Рамочная антенна — это радиоантенна , состоящая из петли или катушки из провода, трубки или другого электрического проводника , которая для передачи обычно питается от сбалансированного источника питания или для приема питается от сбалансированной нагрузки. В рамках этого физического описания есть два (возможно, три) различных типа:
Для описания больших петель в этом разделе предполагается, что рабочая частота радиоприемника настроена на первый резонанс рамочной антенны. На этой частоте одна целая длина волны в свободном пространстве немного меньше периметра петли, что является наименьшим размером, которым может быть «большая» петля. [2]
Саморезонансные рамочные антенны для так называемых «коротких» волн относительно велики, с периметром, немного превышающим предполагаемую рабочую длину волны , поэтому для круглых рамок диаметры составляют примерно 175 футов (53 м) в наибольшем диапазоне, около 1,8 МГц . На более высоких частотах их размеры становятся меньше, уменьшаясь до диаметра около 11 футов (3,4 м) на частоте 30 МГц.
Большие рамочные антенны можно рассматривать как сложенный диполь , параллельные провода которого были разделены и развернуты в некоторую овальную или многоугольную форму. Форма петли может быть кругом, треугольником, квадратом, прямоугольником или фактически любым замкнутым многоугольником, но для резонанса периметр петли должен быть немного больше длины волны. [2]
Рамочные антенны могут иметь форму круга, квадрата или любой другой замкнутой геометрической формы, которая позволяет общему периметру быть немного больше одной длины волны. Самая популярная форма в любительском радио — это квадратная антенна или «квадрат», саморезонансная петля в квадратной форме, так что ее можно сконструировать из проволоки, натянутой на поддерживающую рамку в форме « × ». Может быть одна или несколько дополнительных петель, уложенных параллельно первой в качестве «паразитных» элементов директора и/или рефлектора , создавая антенную решетку , которая является однонаправленной с усилением , которое увеличивается с каждым дополнительным паразитным элементом. Эту конструкцию также можно повернуть на 45 градусов в ромбовидную форму, поддерживаемую рамкой в форме « + ». Треугольные петли (« △ ») также использовались для вертикальных петель, поскольку они могут поддерживаться одной мачтой. [2] Прямоугольник, в два раза выше своей ширины, получает немного увеличенное усиление и также напрямую соответствует 50 Ом , если используется как один элемент. [2] : § 9.6.2
В отличие от дипольной антенны , поляризация резонансной рамочной антенны не очевидна из ориентации самой рамки, а зависит от расположения ее точки питания. [e] Если вертикально ориентированная рамка питается снизу, ее излучение будет горизонтально поляризованным; питание сбоку сделает его вертикально поляризованным.
Диаграмма направленности рамочной антенны первого резонанса достигает пиков под прямым углом к плоскости петли. По мере того, как частота прогрессирует до второго и третьего резонансов, перпендикулярное излучение затухает и возникают сильные лепестки вблизи плоскости петли. [3] (стр. 235)
На более низких частотах коротких волн полная петля физически довольно велика, и ее единственная практическая установка — «лежать плоско», при этом плоскость петли должна быть горизонтальной по отношению к земле, а антенный провод должен поддерживаться на той же относительно небольшой высоте мачтами по ее периметру. [2] Это приводит к горизонтально-поляризованному излучению, пик которого направлен к вертикали вблизи самой низкой гармоники; такая схема хороша для региональной связи NVIS , но, к сожалению, обычно не подходит для установления контактов в континентальном масштабе.
Выше примерно 10 МГц петля имеет диаметр около 10 метров, и становится более практичным устанавливать петлю «стоя» – то есть с вертикальной плоскостью петли, чтобы направить ее главный луч к горизонту. Если частота достаточно высока, петля может быть достаточно маленькой, чтобы прикрепить ее к поворотному устройству антенны , чтобы вращать ее в этом направлении по желанию. По сравнению с диполем или сложенным диполем, вертикальная большая петля тратит меньше энергии на излучение в сторону неба или земли, что приводит к усилению примерно на 1,5 дБ в двух предпочтительных горизонтальных направлениях.
