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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE antennes toroïdales. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes. La théorie Une tâche urgente de la technologie des antennes est la création d'antennes efficaces électriquement petites. Ils sont nécessaires à la fois pour les stations de radio portables et mobiles KB, VHF et les bandes micro-ondes, et pour les systèmes radio fixes à ondes longues dans des conditions d'espace limité. L'article proposé présente aux lecteurs l'une des façons intéressantes de résoudre ce problème. Les dimensions d'une antenne électriquement petite sont, par définition, beaucoup plus petites que la longueur d'onde λ dans l'espace libre. Le problème de la conception de telles antennes est que lorsque la taille du système rayonnant diminue, l'efficacité du rayonnement diminue rapidement. Des difficultés surviennent lors de l'appariement d'antennes non résonnantes avec des sources (récepteurs). Il est possible de réduire les dimensions physiques de l'antenne tout en conservant les dimensions électriques (ondulatoires) en remplaçant les conducteurs droits par des conducteurs spiralés en forme d'hélice (Fig. 1).
De telles structures sont dites retardatrices. La vitesse de propagation des ondes le long de l'axe de la spirale est inférieure à la vitesse de la lumière, de sorte que la longueur d'onde λs dans une telle structure à la même fréquence est inférieure à λ. La longueur physique d'une antenne résonnante peut ainsi être réduite de dix fois. Les antennes à rayonnement hélicoïdales transversales (perpendiculaires à l'axe) sont largement utilisées dans les équipements radio portables et fixes. Si le vibrateur linéaire est plié en un anneau fermé, nous obtenons un cadre (Fig. 2, a). La distribution du courant électrique 1e dans un cadre électriquement petit peut être considérée comme uniforme, de sorte qu'elle rayonnera uniformément dans toutes les directions azimutales, mais uniquement avec une polarisation horizontale (Fig. 2,6), comme un vibrateur magnétique vertical élémentaire. Avec une distribution de courant inégale, le diagramme ne sera pas aussi symétrique. Lorsque la longueur du périmètre du cadre est un multiple d'un nombre entier d'alternances, des résonances sont possibles dans une telle antenne. Ainsi, dans une antenne de type "carré", deux demi-ondes s'inscrivent sur son périmètre.
Aux ondes moyennes, longues et extra-longues, en raison des particularités de leur propagation, la polarisation verticale est préférée. C'est ici que le problème de la réduction des dimensions verticales des antennes se pose avec une acuité particulière. Essayons d'imaginer un vibrateur vertical amateur quart d'onde dans la gamme de 136 kHz avec une hauteur d'environ 550 m ! Cependant, il n'est pas du tout nécessaire d'utiliser le courant électrique comme source de rayonnement. Conformément au principe de dualité permutationnelle, si un courant électrique annulaire uniformément réparti (Fig.2, a) est remplacé par un courant magnétique IM (puisqu'il n'y a pas de charges magnétiques dans la nature, ce sera un courant magnétique fictif, la densité dont est proportionnel au taux de variation de l'induction magnétique), alors dans le champ les vecteurs de rayonnement des composants électriques et magnétiques changeront de place. Nous obtiendrons une source équivalente en termes de diagramme de directivité à un vibreur électrique élémentaire, dans notre cas vertical (Fig. 3).
Le courant magnétique annulaire peut être obtenu dans une antenne hélicoïdale toroïdale (antenne hélicoïdale toroïdale, THA), qui est formée en pliant une spirale linéaire en un anneau fermé. La forme de la bobine en spirale peut être arbitraire (cercle, rectangle, etc.). Sur la fig. 4 montre un croquis d'un tore avec une forme de section carrée et les désignations de taille sont indiquées.
Sur la fig. 5a montre un exemple de construction d'une antenne toroïdale à 7 spires. Des résonances sont également possibles dans un tel système, lorsqu'un nombre entier d'alternances du courant magnétique s'insèrent le long de l'axe du tore. Mais dans une spirale, la longueur d'onde est plus courte, de sorte que le TNA résonnant peut être beaucoup plus petit que le cadre résonant d'un fil linéaire. Sur la fig. 5,b,c,d montre les diagrammes de rayonnement spatiaux (RP) de HPP à la fois en termes de composants individuels du champ électrique Eθ, Eφ, et dans le champ total EΣ composante turbulente du courant électrique de la spirale, il y a toujours une composante toroïdale (selon l'axe du tore), grâce à laquelle le champ de rayonnement contient non seulement le Eθ vertical, mais également une composante horizontale importante du champ électrique Eφ.
