У ряді практичних випадків розміри антени, співмірні з довжиною хвилі, неприпустимо великі. Тому і були розроблені електрично укорочені (малі) антени. Важливо також, щоб антена була єдиним елементом, випромінюючим або приймаючим електромагнітну енергію. Один з варіантів таких антен, електрично укорочена рамкова антена, розглядається у статті. Експерименти проводилися на частотах 14, 27 і 430 МГц.
Рамкова антена володіє найкращими властивостями, коли при цьому периметрі покриває найбільшу площу, тобто є круглою рамкою. Але для зручності розгляду звернемося до квадратній рамці і вертикальної поляризації випромінюваних (прийнятих) хвиль (рис. 1 а).
Коефіцієнт направленої дії (КНД) квадратної рамки з периметром е = λ (λ - довжина хвилі) у вільному просторі порівняно з полуволновым диполем становить 1,35 дБ при опорі rΣ = 100 Ом [1].
Квадратну рамку з вертикальною поляризацією можна уявити що складається з двох півхвильових вертикальних диполів, навантажених з кінців (ємнісна навантаження) і рознесених на чверть довжини хвилі. Випромінювання вгору і вниз відсутня, так як струми в горизонтальних провідниках рамки компенсують один одного. Розподіл струму і та напруги U вздовж провідника рамки представлено на рис. 1,б. Точки А і З, пучности струму, є точками нульового потенціалу. При підключенні антени в розрив в точці А один диполь живиться струмом, а інший - в точках в і D - протифазними напругами. Діаграми спрямованості рамки, що знаходиться в вільному просторі, у вертикальній і горизонтальній площинах приведені на рис. 1 в, г і за своєю формою близькі до діаграми спрямованості полуволнового диполя [2].
Електричне вкорочення рамкової антени може бути здійснено збільшенням ємнісний навантаження диполів шляхом включення в пучности напруги, тобто точки В і D, ємностей, що додатково змінює фазу напруги в цих точках на 180° (рис. 2,а). Назвемо цю антену укороченою рамковою антеною з двох полурамок.
Струм у контурі рамки протікає тепер тільки в одному напрямку (рис. 2,б), т. тобто струми в протилежних провідниках рамки виявляються відносно один одного протилежно спрямованими. Це означає, що випромінювання в напрямку, перпендикулярному площині рамки, відсутній, тобто діаграма спрямованості представляє приблизно коло у вертикальній площині і "вісімку" горизонтальною (рис. 2,в, г). Якщо вважати аналогом даної антени два півхвильових диполя з протилежно спрямованими рівними струмами, то КНД в горизонтальній площині щодо кругової діаграми спрямованості складає 3,8 дБ [1].
Таким чином, дана антена за своїми властивостями наближається до магнітної антени - це антени з постійним розподілом струму вздовж контуру рамки, і випромінюючої переважно магнітну складову електромагнітного поля в ближній зоні.
Розглянута антена має чотири точки нульового потенціалу: А, С - пучности струму і В, D - середини відстані між обкладками конденсаторів - вузли напруг. Відповідно живити антену можна поблизу цих точок. Простіше всього застосувати Т-образне узгодження при харчуванні у пучности струму (рис. 3,а) [2] або ємнісний дільник напруги при підключенні напруги у вузлі (рис. 3,б) [1].
Орієнтовно параметри яка приводить в дію ланцюга можна визначити з наступних міркувань.
- Спочатку рамка обраного периметра e < λ настроюється в резонанс на робочу частоту f за допомогою двох однакових конденсаторів ємністю 2С і вимірюється добротність ненавантаженому рамки Q.
- Хвильовий опір рамкової антени як LC-контуру РА=1/(2πfC).
- Коефіцієнт включення лінії живлення з хвильовим опором ра в антенний контур, виходячи з умови, що при узгодженні добротність контуру зменшується в два рази, до = (PАQ/Рл)1/2.
- Відстань між точками підключення Т-подібного узгодження ет= е/к.
- Елементи ємнісного дільника Сн = кС, З' = 4С·до/(-2).
- Якщо підключити лінію живлення в розрив рамки в точці А, то вхідний опір гвх = Pa/Q.
- Опір випромінювання рамки [3] гΣ = 80π2(2πSp/λ2)2, де Sp - площа рамки, або для круглої рамки гΣ=20π2(e/λ)4.
