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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA antenas toroidales. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Antenas. Teoría Una tarea urgente de la tecnología de antenas es la creación de antenas eficientes eléctricamente pequeñas. Son necesarios tanto para estaciones de radio portátiles y móviles KB, VHF y bandas de microondas, como para sistemas de radio estacionarios de onda larga en condiciones de espacio limitado. El artículo propuesto presenta a los lectores una de las formas interesantes de resolver este problema. Las dimensiones de una antena eléctricamente pequeña son, por definición, mucho más pequeñas que la longitud de onda λ en el espacio libre. El problema de diseñar tales antenas es que a medida que disminuye el tamaño del sistema radiante, la eficiencia de la radiación disminuye rápidamente. Surgen dificultades al hacer coincidir antenas no resonantes con fuentes (receptores). Es posible reducir las dimensiones físicas de la antena manteniendo las dimensiones eléctricas (onda) reemplazando los conductores rectos por conductores en espiral doblados en forma de hélice (Fig. 1).
Tales estructuras se denominan retardantes. La velocidad de propagación de la onda a lo largo del eje de la espiral es menor que la velocidad de la luz, por lo que la longitud de onda λs en dicha estructura a la misma frecuencia es menor que λ. La longitud física de una antena resonante se puede reducir diez veces de esta manera. Las antenas de radiación helicoidales transversales (perpendiculares al eje) se utilizan ampliamente en equipos de radio portátiles y fijos. Si el vibrador lineal se pliega en un anillo cerrado, obtenemos un marco (Fig. 2, a). La distribución de la corriente eléctrica 1e en un marco eléctricamente pequeño puede considerarse uniforme, por lo que irradiará uniformemente en todas las direcciones azimutales, pero solo con polarización horizontal (Fig. 2,6), como un vibrador magnético vertical elemental. Con una distribución de corriente desigual, el diagrama no será tan simétrico. Cuando la longitud del perímetro del marco es un múltiplo de un número entero de medias ondas, las resonancias son posibles en dicha antena. Así, en una antena de tipo "cuadrada", en su perímetro caben dos medias ondas.
En ondas medias, largas y extralargas, por las peculiaridades de su propagación, se prefiere la polarización vertical. Es aquí donde el problema de reducir las dimensiones verticales de las antenas es particularmente agudo. ¡Intentemos imaginar un vibrador vertical amateur de cuarto de onda en el rango de 136 kHz con una altura de aproximadamente 550 m! Sin embargo, no es en absoluto necesario utilizar corriente eléctrica como fuente de radiación. De acuerdo con el principio de dualidad permutacional, si una corriente eléctrica de anillo distribuida uniformemente (Fig. 2a) se reemplaza por una corriente magnética IM (dado que no hay cargas magnéticas en la naturaleza, esta será una corriente magnética ficticia, cuya densidad es proporcional a la tasa de cambio de la inducción magnética), entonces en el campo de radiación los vectores de los componentes eléctricos y magnéticos cambiarán de lugar. Obtendremos una fuente equivalente en cuanto al patrón de directividad a un vibrador eléctrico elemental, en nuestro caso vertical (Fig. 3).
La corriente magnética anular se puede obtener en una antena helicoidal toroidal (antena helicoidal toroidal, THA), que se forma doblando una espiral lineal en un anillo cerrado. La forma de la bobina en espiral puede ser arbitraria (círculo, rectángulo, etc.). En la fig. 4 muestra un boceto de un toroide con forma de sección transversal cuadrada y se indican las designaciones de tamaño.
En la fig. 5a muestra un ejemplo de construcción de una antena toroidal de 7 vueltas. Las resonancias también son posibles en un sistema de este tipo, cuando un número entero de medias ondas de la corriente magnética se ajustan a lo largo del eje del toroide. Pero en una espiral, la longitud de onda es más corta, por lo que el TNA resonante puede ser mucho más pequeño que el marco resonante de un cable lineal. En la fig. 5,b,c,d los diagramas de directividad espacial (RP) de los HPP se dan tanto en términos de componentes individuales del campo eléctrico Eθ, Eφ, como en el campo total EΣ componente horizontal Eφ del campo eléctrico.
Para compensar el componente toroidal de la corriente eléctrica, se hacen dos bobinados idénticos, enrollados en diferentes direcciones (izquierda y derecha), y se encienden en antifase (Fig. 6, a).