Дополнительное усиление (и однонаправленная диаграмма направленности ) обычно достигается с помощью массива таких элементов, либо как управляемый массив endfire , либо в конфигурации Yagi – только одна из петель приводится в действие фидерной линией, а все остальные петли являются «паразитными» отражателями и директорами. Последний широко используется в любительском радио в конфигурации «quad» (см. фото).
Низкочастотные одноволновые петли "лежат вниз" иногда используются для локальной связи NVIS . Иногда это называют ленивым квадро . Его диаграмма направленности состоит из одного лепестка, направленного прямо вверх (излучение в сторону земли, которое не поглощается, отражается обратно вверх). Диаграмма направленности и особенно входное сопротивление зависят от его близости к земле.
При подаче более высоких частот входное сопротивление антенны обычно включает реактивную часть и другой резистивный компонент, требуя использования антенного тюнера . По мере увеличения частоты выше первой гармоники диаграмма направленности распадается на несколько лепестков, которые достигают пика под меньшими углами относительно горизонта, что является улучшением для дальней связи для частот, значительно превышающих вторую гармонику петли.
Антенна-гало часто описывается как полуволновая дипольная антенна , изогнутая в круг. Хотя ее можно отнести к категории изогнутых диполей, она имеет всенаправленную диаграмму направленности, почти такую же, как у небольшой петли. Гало более эффективно , чем небольшая петля, поскольку это более крупная антенна на 1/ 2 волна по окружности с ее непропорционально большим сопротивлением излучению . [f] Из-за своего гораздо большего сопротивления излучению гало представляет собой хорошее согласование импеданса с коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом , и его конструкция менее требовательна, чем небольшая петля, поскольку производитель не обязан проявлять такую крайнюю осторожность, чтобы избежать потерь из-за посредственных проводников и контактного сопротивления. [4]
В 1/ 2 волна, гало-антенна находится вблизи или на самом верхнем пределе диапазона размеров для «малых» петель, но в отличие от большинства больших малых петель, ее можно проанализировать с помощью простых методов, рассматривая ее как изогнутый диполь .
.jpg/1280px-WA8FJW_Mobile_(1963_Plymouth_with_6-meter_Halo_antenna).jpg)
На диапазонах VHF и выше физический диаметр гало достаточно мал, чтобы его можно было эффективно использовать в качестве мобильной антенны.
Горизонтальная диаграмма направленности горизонтального гало почти всенаправленная – в пределах 3 дБ или меньше – и это можно выровнять, сделав петлю немного меньше и добавив больше емкости между кончиками элементов. Это не только выровняет усиление, но и уменьшит направленное вверх излучение, которое для VHF обычно тратится впустую: излучается в космос.
Ореолы улавливают меньше помех от близлежащих электрических искр, чем монополи и диполи , например, шум зажигания от транспортных средств. [5]
Хотя внешне она выглядит по-другому, гало-антенну можно удобно анализировать как диполь (который также имеет полуволновую излучающую часть с высоким напряжением и нулевым током на концах), который был согнут в круг. Простое использование результатов диполя значительно упрощает расчеты и для большинства свойств такие же, как у гало. Характеристики гало также можно моделировать с помощью методов, используемых для аналогичных, умеренного размера "маленьких" передающих петель, но для краткости этот сложный анализ часто пропускается во вводных статьях о рамочных антеннах (к сожалению, это типичное упущение оставляет в остальном хорошо начитанных людей неосведомленными о свойствах "больших" малых петель).
