Sur les antennes de réception et d'émission de petite taille. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes. La théorie

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Récemment, de nombreuses publications sont apparues dans la littérature radioamateur sur les antennes de réception et d'émission de petite taille. Elles sont largement utilisées (en particulier dans les équipements portables et sur les objets mobiles) pour la réception des stations de radiodiffusion et de télévision, les communications radio, la radiogoniométrie, etc. C'est pourquoi une analyse comparative de telles antennes, une discussion de leurs avantages et inconvénients, ainsi que une conversation sur certaines "légendes" liées aux antennes électriquement petites. Est-ce toujours, par exemple, qu'une antenne magnétique réceptrice est meilleure qu'une antenne électrique sous l'action d'interférences proches [1] ? Essayons de comprendre cela. Commençons par les définitions.

Les antennes électriquement petites (ESA) sont des antennes dont les dimensions sont très inférieures à la longueur d'onde l ou, par définition par S. Shchelkunov et G. Friis [2], lorsque la taille maximale de l'antenne, mesurée depuis les bornes d'entrée, ne dépasse pas l/8. Une antenne cadre électriquement petite est appelée antenne magnétique (MA), Dans la zone proche (à des distances bien inférieures à l), transmettant MA, la composante magnétique H du champ électromagnétique prévaut partout (le rapport de la composante électrique E à la magnétique - E / H - est bien moindre que dans la zone lointaine). Le MA de réception est par conséquent plus sensible à un champ magnétique alternatif qu'à un champ électrique, c'est-à-dire qu'il a une sélectivité composante [3]. Une antenne électrique (EA) - une broche courte au-dessus d'une surface conductrice ou d'un dipôle d'une longueur bien inférieure à l - est au contraire plus sensible à la composante E. Si le périmètre du cadre est comparable à la longueur d'onde de fonctionnement, alors il n'a pas de propriétés MA. Ainsi, par exemple, une trame avec un périmètre de 11 m n'a pas de sélectivité de composant significative dans la gamme KB, disons, dans la bande de fréquences 10-20 MHz. De même, un dipôle de taille comparable à l n'est pas une antenne électrique au sens indiqué. La présence d'un noyau ferromagnétique dans le MA n'est pas du tout nécessaire, mais si c'est le cas, l'antenne est appelée ferrite.

Maintenant sur le principal

1. Une antenne magnétique à la réception dans des conditions d'interférence n'est pas toujours meilleure qu'une antenne électrique. MA pourrait fournir la meilleure immunité au bruit parmi les EMA simples en raison de la sélectivité des composants si les sources d'interférence créaient un champ électromagnétique avec une prédominance de la composante E dans la zone proche du dispositif de réception [3]. Cependant, cela n'est pas toujours fait. Par exemple, la commutation dans les réseaux électriques conduit à l'apparition d'ondes électromagnétiques amorties à large spectre dans des sections de ces réseaux. Si l'antenne du récepteur est située à proximité des fils d'un tel réseau, elle est perçue dans le champ proche comme un bruit impulsionnel. Les amplitudes des composantes courant et tension des perturbations dans une bande étroite de réception donnée sont le plus souvent inégalement réparties le long des fils : il existe des zones de ventres de courant (maxima) et de ventres de tension (Fig. 1).

Ris.1

Le champ électromagnétique dans la zone proche est également inhomogène le long de la ligne. Près des ventres du courant, la composante magnétique prédomine, et près des ventres de la tension, la composante électrique. Dans la région 1 (Fig. 1), MA donnera la meilleure immunité au bruit, et dans la région 2 - EA. Des expériences ont montré [4] que l'intensité des ondes stationnaires et la répartition des ventres de tension et de courant dépendent de nombreuses conditions différentes, notamment du nombre et de la nature des charges connectées au réseau. En moyenne, avec la même probabilité, le récepteur peut être proche du ventre de courant ou de tension. Ainsi, ce n'est pas toujours et partout qu'une antenne magnétique est moins sensible aux perturbations "industrielles", comme on le rapporte parfois. De plus, cela ne peut pas être dit en parlant des antennes cadre en général. Pourquoi est-ce vraiment toujours une amélioration significative lors du passage d'un fil court (broche) à un bon cadre blindé symétrique, comme décrit dans [1] ? (Et ce fait soutient activement le délire en question). Le fait est que le plus souvent, un fil court en tant qu'antenne n'est pas le seul élément rayonnant (récepteur) du système d'antenne ; les fils du secteur, de la mise à la terre et d'autres structures métalliques connectées au boîtier de l'émetteur (récepteur) participent également au rayonnement (réception).

