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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Antenna a fessura scheletrica: miti e realtà. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne VHF A giudicare dalla letteratura radioamatoriale straniera, l'antenna a fessura scheletrata è popolare a frequenze superiori a 20 MHz. L'articolo pubblicato tenta di rispondere alla domanda: in che misura il coefficiente direzionale indicato in letteratura corrisponde alla realtà. Nei libri sulle antenne VHF, la cosiddetta antenna a fessura scheletrata è stata ripetutamente descritta e tutte le pubblicazioni, senza eccezioni, hanno riportato i suoi parametri molto elevati, l'ampio coefficiente di direttività (DA), l'ampia banda di frequenza e la facilità di sintonizzazione. L'idea dell'antenna fu proposta da J. Ramsey nel 1949 [1], il suo design è mostrato in Fig. 1, preso in prestito da [2]. L'elemento attivo dell'antenna è costituito da tre dipoli paralleli a semionda situati tre livelli uno sopra l'altro. Per ridurre le dimensioni dell'antenna, le estremità dei dipoli superiore e inferiore vengono piegate ad angolo retto verso il dipolo centrale e collegate ad esso. Questo è ciò che li entusiasma. Il dipolo centrale è diviso e collegato ad una linea bifilare a quarto d'onda corrispondente, che serve anche per montare il riflettore. Il riflettore è concepito come un canale d'onda sotto forma di un unico vibratore, la cui lunghezza elettrica è leggermente maggiore di una semionda. Le dimensioni dell'antenna in lunghezze d'onda e i valori del coefficiente di accorciamento k, in funzione del diametro dei conduttori (tubi) d, sono mostrati in Fig. 1. Spostando il punto di alimentazione XX lungo la linea bifilare, è possibile modificare l'impedenza di ingresso dell'antenna da zero (vicino al riflettore) a circa 400 Ohm (nel punto YY vicino all'elemento attivo).
La distribuzione della corrente nell'elemento attivo è mostrata in Fig. 2. Si può vedere che gli antinodi (massimi) della corrente si trovano esattamente al centro delle parti orizzontali dell'elemento, formando un sistema in fase a tre piani. Nelle parti verticali dell'elemento attivo le correnti sono piccole e dirette l'una verso l'altra. Inoltre, qui ci sono quattro nodi attuali, quindi non c'è radiazione di campo lontano dalle parti verticali. Ricordiamo che nella zona lontana il diagramma di radiazione dell'antenna è quasi completamente formato. La distanza dalla zona lontana è di diverse lunghezze d'onda. Maggiore è l'efficienza dell'antenna, maggiore è.
L'elemento attivo di un'antenna a fessura scheletrata può anche essere considerato come due quadrati, combinati con un lato e punti di alimentazione. Tuttavia, rispetto a due quadrati a grandezza naturale, il perimetro dell'elemento attivo dell'antenna a fessura scheletrata è leggermente più piccolo, probabilmente a causa dell'effetto di accorciamento della capacità tra i conduttori verticali dell'elemento. Un'antenna simile è stata proposta da K. Kharchenko [3], ma in essa due quadrati vengono alimentati dagli angoli e combinati con punti di alimentazione. Una semplice antenna con slot scheletrato ha un riflettore che non è abbastanza efficiente. Questo inconveniente può essere eliminato costruendo il riflettore esattamente nello stesso modo dell'elemento attivo (sotto forma della stessa struttura a tre piani di vibratori). Non si possono più posizionare bifilari tra gli elementi, ma nessuno si preoccupa di disegnarli nel piano di ciascun elemento fino al punto a potenziale zero al centro del vibratore orizzontale inferiore. Cosa succede dopo questa modifica è mostrato in Fig. 3. Le dimensioni degli elementi stessi rimangono le stesse e la distanza tra l'elemento attivo e il riflettore si riduce a 0,18. Questa antenna ha un altro vantaggio. Spostando i ponticelli di cortocircuito lungo le linee a due fili, gli elementi possono essere regolati sulla frequenza desiderata e, spostando il ponticello del riflettore, è facile regolare l'antenna sulla massima efficienza o sul rapporto di radiazione avanti-indietro.
