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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Le mysticisme des antennes courtes. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes. La théorie Lorsque les gens veulent vanter la haute sensibilité d’un récepteur, ils disent souvent qu’il peut recevoir les signaux des stations de radio même sur un « morceau de fil ». Dans cet article, l'auteur prouve théoriquement et expérimentalement que le fameux « morceau de fil » est loin d'être la pire antenne et que, s'il est correctement adapté à l'entrée du récepteur, il peut fournir une tension de signal très élevée. Pour la réception de diffusion sur ondes longues et moyennes, elles étaient auparavant largement utilisées, et même aujourd'hui, malgré l'utilisation généralisée des antennes magnétiques en ferrite, les antennes électriques sous la forme d'un morceau de fil ordinaire situé verticalement sont encore souvent utilisées. Lorsque vous travaillez avec une telle antenne, une mise à la terre ou un contrepoids est nécessaire pour une bonne réception. Dans le cas le plus simple, le corps du récepteur sert de contrepoids, et s'il est alimenté par le réseau, alors le contrepoids sera constitué des fils du cordon d'alimentation et du réseau électrique lui-même. Les antennes filaires horizontales sont rarement utilisées, car toutes les stations radio des gammes DV et MF émettent des ondes exclusivement avec une polarisation verticale, associée aux propriétés de la surface terrestre, proches des propriétés du conducteur pour ces gammes. Les radioamateurs, en particulier ceux qui ont expérimenté les récepteurs à gain direct les plus simples et insuffisamment sensibles, savent que les antennes à fil court sont très efficaces, en particulier, un morceau de fil de 1...2 m de long développe souvent un signal beaucoup plus important qu'une ferrite. antenne. Quel est le secret ? Après tout, la longueur d’une antenne filaire est infiniment plus courte que la longueur d’onde et, selon tous les canons, elle ne devrait pas être efficace. Les tentatives d'analyse du fonctionnement d'une courte antenne de réception radio verticale, ainsi que la volonté de l'optimiser, ont conduit à des résultats très intéressants, voire surprenants, que l'auteur propose aux lecteurs curieux. L'optimisation, dans le sens d'obtenir la tension maximale à l'entrée du récepteur (c'est-à-dire la tension, pas la puissance !), revenait à éliminer le condensateur du circuit d'entrée et à le remplacer par la capacité de l'antenne elle-même, comme le montre la Fig. 1. Dans ce cas, la résistance d'entrée du contrôle de fréquence RF a été supposée infiniment grande, ce qui est proche de la vérité lors de l'utilisation d'un transistor à effet de champ sur les LW et MW. La capacité d'entrée de l'amplificateur RF et la capacité de la bobine sont additionnées à la capacité de l'antenne. Nous ne les prendrons pas en compte dans l’analyse.
En figue. La figure 1 montre également la répartition du courant dans l'antenne, qui représente la section initiale d'une sinusoïde. Avec suffisamment de précision, il peut être considéré comme triangulaire. En le remplaçant par un rectangle de même aire, on obtient la hauteur effective de l'antenne h, égale à la moitié de sa hauteur géométrique. L'inductance de la bobine est choisie de telle sorte qu'elle réalise, avec la capacité de l'antenne, une résonance à la fréquence reçue. Le circuit équivalent du circuit résultant est représenté sur la Fig. 2.
