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无线电电子与电气工程百科全书 短天线的神秘之处。 无线电电子电气工程百科全书
当他们想赞扬接收器的高灵敏度时，他们经常说它甚至可以通过“一根电线”接收来自无线电台的信号。 在这篇文章中，作者从理论上和实验上证明了臭名昭著的“一根电线”远非最差的天线，并且通过与接收器输入的适当配合，它可以提供非常大的信号电压。 对于长波和中波的广播接收，它们曾经被广泛使用，即使现在，尽管铁氧体磁性天线被广泛使用，但电天线仍然经常以一根垂直放置的普通电线的形式使用。 使用此类天线时，需要接地或配重才能获得良好的接收效果。 在最简单的情况下，接收器的主体充当配重，如果由市电供电，那么电源线和电网本身的电线将成为配重。 水平线天线很少使用，因为 LW 和 MW 频段的所有无线电台都仅发射垂直极化的波，这与地球表面的特性有关，与这些范围内的导体的特性接近。 无线电爱好者，特别是那些尝试过最简单且不够灵敏的直接增益接收器的人，都知道短线天线非常有效，特别是一根 1 ... 2 m 长的线通常会产生比铁氧体大得多的信号天线。 秘密是什么？ 毕竟，线状天线的长度远小于波长，并且根据所有标准，它应该无效。 尝试分析短垂直无线电接收天线的操作以及对其进行优化的愿望，导致了非常好奇甚至令人惊讶的结果，作者向好奇的读者提供了这些结果。 就获得接收器输入端的最大电压（即电压，而不是功率！）而言，优化被简化为排除输入电路电容器并用天线本身的电容代替它，如图 1 所示。 XNUMX. 同时，URF的输入阻抗被假设为无限大，这在DV和SV上使用场效应晶体管时接近真实情况。 URF的输入电容和线圈的电容被添加到天线的电容中。 我们的分析中不会考虑它们。
上图。 图1还显示了天线中的电流分布，这是正弦曲线的初始部分。 如果精度足够，可以将其视为三角形。 将其替换为相同面积的矩形，我们得到天线的有效高度h，等于其几何高度的一半。 选择线圈的电感，以便与天线的电容一起在接收频率下获得谐振。 所得电路的等效电路如图 2 所示。 XNUMX.
谐振时，天线的电容电阻 - Xc 等于电感 Xt（绝对值），电抗相互补偿，因此电路中的电流最大，等于 e/R，其中 e 是天线中产生的信号（e \uXNUMXd Eh：E 是强度场），R 是电路的有源电阻。 由于URC输入端的电压（U）是从线圈中去除的，因此它等于电路中的电流乘以线圈的电感电阻：U = EhXL / R。 我们有一个简单的公式来计算所述天线产生的电压。 参数 XL =Xc 的绝对值由天线长度（天线电容为每米长度 7...15 pF）和接收信号频率 f 确定。 因此 Xc = 1/2πfC。 相应的电感也很容易求得：L=XL/2πf。 E必须知道，ah可以用尺子测量。 但该公式可以进一步简化，注意比率 XL /R 只不过是天线电路的品质因数 Q：U = EhQ。 对于短天线，整个电路的品质因数几乎等于线圈的品质因数。 作为一个例子，我们来计算一个来自不太远的 LW 或 MW 无线电台的信号，场强为 10 mV/m，通过一根 2 m 长 (h = 1 m) 的电线接收。 我们将天线电路的品质因数设置为 100。进行简单的乘法后，我们得到了一个非常令人惊讶的结果 - U = 1 V！ 即使没有 URF，该电压也足以检测信号。 但必须做出一些保留。 首先，线圈必须具有相当大的电感。 在我们的示例中，即使在频率为 1 MHz 的 MW 频段中间，电抗 XL 也约为 10 kOhm。 电感约为1.5 mH，天线电路的谐振阻抗等于XLQ，接近1 MΩ。 RF放大器或检测器的输入阻抗应该更高。 这是天线产生的高压的费用。 问题出现了，图1的电路中是否可以使用大电感线圈。 200 被传统的振荡电路取代？ 当然可以，但是电路上产生的信号电压会更少。 为了使读者免于进行相当费力的数学分析，我们只会说信号电压（大约）与天线电容与总环路电容的比率成比例降低。 这是因为流经线圈 R 的电阻的额外无功电流会导致额外损耗。 显然，线圈的自电容和射频的输入电容也发挥了有害作用，降低了产生的电压。 在所示示例中，使用标准 130 uH 中波电感器与约 1 pF 的电容器并联，以调谐至 0,15 MHz。 