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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA antenas toroidais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Teoria A tarefa atual da tecnologia de antenas é a criação de antenas eletricamente pequenas e eficientes. Eles são necessários tanto para estações de rádio portáteis e móveis nas faixas de HF, VHF e microondas, quanto para sistemas de rádio estacionários de ondas longas em condições de espaço limitado. Este artigo apresenta aos leitores uma das maneiras interessantes de resolver esse problema. As dimensões de uma antena eletricamente pequena são, por definição, muito menores que o comprimento de onda λ no espaço livre. O problema com o projeto de tais antenas é que à medida que o tamanho do sistema radiante diminui, a eficiência da radiação diminui rapidamente. Surgem dificuldades em combinar antenas não ressonantes com fontes (receptores). É possível reduzir as dimensões físicas da antena mantendo as dimensões elétricas (ondas), substituindo os condutores retos por condutores espirais dobrados em forma de hélice (Fig. 1).
Tais estruturas são chamadas de desaceleração. A velocidade de propagação das ondas ao longo do eixo espiral é menor que a velocidade da luz, portanto, o comprimento de onda λs em tal estrutura na mesma frequência é menor que λ. O comprimento físico da antena ressonante pode ser reduzido dezenas de vezes desta forma. Antenas de radiação espiral transversal (perpendicular ao eixo) são amplamente utilizadas em equipamentos de rádio portáteis e estacionários. Se o vibrador linear for enrolado em um anel fechado, obtemos uma moldura (Fig. 2a). A distribuição da corrente elétrica 1e em um quadro eletricamente pequeno pode ser considerada uniforme, portanto irradiará uniformemente em todas as direções azimutais, mas apenas com polarização horizontal (Fig. 2,6), como um vibrador magnético vertical elementar. Se a distribuição da corrente for desigual, o diagrama não será tão simétrico. Quando o comprimento do perímetro do quadro é um múltiplo de um número inteiro de meias ondas, ressonâncias são possíveis em tal antena. Assim, em uma antena quadrada, duas meias ondas são colocadas em seu perímetro.
Nas ondas médias, longas e ultralongas, devido às características de sua propagação, a polarização vertical é preferida. É aqui que o problema de redução das dimensões verticais das antenas é especialmente agudo. Vamos tentar imaginar um vibrador vertical amador de quarto de onda com alcance de 136 kHz e altura de cerca de 550 m! No entanto, não é necessário usar corrente elétrica como fonte de radiação. De acordo com o princípio da dualidade comutativa, se a corrente elétrica do anel uniformemente distribuída (Fig. 2a) for substituída pela corrente magnética IM (uma vez que não existem cargas magnéticas na natureza, esta será uma corrente magnética fictícia, cuja densidade é proporcional à taxa de variação da indução magnética), então no campo de radiação, os vetores dos componentes elétricos e magnéticos mudarão de lugar. Obteremos uma fonte equivalente em padrão de radiação a um vibrador elétrico elementar, no nosso caso vertical (Fig. 3).
Uma corrente magnética de anel pode ser obtida em uma Antena Helicoidal Toroidal (THA), que é formada dobrando uma hélice linear em um anel fechado. A forma da bobina espiral pode ser arbitrária (círculo, retângulo, etc.). Na Fig. A Figura 4 mostra um esboço de um toróide com seção transversal quadrada e as designações de tamanho são indicadas.
Na Fig. A Figura 5a mostra um exemplo de construção de uma antena toroidal de 7 voltas. Em tal sistema, as ressonâncias também são possíveis quando um número inteiro de meias ondas de corrente magnética se ajusta ao longo do eixo do toróide. Mas numa espiral, o comprimento de onda é mais curto, por isso um TNA ressonante pode ter dimensões significativamente menores do que uma estrutura ressonante feita de um fio linear. Na Fig. 5,b,c,d os padrões direcionais espaciais (DP) do TNA são dados tanto para componentes individuais do campo elétrico Eθ, Eφ, quanto para o campo total EΣ. Uma característica dos TNAs ressonantes com um enrolamento espiral é que em nele, além de criar um campo magnético toroidal, componente turbulento da corrente elétrica da espiral, há sempre um componente toroidal (ao longo do eixo do toróide), devido ao qual o campo de radiação contém não apenas o Eθ vertical, mas também um componente Eφ horizontal significativo do campo elétrico.