A la résonance, la réactance capacitive de l'antenne - Xc est égale à l'inductive Xt (en valeur absolue) et les réactances se compensent, donc le courant dans le circuit est maximum et égal à e/R, où e est la force électromotrice de le signal développé dans l'antenne (e = Eh : E - champs de tension), et R est la résistance active du circuit. Puisque la tension à l'entrée RF (U) est supprimée de la bobine, elle est égale au courant dans le circuit multiplié par la réactance inductive de la bobine : U = EhXL / R. Nous avons une formule simple pour calculer la tension développée par l'antenne décrite. La valeur absolue du paramètre XL =Xc est déterminée par la longueur de l'antenne (la capacité de l'antenne est de 7...15 pF par mètre de longueur) et la fréquence f du signal reçu. Donc Xc = 1/2πfC. L'inductance correspondante est également facile à trouver : L = XL /2πf. E doit être connu, ah peut être mesuré avec une règle. Mais la formule peut être encore simplifiée en notant que le rapport XL/R n'est rien d'autre que le facteur de qualité Q du circuit d'antenne : U = EhQ. Avec une antenne courte, le facteur de qualité de l’ensemble du circuit est presque égal au facteur de qualité de la bobine. A titre d'exemple, calculons un signal provenant d'une station radio longue distance ou ondes moyennes pas trop éloignée avec une intensité de champ de 10 mV/m, reçu sur un morceau de fil de 2 m de long (h = 1 m). Fixons le facteur de qualité du circuit d'antenne égal à 100. Après avoir effectué de simples multiplications de nombres, nous arrivons à un résultat très surprenant - U = 1 V ! Cette tension est largement suffisante pour détecter un signal même sans amplificateur de fréquence. Mais certaines réserves s’imposent. Premièrement, la bobine doit avoir une inductance assez grande. Dans notre exemple, même au milieu de la gamme MT à une fréquence de 1 MHz, la réactance XL est d'environ 10 kOhm. l'inductance est d'environ 1.5 mH et l'impédance de résonance du circuit d'antenne, égale à XLQ, est proche de 1 MOhm. La résistance d'entrée de l'amplificateur ou du détecteur doit être encore plus grande. C’est le prix à payer pour la haute tension développée par l’antenne. La question se pose : est-il possible d'utiliser une grande bobine d'inductance dans le circuit de la Fig. 1 remplacer par un circuit oscillant classique ? Bien sûr, c'est possible, mais la tension du signal développée sur le circuit sera moindre. Épargnant au lecteur une analyse mathématique assez longue, nous dirons seulement que la tension du signal diminue (approximativement) proportionnellement au rapport entre la capacité de l'antenne et la capacité totale du circuit. Ceci s'explique par le fait que des courants réactifs supplémentaires, circulant à travers la résistance de la bobine R, provoquent également des pertes supplémentaires. Il est clair que la capacité propre de la bobine et la capacité d’entrée de l’amplificateur RF jouent également un rôle néfaste en réduisant la tension développée. Dans l'exemple donné, en utilisant une bobine à ondes moyennes standard avec une inductance de 200 μH avec un condensateur d'environ 130 pF connecté en parallèle pour s'accorder sur une fréquence de 1 MHz. nous obtiendrons une tension de signal d'environ 0,15 V sur le circuit, ce qui, en général, n'est pas non plus petit ! De plus, par souci d’intérêt, nous supposerons que la bobine est idéale et ne présente aucune perte. Le circuit équivalent ressemblera maintenant à la Fig. 3. À propos, dans ce cas, vous pouvez réduire sans douleur l'inductance de la bobine et connecter un condensateur de boucle en parallèle. Le circuit résultant devra être réglé sur une fréquence légèrement supérieure à celle souhaitée, à laquelle il aura une résistance inductive, d'autant plus grande que le désaccord est faible. En sélectionnant le désaccord, nous obtenons la réactance inductive du circuit Xt, exactement égale à la réactance capacitive de l'antenne - Xc, et nous arrivons à nouveau au circuit équivalent de la Fig. 3. En pratique, le réglage s'effectue comme d'habitude, en fonction de la tension maximale du signal sur le circuit, et correspond à la résonance exacte du circuit à la fréquence souhaitée, en tenant compte de la capacité de l'antenne.
