トロイダルアンテナ。スキーム、説明

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トロイダルアンテナ。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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アンテナ技術の緊急の課題は、効率的な電気的に小型のアンテナを作成することです。これらは、KB、VHF、マイクロ波帯域のポータブルおよびモバイル無線局と、スペースが限られた状況での固定長波無線システムの両方に必要です。提案された記事では、この問題を解決する興味深い方法の XNUMX つを読者に紹介します。

電気的に小さなアンテナの寸法は、定義上、自由空間の波長 λ よりもはるかに小さいです。このようなアンテナの設計の問題は、放射システムのサイズが小さくなるにつれて、放射効率が急速に低下することです。非共振アンテナとソース (受信機) のマッチングには困難が生じます。

直線導体を螺旋状に曲げたスパイラル導体に置き換えることにより、電気（波）寸法を維持しながらアンテナの物理的寸法を縮小することが可能です（図1）。

トロイダルアンテナ

このような構造はリターディングと呼ばれます。らせんの軸に沿った波の伝播速度は光の速度より遅いため、同じ周波数におけるこのような構造の波長 λs は λ より小さくなります。このようにして、共振アンテナの物理的な長さを XNUMX 分の XNUMX に減らすことができます。ヘリカル横方向 (軸に対して垂直) 放射アンテナは、携帯無線機器および固定無線機器で広く使用されています。

リニア振動子を閉じたリングに折りたたむと、フレームが得られます (図 2、a)。電気的に小さなフレーム内の電流 1e の分布は均一であると考えることができるため、基本的な垂直磁気振動子と同様に、すべての方位角方向に均一に放射されますが、水平偏波でのみ放射されます (図 2,6)。電流分布が不均一であると、図はそれほど対称的ではなくなります。フレームの周囲の長さが半波長の整数倍である場合、そのようなアンテナでは共振が発生する可能性があります。したがって、「正方形」タイプのアンテナでは、XNUMX つの半波長がその周囲に収まります。

トロイダルアンテナ

中波、長波、および超長波では、その伝播の特殊性により、垂直偏波が優先されます。ここで、アンテナの垂直方向の寸法を縮小するという問題が特に深刻になります。高さ約 136 m、550 kHz の範囲のアマチュア 2 分の 3 波長垂直振動子を想像してみましょう。しかしながら、放射線源として電流を使用する必要は全くない。順列双対性の原理に従って、一様に分布したリング電流（図 XNUMX、a）を磁流 IM に置き換えると（自然界には磁荷がないため、これは架空の磁流となり、密度はその変化率は磁気誘導の変化率に比例します)、フィールド内では電気コンポーネントと磁気コンポーネントの放射ベクトルが場所を変更します。基本的な電気振動子 (この場合は垂直振動子) と指向性パターンの点で同等のソースが得られます (図 XNUMX)。

トロイダルアンテナ

リング磁流は、直線スパイラルを閉じたリングに折り畳むことによって形成されるトロイダルヘリカルアンテナ (トロイダルヘリカルアンテナ、THA) で取得できます。螺旋コイルの形状は任意（円形、長方形等）でよい。図上。図４は、正方形の断面形状を有するトロイドのスケッチを示し、サイズ指定が示されている。

トロイダルアンテナ

図上。図５ａは、７ターンのトロイダルアンテナを構築する例を示す。このようなシステムでは、磁流の半波の整数がトロイドの軸に沿って収まる場合、共振も発生する可能性があります。しかし、スパイラルでは波長が短いため、共振 TNA は直線ワイヤからの共振フレームよりもはるかに小さくなる可能性があります。

図上。図 5、b、c、d は、HPP の空間放射パターン (RP) を、電界 Eθ、Eφ の個々の成分と、スパイラル電流の全電界 EΣ 渦成分の両方の観点から示しています。トロイダル成分（トロイダルの軸に沿った）。これにより、放射場には垂直 Eθ だけでなく、電場 Eφ の重要な水平成分も含まれます。

