Elektriskt liten antenn

En elektriskt liten eller elektriskt kort antenn är en antenn som är mycket kortare än våglängden på signalen den är avsedd att sända eller ta emot. Elektriskt korta antenner är i allmänhet mindre effektiva och mer utmanande att designa än längre antenner som kvarts- och halvvågsantenner , men är ändå vanliga på grund av deras kompakta storlek och låga kostnad.

Definition

Tekniskt sett elektriskt kort antenn längden 2h, så att $lambda }}\ll 1} ,$ där λ är det fria utrymmet våglängd .

Fjärrfältsstrålningsmönstret för en antenn är summan av dess närfältssfäriska lägen , uttryckt med Legendre-funktioner och sfäriska Bessel-funktioner . I sin enklaste form är det ett rundstrålande strålningsmönster utan variation i azimutplanet. När antennen blir elektriskt liten ersätts fortplantningslägena av evanescenta lägen med hög Q-faktor , där

$Q\propto {\frac {1}{k^{3}r^{3}}},\quad k={\frac {2\pi }{\lambda }}$

Kort sagt, den maximala bandbredden för en elektriskt liten antenn regleras av dess maximala dimension innesluten inom en sfär med radien $r$ .

Svårigheterna med att designa en elektriskt liten antenn inkluderar:

• impedansmatchning,
• ett litet strålningsmotstånd som därför kräver en stor ström och resulterande ohmska förluster , därmed dålig strålningseffektivitet .

Historia

Harold A. Wheeler började studien av gränserna för små antenner med en brytningstidning 1947, "The Fundamental Limitations of Small Antennas". Wheeler visade sambandet mellan strålningseffektfaktorn och de geometriska parametrarna för elektriskt små cylindriska induktorer och cylindriska kondensatorer i en kretsanalys. Kort därefter LJ Chu den teoretiska lägsta Q-faktorn för en elektriskt liten antenn via en expansion av sfäriska lägen.

Långt senare, 1964, hittade Collin och Rothschild ett uttryck för det lägsta Q för den lägsta ordningens sfäriska vågen i formen

$$Q={\frac {1}{ka}}+{\frac {1}{(ka)^{3}}},$$

som har blivit en vanlig referensstandard som används i senare utvärderingar av prestanda för små antenner.

Exempel

Förutom kondensator- och induktorantennerna med klumpelement finns det olika typer av elektriskt små antenner som inkluderar Goubau-antennen, Foltz-antennen och Rogers-konantennen. Kondensatorn med klumpelement och induktorantennen är typiskt gjorda av en kombination av kondensatorns och induktorns hopklumpade elementantenn och självresonerande distribuerade elementantenner.

Den viktigaste nya typen av elektriskt små antenner är nanomekaniska magnetoelektriska (ME) antenner. ME-antenner har storlekar så små som en tusendels våglängd. Till exempel är längden och bredden på den aktiva FeGaB/AlN-resonanskroppen hos denna antenn för 60,7 MHz elektromagnetiska vågor 200 respektive 50 μm.

Grundläggande begränsningar för antenner

Elektriskt små antenner tillhör en av de fyra grundläggande begränsningarna för antenner som RC Hansen tar upp. De fyra grundläggande begränsningarna för antenner är elektriskt små antenner, superdirektiva antenner, superupplösningsantenner och högförstärkningsantenner.

Mått

Passiv mätning av en elektriskt liten antenn kräver att en kvartsvåglängds RF-choke eller ferritpärla läggs till i änden av den matande koaxialkabeln för att begränsa eller förhindra strömmen från att flöda på kabelns yta. Ström som flyter på utsidan av matningskabeln ökar antennens elektriska storlek och strålningsöppning, vilket resulterar i felaktiga mätresultat. Kvartsvåglängdsdrosseln är smalbandig och ferritpärlorna är förlustgivande vid högre frekvens över 1 GHz. Dessa tekniker är inte utan problem; kvartsvåglängds choke-tekniken tillåter strömmar att färdas upp till 0,25 våglängder från antennen och ökar den effektiva storleken, medan den förlustiga choke-tekniken (t.ex. ferritpärlor) introducerar förluster som bör beaktas.

Se även

• Elektrisk längd - begreppet en ledares elektriska längd, i synnerhet för transmissionsledning och antenner .