Некоторые авторы ошибочно считают, что зазор в петле гало-антенны отличает ее от малой петлевой антенны, поскольку между двумя концами нет постоянного тока . Но это различие теряется при РЧ ; близко согнутые высоковольтные концы емкостно связаны, и ток РЧ пересекает зазор как ток смещения . Зазор в гало электрически эквивалентен настроечному конденсатору на малой петле, хотя сопутствующая емкость не так велика. [g]
Маленькие петли «малы» по сравнению с их рабочей длиной волны. В отличие от схемы больших петлевых антенн, пики приема и излучения малых петель находятся внутри плоскости петли, а не перпендикулярно ей. [3] : 235
Как и все антенны, которые физически намного меньше рабочей длины волны, небольшие рамочные антенны имеют малое сопротивление излучения , которое затмевается омическими потерями , что приводит к низкой эффективности антенны . Таким образом, они в основном используются в качестве приемных антенн на более низких частотах (длины волн от десятков до сотен метров). Как и у короткой дипольной антенны , сопротивление излучения мало. Сопротивление излучения пропорционально квадрату площади:
где A — площадь, охватываемая петлей, λ — длина волны, N — число витков проводника вокруг петли.
Из-за более высокого показателя степени, чем у линейных антенн (квадрат площади петли ≈ периметр в четвертой степени, в отличие от квадрата длины диполя и монополя = второй степени), падение R рад с уменьшением размера более выражено. [6] : 5‑11 Возможность увеличения сопротивления излучения R рад с помощью нескольких витков аналогична созданию диполя из двух или более параллельных линий для каждого плеча диполя (« сложенный диполь »).
Маленькие петли имеют преимущества в качестве приемных антенн на частотах ниже 10 МГц. [7] Хотя потери маленькой петли могут быть высокими, те же потери применяются как к сигналу, так и к шуму, поэтому отношение принимаемого сигнала к шуму маленькой петли может не пострадать на этих более низких частотах, где принимаемый шум доминирует за счет атмосферного шума и статики, а не внутреннего шума приемника . Возможность более управляемого вращения меньшей антенны может помочь максимизировать сигнал и отклонить помехи. Несколько методов построения используются для обеспечения того, чтобы нулевые направления малых приемных петель были «острыми», включая добавление разорванного экранирования плеч петли и сохранение периметра вокруг 1/ 10 длина волны (или 1 /4 волна максимум). Периметры малых передающих петель вместо этого делаются настолько большими, насколько это возможно, вплоть до 1 /3 волна (или даже 1 /2 если это возможно), чтобы максимально использовать их в целом низкую эффективность, хотя при этом приходится жертвовать острыми нулями.
Малая рамочная антенна также известна как магнитная петля [ требуется ссылка ] , поскольку отклик электрически малой приемной петли пропорционален скорости изменения магнитного потока через петлю. [8] На более высоких частотах (или более коротких длинах волн), когда антенна больше не является электрически малой, распределение тока через петлю может больше не быть равномерным, и связь между ее откликом и падающими полями становится более сложной. [8] В случае передачи поля, создаваемые электрически малой петлей, такие же, как у «бесконечно малого магнитного диполя», ось которого перпендикулярна плоскости петли. [3] : 235
Из-за их незначительной устойчивости к излучению свойства малых петель, как правило, чаще подвергаются интенсивной оптимизации, чем свойства полноразмерных антенн, и свойства, оптимизированные для передачи, не совсем такие же, как для приема. В случае полноразмерных антенн взаимность между передачей и приемом обычно делает различия несущественными, но поскольку несколько свойств РЧ, важных для приема, отличаются от свойств для передачи — особенно ниже примерно 10~20 МГц — малые петли, предназначенные для приема, имеют небольшие отличия от малых передающих петель. Они обсуждаются отдельно в следующих двух подразделах, хотя многие комментарии применимы к обоим.
