy danym natężeniu pola. Maksymalna moc jest usuwana, gdy obciążenie jest dopasowane do źródła sygnału (anteny). Koordynacja polega z kolei na tym, aby reaktancja obciążenia była równa wartości bezwzględnej, ale odwrotnie znakowa do reaktancji źródła, a ich rezystancje czynne były po prostu równe.

Pierwszą część warunku dopasowania (kompensację reaktancji) można spełnić łącząc reaktancję -jX szeregowo z obciążeniem r, jak pokazano na rys. 3. W przypadku anteny elektrycznej będzie to indukcyjność kompensująca pojemność anteny, a w przypadku anteny magnetycznej będzie to pojemność kompensująca indukcyjność ramy. Taka kompensacja oznacza w rzeczywistości dostrojenie anteny do rezonansu na częstotliwości odbieranej stacji radiowej. Obwody zastępcze obwodów oscylacyjnych utworzonych przez anteny elektryczne i magnetyczne pokazano odpowiednio na rys. 4. 4a i rys. XNUMX, ur.

Nie będziemy w stanie spełnić drugiej części warunku dopasowania - równości aktywnych rezystancji źródła i obciążenia. Faktem jest, że rezystancja czynna idealnej (bezstratnej) anteny to jej odporność na promieniowanie. W przypadku naszych anten jest on bardzo mały ze względu na ich mały rozmiar, więc nawet nie będziemy podawać wzorów. Jeśli wybierzesz tę samą niską rezystancję obciążenia, współczynnik jakości obwodu (ryc. 4) będzie zbyt wysoki, a szerokość pasma będzie zbyt wąska dla sygnału stacji nadawczej.

Będziemy musieli wybrać rezystancję obciążenia r w oparciu o wymagany współczynnik jakości obwodu Q. Na przykład, jeśli mamy odbierać stację radiową Mayak na częstotliwości 198 kHz, wówczas współczynnik jakości obwodu nie powinien wynosić więcej niż 20, aby zapewnić szerokość pasma około 10 kHz. Współczynnik jakości wyznaczy wartość rezystancji czynnej obciążenia r = X/Q, a małą rezystancję czynną anteny można teraz pominąć. Praktycznie niewygodne jest podłączanie szeregowo małego rezystora obciążenia do obwodu anteny, znacznie lepiej jest podłączyć go równolegle do obwodu, jak pokazano na ryc. 4,c i rys. 4, gł. Opór równoległy R będzie wynosić XQ, a wzór na konwersję wygląda następująco: R = X2/r.

Moc wytworzona przez antenę w tak wybranym oporze obciążenia będzie wynosić P = (Ehd)2/r, a r jest określone przez reaktancję anteny X i współczynnik jakości Q. Zatem teraz musimy obliczyć reaktancja obu anten: Xe = 1 /ωSant - dla elektrycznej i Xm =ωLant - dla magnetycznej. Biorąc pod uwagę nasze założenie L>> h, najłatwiej jest skorzystać ze wzorów na otwarcie i zamknięcie na końcu długich linii: Xe = W·ctgL = W/tgkL i Хм = W · tgkL. Ze względu na małą wartość kL styczne można zastąpić ich argumentami, wówczas Xe = W/kL i Xm = WkL.

Impedancję charakterystyczną linii W= (L/C)1/2 obliczamy ze wzoru (uwzględniając uziemienie przewodzące) W = 60 ln(h/d), gdzie logarytm naturalny jest brany ze stosunku odległość drutu od ziemi h do średnicy drutu d.

Z podanych wzorów obliczamy moc jaką daje antena elektryczna: P = (Ehde)2 Q/Xe = E2Qkh2L/W. Zróbmy to samo dla anteny magnetycznej: P = (Ehdm)2 Q/Xm, = E2Qkh2L/W. Rezultatem jest ten sam wzór, który dowodzi jednakowej wydajności małych anten elektrycznych i magnetycznych. W wybranych przez nas warunkach zapewniają taką samą moc przy tym samym rozmiarze. Logiczne jest założenie, że wzór ma bardziej ogólny charakter i zasada dualności zawsze się sprawdza.

Zobaczmy teraz, czy wskazane jest stosowanie ram wieloobrotowych. Nawijając N zwojów o tych samych wymiarach, otrzymamy N razy większy emf, ale reaktancja X wzrośnie o N2 razy, ponieważ indukcyjność jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów. Rezystancję obciążenia trzeba będzie zwiększyć o tę samą wartość, zachowując ten sam współczynnik jakości Q. W rezultacie moc dostarczana przez antenę nie ulegnie zmianie. Zatem zastosowanie ramy wieloobrotowej jest jedynie sposobem na przekształcenie oporów, a nie sposobem na zwiększenie wydajności.

