Глава 6. Особенности электрических малых антенн

6.1 Определение понятия “Электрически малый”

Электрические малые антенны с самого начала были важной частью техники связи. Независимо от того, являются ли они малыми по сравнению с

чрезвычайно длинными длинами волн, используемыми на самых низких радиочастотах, или предназначены для экономии места в беспроводных устройствах диапазона ГГц, основные принципы одинаковы. В часть будем рассмотрены эти принципы, при этом основное внимание будет уделено описанию компромиссов производительности небольшого размера.

Определение понятия “Электрически малый”

Существуют различные эмпирические правила для того, чтобы считать антенну электрически маленькой. Наиболее распространенным определением является то, что наибольший размер антенны составляет не

более одной десятой длины волны. Таким образом, диполь с длиной λ/10, петля с диаметром λ/10 или пятно с диагональным размером λ/10 будут считаться электрически малыми [1]. Это определение не делает различий

между различными методами, используемыми для создания электрически малых антенн. На самом деле, большинство работ работа с этими антеннами включает в себя выбор топологий, подходящих для конкретных применений, и разработку внутренних или внешних сетей согласования

Общие области применения

   Петлевые антенны и короткий монополь (хлыст) для приема средних волн (AM-вещание) распространены в домашних и автомобильных развлекательных системах с длинами волн в диапазоне от 200 до 600 метров, эти антенны намного превышают критерий λ/10. Антенны для приема FM-и телевизионного вещания иногда уменьшаются в размерах для удобства и переносимости.

      Вездесущая беспроводная связь 315 или 433 МГц системы дистанционного управления и телеметрии для бесключевого входа, открыватели гаражных ворот, беспроводные дверные звонки и термометры с дистанционным считыванием редко имеют “полноразмерные” резонансные антенны, так как длина волны составляет около 1 метра. Монополь λ/4

будет иметь длину 17 см и требует противовеса аналогичного размера.

      Развивающийся рынок RFID требует низкой стоимости и небольших размеров. Квадратная RFID-метка размером 3 см будет иметь антенну, которая считается электрически маленькой на любой частоте ниже 1 ГГц. Портативные RFID-считыватели позволят использовать несколько большие антенны, но все равно будут соответствовать критерию λ/10 на многих часто используемых частотах. Наконец, конечно, беспроводные телефоны,

которые теперь имеют встроенные GPS, Bluetooth ™

и другие радиосистемы. Только самые большие форм-факторы могут поддерживать антенны, которые достаточно велики, чтобы находиться за пределами электрически малого определения.

 

Малые Типы Антенн

    Наиболее распространенными структурами, используемыми в электрически малых антеннах, являются короткий диполь (или эквивалентное монопольное и заземляющее место), небольшая петля и диэлектрически нагруженный патч.

Каждый из них имеет множество вариаций, соответствующих механическим ограничениям конкретных применений, но эти три являются подходящей основой для понимания проблем, связанных с эффективностью, согласованием импеданса и диаграммами направленности излучения. Мы рассмотрим эту тему, используя классический диполь и петлю в качестве примеров.

Короткий диполь

На рис. 6 (а) показана короткая дипольная антенна. На частоте 100 МГц диполь λ/10 с диаметром проводника 1 мм имеет импеданс в центральной точке подачи 1,96 –j1758 Ом, как определено численным моделированием NEC2 [3].Это низкое сопротивление и высокое емкостное реактивное сопротивление иллюстрируют, что для согласования этой антенны с типичной системой 50 Ом потребуется большое преобразование импеданса.

Распределение тока на коротком диполе-это часть косинусного распределения тока, наблюдаемого на полуволновом резонансном диполе. В этом случае распределение тока почти треугольное (рис.6 (б)). Это распределение тока приводит к диаграмме направленности в свободном пространстве, показанной на рис. 6(в), в плоскости, содержащей антенный провод.Обратите внимание, что небольшой размер этой антенны не сильно снижает эффективность. Максимальный выигрыш 1,77дБ всего на 0,37 дБ меньше, чем коэффициент усиления полуволнового диполя 2,14 дБи. Однако

это только часть истории эффективности. Как будет показано ниже, система согласования является основным фактором снижения эффективности в электрически малых антеннах.

