電気的に短縮されたループアンテナ。スキーム、説明

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電気的に短縮されたループアンテナ。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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実際の多くの場合、アンテナの寸法は、波長に比例して許容できないほど大きくなります。そこで、電気的に短縮された（小型の）アンテナが開発されました。アンテナが電磁エネルギーを放射または受信する唯一の要素であることも重要です。このようなアンテナの変形の 14 つである電気的に短縮されたループアンテナについては、この記事で説明されています。実験は 27、430、および XNUMX MHz の周波数で実行されました。

ループアンテナは、特定の周囲長で最大のエリアをカバーする場合、つまり円形のフレームである場合に最高の特性を発揮します。しかし、考察の便宜上、正方形の枠と放射（受信）波の垂直偏波に目を向けましょう（図1a）。

電気的に短縮されたループアンテナ

自由空間における外周 e = λ (λ は波長) の正方形フレームの指向性係数 (DAC) は、半波長ダイポールと比較して、抵抗 rΣ = 1,35 オームで 100 dB です [1]。

垂直偏波方形ループは、両端に負荷 (容量性負荷) があり、1 分の 1 波長で分離された 2 つの半波長垂直ダイポールから構成されると考えることができます。フレームの水平導体の電流が互いに打ち消し合うため、上下の放射はありません。フレーム導体に沿った電流 I と電圧 U の分布を図に示します。 XNUMXb. 電流の波腹である点 A と C は、電位ゼロの点です。アンテナが点 A のギャップに接続されている場合、一方のダイポールには電流が供給され、もう一方の双極子 (点 B および D) には逆位相の電圧が供給されます。自由空間に配置されたフレームの垂直面と水平面の放射パターンを図に示します。図１ｃ、図１ｄおよび図１ｄの放射パターンは、半波長ダイポールの放射パターンに近い形状である［２］。

ループアンテナの電気的短縮は、電圧の腹、つまり点BとDの静電容量をオンにしてダイポールの容量性負荷を増加させることによって実行できます。これにより、これらの点での電圧の位相がさらに180°変化します。 (図2、a)。このアンテナを XNUMX つのハーフフレームの短縮されたループアンテナと呼びましょう。

電気的に短縮されたループアンテナ

フレーム回路内の電流は一方向にのみ流れます (図 2、b)。つまり、フレームの反対側の導体内の電流は、互いに逆方向になることがわかります。これは、フレームの平面に垂直な方向には放射がないことを意味します。つまり、放射パターンは垂直面ではほぼ円形、水平方向では「2の字」になります(図3,8、c、d)。このアンテナの類似物として、逆向きの等しい電流を持つ 1 つの半波長ダイポールを考慮すると、円形の放射パターンに対する水平面内のゲインは XNUMX dB になります [XNUMX]。

したがって、その特性において、このアンテナは磁気アンテナ、つまりループの輪郭に沿って一定の電流分布を持ち、主に近傍ゾーンの電磁場の磁気成分を放射するアンテナに近づきます。

検討中のアンテナにはゼロ電位の 3 つの点があります。A、C - 電流の腹、および B、D - コンデンサのプレート間の距離の中点 - 電圧ノードです。したがって、アンテナはこれらの点の近くで給電できます。最も簡単な方法は、電流の腹で電力が供給されている場合は T 字型マッチングを使用するか (図 2、a) [3]、電圧ノードに接続されている場合は容量性分圧器を使用することです (図 1、b) [XNUMX]。

電気的に短縮されたループアンテナ

接続回路のおおよそのパラメータは、次の考慮事項から決定できます。

最初に、選択された周囲 e < λ のフレームが、静電容量 2C の XNUMX つの同一のコンデンサを使用して動作周波数 f で共振するように調整され、無負荷フレームの品質係数 Q が測定されます。
LC回路としてのループアンテナの波動インピーダンスはPA=1 /（2πfC）です。
整合時に回路の品質係数が半分になるという条件に基づく、波動インピーダンス rl の電力線のアンテナ回路への組み込み係数、k = (PAQ / Рl) 1/2。
T 字型マッチングの接続点間の距離は et= e/k です。
容量性分周器の要素Cn=kC、C'= 4C・k /（k -2）。
電源線を点 A のフレームブレークに接続すると、入力抵抗 rin = Pa / Q になります。
フレームの放射線抵抗 [3] rΣ = 80π2(2πSp/λ2)2、Sp はフレームの面積、または円形フレームの場合は rΣ=20π2(e/λ)4。

