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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Antenne DV trasmittenti amatoriali. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne HF In alcuni paesi (inclusa la Russia), ai radioamatori viene assegnata, oltre alle bande HF e VHF, anche una piccola sezione della gamma DV (135,7...137,8 kHz). Dopo gli esperimenti in questa gamma intrapresi dal team RU6LWZ (la rivista ne ha parlato nel numero di giugno di quest'anno), l'interesse per KDV tra i radioamatori russi è aumentato notevolmente. Molti vorrebbero iniziare esperimenti in questo campo, ma il suo sviluppo è in gran parte ostacolato dalla mancanza di informazioni ampiamente disponibili su quali attrezzature siano necessarie a tal fine. Questo articolo è dedicato forse all'aspetto principale della tecnologia DV: le antenne trasmittenti. Attualmente, il compito principale che deve essere risolto per lo sviluppo diffuso del DV da parte dei radioamatori russi è aumentare il numero di stazioni DV amatoriali trasmittenti. Infatti, prima che i segnali possano essere ricevuti, devono esistere. Se in HF i segnali delle stazioni amatoriali sono molto forti e a grandi distanze dal trasmettitore, per iniziare gli esperimenti in DV è altamente auspicabile che la sorgente del segnale sia relativamente vicina. Questo problema è particolarmente acuto per i radioamatori nella parte asiatica del nostro vasto paese. È un po’ più facile per i radioamatori che vivono nella parte europea della Russia. Nell'Europa occidentale ci sono molti radioamatori che trasmettono su onde lunghe, i cui segnali possono essere ricevuti a distanze fino a uno-duemila chilometri quando si usa un telegrafo normale e fino a diverse migliaia di chilometri quando si usa QRSS (telegrafo lento con elaborazione del segnale su un computer). Il problema principale che deve risolvere ogni radioamatore che inizia a lavorare nella gamma DV è la costruzione di un'antenna trasmittente. Tutti sanno che in HF l'antenna influenza notevolmente la riuscita nel lavoro, ma in DV forse questa influenza è ancora maggiore. Un trasmettitore per frequenze di circa 136 kHz è relativamente facile da produrre. Non è molto diverso da un trasmettitore in banda KB. Ma l'antenna è una questione completamente diversa! Le proprietà dell'antenna dipendono fondamentalmente dal rapporto tra lunghezza d'onda e dimensione dell'antenna, e la lunghezza d'onda corrispondente alla banda amatoriale di 136 kHz è di circa 2,2 km, che è più di dieci volte la lunghezza d'onda massima precedentemente utilizzata dai radioamatori. Le antenne DV differiscono significativamente da quelle normalmente utilizzate in HF. La copia diretta delle antenne KB in Estremo Oriente è impossibile, poiché le antenne risultanti avranno dimensioni completamente inaccessibili ai radioamatori. Inoltre, in Estremo Oriente di solito non è possibile proporre un progetto radioamatoriale specifico per un'antenna trasmittente. È in gran parte determinato dalle condizioni locali e il radioamatore, di regola, deve costruire lui stesso l'antenna. Anche se questo non è difficile, dal momento che sul DV non c'è la varietà di tipi di antenne che si osserva sull'HF, progettare un'antenna DV richiede comunque una certa comprensione di quali sono i suoi parametri, come influenzano il funzionamento dell'antenna, cosa dipende da e come migliorare il funzionamento dell'intero complesso di trasmissione, costituito da un trasmettitore e un'antenna. Tutto ciò ha spinto l'autore a scrivere questo articolo, in cui vengono discussi i principi di base della creazione di antenne trasmittenti DV amatoriali. Naturalmente, la maggior parte del materiale presentato nell'articolo può essere trovato nella letteratura professionale, ma tale presentazione non è stata ancora fatta appositamente per i radioamatori. Ciò non sorprende, dal momento che la gamma DV è recentemente diventata disponibile per i radioamatori. L'autore ha cercato di evitare