Ферритовые тороидальные антенны
Анатолий ГРЕЧИХИН (UA3TZ), г. Нижний Новгород
В продолжение темы об эффективных компактных антеннах автор предлагает познакомиться с новыми вариантами исследованных моделей.
Интерес к тороидальным антеннам (ТА) возник в связи с потребностями создания электрически малых низкопрофильных антенн с вертикальной поляризацией и с равномерной диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости (рис.1).
Ранее в статье "Тороидальные антенны" ("Paдиo", 2003, № 1, с. 64—66) было отмечено, что такая ДН может быть получена при излучении кольцевого магнитного тока с равномерным распределением амплитуд, а также рассмотрены ТА на каркасах из неферромагнитного диэлектрика Для получения равномерного распределения амплитуд магнитного тока по кольцу тороида пложнэ например, равномерно разместить по окружности такого тороида несколько малых рамок (рис.2) с одинаковыми амплитудами синфазных токов в каждой К сожалению равномерное распределение амплитуд магнитного тока максимально невыгодно с точки зрения эффективности излучения.
Одно из средств улучшения свойств электрически малых ТА — использование замкнутых (кольцевых) ферритовых магнитопроводов Так, применение магнитопровода типоразмера К65х50х6 с магнитной проницаемостью µ = 60 при длине волны λ = 3 м (по рис. 2) позволяет увеличить сопротивление излучения антенны в 420 раз. И все же КПД такой ферритовой тороидальной антенны (ФТА) составляет лишь тысячные доли процента.
Не всегда и не всем, однако, нужны идеальные всенаправленные антенны с чисто вертикальной поляризацией.
Резонансные ТА с существенно неравномерным распределением тока имеют значительно более высокий КПД. Исследование ФТА с одной замкнутой обмоткой показало, что режим второго резонанса позволяет простым путем получить весьма полезные характеристики.
Рассмотрим равномерную замкнутую обмотку на ферритовом кольцевом магнитопроводе. При втором резонансе в обмотке можно наблюдать две стоячие полуволны электрического тока, а в магнитопроводе по окружности кольца укладываются две стоячие полуволны магнитного тока.
Если плоскость кольца вертикальна и генератор излучения находится сбоку (рис.3), то амплитуды этих токов распределены одинаково, как показано на рис.4, где λ0 — длина волны в замедляющей системе обмотка—магнитопровод. При этом диаграммы направленности для полей с горизонтальной поляризацией и с вертикальной по форме одинаковы и совпадают с ДН элементарного вертикального вибратора (см. рис.1).
Для вертикальной поляризации это происходит благодаря излучению двух близких, одинаковых по амплитуде и направлению вертикальных полуволн электрического тока обмотки. Поле с горизонтальной поляризацией излучается двумя близкими, одинаковыми по амплитуде и направлению вертикальными полуволнами магнитного тока в магнитопроводе.
Суммарное поле излучения имеет эллиптическую поляризацию. Такие ДН весьма благоприятны для радиосвязи на подвижном объекте в условиях города и вообще при многолучевом распространении радиоволн, когда в точку приема радиосигнал приходит с разных сторон и с разными поляризациями.
В диапазонах ЧМ радиовещания на УКВ произведено сравнение приемных ФТА разных размеров в режиме второго резонанса между собой и с вертикальной ферритовой стержневой антенной (ФСА) с помощью компьютерного моделирования. Использовались модели магнитопроводов эквивалентные по свойствам отечественным из материалов марок 30ВН, 55ВНП, 65ВНП, с внешними диаметрами от 32 до 110 мм.
Конструктивные данные некоторых ферритовых антенн приведены в табл. 1.
Тип антенны
ФТА1
ФТА2
ФТАЗ
ФТА4
ФСА
Магнитопровод
Кольцевой
Кольцевой
Кольцевой
Кольцевой
Стержневой
типоразмер
К32х 16x8
К65х50х6
К65х40х6
К110х85x10
П14х7х80
материал
30ВН
65ВНП
55НН
55НН
30ВН
масса (г)
27
48
75
200
38
Число витков
(для 70 МГц/100 МГц)60/42
58/42
49/34
36/25
18,5/12,5
Диаметр провода
(мм)0,2
0,4
0,2
1,3
0,4
Вид намотки
Равномерная по окружности намотка
Шаг 4 мм
По результатам моделирования определялись действующие длины антенн для вертикальной (4) и горизонтальной (lo) поляризаций, КПД, как отношение мощности излучения к мощности возбуждения антенны, входное сопротивление (RA) антенны при втором резонансе (источник возбуждения в разрыве обмотки) и ширина полосы пропускания по уровню 0,707
Расчетный КПД антенн представлен с учетом потерь в меди и магнитных потерь в магнито-проводе. На УКВ потери в феррите значительно превосходят потери в меди, и КПД антенн очень мал, как и у всех электрически малых антенн.
ФСА имела преимущество по КПД и действующей длине только перед ФТА1 на кольце из такого же материала, однако проигрывала этой антенне по массе и размеру. Результаты моделирования сведены в табл. 2.
Антенна
ФТА1
ФТА2
ФТАЗ
ФТА4
ФСА
Частота 70 МГц
lθ(мм)
27
82
69
139
41
lφ (мм)
27
60
63
102
34
КПД (%)
0,25
0,32
0,37
1,3
0,82
RA (Ом)
25
142
98
93
15
Δf0,7 (МГц)
0,26
1,4
1.1
1.4
0,43
Частота 100 МГц
lθ (мм)
26
84
69
136
30
lφ(мм)
27
62
65
107
37
КПД (%)
0,42
0,27
0,37
1,3
0,84
RA (Ом)
31
324
225
206
23
Δf0,7 (МГц)
0,6
6,5
5,3
6,0
1,1
При разработке антенны задаются частотой, определяют типоразмер и свойства магнитопровода. Одним из наиболее подходящих широко известных отечественных материалов для сердечников ФТА на УКВ (60...120 МГц) является, по-видимому, термостабильный феррит II группы марки 30ВН (30ВЧ2).
