Тонкости АЭФ рамочной антенны

В первой части статьи описано, что рамочная антенна с периметром λ обладает свойством подавления паразитного тока несимметричного фидера, подключенного к ней. Там же рассказано о способе изучения тока асимметрии на моделях.

...Хотя и не верю, что кто-то будет читать эту вторую часть, не ознакомившись с первой части, но все же напомню как такая модель делается: у изучаемой симметричной антенны соединяются вместе точки питания, и включается источник (которого физически нет, а есть только перекос токов питания симметричной антенны и именно этот перекос изображает данный источник) между точкой соединения половинок антенны и λ/4 противовесом, имитирующем внешнюю сторону оплетки питающего кабеля...

 

Но в первой части мы остановились на квадратной рамке. А здесь пойдем дальше. И разберемся в двух вопросах:

Возьмем несколько моделей с рамками разной формы. Но какой именно и сколько?

Обычный путь понимания нового явления предполагает изучить все возможные варианты (или хотя бы их большую часть) в которых оно возможно имеется, а затем из груды фактов анализом вытащить причинный механизм этого явления, а уж поняв причину из всех исходных вариантов выбрать только существенные, а остальные выбросить. Но это очень трудо- и времяёмко.

Поэтому выбрал второй путь: вначале, имея лишь только некоторые предположения (а еще не полное понимание), выбрал 6 вариантов формы рамки, на которых (как мне казалось) можно увидеть нужные закономерности.

...Это классическая дилемма индукции. Чтобы выбрать из всего многообразия фактов только имеющие отношение к делу, надо знать причинный механизм исследуемого явления. А чтобы узнать его причинный механизм, надо сначала разграничить факты на существенные и несущественные. Данное лирическое отступление к тому, что выбранные для изучения варианты рамок, хотя и существенны, и имеют отношение к делу, но делая эту работу заново, уже с полным пониманием, я, пожалуй, взял бы не все эти варианты добавил бы еще парочку других. Но уточнять и переделывать не буду. Суть в результатах видна и так. Сделал что мог, и пусть кто может сделает лучше...

 

Но вернемся к нашим антеннам. Для сравнения были выбраны 6 моделей, приведенных на рис. 1 – 6 ниже (по клику на каждом рисунке открывается соответствующая модель). Все эти модели настроены таким образом, чтобы частота синфазного резонанса Fs была бы 14,15 МГц.

Рис. 1. Квадрат 5,5 х 5,5 м   Рис. 2. Прямоугольник 6,8 х 4,2 м
Рис. 3. Прямоугольник 9 х 1,9 м   Рис. 4. Петлевой диполь 10,4 х 0,25 м
Рис. 5. Петлевой диполь 10,56 х 0,05 м   Рис. 6. Петлевой диполь 10,79 х 0,02 м

Построим для всех этих моделей графики зависимостей Z(f). Но сделаем это по-настоящему, вычисляя модуль Z в каждой точке (а не так лениво, как в первой части: оценивая на глаз в окне графиков MMANA-GAL). Модуль Z меняется в наших данных на 5 порядков, поэтому нужен логарифмический масштаб. Результат показан на рис. 7 (кстати, на этих графиках визуализировано около 8 тыс. чисел). На этом же рисунке для сравнения показано как изменяется модуль Z в синфазном включении для обычного (не петлевого) λ/2 диполя (см. рис. 4 в первой части).


Рис. 7.

Что мы видим на рис.7 у графиков петлевых антенн? Классические АЧХ параллельных резонансных контуров с разной добротностью. Минимальная добротность (самое низкое Z на резонансе Fs и самая широкая полоса) получилась у квадрата 5,5 х 5,5 м. Максимальная (самое высокое Z на резонансе Fs и самая узкая полоса) – у самого узкого петлевого диполя 10,79 х 0,02 см.

Почему так происходит? Известно, что добротность обратно пропорциональна активным потерям в контуре. Но у нас модели из идеального провода, да еще в свободном пространстве. Единственно возможные потери в такой ситуации – это потери на излучение. В данном случае на добротность влияют потери на излучение только самой рамки, и только по синфазному току.