teorie complesse, limitandosi solo ad una presentazione qualitativa e alle formule più semplici, che sono ancora necessarie per la progettazione significativa di un'antenna. In questo caso, l'attenzione principale è stata prestata alla differenza fondamentale nella progettazione delle antenne HF e LW. Quanto successo abbia avuto spetta ai lettori giudicarlo. Una caratteristica delle antenne DV è la loro dimensione, che è molto più piccola di un quarto della lunghezza d'onda. Questo vale anche per le stazioni DV professionali, e ancor più per quelle amatoriali. In effetti, il perno a quarto d'onda familiare a KB per la gamma di 136 kHz dovrebbe avere un'altezza di oltre 500 m, come quello della torre televisiva di Ostankino! Il secondo punto importante di cui bisogna tenere conto quando si progetta e costruisce un'antenna trasmittente LW è che la polarizzazione delle onde emesse dall'antenna deve essere esclusivamente verticale. Ciò è dovuto alle proprietà della terra: a frequenze così basse è vicina a un conduttore ideale e l'altezza di qualsiasi antenna LW reale è molto inferiore alla lunghezza d'onda. Non sarà possibile irradiare efficacemente un campo elettrico orizzontale per il semplice motivo che la Terra semplicemente “cortocircuiterà” questo campo. Più strettamente, il motivo è che, come noto dall'elettrodinamica, il vettore del campo elettrico sulla superficie di un conduttore ideale è sempre perpendicolare alla superficie. Naturalmente la terra non è ancora un conduttore ideale e l'altezza dell'antenna, sebbene piccola, non è zero. Pertanto, la questione dell'utilizzo di antenne trasmittenti basse (rispetto alla lunghezza d'onda) con polarizzazione orizzontale (ad esempio un dipolo orizzontale) in Estremo Oriente è estremamente interessante e richiede sperimentazione. Ma è impossibile consigliare tali antenne trasmittenti a un radioamatore che ha appena iniziato a lavorare in Estremo Oriente. Gli esperimenti corrispondenti richiedono una solida esperienza e l'antenna sperimentale deve essere confrontata con qualcosa di noto. A causa del fatto che le dimensioni di qualsiasi antenna LW reale sono molto più piccole di un quarto della lunghezza d'onda, le antenne trasmittenti LW possono essere divise in due grandi classi: elettriche e magnetiche. Le antenne magnetiche sono telai chiusi, il più delle volte di forma rettangolare, necessariamente posizionati su un piano verticale (polarizzazione verticale!) e aventi dimensioni di almeno decine di metri. Alcuni radioamatori in Europa occidentale e negli Stati Uniti stanno sperimentando queste antenne trasmittenti e riescono ad emettere una potenza non molto inferiore a quella delle antenne elettriche di dimensioni comparabili. Tuttavia, questa è ancora una classe sperimentale di antenne trasmittenti. Il tipo principale di antenna trasmittente in Estremo Oriente è un emettitore verticale notevolmente accorciato alimentato rispetto al suolo. Quest'ultimo significa che il secondo polo di collegamento del generatore è a terra. Molte di queste antenne hanno una massa di fili disposti orizzontalmente. Ma sottolineiamo che solo la parte verticale dell'antenna è l'emettitore stesso e tutti i conduttori orizzontali servono esclusivamente a creare la corrente più grande e distribuita uniformemente nel filo verticale. Alcuni tipi di antenne trasmittenti LW sono schematicamente mostrati in Fig. uno.
