Одна из задач радиотехники — разработка антенн, размеры которых значительно меньше длины волны — электрически малых антенн (ЭМА). С уменьшением размеров антенны уменьшается сопротивление излучения, возрастают потери на согласование с линией передачи, уменьшается относительная полоса пропускания, падает эффективность. Из теории электромагнитных волн известно, что в дальней зоне антенны векторы электрического E и магнитного H полей находятся в фазе, взаимно перпендикулярны, и перпендикулярны направлению распространения. Однако в ближней зоне антенны векторы E и H сдвинуты по фазе на L/2, так как вектор электрического поля E находится в фазе с напряжением, а вектор магнитного поля H — в фазе с током, которые в проводнике антенны сдвинуты по фазе на L/2.
Конструкции антенн, в которых пытаются сделать так, чтобы векторы E и H были в фазе уже и в ближней зоне, получили название EH-антенны. Разработчики EH-антенн высказывают мнение, что если в ближней зоне антенны обеспечить синфазность векторов E и H, то излучение антенны увеличится, так как оно пропорционально [ExHj. В данной статье рассматривается моделирование с помощью программы MMANA-GAL одной из конструкций EH-антенн, называемой EH-антенна типа «Star», далее, для краткости, просто EH-антенна.
EH-антенна была создана из электрически малого диполя с укорачивающей катушкой индуктивности в центре, рис. 1а, путем перемещения катушки к торцу нижнего вибратора, рис. 1б. Если накинуть виток связи на середину катушки, подать радиочастотное напряжение, и детекторной головкой исследовать распределение напряжения вдоль антенны, то наблюдается две плоскости нулевого потенциала. Одна проходит между вибраторами, другая — через центр катушки. Очевидно, что в исходной антенне, рис. 1а, была только одна плоскость нулевого потенциала, проходящая через центр катушки.
Таким образом, антенна преобразовалась в систему из двух коллинеарных излучателей, при этом катушка превратилась в укороченный вибратор со спиральной намоткой (вибратор с распределенными параметрами). Кабель питания подключается оплеткой к нижнему концу катушки, центральной жилой — к части витков, рис. 1в, т.е. катушка выполняет функцию еще и трансформатора для согласования антенны с линией передачи. Ввиду того, что оплетка кабеля подключена к «горячему» концу катушки, то кабель становится частью антенны и участвует в излучении и приеме электромагнитной энергии. Плоскость нулевого потенциала перемещается при этом на нижний край катушки.
В программе MMANA линии передачи моделировать сложно, поэтому, чтобы запитать оба вибратора, применим два отдельных источника, как это делается, например, для антенны HB9CV. Верхний излучатель представим в виде симметричного вибратора с источником в центре, рис. 1г. Нижний вибратор — как моновибратор над проводящей плоскостью с источником на нижнем конце. Такой же моделью воспользуемся, если EH-антенна применяется в качестве антенны портативной радиостанции. Изменяя параметры проводящей плоскости (реальной земли) можно имитировать различные условия работы антенны.
Моделирование ЭМА можно разделить на две части: — моделирование диаграммы направленности ДН и импеданса Z; — решение проблем согласования антенны с линией передачи. Ограничимся только моделированием ДН.
Моделирование проводим на частоте 145 МГц. В закладке «Геометрия» устанавливаем частоту 145 МГц. В редакторе «Правка провода» в плоскости Y-Z создаем два провода, первый — длиной 50 мм, второй — 100 мм, расстояние между ними — 5 мм, т.е. относительная длина антенны составляет 0,0751, где 1 — длина волны. В закладке «Вид» у нижнего вибратора источник устанавливаем на нижний конец провода, а у верхнего — в середину. В закладке «Геометрия» устанавливаем радиус проводов R(mm) — 3 мм, фаза одного источника Phase dg — 0°, другого — 180°. В закладке «Вычисления» устанавливаем: Частота — 145 МГц, Земля — Идеальная, Высота — 0.00, Материал — без потерь. Пуск. В закладке «Диаграмма направленности» получаем — Ga = 4.12 dBi, рис. 2.
Далее, в закладке «Вычисления» устанавливаем: Частота — 145 МГц, Земля — Реальная, Высота — 0.00, Материал — без потерь. Кнопка Параметры вызывает окно Параметры реальной земли. Устанавливаем «птичку» в поле Вкл — радиальный тип. Дополнительные проволочные радиалы — Число — 8, Радиус провода — 3.0 мм. В верхней строке таблицы устанавливаем Dielec. — 5, Conduct (mSm/m) — 1.0, R(m) — 0.0, Height(m) — 0. Да. Пуск. В закладке «Диаграмма направленности» получаем — Ga = 22.02 dBi, рис. 3.
Моделирование EH-антенны показало, что при определенных условиях она обладает аномально большим коэффициентом направленного действия (КНД), сопровождаемым резким снижением активной составляющей входного сопротивления. Для объяснения этого явления требуется помощь профессионалов. Реализовать усилительные свойства антенны проблематично. Замена материала «без потерь» на медь сразу уменьшает КНД до 14 dBi, потери на согласование с кабелем могут быть значительными. Анализ влияния различных факторов показал, что наиболее критично на параметры антенны влияют фазовый сдвиг между источниками, относительная длина антенны, соотношение между длинами излучателей, количество радиалов (но не их длина — при длине более 1/4). Следует заметить, что в EH-антенне типа «Star» иногда применяется специальная катушка для подстройки сдвига фазы между напряжениями, подводимыми к вибраторам.
Возможно, эта статья поможет примирить сторонников и противников EH-антенн.
***
Необычные результаты, полученные в статье, можно объяснить так. ММАНА просчитала выигрыш для антенны без потерь, и выдала результат G >20dBi (с ней это бывает), по следующим причинам:
— Не учтены потери в земле, поскольку при расчете 7вх ММАНА считает землю идеальной, реальные же параметры она использует лишь при расчете ДН. В то же время сопротивление заземления прямо включено в нижний вибратор (рис. 1, г), а его Квх очень низкое, поэтому и КПД не может быть высоким.
— Антенна Star относится к классу сверхнаправленных, о них есть скудные упоминания в книжках по антеннам, причем сказано, что для получения сверхнаправленности нужны близкие геометрически и противоположно направленные токи — как раз обсуждаемый нами случай. Таким образом, значение G >20dBi — это выигрыш, посчитанный только по ДН, по сути, КНД.
— Учет потерь в элементах сразу снижает выигрыш до 10… 14 db, что, впрочем, тоже замечательно для столь короткой антенны. Заметим, что G = КНД х КПД.
— Для согласования крайне низкого Квх и компенсации огромного — jX непременно нужны катушки, и чтобы получить приемлемый КПД, их добротность должна быть очень высокой. Реальные катушки еще снизят выигрыш. Однако, несмотря на значительное снижение выигрыша, должна сохраниться весьма благоприятная ДН, так что игра стоит свеч. Вероятно, весьма существенна роль 8-ми радиалов, лежащих на земле. Не работают ли они подобно антеннам Бевереджа, прижимая лепесток к поверхности?
Подводя итог, можно утверждать, что описанная антенна, безусловно, заслуживает дальнейших исследований как на моделях, так и на практике.
Н. Туркин