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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sobre antenas receptoras y transmisoras de pequeño tamaño. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Antenas. Teoría Recientemente, han aparecido muchas publicaciones en la literatura de radioaficionados sobre antenas receptoras y transmisoras de pequeño tamaño. Son ampliamente utilizados (especialmente en equipos portátiles y en objetos móviles) para recibir estaciones de radiodifusión y televisión, radiocomunicaciones, radiogoniometría, etc. Es por eso que un análisis comparativo de tales antenas, una discusión de sus ventajas y desventajas, así como una conversación sobre algunas "leyendas" relacionadas con antenas eléctricamente pequeñas. ¿Es siempre, por ejemplo, que una antena magnética receptora es mejor que una eléctrica bajo la acción de una interferencia cercana [1]? Tratemos de resolver esto. Comencemos con las definiciones. Las antenas eléctricamente pequeñas (ESA) son antenas cuyas dimensiones son mucho más pequeñas que la longitud de onda lo, por definición de S. Shchelkunov y G. Friis [2], cuando el tamaño máximo de la antena, medido desde los terminales de entrada, no excede l/8. Una antena de cuadro eléctricamente pequeña se llama antena magnética (MA). En la zona cercana (a distancias mucho menores que l), que transmite MA, la componente magnética H del campo electromagnético prevalece en todas partes (la relación entre la componente eléctrica E y la magnético - E/H - es mucho menor que en la zona lejana). El MA receptor es correspondientemente más susceptible a un campo magnético alterno que a uno eléctrico, es decir, tiene selectividad de componentes [3]. Una antena eléctrica (EA), un pin corto sobre una superficie conductora o un dipolo con una longitud mucho menor que l, por el contrario, es más susceptible a la componente E. Si el perímetro del marco es comparable a la longitud de onda operativa, entonces no tiene propiedades MA. Entonces, por ejemplo, un marco con un perímetro de 11 m no tiene una selectividad de componentes significativa en el rango de KB, digamos, en la banda de frecuencia de 10-20 MHz. De manera similar, un dipolo comparable a l en tamaño no es una antena eléctrica en el sentido indicado. La presencia de un núcleo ferromagnético en el MA no es necesaria en absoluto, pero si lo es, la antena se llama ferrita. Ahora sobre lo principal 1. Una antena magnética en recepción en condiciones de interferencia no siempre es mejor que una eléctrica. MA podría proporcionar la mejor inmunidad al ruido entre los EMA simples debido a la selectividad de los componentes si las fuentes de interferencia crearan un campo electromagnético con predominio del componente E en la zona cercana del dispositivo receptor [3]. Sin embargo, esto no siempre se hace. Por ejemplo, la conmutación en redes eléctricas provoca la aparición de ondas electromagnéticas amortiguadas de amplio espectro en tramos de estas redes. Si la antena del receptor está ubicada cerca de los cables de dicha red, en el campo cercano se percibe como un ruido de impulso. Las amplitudes de los componentes de corriente y voltaje de la interferencia en una banda de recepción estrecha dada a menudo se distribuyen de manera desigual a lo largo de los cables: hay zonas de antinodos de corriente (máximos) y antinodos de voltaje (Fig. 1).