Nella fig. 1a mostra un'antenna a forma di filo verticale senza carico capacitivo; nella fig. 1b - antenna verticale con carico capacitivo a forma di "ombrello", che può far parte dei tiranti che sostengono l'albero; nella fig. 1,c - antenna T a tre raggi; nella fig. 1g - antenna G a raggio singolo con carico capacitivo inclinato; nella fig. 1,d - antenna T a raggio singolo con carico capacitivo inclinato; nella fig. 1,e - antenna a T a raggio singolo con parte “verticale” inclinata, in Fig. 1,g - Antenna a "fascio inclinato". Le possibili configurazioni dell'antenna non si limitano a quelle mostrate in Fig. 1. È possibile ad esempio un'antenna G multiraggio. Il numero di conduttori che compongono l'“ombrello” (Fig. 1,b) non è necessariamente quattro. La parte verticale può essere costituita anche da più fili paralleli o fan-out, ecc. È anche ovvio che in molti casi è possibile utilizzare un'antenna HF come antenna DV cambiando il modo in cui viene alimentata. Ad esempio, un dipolo KB fungerà con successo da antenna a T se si collegano insieme entrambi i cavi di alimentazione e li si alimenta rispetto alla terra. Si prega di notare che nessuna di queste antenne è alimentata tramite cavo coassiale. Sono tutte, per così dire, "antenne con un alimentatore aperto a filo singolo", sebbene in realtà questo "alimentatore" sia in realtà un radiatore. Un radioamatore che ha riscontrato più di una volta problemi associati alle interferenze televisive durante il lavoro su KB può essere molto scettico riguardo a tale alimentazione dell'antenna trasmittente. Soprattutto quando gli verrà ulteriormente consigliato di utilizzare i tubi dell'acqua come messa a terra. L'autore si affretta a rassicurarlo: in LW le interferenze televisive sono solitamente un problema molto minore rispetto a quando si lavora in HF. Facciamo un esempio dalla pratica. Il filo dell'antenna arrivava ad un trasmettitore con una potenza di circa 50 W ad un'altezza di diversi centimetri sopra il coperchio superiore del televisore. C'era anche una luce al neon che si illuminava intensamente quando si premeva il tasto. E non c'era assolutamente alcuna interferenza con la ricezione televisiva! Forse la situazione non è sempre così favorevole, ma a quanto pare i televisori sono insensibili ai campi elettromagnetici di frequenze così basse. Poiché l'altezza dell'antenna LW è sempre molto inferiore a un quarto della lunghezza d'onda, la parte reattiva dell'impedenza di ingresso di un emettitore elettrico verticale è sempre di natura capacitiva ed è molto grande rispetto alla parte attiva dell'impedenza di ingresso. Affinché la corrente nell'antenna raggiunga un valore significativo, la parte capacitiva della resistenza di ingresso dell'antenna deve essere compensata dall'induttanza, la cui reattanza è uguale in valore assoluto alla reattanza della capacità dell'antenna. Pertanto, l'uso di una bobina di estensione sul DV è assolutamente obbligatorio (la bobina non è mostrata in Fig. 1). La bobina di estensione è collegata in serie con l'antenna. Per poter stimare l'induttanza richiesta della bobina di estensione, è necessario conoscere la capacità dell'antenna, che è un parametro molto importante dell'antenna trasmittente LW. Maggiore è la capacità dell'antenna, minore è l'induttanza necessaria della bobina di estensione. Di conseguenza, maggiore è la capacità dell'antenna, minore sarà la perdita di potenza inutile del trasmettitore a causa della resistenza ohmica (attiva) della bobina di estensione. E le perdite di potenza nella bobina di estensione sono molto significative quando si opera su DV. Inoltre, con una maggiore capacità dell'antenna, diminuisce la tensione su di essa, che in Estremo Oriente, anche con un trasmettitore di potenza relativamente bassa, raggiunge unità o addirittura decine di kilovolt. Ridurre la tensione dell'antenna semplifica il problema dell'isolamento. Ci sono anche ragioni, di cui parleremo più avanti, quando discuteremo della cosiddetta “perdita ambientale”, per cui si dovrebbe cercare di rendere la capacità dell’antenna quanto più grande possibile. Proprio l'aumento della capacità totale dell'antenna (unitamente all'ottenimento di una distribuzione più uniforme della corrente nella parte verticale) è il motivo per cui nelle antenne trasmittenti LW si cerca di rendere la parte orizzontale più ampia possibile e spesso da più fili paralleli (antenne multiraggio a L e a T). La capacità di un'antenna a onda lunga può essere stimata con una precisione accettabile per la pratica radioamatoriale utilizzando una