Глава 6. Особенности электрических малых антенн
6.1 Определение понятия “Электрически малый”
Электрические небольшие антенны с самого начала были важной частью коммуникационных технологий. Независимо от того, являются ли они малыми по сравнению с чрезвычайно длинными длинами волн, используемыми на самых низких радиочастотах, или предназначены для экономии места в беспроводных устройствах диапазона ГГц, основные принципы одинаковы. В этой части будут рассмотрены эти принципы с акцентом на описание компромиссов производительности небольшого размера.
Определение понятия " Электрически малый”
Существуют различные эмпирические правила для того, чтобы считать антенну электрически маленькой. Наиболее распространенным определением является то, что самый большой размер антенны составляет не более одной десятой длины волны. Таким образом, диполь с длиной λ / 10, петля с диаметром λ / 10 или пятно с диагональным размером λ/10 будут считаться электрически малыми [1]. Это определение не делает различий между различными методами, используемыми для создания электрически небольших антенн. Фактически, большая часть работы с этими антеннами включает в себя выбор топологий, подходящих для конкретных приложений, и разработку внутренних или внешних сетей согласования.
Общие области применения
Петлевые антенны и короткий монополь (хлыст) для приема средних волн (AM-вещание) распространены в домашних и автомобильных развлекательных системах с длинами волн от 200 до 600 метров, эти антенны намного превышают критерий λ/10. Антенны для приема FM-и телевизионных передач иногда уменьшаются в размерах для удобства и переносимости.
Вездесущие беспроводные системы дистанционного управления и телеметрии с частотой 315 или 433 МГц для бесключевого входа, открывателей гаражных ворот, беспроводных дверных звонков и термометров с дистанционным считыванием редко имеют "полноразмерные" резонансные антенны, так как длина волны составляет около 1 метра. Монополь λ/4
будет иметь длину 17 см и требует противовеса аналогичного размера.
Развивающийся рынок RFID требует низкой стоимости и небольших размеров. Квадратная RFID-метка размером 3 см будет иметь антенну, которая считается электрически маленькой на любой частоте ниже 1 ГГц. Портативные RFID-считыватели позволят использовать несколько большие антенны, но все равно будут соответствовать критерию λ / 10 на многих часто используемых частотах. Наконец, конечно, беспроводные телефоны,
которые теперь имеют встроенные GPS, Bluetooth ™ и другие радиосистемы. Только самые большие форм-факторы могут поддерживать антенны, которые достаточно велики, чтобы находиться за пределами электрически малого определения.
6.2 Малые Типы Антенн
Наиболее распространенными структурами, используемыми в электрически малых антеннах, являются короткий диполь (или эквивалентное расположение монополя и земли), небольшая петля и диэлектрически нагруженный патч. Каждый из них имеет множество вариаций, соответствующих механическим ограничениям конкретных применений, но эти три являются подходящей основой для понимания проблем, связанных с эффективностью, согласованием импеданса и диаграммами направленности излучения. Мы рассмотрим эту тему, используя классический диполь и петлю в качестве примеров.
Короткий диполь
На рис. 6.1 (а) показана короткая дипольная антенна. На частоте 100 МГц диполь λ / 10 с диаметром проводника 1 мм имеет импеданс в центральной точке питания 1,96-j1758 Ом, как определено численным моделированием NEC2. Это низкое сопротивление и высокое емкостное реактивное сопротивление иллюстрируют, что для согласования этой антенны с типичной системой 50 Ом потребуется большое преобразование импеданса. Распределение тока на коротком диполе является частью косинусного распределения тока, наблюдаемого на полуволновом резонансном диполе. В этом случае распределение тока почти треугольное (рис. 6 ,б). Это распределение тока приводит к диаграмме направленности в свободном пространстве, показанной на рис. 6(б), в плоскости, содержащей антенный провод. Обратите внимание, что небольшой размер этой антенны не значительно снижает эффективность. Максимальный коэффициент усиления 1,77 дБ всего на 0,37 дБ меньше, чем полуволновой дипольный коэффициент усиления 2,14 дБи. Однако это только часть истории спектакля. Как будет показано ниже, система согласования является основным фактором снижения эффективности в электрически малых антеннах.
