ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛЫЕ АНТЕННЫ: ВОЗМОЖНОСТИ И ЗАБЛУЖДЕНИЯ

---

А. ГРЕЧИХИН (UA3TZ) г. Нижний Новгород

---

В радиолюбительской литературе в последнее время появилось немало публикаций о малогабаритных приемных и передающих антеннах. Их широко применяют (особенно в портативной аппаратуре и на подвижных объектах) для приема радиовещательных и телевизионных станций, радиосвязи, пеленгации и т. д. Вот почему может быть интересен и полезен сравнительный анализ таких антенн, обсуждение их достоинств и недостатков, а также разговор о некоторых "легендах", относящихся к электрически малым антеннам. Всегда ли, например, приемная магнитная антенна лучше электрической при действии близких помех [1]? Попробуем разобраться в этом. Начнем с определений. Электрически малыми антеннами (ЭМА) называют антенны, размеры которых много меньше длины волны l или, по определению С. Щелкунова и Г. Фрииса [2], когда максимальный размер антенны, измеренный от входных зажимов, не превышает l/8. Электрически малая рамочная антенна называется магнитной антенной (МА), В ближней зоне (на расстояниях много меньше l), передающей МА везде преобладает магнитная компонента Н электромагнитного поля (отношение электрической компоненты Е к магнитной - Е/Н - намного меньше, чем в дальней зоне). Приемная МА соответственно более восприимчива к переменному магнитному полю, чем к электрическому, т. е. имеет компонентную селективность [3]. Электрическая антенна (ЭА) - короткий штырь над проводящей поверхностью или диполь длиной много меньше l, - наоборот, более восприимчива к компоненте Е. Если же периметр рамки сравним с длиной рабочей волны, то у нее нет свойств МА. Так, например, рамка периметром 11 м не обладает существенной компонентной селективностью в диапазоне KB, скажем, в полосе частот 10-20 МГц. Аналогично и диполь сравнимых с l размеров не является электрической антенной в указанном смысле. Наличие ферромагнитного сердечника в МА совершенно не обязательно, но если он есть, антенну называют ферритовой.

Теперь о главном.

1. Магнитная антенна на приеме в условиях помех не всегда лучше электрической. МА могла бы обеспечить наилучшую среди простых ЭМА помехозащищенность из-за компонентной селективности, если бы источниками помех создавалось в ближней зоне приемного устройства электромагнитное поле с преобладанием компоненты Е [3]. Однако это выполняется далеко не всегда. Например, коммутации в силовых сетях приводят к появлению в участках этих сетей затухающих электромагнитных волн с широким спектром. Если антенна приемника находится вблизи проводов такой сети, то в ближней зоне воспринимается как импульсная помеха. Амплитуды составляющих тока и напряжения помехи в данной узкой полосе приема чаще всего распределены вдоль проводов неравномерно: имеются зоны пучностей (максимумов) тока и пучностей напряжения (рис. 1).

Puc.1

Электромагнитное поле в ближней зоне также неоднородно вдоль линии. Вблизи пучностей тока преобладает магнитная компонента, а вблизи пучностей напряжения - электрическая. В области 1 (рис. 1) лучшую помехозащищенность даст МА, а в области 2 - ЭА. Эксперименты показали [4], что интенсивность стоячих волн и распределение пучностей напряжения и тока зависят от множества разных условий, в том числе и от количества и характера подключенных к сети нагрузок. В среднем с одинаковой вероятностью приемник может оказаться вблизи пучности тока либо напряжения. Таким образом, не всегда и не везде магнитная антенна менее восприимчива к "промышленным" помехам, как о том иногда сообщают. Тем более нельзя утверждать это, говоря о рамочных антеннах вообще. Почему же реально всегда получают существенное улучшение при переходе от короткого провода (штыря) к хорошей симметричной экранированной рамке, подобной описанной в [1]? (И этот факт активно поддерживает заблуждение, о котором идет речь). Дело в том, что чаще всего короткий провод в качестве антенны является не единственным излучающим (воспринимающим) элементом антенной системы, в излучении (приеме) участвуют также провода питающей сети, заземления, другие металлические конструкции, соединенные с корпусом передатчика (приемника). Многим знакома ситуация, когда неоновая лампочка светится при прикосновении к корпусу передатчика, трубам отопления... Если такая "антенная система" используется на приеме, то все перечисленные элементы воспринимают всевозможные помехи и наводки в здании с множеством коммутируемых цепей и линий (силовых, телефонных и т. п.). А ведь сделать короткий симметричный диполь даже проще, чем качественную рамку. Нужно только исключить восприимчивость фидерной линии к электромагнитным полям и устранить проникновение сигналов в приемник побочными путями помимо антенны. Если заблуждение, рассмотренное выше, заключалось в завышенной оценке селективности приемной МА, то другое, также весьма распространенное заблуждение состоит в том, что якобы передающие МА значительно хуже ЭА. В ряде публикаций утверждается, что при работе на передачу малые рамки гораздо менее эффективны, чем электрические антенны сравнимых размеров, ввиду значительно меньшего сопротивления излучения. В самом деле, у диполя длиной l<l сопротивление излучения (в омах) равно R_SД=20p²(l/l)², а у круглой рамки периметром l<l R_SP=20p²(l/l)⁴. При одинаковых l=1 м и l=80 м, R_SP/R_SД=1/6400. Излучаемая мощность равна: Р_S=Ia²R_S, где Ia - эффективное значение тока антенны в точках подключения. Из последнего выражения следует, что можно ожидать равенстве излучаемых нашими антеннами мощностей, если ток в рамке будет в 80 раз больше входного тока диполя. Реально ли это? Оказывается, вполне.