Если периметр рамочной антенны намного меньше предполагаемых рабочих длин волн – скажем 1 /8 к 1/ 100 длины волны – тогда антенна называется малой приемной петлей, поскольку такие малые петлевые антенны пригодны только для приема. Несколько факторов производительности, включая принимаемую мощность, масштабируются пропорционально площади петли. Для заданной площади петли длина проводника (и, следовательно, его чистое сопротивление потерь ) минимизируется, если периметр круглый, что делает круг оптимальной формой для малых петель. Малые приемные петли обычно используются ниже 14 МГц, где доминируют искусственные и естественные атмосферные шумы. Таким образом, отношение сигнал/шум принимаемого сигнала не будет отрицательно влиять на низкую эффективность, пока петля не будет чрезмерно маленькой.
Типичный диаметр приемных петель с «воздушными центрами» составляет от 30 до 100 см (от 1 до 3,5 футов). Чтобы увеличить магнитное поле в петле и, таким образом, ее эффективность, при этом значительно уменьшив размер, катушка провода часто наматывается вокруг ферритового стержневого магнитного сердечника ; это называется ферритовой рамочной антенной. Такие ферритовые рамочные антенны используются почти во всех приемниках AM-вещания, за исключением автомобильных радиоприемников , [ требуется ссылка ], поскольку антенна для AM-диапазона должна находиться за пределами препятствующего металлического шасси автомобиля.
Небольшие рамочные антенны также популярны для радиопеленгации , отчасти из-за их чрезвычайно резкого, четкого «нуля» вдоль оси петли: когда ось петли направлена прямо на передатчик, целевой сигнал резко исчезает. [9]
Сопротивление излучения R rad небольшой петли обычно намного меньше сопротивления потерь R ℓoss из-за проводников, составляющих петлю, что приводит к низкой эффективности антенны . [h] Следовательно, большая часть мощности, подаваемой на небольшую петлевую антенну, будет преобразована в тепло из-за сопротивления потерь, а не будет выполнять полезную работу по испусканию радиоволн или их сбору.
Потеря мощности нежелательна для передающей антенны, однако для приемной антенны неэффективность не важна на частотах ниже примерно 15 МГц. На этих низких частотах, атмосферный шум (статический) и искусственный шум ( помехи ) даже слабый сигнал от неэффективной антенны намного сильнее, чем внутренний тепловой или джонсоновский шум, генерируемый в собственной схеме радиоприемника, поэтому слабый сигнал от рамочной антенны может быть усилен без ухудшения отношения сигнал/шум , поскольку оба усиливаются с одинаковым коэффициентом усиления. [10]
Например, на частоте 1 МГц искусственный шум может быть на 55 дБ выше теплового уровня шума. Если потеря небольшой рамочной антенны составляет 50 дБ (как если бы антенна включала аттенюатор на 50 дБ), электрическая неэффективность этой антенны будет иметь небольшое влияние на отношение сигнал/шум приемной системы .
Напротив, на более тихих частотах около 20 МГц и выше антенна с потерями 50 дБ может ухудшить отношение принимаемого сигнала к шуму до 50 дБ, что приведет к ужасным результатам.
Однако с ростом частоты нет необходимости страдать от плохой производительности: на более высоких, тихих частотах длины волн становятся достаточно короткими, чтобы гало-антенна была достаточно маленькой, чтобы быть осуществимой — на 20 МГц она немного меньше 8 футов (2,4 м) в диаметре и пропорционально уменьшается по мере увеличения частоты. Таким образом, чем тише становится растущая частота, тем удобнее заменить небольшую приемную петлю на большую, но все еще относительно компактную гало . Это в основном прямая замена небольшой приемной петли, но с превосходным приемом сигнала. [i]
Удивительно, но диаграмма излучения и приема небольшой петли перпендикулярна диаграмме излучения большой саморезонансной петли (периметр которой близок к одной длине волны). Поскольку петля намного меньше длины волны, ток в любой момент времени почти постоянен по окружности. По симметрии можно видеть, что напряжения, индуцированные в обмотках петли на противоположных сторонах петли, будут компенсировать друг друга, когда перпендикулярный сигнал поступает на ось петли. Следовательно, в этом направлении есть ноль . [ 11] Вместо этого диаграмма излучения достигает пиков в направлениях, лежащих в плоскости петли, потому что сигналы, полученные от источников в этой плоскости, не полностью компенсируются из-за разности фаз между приходом волны на ближнюю и дальнюю стороны петли. Увеличение этой разности фаз за счет увеличения размера петли вызывает непропорционально большое увеличение сопротивления излучения и, как следствие, эффективности антенны .