semplice regola: ogni metro di filo dell'antenna (sia nella parte verticale che orizzontale) fornisce circa 6 pF della capacità dell'antenna. Se più fili sono paralleli tra loro, con una piccola distanza tra loro la capacità totale diminuisce. Pertanto, quando si costruisce un'antenna a L o a T con parte orizzontale multiraggio, è necessario, se possibile, mantenere una distanza tra i fili di almeno 2...3 m. Una distanza maggiore non ha senso, e una distanza minore porta ad una diminuzione della capacità per metro di filo. La reattanza della capacità dell'antenna può essere trovata utilizzando la nota formula Xc = 1/(2πfC). Poiché la reattanza della bobina di prolunga deve essere la stessa in valore assoluto, l'induttanza può essere ricavata dal rapporto tra reattanza e induttanza XL = 2πfL. Ai fini pratici è più conveniente utilizzare le formule che si ottengono sostituendo il valore di frequenza f = 136 kHz e convertendo le unità di misura: Xc = 1170000/C, XL = 0,85 L, L = XL/0.85, dove resistenza viene sostituito in ohm, la capacità in picofarad e l'induttanza in microhenry. Molto approssimativamente, per calcoli approssimativi, possiamo supporre che alla frequenza di 136 kHz la reattanza di una capacità da 1000 pF sia di 1000 Ohm e aumenti proporzionalmente al diminuire della capacità rispetto a 1000 pF. Di conseguenza, per l'induttanza, ogni microhenry fornisce circa 1 ohm. Questi numeri sono facili da ricordare. Molto spesso non è necessaria una maggiore precisione dei calcoli, poiché i valori calcolati dovranno ancora essere chiariti sperimentalmente. È estremamente difficile tenere teoricamente conto dell'influenza degli oggetti che circondano l'antenna! Per immaginare l'ordine dei parametri dell'antenna in tipiche condizioni radioamatoriali, faremo una stima per un esempio del genere. Lascia che ci sia un'antenna a forma di L o T con una parte orizzontale a raggio singolo lunga 80 m, situata ad un'altezza di 20 m.La lunghezza della parte verticale sarà di 20 m, la lunghezza totale del filo sarà 100 M. La capacità di tale antenna sarà di circa 600 pf, ovvero la parte reattiva della resistenza di ingresso è di circa 2000 Ohm. Per compensare la reattanza della capacità dell'antenna, avrete bisogno di una bobina di estensione con un'induttanza leggermente superiore a 2000 μH. Potrebbe sorgere la domanda: perché non trovare l'induttanza della bobina di estensione, conoscendo la capacità dell'antenna e utilizzando la formula per un circuito oscillante convenzionale? Naturalmente, questo è possibile. Ma il calcolo tramite reattanza ci consente di stimare, ad esempio, la tensione sulle antenne ad una data corrente e la resistenza di perdita della bobina di prolunga con un fattore di qualità noto. Quindi, nell'esempio fornito, è immediatamente chiaro che la tensione su l'antenna sarà di circa 2000 V per ogni ampere di corrente nell'antenna. Poiché la parte attiva dell'impedenza di ingresso dell'antenna è molto inferiore alla parte reattiva, la tensione sull'antenna in volt è approssimativamente uguale alla corrente dell'antenna in ampere moltiplicata per la reattanza dell'antenna in ohm. La resistenza alle perdite di una bobina, la sua reattanza e il fattore di qualità sono legati da una semplice formula: Rcat = XL/Q. Con un fattore di qualità Q = 200 la resistenza alle perdite sarà 2000/200 = 10 Ohm. Il secondo parametro estremamente importante di un'antenna a onde lunghe è la sua altezza effettiva. Senza tenere conto per ora della dipendenza dell'altezza effettiva dai dettagli del progetto dell'antenna, notiamo due casi limite. L'altezza effettiva di un singolo filo verticale senza carico capacitivo in alto è pari alla metà della sua altezza geometrica. Per un'antenna a forma di L o T con una capacità della parte orizzontale molto maggiore della capacità della parte verticale, l'altezza effettiva si avvicina all'altezza della sospensione della parte orizzontale dell'antenna dal suolo. Notiamo subito che dobbiamo