短いアンテナの神秘。スキーム、説明

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短いアンテナの神秘。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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受信機の感度の高さを称賛したいとき、よく言われるのが、「一本のワイヤー」上でも無線局からの信号を受信するということです。この記事では、著者は理論的および実験的に、悪名高い「ワイヤの切れ端」が最悪のアンテナとは程遠いものであり、受信機の入力と適切に調整すれば、非常に大きな信号電圧を提供できることを証明しています。

かつては長波や中波の放送受信用に広く使われており、フェライト磁性アンテナが普及した現在でも、通常の電線を垂直に設置した電気アンテナが多く使われています。このようなアンテナを使用する場合、良好な受信のためには接地またはカウンターウェイトが必要です。最も単純なケースでは、受信機の本体がカウンターウェイトとして機能し、主電源から電力が供給されている場合は、電源コードのワイヤーと電気ネットワーク自体がカウンターウェイトになります。 LW および MW 帯域のすべての無線局は垂直偏波のみで電波を放射するため、水平ワイヤーアンテナはほとんど使用されません。これは、これらの範囲の導体の特性に近い地表の特性に関連しているためです。

アマチュア無線家、特に最も単純で感度が不十分なダイレクトゲイン受信機を実験したことのあるアマチュア無線家は、短いワイヤーアンテナが非常に効果的であることを知っています。特に、長さ 1 ～ 2 m のワイヤーはフェライトよりもはるかに大きな信号を生成することがよくあります。アンテナ。秘密は何ですか？結局のところ、ワイヤーアンテナの長さは波長よりも計り知れないほど短く、すべての規範によれば、それは効果的ではないはずです。短い垂直ラジオ受信アンテナの動作を分析する試みと、それを最適化したいという願望は、非常に興味深い、さらには驚くべき結果につながりました。著者はそれを好奇心旺盛な読者に提供します。

受信機入力での最大電圧（つまり、電力ではなく電圧）を取得するという意味での最適化は、図に示すように、入力回路コンデンサを除外し、それをアンテナ自体の静電容量で置き換えることにまで縮小されました。 1. 同時に、URF の入力インピーダンスは無限に大きいと想定されます。これは、DV および SV で電界効果トランジスタを使用する場合、真実に近くなります。 URF の入力容量とコイルの容量がアンテナの容量に加算されます。分析ではそれらを考慮しません。

短いアンテナの神秘

図上。図 1 は、正弦波の最初の部分であるアンテナ内の電流分布も示しています。十分な精度があれば、それは三角形であると考えることができます。これを同じ面積の長方形に置き換えると、アンテナの実効高さ h が得られ、その幾何学的高さの半分に等しくなります。

コイルのインダクタンスは、アンテナの静電容量とともに、受信周波数で共振が得られるように選択されます。得られた回路の等価回路を図に示します。 2.

短いアンテナの神秘

共振時、アンテナの容量性抵抗 - Xc は誘導性 Xt (絶対値) に等しく、リアクタンスは互いに補償します。そのため、回路内の電流は最大で e / R に等しくなります。ここで、e は EMF です。アンテナで発生した信号（e \uXNUMXd Eh：Eは強度フィールド）、Rは回路のアクティブ抵抗です。 URC の入力電圧 (U) はコイルから除去されるため、回路内の電流とコイルの誘導抵抗を乗算した値に等しくなります: U = EhXL / R。

説明したアンテナによって発生する電圧を計算するための簡単な式があります。パラメータ XL =Xc の絶対値は、アンテナの長さ (アンテナの静電容量は長さ 7 メートルあたり 15 ～ 1 pF) と受信信号周波数 f によって決まります。したがって、Xc = 2/2πfC となります。対応するインダクタンスも簡単に見つけることができます: L = XL /XNUMXπf。 E は既知である必要がありますが、Ah は定規で測定できます。しかし、比 XL /R がアンテナ回路の品質係数 Q にすぎないことに注意すると、式はさらに簡略化できます: U = EhQ。アンテナが短い場合、回路全体の品質係数はコイルの品質係数とほぼ同じになります。

例として、長さ 10 m (h = 2 m) のワイヤで受信された、電界強度 1 mV/m のそれほど遠くない中波または中波無線局からの信号を計算してみましょう。アンテナ回路の品質係数を 100 に設定しました。単純な数値の乗算を行うと、U = 1 V という非常に驚くべき結果に達しました。この電圧は、URF がなくても信号を検出するには十分です。ただし、いくつかの予約が必要です。まず、コイルのインダクタンスはかなり大きくなければなりません。この例では、周波数 1 MHz の MW 帯域の中央であっても、リアクタンス XL は約 10 kOhm です。インダクタンスは約 1.5 mH で、アンテナ回路の共振インピーダンス (XLQ に等しい) は 1 MΩ に近くなります。 RF アンプまたは検出器の入力インピーダンスはさらに高くする必要があります。これは、アンテナによって発生した高電圧の支払いです。

図の回路で大きなインダクタンスのコイルが可能かという疑問が生じます。 1 従来の発振回路に置き換えられるか? もちろん可能ですが、回路上で発生する信号電圧は低くなります。かなり面倒な数学的分析から読者を救うために、信号電圧はアンテナ容量と総ループ容量の比に（おおよそ）比例して減少する、ということだけを述べておきます。これは、コイル R の抵抗を流れる追加の無効電流が追加の損失を引き起こすという事実によって説明されます。コイルの自己容量と RF の入力容量も、発生する電圧を低下させるという有害な役割を果たすことは明らかです。示されている例では、標準的な 200 uH 中波インダクタと約 130 pF のコンデンサを並列に接続して 1 MHz に同調しています。回路では約 0,15 V の信号電圧が得られますが、これも一般的には小さくありません。

