Antena toroidal. Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik

Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik / Antena. Teori

Komen artikel

Tugas semasa teknologi antena ialah penciptaan antena kecil elektrik yang cekap. Ia diperlukan untuk kedua-dua stesen radio mudah alih dan mudah alih bagi julat HF, VHF dan gelombang mikro, dan untuk sistem radio gelombang panjang pegun dalam keadaan ruang terhad. Artikel ini memperkenalkan pembaca kepada salah satu cara menarik untuk menyelesaikan masalah ini.

Dimensi antena elektrik kecil, mengikut definisi, jauh lebih kecil daripada panjang gelombang λ dalam ruang bebas. Masalah dengan mereka bentuk antena sedemikian ialah apabila saiz sistem penyinaran berkurangan, kecekapan sinaran berkurangan dengan cepat. Kesukaran timbul dalam memadankan antena bukan resonan dengan sumber (penerima).

Adalah mungkin untuk mengurangkan dimensi fizikal antena sambil mengekalkan dimensi elektrik (gelombang) dengan menggantikan konduktor lurus dengan konduktor lingkaran yang dibengkokkan dalam bentuk heliks (Rajah 1).

Struktur sedemikian dipanggil yang perlahan. Kelajuan perambatan gelombang di sepanjang paksi lingkaran adalah kurang daripada kelajuan cahaya, oleh itu panjang gelombang λs dalam struktur sedemikian pada frekuensi yang sama adalah kurang daripada λ. Panjang fizikal antena resonans boleh dikurangkan berpuluh kali ganda dengan cara ini. Antena sinaran melintang lingkaran (berserenjang dengan paksi) digunakan secara meluas dalam peralatan radio mudah alih dan pegun.

Jika penggetar linear digulung ke dalam cincin tertutup, kita mendapat bingkai (Rajah 2a). Pengagihan arus elektrik 1e dalam bingkai kecil elektrik boleh dianggap seragam, jadi ia akan memancar secara seragam dalam semua arah azimut, tetapi hanya dengan polarisasi mendatar (Rajah 2,6), seperti penggetar magnet menegak asas. Jika taburan semasa tidak sekata, gambar rajah tidak akan simetri. Apabila panjang perimeter bingkai ialah gandaan nombor integer separuh gelombang, resonans mungkin dalam antena sedemikian. Jadi, dalam antena jenis segi empat sama, dua separuh gelombang diletakkan pada perimeternya.

Pada gelombang sederhana, panjang dan ultra panjang, kerana ciri-ciri penyebarannya, polarisasi menegak lebih disukai. Di sinilah masalah mengurangkan dimensi menegak antena adalah sangat akut. Mari cuba bayangkan penggetar menegak gelombang suku amatur dengan julat 136 kHz dan ketinggian kira-kira 550 m! Walau bagaimanapun, ia tidak perlu sama sekali menggunakan arus elektrik sebagai sumber sinaran. Selaras dengan prinsip dualiti komutatif, jika arus elektrik gelang teragih seragam (Rajah 2a) digantikan dengan arus magnetik IM (kerana tiada cas magnet dalam alam semula jadi, ini akan menjadi arus magnet rekaan, yang ketumpatannya adalah berkadar dengan kadar perubahan aruhan magnet), maka dalam sinaran medan, vektor komponen elektrik dan magnet akan bertukar tempat. Kami akan memperoleh sumber yang setara dalam corak sinaran kepada penggetar elektrik asas, dalam kes kami menegak (Rajah 3).

Arus magnet gelang boleh diperolehi dalam Antena Heliks Toroidal (THA), yang dibentuk dengan melipat heliks linear ke dalam gelang tertutup. Bentuk gegelung lingkaran boleh sewenang-wenangnya (bulatan, segi empat tepat, dll.). Dalam Rajah. Rajah 4 menunjukkan lakaran toroid dengan keratan rentas segi empat sama dan sebutan saiz ditunjukkan.

Dalam Rajah. Rajah 5a menunjukkan contoh membina antena toroidal 7 pusingan. Dalam sistem sedemikian, resonans juga mungkin berlaku apabila nombor integer separuh gelombang arus magnet sesuai di sepanjang paksi toroid. Tetapi dalam lingkaran, panjang gelombang lebih pendek, jadi TNA resonan boleh mempunyai dimensi yang jauh lebih kecil daripada bingkai resonan yang diperbuat daripada wayar linear.