Рис. 6.1. Пример короткого диполя: а) размеры и импеданс; (b) распределение тока и c) диаграмма направленности и коэффициент усиления
6.3 Маленькая петля
На рис. 6.2 (а) показана небольшая круговая петля диаметром λ/10.
Радиационная стойкость небольшой петли может быть рассчитана из :
=32.172 (A/ 
)2 (6.1)
где Rr-радиационная стойкость, число 31 171 равно 320π4, причем A (площадь петли) и λ (длина волны) в одних и тех же единицах.
Решение для петли диаметром λ / 10, где A= π(λ/20) 2, установлено, что радиационное сопротивление составляет 1,92 Ом.
Фактическое сопротивление точки подачи будет включать в себя резистивную потерю конаре, аналогичную короткому диполю λ / 10. Распределение тока почти равномерно по небольшой цепи и мало что говорит о его эффекте.
Рис.6.2. Небольшая петля также обладает
низкой радиационной стойкостью
6.4 Проблемы с согласованием Импеданса
Входное сопротивление как короткого диполя, так и малого контура имеет небольшую резистивную составляющую и большую реактивную составляющую. Потеря в схеме сопоставления вызывает беспокойство. Даже при относительно высоком коэффициенте добротности высокоценные реактивные компоненты будут иметь значительное сопротивление, что способствует потере системы.
Например, на рис. 6.3 (а) показана идеальная согласующая сеть без потерь для преобразования короткого диполя 1,96 –j1758 Ом в системное сопротивление 50 Ом. Математически это обеспечивает правильное совпадение, хотя и узкополосное. Однако идеальных индукторов не существует. Практичность для индуктора составляет от 50 до 200, в зависимости от конструкции и эффекты связи с окружающей средой. Для 100 каждый индуктор будет иметь резистивные потери XL/Q, или 879/100 =8,79 Ом. Поскольку имеется два индуктора, общее дополнительное сопротивление последовательно с антенным входом составляет 17,58 Ом. Игнорируя меньшие потери от конденсатора, ограничение индуктивности приводит к потере 20 логарифмов [1.96/(17.58+1.96)] = 21 дБ.
На рис. 6.3 (b) показана модифицированная сеть сопоставления, которая учитывает дополнительные потери. Различные значения демонстрируют, как
эмпирически полученная согласующая сеть (например, определенная методом проб и экспериментов) может давать результаты, далекие от расчетных значений сети, которые не учитывают потери. Процесс сопоставления аналогичен для небольшого цикла, за исключением того, что сопоставление включает в себя большое значение XC вместо XL. Поскольку конденсаторы имеют гораздо больше, чем индуктивность, казалось бы, что небольшое согласование контура будет иметь меньшие потери, чем эквивалентное согласование диполя. Это, как правило, верно, но обратите внимание, что пример петли охватывает область, намного большую, чем пример диполя. Петля, которая более сопоставима с диполем по своим физическим размерам, будет меньше и будет иметь меньшее значение Rr, что увеличит соответствующие потери в сети.
Рис. 6.3 · Короткое дипольное согласование: (а) идеальные компоненты без потерь и (б)значения, необходимые для практических индукторов с Q 100
6.5 Смягчение проблемы потерь
Многие технические работы и патенты описывают изменения в структуре малых антенн таким образом, чтобы повысить радиационную стойкость и/или реализовать методы согласования с меньшими потерями. Нагрузка-добавление емкостных или индуктивных элементов, как сфокусированных, так и встроенных в антенну, является наиболее распространенной группой. Цилиндры, сложенные элементы, трехмерные структуры, угол диэлектрика и другие методы обычно используются для добавления электрической длины к небольшой антенне, повышая радиационную стойкость.