Рис. 6.1. Пример короткого диполя: а) размеры и импеданс; (b) распределение тока и c) диаграмма направленности и коэффициент усиления

 

Маленькая петля

На рис. 6.2(а) показана небольшая круговая петля диаметром λ/10.

Радиационная стойкость небольшой петли может быть рассчитана из:

 

                  =32.172 (A/ )²                                                     (6.1)

где Rr- радиационная стойкость, число 31,171 равно 320π⁴ , с A(площадь петли) и λ(длина волны) в одних и тех же единицах измерения.

    Решение для петли диаметром λ/10, где A= π(λ/20)², установлено, что радиационное сопротивление составляет 1,92 Ом.

Фактическое сопротивление точки подачи будет включать в себя резистивные потери конаре, аналогичные короткому диполю λ/10. Распределение тока почти равномерно на небольшом контуре и мало что говорит о его действии.

Рис.6.2. Небольшая петля также обладает

низкой радиационной стойкостью

 

6.4 Проблемы с Согласованием Импеданса

    Входное сопротивление как короткого диполя, так и малого контура имеет небольшую резистивную составляющую и большую реактивную составляющую. Вызывает беспокойство потеря в согласующей схеме. Даже при относительно высокой добротности реактивные компоненты большого значения будут иметь значительное сопротивление, которое способствует потере системы.

   Например, на рис. 6.3(а) показана идеальная согласующая сеть без потерь для преобразования 1,96 –j1758 Ом короткого диполя в сопротивление системы 50 Ом. Математически это обеспечивает правильное совпадение, хотя и узкополосное. Однако идеальных индукторов не существует. Практичность для индуктора составляет от 50 до 200, в зависимости от

конструкции и влияния связи с окружающей средой. Для 100 каждый индуктор будет иметь резистивные потери XL/Q, или 879/100 =8,79 Ом. Поскольку имеется два индуктора, общее дополнительное сопротивление последовательно с антенным входом составляет 17,58 Ом. Игнорируя меньшие потери от конденсатора, ограничение индуктивности приводит к потере 20 log [1.96/(17.58+1.96)] = 21 дБ.

  На рис. 6.3(b) показана модифицированная согласующая сеть, которая учитывает дополнительные потери. Различные значения демонстрируют, как

эмпирически полученная согласующая сеть (например, определенная методом проб и экспериментов) может получить результаты, далекие от расчетных значений сети, которые не учитывают

потери. Процесс сопоставления аналогичен для малого цикла, за исключением того, что сопоставление включает в себя большое значение XC

вместо XL. Поскольку конденсаторы имеют намного больше, чем индуктивности, казалось бы, что небольшое согласование контуров будет иметь меньшие потери, чем эквивалентное дипольное совпадение. Это, как правило, верно, но обратите внимание, что пример петли занимает площадь, намного большую, чем пример диполя. Петля, более сопоставимая с диполем

по своим физическим размерам, будет меньше и будет иметь меньшее значение Rr, что увеличит соответствующие потери в сети.

 

Рис. 6.3 · Короткое дипольное согласование: (а) идеальные компоненты без потерь и (б)значения, необходимые для практических индукторов с Q 100

 

   6.5 Смягчение проблемы потерь

  Многие технические работы и патенты описывают изменения в структуре небольших антенн таким образом, чтобы повысить радиационную стойкость и/или реализовать методы согласования с меньшими потерями. Нагрузка—добавление емкостных или индуктивных элементов, как сосредоточенных, так и встроенных в антенну, является наиболее распространенной группой. Цилиндры, сложенные элементы, трехмерные структуры, диэлектрический ракурс и другие методы обычно используются для добавления электрической длины к небольшой антенне, повышая

радиационную стойкость.

Часто—возможно, слишком часто— неэффективность небольшой антенны просто включается в расчеты бюджета канала связи и преодолевается за счет увеличения усиления системы, мощности передачи или просто принятия уменьшенного диапазона связи. Это может работать для некоторых приложений, но все эти последствия отрицательно сказываются на производительности системы, снижая производительность и сокращая время автономной работы. Полезное снижение потерь в антенне и согласующей сети может быть простым и дешевым, но требует, чтобы проектировщик знал, что такое улучшение может быть получено.

