|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ anteny toroidalne. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Anteny. Teoria Pilnym zadaniem technologii antenowej jest stworzenie wydajnych elektrycznie małych anten. Są one potrzebne zarówno dla radiostacji przenośnych i ruchomych pasm KB, VHF i mikrofalowych, jak i dla stacjonarnych systemów radiowych długofalowych w warunkach ograniczonej przestrzeni. Proponowany artykuł wprowadza czytelników w jeden z ciekawych sposobów rozwiązania tego problemu. Wymiary elektrycznie małej anteny są z definicji znacznie mniejsze niż długość fali λ w wolnej przestrzeni. Problem projektowania takich anten polega na tym, że wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru systemu promieniującego, wydajność promieniowania gwałtownie spada. Pojawiają się trudności w dopasowaniu anten nierezonansowych do źródeł (odbiorników). Możliwe jest zmniejszenie wymiarów fizycznych anteny przy zachowaniu wymiarów elektrycznych (falowych) poprzez zastąpienie przewodów prostych przewodami spiralnymi wygiętymi w formie spirali (rys. 1).
Takie struktury nazywane są opóźniającymi. Prędkość rozchodzenia się fali wzdłuż osi spirali jest mniejsza od prędkości światła, więc długość fali λs w takiej strukturze przy tej samej częstotliwości jest mniejsza od λ. Fizyczną długość anteny rezonansowej można w ten sposób zmniejszyć dziesięciokrotnie. Spiralne poprzeczne (prostopadłe do osi) anteny radiacyjne są szeroko stosowane w przenośnych i stacjonarnych urządzeniach radiowych. Jeśli wibrator liniowy zostanie złożony w zamknięty pierścień, otrzymamy ramę (ryc. 2, a). Rozkład prądu elektrycznego 1e w elektrycznie małej ramie można uznać za jednorodny, więc będzie on promieniował równomiernie we wszystkich kierunkach azymutalnych, ale tylko z polaryzacją poziomą (ryc. 2,6), podobnie jak elementarny pionowy wibrator magnetyczny. Przy nierównomiernym rozkładzie prądu wykres nie będzie tak symetryczny. Gdy długość obwodu ramki jest wielokrotnością całkowitej liczby półfal, w takiej antenie możliwe są rezonanse. Tak więc w antenie typu „kwadratowego” na jej obwodzie mieszczą się dwie półfale.
Przy falach średnich, długich i bardzo długich, ze względu na specyfikę ich propagacji, preferowana jest polaryzacja pionowa. To tutaj problem zmniejszenia pionowych wymiarów anten jest szczególnie dotkliwy. Spróbujmy sobie wyobrazić amatorski wibrator pionowy ćwierćfalowy w zakresie 136 kHz o wysokości około 550 m! Jednak wcale nie jest konieczne stosowanie prądu elektrycznego jako źródła promieniowania. Zgodnie z zasadą dualności permutacyjnej, jeśli równomiernie rozłożony pierścieniowy prąd elektryczny (ryc. 2, a) zostanie zastąpiony prądem magnetycznym IM (ponieważ w naturze nie ma ładunków magnetycznych, będzie to fikcyjny prąd magnetyczny, gęstość którego jest proporcjonalne do szybkości zmian indukcji magnetycznej), to w polu wektory promieniowania składowej elektrycznej i magnetycznej będą zamieniały się miejscami. Otrzymamy źródło równoważne pod względem charakterystyki kierunkowej elementarnemu wibratorowi elektrycznemu, w naszym przypadku pionowemu (rys. 3).
Pierścieniowy prąd magnetyczny można uzyskać w toroidalnej antenie śrubowej (Toroidal Helical Antenna, THA), która jest utworzona przez złożenie liniowej spirali w zamknięty pierścień. Kształt cewki spiralnej może być dowolny (okrąg, prostokąt itp.). na ryc. 4 przedstawia szkic toroidu o kwadratowym przekroju poprzecznym i zaznaczone są oznaczenia rozmiarów.
na ryc. 5a pokazuje przykład budowy 7-zwojowej anteny toroidalnej. Rezonanse są również możliwe w takim układzie, gdy całkowita liczba półfal prądu magnetycznego mieści się wzdłuż osi toroidu. Ale w spirali długość fali jest krótsza, więc rezonansowa TNA może być znacznie mniejsza niż rama rezonansowa z drutu liniowego. na ryc. 5,b,c,d przedstawia przestrzenne charakterystyki promieniowania (RP) HPP zarówno pod względem poszczególnych składowych pola elektrycznego Eθ, Eφ, jak i w całkowitym polu EΣ składowa wirowa prądu elektrycznego spirali zawsze składową toroidalną (wzdłuż osi toroidu), dzięki której pole promieniowania zawiera nie tylko pionową składową Eθ, ale także znaczną składową poziomą pola elektrycznego Eφ.
Aby skompensować składową toroidalną prądu elektrycznego, wykonuje się dwa identyczne uzwojenia, nawijane w różnych kierunkach (lewy i prawy) i włącza się je w przeciwfazie (ryc. 6, a).