Dalam Rajah. 5,b,c,d corak arah spatial (DP) TNA diberikan kedua-dua komponen individu medan elektrik Eθ, Eφ, dan untuk jumlah medan EΣ. Ciri TNA resonan dengan satu belitan lingkaran ialah dalam ia, sebagai tambahan kepada mencipta komponen pusaran medan magnet toroidal bagi arus elektrik lingkaran, sentiasa terdapat komponen toroidal (di sepanjang paksi toroid), kerana medan sinaran mengandungi bukan sahaja Eθ menegak, tetapi juga komponen Eφ mendatar yang ketara bagi medan elektrik.

Untuk mengimbangi komponen toroidal arus elektrik, dua belitan yang sama dibuat, digulung dalam arah yang berbeza (kiri dan kanan), dan ia dihidupkan dalam antifasa (Rajah 6a).

Di mana belitan bersilang, mereka tidak bersambung. Kami menerima antena heliks toroidal dengan belitan heliks bertentangan (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Medan magnet dalam rongga toroid daripada kedua-dua belitan bertambah. Dalam rajah dalam Rajah. 6b dan 3 adalah jelas bahawa bahagian komponen Eθ dalam medan sinaran telah meningkat dengan ketara, minima jumlah rajah sepanjang paksi y telah menjadi kurang dalam, tetapi sekali lagi kami tidak memperoleh rajah keseluruhan, seperti dalam Rajah. XNUMX. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa medan magnet dalam rongga toroid tidak diedarkan secara seragam di sepanjang paksi, tetapi mengikut taburan amplitud gelombang semasa berdiri. Kami akan menunjukkan di bawah bagaimana untuk mengatasi halangan ini, tetapi sekarang kami akan mempertimbangkan beberapa sifat menarik antena yang telah diterangkan.

Dalam Rajah. Rajah 7 menunjukkan kebergantungan frekuensi yang dikira bagi komponen aktif (R) dan reaktif (X) bagi galangan input TNA pada a = 0,6 m, h = 0,8 m dan N = 7. Ciri ialah selang seli bagi "siri" genap dan resonans "selari" ganjil (bersifat serupa dengan resonans dalam litar berayun siri dan selari).

Sebagai perbandingan, jadual menunjukkan nilai yang dikira bagi frekuensi resonans (dalam megahertz) dan rintangan resonan (dalam kilo-ohm) untuk antena ini (TNA) dan untuk antena STNA dengan parameter yang sama.

Sifat penggantian resonans dalam STNA adalah sama seperti dalam TNA, namun, dengan parameter yang sama, frekuensi resonans STNA adalah lebih rendah; ini boleh dijelaskan oleh pengaruh kapasitansi antara belitan. Ambil perhatian bahawa kedua-dua antena tidak mempunyai gandaan ketat bagi frekuensi resonans.

Parameter utama antena toroidal ialah dimensi dan bilangan lilitan N. Kami memilih untuk pengiraan dan memodelkan bentuk keratan rentas dalam bentuk segi empat sama dengan sisi h. Jika kita mengabaikan pengaruh persekitaran di dalam dan di luar toroid, maka, memandangkan kekerapan resonans pertama (MHz) dan jejari a (m), kita boleh mengira saiz h (m) antena yang dibincangkan di atas menggunakan formula:

untuk TNA:

untuk STNA:

Formula tersebut diperolehi menggunakan analisis regresi berdasarkan hasil pemodelan komputer untuk diameter wayar 1,3 mm dengan dimensi 0,6 m ≤a ≤ 4 m, 0,5 m ≤ h ≤ 4 m, dengan 0,3 ≤ h / a ≤ 1,3, dan julat frekuensi 0,7 MHz < f1 < 23 MHz. Punca ralat purata kuasa dua di bawah keadaan yang ditentukan ialah kira-kira 0,03 m. Penukaran skala juga mungkin untuk frekuensi lain (semua dimensi berubah secara berkadar dengan perubahan dalam panjang gelombang).

Ciri menarik STNA ialah keupayaan untuk mendapatkan (hanya untuk kombinasi parameter tertentu) corak sinaran isotropik yang hampir (Rajah 8). Corak ini diperoleh, khususnya, pada frekuensi 70 MHz untuk antena dengan parameter N = 5, a = 0,2 m dan h = 0,27 m dalam keadaan ruang bebas.

Dalam Rajah. Rajah 9 menunjukkan pergantungan perbandingan kecekapan TNA dan STNA pada kekerapan. Sebagai peraturan, kecekapan berkurangan dengan cepat apabila dimensi utama antena berkurangan dan bilangan lilitan meningkat. Kecekapan tertinggi TNA adalah di rantau antara resonans ke-2 dan ke-3, untuk STNA - pada resonans ke-3 dan ke-5, dan nilai maksimumnya lebih rendah daripada TNA. Antena kedua-dua jenis dicirikan oleh minima kecekapan dalam pada semua resonans sekata di atas kedua. Ini dijelaskan oleh pengagihan semasa dalam belitan yang tidak menguntungkan untuk sinaran berkesan.