sforzarci di rendere l'altezza effettiva dell'antenna quanto più grande possibile, almeno 10...15 metri, e preferibilmente 30...50. Ma forse 50 m è il massimo raggiungibile in normali condizioni amatoriali. Questa è approssimativamente l'altezza effettiva di un'antenna a forma di L o T con una grande parte orizzontale sospesa tra due edifici di 16 piani. Perché l'altezza effettiva dell'antenna è così importante? Il fatto è che quando le dimensioni dell'antenna sono molto inferiori alla lunghezza d'onda, l'intensità del campo ricevuto dal corrispondente è direttamente proporzionale al prodotto (denotiamolo come A) dell'intensità della corrente nell'antenna e dell'altezza effettiva del antenna, misurata in metri. Maggiore è l'altezza effettiva dell'antenna, più forte sarà il segnale. La potenza emessa dalla stazione trasmittente Rizl (da non confondere con la potenza in uscita del trasmettitore!) è legata a questo prodotto da una semplice relazione (per una frequenza di 136 kHz): Rizl = 0.00033A2. Per esplorare i valori risultanti, considera un esempio. Considerando che l'altezza effettiva dell'antenna sia di 20 m, la corrente nell'antenna con una potenza di uscita del trasmettitore di 100 W è solitamente compresa nell'intervallo 1...3 A. Risulta essere 2 A. Quindi A = 40 metri e la potenza emessa sarà 0,5 W. L'esempio mostra che l'efficienza delle antenne DV trasmittenti amatoriali è molto piccola, poiché viene irradiato solo lo 0,5% della potenza fornita dal trasmettitore. E questo è comunque molto buono! Spesso l'efficienza è inferiore allo 0,1%. E solo quando si utilizzano antenne "giganti" (per gli standard radioamatoriali), l'efficienza può raggiungere diverse decine di percento. Un esempio è l'antenna della prima spedizione DX russa a onde lunghe effettuata dal team RU6LWZ, quando è stato utilizzato un albero con un'altezza di oltre 100 m. La bassa efficienza delle antenne DV trasmittenti amatoriali porta al fatto che la potenza della radiazione viene solitamente misurata in decimi o addirittura centesimi di watt, raramente raggiunge le unità di watt. Tuttavia, anche con potenze emesse così esigue, i dilettanti, utilizzando tipi speciali di lavoro (principalmente QRSS - telegrafo lento), conducono comunicazioni su distanze di migliaia o addirittura 10... 15 mila chilometri! Con un telegrafo convenzionale, le comunicazioni possono essere effettuate per diverse centinaia di chilometri e, talvolta, con una buona copertura, antenne riceventi speciali e un basso livello di interferenza, da uno a duemila chilometri. Vediamo che la situazione con le antenne trasmittenti HF è radicalmente diversa da quella a cui siamo abituati con le HF. Se su HF l'efficienza è solitamente vicina al 100% (tranne forse sulla portata dei 160 metri, e quindi non sempre), allora su DV è molto piccola. Se in HF proviamo a focalizzare la radiazione in una direzione e operiamo con il concetto di fattore di amplificazione, in DV la radiazione è sempre praticamente circolare e non è necessario parlare di alcuna amplificazione. Se in HF si cerca di ottenere angoli di radiazione piatti, in DV l'angolo di radiazione è sempre quasi lo stesso. Se in HF l'antenna viene solitamente alimentata tramite cavo coassiale e si cerca di ottenere un buon ROS, in DV l'antenna viene sempre alimentata direttamente e il concetto di ROS perde di significato. L'unica cosa per cui devi “combattere” quando lavori sul DV è la potenza irradiata o, che è lo stesso, il numero massimo di “metri” nell'antenna. Consideriamo ora più in dettaglio come l'altezza effettiva dell'antenna dipenda dalle sue dimensioni geometriche e dai dettagli di progettazione per i tipi più comuni di antenne. Come già indicato, l'altezza effettiva di un semplice filo verticale con carico capacitivo in alto (Fig. 1a) è semplicemente pari alla metà dell'altezza geometrica dell'antenna. Allo stesso modo, l'altezza effettiva dell'antenna a “raggio obliquo” (Fig. 1,g) è pari alla metà dell'altezza del punto