Часто слишком неэффективность небольшой антенны просто включается в расчеты бюджета канала связи и преодолевается путем увеличения коэффициента усиления системы, мощности передачи или просто принятия уменьшенного диапазона связи. Это может работать для некоторых приложений, но все эти эффекты оказывают негативное влияние на производительность системы, снижая производительность и сокращая время автономной работы. Полезное снижение потерь в антенне и согласующей сети может быть простым и дешевым, но требует, чтобы проектировщик знал, что такое улучшение может быть получено.
В радиолюбительской литературе в последнее время появилось много публикаций о малогабаритных приемных и передающих антеннах. Они широко используются (особенно в портативной технике и на движущихся объектах) для приема телевизионных каналов и станций, радиосвязи, определения направления и т.д. Поэтому сравнительный анализ таких антенн, обсуждение их преимуществ и недостатков, а также разговор о некоторых "легендах", касающихся электрических малогабаритных антенн. Всегда ли магнитная приемная антенна лучше, чем электрическая антенна, например, при воздействии близлежащих помех? Давайте попробуем разобраться в этом. Давайте начнем с определений. Электрически малогабаритные антенны (EMA)-это антенны, размеры которых значительно меньше длины волны l, или, согласно S. Щелкунов и Г. Фриис, когда максимальный размер антенны, измеренный на входных клеммах, не превышает 1/8 .Электрически малая рамочная антенна называется магнитной антенной (МА). В ближней зоне (на расстояниях значительно меньших 1) магнитная составляющая H электромагнитного поля преобладает везде в передающей МА (отношение электрической составляющей E к магнитной составляющей-E / H-значительно меньше, чем в дальней зоне). Таким образом, приемник МА более восприимчив к переменному магнитному полю, чем к электрическому, то есть обладает компонентной селективностью . Электрическая антенна (ЭА) - короткий штырь над проводящей поверхностью или диполь, длина которого намного меньше 1,-напротив, более восприимчива к компоненте Е. Если окружность кадра сопоставима с рабочей длиной волны, он не работает. они обладают свойствами МА. Например, кадр с окружностью 11 м не обладает значительной селективностью по компонентам в диапазоне КБ, скажем, в полосе частот 10-20 МГц. Аналогично, диполь с размерами, сопоставимыми с l, не является электрической антенной в этом смысле. Наличие ферромагнитного сердечника в МА не обязательно, но если это так, антенна называется ферритовой.
Теперь о главном.
1. Магнитная антенна для приема в условиях помех не всегда лучше электрической антенны. МА могла бы обеспечить лучшую помехозащищенность среди простых ЭМА за счет селективности компонента, если бы электромагнитное поле с преобладанием компонента Е создавалось в зоне, близкой к приемнику, источниками помех. Однако это не всегда так. Например, коммутация в электрических сетях приводит к появлению на участках этих сетей ослабленных электромагнитных волн с широким спектром. Если приемная антенна расположена близко к проводам этой сети, то в ближнем поле это воспринимается как импульсная помеха. Амплитуды составляющих тока и напряжения помехи в заданном узком диапазоне приема чаще всего распределены по проводам неравномерно: имеются зоны тока (максимума) и напряжения анодов (рис. 6. 4).
