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无线电电子与电气工程百科全书 环形天线。 无线电电子电气工程百科全书
天线技术的一项紧迫任务是创建高效的电小型天线。 便携式和移动广播电台 KB、VHF 和微波频段以及有限空间条件下的固定长波无线电系统都需要它们。 拟议的文章向读者介绍了解决此问题的一种有趣方法。 根据定义，电小天线的尺寸远小于自由空间中的波长 λ。 设计此类天线的问题是，随着辐射系统尺寸的减小，辐射效率迅速下降。 将非谐振天线与源（接收器）匹配会出现困难。 通过用弯曲成螺旋形的螺旋导体代替直导体，可以在保持电（波）尺寸的同时减小天线的物理尺寸（图1）。
这种结构称为减速结构。 波沿螺旋轴传播的速度小于光速，因此这种结构在相同频率下的波长λs小于λ。 通过这种方式，谐振天线的物理长度可以减少十倍。 螺旋横向（垂直于轴线）辐射天线广泛用于便携式和固定无线电设备。 如果将线性振动器折叠成闭合环，我们就得到一个框架（图2，a）。 电流 1e 在电小框架中的分布可以被认为是均匀的，因此它将在所有方位角方向上均匀辐射，但仅具有水平极化（图 2,6），就像基本的垂直磁振动器一样。 如果电流分布不均匀，图表将不对称。 当框架的周长是半波的整数倍时，在这种天线中可能发生谐振。 因此，在“方形”天线中，其周边有两个半波。
对于中波、长波和超长波，由于其传播的特殊性，优选垂直偏振。 正是在这里，减小天线垂直尺寸的问题尤为尖锐。 让我们尝试想象一个业余四分之一波垂直振动器，频率范围为 136 kHz，高度约为 550 m！ 然而，完全没有必要使用电流作为辐射源。 根据排列对偶性原理，如果将均匀分布的环形电流（图2，a）替换为磁流IM（由于自然界中不存在磁荷，这将是一个虚构的磁流，则密度其与磁感应强度的变化率成正比），那么在场中电场和磁分量的辐射矢量将改变位置。 我们将得到一个在指向性模式方面与基本电动振动器等效的源，在我们的例子中是垂直振动器（图 3）。
环磁流可以在环形螺旋天线（Toroidal Helical Antenna，THA）中获得，该天线是通过将线性螺旋折叠成闭合环而形成的。 螺旋线圈的形状可以是任意的（圆形、矩形等）。 上图。 图4示出了具有方形横截面形状的环形线圈的草图，并标明了尺寸名称。
上图。 图5a示出了构建7匝环形天线的示例。 当整数个磁流半波沿着环形线圈的轴时，在这样的系统中也可能发生谐振。 但在螺旋中，波长较短，因此谐振 TNA 可以比线性导线的谐振框架小得多。 上图。 图 5、b、c、d 显示了 HPP 的空间辐射方向图 (RP)，无论是电场 Eθ、Eφ 的各个分量，还是螺旋电流的总场 EΣ 涡流分量，总有环形分量（沿环形线圈的轴），因此辐射场不仅包含垂直 Eθ，还包含电场 Eφ 的重要水平分量。
为了补偿电流的环形分量，制作了两个相同的绕组，以不同的方向（左和右）缠绕，并且它们反相导通（图6，a）。
绕组在交叉点处不连接。 我们收到了带有反螺旋绕组的环形螺旋天线（Contrawound Toroidal Helical Antenna，CTHA）。 环形线圈空腔中两个绕组的磁场相加。 在图 6 的图表上。 从图3b和图XNUMXb可以看出，Eθ分量在辐射场中所占的比例明显增加，沿y轴的总图的最小值变得不那么深，但我们仍然没有得到一般图，如图所示XNUMX.这是因为环形线圈腔内的磁场不是沿轴均匀分布，而是按照驻电流波的幅度分布。 如何克服这个障碍，我们将在下面展示，现在我们将考虑已经描述的天线的一些有趣的特性。 上图。 图 7 显示了在 a = 0,6 m、h = 0,8 m 和 N = 7 时 HP 输入阻抗的有功 (R) 和无功 (X) 分量的计算频率依赖性。特性是偶数“系列”的交替和奇数“并联”谐振（本质上类似于串联和并联振荡电路中的谐振）。
为了进行比较，该表显示了该天线 (TNA) 和具有相同参数的 STNA 天线的谐振频率（兆赫）和谐振阻抗（千欧）的计算值。 STNA中共振交替的性质与TNA中相同，然而，在相同参数下，STNA的共振频率较低； 这可以通过绕组之间的电容效应来解释。 请注意，两种天线都不具有严格的谐振频率重数。 环形天线的主要参数是尺寸和匝数 N。为了计算和建模，我们选择边长为 h 的正方形横截面形状。 如果我们忽略环形线圈内外介质的影响，那么，给定第一谐振频率（MHz）和半径a（m），我们可以使用以下公式计算上述天线的尺寸h（m）： 对于 TNA：