2. С учетом потерь в цепях согласования электрически малые диполь и рамка по эффективности при работе на передачу примерно равноценны. Эффективность Э антенны, равная отношению излучаемой мощности к отбираемой от генератора, зависит не только от сопротивления собственных потерь антенны (Rа), но и от сопротивления потерь в необходимом элементе согласования (компенсации реактивного сопротивления) Rс: Э=R_S/(R_S+R_A+Rc), см. рис. 2.

Puc.2

Активное сопротивление (в омах) антенн с учетом скин-эффекта для рамки периметром l равно

где d - диаметр проводника (мм), mг - относительная проницаемость материала антенны, s и s_м - удельные сопротивления материала антенны и меди соответственноля диполя длиной l: R_аД=R_aP/3. Активные потери в элементах согласования зависят от их параметров и добротностей: Rc=¦Хa¦/Qс, где Хa - реактивная составляющая полного входного сопротивления антенны, имеющая емкостный характер для l и индуктивный для рамки, причем для ЭМА ¦Х_aP¦<¦Х_aД¦ Элемент согласования обеспечивает последовательный резонанс в антенном контуре (Ха+Хс=0). Реальные добротности для диполя Qсд=200...400, для рамки Qср=1000...2000. Реактивные сопротивления (в омах) можно рассчитать по формулам:

Они получены, как и предыдущие, на основании известных соотношений (см., например, [5-7]). Результаты расчетов диполя и одновитковых рамочных антенн, изготовленных из меди (d=10 мм), для l=80 м, Qсд=200, Qcp=1000, указаны в таблицах.

Таблица 1.
Расчетные данные для диполя длиной l

Параметр	l/l.
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ом	1,97	0,493	0,123	0,031	0,0077
Ra, Ом	0,043	0,021	0,011	0,0054	0,0027
Xa, Ом	-2264	-4120	-7235	-12374	-20524
Rc, Ом	11,3	20,6	36,1	61,8	103
Эд, %	14,8	2,3	0,34	0,05	0,0075
Qэф	85	98	99	100	100

Таблица 2.
Расчетные данные для рамки периметром l

Параметр	l/l
	0,1	0,05	0,025	0,0125	0.00625
RS, Ом	0,0197	0,00123	7,7*10-6	4,8*10-6	3*10-7
Ra, Ом	0,129	0,064	0,032	0,016	0,008
Xa, Ом	212	93	40	16,7	6,7
Rc, Ом	0,212	0,093	0,04	0,0167	0,0067
Эр, %	5,55	0,78	0,11	0,015	0,002
Эр/Эд	0,37	0,33	0,31	0,29	0,27
Qэф	294	293	276	254	227

Таблица 3.
Расчетные данные для рамки диаметром l

Параметр	l/l
	0,05	0,025	0,0125	0,00625
RS, Ом	0,12	0,075	0,0047	0,00003
Ra, Ом	0,20	0,10	0,05	0,025
Xa, Ом	359	159	69	29
Rc, Ом	0,36	0,16	0,07	0,03
Эр, %	17,6	2,8	0.39	0,053
Эр/Эд	7,54	8,25	7,82	7,12
Qэф	264	297	288	269

Они показывают, что по эффективности малая рамка может быть даже лучше диполя сравнимых размеров. Хотя, конечно, сама эффективность весьма мала и сильно падает с уменьшением относительных размеров. Аналогичные расчеты для алюминия дали ухудшение эффективности не более 12 % для рамки и 0,2 % дляля. Для l=160 м при тех же прочих параметрах эффективность оказалась хуже в среднем на 20%. Приведенные результаты хорошо согласуются с данными работы [8], полученными для штыря над идеально проводящей поверхностью. Итак, если эффективность рамки быстро падает из-за уменьшения R_SP, то эффективность диполя уменьшается столь же быстро из-за роста потерь в согласующем элементе.