Beaucoup connaissent la situation où une lampe au néon brille lorsqu'elle est touchée par le corps de l'émetteur, des tuyaux de chauffage ... Si un tel "système d'antenne" est utilisé à la réception, tous les éléments répertoriés perçoivent toutes sortes d'interférences et d'interférences dans un bâtiment avec de nombreux circuits et lignes commutés (électricité, téléphone, etc.). Mais faire un court dipôle symétrique est encore plus facile qu'un cadre de haute qualité. Il suffit d'éliminer la sensibilité de la ligne d'alimentation aux champs électromagnétiques et d'éliminer la pénétration de signaux dans le récepteur par des voies secondaires autres que l'antenne.

Si l'idée fausse discutée ci-dessus était une surestimation de la sélectivité de l'AM de réception, alors une autre idée fausse, également très courante, est que les AM censés transmettre sont bien pires que l'EA. Dans un certain nombre de publications, il est indiqué que lorsque l'on travaille sur la transmission, les petits cadres sont beaucoup moins efficaces que les antennes électriques de tailles comparables, en raison de la résistance au rayonnement beaucoup plus faible. En effet, pour un dipôle de longueur l_{Dakota du Sud}=20p²(ll)², tandis qu'un cadre rond avec un périmètre l_SP=20p²(ll)⁴. Avec le même l=1 m et l=80 m, R_SP/R_{Dakota du Sud}=1/6400. La puissance rayonnée est : P_S=Je²R_S, où Ia est la valeur efficace du courant d'antenne aux points de connexion. De la dernière expression, il résulte que nous pouvons nous attendre à l'égalité des puissances rayonnées par nos antennes si le courant dans la boucle est 80 fois supérieur au courant d'entrée du dipôle. Est-ce que c'est réel? Il s'avère tout à fait.

2. Compte tenu des pertes dans les circuits d'adaptation, le dipôle électriquement petit et la boucle sont approximativement équivalents en termes d'efficacité lorsqu'ils travaillent sur la transmission. Le rendement E de l'antenne, qui est égal au rapport de la puissance rayonnée à la puissance prélevée sur le générateur, dépend non seulement de la propre résistance aux pertes de l'antenne (Ra), mais également de la résistance aux pertes dans l'élément d'adaptation requis ( compensation de réactance) Rc: E \uXNUMXd R_S/ (R_S+R_A+Rc), voir fig. 2.

Ris.2

La résistance active (en ohms) des antennes, compte tenu de l'effet de peau pour un cadre de périmètre l, est égale à

où d est le diamètre du conducteur (mm), mg est la perméabilité relative du matériau de l'antenne, s et s_м - résistances spécifiques du matériau de l'antenne et du cuivre, respectivement, du dipôle de longueur l : R_enfer=R_aP/3. Les pertes actives dans les éléments d'adaptation dépendent de leurs paramètres et facteurs de qualité : Rc=¦Xa¦/Qc, où Xa est la composante réactive de l'impédance d'entrée de l'antenne, qui est capacitive pour l et inductive pour la masse, et pour EMA ¦X_aP¦<¦X_publicité¦ L'élément d'adaptation fournit une résonance série dans le circuit d'antenne (Xa + Xc = 0). Facteurs de qualité réels pour le dipôle Qsd=200...400, pour la trame Qsr=1000...2000. Les réactances (en ohms) peuvent être calculées à l'aide des formules :

Ils sont obtenus, comme les précédents, à partir de relations connues (voir par exemple [5–7]). Les résultats des calculs des antennes cadre dipôle et monotour en cuivre (d=10 mm), pour l=80 m, Qsd=200, Qcp=1000, sont présentés dans les tableaux.