電気的に短縮されたループアンテナの別のバージョンが知られています。これは、フレーム内に折り畳まれた、容量性負荷を備えた半波長ダイポールです (図 4、a)。このアンテナを実装するには、ループの周囲が波長の半分未満である必要があります。ゼロ電位の点 - 点Aとコンデンサのプレート間の距離の中間C（図4、b）。放射パターンは、XNUMX つのハーフフレームのループアンテナの放射パターンとほぼ一致します。電力線は、XNUMX つのハーフフレームを備えたループアンテナと同様に、ゼロ電位点の近くに接続されます。

電気的に短縮されたループアンテナ

3 つのハーフフレームの短縮されたループアンテナは、連続ループのループアンテナと比較して、ループ導体に沿った電流振幅のより均一な分布を特徴とするため、同じ周長では大きな放射抵抗 rΣ を持ちます。その結果、効率ηA（効率）が向上します。測定データによると、ゲインは e/λ = 0,2 で XNUMX dB に達します。

14 つのハーフフレームの短縮ループアンテナの研究は、周波数 27、430、および 14 MHz で実行されました。周波数 2 MHz の場合、直径 0 mm の銅線で作られた正方形のフレームの周囲長 e = 2λ、静電容量 22C = 100 pF、無負荷フレームの品質係数 Q = 2、放射抵抗 rΣ = 10 Ω、電流腹の入力抵抗 rin = 0,1 Ω、効率 ηA - 0,3、帯域幅 50 MHz。波動インピーダンス Pl = 47 オームのケーブルを接続するために、容量性分圧器はコンデンサ C = 510 pF と Cn = 160 pF で構成され、T 字型整合のためのフレーム導体セクションの長さ eτ = 2 mm で構成されます。バランス調整は、フェライトリングと数回巻いた同軸ケーブルを使用して実行されました [XNUMX]。このアンテナは、アマチュア無線局の動作を監視するための室内受信機として使用されました。場合によっては、コモンモード干渉を減衰させるアンテナの対称性と放射パターン内の「ヌル」の存在により、干渉信号のレベルを低減することが可能でした。

周波数 27 MHz の場合、周長 e = (0,1 ... 0,5)% の 0,1 つのハーフフレームからいくつかのアンテナが作成されました。検討中のループアンテナでは、サイズが小さくなるにつれて放射抵抗が非常に大幅に低下します。それは面積の二乗（または円形フレームの周囲長の 0.2 乗）によって決まります。したがって、周長 e < XNUMX A のループアンテナの場合、放射抵抗は損失抵抗よりもはるかに小さく、アンテナの帯域幅はアンテナ LC 回路のパラメータによってのみ決まります。周囲長 e > XNUMXA のループアンテナの場合。放射抵抗が損失抵抗に比例し、品質係数が低下し始め、アンテナの帯域幅と効率が向上します。さらに、アンテナに給電するときは、振動子の中心部分、つまり電流の腹に接続要素が存在しないように努めることが望ましい。したがって、T 字型マッチングよりも容量性分圧器の方が適しています。

430 MHz ループアンテナの寸法は 36x22 mm で、直径 1,5 mm の銀メッキ銅線でできていました。静電容量 2C はトリマーコンデンサ 1...5 pF で構成されています。非対称の T 字型マッチングが使用されました。 Pl = 50 Ωのケーブル編組を、ゼロ電位点 (電流腹) とそこから 10 mm の距離で中心コアに接続しました。搭載アンテナの帯域幅は 4,5 MHz、効率は 0,05 ～ 0,1 です。

検討されているループアンテナは対称的で、釣り合いおもりを必要とせず、ゼロ電位点を持ち (これにより従来の電源供給方法が使用可能)、可変コンデンサによって調整でき、内部の誘電体や弱導電性の物体の存在にあまり敏感ではありません。そのすぐ近くにあり、誘導整合要素は含まれていません。特定の周囲では、フレーム材料とコンデンサの損失が最小限に抑えられた容量性分圧器を介して電力供給される XNUMX つのハーフフレームで構成され、最も短い円形ループアンテナの効率が最も高くなります。

文学

デヴォイデール・ジョン。低域DX化。 American Radio Relay League, Inc. - 1987 年、p. 266.
グリゴロフI.アンテナの実用的な設計。 -M .: DMK、2000、352ページ。シルト、
Grechikhin L. 電気的に小さなアンテナ: 可能性と妄想。 - ラジオ、1992 年、第 11 号、p. 8-10。

著者：N。ターキン、サンクトペテルブルク

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