在小型接收和发射天线上。方案、说明

在小型接收和发射天线上。无线电电子电气工程百科全书

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最近，业余无线电文献中出现了许多关于小型接收和发射天线的出版物。它们被广泛用于接收广播和电视台、无线电通信、测向等（特别是在便携式设备和移动物体上）。这就是为什么对此类天线进行比较分析，讨论它们的优缺点，以及关于一些与电小天线有关的“传说”的对话。例如，在近距离干扰的作用下，接收磁天线是否总是优于电天线[1]？让我们试着弄清楚这一点。让我们从定义开始。

电小天线 (ESA) 是尺寸远小于波长 l 的天线，或者根据 S. Shchelkunov 和 G. Friis [2] 的定义，当从输入端子测量的天线最大尺寸不超过升/8。电学上小的环形天线称为磁性天线（MA），在近区（距离远小于 l），发射 MA，电磁场的磁性分量 H 无处不在（电气分量 E 与磁性 - E / H - 远小于远区）。相应地，接收 MA 对交变磁场比对电场更敏感，即它具有组件选择性 [3]。相反，电子天线 (EA) - 导电表面上方的短引脚或长度远小于 l 的偶极子 - 更容易受到 E 分量的影响。如果框架的周长与工作波长相当，那么它没有 MA 属性。因此，例如，周长为 11 m 的帧在 KB 范围内（例如，在 10-20 MHz 频段）没有显着的组件选择性。类似地，大小与 l 相当的偶极子在所示意义上不是电子天线。 MA 中铁磁芯的存在根本不是必需的，但如果是，则天线称为铁氧体。

现在关于主要

1. 在干扰条件下接收时的磁性天线并不总是比电子天线好。如果干扰源在接收设备的近区产生以 E 分量为主的电磁场，则 MA 可以在简单的 EMA 中提供最佳的抗噪能力，因为它具有组件选择性 [3]。然而，这并非总是如此。例如，电力网络中的切换会导致在这些网络的各个部分中出现具有宽频谱的阻尼电磁波。如果接收器天线位于此类网络的电线附近，则在近场中它被视为脉冲噪声。在给定的窄接收频带中，干扰的电流和电压分量的幅度通常沿导线不均匀分布：存在电流波腹（最大值）和电压波腹区域（图 1）。

关于小型收发天线
Ris.1

近区的电磁场沿线也是不均匀的。在电流的波腹附近，磁性成分占主导地位，而在电压的波腹附近，电成分占主导地位。在区域 1（图 1）中，MA 将提供最好的抗噪性，而在区域 2 - EA。实验表明 [4] 驻波的强度以及电压和电流波腹的分布取决于许多不同的条件，包括连接到网络的负载的数量和性质。平均而言，以相同的概率，接收器可以靠近电流或电压的波腹。因此，正如有时报道的那样，磁性天线并非总是和无处不在地不易受到“工业”干扰的影响。此外，在谈到一般的环形天线时，不能这样说。为什么从短线（引脚）转移到良好的对称屏蔽框架（如 [1] 中所述）时，它确实总是有显着的改进？（这一事实积极支持了有问题的错觉）。事实是，作为天线的短线通常不是天线系统的唯一辐射（接收）元件；连接到发射器（接收器）外壳的电源线、接地线和其他金属结构也参与其中辐射（接收）。

许多人都熟悉氖灯在被发射器主体、加热管触摸时发光的情况......如果在接收处使用这样的“天线系统”，那么所有列出的元素都会感知到各种干扰和干扰具有许多交换电路和线路（电源、电话等）的建筑物。但是制作一个短的对称偶极子甚至比一个高质量的框架更容易。只需消除馈线对电磁场的敏感性，消除信号通过天线以外的旁道进入接收机。