 

  В радиолюбительской литературе в последнее время появилось много публикаций о малогабаритных приемных и передающих антеннах. Они широко используются (особенно в переносном оборудовании и на движущихся объектах) для приема телеканалов и станций, радиосвязи, определения направления и т. Д. Поэтому сравнительный анализ таких антенн, обсуждение их достоинств и недостатков, а также разговор о некоторых «легендах», касающихся электрически малогабаритных антенн. Всегда ли, например, магнитная приемная антенна лучше электрической антенны при воздействии соседних помех? Попробуем разобраться. Начнем с определений. Электрически малогабаритные антенны (EMA) - это антенны, размеры которых значительно меньше длины волны l, или, согласно С. Щелкунову и Г. Фриису, когда максимальный размер антенны, измеренный на входных клеммах, не превышает 1/8.Электрически малая рамочная антенна называется магнитной антенной (МА). В ближней зоне (на расстояниях намного меньше 1) в передающей МА повсюду преобладает магнитная составляющая H электромагнитного поля (отношение электрической составляющей E к магнитной составляющей - E / H - намного меньше, чем в дальней зоне). Таким образом, приемник MA более восприимчив к переменному магнитному полю, чем к электрическому, то есть он имеет избирательность по компонентам. Электрическая антенна (ЭА) - короткий штырь над проводящей поверхностью или диполь длиной намного меньше 1 - наоборот, более восприимчива к составляющей E. Если окружность рамки сравнима с рабочей длиной волны, она не работает. обладают свойствами МА. Например, кадр с окружностью 11 м не имеет значительной компонентной избирательности в диапазоне KB, скажем, в полосе частот 10-20 МГц. Точно так же диполь с размерами, сопоставимыми с l, не является электрической антенной в указанном смысле. Наличие ферромагнитного сердечника в МА вовсе не обязательно, но если он есть, антенну называют ферритовой.

Теперь о главном.

1. Магнитная антенна для приема в условиях помех не всегда лучше электрической антенны. MA мог бы обеспечить лучшую помехозащищенность среди простых EMA за счет избирательности компонента, если бы электромагнитное поле с преобладанием компоненты E создавалось в зоне, близкой к приемнику, источниками помех. Тем не менее, это не всегда так. Например, переключение в электрических сетях приводит к появлению на участках этих сетей затухающих электромагнитных волн с широким спектром. Если приемная антенна расположена близко к проводам этой сети, то в ближнем поле это воспринимается как импульсная помеха. Амплитуды токовой и напряженной составляющих помехи в заданном узком диапазоне приема чаще всего распределяются по проводам неравномерно: есть зоны тока (максимума) и анодов напряжения (рис.6.4).

 

Рис.6.4. Зоны тока (максимума) и анодов напряжения

     Электромагнитное поле в ближней зоне также неоднородно вдоль линии. Вблизи пучностей тока преобладает магнитная составляющая, а около пучностей напряжения - электрическая составляющая. В области 1 (рис. 1) наилучшую помехозащищенность обеспечит MA, а в области 2 - EA. Эксперименты показали, что интенсивность стоячей волны и распределение пучностей напряжения и тока зависят от множества различных условий, включая количество и характер нагрузок, подключенных к сети. В среднем с такой же вероятностью приемник может находиться вблизи пучности тока или напряжения. Следовательно, магнитная антенна не всегда и не всегда менее восприимчива к «промышленным» помехам, как иногда сообщается. Более того, этого нельзя сказать о рамочных антеннах в целом. Почему действительно всегда есть значительные улучшения в переходе от короткого провода (штыря) к хорошей симметричной экранированной раме, подобной той, которая описана в и (этот факт активно поддерживает рассматриваемое недоразумение.) Дело в том, что обычно короткий провод в качестве антенны не является единственным передающим (приемным) элементом антенной системы; Также задействованы сетевые провода, заземление и другие металлические конструкции, подключенные к корпусу отправителя (получателя) отправителя (получателя). Многим знакома ситуация, когда неон загорается при прикосновении к корпусу передатчика, трубам отопления... Если такая «антенная система» используется при приеме, все эти элементы воспринимают всевозможные помехи и помехи в здании с множеством цепей и линий (электричество, телефон и т. Д.). Однако сделать короткий симметричный диполь даже проще, чем сделать качественный каркас. Необходимо только исключить восприимчивость ЛЭП к электромагнитным полям и исключить проникновение сигналов в приемник по другим побочным трассам, за исключением антенны. Если рассмотренное выше недоразумение было переоценкой избирательности принимающей МА, то другое, также очень распространенное заблуждение состоит в том, что отправляющая МА предположительно намного хуже, чем ЭA. В ряде публикаций утверждается, что небольшие кадры намного менее эффективны при передаче, чем электрические антенны сопоставимого размера, из-за значительно меньшей радиационной стойкости. Действительно, для диполя длиной l< сопротивление излучения (в омах) составляет R_SД=20p²(l/l)², а для круглой рамки с периметром l< R_P=20²(l/)⁴.При тех же l=1 м и l=80 м, R_SP/R_SД=1/6400. Излучаемая мощность равна: Р_S=Ia²R_S, где Ia - эффективное значение тока антенны в точках подключения. Из последнего выражения следует, что мы можем ожидать равенства мощностей, излучаемых нашими антеннами, если ток в контуре в 80 раз превышает входной ток диполя. Это реально? Получается вполне.

        Принимая во внимание потери в согласующих цепях, электрически малый диполь и рама имеют примерно эквивалентную эффективность при работе в режиме передачи. Эффективность антенны E, равная отношению излучаемой мощности к мощности, отбираемой от генератора, зависит не только от сопротивления собственным потерям антенны (Rа), но и от сопротивления потерям в требуемой адаптации элемент (компенсация реактивного сопротивления) Rс: Э=R_S/(R_S+R_A+Rc) см. рис. 6.5.

Рис.6.5. компенсация реактивного сопротивления

Активный импеданс (соп-ния, в Ом) антенн с учетом скин-кадра с периметром l равен

              (6.1)

где d - диаметр проводника (мм), г - относительная магнитная проницаемость материала антенны, s и s_м - удельные сопротивления материала антенны и меди соответственно при длине диполя l: l: R_аД=R_aP/3.. Активные потери в согласующих элементах зависят от их параметров и добротности: Rc=¦Хa¦/Qс, где Хa - реактивная составляющая полного входного импеданса антенны, емкостная для li индуктивная для корпуса, а для ЭMA ¦XaP¦ <¦HaAD¦ Согласующий элемент обеспечивает постоянный резонанс в цепи антенны (Xa + Xc = 0). Фактические добротности для диполя Qsd = 200... 400, для корпуса Qsr = 1000... 2000. Реактивные сопротивления (в омах) можно рассчитать по следующим формулам:

 

               (6.2)

(6.3)

     Они получаются, как и предыдущие, на основе известных соотношений (см. Например). Результаты расчета дипольной и винтовой антенны витка из меди (d = 10 мм) для l = 80 м, Qsd = 200, Qcp = 1000 приведены в таблицах.

Таблица 1.

Данные, рассчитанные для диполя длиной l

Таблица 2.
Расчетные данные для рамки периметром l

Таблица 3.
Расчетные данные для рамки диаметром l

                                  

     Они показывают, что с точки зрения эффективности маленькая рама может быть даже лучше, чем диполь сопоставимых размеров. Хотя, конечно, сама эффективность очень мала и резко падает с уменьшением относительных размеров. Подобные расчеты для алюминия дали снижение эффективности не более чем на 12% для конструкции и 0,2% для конструкции. На длине 160 м при тех же остальных параметрах КПД оказался в среднем на 20% хуже. Представленные результаты согласуются с данными, полученными для штифта над идеально проводящей поверхностью. Следовательно, если КПД платы быстро падает из-за уменьшения R_SP, то КПД диполя уменьшается так же быстро из-за увеличения потерь в соответствующем элементе.