3. Что же лучше, малая рамка или малый диполь, если по эффективиости они примерно равноценны?.

Важнейшее преимущество работе в окружении предметов из диэлектрика с потерями (тело оператора, строительные материалы и т. п.) влияние среды на резонансную частоту (расстройка) и на эффективность (вносимые потери) рамки намного слабее, чем влияние на диполь. Автором испытаны передатчики с генераторами одинаковой мощности и антеннами: рамочной диаметром 42 см и дипольной длиной 120 см; длина волны 82 м. Эффективность обеих антенн, находившихся в свободном пространстве (оценивалась по дальнему полю), оказалась примерно одинаковой. Ствол дерева, тело и руки оператора рядом с диполем изменяли напряженность поля в десятки раз, А рамку можно было положить в рюкзак на спине оператора, надеть на шею или полностью закопать в снег, и это не приводило к заметному ухудшению параметров поля. Электрический контакт с металлическим предметом, конечно, может сильно повлиять и на рамку, но от этого есть простое средство - изоляция. Другие преимущества малых рамок: они не требуют противовеса (как, например, короткий штырь), менее требовательны к качеству изоляции, меньше воздействуют на ткани живых организмов при работе на передачу (потери в электрическом ближнем поле малого диполя значительно больше), прочнее механически. Направленность при вертикальной поляризации в одних случаях может быть полезной, в других - нет. Полоса пропускания магнитной антенны несколько уже, чем электрической. Однако, как видно из таблиц, ошибочно думать, что чем меньше антенна, тем уже полоса пропускания. Повышению добротности Qэф контура диполя препятствует рост потерь в согласующей катушке, а росту добротности контура МА с уменьшением размеров препятствует уменьшение собственной индуктивности. Трудности при изготовлении и эксплуатации МА заключаются в обеспечении минимальных активных потерь в соединениях. Ток рамки в десятки раз больше тока диполя, поэтому потери энергии на плохих контактах в сотни и тысячи раз больше. Практически это означает непригодность резьбовых соединений (только пайка или сварка) и необходимость бесконтактных элементов настройки. Таким образом, преимуществ у магнитной антенны больше, в особенности при работе в неферромагнитных средах.

4. Имеет ли преимущество многовитковая малая рамка над одновитковой того же диаметра?

Это также один из вопросов, ответ на который не вполне очевиден. Из табл. 2 и 3 видно, что для одновитковой рамки RE1<<RA1 и RA1~RC1, так что эффективность ее Э1~R_S1/2R_A1. Поскольку сопротивление излучения и сопротивление потерь в согласующем элементе пропорциональны квадрату числа витков (N2), а сопротивление собственных потерь пропорционально числу витков (N), эффективность N-витковой рамки приближенно оценивается формулой: Э_N=R_S1N/(1+N)R_A1. Точные расчеты при l/l=0,0125 (по табл. 2) показали, что при N=2 эффективность при том же диаметре (l - периметр витка) увеличилась на 29%, при N=4 - на 54%, при N=10 - на 75%. Следовательно, эффективность малой N-витковой рамки будет несколько выше, чем одновитковой, но не более чем в 2 раза. В заключение подчеркнем, что все выводы об эффективности, сделанные для передающих антенн, справедливы для этих антенн и в режиме приема. Неправильно считать, что только действующая высота опредеlет эффективность. Эффективность малой рамки на приеме не хуже, чем у диполя таких же размеров, несмотря на то, что действующая высота диполя в десятки раз больше. Также эффективность N-витковой рамки на приеме не будет в N раз больше эффективности одновитковой, несмотря на то, что действующая высота пропорциональна N. В сказанном много раз убеждался каждый, кто имел дело с изготовлением и испытанием спортивных пеленгаторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андрианов В. Широкополосная рамочная антенна.- Радио, 1991, № 1, с. 54-56.
2. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны.- М.: Сов. радио, 1950.
3. Гречихин А. Компонентная селекция.- Радио, 1984, № 3, с. 18- 20.
4. Гаврилин А. Т., Гречихин А. И. О структуре ближнего электромагнитного поля коммутационных помех.- В кн.: Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах: Межвуз. сборник.- Горький: ГПИ, 1987, с. 43-48.
5. Белоцерковский Г. Б. Антенны.- М.: Оборонгиэ, 1956.
6. Гинкин Г. Г. Справочник по радиотехнике.- М.- Л.: ГЭИ, 1948.
7. Мейнке X., Гундлах Ф. В, Радиотехнический справочник. Т. 1.- М.-Л.: ГЭИ, 1960.
8. Walter С. Н„ Newman Е. Н. Electrically small antennas.- Report HDL-TR-041-1 (Feb. 1974).- Washington, 1974.

---

РАДИО №11, 1992 г., c.8-10.