El campo electromagnético en la zona cercana tampoco es homogéneo a lo largo de la línea. Cerca de los antinodos de la corriente predomina la componente magnética, y cerca de los antinodos de la tensión, la componente eléctrica. En la región 1 (Fig. 1), MA brindará la mejor inmunidad al ruido, y en la región 2, EA. Los experimentos han demostrado [4] que la intensidad de las ondas estacionarias y la distribución de los antinodos de voltaje y corriente dependen de muchas condiciones diferentes, incluido el número y la naturaleza de las cargas conectadas a la red. En promedio, con la misma probabilidad, el receptor puede estar cerca del antinodo de corriente o voltaje. Por lo tanto, no siempre y en todas partes una antena magnética es menos susceptible a la interferencia "industrial", como se informa a veces. Además, esto no se puede decir cuando se habla de antenas de cuadro en general. ¿Por qué es realmente siempre una mejora significativa cuando se pasa de un cable corto (pin) a un buen marco blindado simétrico, como se describe en [1]? (Y este hecho apoya activamente la ilusión en cuestión). El hecho es que, en la mayoría de los casos, un cable corto como antena no es el único elemento radiante (receptor) del sistema de antena; los cables de la red eléctrica, la conexión a tierra y otras estructuras metálicas conectadas a la carcasa del transmisor (receptor) también participan en el radiación (recepción). Muchos están familiarizados con la situación en la que una lámpara de neón brilla cuando se toca el cuerpo del transmisor, las tuberías de calefacción ... Si se usa un "sistema de antena" de este tipo en la recepción, todos los elementos enumerados perciben todo tipo de interferencias e interferencias en un edificio con muchos circuitos y líneas conmutadas (electricidad, teléfono, etc.). Pero hacer un dipolo simétrico corto es aún más fácil que un marco de alta calidad. Solo es necesario eliminar la susceptibilidad de la línea de alimentación a los campos electromagnéticos y eliminar la penetración de señales en el receptor por caminos laterales distintos a la antena. Si el concepto erróneo discutido anteriormente fue una sobreestimación de la selectividad del MA receptor, entonces otro concepto erróneo, también muy común, es que supuestamente los MA transmisores son mucho peores que los EA. En varias publicaciones, se argumenta que cuando se trabaja en la transmisión, los marcos pequeños son mucho menos efectivos que las antenas eléctricas de tamaños comparables, debido a la resistencia a la radiación mucho menor. De hecho, para un dipolo de longitud lDakota del Sur=20p2(l/l)2, mientras que un marco redondo con un perímetro lSP=20p2(l/l)4. Con el mismo l=1 m y l=80 m, RSP/RDakota del Sur=1/6400. La potencia radiada es: PS=Ia2RS, donde Ia es el valor efectivo de la corriente de antena en los puntos de conexión. De la última expresión se sigue que podemos esperar la igualdad de las potencias radiadas por nuestras antenas si la corriente en el bucle es 80 veces la corriente de entrada del dipolo. ¿Es real? Resulta bastante. 2. Teniendo en cuenta las pérdidas en los circuitos de adaptación, el dipolo eléctricamente pequeño y el bucle son aproximadamente equivalentes en términos de eficiencia cuando trabajan en transmisión. La eficiencia E de la antena, que es igual a la relación entre la potencia radiada y la potencia tomada del generador, depende no solo de la propia resistencia de pérdida de la antena (Ra), sino también de la resistencia de pérdida en el elemento de adaptación requerido ( compensación de reactancia) Rc: E \uXNUMXd RS/ (RS+RA+Rc), ver fig. 2.
La resistencia activa (en ohms) de las antenas, teniendo en cuenta el efecto piel, para un marco de perímetro l es
donde d es el diámetro del conductor (mm), mg es la permeabilidad relativa del material de la antena, s y sм - resistencias específicas del material de la antena y del cobre, respectivamente, del dipolo de longitud l: Rinfierno=RaP/3. Las pérdidas activas en los elementos de adaptación dependen de sus parámetros y factores de calidad: Rc=¦Xa¦/Qc, donde Xa es la componente reactiva de la impedancia de entrada de la antena, que es capacitiva para l e inductiva para la trama, y para EMA ¦XaP¦<¦Xanuncio¦ El elemento de adaptación proporciona una resonancia en serie en el circuito de la antena (Xa + Xc = 0). Factores de calidad real para el dipolo Qsd=200...400, para la trama Qsr=1000...2000. Las reactancias (en ohmios) se pueden calcular mediante las fórmulas:
Se obtienen, como los anteriores, sobre la base de relaciones conocidas (ver, por ejemplo, [5–7]). Los resultados de los cálculos de las antenas de bucle dipolo y monovuelta de cobre (d=10 mm), para l=80 m, Qsd=200, Qcp=1000, se muestran en las tablas. Tabla 1. Datos calculados para un dipolo de longitud l
Tabla 2. Datos calculados para un marco con perímetro l
Tabla 3. Datos de cálculo para un marco con diámetro l