Відомий ще один варіант електрично укороченою рамкової антени - напівхвильовий диполь з ємнісний навантаженням, згорнутий в рамку (рис. 4,а). Для реалізації цієї антени (периметр рамки повинен бути менше половини довжини хвилі. Точки нульового потенціалу - точка А і середина відстані між обкладками конденсатора С (рис. 4,б). Діаграма спрямованості приблизно збігається з діаграмою спрямованості рамкової антени з двох полурамок. Підключення лінії живлення проводиться поблизу точок нульового потенціалу, як це робиться в рамкової антени з двома полурамками.
Укорочена рамкова антена з двох полурамок характеризується більш рівномірним розподілом амплітуди струму вздовж провідника рамки порівняно з рамковою антеною з безперервною рамкою, тому при однакових периметрах має великим опором випромінювання rΣ і, як наслідок, більшою ефективністю ηA (коефіцієнтом корисної дії). Виграш за даними вимірювань досягає 3 дБ при е/λ = 0,2.
Дослідження укороченою рамкової антени з двох полурамок проводилося на частотах 14, 27 і 430 МГц.Для частоти 14 МГц квадратна рамка з мідного дроту діаметром 2 мм мала периметр е = 0,Зλ, ємності 2С = 22 пФ, добротність ненавантаженому рамки Q = 100, опір випромінювання rΣ = 2 Ом, вхідний опір в пучности струму гвх = 10 Ом, ефективність ηA - 0,1 і смугу пропускання 0,3 МГц. Для підключення кабелю з хвильовим опором Рл = 50 Ом ємнісний дільник напруги складався з конденсаторів З = 47 пФ і Сн = 510 пФ, а довжина відрізка провідника рамки для Т-подібного узгодження еτ = 160 мм. Симетрування здійснювалося з допомогою феритового кільця і декількох витків коаксіального кабелю [2]. Антена застосовувалася як кімнатна приймальня для спостереження за роботою аматорських радіостанцій. У ряді випадків вдавалося зменшити рівень заважаючих сигналів внаслідок симетрії антени, послаблював синфазні перешкоди, і наявності "нулів" на діаграмі спрямованості.
Для частоти 27 МГц було виготовлено кілька антен з двох полурамок з периметрами е =(0,1...0,5)%.. Їх дослідження дало наступне. У розглянутій рамкової антени опір випромінювання дуже сильно падає при зменшенні розмірів. Воно залежить в квадраті від площі (або в четвертому ступені від периметра круглої рамки). Тому для рамкових антен з периметром е < 0,1 А. опір випромінювання значно менше опору втрат, і смуга пропускання антени визначається тільки параметрами антенного LC-контуру. Для рамкової антени з периметром е > 0.2 А. опір випромінювання стає порівняно з опором втрат, добротність починає падати, а смуга пропускання антени і ефективність - рости. Крім того, бажано при запитывании антени прагнути до того, щоб центральні частини вібраторів, тобто пучности струму, були вільні від подключающих елементів. Тому ємнісний дільник напруги переважно Т-подібного узгодження.
Рамкова антена для частоти 430 МГц мала розміри 36x22 мм і була виготовлена з посрібленого мідного дроту діаметром 1,5 мм. Ємності 2С складалися з підлаштування конденсаторів 1...5 пФ. Застосовувалося несиметричне Т-образне узгодження. Оплетка кабелю з Рл = 50 Ом підключалася до точки нульового потенціалу - пучности струму, а центральна жила - на відстані 10 мм від неї. Смуга пропускання навантаженої антени - 4,5 МГц, ефективність-0,05...0,1.
Розглянута рамкова антена є симетричною, не вимагає противаги, має точки нульового потенціалу (що дозволяє застосовувати загальноприйняті способи харчування), може підлаштовуватися конденсатори змінної ємності, мало чутлива до наявності в безпосередній близькості від неї діелектричних і слабо проводять предметів, не містить індуктивних елементів. При заданому периметрі найбільшою ефективністю володіє укорочена кругла рамкова антена, що складається з двох полурамок, який має живлення через ємнісний дільник напруги при мінімально можливі втрати в матеріалі рамки і конденсаторах.
Література
Автор: Н.Туркін, р. Санкт-Петербург