Другой способ рассмотрения небольшой петли как антенны — это просто рассматривать ее как индуктивную катушку, связанную с магнитным полем в направлении, перпендикулярном плоскости катушки, согласно закону Ампера . Затем рассмотрим распространяющуюся радиоволну, также перпендикулярную этой плоскости. Поскольку магнитные (и электрические) поля электромагнитной волны в свободном пространстве являются поперечными (без компонента в направлении распространения), можно видеть, что это магнитное поле и поле небольшой петлевой антенны будут находиться под прямым углом и, таким образом, не будут связаны. По той же причине электромагнитная волна, распространяющаяся в плоскости петли, с ее магнитным полем, перпендикулярным этой плоскости, связана с магнитным полем катушки. Поскольку поперечные магнитное и электрическое поля распространяющейся электромагнитной волны находятся под прямым углом, электрическое поле такой волны также находится в плоскости петли, и, таким образом, говорят, что поляризация антенны (которая всегда указывается как ориентация электрического, а не магнитного поля) находится в этой плоскости.
Таким образом, монтаж петли в горизонтальной плоскости даст всенаправленную антенну, которая будет поляризована горизонтально; монтаж петли вертикально даст вертикально поляризованную, слабонаправленную антенну, но с исключительно острыми нулями вдоль оси петли. [j] Критерии размера, которые благоприятствуют петлям с периметром 1 /4 волна или меньше обеспечивают остроту принимающего нуля петли. Маленькие петли, предназначенные для передачи (см. ниже), проектируются настолько большими, насколько это возможно, чтобы улучшить предельное сопротивление излучения, жертвуя острым нулем, используя периметры, такие большие, как 1 /3 ~ 1 /2 волна .
Поскольку небольшая рамочная антенна по сути является катушкой, ее электрический импеданс является индуктивным, причем индуктивное сопротивление намного больше сопротивления излучения. Для сопряжения с передатчиком или приемником индуктивное сопротивление обычно компенсируется параллельной емкостью. [k] Поскольку хорошая рамочная антенна будет иметь высокий Q- фактор (узкую полосу пропускания), конденсатор должен быть переменным и регулироваться в соответствии с настройкой приемника.
Малые рамочные приемные антенны также почти всегда резонируют с помощью конденсатора с параллельными пластинами, что делает их прием узкополосным, чувствительным только к очень определенной частоте. Это позволяет антенне, в сочетании с (переменным) настраиваемым конденсатором, действовать как настроенный входной каскад для входного каскада приемника, вместо преселектора .
Пока периметр петли сохраняется ниже примерно 1 /4 волна, направленная характеристика небольших рамочных антенн включает резкий ноль в направлении, нормальном к плоскости рамки, поэтому небольшие рамки предпочтительны в качестве компактных радиопеленгаторных антенн для длинных волн.
Процедура заключается в повороте рамочной антенны для поиска направления, в котором сигнал исчезает – «нулевого» направления. Поскольку нуль возникает в двух противоположных направлениях вдоль оси петли, необходимо использовать другие средства для определения того, с какой стороны антенны находится «обнуленный» сигнал. Один из методов – положиться на вторую рамочную антенну, расположенную во втором месте, или переместить приемник в это другое место, полагаясь, таким образом, на триангуляцию .