Antena kecil secara elektrik umumnya mempunyai kecekapan yang rendah dan oleh itu sangat sensitif kepada kesan penyuap antena. Ia masuk akal untuk menggunakannya pada objek bergerak dengan penyuap yang sangat pendek atau tanpa satu sama sekali. Elipsiti polarisasi antena toroid adalah berguna, sebagai contoh, untuk memastikan komunikasi tidak terganggu dalam sistem mudah alih, khususnya, untuk penerimaan stabil program penyiaran radio VHF FM. Dalam Rajah. Rajah 10 menunjukkan penempatan STNA dengan ciri-ciri mengikut Rajah. 8 di atas bumbung kereta dan menunjukkan corak sinaran dengan mengambil kira pengaruh badan dan tanah.

Dari segi sejarah, pembangunan antena toroidal dikaitkan dengan keinginan untuk mengurangkan saiz menegak sistem penyinaran dengan polarisasi menegak dan corak bulat. Seperti yang dinyatakan, dalam antena STNA konvensional dengan satu sumber pengujaan adalah tidak mungkin untuk mendapatkan pengagihan seragam arus magnet di sepanjang paksi toroid. Dalam Rajah. 11a menunjukkan persilangan lilitan belitan kiri dan kanan pada seluruh permukaan luar toroid dalam bentuk kembang, dan dalam Rajah. 12 (lengkung 1) - taburan kekuatan medan magnet di sepanjang paksi toroid untuk STNA konvensional 8 pusingan pada f3 = 27 MHz. Hasil daripada pengagihan medan yang tidak sekata, corak sinaran antena sedemikian adalah hampir dengan yang ditunjukkan dalam Rajah. 6.

Satu cara untuk mendapatkan pengagihan arus magnet yang hampir seragam adalah dengan membahagikan belitan kepada bahagian, di mana setiap satu arah (kiri dan kanan) kedua-dua belitan bertukar kepada yang bertentangan dengan yang bersebelahan (Rajah 11,6). Di tempat di mana belitan dibahagikan kepada bahagian, terminal dipasang untuk menyambung sumber pengujaan tambahan. Dalam kes ini, bukannya satu, anda perlu menyambungkan empat sumber mod biasa yang serupa. Pengagihan arus magnet dalam kes ini (Rajah 12,6) diperoleh tanpa perubahan tanda, walaupun dengan sedikit riak.

Penyelesaian ini memungkinkan untuk mendapatkan corak pada jalur frekuensi lebar yang tidak berbeza daripada yang ditunjukkan dalam Rajah. 3. Kecekapan pengiraan STNA terbahagi dalam kes ini pada frekuensi 36 MHz ternyata lebih kurang dua kali lebih tinggi daripada STNA bukan keratan (59% berbanding 29%).

Sebagai kesimpulan, kami perhatikan kelebihan dan kekurangan yang paling penting dari antena yang dipertimbangkan dan kemungkinan penggunaannya.

Kelebihan umum ialah pengurangan saiz menegak antena (disebabkan peningkatan dalam dimensi mendatar!), tiada keperluan untuk pengimbang dan pembumian.

Pada dasarnya, TNA ialah bingkai yang diperbuat daripada konduktor lingkaran, yang memungkinkan untuk mengurangkan dimensi fizikal antena resonans. Antena sedemikian menarik kerana ia mempunyai polarisasi elips, dan pergantungan corak pada bentuk, persekitaran dan asimetri sambungan membolehkan antena tersebut digunakan secara meluas dan pelbagai dalam komunikasi, penyiaran, telemetri dan peralatan radio mudah alih yang lain.

Kehadiran belitan kedua yang bertentangan dalam STNA, secara amnya, memburukkan keadaan sinaran, oleh itu kecekapan yang lebih rendah. Walau bagaimanapun, antena ini mempunyai eliptik polarisasi yang lebih baik, yang penting untuk sistem komunikasi mudah alih dalam keadaan berbilang laluan. Corak isotropik STNA bukan keratan itu sendiri sukar dilaksanakan dalam amalan kerana pengaruh persekitaran yang kuat, tetapi impedans input STNA dipengaruhi dengan lemah oleh objek sekeliling (dan, khususnya, permukaan konduktif). STNA bukan keratan boleh mencari aplikasi dalam peranti mudah alih untuk komunikasi radio peringkat rendah dan panggilan radio peribadi, dan dalam sistem komunikasi selular nGPS.