Pour compenser la composante toroïdale du courant électrique, deux enroulements identiques sont réalisés, enroulés dans des directions différentes (gauche et droite), et ils sont allumés en antiphase (Fig. 6, a).
Les enroulements ne sont pas connectés aux intersections. Nous avons reçu une antenne hélicoïdale toroïdale avec des enroulements contre-hélicoïdaux (Contrawound Toroidal Helical Antenna, CTHA). Les champs magnétiques dans la cavité du tore des deux enroulements s'additionnent. Sur les schémas de la Fig. On peut voir sur la figure 6b que la fraction de la composante Eθ dans le champ de rayonnement a sensiblement augmenté, les minima du diagramme total le long de l'axe y sont devenus moins profonds, mais encore une fois nous n'avons pas obtenu le diagramme général, comme dans Figue. 3. Cela s'explique par le fait que le champ magnétique dans la cavité du tore n'est pas réparti uniformément le long de l'axe, mais conformément à la répartition des amplitudes de l'onde de courant stationnaire. Comment surmonter cet obstacle, nous montrerons ci-dessous, et maintenant nous examinerons certaines propriétés intéressantes des antennes déjà décrites. Sur la fig. La figure 7 montre les dépendances en fréquence calculées des composantes active (R) et réactive (X) de l'impédance d'entrée du HP à a = 0,6 m, h = 0,8 m et N = 7. La caractéristique est l'alternance de "séries" paires et les résonances « parallèles » impaires (de nature similaire aux résonances dans les circuits oscillants en série et en parallèle).
A titre de comparaison, le tableau montre les valeurs calculées des fréquences de résonance (en mégahertz) et des impédances de résonance (en kiloohms) pour cette antenne (TNA) et pour l'antenne STNA avec les mêmes paramètres. La nature de l'alternance des résonances dans STNA est la même que dans TNA, cependant, avec les mêmes paramètres, les fréquences de résonance de STNA sont plus faibles; cela peut s'expliquer par l'effet de capacité entre les enroulements. Notez que les deux antennes n'ont pas une multiplicité stricte de fréquences de résonance. Les principaux paramètres des antennes toroïdales sont les dimensions et le nombre de spires N. Pour les calculs et la modélisation, nous avons choisi une forme de section en forme de carré de côté h. Si l'on néglige l'influence du milieu à l'intérieur et à l'extérieur du tore, alors, compte tenu de la fréquence de la 1ère résonance (MHz) et du rayon a (m), on peut calculer la taille h (m) des antennes ci-dessus à l'aide des formules : pour TNA :
pour STNA :
Les formules ont été obtenues à l'aide d'une analyse de régression basée sur les résultats d'une simulation informatique pour un diamètre de fil de 1,3 mm, des tailles 0,6 m ≤a ≤ 4 m, 0,5 m ≤ h ≤ 4 m, avec 0,3 ≤ h/a ≤ 1,3 et une plage de fréquences 0,7 MHz < f1 < 23 MHz. L'erreur quadratique moyenne dans les conditions spécifiées est d'environ 0,03 m. Le recalcul de l'échelle est également possible pour d'autres fréquences (toutes les dimensions changent proportionnellement au changement de longueur d'onde). Une caractéristique intéressante du STNA est la possibilité d'obtenir (uniquement pour certaines combinaisons de paramètres) un diagramme de rayonnement proche de l'isotrope (Fig. 8) Ce diagramme a été obtenu notamment à une fréquence de 70 MHz pour une antenne de paramètres N = 5, a = 0,2 m et h = 0,27 m dans des conditions d'espace libre.
Sur la fig. 9 montre les dépendances comparatives de l'efficacité de TNA et STNA sur la fréquence. En règle générale, l'efficacité décroît rapidement avec une diminution des dimensions principales de l'antenne et une augmentation du nombre de spires. L'efficacité la plus élevée pour TNA se situe dans la région entre les 2e et 3e résonances, pour STNA - aux 3e et 5e résonances, et ses valeurs maximales sont inférieures à celles de TNA. Les deux types d'antennes se caractérisent par des minima d'efficacité profonds à toutes les résonances même au-dessus de la seconde. Cela s'explique par la répartition défavorable du courant dans les enroulements pour un rayonnement efficace.
Les antennes électriquement petites ont généralement un faible rendement et sont donc très sensibles aux effets d'antenne d'alimentation. Il est logique de les utiliser sur des objets en mouvement avec un chargeur très court ou sans chargeur du tout. La polarisation elliptique des antennes toroïdales est utile, par exemple, pour assurer une communication ininterrompue dans les systèmes mobiles, en particulier, pour une réception stable des programmes de diffusion VHF FM. Sur la fig. 10 montre le placement du STNA avec la caractéristique selon la fig. 8 sur le toit de la voiture et montre le diagramme de rayonnement, en tenant compte de l'influence du corps et du sol.