Вместо триангуляции вторая дипольная или вертикальная антенна может быть электрически объединена с рамочной или рамочной антенной. Называемая сенсорной антенной , подключение и согласование второй антенны изменяет комбинированную диаграмму направленности на кардиоидную с нулем только в одном (менее точном) направлении. Общее направление передатчика может быть определено с помощью сенсорной антенны, а затем отключение сенсорной антенны возвращает острые нули в диаграмме рамочной антенны, что позволяет определить точный пеленг.
Небольшие рамочные антенны приводят к потерям и неэффективны для передачи, но они могут быть практичными приемными антеннами в диапазоне средних волн (520–1710 кГц) и ниже, где антенны с размером длины волны неосуществимо велики, а неэффективность антенны не имеет значения из-за большого количества атмосферных шумов .
Вещательные AM-приемники (и другие низкочастотные радиоприемники для потребительского рынка) обычно используют небольшие рамочные антенны, даже если для приема FM может быть подключена телескопическая антенна. [12] Переменный конденсатор, подключенный к петле, образует резонансный контур , который также настраивает входной каскад приемника, поскольку этот конденсатор отслеживает основную настройку. Многодиапазонный приемник может содержать точки ответвления вдоль обмотки петли для настройки рамочной антенны на сильно различающиеся частоты.
В АМ-радиоприемниках, созданных до изобретения феррита в середине XX века, антенна могла состоять из десятков витков провода, закрепленных на задней стенке радиоприемника ( плоская спиральная антенна) , или из отдельной вращающейся стойки размером с мебель, опутанной проводом ( рамочная антенна) .
Ферритовые рамочные антенны изготавливаются путем намотки тонкой проволоки вокруг ферритового стержня. Они почти повсеместно используются в AM-радиоприемниках. [12] (стр. 23) [d] Другие названия этого типа антенны — рамочная , ферритовая стержневая антенна или антенна, ферроцептор или ферродная антенна . Часто на средних и нижних коротковолновых частотах для намотки используется литцендрат , чтобы уменьшить потери из- за скин-эффекта . На всех частотах используются сложные схемы «плетения корзины» для уменьшения межвитковой емкости в катушке, гарантируя, что собственный резонанс петли значительно превышает рабочую частоту, так что она действует как электрический индуктор, который может резонировать с настроечным конденсатором, и с последующим улучшением добротности петли .
Включение магнитопроницаемого сердечника увеличивает сопротивление излучения небольшой петли, [1] смягчая неэффективность из-за омических потерь. Как и все небольшие антенны, такие антенны крошечные по сравнению с их эффективной площадью . Типичная рамочная антенна AM-вещания, намотанная на феррит, может иметь площадь поперечного сечения всего 1 см 2 (0,16 кв. дюйма) на частоте, на которой идеальная (без потерь) антенна имела бы эффективную площадь в несколько сотен миллионов раз больше. Даже с учетом резистивных потерь в ферритовой стержневой антенне, ее эффективная площадь приема может превышать физическую площадь петли в 100 раз. [13]
Малые передающие петли «малы» по сравнению с полной длиной волны, но значительно больше, чем «маленькая» принимающая только петля. Обычно они используются на частотах от 14 до 30 МГц. В отличие от принимающих петель, размеры малых передающих петель должны быть увеличены для более длинных волн, чтобы сопротивление излучения не упало до неприемлемо низких уровней; их большие размеры размывают или стирают в противном случае особенно резкие нули, которые обеспечивают малые принимающие петли.
Передающая петля обычно состоит из одного витка проводника большого диаметра; они обычно круглые или восьмиугольные, чтобы обеспечить максимальную замкнутую площадь для заданного периметра, следовательно, максимизируя сопротивление излучению . Меньшие из этих петель гораздо менее эффективны, чем исключительная производительность полноразмерных, саморезонансных петель, [14] или умеренная эффективность монополей , диполей и гало , но там, где нет места для полной волновой петли или полуволнового диполя , малые петли могут обеспечить адекватную связь с низкой, но приемлемой эффективностью. [15] [16]
Небольшая передающая рамочная антенна с периметром 10% или менее длины волны будет иметь относительно постоянное распределение тока вдоль проводника, [1] а главный лепесток будет находиться в плоскости петли, поэтому они покажут сильный ноль, знакомый по диаграмме направленности малых приемных петель. Петли любого размера от 10% до 30% длины волны по периметру, до почти точно 50% по окружности , могут быть построены и настроены с помощью последовательного конденсатора на резонанс, но их неравномерный ток уменьшит или устранит ноль диаграммы направленности малых петель. Конденсатор требуется для окружности меньше полуволны, индуктор для петель больше полуволны и меньше полной волны.