トロイダルアンテナ

電流のトロイダル成分を補償するために、6 つの同一の巻線が作成され、異なる方向 (左と右) に巻かれ、逆位相でオンになります (図 XNUMX、a)。

トロイダルアンテナ

巻線は交差点では接続されていません。逆ヘリカル巻線を備えたトロイダルヘリカルアンテナ (Contrawound Toroidal Helical Antenna、CTHA) を受け取りました。両方の巻線からのトロイドのキャビティ内の磁場は合計されます。図の図上で。図6bから、放射フィールド内のEθ成分の割合が著しく増加し、y軸に沿った全体のダイアグラムの最小値が浅くなっていることがわかりますが、ここでも、次のような一般的なダイアグラムは得られていません。イチジク。これは、トロイドの空洞内の磁場が軸に沿って均一に分布しているのではなく、定在電流波の振幅の分布に従って分布しているという事実によって説明されます。この障害を克服する方法を以下に示します。次に、すでに説明したアンテナのいくつかの興味深い特性を検討します。

図上。図 7 は、a = 0,6 m、h = 0,8 m、N = 7 における HP の入力インピーダンスのアクティブ (R) 成分とリアクティブ (X) 成分の計算された周波数依存性を示しています。特徴は、偶数の「直列」が交互に配置されていることです。奇数の「並列」共振（直列および並列発振回路の共振と性質が似ています）。

トロイダルアンテナ

比較のために、表には、このアンテナ (TNA) と同じパラメータを使用した STNA アンテナの共振周波数 (メガヘルツ単位) と共振インピーダンス (キロオーム単位) の計算値が示されています。

STNA における共鳴の交替の性質は TNA と同じですが、同じパラメータでは STNA の共鳴周波数は低くなります。これは、巻線間の静電容量の影響によって説明できます。どちらのアンテナも厳密な多重度の共振周波数を持っていないことに注意してください。

トロイダルアンテナの主なパラメータは、寸法と巻数 N です。計算とモデリングのために、辺が h の正方形の断面形状を選択しました。トロイドの内側と外側の媒質の影響を無視する場合、1 次共振の周波数 (MHz) と半径 a (m) を考慮して、次の式を使用して上記のアンテナのサイズ h (m) を計算できます。

TNA の場合:

STNA の場合:

この式は、線径 1,3 mm、サイズ 0,6 m ≤ a ≤ 4 m、0,5 m ≤ h ≤ 4m、0,3 ≤ h/a ≤ 1,3、および周波数範囲のコンピューターシミュレーションの結果に基づいて回帰分析を使用して得られました。 0,7 MHz < f1 < 23 MHz。指定された条件下での二乗平均平方根誤差は約 0,03 m であり、他の周波数についてもスケールの再計算が可能です (すべての寸法は波長の変化に比例して変化します)。

STNA の興味深い機能は、(パラメータの特定の組み合わせに対してのみ) 等方性に近い放射パターンを取得できることです (図 8)。このパターンは、特にパラメータ N のアンテナの 70 MHz の周波数で取得されました。自由空間条件では = 5、a = 0,2 m、h = 0,27 m。

トロイダルアンテナ

図上。図９は、ＴＮＡおよびＳＴＮＡの効率の周波数依存性の比較を示す。一般に、アンテナの主要寸法が減少し、巻数が増加すると、効率は急速に低下します。 TNAの最高効率は9次と2次の共振の間の領域にあり、STNAの場合は3次と3次の共振であり、その最大値はTNAの場合よりも低くなります。どちらのタイプのアンテナも、5 番目以上のすべての偶数共振で効率が最小になるという特徴があります。これは、効果的な放射を実現するには巻線内の電流の分布が好ましくないことによって説明されます。

トロイダルアンテナ

電気的に小さなアンテナは一般に効率が低いため、フィーダアンテナの影響を非常に受けやすくなります。非常に短いフィーダーを備えた、またはフィーダーをまったく使用せずに、移動する物体にそれらを使用することは理にかなっています。トロイダルアンテナの楕円偏波は、たとえば、モバイルシステムでの中断のない通信、特に VHF FM 放送プログラムの安定した受信を確保するのに役立ちます。図上。図１０は、図１０による特性を備えたＳＴＮＡの配置を示す。 10 は車の屋根にあり、車体と地面の影響を考慮した放射パターンを示しています。

トロイダルアンテナ

歴史的に、トロイダルアンテナの開発は、垂直偏波と円形パターンを備えた放射システムの垂直サイズを縮小するという要望と関連していました。前述したように、単一の励振源を備えた従来の STHA アンテナでは、トロイドの軸に沿って磁流の均一な分布を得ることができません。図上。図１１のａは、トロイドの外面全体における左右の巻線の交点を拡大した形で示している。 11 (曲線 12) - f1 = 8 MHz での 3 ターン従来型 STNA のトロイドの軸に沿った磁場強度の分布。電界が不均一に分布しているため、このようなアンテナの放射パターンは図 27 に示すものに近づきます。 6.