Посмотрим на рис 1 – 6: что там создает сопротивление излучения синфазной рамки? Токи по горизонтальным (по рис. 1 – 6) частям на эту роль не подходят, т.к. они противофазны (от точки питания по верхнему проводу ток течет от центра к краям, а по нижнему наоборот – от краев к центру). Проще говоря, излучение токов горизонтальных проводов взаимно компенсируется. Значит остаются вертикальные провода рамок. И действительно, токи в обоих вертикальных проводах направлены в одну сторону: сверху вниз. Чем длиннее эти провода, тем выше излучение синфазно включенной рамки.

C этой точки зрения поведение графиков Z для рамок на рис. 7 становится логично объясняемым. Чем короче вертикальные части рамки, тем ниже сопротивление излучения по синфазному току. Следовательно выше добротность параллельного контура, который представляет собой рамка в синфазном включении. Точнее говоря, не контура, а двух замкнутых на конце λ/4 отрезков двухпроводных линий.

Таким образом, чем меньше вертикальная (по рис. 1 – 6) проекция рамки, тем выше её добротность на синфазном резонансе Fs. А, значит, выше модуль Z, и, следовательно, выше степень подавления тока асимметрии фидера. Но в более узкой полосе.

Степень подавления тока асимметрии при уменьшении высоты рамки растет не пропорционально увеличению модуля Z (он, как видно из рис. 7 растет в десятки раз) на резонансе Fs. Дело в том, что при уменьшении высоты рамки растет и ее дифференциальное входное сопротивление: у квадрата оно около 120 Ом, а у тонкого петлевого диполя ~ 280 Ом. Но это рост в 2,5 раза намного медленнее роста модуля Z в синфазном на Fs (многие десятки раз). Поэтому всё же, чем меньше высота волновой рамки, тем более добротным трапом для синфазного тока она является.

На самом деле, рост степени подавления синфазного тока на частоте Fs идет не так быстро, как это следует из рис. 7. Ведь кроме сопротивления излучения в синфазной рамке (читай, двух параллельно включенных замкнутых на конце λ/4 отрезков двухпроводных линий), имеются и другие потери, снижающие добротность. И они растут по мере уменьшения волнового сопротивления этих линий (т.е. по мере сближения горизонтальных проводов рамки). Если линии выполнены из коаксиального кабеля (вариант петлевого диполя из коаксиала), то прибавляются тепловые потери в кабеле, которые из-за высокого КСВ (в данном случае, стремящегося к бесконечности) могут быть довольно значительными.

 

А что это мы всё про Fs? Ведь антенна проектировалась и работает дифференциально на своей резонансной частоте Fd. Совпадают ли эти частоты? Нет. Они отличаются.

Причина отличия – в разном распределении синфазного и дифференциального токов по рамке. В синфазном включении токи по горизонтальным (по рис. 1 – 6) сторонам рамки противофазны, а по вертикальным текут в одну сторону. В дифференциальном включении всё наоборот: токи по горизонтальным сторонам текут в одну сторону (обеспечивая основное излучение антенны), а по вертикальным – противофазны. В результате электрическая длина рамки оказывается разной для синфазного и дифференциального токов. А это и означает несовпадение частот Fs и Fd.

Вернемся к рис. 7. На нем у всех антенн Fs = 14,15 МГц (модели специально так сделаны). А частоты Fd у всех антенн разные и отмечены точками-маркерами на каждом из графиков.

Похоже, имеется закономерность: чем уже рамка, тем сильнее уходит вниз Fd по сравнению с Fs. Проверим это предположение еще одной точкой. Возьмем сильно вытянутую рамку 3 х 7,5 м с Fd = 14,15 МГц. Если наша закономерность верна, то у нее на Fs импеданс Z должен быть ниже, чем у квадрата, а Fd ощутимо выше, чем Fs. И именно так и есть: синфазное Z такого прямоугольника ~1100 Ом против ~1700 Ом у квадрата, а Fd = 14,9 МГц.

Теперь с чистой совестью мы можем сформулировать закономерность. Даже две:

  1. Fs = Fd только для рамки соотношением сторон 0,68/0,42. Для более высоких рамок Fs < Fd, для более низких Fs > Fd.

  2. При сильном отходе от оптимального соотношения сторон частота максимального подавления синфазного тока Fs уходит так далеко от частоты резонанса самой антенны Fd (за полосу её пропускания), что подавление синфазного тока на Fd оказывается совсем небольшим.