Петли в диапазоне размеров малых передающих петель могут не иметь ни равномерного тока очень малых петель, ни синусоидального тока больших петель, и, таким образом, не могут быть проанализированы с использованием предположений, полезных для малых приемных петель или полноволновых рамочных антенн. Эффективность наиболее удобно определять с помощью анализа NEC . Антенны в этом диапазоне размеров включают гало (см. выше) и петлю G0CWT (Эджинтона). Для краткости вводные статьи о малых рамочных антеннах иногда ограничивают обсуждение петлями, меньшими по окружности, чем 1/ 10 длина волны, так как для петель с окружностями больше 1/ 10 волнаупрощающее предположение об однородном токе вокруг всей петли становится неприемлемо неточным. Поскольку более крупный гало также имеет простой анализ, небольшие рамочные антенны среднего размера и их сложный анализ часто опускаются, оставляя многих хорошо информированных в остальном строителей антенн в неведении относительно производительности, которую можно получить с умеренно малыми петлями.
Вертикально выровненные небольшие петли используются в военной наземной мобильной радиосвязи на частотах от 3 до 7 МГц из-за их способности направлять энергию вверх, в отличие от обычной штыревой антенны . Это обеспечивает связь с использованием почти вертикально падающих небесных волн (NVIS) на расстоянии до 300 км (190 миль) в горных районах. Для NVIS типичная эффективность излучения около 1% является приемлемой, поскольку пути сигнала могут быть установлены с излучаемой мощностью 1 Вт или меньше — это осуществимо при использовании передатчика мощностью 100 Вт.
В военных целях антенна может быть изготовлена из одного или двух проводников диаметром 2,5–5 см (1–2 дюйма). Сама петля обычно имеет диаметр 1,8 м (6 футов).
Одной из практических проблем с малыми петлями в качестве передающих антенн является то, что через небольшую передающую петлю не только будет проходить очень большой ток, но и будет очень высокое напряжение на конденсаторе — обычно тысячи вольт — даже при питании всего несколькими ваттами мощности передатчика. Чем меньше петля (в длинах волн), тем выше напряжение. Для этого требуется довольно дорогой и физически большой резонирующий конденсатор с большим напряжением пробоя , в дополнение к минимальным диэлектрическим потерям (обычно требующим конденсатора с воздушным зазором или даже вакуумного переменного конденсатора ).
Увеличение диаметра петли снизит напряжение зазора, а также повысит эффективность, однако все другие улучшения эффективности будут иметь тенденцию к увеличению напряжения зазора: эффективность может быть увеличена путем изготовления петли из более толстого проводника; другие меры по снижению сопротивления потерь проводника включают сварку или пайку соединений вместо пайки. Но поскольку уменьшение сопротивления потерь увеличивает добротность антенны, следствием лучшей эффективности является еще большее напряжение на конденсаторе в зазоре петли. Для заданной частоты меньшая малая петля более опасна, чем большая малая петля, и, наоборот, сравнительно эффективная малая передающая петля более опасна, чем неэффективная.