più alto dell'antenna. Se l'antenna ha un carico capacitivo orizzontale (ad esempio, Fig. 1, c), l'altezza effettiva hd di tale antenna è determinata dal rapporto tra le capacità delle parti verticali Cv e orizzontali Cr, nonché dalla geometria altezza di sospensione h della parte orizzontale. Può essere trovato utilizzando la formula hd = h(1-0,5/(Cr/Cv+1)) Le capacità delle parti orizzontali e verticali dell'antenna possono essere, come per l'intera antenna, determinate dalla regola “6 pF per metro di filo”. Dalla formula risulta chiaro che se Cg è molto maggiore di C, allora l'altezza effettiva hd si avvicina all'altezza geometrica n. Particolari considerazioni meritano i casi di parte inclinata “verticale” (Fig. 1, f) e di parte inclinata carico capacitivo (Fig. 1,6, 1, d, d). Se la “parte verticale” è inclinata e il carico capacitivo è quasi orizzontale (Fig. XNUMX, e), allora non cambia quasi nulla, solo Cv aumenta leggermente a causa del filo più lungo e la formula rimane la stessa. Se la parte verticale dell'antenna a T è collegata in modo abbastanza preciso al centro del carico capacitivo inclinato (Fig. 1, d), anche la formula funziona, solo che come h dobbiamo prendere l'altezza dal suolo del punto di connessione della parte verticale a quella orizzontale. In questa antenna le componenti verticali del campo elettrico create dalle due spalle del carico capacitivo si compensano reciprocamente, ma in un’antenna a L (Fig. 1d), o in un’antenna “a ombrello” (Fig. 1,6), tale compensazione non avviene. Pertanto, la formula diventa leggermente diversa: hd = 0,5h( 1 + a - a2/(Cr/Cv+ 1)), dove a = h1/h è il rapporto tra le altezze delle estremità superiore e inferiore del carico capacitivo. Sottolineiamo che per i casi mostrati in Fig. 1,b e fig. 1g, non è auspicabile abbassare completamente l'estremità inferiore del carico capacitivo fino a terra. Ciò ridurrà l'altitudine effettiva a 0,5 ore. Se non è possibile rialzare questi punti (ad esempio c'è un solo palo), è meglio prolungare fino a terra i fili che compongono il carico capacitivo con un cordone isolante (si può usare anche del filo spezzandolo due o tre posti con isolatori). Se i punti di montaggio dell'antenna sono determinati dalla "situazione locale" e il radioamatore non ha voglia di impegnarsi in calcoli, allora puoi usare questa semplice regola: devi sforzarti di garantire che la quantità massima di filo sia posizionata più in alto possibile (e, come risulterà chiaro da quanto segue, più lontano da alberi, muri, ecc.). Bene, che altezza efficace sarà! Dopo aver affrontato il primo fattore del "parametro principale" - il prodotto dell'altezza effettiva e della forza attuale nell'antenna, considereremo da cosa dipende il secondo fattore - la forza attuale nell'antenna e come realizzarlo più grandi. Naturalmente la corrente dipende dalla potenza del trasmettitore. Ma non solo. Dipende anche dalla parte attiva della resistenza di ingresso R, che, a sua volta, è la somma della resistenza di perdita Rп e della resistenza di radiazione Rizl, come mostrato nel circuito equivalente di Fig. 2.
La resistenza alla radiazione (in ohm) ad una frequenza di 136 kHz è determinata dalla formula Rizl = 0,00033hd2 e per le antenne radioamatoriali di solito non è superiore a pochi decimi di ohm. Nella stragrande maggioranza dei casi, la resistenza alle perdite è molto maggiore della resistenza alle radiazioni. In realtà è per questo che si ottiene il rendimento basso, pari a Rizl / (Rizl + Rp). In queste condizioni, la corrente nell'antenna dipende principalmente dalla resistenza alle perdite e la resistenza alle radiazioni non ha quasi alcun effetto sulla corrente. Proprio questo rapporto tra resistenza alle perdite e resistenza alle radiazioni è la ragione della differenza radicale tra le antenne DV e HF. A KB, dove l'intensità di corrente nell'antenna è determinata principalmente dalla resistenza alle radiazioni, l'entità di questa intensità di corrente stessa non ha