Otrzymany wzór na moc dostarczaną przez antenę zasługuje na bardziej szczegółową analizę. Po pierwsze, moc P jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola E, czyli gęstości strumienia energii. Wynik ten uzyskano już w [5] dla idealnej anteny bezstratnej przy dopasowywaniu obciążenia do jego rezystancji radiacyjnej. Przypomnijmy wyprowadzony tam wzór: Po = E2λ2/6400. Teraz mamy to za niedopasowaną antenę.

Zależność od długości fali λ jest teraz inna, λ jest w mianowniku, wchodząc do wzoru poprzez liczbę falową k, jednak jeśli wyrazimy wymiary anteny w długościach fal, wówczas przywrócona zostanie poprzednia zależność od długości fali. Zatem, jeśli wymiary anteny h i L są stałe (w metrach), wówczas bardziej opłacalne jest stosowanie krótszych fal. Jeśli ustalimy wymiary anteny w długościach fal, czyli zmienimy antenę proporcjonalnie do λ, wówczas bardziej opłacalne będą anteny długie i bardzo długie.

Aby uzyskać maksymalną moc z anteny, wskazane jest:

- zmniejszyć impedancję charakterystyczną anteny W, co w praktyce osiąga się poprzez zwiększenie pojemności i zmniejszenie indukcyjności anteny poprzez połączenie kilku równoległych i rozmieszczonych przestrzennie przewodów;

- zwiększyć współczynnik jakości systemu antenowego Q, dobierając odpowiednie obciążenie i zmniejszając straty w ziemi, izolatorach i przewodnikach;

- zwiększ głośność zajmowaną przez pole anteny.

Ostatni punkt wymaga wyjaśnienia. Na ryc. Rysunek 5 przedstawia konfigurację linii energetycznych zarówno pola elektrycznego (linie ciągłe), jak i pola magnetycznego anteny (linie przerywane). Antenę pokazano od końca i widać, że szerokość przestrzeni, w której linie pola są najgęstsze, jest rzędu h. Dlatego iloczyn h2L jest objętością, w której dominują pola antenowe. Zwiększenie tej objętości jest korzystne.

Aby zilustrować wszystko, co zostało powiedziane, przedstawiamy praktyczne przybliżone obliczenia anten elektrycznych i magnetycznych zgodnie z ryc. 2, b i c. Wysokość anteny h = 10 m i długość L = 30 m. Długość fali λ = 1500 m, współczynnik jakości obwodu antenowego Q = 20. Przy natężeniu pola E = 0,1 V/m moc pobierana z obu anten będzie wynosić około 5 mW, co jest w zupełności wystarczające do odbioru sygnału przez detektor głośnomówiący. Jednocześnie warunki dopasowania i obciążenia anten będą zupełnie inne.

Impedancja charakterystyczna linii utworzonej przez poziomy drut anteny nad ziemią o średnicy drutu 1 mm będzie wynosić W = 60 In104 = 550 Ohm i kL = 0,125. Daje to He = 550/0,125 = 4,4 kOhm i Xm = 550 · 0,125 = 70 Ohm. Reaktancja cewki kompensacyjnej dla anteny elektrycznej (indukcyjność L wynosi około 3 mH) i kondensatora kompensacyjnego dla anteny magnetycznej (pojemność około 10 000 pF) powinny być takie same. Odpowiednio rezystancja obwodu anteny w rezonansie będzie wynosić (należy pomnożyć przez współczynnik jakości) 88 i 1,4 kOhm. To właśnie rezystancja obciążenia R lub rezystancja wejściowa detektora powinna obciążać obwód. W przypadku anteny elektrycznej nie można obejść się bez dopasowania elementów [6]. Z anteną magnetyczną jest łatwiej – czujnik o małej rezystancji wejściowej można podłączyć bezpośrednio do kondensatora C.

literatura

1. Belotserkovsky G. B. Anteny. - M.: Oborongiz, 1956.
2. Polyakov V. Anteny odbiorcze radiowe. - Radio, 1998, nr 2. s. 60.
3. Besedin V. Kolejny ... - Radioamator, 1994, nr 6, s. 34, 35.
4. Slepyan L. Obliczanie ramek odbiorczych. - Radioamatorskie (Radio), 1925, nr 10, s. 224-225. XNUMX, XNUMX.
5. Polyakov V. O zasilaniu odbiorników radiowych „darmową energią”. - Radio, 1997, nr 1, s. 22, 23.
6. Polyakov V. Ulepszenie odbiornika detektora. - Radio, 2001, nr 1, s. 52, 53.