Проблемы с радиочастотным ожогом и ударом, возникающие при емкостной нагрузке небольших петель, более серьезны, чем при индуктивной нагрузке коротких штырей или дипольных антенн . [l] Высокое напряжение антенны, как правило, вызывает проблемы только на верхнем конце катушки нагрузки штыря, поскольку оно распределено по всей длине катушки, тогда как высокие напряжения на конденсаторных пластинах петли (в идеале) максимальны по всем поверхностям пластин. Кроме того, высоковольтные наконечники монополей и диполей обычно устанавливаются высоко и далеко вне досягаемости, что ограничивает возможности для радиочастотных ожогов. Напротив, небольшие рамочные / «магнитные» антенны лучше переносят установку близко к земле [м], поэтому все части рамочных антенн, включая высоковольтные части, чаще всего находятся в пределах легкой досягаемости.
Подводя итог: высокие напряжения из-за высокой добротности представляют большую угрозу в небольших рамочных антеннах, чем в большинстве других небольших антенн, и требуют большей осторожности даже при очень низкой мощности передачи.
В дополнение к другим распространенным методам согласования импеданса, таким как гамма-согласование, небольшие приемные и передающие контуры иногда согласуются по импедансу путем подключения фидерной линии к еще меньшей фидерной петле внутри области, окруженной основным контуром. Хотя она может/должна быть все еще подключена через систему заземления, это оставляет основной контур без другого постоянного соединения с передатчиком. [16] Фидерная петля и основной контур фактически являются первичной и вторичной катушками трансформатора , при этом мощность в ближнем поле индуктивно связана из фидерной петли в основной контур, который сам подключен к резонирующему конденсатору и излучает большую часть мощности сигнала.
Если и основная, и фидерная петли одновитковые, то коэффициент трансформации импеданса вложенных петель почти точно равен отношению площадей двух петель по отдельности или квадрату отношения их диаметров (предполагая, что они имеют одинаковую форму). Типичные фидерные петли 1 /8 к 1 /5 размер основного контура антенны, который дает коэффициенты трансформации от 64:1 до 25:1 соответственно. Регулировка близости и угла фидерной петли к основному контуру, а также искажение формы фидера, оба вносят небольшие или умеренные изменения в коэффициент трансформации и позволяют выполнять тонкую настройку импеданса точки питания. Для основных контуров с несколькими витками, чаще используемых для средних волн, фидерная петля может быть одним или двумя витками на той же рамке, что и витки основного контура, и в этом случае коэффициент трансформации импеданса очень близок к квадрату отношения числа витков в каждом контуре.
Некоторые так называемые «антенны» очень похожи на настоящие рамочные антенны, но предназначены для сопряжения с индуктивным ближним полем на расстоянии 1–2 метра (3–7 футов), а не для передачи или приема дальних электромагнитных волн в излучающем дальнем поле . Из-за этого различия «антенны» ближнего поля вообще не являются радиоантеннами (при правильном функционировании для той цели, для которой они предназначены).
Аналогичным образом катушки связи, используемые в системах индукционной зарядки , независимо от того, используются ли они на низких или высоких радиочастотах , исключены из этой статьи, поскольку они не являются (или, в идеале, не должны быть) радиоантеннами .
Индукционные нагревательные системы, индукционные варочные панели, а также RFID- метки и считыватели взаимодействуют посредством магнитной индукции ближнего поля , а не посредством волн, передаваемых в дальнем поле . Так что, строго говоря, они не являются радиоантеннами.
Хотя они не являются радиоантеннами, эти системы работают на радиочастотах и подразумевают использование небольших магнитных катушек, которые в торговле называются «антеннами». Однако их более полезно рассматривать как аналоги обмоток в слабосвязанных трансформаторах . Хотя магнитные катушки в этих индуктивных системах иногда кажутся неотличимыми от небольших рамочных антенн, обсуждавшихся выше, такие устройства могут работать только на коротких расстояниях и специально разработаны для того, чтобы избегать передачи или приема радиоволн . Поскольку системы индукционного нагрева и считыватели RFID используют только переменные магнитные поля ближнего поля , их критерии эффективности отличаются от радиоантенн дальнего поля, обсуждаемых в этой статье.
{{cite magazine}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)