さらに、興味を引くために、コイルが理想的で損失がないと仮定します。これで等価回路は図のようになります。 3. ちなみに、この場合、コイルのインダクタンスを簡単に減らし、ループコンデンサを並列に接続できます。結果として得られる回路は、目的の周波数よりわずかに高い周波数に同調する必要があります。その周波数では、抵抗の誘導性が発生し、大きいほど離調が小さくなります。離調を選択すると、アンテナの静電容量 Xc に正確に等しい回路の誘導抵抗 Xt が得られ、再び図の等価回路に到達します。 3. 実際には、調整は回路上の最大信号電圧に従って通常どおり実行され、アンテナの静電容量を考慮して、所望の周波数での回路の正確な共振に対応します。

短いアンテナの神秘

現在のアンテナ回路のアクティブ抵抗はいくらですか? 以前は、コイルの損失抵抗とアンテナの放射抵抗で構成されていましたが、後者ははるかに小さいため無視されていました。ここで、コイルの損失抵抗はゼロになり、コンデンサがあったとしても実質的に損失は発生せず、放射抵抗のみが残ります。理論的に知られているように、短いアンテナの場合、Rid = 1600h/λ2 です。この式を、コイルに発生する電圧について得た式に代入すると、U = EXLλ2 / 1600h が得られます。つまり、アンテナが短くなると、電圧はさらに増加します。

異論は予想されます。この素晴らしい結果が得られた、と彼らは言います。非現実的な条件、つまりコイルに損失がなく、その品質係数が無限大になる傾向がある場合。もちろん、液体ヘリウムの中にコイルを入れて超電導と損失ゼロを実現しようとする人は誰もいません。これは可能ですが、費用がかかりすぎ、面倒になります。別の方法は長い間知られており、広く使用されてきました。それは、正帰還または回生を使用してコイルの損失を補償することです。再生器の自励しきい値に近づくと、回路の等価品質係数が大幅に増加し、それに伴って信号電圧と感度も増加します。入力回路で再生を使用した Q マルチプライヤの並外れた受信品質に関する伝説は、まったくゼロから生まれたものではないことが判明しました。

長波長および中波長では、入力回路での再生はあまり使用されません。これは、主に品質係数が高いと、B \u10d f / Qにより帯域幅（B）が狭くなり、AMオーディオスペクトルの高周波が減衰するためです。しかし、短波長では、必要な帯域が狭くなり、周波数が高くなるため、入力回路の品質係数が大きくなるのは歓迎するほかありません。著者が行った測定によると、適切に設計された Q マルチプライヤでは、かなり安定した 000 の品質係数を取得することがかなり可能です。このような回路に接続された長さ10 mのアンテナで、E = 2μV / mのかなり弱い信号がどのような電圧になるかを計算してみましょう：U = EhQ = 0,1 V。彼らが言うように、コメントは余分です。

言われたことを確認するために、著者は図に示すデバイスを組み立てました。 4. これは「ソース」電界効果トランジスタ検出器です (以前は、同様の特性の検出器がランプ上に作成され、カソード検出器と呼ばれていました)。ソース回路の抵抗は非常に大きくなるように選択され、トランジスタはカットオフ近く、特性の下側の曲がりで動作するため、AM 信号を良好に検出します。大きなゲートオフバイアス (ソースに対して) により高い入力インピーダンスが保証され、100% のオーディオフィードバックにより低歪みが保証されます。コンデンサ C2 と R3C4 回路は高周波成分を除去し、可変抵抗器 R4 はボリュームコントロールとして機能します。そこから、オーディオ信号が単純な UMZCH に供給されました (V. Polyakov.「Universal Amplifier 3Ch」。-Radio. 1994. No. 12. p. 34, 35)。

入力回路コンデンサは、アンテナ、コイル、トランジスタの入力容量の代わりになります。アンテナはデスクトップから窓まで張られた 250 メートルのワイヤーで、中央の加熱パイプは窓の下でアースとして機能します。コイルは産業用 DV 受信機の磁気アンテナから既製のものを取り出しました。これには、直径 0,2 mm のフレームに 12 層で巻かれた PEL 0,5 ワイヤが約 1,5 巻き含まれていました。同調のために、同じアンテナの磁気ロッドがコイルに挿入されました。静電容量が低いため、回路の同調は中波範囲の周波数で行われることが判明しました。モスクワの XNUMX つのラジオ局がトランジスタのゲートで XNUMX ～ XNUMX V の信号を生成したため、理論は完全に裏付けられました - 音量コントロールは最小に設定する必要がありました。

ゲートの高周波電圧を測定するのは決して簡単ではありませんでした。信号の分流があるため、オシロスコープをゲートに接続することができませんでした。オシロスコープのプローブは、コンデンサ C2 の代わりにソースに接続されました。この場合、検出は悪くなりますが、トランジスタはソースフォロワモードで高周波信号を伝送します。静電容量 C2 を減少させます。再生や自己励起さえも観察できます。この場合のフィードバックは、容量性 2 点方式に従って得られます。ゲート・ソース間容量とコンデンサ CXNUMX によって形成されます。十分な再生により、夕方でも遠くの局を聴くことが可能でした。

興味深い事実は、実験中にアンテナ線が回路から外れても、モスクワ放送局の受信がフェライトロッド上で（音量ははるかに低かったにもかかわらず）継続されたことです。

著者: V.Polyakov、モスクワ

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