Para compensar a componente toroidal da corrente elétrica, são feitos dois enrolamentos idênticos, enrolados em direções diferentes (esquerda e direita), e ligados em antifase (Fig. 6a).
Onde os enrolamentos se cruzam, eles não estão conectados. Recebemos uma antena helicoidal toroidal com enrolamentos helicoidais opostos (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Os campos magnéticos na cavidade toróide de ambos os enrolamentos se somam. Nos diagramas da Fig. 6b e 3 fica claro que a participação da componente Eθ no campo de radiação aumentou visivelmente, os mínimos do diagrama total ao longo do eixo y tornaram-se menos profundos, mas novamente não obtivemos o diagrama geral, como na Fig. XNUMX. Isso se explica pelo fato de que o campo magnético na cavidade do toróide não está distribuído uniformemente ao longo do eixo, mas de acordo com a distribuição das amplitudes da onda de corrente estacionária. Mostraremos a seguir como superar esse obstáculo, mas agora consideraremos algumas propriedades interessantes das antenas já descritas. Na Fig. A Figura 7 mostra as dependências de frequência calculadas dos componentes ativo (R) e reativo (X) da impedância de entrada do TNA em a = 0,6 m, h = 0,8 me N = 7. Característica é a alternância de “séries” pares. e ressonâncias “paralelas” estranhas (de natureza semelhante às ressonâncias em circuitos oscilatórios em série e paralelos).
Para efeito de comparação, a tabela mostra os valores calculados das frequências de ressonância (em megahertz) e resistências de ressonância (em quilo-ohms) para esta antena (TNA) e para a antena STNA com os mesmos parâmetros. A natureza da alternância de ressonâncias no STNA é a mesma do TNA, porém, com os mesmos parâmetros, as frequências de ressonância do STNA são mais baixas; isso pode ser explicado pela influência da capacitância entre os enrolamentos. Observe que ambas as antenas não possuem um múltiplo estrito das frequências de ressonância. Os principais parâmetros das antenas toroidais são as dimensões e o número de voltas N. Escolhemos para cálculos e modelagem uma forma de seção transversal em forma de quadrado com lado h. Se negligenciarmos a influência do ambiente dentro e fora do toróide, então, dada a frequência da 1ª ressonância (MHz) e o raio a (m), podemos calcular o tamanho h (m) das antenas discutidas acima usando o fórmulas: para TNA:
para STNA:
As fórmulas foram obtidas por meio de análise de regressão com base nos resultados da modelagem computacional para um diâmetro de fio de 1,3 mm com dimensões de 0,6 m ≤a ≤ 4 m, 0,5 m ≤ h ≤ 4 m, com 0,3 ≤ h / a ≤ 1,3, e faixa de frequência 0,7 MHz <f1 <23 MHz. A raiz do erro quadrático médio nas condições especificadas é de cerca de 0,03 M. A conversão de escala também é possível para outras frequências (todas as dimensões mudam proporcionalmente à mudança no comprimento de onda). Uma característica interessante do STNA é a capacidade de obter (apenas para certas combinações de parâmetros) um padrão de radiação próximo ao isotrópico (Fig. 8).Este padrão foi obtido, em particular, na frequência de 70 MHz para uma antena com parâmetros N = 5, a = 0,2 m e h = 0,27 m em condições de espaço livre.
Na Fig. A Figura 9 mostra as dependências comparativas da eficiência de TNA e STNA na frequência. Via de regra, a eficiência diminui rapidamente à medida que as dimensões principais da antena diminuem e o número de voltas aumenta. A maior eficiência do TNA está na região entre a 2ª e 3ª ressonâncias, para o STNA - na 3ª e 5ª ressonâncias, e seus valores máximos são inferiores aos do TNA. Antenas de ambos os tipos são caracterizadas por mínimos profundos de eficiência em todas as ressonâncias pares acima da segunda. Isto é explicado pela distribuição de corrente nos enrolamentos que é desfavorável à radiação efetiva.
Antenas eletricamente pequenas geralmente têm baixa eficiência e, portanto, são muito sensíveis ao efeito alimentador de antena. Faz sentido usá-los em objetos em movimento com um alimentador muito curto ou sem nenhum. A elipticidade da polarização das antenas toroidais é útil, por exemplo, para garantir comunicação ininterrupta em sistemas móveis, em particular, para recepção estável de programas de radiodifusão FM VHF. Na Fig. A Figura 10 mostra a colocação do STNA com as características conforme Fig. 8 no teto do carro e mostra o padrão de radiação levando em consideração a influência da carroceria e do solo.