Quelle est maintenant la résistance active du circuit d’antenne ? Auparavant, il s'agissait de la résistance de perte de la bobine et de la résistance au rayonnement de l'antenne, cette dernière étant beaucoup plus petite, et nous l'avons négligée. Or la résistance de perte de la bobine est nulle, le condensateur, s'il y en a un, n'introduit pratiquement aucune perte également, et seule la résistance de rayonnement demeure. Comme le sait la théorie, pour les antennes courtes, Rizl = 1600h/λ2. En substituant cette expression dans la formule que nous avons obtenue pour la tension développée sur la bobine, nous obtenons U = EXLλ2/1600h, c'est-à-dire que lorsque l'antenne est raccourcie, la tension augmente même ! Je prévois des objections ; Ce résultat fantastique a été obtenu, disent-ils. pour des conditions irréalistes, c'est-à-dire lorsqu'il n'y a pas de pertes dans la bobine et que son facteur de qualité tend vers l'infini. Bien sûr, personne ne va mettre une bobine dans de l'hélium liquide pour atteindre la supraconductivité et atteindre zéro perte - même si cela peut être fait, cela sera trop coûteux et fastidieux. Une autre méthode est connue depuis longtemps et largement utilisée : la compensation des pertes dans la bobine par rétroaction positive ou régénération. À l'approche du seuil d'auto-excitation dans le régénérateur, le facteur de qualité équivalent du circuit augmente de manière significative, et avec lui la tension et la sensibilité du signal augmentent. Il s'avère que les légendes sur les qualités de réception extraordinaires des multiplicateurs Q utilisant la régénération dans le circuit d'entrée ne sont pas nées de nulle part ! Aux ondes longues et moyennes, la régénération dans le circuit d'entrée n'est pas souvent utilisée, principalement parce qu'avec un facteur de qualité élevé, la bande passante (B) se rétrécit et les fréquences plus élevées du spectre audio des signaux AM sont affaiblies, car B = f/Q. Mais sur les ondes courtes, les bandes requises sont plus étroites et les fréquences sont plus élevées, de sorte que le facteur de qualité plus élevé du circuit d'entrée ne peut qu'être salué. D'après les mesures de l'auteur, il est tout à fait possible d'obtenir un facteur de qualité assez stable de 10 000 dans un multiplicateur Q bien conçu. Calculons quelle tension un signal assez faible avec E = 10 µV/m développera dans notre antenne de 2 m de long connectée à un tel circuit : U = EhQ = 0,1 V. Les commentaires, comme on dit, sont inutiles. Pour le confirmer, l'auteur a assemblé le dispositif illustré à la Fig. 4. Il s'agit d'un détecteur « source » basé sur un transistor à effet de champ (il était une fois des détecteurs ayant des propriétés similaires sur des lampes et étaient appelés cathode). La résistance dans le circuit source est choisie assez grande, le transistor fonctionne près de la coupure, sur le coude inférieur de la caractéristique et détecte donc bien le signal AM. Une grande polarisation de grille (par rapport à la source) garantit une impédance d'entrée élevée, et un retour audio à 100 % offre une faible distorsion. Le condensateur C2 et la chaîne R3C4 filtrent les composants haute fréquence et la résistance variable R4 sert de contrôle du volume. De là, un signal sonore était envoyé à un simple UMZCH (V. Polyakov. « Amplificateur universel 3CH. » - Radio. 1994. N° 12. pp. 34, 35). Le condensateur du circuit d'entrée remplace la capacité de l'antenne, de la bobine et la capacité d'entrée du transistor. L'antenne est un morceau de fil d'un mètre et demi tendu du bureau à la fenêtre, et la mise à la terre est le tuyau de chauffage central sous la fenêtre. La bobine a été prélevée toute prête, à partir de l'antenne magnétique d'un récepteur DV industriel. Il contenait environ 250 tours de fil PEL 0,2, enroulés en une seule couche pour tourner sur un cadre d'un diamètre de 12 mm. Pour le réglage, une tige magnétique de la même antenne a été utilisée, enfoncée dans la bobine. En raison de la petite capacité, le circuit a été réglé sur les fréquences moyennes. Quatre stations de radio de Moscou ont développé un signal de 0,5 à 1,5 V à la grille du transistor, la théorie a donc été complètement confirmée : le contrôle du volume a dû être réglé au minimum ! Mesurer la tension haute fréquence au niveau de la porte n'était pas du tout facile : un oscilloscope ne peut pas être connecté à la porte en raison du shuntage du signal. La sonde de l'oscilloscope était connectée à la source, à la place du condensateur C2. Dans ce cas, la détection s'est détériorée, mais le transistor a transmis un signal haute fréquence en mode source suiveuse. Réduire la capacité C2. une régénération et même une auto-excitation peuvent être observées. La rétroaction est obtenue à l'aide d'un circuit capacitif à trois points. formé par la capacité grille-source et le condensateur C2. Avec une régénération suffisante, il était possible d'écouter des stations lointaines le soir. Un fait intéressant est le suivant : lorsque, au cours de l'expérience, le fil d'antenne a été arraché du circuit, la réception des stations de Moscou s'est poursuivie (bien qu'avec un volume beaucoup plus faible) sur la tige de ferrite. Auteur : V. Polyakov, Moscou
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