Per una tale antenna a due elementi, descritta in [2 e 4], viene riportata un'efficienza insolitamente alta di 14...16 dB! Se il secondo dei libri citati non fosse una pubblicazione seria, allora ci si potrebbe comunque arrendere e non prendere sul serio questa cifra. Ma questo libro è nel complesso molto buono e non contiene quasi errori. Il suo autore, ovviamente, non ha potuto testare tutte le numerose costruzioni in esso contenute. Pertanto, se questo è un errore, è apparso prima, in alcune altre pubblicazioni, e ora è difficile trovare la fonte originale. È abbastanza chiaro che un sistema di vibratori in fase dovrebbe dare una maggiore efficienza rispetto a un singolo vibratore, ma la domanda è: quanto? Anche se in [2] a p. 100 e si afferma che l'antenna "... è in realtà un'antenna in fase a sei elementi e tre piani", ma i vibratori sono abbastanza vicini l'uno all'altro e anche accorciati. Ciò è destinato a ridurre l’efficienza. Quindi c’erano più domande che risposte. Inoltre, i radioamatori familiari all'autore stavano progettando di costruire proprio un'antenna del genere per una portata di 10 metri ed erano pronti a spendere soldi per il materiale, che al giorno d'oggi non è economico! Per ottenere una risposta chiara e precisa alla domanda sul fattore di direttività, è stato condotto un esperimento nella gamma dei 432 MHz. Gli elementi sono stati piegati secondo la Fig. 3 pezzi di filo di rame smaltato con un diametro di 1,5 mm, i collegamenti sono saldati e i conduttori di linea nei punti in cui sono installati i ponticelli di chiusura e il cavo è collegato sono privati dell'isolamento. L'intera struttura è stata assemblata su un telaio di legno realizzato con sottili doghe secche. Il cavo di alimentazione correva dai punti di alimentazione lungo il conduttore di linea a due fili a cui era collegata la treccia, scendeva verticalmente e si collegava direttamente all'uscita del generatore di segnale standard. L'indicatore di campo era un dipolo a semionda con un rilevatore e un microamperometro. Si trovava su un treppiede a una distanza di diversi metri dall'antenna. L'antenna era inoltre montata su un primitivo treppiede rotante, che consentiva di modificarne l'orientamento. L'antenna è stata sintonizzata abbastanza facilmente e rapidamente, proprio per la massima radiazione nella direzione principale. Con le dimensioni indicate alla frequenza di 432 MHz, le distanze dei ponticelli di chiusura dalla base delle linee bifilari per l'antenna sintonizzata risultavano essere le seguenti: per il riflettore - 43 mm, per l'elemento attivo - 28 mm. La distanza dal punto di connessione del cavo da 50 ohm era di 70 mm. Quando regolato sulla massima direttività, viene rilevato un piccolo lobo posteriore. Regolando il riflettore è possibile eliminarlo quasi completamente. Non c'erano radiazioni laterali, su o giù. L'efficienza, o più precisamente, il guadagno dell'antenna, pari al prodotto tra efficienza ed efficienza, è stata determinata come segue: sull'indicatore è stato annotato il livello del segnale creato dall'antenna nella direzione principale, quindi, invece del antenna, un dipolo a semionda situato nello stesso punto dello spazio era collegato al cavo di alimentazione. Il livello del segnale proveniente dal generatore è aumentato abbastanza da ottenere le stesse letture sull'indicatore. La variazione del livello del segnale misurata dall'attenuatore del generatore è numericamente uguale al guadagno dell'antenna rispetto al dipolo a semionda. Per questa antenna è risultato essere 7 dBd. Rispetto ad un emettitore isotropo (omnidirezionale), sarà di 2,15 dB in più e sarà di circa 9,2 dBi. Presta attenzione alle lettere d e i nella designazione dei decibel: nella letteratura sulle antenne è così che è consuetudine indicare rispetto a quale emettitore viene misurata la direttività. L'ampiezza del diagramma di radiazione a metà potenza era di circa 60° sul piano orizzontale (in azimut) e di circa 90° sul piano verticale (in elevazione). Avendo questi dati, la direttività può essere calcolata in un altro modo: l'angolo solido in cui si irradia l'antenna è uguale al prodotto di angoli lineari corrispondenti alla larghezza del diagramma ed espresso in radianti. Otteniamo un valore di circa 1,5 steradianti. Allo stesso tempo, un'antenna isotropa si irradia in un angolo solido di 4π, o 12,6 steradianti. La direttività, per definizione, è il rapporto tra questi angoli solidi ed è 12,6/1,5 = 8,4 o 9,2 dBi. Avendo ottenuto un così buon accordo tra i valori di direttività determinati dai due metodi, l'autore decise che non c'era più niente da misurare e, con un leggero disappunto, si convinse ancora una volta che nella tecnologia delle antenne non accadono miracoli. Tuttavia, l'antenna funziona molto bene e, nonostante le sue piccole dimensioni (330x120x120 mm nella gamma 432 MHz), fornisce un guadagno molto dignitoso. Letteratura
Autore: Vladimir Polyakov (RA3AAE)
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