Los devanados no están conectados en las intersecciones. Recibimos una antena helicoidal toroidal con devanados contrahelicoidales (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Los campos magnéticos en la cavidad del toroide de ambos devanados se suman. En los diagramas de la Fig. Se puede ver en la Fig. 6b y la Fig. 3b que la fracción del componente Eθ en el campo de radiación aumentó notablemente, los mínimos del diagrama total a lo largo del eje y se hicieron menos profundos, pero nuevamente no obtuvimos el diagrama general, como en la Fig. XNUMX. Esto se explica por el hecho de que el campo magnético en la cavidad del toroide no se distribuye uniformemente a lo largo del eje, sino de acuerdo con la distribución de las amplitudes de la onda de corriente estacionaria. Cómo superar este obstáculo, lo mostraremos a continuación, y ahora consideraremos algunas propiedades interesantes de las antenas ya descritas. En la fig. La figura 7 muestra las dependencias de frecuencia calculadas de los componentes activo (R) y reactivo (X) de la impedancia de entrada del HP a a = 0,6 m, h = 0,8 m y N = 7. La alternancia de resonancias pares "serie" e impares "paralelo" (de naturaleza similar a las resonancias en circuitos oscilatorios en serie y paralelo) es característica.
A modo de comparación, la tabla muestra los valores calculados de frecuencias resonantes (en megahercios) e impedancias resonantes (en kiloohmios) para esta antena (TNA) y para la antena STNA con los mismos parámetros. La naturaleza de la alternancia de resonancias en STNA es la misma que en TNA, sin embargo, con los mismos parámetros, las frecuencias de resonancia de STNA son más bajas; esto puede explicarse por el efecto de la capacitancia entre los devanados. Tenga en cuenta que ambas antenas no tienen una multiplicidad estricta de frecuencias resonantes. Los parámetros principales de las antenas toroidales son las dimensiones y el número de vueltas N. Para los cálculos y el modelado, elegimos una forma de sección transversal en forma de cuadrado con lado h. Si despreciamos la influencia del medio dentro y fuera del toroide, entonces, dada la frecuencia de la primera resonancia (MHz) y el radio a (m), podemos calcular el tamaño h (m) de las antenas anteriores utilizando las fórmulas: para TNA:
para STNA:
Las fórmulas se obtuvieron utilizando análisis de regresión basados en los resultados de la simulación por computadora para un diámetro de alambre de 1,3 mm, tamaños de 0,6 m ≤a ≤ 4 m, 0,5 m ≤h≤4m, con 0,3 ≤h/a ≤1,3 y un rango de frecuencia de 0,7 MHz < f1 < 23 MHz. El error cuadrático medio en las condiciones especificadas es de aproximadamente 0,03 M. También es posible volver a calcular la escala para otras frecuencias (todas las dimensiones cambian en proporción al cambio en la longitud de onda). Una característica interesante de STNA es la posibilidad de obtener (solo para ciertas combinaciones de parámetros) un patrón de radiación cercano al isotrópico (Fig. 8), este patrón se obtuvo, en particular, a una frecuencia de 70 MHz para una antena con parámetros N = 5, a = 0,2 m y h = 0,27 m en condiciones de espacio libre.
En la fig. 9 muestra las dependencias comparativas de la eficiencia de TNA y STNA en la frecuencia. Como regla general, la eficiencia disminuye rápidamente con una disminución en las dimensiones principales de la antena y un aumento en el número de vueltas. La eficiencia más alta para TNA se encuentra en la región entre la 2.ª y la 3.ª resonancia, para STNA, en la 3.ª y 5.ª resonancia, y sus valores máximos son más bajos que para TNA. Ambos tipos de antenas se caracterizan por profundos mínimos de eficiencia en todas las resonancias, incluso por encima de la segunda. Esto se explica por la distribución desfavorable de corriente en los devanados para una radiación efectiva.
Las antenas eléctricamente pequeñas generalmente tienen una eficiencia baja y, por lo tanto, son muy sensibles a los efectos de la antena alimentadora. Tiene sentido usarlos en objetos en movimiento con un alimentador muy corto o sin él. La polarización elíptica de las antenas toroidales es útil, por ejemplo, para garantizar una comunicación ininterrumpida en sistemas móviles, en particular, para la recepción estable de programas de radiodifusión VHF FM. En la fig. 10 muestra la colocación de STNA con la característica según la fig. 8 en el techo del automóvil y muestra el patrón de radiación, teniendo en cuenta la influencia de la carrocería y el suelo.
