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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Antenna direzionale verticale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne HF Il compito di creare un'antenna direzionale con polarizzazione verticale non è così semplice come sembra a prima vista. Sembrerebbe che abbia ruotato verticalmente gli elementi di un raggio convenzionale (canale d'onda) e tutto è in ordine, ma sorge la domanda di collegare una tale antenna all'albero. Sul VHF, è possibile spostare il raggio portante a lato dell'albero, nella direzione della radiazione, ma tale antenna risulta essere meccanicamente sbilanciata e richiede un albero molto spesso e robusto per il suo fissaggio. I principali vantaggi delle antenne verticali scompaiono: piccole dimensioni orizzontali, leggerezza e facilità di installazione. Ma ne parleremo più avanti, ma prima dobbiamo soffermarci sul concetto scelto di antenna direzionale verticale. Il desiderio di progettare un'antenna semplice e leggera ci ha fatto passare al design della ZL-beam, che contiene solo due elementi ad alimentazione attiva e ha dimensioni molto ridotte in lunghezza dell'ordine di L / 8 ... L / 10. Allo stesso tempo, il coefficiente di direttività (DFA) di questa antenna è abbastanza significativo ed equivalente, come indicato in letteratura, al DFA di un fascio a tre elementi con elementi passivi. La stessa idea è utilizzata nella "Piazza Svizzera", che ha anche parametri molto buoni e direttività ancora più elevata. Pertanto, il principio di funzionamento di queste antenne merita un'attenta analisi, che ora faremo.
Prendiamo due ipotetici radiatori puntuali S1 e S2, posti ad una distanza d, come mostrato in Fig. 1 in cima. Lascia che la potenza del trasmettitore sia divisa equamente tra gli emettitori, così le ampiezze dei campi creati dagli emettitori saranno le stesse. Ma le fasi di eccitazione degli emettitori devono essere diverse per ottenere la radiazione direzionale. Per cominciare, consideriamo il caso più semplice, quando d = V4, e gli emettitori sono alimentati in quadratura, cioè lo sfasamento delle oscillazioni ad esse applicate è di 90°. Sul diagramma vettoriale (nella riga centrale, al centro), le oscillazioni degli emettitori sono mostrate dai vettori s1 e s2. L'angolo φ corrisponde a uno sfasamento aggiuntivo di oscillazioni fino a 180°. Conveniamo anche sul fatto che l'incursione di fase (ritardo di fase) quando un'onda si propaga per una certa distanza viene presa in considerazione ruotando il vettore in senso orario dell'angolo appropriato. Quindi, ad esempio, un'onda che ha percorso un quarto d'onda acquisirà un'incursione di fase di 90°. Consideriamo la radiazione del sistema a destra e le fasi delle onde saranno misurate direttamente vicino all'emettitore S2 (con un'ulteriore propagazione a destra, entrambe le onde provenienti da due emettitori acquisiranno lo stesso sfasamento e la relazione di fase tra le loro oscillazioni non cambierà). Il diagramma vettoriale corrispondente è mostrato nella riga centrale a destra. L'oscillazione s2 non cambierà e l'oscillazione s1 acquisirà uno sfasamento di 90° dopo aver superato il percorso L/4. Di conseguenza, le onde saranno sfasate e non ci saranno radiazioni in questa direzione. Quando le onde si propagano sul lato sinistro degli emettitori, il vettore s1 rimarrà nella stessa posizione e il vettore s2 ruoterà di 90 ° in senso orario, poiché l'onda dell'emettitore s2 passerà il percorso L / 4. Il diagramma vettoriale delle oscillazioni