Historiquement, le développement des antennes toroïdales est associé à la volonté de réduire l'encombrement vertical du système rayonnant à polarisation verticale et diagramme circulaire. Comme on l'a vu, dans une antenne STHA classique à une seule source d'excitation, il n'est pas possible d'obtenir une répartition uniforme du courant magnétique selon l'axe du tore. Sur la fig. 11,a montre l'intersection des spires des enroulements gauche et droit sur toute la surface extérieure du tore sous forme expansée, et sur la fig. 12 (courbe 1) - distribution de l'intensité du champ magnétique le long de l'axe du tore pour un STNA conventionnel 8 spires à f3 = 27 MHz. En raison de la répartition inégale du champ, les diagrammes de rayonnement d'une telle antenne sont proches de ceux représentés sur la Fig. 6.
Une façon d'obtenir une distribution presque uniforme du courant magnétique consiste à diviser les enroulements en sections, dans chacune desquelles les directions (gauche et droite) des deux enroulements changent à l'opposé des voisins (Fig. 11,6). Aux endroits où les enroulements sont divisés en sections, des bornes sont installées pour connecter des sources d'excitation supplémentaires. Dans ce cas, au lieu d'une seule, vous devez connecter quatre sources identiques en mode commun. Dans ce cas, la distribution du courant magnétique (Fig. 12,6) est obtenue sans changement de signe, bien qu'avec de petites ondulations. Une telle solution a permis d'obtenir un RP dans une large bande de fréquence qui ne diffère pas de celle représentée sur la Fig. 3. L'efficacité calculée du STNA sectionné dans ce cas à une fréquence de 36 MHz s'est avérée être environ le double de celle du STNA non sectionné (59 % contre 29 %). En conclusion, nous notons les avantages et les inconvénients les plus importants des antennes considérées et la possibilité de leur application. Les avantages généraux sont une diminution de la taille verticale des antennes (due à une augmentation des dimensions horizontales !), aucune exigence de contrepoids et de mise à la terre. En substance, THA est un cadre constitué d'un conducteur en spirale, ce qui a permis de réduire les dimensions physiques de l'antenne résonnante. Une telle antenne est déjà intéressante car elle a une polarisation elliptique, et la dépendance du RP à la forme, à l'environnement et à l'asymétrie de la connexion permet à de telles antennes d'être largement et diversement utilisées dans les communications, la diffusion, la télémétrie et d'autres radios portables. équipement. La présence d'un deuxième enroulement opposé dans le STNA dégrade en général les conditions de rayonnement, d'où la moindre efficacité. Cependant, ces antennes ont une meilleure ellipticité de polarisation, ce qui est important pour les systèmes de communication mobile dans des conditions de trajets multiples. Le RP isotrope d'un STNA non sectionné est difficilement réalisable en pratique en raison de la forte influence de l'environnement, mais les objets environnants (et, en particulier, les surfaces conductrices) ont peu d'effet sur l'impédance d'entrée du STNA. Le STNA non partitionné peut être utilisé dans des appareils portables pour les communications radio de bas niveau et les appels radio personnels, dans les systèmes de communication cellulaire nGPS. Le principal domaine d'application des antennes toroïdales équivalentes à un vibrateur vertical (avec polarisation verticale et diagramme de rayonnement uniforme dans le plan horizontal) est celui des ondes relativement longues, pour lesquelles la conductivité de la terre (ou de l'eau) est suffisamment grande. Inconvénients STNA - une technologie de fabrication complexe. Lors de la section des antennes, il y a un problème supplémentaire avec la connexion de plusieurs points d'alimentation. Inconvénients généraux - avec une diminution de la taille, l'efficacité de l'antenne diminue fortement et lorsque vous essayez de l'améliorer (en augmentant l'épaisseur et la sélection du matériau du fil, en améliorant la qualité des diélectriques), la bande passante diminue. Les problèmes d'adaptation lors du réglage d'une fréquence à une autre rendent difficile l'utilisation d'antennes toroïdales dans la gamme de fréquences. Le lecteur intéressé peut se référer à la littérature des brevets [1-4] et aux résultats des études avec la participation de l'auteur [5, 6]. Dans [7], plusieurs nouvelles méthodes de fabrication d'un émetteur polarisé verticalement à base de structures toroïdales ont été proposées. Dans [8], un algorithme universel pour synthétiser des antennes à partir de segments avec des courants électriques et magnétiques a été proposé. littérature
Auteur : A. Grecikhin (UA3TZ)
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