Kawasan utama penggunaan antena toroidal, bersamaan dengan penggetar menegak (dengan polarisasi menegak dan corak seragam dalam satah mendatar), adalah gelombang yang agak panjang, yang mana kekonduksian bumi (atau air) agak tinggi.

Kelemahan STNA - teknologi pembuatan kompleks. Apabila membahagikan antena, kerumitan tambahan timbul dengan menyambungkan berbilang mata kuasa.

Kelemahan umum - apabila saiz dikurangkan, kecekapan antena berkurangan secara mendadak, dan apabila cuba memperbaikinya (dengan meningkatkan ketebalan dan pemilihan bahan wayar, meningkatkan kualiti dielektrik), lebar jalur dikurangkan. Masalah pemadanan semasa menala dari satu frekuensi ke frekuensi yang lain menyukarkan penggunaan antena toroidal dalam julat frekuensi.

Pembaca yang berminat boleh merujuk kepada literatur paten [1-4] dan hasil kajian dengan penyertaan penulis [5, 6]. Beberapa kaedah baru untuk menghasilkan pemancar terkutub menegak berdasarkan struktur toroid telah dicadangkan dalam [7]. Dalam [8], algoritma universal untuk mensintesis antena daripada segmen dengan arus elektrik dan magnet dicadangkan.

Kesusasteraan

1. No. Paten AS 4751515.
2. No. Paten AS 5654723.
3. No. Paten AS 6204821.
4. No. Paten AS 6239760.
5. Gavrilin A. T., Grechikhin A. I., Proskuryakov D. V. Kajian ciri-ciri antena toroidal dengan belitan lingkaran yang bertentangan. - Kejuruteraan radio, 2001, No. 9.
6. Grechikhin A.I., Okunev A.G. Kajian tentang keberkesanan antena toroidal STNA. - Dalam buku: "Sistem dan peranti radio-elektronik dan telekomunikasi" / Interuniversity. koleksi saintifik berfungsi Vol. 7: N. Novgorod, NSTU, 2001.
7. No. Paten AS 6300920. 8- No. Paten AS 6218998.

Pengarang: A. Grechikhin (UA3TZ)

Lihat artikel lain bahagian Antena. Teori.

Baca dan tulis berguna komen pada artikel ini.

<< Belakang

Berita terkini sains dan teknologi, elektronik baharu:

Kandungan alkohol bir hangat 07.05.2024

Bir, sebagai salah satu minuman beralkohol yang paling biasa, mempunyai rasa uniknya sendiri, yang boleh berubah bergantung pada suhu penggunaan. Satu kajian baru oleh pasukan saintis antarabangsa telah mendapati bahawa suhu bir mempunyai kesan yang ketara terhadap persepsi rasa alkohol. Kajian yang diketuai oleh saintis bahan Lei Jiang, mendapati bahawa pada suhu yang berbeza, molekul etanol dan air membentuk pelbagai jenis kelompok, yang mempengaruhi persepsi rasa alkohol. Pada suhu rendah, lebih banyak gugusan seperti piramid terbentuk, yang mengurangkan kepedasan rasa "etanol" dan menjadikan rasa minuman kurang alkohol. Sebaliknya, apabila suhu meningkat, gugusan menjadi lebih seperti rantai, menghasilkan rasa alkohol yang lebih ketara. Ini menjelaskan mengapa rasa beberapa minuman beralkohol, seperti baijiu, boleh berubah bergantung pada suhu. Data yang diperoleh membuka prospek baharu bagi pengeluar minuman, ...>>

Faktor risiko utama untuk ketagihan perjudian 07.05.2024

Permainan komputer menjadi satu bentuk hiburan yang semakin popular di kalangan remaja, tetapi risiko ketagihan permainan yang berkaitan masih menjadi masalah yang ketara. Para saintis Amerika menjalankan kajian untuk menentukan faktor utama yang menyumbang kepada ketagihan ini dan menawarkan cadangan untuk pencegahannya. Sepanjang enam tahun, 385 remaja telah diikuti untuk mengetahui faktor yang boleh menyebabkan mereka ketagihan perjudian. Keputusan menunjukkan bahawa 90% peserta kajian tidak berisiko mengalami ketagihan, manakala 10% menjadi penagih judi. Ternyata faktor utama dalam permulaan ketagihan perjudian adalah tahap tingkah laku prososial yang rendah. Remaja dengan tahap tingkah laku prososial yang rendah tidak menunjukkan minat terhadap bantuan dan sokongan orang lain, yang boleh menyebabkan kehilangan hubungan dengan dunia sebenar dan pergantungan yang semakin mendalam pada realiti maya yang ditawarkan oleh permainan komputer. Berdasarkan keputusan ini, saintis ...>>