importanza. L'antenna può essere “alimentata da corrente” o “alimentata da tensione”, l'intensità della corrente sarà diversa, ma la potenza della radiazione sarà la stessa. In Estremo Oriente la situazione è fondamentalmente diversa. La corrente nell'antenna è determinata dalla resistenza alla perdita e la potenza irradiata è proporzionale al quadrato della corrente. Pertanto, è necessario sforzarsi di rendere la corrente più grande possibile, per cui è necessario ridurre il più possibile la resistenza alla perdita Se la resistenza di perdita nell'antenna Rп è nota, allora con una potenza di uscita nota del trasmettitore P è facile trovare l'intensità di corrente I nell'antenna: I =v (P/Rп). La resistenza di perdita è costituita dalla resistenza ohmica del filo dell'antenna, dalla parte attiva della resistenza della bobina di estensione, dalla resistenza di terra e dalla cosiddetta resistenza di perdita ambientale. Quest'ultimo è associato a perdite di energia dovute a correnti indotte negli oggetti circostanti (case, alberi, ecc.). La resistenza di un filo d'antenna in rame con un diametro di almeno 2 mm è solitamente molto piccola e può essere ignorata. Un'eccezione può essere il caso in cui la parte orizzontale dell'antenna (carico capacitivo) è molto lunga (centinaia di metri) ed è realizzata sotto forma di un filo sottile. I restanti componenti della resistenza alle perdite sono molto maggiori. La resistenza alla perdita della bobina di estensione è già significativa, soprattutto con un fattore di qualità basso. Il fattore di qualità è il rapporto tra la reattanza reattiva (induttiva) della bobina a una determinata frequenza e la resistenza di perdita. Queste ultime consistono in perdite nel nucleo magnetico, nel telaio e nel filo. Le antenne trasmittenti DV non utilizzano bobine con nucleo magnetico, che è associato a correnti elevate alle quali è difficile evitare la sua saturazione. Le perdite nel dielettrico del telaio sono generalmente piccole, tuttavia la raccomandazione è giusta: meno materiale entra nel telaio, meglio è. Naturalmente, è consigliabile utilizzare un dielettrico di alta qualità Ma la corrente RF scorre principalmente lungo la superficie del filo (effetto pelle) e quindi la resistenza è notevolmente maggiore rispetto alla corrente continua o alle frequenze audio. In molti libri si trova una formula per la resistenza specifica (in Ohm/m) di un filo di rame, tenendo conto dell'effetto pelle: Rsp = (0,084/d)vf dove d è il diametro del filo in mm; f - frequenza in MHz. Sembrerebbe che tu possa calcolare la resistività del filo della bobina usando questa formula, moltiplicarla per la lunghezza del filo e ottenere la perdita di resistenza nella bobina. Purtroppo, oltre all'effetto pelle, esiste anche un effetto di prossimità, che porta al fatto che la resistenza del filo nella bobina risulta essere significativamente maggiore della resistenza di un filo diritto. A causa dell'influenza reciproca delle spire, la corrente non scorre uniformemente su tutta la superficie del filo, ma principalmente lungo la parte della superficie rivolta verso l'interno della bobina. Di conseguenza, una superficie meno efficace significa maggiore resistenza. Secondo i risultati di uno studio condotto dall'autore, a causa dell'effetto di prossimità, la resistenza del filo di una bobina a strato singolo aumenta di 1 + 4,9(d/a)2 volte, dove d è il diametro del filo; a è il tono tortuoso. Se il passo di avvolgimento viene ridotto (avvolgimento dopo giro), l'induttanza della bobina aumenterà di un giro, saranno necessari meno giri e la lunghezza del filo diminuirà. Ma l’effetto di prossimità aumenterà notevolmente. Se si fa un passo di avvolgimento ampio, l'aumento di resistenza dovuto all'effetto di prossimità sarà minore, ma si dovranno avvolgere più giri e la lunghezza del filo aumenterà. Si scopre che esiste un valore ottimale, che si osserva quando il passo di avvolgimento è circa il doppio del diametro del filo. In