Uzwojenia nie są połączone na skrzyżowaniach. Otrzymaliśmy toroidalną antenę helikalną z przeciwskrętnymi uzwojeniami (Contrawound Toroid Helical Antenna, CTHA). Pola magnetyczne we wnęce toroidu z obu uzwojeń sumują się. Na schematach rys. Z rys. 6b widać, że udział składowej Eθ w polu promieniowania wyraźnie się zwiększył, minima całego wykresu wzdłuż osi y stały się mniej głębokie, ale ponownie nie otrzymaliśmy ogólnego wykresu, jak w Figa. 3. Wyjaśnia to fakt, że pole magnetyczne we wnęce toroidu nie jest rozłożone równomiernie wzdłuż osi, ale zgodnie z rozkładem amplitud fali prądu stałego. Jak pokonać tę przeszkodę, pokażemy poniżej, a teraz rozważymy kilka interesujących właściwości już opisanych anten. na ryc. Na rysunku 7 przedstawiono obliczone zależności częstotliwościowe składowej czynnej (R) i biernej (X) impedancji wejściowej HP przy a = 0,6 m, h = 0,8 m i N = 7. Charakterystyczna jest przemiana parzystych „szeregów” i dziwne „równoległe” rezonanse (podobne z natury do rezonansów w szeregowych i równoległych obwodach oscylacyjnych).
Dla porównania w tabeli przedstawiono obliczone wartości częstotliwości rezonansowych (w megahercach) i impedancji rezonansowych (w kiloomach) dla tej anteny (TNA) oraz dla anteny STNA o tych samych parametrach. Charakter naprzemienności rezonansów w STNA jest taki sam jak w TNA, jednak przy tych samych parametrach częstotliwości rezonansowe STNA są niższe; można to wytłumaczyć efektem pojemności między uzwojeniami. Należy zauważyć, że obie anteny nie mają ścisłej wielokrotności częstotliwości rezonansowych. Głównymi parametrami anten toroidalnych są wymiary i liczba zwojów N. Do obliczeń i modelowania wybraliśmy kształt przekroju poprzecznego w postaci kwadratu o boku h. Jeśli pominiemy wpływ ośrodka wewnątrz i na zewnątrz toroidu, to mając częstotliwość pierwszego rezonansu (MHz) i promień a (m), możemy obliczyć rozmiar h (m) powyższych anten korzystając ze wzorów: dla TNA:
dla STNA:
Wzory otrzymano za pomocą analizy regresji na podstawie wyników symulacji komputerowej dla średnicy drutu 1,3 mm, wymiarów 0,6 m ≤a ≤ 4 m, 0,5 m ≤h≤4m, przy 0,3 ≤ h/a ≤ 1,3 i zakresie częstotliwości 0,7 MHz < f1 < 23 MHz. Błąd pierwiastka kwadratowego w określonych warunkach wynosi około 0,03 m. Przeliczenie skali jest również możliwe dla innych częstotliwości (wszystkie wymiary zmieniają się proporcjonalnie do zmiany długości fali). Ciekawą cechą STNA jest możliwość uzyskania (tylko dla określonych kombinacji parametrów) charakterystyki promieniowania zbliżonej do izotropowej (rys. 8), którą uzyskano w szczególności przy częstotliwości 70 MHz dla anteny o parametrach N = 5, a = 0,2 m i h = 0,27 m w warunkach wolnej przestrzeni.
na ryc. 9 przedstawia porównawcze zależności wydajności TNA i STNA od częstotliwości. Z reguły wydajność spada gwałtownie wraz ze spadkiem głównych wymiarów anteny i wzrostem liczby zwojów. Najwyższa efektywność dla TNA jest w rejonie między 2 a 3 rezonansem, dla STNA - na 3 i 5 rezonansie, a jej maksymalne wartości są niższe niż dla TNA. Oba typy anten charakteryzują się głębokimi minimami sprawności przy wszystkich nawet rezonansach powyżej drugiego. Wyjaśnia to niekorzystny rozkład prądu w uzwojeniach dla efektywnego promieniowania.
Elektrycznie małe anteny na ogół mają niską wydajność i dlatego są bardzo wrażliwe na efekty anteny zasilającej. Sensowne jest stosowanie ich na poruszających się obiektach z bardzo krótkim podajnikiem lub bez niego. Polaryzacja eliptyczna anten toroidalnych jest przydatna np. do zapewnienia nieprzerwanej komunikacji w systemach mobilnych, w szczególności do stabilnego odbioru programów nadawczych VHF FM. na ryc. 10 przedstawia położenie STNA z charakterystyką według ryc. 8 na dachu samochodu i pokazuje charakterystykę promieniowania z uwzględnieniem wpływu ciała i podłoża.