vicino all'emettitore s1 è mostrato in Fig. 1 nella riga centrale a sinistra. Si può notare che le onde degli emettitori S1 e S2 si sommano in fase e l'oscillazione totale acquista un'ampiezza raddoppiata. Esattamente allo stesso modo, si può trovare il campo di radiazione in altre direzioni. Per una rappresentazione più figurativa, si può supporre che la Fig. 1 mostri una vista in pianta di due antenne a stilo SI e S1 dall'alto. Un tale sistema di due pin avrà un diagramma di radiazione vicino a un cardioide. La radiazione massima sarà diretta a sinistra e la radiazione zero sarà diretta a destra. Nelle direzioni laterali (su e giù nella figura), il sistema irradierà anche, e in modo abbastanza significativo, poiché due onde di quadratura si sommeranno in queste direzioni. È possibile aumentare leggermente la nitidezza del diagramma di radiazione avvicinando gli emettitori S2 e S1, ad esempio a una distanza di L/2. I diagrammi vettoriali per questo caso sono mostrati nella riga inferiore in fig. uno. Sulla base del fatto che la radiazione a destra, come prima, dovrebbe essere assente, determiniamo lo sfasamento delle oscillazioni degli emettitori. Dovrebbe essere 4p/135 o 1° come mostrato nel diagramma vettoriale al centro della riga inferiore. Quindi, quando emesso a destra, il vettore di oscillazione s4 ruoterà di un angolo di n / 45 o 2°, e sarà in antifase con il vettore s1 (vedi diagramma vettoriale nella riga in basso a destra). Quando si emette a sinistra, i vettori s2 e s1,41 non saranno più in fase, ma saranno in quadratura e l'ampiezza del campo risultante non raddoppierà più, come nel caso precedente, ma sarà solo 2 volte maggiore del campo di ciascuno degli emettitori (diagramma vettoriale a sinistra). Anche la radiazione laterale sarà minore, poiché i campi vicini all'antifase vengono aggiunti in queste direzioni. La distanza tra gli emettitori può essere ridotta ancora, ma per ottenere una radiazione unidirezionale, l'angolo, che integra lo sfasamento degli emettitori rispetto all'antifase, deve soddisfare la condizione: φ = XNUMXpd/L, cioè dovrebbe anche diminuire. Non si deve pensare che l'efficienza di un'antenna "corta" con d piccolo ed emettitori quasi sfasati sia inferiore all'efficienza di un'antenna "piena" con distanza d = L/4. Se le perdite di elementi possono essere trascurate, allora tutta la potenza fornita al sistema di antenne deve essere irradiata e i campi di entrambe le antenne devono essere gli stessi (trascurando una piccola differenza nei modelli di radiazione). Ma le correnti negli elementi di un'antenna "corta" per creare lo stesso campo sono grandi e, se si tiene conto delle perdite negli elementi, aumentano anche a causa delle grandi correnti. Le correnti antifase negli elementi di un'antenna “corta” sono simili alle correnti antifase nella bobina e nel condensatore di un circuito oscillante parallelo, la cui ampiezza è proporzionale al fattore di qualità. Allo stesso modo, quando la distanza tra i vibratori si riduce e le correnti in essi si avvicinano alla controfase, il fattore di qualità equivalente del sistema di antenna aumenta e la larghezza di banda delle sue frequenze operative diminuisce di conseguenza. Questo è il prezzo per il ridimensionamento. Ma con una distanza tra i vibratori L/8...L/10, l'aumento delle perdite negli elementi e del fattore di qualità equivalente non supera 1,4...2 volte ed è pienamente compensato dalla riduzione delle dimensioni dell'antenna, che è confermato da molti anni di pratica nella progettazione di travi ZL.