如果上面讨论的误解是高估了接收 MA 的选择性，那么另一个也是非常常见的误解是，所谓的发送 MA 比 EA 差得多。在许多出版物中，有人认为，在进行传输时，由于辐射电阻低得多，小框架的效率远低于同等尺寸的电子天线。实际上，对于长度为 l 的偶极子_SД=20便士²（二）², 而一个周长为 l 的圆形框架_SP=20便士²（二）⁴. 在相同的 l=1 m 和 l=80 m 的情况下，R_SP/R_SД=1/6400。辐射功率为：P_S=Ia²R_S，其中 Ia 是连接点处天线电流的有效值。从最后一个表达式可以看出，如果环路中的电流是偶极子输入电流的 80 倍，我们可以预期天线辐射的功率相等。这是真的吗？事实证明相当。

2、考虑到匹配电路中的损耗，电小偶极子和环路在传输工作时的效率大致相当。天线的效率 E 等于辐射功率与从发生器获取的功率之比，不仅取决于天线自身的损耗电阻 (Ra)，还取决于所需匹配元件中的损耗电阻 (电抗补偿) Rc: E \uXNUMXd R_S/（R_S+R_A+Rc)，见图。 2.

关于小型收发天线
Ris.2

考虑到周长为 l 的框架的集肤效应，天线的有源电阻（以欧姆为单位）等于

关于小型收发天线

其中 d 是导体直径 (mm)，mg 是天线材料的相对磁导率，s 和 s_м - 天线材料和铜的电阻率，分别为长度为 l 的偶极子：R_地狱=R_aP/3。匹配元件中的有源损耗取决于它们的参数和品质因数：Rc=¦Xa¦/Qc，其中 Xa 是天线输入阻抗的电抗分量，对于 l 是电容性的，对于框架是电感性的，对于 EMA ¦X_aP¦<¦X_aД¦ 匹配元件在天线电路中提供串联谐振（Xa + Xc = 0）。偶极子的真实品质因数 Qsd=200...400，帧 Qsr=1000...2000。可以使用以下公式计算电抗（以欧姆为单位）：

关于小型收发天线

与前面的一样，它们是基于已知关系获得的（例如，参见 [5-7]）。表中显示了在 l=10 m、Qsd=80、Qcp=200 时由铜制成的偶极天线和单匝环形天线 (d=1000 mm) 的计算结果。

表 1. 长度为 l 的偶极子的计算数据

参数二。
0,1 0,05 0,025 0,0125 0,00625
R_S, 欧姆 1,97 0,493 0,123 0,031 0,0077
拉，欧姆 0,043 0,021 0,011 0,0054 0,0027
Xa，欧姆 -2264 -4120 -7235 -12374 -20524
RC，欧姆 11,3 20,6 36,1 61,8 103
埃德, % 14,8 2,3 0,34 0,05 0,0075
基金 85 98 99 100 100

表 2. 周长为 l 的框架的计算数据

参数二
0,1 0,05 0,025 0,0125 0.00625
R_S, 欧姆 0,0197 0,00123 7,7*10^-6 4,8*10^-6 3*10^-7
拉，欧姆 0,129 0,064 0,032 0,016 0,008
Xa，欧姆 212 93 40 16,7 6,7
RC，欧姆 0,212 0,093 0,04 0,0167 0,0067
呃，% 5,55 0,78 0,11 0,015 0,002
呃/埃德 0,37 0,33 0,31 0,29 0,27
基金 294 293 276 254 227

表 3. 直径为 l 的框架的计算数据

参数二
0,05 0,025 0,0125 0,00625
R_S, 欧姆 0,12 0,075 0,0047 0,00003
拉，欧姆 0,20 0,10 0,05 0,025
Xa，欧姆 359 159 69 29
RC，欧姆 0,36 0,16 0,07 0,03
呃，% 17,6 2,8 0.39 0,053
呃/埃德 7,54 8,25 7,82 7,12
基金 264 297 288 269

他们表明，就效率而言，小环甚至可以比同等尺寸的偶极子更好。当然，尽管效率本身非常小，并且随着相对尺寸的减小而急剧下降。对铝的类似计算表明，框架的效率下降不超过 12%，la 的效率下降不超过 0,2%。当 l=160 m 时，在其他参数相同的情况下，效率平均降低了 20%。给出的结果与 [8] 中针对完美导电表面上方的引脚获得的数据非常一致。所以，如果由于R的减小导致帧的效率迅速下降_SP，则偶极子的效率会由于匹配元件中损耗的增长而迅速下降。