我们会在电路上得到约XNUMXV的信号电压，一般来说，这个电压也不小！ 此外，为了感兴趣，我们假设线圈是理想的并且没有损耗。 现在等效电路如图所示。 3. 顺便说一句，在这种情况下，您可以轻松地减小线圈的电感并并联一个回路电容器。 由此产生的电路必须调谐到比所需频率稍高的频率，在该频率下它将具有电阻的感应性质，电阻越大，失谐越小。 选择失谐，我们得到电路的感抗 Xt，它恰好等于天线的电容 - Xc，再次得到图 3 中的等效电路。 XNUMX. 实际上，调谐是按照电路上的最大信号电压照常进行的，并且对应于电路在所需频率下的精确谐振，同时考虑到天线的电容。
现在天线电路的有源电阻是多少？ 以前，它由线圈的损耗电阻和天线的辐射电阻组成，后者要小得多，我们忽略了它。 现在线圈的损耗电阻为零，电容器（如果有的话）实际上也不会引入任何损耗，并且仅保留辐射电阻。 从理论上可知，对于短天线，Rid = 1600h/λ2。 将此表达式代入我们获得的线圈上产生的电压公式，我们得到 U = EXLλ2 / 1600h，即当天线缩短时，电压甚至会增加！ 我预计会有反对意见； 他们说，取得了这个奇妙的结果。 对于不切实际的条件，即当线圈中没有损耗且其品质因数趋于无穷大时。 当然，没有人会在液氦中放置一个线圈来实现超导和零损耗——虽然这可以做到，但会太昂贵和麻烦。 另一种方法早已为人所知并广泛使用——使用正反馈或再生来补偿线圈中的损耗。 当再生器接近自激阈值时，电路的等效品质因数显着增加，信号电压和灵敏度也随之增加。 事实证明，关于在输入电路中使用再生的 Q 倍增器的非凡接收质量的传说根本不是从头开始的！ 在长波和中波中，输入电路中不经常使用再生，主要是因为品质因数较高时，带宽 (B) 会变窄，并且 AM 音频频谱的较高频率会被衰减，因为 B ≥ f / Q。 但在短波长下，所需的频带更窄，频率更高，因此输入电路的品质因数较大是受欢迎的。 根据作者的测量，在精心设计的Q乘法器中，很可能获得相当稳定的10的品质因数。 让我们计算一下，在连接到这样一个电路的 000 m 长的天线中，E = 10 μV / m 的相当弱的信号将产生什么电压：U = EhQ = 2 V。正如他们所说，评论是多余的。 为了证实所说的，作者组装了如图所示的装置。 4.这是一个“源”场效应晶体管探测器（过去，性质相似的探测器是在灯上制作的，称为阴极探测器）。 源电路中的电阻选择得相当大，晶体管在特性曲线下弯附近的截止点附近工作，因此可以很好地检测 AM 信号。 大的栅极截止偏置（相对于源）可确保高输入阻抗，而 100% 音频反馈可确保低失真。 电容C2和R3C4电路滤除高频成分，可变电阻R4起音量控制作用。 从它，音频信号被馈送到简单的 UMZCH（V. Polyakov。“通用放大器 3Ch”。- Radio。1994 年。第 12 期。第 34、35 页）。 输入电路电容器取代了天线、线圈的电容和晶体管的输入电容。 天线是一根一米半长的电线，从桌面延伸到窗户，中央加热管在窗户下方充当接地。 该线圈取自工业 DV 接收器的磁性天线，是现成的。 它包含约 250 匝 PEL 0,2 电线，缠绕一层，在直径 12 毫米的框架上转动。 为了调谐，将同一天线的磁棒插入线圈中。 由于电容较低，电路调谐结果是在中波范围的频率上。 四个莫斯科广播电台在晶体管门上产生了 0,5 至 1,5 V 的信号。因此，理论得到了完全证实 - 音量控制必须设置为最小！ 测量栅极处的高频电压并不容易——由于信号分流，示波器无法连接到栅极。 示波器探头连接到电源，而不是电容器 C2。 在这种情况下，检测变得更差，但晶体管以源极跟随器模式传输高频信号。 减小电容C2。 可以观察到再生甚至自激。 这种情况下的反馈是根据电容三点方案获得的。 由栅源电容和电容C2组成。 有了足够的再生，晚上就可以收听远处的电台了。 一个有趣的事实是，在实验过程中，当天线导线脱离电路时，铁氧体棒上继续接收莫斯科电台的信号（尽管音量小得多）。 作者：V.Polyakov，莫斯科
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