Далее рассматриваем только вертикальные приемные ФТА с одной обмоткой в режиме второго резонанса (рис.3) в интервале частот 60...120 МГц.
Длину провода обмотки, необходимую для режима второго резонанса, можно рассчитать по формуле
зная этот параметр и длину одного витка (с учетом тонкого слоя изоляции поверх феррита), определяют число витков п. Теперь можно установить значения ожидаемых действующих длин приемной антенны для вертикальной (4) и горизонтальной (lv) поляризаций по приближенным формулам
Здесь размеры кольцевого магнитопровода (рис.5) d1, d2 и h — в миллиметрах; s — площадь его сечения, мм2; f — частота в мегагерцах.
Соотношение действующих длин для горизонтальной и вертикальной поляризаций зависит от размеров магнитопровода и длины волны.
В явном виде lφ зависит от d2 и не зависит от d1. При данном размере d, эта величина будет больше у магнитопроводов с малой разностью d1-d2, причем в результате синфазного сложения ЭДС, наведенных в двух половинках обмотки, lθ может быть больше вертикального физического размера антенны d1чего никогда не наблюдается у ФСА. Не зависит также lθ от μr, s и f, очень слабо — от s.
Величина lφ зависит от всех размеров магнитопровода как прямо, так и косвенно (через s) и может быть как меньше, так и значительно больше lθ (например, при большом числе витков и при высоком μr). Заметного влияния потерь в феррите на действующие длины не обнаружено. Если расчетные действующие длины сильно отличаются от желаемых, можно выбрать другой типоразмер магнитопровода и повторить указанные выше операции.
Намотку антенны предпочтительно делать с возможно более равномерным распределением всех витков по окружности магнитопровода. Установлено, что минимальная полоса рабочих частот ФТА при втором резонансе обеспечивается при строгой симметрии тех половин обмотки и магнитопровода, которые соответствуют стоячим полуволнам соответственно электрического и магнитного токов. Асимметрия намотки (например, с неравномерным шагом) или свойств материала сердечника (неоднородность, локальная намагниченность) может привести к некоторому уменьшению действующей длины и к значительному расширению полосы пропускания. Иногда это может служить средством регулирования полосы. При неравномерной намотке или неоднородности магнитопровода возможна некоторая коррекция путем поиска наилучшего места возбуждения для обеспечения заданной (например, минимальной) полосы пропускания.
После намотки надо убедиться в том, что второй резонанс получен, и при необходимости сделать коррекцию. Поиск второго резонанса и настройку ФТА удобно производить с помощью генератора сигналов и широкополосного индикатора электрического поля высокой частоты (рис.6). Индикатор должен иметь как можно более равномерную частотную характеристику в рабочем диапазоне частот.
Антенну следует разместить так, чтобы внешнее влияние окружения на резонансную частоту было минимальным, например, положить на брусок из пористого полимерного материала. При втором резонансе наблюдаются два острых максимума электрического поля на диаметрально противоположных сторонах антенны. Точная резонансная частота определяется по шкале генератора сигналов (например, Г4-107).
Для смещения частоты резонанса вниз (до 10%) можно приложить к обмотке с одной или с обеих сторон один или несколько слоев диэлектрика (ПВХ, полиэтилен). Для повышения резонансной частоты можно только соответственно уменьшать число витков, сохраняя равномерность намотки.
ФТА можно по-разному подключать к приемнику. Однако всегда следует обеспечить симметричное подключение (например, через balun). Подключение через обмотку связи показано на рис.6. Это наиболее удобный и универсальный способ подключения, при котором легко изменить место подключения и условия согласования (за счет числа витков обмотки связи). Симметричное исполнение обмотки связи в некоторых случаях может освободить от необходимости иметь balun. Подключение в разрыв возможно только при условии, что входное сопротивление антенны в этом режиме близко к сопротивлению подключаемого источника или приемника. Подключаемая цепь также должна быть симметричной. Асимметрия подключения сильно искажает распределение тока и, следовательно, все характеристики антенны. При использовании даже не очень длинного фидера непременно возникнет значительный антенный эффект фидера, при этом фидер станет активным элементом антенной системы и будет определять все ее характеристики.
Действие антенны ФТА1 проверялось в реальных условиях города с портативным приемником "Ирень-401" в УКВ диапазоне 65...74 МГц. Двухвитковая симметричная обмотка связи соединялась с несимметричным входом приемника витой парой проводов длиной около 50 мм. Входное сопротивление приемника — около 150 Ом. По сравнению со штатной антенной в виде шлейфа из гибкого шнура длиной 220 мм измеренная чувствительность по полю с антенной ФТА1 оказалась хуже в 3,2 раза. Однако, как при движении по улицам, так и при стационарной работе приемника в помещениях, отмечено меньшее влияние изменяющегося окружения на уровень принимаемого сигнала.
Электрически малые ФТА целесообразно использовать в малогабаритных портативных радиоаппаратах без фидерной линии (приемники ЧМ вещания, абонентские пейджинговые устройства, связь и передача данных на небольших расстояниях). Отсутствие различимости поляризаций (эллиптическая поляризация) по всем направлениям обеспечивает малую вероятность глубоких замираний.
Paдиo 12-2006