3. 如果它们在效率方面大致相当，那么小框架或小偶极子哪个更好？

在有损耗的电介质环境（操作者的身体、建筑材料等）中工作的最重要的优势是环境对谐振频率（失谐）和环路效率（插入损耗）的影响要弱得多。对偶极子的影响。作者用相同功率的发生器和天线测试了发射机：框架直径 42 厘米，偶极子长度 120 厘米；波长 82 m。位于自由空间（从远场估计）的两个天线的效率结果大致相同。树干、操作员的身体和靠近偶极子的手数十次改变场强，框架可以放在操作员背上的背包里，放在脖子上或完全埋在雪地里，这并没有导致现场参数明显恶化。

当然，与金属物体的电接触会极大地影响框架，但对此有一个简单的补救措施 - 绝缘。小框架的其他优点：它们不需要配重（例如，短销），对绝缘质量的要求较低，在传输时对生物组织的影响较小（近场电场中的损耗一个小的偶极子要大得多），并且机械强度更大。具有垂直极化的方向性在某些情况下可能有用，但在其他情况下则不然。磁性天线的带宽比电子天线的窄一些。但是，从表格中可以看出，认为天线越小，带宽越窄的想法是错误的。偶极子电路的品质因数Qef的增加通过匹配线圈中的损耗的增加来防止，并且MA电路的品质因数随着尺寸的减小而通过其自身电感的减小来防止。 MA 的制造和操作的难点在于确保连接中的有源损耗最小。回路电流比偶极子电流大几十倍，因此接触不良的能量损失要大上成百上千倍。在实践中，这意味着螺纹连接（仅焊接或焊接）的不适用性以及对非接触式调节元件的需求。因此，磁性天线的优势更大，尤其是在非铁磁环境中工作时。

4. 多圈小框比同直径单圈小框有优势吗？

这也是问题之一，答案不是很明显。从表。由图 2 和图 3 可知，对于单圈帧 RE1<_S1/2r_A1. 由于匹配元件中的辐射电阻和损耗电阻与匝数（N2）的平方成正比，而固有损耗电阻与匝数（N）成正比，因此N匝框架的效率为用公式近似估计：E_N=R_S1N/(1+N)R_A1. 在 l/l=0,0125（根据表 2）的准确计算表明，在 N=2 时，相同直径（l 是线圈的周长）的效率提高了 29%，在 N=4 时提高了 54%，在 N \u10d 75 - 2%。因此，小 N 匝回路的效率会略高于单匝回路，但不会超过 XNUMX 倍。总之，我们强调所有关于发射天线效率的结论都适用于这些天线和接收模式。假设只有有效高度将决定有效性是错误的。尽管偶极子的有效高度比相同大小的偶极子高十倍，但接收时小环路的效率并不比相同大小的偶极子差。还有，虽然有效高度与N成正比，但N转架在接收端的效率不会是单转架效率的N倍。的体育测向仪已经对多次说过的话深信不疑。

文学

1. Andrianov V. 宽带环形天线. - Radio, 1991, No. 1, p. 54-56。
2. Shchelkunov S.，Friis G. Antennas.- M.：Sov。电台，1950 年。
3. Grechikhin A. 组件选择. - Radio, 1984, No. 3, p. 18-20。
4. Gavrilin A. T.、Grechikhin A. I. 关于切换干扰的近电磁场结构。- 书中：无线电工程系统中信号处理的方法和设备：Mezhvuz。收藏。- 高尔基：GPI，1987，p。 43-48。
5. Belotserkovsky G. B. 天线 - M .: Oborongie, 1956。
6. Ginkin G. G. 无线电工程手册。- M.-L.：GEI，1948 年。
7. Meinke X.，Gundlach F. V.，无线电工程手册。 T. 1.- M.-L.：GEI，1960。
8. Walter C. H. Newman E. H. 电小天线。-报告 HDL-TR-041-1（1974 年 1974 月）。-华盛顿，XNUMX 年。

出版：N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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