Kebisingan lalu lintas melambatkan pertumbuhan anak ayam 06.05.2024

Bunyi yang mengelilingi kita di bandar moden semakin menusuk. Walau bagaimanapun, sedikit orang berfikir tentang bagaimana bunyi ini menjejaskan dunia haiwan, terutamanya makhluk halus seperti anak ayam yang belum menetas dari telur mereka. Penyelidikan baru-baru ini menjelaskan isu ini, menunjukkan akibat yang serius untuk pembangunan dan kelangsungan hidup mereka. Para saintis telah mendapati bahawa pendedahan anak ayam zebra diamondback kepada bunyi lalu lintas boleh menyebabkan gangguan serius kepada perkembangan mereka. Eksperimen telah menunjukkan bahawa pencemaran bunyi boleh melambatkan penetasan mereka dengan ketara, dan anak ayam yang muncul menghadapi beberapa masalah yang menggalakkan kesihatan. Para penyelidik juga mendapati bahawa kesan negatif pencemaran bunyi meluas ke dalam burung dewasa. Mengurangkan peluang pembiakan dan mengurangkan kesuburan menunjukkan kesan jangka panjang bunyi lalu lintas terhadap hidupan liar. Hasil kajian menyerlahkan keperluan ...>>

Berita rawak daripada Arkib Paru-paru tiruan yang berdaya maju dicipta buat kali pertama 07.08.2018 Para saintis di Universiti Texas di Galveston telah mengembangkan paru-paru buat kali pertama dan berjaya memindahkannya ke dalam babi, yang bertahan selama beberapa minggu selepas pembedahan. Pembuluh darah yang sihat berkembang di dalam tisu paru-paru yang dipindahkan, akibatnya organ-organ itu dapat mengukir. Dalam eksperimen sebelumnya, paru-paru yang dipindahkan ke dalam tikus berhenti berfungsi dalam beberapa jam. Di samping itu, organ-organ itu tumbuh dari sel penerima sendiri, yang mengurangkan risiko penolakan disebabkan oleh sistem imun. Semasa percubaan, saintis menggunakan campuran detergen dan gula mengasingkan sel daripada paru-paru babi penderma, menghasilkan perancah 3D protein antara sel. Di dalamnya, saintis mula mengembangkan budaya sel yang diasingkan daripada haiwan penerima. Paru-paru membesar selama 30 hari dalam tangki bioreaktor yang dipenuhi dengan larutan nutrien. Organ sedia dipindahkan kepada empat ekor babi untuk menggantikan paru-paru kiri. Haiwan dikorbankan 10 jam, dua minggu, sebulan dan dua bulan selepas pembedahan. Mereka menjalani bedah siasat untuk menilai sejauh mana organ itu berakar. Semasa keseluruhan eksperimen, babi tidak menerima imunosupresan, tetapi saintis tidak mendedahkan tanda-tanda penolakan organ yang dipindahkan dalam mana-mana kes. Pada masa yang sama, para penyelidik menyatakan bahawa organ buatan tidak berfungsi kerana mereka tidak bersambung ke arteri pulmonari. Para saintis berharap bahawa pada masa akan datang mereka akan dapat memperbaiki kaedah dan mendapatkan organ yang lengkap. Dalam kes pemindahan paru-paru tiruan kepada manusia, percetakan 3D boleh digunakan untuk mencipta rangka kerja.

Berita menarik lain:

▪ Ultrabook hibrid Toshiba Portege Z10T

▪ Pengiktirafan orang yang berwajah tersembunyi

▪ lebah boleh dilatih

▪ Menentukan kadar tepat pengembangan Alam Semesta

▪ Bahaya terlalu banyak tidur

Suapan berita sains dan teknologi, elektronik baharu

Bahan-bahan menarik Perpustakaan Teknikal Percuma:

▪ bahagian tapak Pemasangan warna dan muzik. Pemilihan artikel

▪ artikel Piawaian Pengauditan Antarabangsa. katil bayi

▪ artikel Adakah bilangan siklon dan antisiklon berubah? Jawapan terperinci

▪ artikel Penyelenggaraan dandang stim berbahan bakar minyak. Arahan standard mengenai perlindungan buruh

▪ artikel Marmalade tiruan. Resipi dan petua mudah

▪ pasal Tembaga bercantum perak. Fokus Rahsia

Tinggalkan komen anda pada artikel ini:

Semua bahasa halaman ini

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Laman utama | Perpustakaan | artikel | Peta Laman | Ulasan laman web

www.diagram.com.ua
2000-2024