Historicamente, o desenvolvimento de antenas toroidais está associado ao desejo de reduzir o tamanho vertical de um sistema radiante com polarização vertical e padrão circular. Conforme observado, em uma antena STNA convencional com uma fonte de excitação não é possível obter uma distribuição uniforme da corrente magnética ao longo do eixo do toróide. Na Fig. 11a mostra as interseções das voltas dos enrolamentos esquerdo e direito em toda a superfície externa do toróide em forma expandida, e na Fig. 12 (curva 1) - distribuição da intensidade do campo magnético ao longo do eixo do toróide para um STNA convencional de 8 voltas em f3 = 27 MHz. Como resultado da distribuição desigual do campo, os padrões de radiação de tal antena são próximos aos mostrados na Fig. 6.
Uma maneira de obter uma distribuição quase uniforme da corrente magnética é dividir os enrolamentos em seções, em cada uma das quais as direções (esquerda e direita) de ambos os enrolamentos mudam para direções opostas aos vizinhos (Fig. 11,6). Em locais onde os enrolamentos são divididos em seções, são instalados terminais para conectar fontes de excitação adicionais. Neste caso, em vez de uma, você precisa conectar quatro fontes idênticas de modo comum. A distribuição da corrente magnética neste caso (Fig. 12,6) é obtida sem alterações de sinal, embora com leves ondulações. Esta solução permitiu obter um padrão numa ampla faixa de frequência que não difere daquele mostrado na Fig. 3. A eficiência calculada do STNA particionado, neste caso, na frequência de 36 MHz, revelou-se aproximadamente duas vezes maior que a do STNA não seccional (59% versus 29%). Concluindo, notamos as vantagens e desvantagens mais importantes das antenas consideradas e as possibilidades de sua aplicação. As vantagens gerais são a redução do tamanho vertical das antenas (devido ao aumento das dimensões horizontais!), a ausência de requisitos de contrapesos e aterramento. Em essência, o TNA é uma moldura feita de um condutor espiral, que permite reduzir as dimensões físicas da antena ressonante. Tal antena é interessante porque possui polarização elíptica, e a dependência do padrão na forma, ambiente e assimetria de conexão permite que tais antenas sejam amplamente e variadamente utilizadas em comunicações, radiodifusão, telemetria e outros equipamentos de rádio portáteis. A presença de um segundo enrolamento oposto no STNA, de modo geral, piora as condições de radiação, daí a menor eficiência. Porém, essas antenas possuem melhor elipticidade de polarização, o que é importante para sistemas de comunicação móvel em condições de multipercurso. O próprio padrão isotrópico de um STNA não seccional é dificilmente viável na prática devido à forte influência do ambiente, mas a impedância de entrada do STNA é fracamente afetada pelos objetos circundantes (e, em particular, pelas superfícies condutoras). STNA não seccional pode encontrar aplicação em dispositivos portáteis para comunicações de rádio de baixo nível e chamadas de rádio pessoais, e em sistemas de comunicação celular nGPS. A principal área de aplicação das antenas toroidais, equivalentes a um vibrador vertical (com polarização vertical e padrão uniforme no plano horizontal), são ondas relativamente longas, para as quais a condutividade da terra (ou água) é bastante elevada. Desvantagens do STNA - tecnologia de fabricação complexa. Ao seccionar antenas, surgem problemas adicionais com a conexão de vários pontos de energia. Desvantagens gerais - quando o tamanho é reduzido, a eficiência da antena diminui drasticamente, e ao tentar melhorá-la (aumentando a espessura e seleção do material do fio, melhorando a qualidade dos dielétricos), a largura de banda é reduzida. Problemas de correspondência ao sintonizar de uma frequência para outra dificultam o uso de antenas toroidais na faixa de frequência. O leitor interessado pode consultar a literatura de patentes [1-4] e os resultados de estudos com a participação do autor [5, 6]. Vários novos métodos para fabricação de um emissor polarizado verticalmente baseado em estruturas toroidais foram propostos em [7]. Em [8], é proposto um algoritmo universal para sintetizar antenas a partir de segmentos com correntes elétricas e magnéticas. Literatura
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ)
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