Muestran que un marco pequeño puede ser incluso más eficiente que un dipolo de tamaño comparable. Aunque, por supuesto, la eficiencia en sí es muy pequeña y disminuye mucho al disminuir el tamaño relativo. Cálculos similares para el aluminio mostraron un deterioro en la eficiencia de no más del 12% para el marco y del 0,2% para el frente. Para l=160 m con los mismos parámetros, la eficiencia resultó ser peor en un promedio del 20%. Los resultados presentados concuerdan con los datos de [8], obtenidos para un pasador sobre una superficie perfectamente conductora. Entonces, si la eficiencia del marco disminuye rápidamente debido a una disminución en RSP, entonces la eficiencia del dipolo disminuye con la misma rapidez debido al aumento de las pérdidas en el elemento coincidente. 3. ¿Qué es mejor, un marco pequeño o un dipolo pequeño, si son aproximadamente equivalentes en términos de eficiencia? La ventaja más importante de trabajar en un entorno dieléctrico con pérdidas (cuerpo del operador, materiales de construcción, etc.) es que la influencia del entorno en la frecuencia de resonancia (desafinación) y en la eficiencia (pérdida de inserción) del bucle es mucho más débil que el efecto sobre el dipolo. El autor probó transmisores con generadores de la misma potencia y antenas: marco de 42 cm de diámetro y dipolo de 120 cm de largo; longitud de onda 82 m La eficiencia de ambas antenas ubicadas en el espacio libre (estimado desde el campo lejano) resultó ser aproximadamente la misma. El tronco del árbol, el cuerpo del operador y las manos al lado del dipolo cambiaron la intensidad del campo docenas de veces, y el marco se podía poner en una mochila en la espalda del operador, ponerlo en el cuello o enterrar completamente en la nieve, y esto no sucedió. conducir a un deterioro notable en los parámetros de campo. El contacto eléctrico con un objeto de metal, por supuesto, puede afectar en gran medida el marco, pero existe un remedio simple para esto: el aislamiento. Otras ventajas de los marcos pequeños: no requieren un contrapeso (como, por ejemplo, un alfiler corto), son menos exigentes con la calidad del aislamiento, tienen menos efecto sobre los tejidos de los organismos vivos al transmitir (pérdidas en el campo cercano eléctrico de un pequeño dipolo son mucho mayores), y son mecánicamente más fuertes. La direccionalidad con polarización vertical puede ser útil en algunos casos, pero no en otros. El ancho de banda de una antena magnética es algo más estrecho que el de una eléctrica. Sin embargo, como puede verse en las tablas, es un error pensar que cuanto más pequeña es la antena, más estrecho es el ancho de banda. Se evita un aumento en el factor de calidad Qef del circuito dipolar mediante un aumento en las pérdidas en la bobina de adaptación, y se evita un aumento en el factor de calidad del circuito MA con una disminución en el tamaño mediante una disminución en su propia inductancia. Las dificultades en la fabricación y operación de MA radican en asegurar pérdidas activas mínimas en las conexiones. La corriente de lazo es decenas de veces mayor que la corriente del dipolo, por lo que la pérdida de energía en los malos contactos es cientos y miles de veces mayor. En la práctica, esto significa la inadecuación de las conexiones roscadas (soldar o soldar) y la necesidad de elementos de ajuste sin contacto. Así, las ventajas de una antena magnética son mayores, especialmente cuando se opera en ambientes no ferromagnéticos. 4. ¿Tiene una ventaja un marco pequeño de varias vueltas sobre un marco de una sola vuelta del mismo diámetro? Esta es también una de las preguntas, cuya respuesta no es del todo obvia. De la Mesa. 2 y 3, se puede ver que para un marco de una sola vuelta RE1<S1/ 2RA1. Dado que la resistencia a la radiación y la resistencia a la pérdida en el elemento coincidente son proporcionales al cuadrado del número de vueltas (N2) y la resistencia a la pérdida intrínseca es proporcional al número de vueltas (N), la eficiencia del marco de N vueltas es estimado aproximadamente por la fórmula: EN=RS1N/(1+N)RA1. Cálculos precisos en l/l=0,0125 (según la Tabla 2) mostraron que en N=2, la eficiencia con el mismo diámetro (l es el perímetro de la bobina) aumentó en un 29 %, en N=4 - en un 54 %, en N \u10d 75 - en un 2%. En consecuencia, la eficiencia de un pequeño lazo de N vueltas será algo mayor que la de un lazo de una sola vuelta, pero no más de XNUMX veces. En conclusión, destacamos que todas las conclusiones sobre la eficiencia realizadas para antenas transmisoras son válidas para estas antenas y en el modo receptor. Es erróneo suponer que solo la altura efectiva determinará la efectividad. La eficiencia de un pequeño bucle en la recepción no es peor que la de un dipolo del mismo tamaño, a pesar de que la altura efectiva del dipolo es diez veces mayor. Además, la eficiencia de un pórtico de N-vueltas en la recepción no será N veces mayor que la eficiencia de un pórtico de una sola vuelta, a pesar de que la altura efectiva es proporcional a N. Todos los que se han ocupado de la fabricación y las pruebas de los radiogoniómetros deportivos se ha convencido de lo dicho muchas veces. Literatura 1. Andrianov V. Antena de cuadro de banda ancha - Radio, 1991, No. 1, p. 54-56.
Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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