对于 STNA：
计算公式是根据线径1,3mm、尺寸0,6m≤a≤4m、0,5m≤h≤4m、0,3≤h/a≤1,3、频率范围的计算机模拟结果进行回归分析得出的。 0,7 MHz < f1 < 23 MHz。 指定条件下的均方根误差约为0,03 m。对于其他频率也可以重新计算比例（所有尺寸随波长变化成比例变化）。 STNA 的一个有趣的特性是可以获得（仅对于某些参数组合）接近各向同性的辐射方向图（图 8）。该方向图是在参数为 N 的天线的 70 MHz 频率下获得的。 = 5，a = 0,2 m，h = 0,27 m（自由空间条件下）。
上图。 图9显示了TNA和STNA的效率对频率的比较依赖性。 通常，随着天线主要尺寸的减小和匝数的增加，效率迅速下降。 TNA 的最高效率位于第 2 和第 3 共振之间的区域，而 STNA 则在第 3 和第 5 共振处，其最大值低于 TNA。 两种类型的天线的特点是在所有甚至高于第二个的谐振下都具有深效率最小值。 这是因为绕组中的电流分布不利于有效辐射。
电气小型天线通常效率较低，因此对馈线天线效应非常敏感。 在具有非常短的馈线或根本没有馈线的移动物体上使用它们是有意义的。 环形天线的椭圆极化可用于确保移动系统中的不间断通信，特别是稳定接收 VHF FM 广播节目。 上图。 图10示出了具有根据图8的特性的STNA的放置。 XNUMX在车顶上显示了辐射方向图，考虑了车身和地面的影响。
从历史上看，环形天线的发展与减少具有垂直极化和圆形图案的辐射系统的垂直尺寸的愿望相关。 如前所述，在具有单个激励源的传统 STHA 天线中，不可能获得沿环形线圈轴的磁流均匀分布。 上图。 图11，a以展开形式示出了左、右绕组的匝在环形线圈的整个外表面上的交叉点。 图 12（曲线 1）- 8 匝传统 STNA 在 f3 = 27 MHz 时沿环形线圈轴的磁场强度分布。 由于场分布不均匀，这种天线的辐射方向图接近于图 6 所示。 XNUMX.
获得接近均匀的磁流分布的一种方法是将绕组分成多个部分，在每个部分中，两个绕组的方向（左和右）变为与相邻绕组相反的方向（图11,6）。 在绕组被分成几段的地方，安装了用于连接附加励磁源的端子。 在这种情况下，您需要连接四个相同的共模源，而不是一个。 在这种情况下，获得的磁流分布（图 12,6）没有符号变化，但纹波很小。 这种解决方案使得可以在宽频带内获得与图 3 所示没有不同的 RP。 36. 在这种情况下，分段 STNA 在 59 MHz 频率下的计算效率大约是非分段 STNA 的两倍（29% 对 XNUMX%）。 总之，我们注意到所考虑的天线的最重要的优点和缺点及其应用的可能性。 一般优点是天线垂直尺寸减小（由于水平尺寸增加！），无需配重和接地。 从本质上讲，THA 是一个由螺旋导体制成的框架，这减少了谐振天线的物理尺寸。 这种天线已经很有趣了，因为它具有椭圆极化，并且 RP 对形状、环境和连接不对称性的依赖性使得这种天线能够广泛且多样地用于通信、广播、遥测和其他便携式无线电设备。 一般来说，STNA 中存在第二个相反的绕组会恶化辐射条件，从而降低效率。 然而，这些天线具有更好的极化椭圆率，这对于多径条件下的移动通信系统很重要。 由于环境的强烈影响，未剖分的 STNA 的各向同性 RP 在实际中几乎不可行，但周围物体（特别是导电表面）对 STNA 的输入阻抗影响很小。 非分区 STNA 可用于便携式设备中，用于 nGPS 蜂窝通信系统中的低级无线电通信和个人无线电呼叫。 相当于垂直振子（具有垂直极化和水平面内均匀辐射方向图）的环形天线的主要应用领域是相对较长的波，对此地球（或水）的电导率足够大。 缺点 STNA - 一种复杂的制造技术。 切割天线时，连接多个电源点会带来额外的麻烦。 一般缺点 - 随着尺寸的减小，天线的效率急剧下降，并且当试图改进它时（通过增加线材的厚度和选择，提高电介质的质量），带宽会减小。 从一个频率调谐到另一个频率时的匹配问题使得在该频率范围内使用环形天线变得困难。 有兴趣的读者可以参考专利文献[1-4]以及作者参与的研究结果[5, 6]。 在[7]中，提出了几种基于环形结构制造垂直偏振发射器的新方法。 在[8]中，提出了一种用电流和磁流片段合成天线的通用算法。 文学
作者：A. Grechikhin (UA3TZ)
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