トロイダルアンテナ

磁流をほぼ均一に分布させる 11,6 つの方法は、巻線をいくつかのセクションに分割し、それぞれのセクションで両方の巻線の方向 (左と右) が隣り合うものとは逆に変わることです (図 12,6)。巻線がセクションに分割されている場所には、追加の励磁源を接続するための端子が取り付けられています。この場合、XNUMX つではなく XNUMX つの同一のコモンモードソースを接続する必要があります。この場合、小さなリップルはありますが、符号の変化はなく磁流の分布 (図 XNUMX) が得られます。

このような解決策により、図3に示したものと変わらない広い周波数帯域でRPを取得することが可能になりました。 36. この場合、周波数 59 MHz でセクション化された STNA の計算された効率は、セクション化されていない STNA の約 29 倍であることが判明しました (XNUMX% 対 XNUMX%)。

結論として、検討したアンテナの最も重要な長所と短所、およびその応用の可能性について述べます。

一般的な利点は、アンテナの垂直方向のサイズが小さくなること (水平方向の寸法が大きくなったため!)、カウンターウェイトや接地が必要ないことです。

本質的に、THA はスパイラル導体で作られたフレームであり、これにより共振アンテナの物理的寸法を縮小することが可能になりました。このようなアンテナは、楕円偏波を持ち、接続の形状、環境、および非対称性に対する RP の依存性により、このようなアンテナが通信、放送、遠隔測定、およびその他の携帯無線で広く多様に使用できるため、すでに興味深いものとなっています。装置。

一般に、STNA に XNUMX 番目の反対側の巻線が存在すると、放射条件が悪化するため、効率が低下します。ただし、これらのアンテナは偏波楕円率が優れており、これはマルチパス条件の移動通信システムにとって重要です。セクション化されていない STNA の等方性 RP は、環境の影響が強いため実際にはほとんど実現できませんが、周囲の物体 (特に導電性表面) は STNA の入力インピーダンスにほとんど影響を与えません。非パーティション STNA は、nGPS セルラー通信システムの低レベル無線通信およびパーソナル無線通話用のポータブルデバイスで使用できます。

垂直振動子（垂直偏波と水平面内の均一な放射パターンを持つ）と同等のトロイダルアンテナの主な応用分野は、地球（または水）の導電率が十分に大きい比較的長波です。

短所 STNA - 複雑な製造技術。アンテナを分割する場合、複数の電源ポイントを接続するとさらに問題が発生します。

一般的な欠点 - サイズが小さくなると、アンテナ効率が急激に低下し、それを改善しようとすると（線材の厚さと選択、誘電体の品質の向上によって）、帯域幅が減少します。ある周波数から別の周波数に同調する際のマッチングの問題により、その周波数範囲でトロイダルアンテナを使用することが困難になります。

興味のある読者は、特許文献 [1～4] および著者の参加による研究結果 [5、6] を参照してください。 [7] では、トロイダル構造に基づいて垂直偏波エミッタを製造するためのいくつかの新しい方法が提案されています。 [8] では、電流と磁流を含むセグメントからアンテナを合成するための汎用アルゴリズムが提案されました。

文学

米国特許第 4751515 号。
米国特許第 5654723 号。
米国特許第 6204821 号。
米国特許第 6239760 号。
Gavrilin A. T.、Grechikhin A. I.、Proskuryakov D. V. 逆スパイラル巻線を備えたトロイダルアンテナの特性の調査。 - 無線工学、2001 年、第 9 号。
Grechikhin A. I.、Okunev A. G. STNA トロイダルアンテナの効率の研究。 - 著書:「無線電子および電気通信システムおよびデバイス」/Mezhvuz。科学的なコレクション動作します。問題。 7: N. ノヴゴロド、NSTU、2001 年。
米国特許第 6300920 号。 8- 米国特許第 6218998 号。

著者: A. Grechikhin (UA3TZ)

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