Autor: V.Polyakov, Moskwa

Zobacz inne artykuły Sekcja Anteny. Teoria.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi 05.05.2024

Współczesny świat nauki i technologii rozwija się dynamicznie i każdego dnia pojawiają się nowe metody i technologie, które otwierają przed nami nowe perspektywy w różnych dziedzinach. Jedną z takich innowacji jest opracowanie przez niemieckich naukowców nowego sposobu sterowania sygnałami optycznymi, co może doprowadzić do znacznego postępu w dziedzinie fotoniki. Niedawne badania pozwoliły niemieckim naukowcom stworzyć przestrajalną płytkę falową wewnątrz falowodu ze stopionej krzemionki. Metoda ta, bazująca na zastosowaniu warstwy ciekłokrystalicznej, pozwala na efektywną zmianę polaryzacji światła przechodzącego przez falowód. Ten przełom technologiczny otwiera nowe perspektywy rozwoju kompaktowych i wydajnych urządzeń fotonicznych zdolnych do przetwarzania dużych ilości danych. Elektrooptyczna kontrola polaryzacji zapewniona dzięki nowej metodzie może stanowić podstawę dla nowej klasy zintegrowanych urządzeń fotonicznych. Otwiera to ogromne możliwości dla ... >>

Klawiatura Primium Seneca 05.05.2024

Klawiatury są integralną częścią naszej codziennej pracy przy komputerze. Jednak jednym z głównych problemów, z jakimi borykają się użytkownicy, jest hałas, szczególnie w przypadku modeli premium. Ale dzięki nowej klawiaturze Seneca firmy Norbauer & Co może się to zmienić. Seneca to nie tylko klawiatura, to wynik pięciu lat prac rozwojowych nad stworzeniem idealnego urządzenia. Każdy aspekt tej klawiatury, od właściwości akustycznych po właściwości mechaniczne, został starannie przemyślany i wyważony. Jedną z kluczowych cech Seneki są ciche stabilizatory, które rozwiązują problem hałasu typowy dla wielu klawiatur. Ponadto klawiatura obsługuje różne szerokości klawiszy, dzięki czemu jest wygodna dla każdego użytkownika. Chociaż Seneca nie jest jeszcze dostępna w sprzedaży, jej premiera zaplanowana jest na późne lato. Seneca firmy Norbauer & Co reprezentuje nowe standardy w projektowaniu klawiatur. Jej ... >>

Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie 04.05.2024

Odkrywanie kosmosu i jego tajemnic to zadanie, które przyciąga uwagę astronomów z całego świata. Na świeżym powietrzu wysokich gór, z dala od miejskiego zanieczyszczenia światłem, gwiazdy i planety z większą wyrazistością odkrywają swoje tajemnice. Nowa karta w historii astronomii otwiera się wraz z otwarciem najwyższego na świecie obserwatorium astronomicznego - Obserwatorium Atacama na Uniwersytecie Tokijskim. Obserwatorium Atacama, położone na wysokości 5640 metrów nad poziomem morza, otwiera przed astronomami nowe możliwości w badaniu kosmosu. Miejsce to stało się najwyżej położonym miejscem dla teleskopu naziemnego, zapewniając badaczom unikalne narzędzie do badania fal podczerwonych we Wszechświecie. Chociaż lokalizacja na dużej wysokości zapewnia czystsze niebo i mniej zakłóceń ze strony atmosfery, budowa obserwatorium na wysokiej górze stwarza ogromne trudności i wyzwania. Jednak pomimo trudności nowe obserwatorium otwiera przed astronomami szerokie perspektywy badawcze. ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum Pasażer na zdjęciu rentgenowskim 14.11.2002 Na lotnisku w amerykańskim mieście Orlando pasażerowie musieli niedawno przejść przez aparat rentgenowski Reypiscan. Specjalna instalacja z ultrasłabym promieniowaniem jest w stanie przejrzeć tylko przez ubranie, jej promieniowanie prawie nie przenika do ciała, a dawka otrzymywana przez pasażera podczas takiego badania jest niezwykle mała. Taką dawkę można uzyskać w domu oglądając w telewizji trzy mecze hokejowe. Ale pomimo tak słabej ekspozycji, jeśli pod ubraniem ukryta jest jakaś broń lub kontrabanda, obiekty te wyraźnie pojawiają się na ekranie.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Pszczoły trzymają się pyłku

▪ Nieleczona choroba zniknie

▪ Nowa architektura Fujitsu przyspieszy działanie komputerów 10 000 razy

▪ Półprzezroczyste elastyczne panele słoneczne

▪ Wyłącznik śmierci do laptopów

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja serwisu Odbiór radia. Wybór artykułów

▪ artykuł Instalacja sprężarki. Wskazówki dla mistrza domu

▪ artykuł Kto odegrał kluczową rolę w popularyzacji szampana? Szczegółowa odpowiedź

▪ artykuł Magazynier warsztatu naprawczego. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy

▪ artykuł Velofar świeci jaśniej i bardziej równomiernie. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

▪ artykuł Przysłowia i powiedzenia suahili. Duży wybór

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn

www.diagram.com.ua
2000-2024