Рис.6.4. Зоны тока (максимума) и анодов напряжения
Электромагнитное поле ближнего поля также неоднородно вдоль линии. В близи пучностей тока преобладает магнитная составляющая, а вблизи пучностей напряжения - электрическая составляющая. В области 1 (рис. 6.4) наилучшая помехозащищенность будет обеспечиваться МА, а в области 2 - ЕА. Эксперименты показали, что интенсивность стоячей волны и распределение пучностей напряжения и тока зависят от множества различных условий, включая количество и характер нагрузок, подключенных к сети. В среднем приемник с такой же вероятностью будет находиться рядом с антинодом тока или напряжения. Следовательно, магнитная антенна не всегда и не всегда менее восприимчива к "промышленным" помехам, как иногда сообщается. Более того, то же самое нельзя сказать о рамочных антеннах в целом. Почему действительно всегда есть значительные улучшения при переходе от короткого провода (штыря) к хорошей симметричной экранированной раме, подобной описанной в и ( этот факт активно поддерживает рассматриваемое недоразумение.) Дело в том, что обычно короткий провод в качестве антенны не является единственным передающим (принимающим) элементом антенной системы; также задействованы сетевые провода, заземление и другие металлические конструкции, подключенные к корпусу отправителя (приемника) отправителя (приемника). Многим знакома ситуация, когда неон загорается при прикосновении к корпусу передатчика, трубам отопления ... Если при приеме используется такая "антенная система", то все эти элементы воспринимают всевозможные помехи и помехи в здании со множеством цепей и линий (электричество, телефон и т. Д.). Однако сделать короткий симметричный диполь еще проще, чем сделать качественный каркас. Необходимо только исключить восприимчивость линии электропередачи к электромагнитным полям и исключить проникновение сигналов в приемник по другим боковым маршрутам, за исключением антенны. Если недоразумение, обсуждавшееся выше, было переоценкой избирательности принимающего МА, то другое, также очень распространенное заблуждение заключается в том, что отправляющая МА якобы намного хуже, чем советник. В ряде публикаций утверждается, что небольшие кадры гораздо менее эффективны при передаче, чем электрические антенны сопоставимого размера, из-за значительно более низкой радиационной стойкости.
Учитывая потери в согласующих цепях, электрический малый диполь и рамка имеют приблизительно эквивалентную эффективность при работе в режиме передачи. Эффективность антенны E, равная отношению излучаемой мощности к мощности, потребляемой от генератора, зависит не только от сопротивления собственным потерям антенны (Ra), но и от сопротивления потерям в требуемом адаптационном элементе (компенсация реактивного сопротивления) Rc: E=RS/(RS+RA+Rc) см. Рис. 6.5.
Рис.6.5. Компенсация реактивного сопротивления
Активный импеданс (соп-ния, в Ом) антенн с учетом скин-кадра с периметром l равен
(6.2)
где d - диаметр проводника (мм), г - относительная магнитная проницаемость материала антенны, s и sм - удельные сопротивления материала антенны и меди соответственно при длине диполя l: l: RаД=RaP/3.. Активные потери в согласующих элементах зависят от их параметров и добротности: Rc=¦Хa¦/Qс, где Хa - реактивная составляющая полного входного импеданса антенны, емкостная для li индуктивная для корпуса, а для ЭMA ¦XaP¦ <¦HaAD¦ Согласующий элемент обеспечивает постоянный резонанс в цепи антенны (Xa + Xc = 0). Фактические добротности для диполя Qsd = 200 ... 400, для корпуса Qsr = 1000 ... 2000. Реактивные сопротивления (в омах) можно рассчитать по следующим формулам:
(6.3)
(6.4)
Они получаются, как и предыдущие, на основе известных соотношений (см. Например ). Результаты расчета дипольной и винтовой антенны витка из меди (d = 10 мм) для l = 80 м, Qsd = 200, Qcp = 1000 приведены в таблицах.
Таблица 1.
Данные, рассчитанные для диполя длиной l
Таблица 2.
Расчетные данные для рамки периметром l
Таблица 3.
Расчетные данные для рамки диаметром l
Они показывают, что с точки зрения эффективности небольшая рамка может быть даже лучше, чем диполь сопоставимого размера. Хотя, конечно, сама эффективность очень мала и резко падает с уменьшением относительных размеров. Аналогичные расчеты для алюминия дали снижение эффективности не более чем на 12% для конструкции и на 0,2% для конструкции. При длине 160 м, при тех же других параметрах, эффективность была в среднем на 20% хуже. Представленные результаты согласуются с данными, полученными для штыря на идеально проводящей поверхности. Поэтому, если эффективность платы быстро снижается из-за уменьшения RSP, то эффективность диполя уменьшается так же быстро из-за увеличения потерь в соответствующем элементе.