Historycznie rzecz biorąc, rozwój anten toroidalnych jest związany z chęcią zmniejszenia pionowego rozmiaru systemu promieniującego z polaryzacją pionową i kołowym układem. Jak zauważono, w konwencjonalnej antenie STHA z pojedynczym źródłem wzbudzenia nie jest możliwe uzyskanie równomiernego rozkładu prądu magnetycznego wzdłuż osi toroidu. na ryc. 11,a pokazuje przecięcie zwojów lewego i prawego uzwojenia na całej zewnętrznej powierzchni toroidu w postaci rozszerzonej, a na ryc. 12 (krzywa 1) - rozkład natężenia pola magnetycznego wzdłuż osi toroidu dla 8-zwojowej konwencjonalnej STNA przy f3 = 27 MHz. W wyniku nierównomiernego rozkładu pola charakterystyka promieniowania takiej anteny jest zbliżona do pokazanej na rys. 6.
Jednym ze sposobów uzyskania zbliżonego do równomiernego rozkładu prądu magnetycznego jest podzielenie uzwojeń na sekcje, w których kierunki (lewy i prawy) obu uzwojeń zmieniają się na przeciwne do sąsiednich (rys. 11,6). W miejscach podziału uzwojeń na sekcje instalowane są zaciski do podłączenia dodatkowych źródeł wzbudzenia. W takim przypadku zamiast jednego musisz podłączyć cztery identyczne źródła w trybie wspólnym. W tym przypadku rozkład prądu magnetycznego (ryc. 12,6) uzyskuje się bez zmian znaku, choć z niewielkimi zmarszczkami. Takie rozwiązanie umożliwiło uzyskanie RP w szerokim paśmie częstotliwości nie odbiegającym od pokazanego na rys. 3. Obliczona wydajność przeciętej STNA w tym przypadku przy częstotliwości 36 MHz okazała się w przybliżeniu dwa razy większa niż nieciętej STNA (59% w porównaniu z 29%). Podsumowując, zwracamy uwagę na najważniejsze zalety i wady rozważanych anten oraz możliwości ich zastosowania. Ogólne plusy to zmniejszenie rozmiaru pionowego anten (dzięki zwiększeniu wymiarów poziomych!), brak wymagań dotyczących przeciwwag i uziemienia. Zasadniczo THA to rama wykonana ze spiralnego przewodnika, co umożliwiło zmniejszenie fizycznych wymiarów anteny rezonansowej. Taka antena jest już interesująca, ponieważ ma polaryzację eliptyczną, a zależność RP od kształtu, otoczenia i asymetrii połączenia pozwala na szerokie i różnorodne zastosowanie takich anten w łączności, radiofonii i telewizji, telemetrii i innych przenośnych urządzeniach radiowych. sprzęt. Obecność drugiego przeciwnego uzwojenia w STNA generalnie pogarsza warunki radiacyjne, stąd mniejsza sprawność. Anteny te mają jednak lepszą eliptyczność polaryzacji, co jest ważne dla systemów komunikacji mobilnej w warunkach wielościeżkowych. Izotropowe RP nieskrojonej STNA jest w praktyce prawie niemożliwe ze względu na silny wpływ środowiska, ale otaczające obiekty (a zwłaszcza powierzchnie przewodzące) mają niewielki wpływ na impedancję wejściową STNA. Niepartycjonowany STNA może być używany w urządzeniach przenośnych do komunikacji radiowej niskiego poziomu i osobistych połączeń radiowych, w systemach komunikacji komórkowej nGPS. Głównym obszarem zastosowania anten toroidalnych równoważnych wibratorowi pionowemu (o polaryzacji pionowej i jednorodnej charakterystyce promieniowania w płaszczyźnie poziomej) są stosunkowo długie fale, dla których przewodnictwo ziemi (lub wody) jest wystarczająco duże. Wady STNA - złożona technologia produkcji. Przy dzieleniu anten na sekcje pojawia się dodatkowy problem z podłączeniem kilku punktów zasilania. Ogólne wady - wraz ze spadkiem wielkości wydajność anteny gwałtownie spada, a przy próbie jej poprawy (poprzez zwiększenie grubości i dobór materiału drutu, poprawę jakości dielektryków) przepustowość maleje. Problemy z dopasowaniem podczas strojenia z jednej częstotliwości na drugą utrudniają stosowanie anten toroidalnych w zakresie częstotliwości. Zainteresowany czytelnik może zapoznać się z literaturą patentową [1-4] oraz wynikami badań z udziałem autora [5, 6]. W pracy [7] zaproponowano kilka nowych metod wytwarzania emitera spolaryzowanego pionowo w oparciu o struktury toroidalne. W pracy [8] zaproponowano uniwersalny algorytm syntezy anten z segmentów z prądami elektrycznymi i magnetycznymi. literatura
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ)
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Im niższa gęstość zaludnienia, tym szczęśliwsi ludzie ▪ Znalazłem niezawodny sposób na przesyłanie energii bez przewodów ▪ E-papierosy zwiększają ryzyko udaru mózgu
▪ sekcja serwisu Podstawy bezpiecznego życia (OBZhD). Wybór artykułów ▪ seledynowy artykuł. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Jaką zasadę ustanowił Piotr I dla mówców w Senacie? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Przecinak i przecinak batów. Standardowe instrukcje dotyczące ochrony pracy ▪ artykuł 5 woltów z portu RS-232. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony