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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Em antenas de recepção e transmissão de pequeno porte. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Teoria Recentemente, muitas publicações surgiram na literatura de rádio amador sobre antenas de recepção e transmissão de pequeno porte. Eles são amplamente utilizados (especialmente em equipamentos portáteis e em objetos móveis) para recepção de emissoras e de televisão, comunicações de rádio, localização, etc. uma conversa sobre algumas "lendas" relacionadas a antenas eletricamente pequenas. É sempre, por exemplo, que uma antena magnética receptora é melhor do que uma elétrica sob a ação de interferência próxima [1]? Vamos tentar descobrir isso. Vamos começar com as definições. Antenas eletricamente pequenas (ESA) são antenas cujas dimensões são muito menores que o comprimento de onda l ou, por definição de S. Shchelkunov e G. Friis [2], quando o tamanho máximo da antena, medido a partir dos terminais de entrada, não excede l/8. Uma antena de loop eletricamente pequena é chamada de antena magnética (MA), Na zona próxima (a distâncias muito menores que l), transmitindo MA, o componente magnético H do campo eletromagnético prevalece em todos os lugares (a razão entre o componente elétrico E e o magnético - E / H - é muito menor do que na zona distante). O AM receptor é correspondentemente mais suscetível a um campo magnético alternado do que a um campo elétrico, ou seja, possui seletividade de componentes [3]. Uma antena elétrica (EA) - um pino curto acima de uma superfície condutora ou um dipolo com um comprimento muito menor que l - pelo contrário, é mais suscetível ao componente E. Se o perímetro do quadro for comparável ao comprimento de onda operacional, então ele não tem propriedades MA. Assim, por exemplo, um quadro com um perímetro de 11 m não possui seletividade de componente significativa na faixa KB, digamos, na faixa de frequência de 10 a 20 MHz. Da mesma forma, um dipolo comparável a l em tamanho não é uma antena elétrica no sentido indicado. A presença de um núcleo ferromagnético na MA não é necessária, mas se for, a antena é chamada de ferrita. Agora sobre o principal 1. Uma antena magnética na recepção em condições de interferência nem sempre é melhor que uma elétrica. MA poderia fornecer a melhor imunidade a ruídos entre EMAs simples devido à seletividade de componentes se as fontes de interferência criassem um campo eletromagnético com predominância do componente E na zona próxima do dispositivo receptor [3]. No entanto, isso nem sempre é feito. Por exemplo, a comutação em redes de energia leva ao aparecimento de ondas eletromagnéticas amortecidas com amplo espectro em seções dessas redes. Se a antena do receptor estiver localizada perto dos fios dessa rede, no campo próximo ela será percebida como ruído de impulso. As amplitudes dos componentes de corrente e tensão de interferência em uma determinada faixa de recepção estreita são na maioria das vezes distribuídas de forma desigual ao longo dos fios: existem zonas de antinodos de corrente (máximo) e antinodos de tensão (Fig. 1).
O campo eletromagnético na zona próxima também não é homogêneo ao longo da linha. Próximo aos antinodos da corrente predomina a componente magnética, e próximo aos antinodos da tensão, a componente elétrica. Na região 1 (Fig. 1), MA dará a melhor imunidade ao ruído, e na região 2 - EA. Experimentos mostraram [4] que a intensidade das ondas estacionárias e a distribuição dos antinodos de tensão e corrente dependem de muitas condições diferentes, incluindo o número e a natureza das cargas conectadas à rede. Em média, com a mesma probabilidade, o receptor pode estar próximo do antinodo de corrente ou tensão. Assim, nem sempre e em todos os lugares uma antena magnética é menos suscetível a interferências “industriais”, como às vezes é relatado. Além disso, isso não pode ser dito quando se fala de antenas de quadro em geral. Por que é realmente sempre uma melhoria significativa quando se muda de um fio curto (pino) para um bom quadro blindado simétrico, como descrito em [1]? (E este fato apóia ativamente a ilusão em questão). O fato é que na maioria das vezes um fio curto como antena não é o único elemento radiante (receptor) do sistema de antena; os fios da rede elétrica, aterramento e outras estruturas metálicas conectadas à carcaça do transmissor (receptor) também participam da radiação (recepção). Muitos estão familiarizados com a situação em que uma lâmpada de néon brilha quando tocada pelo corpo do transmissor, tubos de aquecimento ... Se esse "sistema de antena" for usado na recepção, todos os elementos listados perceberão todos os tipos de interferência e interferência em um edifício com muitos circuitos e linhas comutadas (energia, telefone, etc.). Mas fazer um dipolo simétrico curto é ainda mais fácil do que um quadro de alta qualidade. Só é necessário eliminar a suscetibilidade da linha de alimentação a campos eletromagnéticos e eliminar a penetração de sinais no receptor por caminhos laterais diferentes da antena. Se o equívoco discutido acima foi uma superestimação da seletividade do MA receptor, então outro equívoco também muito comum é que os MAs supostamente transmissores são muito piores que o EA. Em várias publicações, afirma-se que, ao trabalhar na transmissão, os quadros pequenos são muito menos eficazes do que as antenas elétricas de tamanhos comparáveis, devido à resistência à radiação muito menor. De fato, para um dipolo de comprimento lSД=20p2(l/l)2, enquanto uma moldura redonda com perímetro lSP=20p2(l/l)4. Com o mesmo l=1 m e l=80 m, RSP/RSД=1/6400. A potência irradiada é: PS=Eu2RS, onde Ia é o valor efetivo da corrente da antena nos pontos de conexão. Da última expressão segue-se que podemos esperar a igualdade das potências irradiadas por nossas antenas se a corrente na espira for 80 vezes maior que a corrente de entrada do dipolo. É real? Acontece bastante. 2. Levando em conta as perdas nos circuitos correspondentes, o dipolo eletricamente pequeno e o quadro são aproximadamente equivalentes em termos de eficiência ao trabalhar na transmissão. A eficiência E da antena, que é igual à razão entre a potência irradiada e a potência retirada do gerador, depende não apenas da resistência à perda da própria antena (Ra), mas também da resistência à perda no elemento correspondente necessário ( compensação de reatância) Rc: E \uXNUMXd RS/ (RS+RA+Rc), ver fig. 2.
A resistência ativa (em ohms) das antenas, levando em consideração o efeito pelicular para um quadro com perímetro l, é igual a
onde d é o diâmetro do condutor (mm), mg é a permeabilidade relativa do material da antena, s e sм - resistências específicas do material da antena e cobre, respectivamente, do dipolo de comprimento l: Rinferno=RaP/3. As perdas ativas nos elementos correspondentes dependem de seus parâmetros e fatores de qualidade: Rc=¦Xa¦/Qc, onde Xa é o componente reativo da impedância de entrada da antena, que é capacitiva para le indutiva para o quadro e para EMA ¦XaP¦<¦XaД¦ O elemento de casamento fornece uma ressonância em série no circuito da antena (Xa + Xc = 0). Fatores de qualidade reais para o dipolo Qsd=200...400, para o quadro Qsr=1000...2000. As reatâncias (em ohms) podem ser calculadas usando as fórmulas:
Eles são obtidos, como os anteriores, com base em relações conhecidas (ver, por exemplo, [5-7]). Os resultados dos cálculos das antenas dipolo e loop de uma espira de cobre (d=10 mm), para l=80 m, Qsd=200, Qcp=1000, são mostrados nas tabelas. Tabela 1. Dados calculados para um dipolo de comprimento l
Tabela 2. Dados calculados para um pórtico com perímetro l
Tabela 3. Dados calculados para um quadro com diâmetro l
Eles mostram que, em termos de eficiência, um pequeno loop pode ser ainda melhor do que um dipolo de tamanho comparável. Embora, é claro, a eficiência em si seja muito pequena e cai drasticamente com a diminuição dos tamanhos relativos. Cálculos semelhantes para o alumínio deram uma deterioração na eficiência de não mais que 12% para o quadro e 0,2% para o la. Para l=160 m, com os mesmos outros parâmetros, a eficiência acabou sendo pior em média 20%. Os resultados apresentados estão de acordo com os dados de [8] obtidos para um pino acima de uma superfície perfeitamente condutora. Portanto, se a eficiência do quadro cair rapidamente devido à diminuição de RSP, então a eficiência do dipolo diminui com a mesma rapidez devido ao crescimento das perdas no elemento correspondente. 3. O que é melhor, um pequeno quadro ou um pequeno dipolo, se eles são aproximadamente equivalentes em termos de eficiência? A vantagem mais importante de trabalhar em um ambiente dielétrico com perdas (corpo do operador, materiais de construção, etc.) o efeito sobre o dipolo. O autor testou transmissores com geradores de mesma potência e antenas: diâmetro do quadro 42 cm e comprimento do dipolo 120 cm; comprimento de onda de 82 m. A eficiência de ambas as antenas localizadas no espaço livre (estimada a partir do campo distante) acabou sendo aproximadamente a mesma. O tronco da árvore, o corpo do operador e as mãos ao lado do dipolo mudaram a força do campo dezenas de vezes, e o quadro poderia ser colocado em uma mochila nas costas do operador, colocado no pescoço ou completamente enterrado na neve, e isso não levar a uma deterioração notável nos parâmetros de campo. O contato elétrico com um objeto de metal, é claro, pode afetar muito a estrutura, mas existe um remédio simples para isso - isolamento. Outras vantagens dos quadros pequenos: não requerem um contrapeso (como, por exemplo, um pino curto), são menos exigentes na qualidade do isolamento, têm menos efeito nos tecidos dos organismos vivos ao transmitir (perdas no campo elétrico próximo de um dipolo pequeno são muito maiores), mecanicamente mais fortes. A direcionalidade com polarização vertical pode ser útil em alguns casos, mas não em outros. A largura de banda de uma antena magnética é um pouco mais estreita do que a de uma elétrica. No entanto, como pode ser visto nas tabelas, é um erro pensar que quanto menor a antena, mais estreita é a largura de banda. Um aumento no fator de qualidade Qeff do circuito dipolo é evitado por um aumento nas perdas na bobina correspondente, e um aumento no fator de qualidade do circuito MA com uma diminuição no tamanho é impedido por uma diminuição em sua própria indutância. As dificuldades na fabricação e operação do AM residem em garantir perdas ativas mínimas nas conexões. A corrente de loop é dezenas de vezes maior que a corrente dipolar, então a perda de energia em contatos ruins é centenas e milhares de vezes maior. Na prática, isso significa a inadequação das conexões roscadas (somente solda ou soldagem) e a necessidade de elementos de ajuste sem contato. Assim, as vantagens de uma antena magnética são maiores, principalmente quando operando em ambientes não ferromagnéticos. 4. Um chassi pequeno de várias voltas tem vantagem sobre um chassi de uma volta com o mesmo diâmetro? Esta é também uma das perguntas, cuja resposta não é muito óbvia. Da mesa. 2 e 3, pode-se ver que para um quadro de uma volta RE1<S1/ 2RA1. Uma vez que a resistência à radiação e a resistência à perda no elemento correspondente são proporcionais ao quadrado do número de voltas (N2), e a resistência à perda intrínseca é proporcional ao número de voltas (N), a eficiência do quadro de N-voltas é aproximadamente estimado pela fórmula:N=RS1N/(1+N)RA1. Cálculos precisos em l/l=0,0125 (de acordo com a Tabela 2) mostraram que em N=2, a eficiência com o mesmo diâmetro (l é o perímetro da bobina) aumentou em 29%, em N=4 - em 54%, em N \u10d 75 - em 2%. Consequentemente, a eficiência de um pequeno loop de N-voltas será um pouco maior do que um loop de uma volta, mas não mais de XNUMX vezes. Em conclusão, ressaltamos que todas as conclusões sobre a eficiência feitas para antenas transmissoras são válidas para essas antenas e no modo de recepção. É errado supor que apenas a altura efetiva determinará a eficácia. A eficiência de um pequeno loop na recepção não é pior que a de um dipolo do mesmo tamanho, apesar de a altura efetiva do dipolo ser dez vezes maior. Além disso, a eficiência de um loop de N-voltas na recepção não será N vezes maior do que a eficiência de um loop de uma volta, apesar de a altura efetiva ser proporcional a N. Todos que lidaram com a fabricação e teste de Os localizadores de direção esportiva estão convencidos do que foi dito muitas vezes. Literatura 1. Antena de quadro de banda larga Andrianov V. - Rádio, 1991, No. 1, p. 54-56.
Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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