Uno dei più semplici progetti di travi ZL è mostrato nella Figura 2. Contiene due vibratori a semionda divisi (spesso utilizzati vibratori ad anello) collegati da una linea aerea con fili incrociati. Poiché il coefficiente di accorciamento d'onda nella linea aerea è prossimo all'unità, quando il sistema è alimentato nei punti "X-X", lo sfasamento delle oscillazioni nei vibratori corrisponde esattamente alla formula sopra. Una più accurata fasatura degli elementi si ottiene modificando (selezionando) la loro lunghezza. In questo caso cambia la frequenza di risonanza dell'elemento e, come ogni circuito oscillatorio, in base alla sua caratteristica di frequenza di fase, la fase delle oscillazioni in esso. Si può infatti portare la potenza anche a metà della linea, e la fasatura degli elementi si può fare in questo modo: un elemento è leggermente accorciato, l'altro leggermente allungato. La detuning degli elementi è molto piccola, poiché lo sfasamento richiesto in ciascun elemento è solo f/2. Il diagramma di radiazione del raggio ZL sul piano orizzontale (in azimut) è notevolmente ridotto anche perché i vibratori stessi non irradiano lateralmente. Sul piano verticale, il diagramma è leggermente più ampio. Questa antenna è molto buona come piccola antenna direzionale con polarizzazione orizzontale. Secondo numerosi dati della letteratura, la sua efficienza raggiunge 4 dB rispetto a un dipolo o 6 dB rispetto a un emettitore isotropico (omnidirezionale). Per ovvi motivi progettuali il posizionamento verticale dei vibratori a trave ZL non è semplicissimo; inoltre si creano problemi con il cablaggio della linea elettrica. Alla luce di queste difficoltà, il pensiero dell'autore si è rivolto a emettitori verticali più adatti, che potrebbero essere posizionati a breve distanza l'uno dall'altro, secondo l'ideologia del raggio ZL. Uno di questi emettitori è l'antenna J, di cui in Fig. 3 sono mostrate due versioni, che differiscono solo nel metodo di abbinamento con l'alimentatore.
L'antenna J è un vibratore verticale a semionda alimentato dall'estremità inferiore. Alla fine, la resistenza del vibratore è molto alta e raggiunge diversi kiloohm, in piena conformità con la legge di Ohm: dopotutto, la corrente qui è piccola e la tensione è alta. Per abbinarlo a una bassa resistenza del cavo, viene utilizzata una linea a due fili a quarto d'onda. Nella prima variante (a sinistra in Fig. 3), la sua impedenza d'onda dovrebbe essere uguale alla media geometrica tra il vibratore e le resistenze del cavo, cioè qualcosa nella regione di 300 ... 600 ohm. La corrispondenza esatta può essere ottenuta modificando l'impedenza d'onda della linea (in pratica, la distanza tra i conduttori). Questo non è del tutto conveniente, quindi la seconda versione dell'antenna J (a destra in Fig. 3) è migliore sotto molti aspetti. Qui i conduttori della linea a quarto d'onda sono semplicemente chiusi all'estremità inferiore, e questo punto a potenziale zero può essere messo a terra con un filo di qualsiasi lunghezza, collegato a qualsiasi "massa", ad esempio il tetto di una casa o auto, che è conveniente in modo costruttivo, ma non puoi collegarti da nessuna parte. L'alimentazione alla linea è fornita da un autotrasformatore, in punti "XX" posti ad una certa altezza sopra l'estremità della linea in corto circuito. Con qualsiasi cavo, l'antenna è facilmente abbinabile spostando semplicemente i punti di alimentazione "XX". L'impedenza d'onda di una linea a due fili in questa forma di realizzazione non ha molta importanza. L'ulteriore corso di pensiero è stato il seguente: se due antenne J in un sistema direzionale sono posizionate una accanto all'altra, è possibile utilizzare una linea comune a due fili per alimentarle e coordinarle? Dopotutto, le tensioni sui conduttori dell'estremità aperta della linea sono antifase, che è esattamente ciò che serve per alimentare due vibratori ravvicinati! Ebbene, lo sfasamento necessario delle oscillazioni nei vibratori +f/2 e -f/2 può essere ottenuto modificando la loro lunghezza, accorciandone uno e allungando l'altro. Resta da decidere come collegare le estremità dei vibratori a semionda, separate da L / 8, con le estremità della linea a due fili, affiancate. Si è rivelato facile: dopotutto, la corrente è piccola alle estremità dei vibratori, quasi non si irradiano, quindi non ci sarà nulla di sbagliato se le estremità dei vibratori sono piegate l'una verso l'altra e collegate direttamente alle estremità della linea. Tutto si è rivelato incredibilmente semplice, tanto che sono sorti dei dubbi: funzionerebbe? Era necessario un esperimento. Detto fatto, l'antenna alla frequenza di 430 MHz (lunghezza d'onda 70 cm) è stata piegata da un unico pezzo di filo di rame del diametro di 1,7 mm. Il suo schizzo con le dimensioni perfezionate durante gli esperimenti è mostrato in Fig. 4 b).