Tableau 1. Données calculées pour un dipôle de longueur l

Paramètre	ll.
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ohm	1,97	0,493	0,123	0,031	0,0077
Ra, Ohm	0,043	0,021	0,011	0,0054	0,0027
Xa, Ohm	- 2264	- 4120	- 7235	- 12374	- 20524
RC, Ohm	11,3	20,6	36,1	61,8	103
Éd, %	14,8	2,3	0,34	0,05	0,0075
Qef	85	98	99	100	100

Tableau 2. Données calculées pour un cadre de périmètre l

Paramètre	ll
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0.00625
RS, Ohm	0,0197	0,00123	7,7*10-6	4,8*10-6	3*10-7
Ra, Ohm	0,129	0,064	0,032	0,016	0,008
Xa, Ohm	212	93	40	16,7	6,7
RC, Ohm	0,212	0,093	0,04	0,0167	0,0067
Euh, %	5,55	0,78	0,11	0,015	0,002
Er/Ed	0,37	0,33	0,31	0,29	0,27
Qef	294	293	276	254	227

Tableau 3. Données calculées pour un cadre de diamètre l

Paramètre	ll
	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ohm	0,12	0,075	0,0047	0,00003
Ra, Ohm	0,20	0,10	0,05	0,025
Xa, Ohm	359	159	69	29
RC, Ohm	0,36	0,16	0,07	0,03
Euh, %	17,6	2,8	0.39	0,053
Er/Ed	7,54	8,25	7,82	7,12
Qef	264	297	288	269

Ils montrent qu'en termes d'efficacité, une petite boucle peut être encore meilleure qu'un dipôle de taille comparable. Bien que, bien sûr, l'efficacité elle-même soit très faible et chute fortement avec la diminution des tailles relatives. Des calculs similaires pour l'aluminium ont donné une détérioration de l'efficacité de pas plus de 12% pour le cadre et de 0,2% pour le la. Pour l=160 m, avec les mêmes autres paramètres, l'efficacité s'est avérée inférieure de 20 % en moyenne. Les résultats présentés sont en bon accord avec les données de [8] obtenues pour une broche au-dessus d'une surface parfaitement conductrice. Ainsi, si l'efficacité de la trame chute rapidement en raison de la diminution de R_SP, alors le rendement du dipôle décroît tout aussi rapidement du fait de la croissance des pertes dans l'élément d'adaptation.

3. Quoi de mieux, un petit châssis ou un petit dipôle, s'ils sont à peu près équivalents en termes de rendement ?

L'avantage le plus important de travailler dans un environnement diélectrique avec perte (corps de l'opérateur, matériaux de construction, etc.) est que l'influence de l'environnement sur la fréquence de résonance (désaccord) et sur l'efficacité (perte d'insertion) de la boucle est beaucoup plus faible que l'effet sur le dipôle. L'auteur a testé des émetteurs avec des générateurs de même puissance et des antennes : diamètre du cadre 42 cm et longueur du dipôle 120 cm ; longueur d'onde 82 M. L'efficacité des deux antennes situées dans l'espace libre (estimée à partir du champ lointain) s'est avérée approximativement la même. Le tronc d'arbre, le corps et les mains de l'opérateur à côté du dipôle ont changé l'intensité du champ des dizaines de fois, et le cadre pouvait être placé dans un sac à dos sur le dos de l'opérateur, mis sur le cou ou complètement enfoui dans la neige, et cela n'a pas conduire à une détérioration notable des paramètres de champ.

