Рамочная антенна

Конструкция рамочной антенны впервые была предложена К. Ф. Брау­ном в 1913 г. В рамочной антенне пе­ри­метр рам­ки, как пра­ви­ло, зна­чи­тель­но мень­ше дли­ны из­лу­чае­мой (при­ни­мае­мой) элек­тро­маг­нит­ной вол­ны^[2].

Рамочные антенны, в зависимости от формы, делятся на круглые, квадратные и прямоугольные. Периметр рамки значительно меньше длины излучаемых или принимаемых электромагнитных волн, поэтому рамочные антенны используются для приёма или передачи длинных, средних и коротких волн, в аналоговом телевидении использовалась для приём дециметровых волн. Усовершенствованием рамочной антенны являются рамочная антенна с рефлектором или рамочная антенна с магнитным сердечником, а добавление в цепь антенны конденсатора переменной ёмкости превращает её в настраиваемый колебательный контур, позволяя подстраиваться под принимаемую частоту. Наибольшим коэффициентом усиления, по сравнению с рамками разных форм при равенстве периметра рамки, обладает круглая рамка, поскольку она охватывает максимальную площадь. Коэффициент усиления прямо пропорционален входному сопротивлению рамки, а коэффициент полезного действия рамочной антенны может достигать величины 90 %^[3].

Конструкция простейшей рамочной антенны показана на рисунке 1, а её диаграмма направленности (угловая зависимость ЭДС, наведённой в антенне электромагнитным полем) — на рисунке 2.

Если рамочная антенна используется для излучения электромагнитных волн, то максимум интенсивности излучения рамочной антенны в пространстве соответствует плоскости рамки, а в перпендикулярном плоскости рамки направлении происходит полная компенсация излучения.

${\displaystyle \mathrm {N} \!\!\mathrm {B} !}$ Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение мощности на входе эталонной антенны (изотропного излучателя) к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряжённости поля.

КНД антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (ил выходную мощность передатчика), если заменить данную антенну на идеальную ненаправленную антенну (изотропный излучатель) так, чтобы значение плотности потока мощности электромагнитного поля, излучаемого антенной в точке наблюдения, не изменилось. Тогда коэффициент усиления КУ может быть представлен в виде:

КУ = КНД*КПД ,

где КПД — коэффициент полезного действия антенны (обычно КПД ~1). Диаграмма направленности строится в полярной, сферической или прямоугольной системах координат.

Аналитически напряжённость электрического поля на значительном расстоянии от рамочной антенны ${\displaystyle d}$ в точке ${\displaystyle A}$ может быть вычислена по формуле:

${\displaystyle E={\frac {120\pi ^{2}}{d}}I\cdot n\cdot {\frac {S}{\lambda ^{2}}}\cos \varphi }$,

где ${\displaystyle I}$ — сила тока в рамке, ${\displaystyle n}$ — число витков (в плоской рамочной антенне ${\displaystyle n=1}$), ${\displaystyle S}$ — площадь рамки, ${\displaystyle \lambda }$ — рабочая длина волны, ${\displaystyle \varphi }$ — угол между плоскостью рамки и направлением на рассматриваемую точку ${\displaystyle A}$.

В приёмной рамочной антенне индуктируемая ЭДС ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ вычисляется по формуле:

${\displaystyle {\mathcal {E}}=2\pi E_{\shortparallel }\cdot n\cdot {\frac {S}{\lambda }}\cos \varphi }$,

где ${\displaystyle E_{\shortparallel }}$ — составляющая напряжённости электрического поля принимаемой волны, параллельная плоскости рамки, ${\displaystyle n}$ — число витков, ${\displaystyle S}$ — площадь рамки, ${\displaystyle \varphi }$ — угол между плоскостью рамки и направлением прихода волны. Диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной плоскости рамки, показана на рисунке 2. Коэффициент направленного действия такой рамочной антенны равен 1,5.

В случаях, когда размеры рамки делают сравнимыми с рабочей частотой принимаемой волны, диаграмма направленности становится многолепестковой, а направление на максимум излучения или приёма изменяется^[4].

Рамочные антенны, как правило, применяются в радиопеленгации, радиокомпасах, а также радиолюбительстве (несмотря на то, что аналоговое телевидение постепенно заменяется на цифровое).