Históricamente, el desarrollo de antenas toroidales está asociado con el deseo de reducir el tamaño vertical del sistema radiante con polarización vertical y patrón circular. Como se ha señalado, en una antena STHA convencional con una sola fuente de excitación, no es posible obtener una distribución uniforme de la corriente magnética a lo largo del eje del toroide. En la fig. 11,a muestra la intersección de las vueltas de los devanados izquierdo y derecho en toda la superficie exterior del toroide en forma expandida, y en la fig. 12 (curva 1) - distribución de la intensidad del campo magnético a lo largo del eje del toroide para un STNA convencional de 8 vueltas a f3 = 27 MHz. Como resultado de la distribución desigual del campo, los diagramas de radiación de una antena de este tipo son similares a los que se muestran en la Fig. 6.
Una forma de obtener una distribución casi uniforme de la corriente magnética es dividir los devanados en secciones, en cada una de las cuales las direcciones (izquierda y derecha) de ambos devanados cambian a la opuesta de las vecinas (Fig. 11,6). En lugares donde los devanados se dividen en secciones, se instalan terminales para conectar fuentes de excitación adicionales. En este caso, en lugar de uno, debe conectar cuatro fuentes de modo común idénticas. En este caso, la distribución de la corriente magnética (Fig. 12,6) se obtiene sin cambios de signo, aunque con pequeñas ondulaciones. Tal solución hizo posible obtener un RP en una amplia banda de frecuencias que no difiere de la que se muestra en la Fig. 3. La eficiencia calculada del STNA seccionado en este caso a una frecuencia de 36 MHz resultó ser aproximadamente el doble que la del STNA no seccionado (59% versus 29%). En conclusión, notamos las ventajas y desventajas más importantes de las antenas consideradas y la posibilidad de su aplicación. Las ventajas generales son una disminución en el tamaño vertical de las antenas (¡debido a un aumento en las dimensiones horizontales!), sin requisitos para contrapesos y conexión a tierra. En esencia, THA es un marco hecho de un conductor en espiral, lo que permitió reducir las dimensiones físicas de la antena resonante. Una antena de este tipo ya es interesante porque tiene una polarización elíptica y la dependencia del RP de la forma, el entorno y la asimetría de la conexión permite que dichas antenas se utilicen de forma amplia y variada en comunicaciones, radiodifusión, telemetría y otros equipos de radio portátiles. La presencia de un segundo devanado opuesto en STNA, en términos generales, empeora las condiciones de radiación, por lo tanto, la menor eficiencia. Sin embargo, estas antenas tienen una mejor elipticidad de polarización, lo cual es importante para los sistemas de comunicaciones móviles en condiciones de trayectos múltiples. El RP isotrópico de un STNA no seccionado es difícilmente factible en la práctica debido a la fuerte influencia del entorno, pero los objetos circundantes (y, en particular, las superficies conductoras) tienen poco efecto sobre la impedancia de entrada del STNA. STNA sin particiones se puede utilizar en dispositivos portátiles para comunicación por radio de bajo nivel y llamadas de radio personales, en sistemas de comunicación celular nGPS. El principal campo de aplicación de las antenas toroidales equivalentes a un vibrador vertical (con polarización vertical y patrón de radiación uniforme en el plano horizontal) son las ondas relativamente largas, para las cuales la conductividad de la tierra (o del agua) es suficientemente grande. Contras STNA - una tecnología de fabricación compleja. Al seccionar antenas, hay problemas adicionales al conectar varios puntos de alimentación. Desventajas generales: con una disminución en el tamaño, la eficiencia de la antena disminuye considerablemente, y cuando se intenta mejorarla (aumentando el grosor y la selección del material del cable, mejorando la calidad de los dieléctricos), el ancho de banda disminuye. Los problemas de coincidencia al sintonizar de una frecuencia a otra dificultan el uso de antenas toroidales en el rango de frecuencia. El lector interesado puede consultar la literatura de patentes [1-4] y los resultados de estudios con la participación del autor [5, 6]. En [7], se propusieron varios métodos nuevos para fabricar un emisor polarizado verticalmente basado en estructuras toroidales. En [8] se propuso un algoritmo universal para sintetizar antenas a partir de segmentos con corrientes eléctricas y magnéticas. Literatura
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ)
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