Le contact électrique avec un objet métallique, bien sûr, peut grandement affecter le cadre, mais il existe un remède simple à cela - l'isolation. Autres avantages des petits châssis : ils ne nécessitent pas de contrepoids (comme par exemple une broche courte), sont moins exigeants sur la qualité de l'isolation, ont moins d'effet sur les tissus des organismes vivants lors de la transmission (pertes dans le champ électrique proche d'un petit dipôle sont beaucoup plus grands), mécaniquement plus fort. La directivité avec polarisation verticale peut être utile dans certains cas, mais pas dans d'autres. La bande passante d'une antenne magnétique est un peu plus étroite que celle d'une antenne électrique. Cependant, comme on peut le voir dans les tableaux, c'est une erreur de penser que plus l'antenne est petite, plus la bande passante est étroite. Une augmentation du facteur de qualité Qef du circuit dipôle est empêchée par une augmentation des pertes dans la bobine d'adaptation, et une augmentation du facteur de qualité du circuit MA avec une diminution de taille est empêchée par une diminution de sa propre inductance. Les difficultés de fabrication et de fonctionnement des MA sont d'assurer des pertes actives minimales dans les connexions. Le courant de boucle est des dizaines de fois supérieur au courant dipolaire, de sorte que la perte d'énergie sur les mauvais contacts est des centaines et des milliers de fois supérieure. En pratique, cela se traduit par l'inadaptation des raccords filetés (seulement brasage ou soudage) et la nécessité d'éléments de réglage sans contact. Ainsi, les avantages d'une antenne magnétique sont plus importants, notamment lorsqu'elle fonctionne dans des environnements non ferromagnétiques.

4. Est-ce qu'un petit châssis multitour a un avantage sur un châssis monotour de même diamètre ?

C'est aussi l'une des questions, dont la réponse n'est pas tout à fait évidente. Du tableau. 2 et 3, on voit que pour un bâti monotour RE1<_S1/2R_A1. Étant donné que la résistance au rayonnement et la résistance aux pertes dans l'élément d'adaptation sont proportionnelles au carré du nombre de tours (N2) et que la résistance aux pertes intrinsèque est proportionnelle au nombre de tours (N), l'efficacité du cadre à N tours est estimé approximativement par la formule :_N=R_S1N/(1+N)R_A1. Des calculs précis à l/l=0,0125 (selon le tableau 2) ont montré qu'à N=2 l'efficacité avec le même diamètre (l est le périmètre de la bobine) a augmenté de 29 %, à N=4 - de 54 %, à N \u10d 75 - de 2%. Par conséquent, l'efficacité d'une petite boucle à N tours sera légèrement supérieure à celle d'une boucle à un tour, mais pas plus de XNUMX fois. En conclusion, nous soulignons que toutes les conclusions sur le rendement faites pour les antennes d'émission sont valables pour ces antennes et en mode réception. Il est faux de supposer que seule la hauteur effective déterminera l'efficacité. L'efficacité d'une petite boucle à la réception n'est pas pire que celle d'un dipôle de même taille, malgré le fait que la hauteur effective du dipôle est dix fois supérieure. De plus, l'efficacité d'un cadre N-tour à la réception ne sera pas N fois supérieure à l'efficacité d'un cadre monotour, malgré le fait que la hauteur effective est proportionnelle à N. Tous ceux qui ont eu affaire à la fabrication et aux essais des orienteurs sportifs a été convaincu de ce qui a été dit à plusieurs reprises.

littérature

1. Andrianov V. Antenne cadre large bande - Radio, 1991, n° 1, p. 54-56.
2. Shchelkunov S., Friis G. Antennes.- M. : Sov. Radio, 1950.
3. Sélection des composants de Grecikhin A. - Radio, 1984, n ° 3, p. 18-20.
4. Gavrilin A. T., Grecikhin A. I. Sur la structure du champ électromagnétique proche des interférences de commutation.- Dans le livre: Méthodes et dispositifs de traitement du signal dans les systèmes d'ingénierie radio: Mezhvuz. collection - Gorki : GPI, 1987, p. 43-48.
5. Antennes Belotserkovsky G. B. - M.: Oborongie, 1956.
6. Ginkin G. G. Handbook of radio engineering.- M.-L. : GEI, 1948.
7. Meinke X., Gundlach F. V., Manuel d'ingénierie radio. T. 1.- M.-L. : GEI, 1960.
8. Walter C. H. Newman E. H. Petites antennes électriques.- Rapport HDL-TR-041-1 (février 1974).- Washington, 1974.

Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru

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