 

Для сведения вместе Fs и Fd можно использовать конденсаторы в точке питания, если Fd < Fs и катушки, если Fd > Fs. Пример показан в файле петлевого диполя с расстоянием между проводами 10 см. Пара конденсаторов по 124 пФ повышает Fd до совмещения с Fs. В результате антенна имеет максимум подавления синфазного тока на своей резонансной частоте.

 

Достаточно очевидно, что все вышеприведенные выводы относятся не только к прямоугольной, но и к любой симметричной относительно точки питания, формы рамок. Пример с треугольной рамкой.

Менее очевидно, что выводы остаются качественно справедливыми и при несимметричном питании рамки (не в точку пересечения рамки с её осью симметрии). Вот пример исследования подавления синфазного тока для треугольной рамки, запитанной под вертикальную поляризацию:


Рис. 8.

Видно что рамка сама "находит" точку, отстоящую на полволны от источника (нижняя треть левой стороны по рис. 8, где ток переходит через ноль). Да, половинки рамки от источника до этой точки получаются неодинаковыми по форме. Но зато – одинаковыми по электрической длине λ/2. Что и обеспечивает параллельный резонанс, аналогичный тому, какой получается при питании этой же рамки в току симметрии.

Аналогичный, но не точно такой же. Из-за неодинаковой формы половинок рамки рис. 8 ее сопротивление на параллельном синфазном резонансе составляет 1800 Ом против 2070 Ом у той же рамки, но при питании в точку симметрии. Некоторое ухудшение подавления синфазного тока(снижение сопротивления) есть, но оно невелико.

 

И о коаксиальном петлевом диполе, у которого провода рамки располежены не параллельно, а коаксиально. Частота параллельного синфазного резонанса Fs у него существует. Просто не может не существовать, т.к. электрически периметр петли равен λ (или то же самое другими словами: у короткозамкнутого на конце λ/4 шлейфа не может не быть параллельного резонанса, и у двух, как в петлевом диполе – тоже). И на этой частоте антенна будет работать как фильтр-пробка (трап) для синфазного тока линии.

Но, как видно из рис. 7 и вывода 2, частота Fs в данном случае будет находиться ощутимо выще дифференциального (обычного антенного) резонанса Fd. Что приведет к тому, что на Fd подавление тока из-за узкой полосы синфазного резонанса либо вовсе будет отсутствовать, либо быть небольшим (зависит от толщины кабеля, частоты, потерь в кабеле).

Посмотрим на это явление в картинках. На рис.9 – 11 показана модель коаксиального петлевого диполя. Диаметр диполя 4 см.


Рис. 9.

На рис. 9 установлена частота Fd = 13,75 МГц. Антенна резонирует, КСВ = 1. А вот ток оплетки большой, почти такой же, как у обычного разрезного диполя. Причина: мы находимся в 400 кГц в стороне от частоты синфазного резонанса Fs (которая в данной модели, как и во всех предыдущих установлена на 14,15 МГц).


Рис. 10.

На рис. 10 показан верхняя граница частоты по КСВ. F = 13,9 МГц. Это выше Fd, поэтому КСВ возрос до 2. Но это ниже Fs, а расстройка от Fs по сравнению с предыдущим рисунком уменьшилась почти вдвое, до 250 кГц. И это дало свои результаты: ток оплетки стал ощутимо меньше. Хотя и не исчез полностью.


Рис. 11.

На рис. 11 установлена частота Fs = 14,15 МГц. Петля синфазно резонирует и сильно ослабляет ток оплетки. Но, увы, это происходит довольно далеко от частоты дифференциального резонанса, поэтому КСВ достигает 3.

 

Краткий подвывод (хотя это повторение другими словами основного вывода 2): в тонких петлевых диполях (неважно рамочных или коаксиальных) Fs заметно выше, чем Fd. И без специальных дополнительных мер (например, конденсаторов в точках подключения антенны к кабелю) свести вместе Fs и Fd нельзя.



Bonn, 10.01.2014

На главную - Main page