Il cavo di alimentazione con un'impedenza d'onda di 50 ohm è stato collegato come mostrato in Fig. 4 c). È utile rendere mobili i contatti ai punti di alimentazione "XX" per selezionare la posizione di questi punti in base al SWR minimo. Sfortunatamente, non c'era nulla per misurare l'SWR e la posizione dei punti di alimentazione è stata scelta in base al massimo del campo dell'antenna nella direzione principale. È stato utilizzato un indicatore di campo fatto in casa, costituito da un'antenna a dipolo, un rivelatore a diodi e una testina di misurazione da 50 µA. La sorgente del segnale era un oscillatore di misura con un'impedenza di uscita di 50 Ω e un attenuatore con un passo di 1 dB. Inizialmente, l'antenna è stata fissata in una morsa da tavolo per la base inferiore della linea a due fili, quindi è stato realizzato un primitivo supporto girevole. Sebbene le misurazioni siano state eseguite in una stanza non attrezzata e non pretendano di essere altamente accurate, l'antenna ha soddisfatto pienamente le aspettative! In primo luogo, l'antenna ha funzionato e ha emesso una radiazione unidirezionale verso il vibratore corto. In secondo luogo, rispetto a un dipolo a semionda nella stessa posizione e alimentato dallo stesso cavo, l'attenuatore dell'oscillatore doveva essere spinto a 4 dB per ottenere lo stesso segnale sull'indicatore di campo. Questo ci permette di valutare il fattore di direttività dell'antenna con la stessa cifra. Il diagramma di radiazione nel piano verticale (il piano dei vibratori) è mostrato in Fig. 4a e, in generale, corrisponde pienamente ai modelli simili di travi a due elementi. Sul piano orizzontale, il diagramma è lo stesso, ma leggermente più ampio. È curioso che regolando la lunghezza degli elementi sia possibile ottenere la completa assenza del lobo posteriore (in ogni caso l'indicatore di campo non lo ha rilevato), ma allo stesso tempo il guadagno è stato alquanto, di un frazione di decibel, inferiore a quando si sintonizza l'antenna al massimo guadagno. In conclusione, presentiamo alcune considerazioni pratiche sulla progettazione dell'antenna proposta. Per aumentare la resistenza meccanica, è possibile installare un isolatore alle estremità di una linea a due fili, nella zona della sua curva e di passaggio ai conduttori del vibratore. L'isolante deve essere di buona qualità, poiché qui si trova l'antinodo della tensione. Le curve stesse non devono essere eseguite ad angolo retto, anche le "spalle" dell'antenna possono essere inclinate. Inoltre, all'autore sembra che la posizione delle "spalle" non sia particolarmente critica: possono essere posizionate un po' più in alto o un po' più in basso. È molto più importante osservare l'intera lunghezza dei conduttori dal fondo della linea a due fili all'estremità superiore del vibratore. Dovrebbe essere di circa 0,73 litri. per un vibratore corto (regista) e circa 0,77L per uno lungo (riflettore). Con l'aumento del diametro dei conduttori (tubi) da cui è composta l'antenna, la loro lunghezza diminuisce leggermente. Il fattore di accorciamento per vibratori "spessi" può essere trovato nella letteratura dell'antenna. Notiamo inoltre che non è necessario realizzare vibratori e una linea a due fili da tubi dello stesso diametro. L'antenna sarà più forte e sarà in grado di sopportare meglio i carichi del vento se la linea a due fili è composta da tubi di diametro maggiore e i vibratori sono relativamente sottili. Per facilità di regolazione, è utile dotare i vibratori di "top-end" all'estremità superiore, inseriti telescopicamente nel tubo principale, poiché accorciare i vibratori con tronchesi, come ha fatto l'autore, è irto di conseguenze irreversibili - dopo che, il vibratore può essere allungato solo con un saldatore. Autore: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Mosca; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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