altre parole, lo spazio tra le spire dovrebbe essere approssimativamente uguale al diametro del filo. La resistenza alle perdite in una bobina dipende dal diametro del filo? Sorprendentemente, praticamente no. Con un diametro del filo maggiore, la lunghezza dell'avvolgimento aumenterà e, se si realizza la bobina multistrato, l'effetto di prossimità aumenterà. Di conseguenza, dovranno essere effettuati più turni. Se si analizza matematicamente tutto ciò in dettaglio, si ottiene un risultato molto inaspettato: il fattore di qualità della bobina (e, di conseguenza, la resistenza di perdita per una data induttanza) dipende principalmente dal diametro del telaio della bobina! Inoltre il fattore qualità è direttamente proporzionale a questo diametro. E il fattore qualità non dipende quasi dal diametro del filo. Per evitare malintesi, notiamo che ciò è vero solo nel caso in cui il diametro del filo sia notevolmente maggiore dello spessore dello strato di pelle. Ad una frequenza di 136 kHz, questo viene fatto per il filo di rame con un diametro di 0,5 mm o maggiore (di solito è così). Pertanto, per ottenere basse perdite è necessario realizzare una bobina di grande diametro. Anche il rapporto tra il diametro del telaio e la lunghezza dell'avvolgimento ha una certa importanza. È stato stabilito che il fattore di qualità della bobina è massimo quando il diametro del telaio è 2...2,5 volte la lunghezza di avvolgimento. In queste condizioni, per una stima molto approssimativa (o meglio, di solito non è necessaria) alla frequenza di 136 kHz con un filo di rame massiccio, rapporti ottimali tra passo dell'avvolgimento e diametro del filo, nonché diametro del telaio e lunghezza dell'avvolgimento , si può presumere che il fattore di qualità di una bobina a strato singolo sia uguale al diametro del telaio in millimetri. Torniamo all'esempio sopra, dove la reattanza della bobina dovrebbe essere di circa 2000 Ohm, attiva - 10 Ohm e il fattore di qualità - 200. Il diametro del telaio dovrebbe essere di circa 200 mm. Si dovrà scegliere un diametro del telaio ancora maggiore per ottenere una minore resistenza alle perdite nella bobina. Vediamo che la bobina di estensione dell'antenna DV trasmittente deve essere di dimensioni molto grandi. Pertanto, la bobina solitamente non è integrata nel trasmettitore, ma posizionata separatamente. È vero, esiste la possibilità di ridurre significativamente le dimensioni della bobina con le stesse perdite o di ridurre le perdite con le stesse dimensioni. È necessario avvolgere la bobina non con filo di rame massiccio, ma con uno speciale filo Litz per trasmettitori. È costituito da un numero enorme (diverse centinaia) di conduttori di rame molto sottili e isolati. Di solito c'è una treccia di seta sopra i conduttori. Quando si utilizza Licendrate, è necessario prestare particolare attenzione per garantire che ciascun filo (!!!) sia saldato nei punti di collegamento della bobina. Purtroppo l'autore non è a conoscenza di alcuna teoria che permetta di calcolare il fattore di qualità di una bobina licendrata; è noto per esperienza che, a parità di dimensioni, il fattore di qualità di una bobina licendrata è circa il doppio di quello avvolto con filo di rame massiccio. La resistenza alle perdite della bobina di estensione è una componente importante della resistenza alle perdite complessiva dell'antenna. Ma se si realizza una bobina di diametro sufficientemente grande, ma comunque accettabile (200...400 millimetri), il contributo principale alle perdite totali verrà dalla resistenza di terra e dalla resistenza delle perdite circostanti. Di solito sono difficili da separare e questa resistenza comune è spesso chiamata resistenza di terra. Notiamo subito che la resistenza di terra RF non coincide affatto con la resistenza di terra alle basse frequenze. Quindi, se esiste una terra "elettrica" con una resistenza nota, allora, ovviamente, può e deve essere utilizzata, ma la sua resistenza alla frequenza di 136 kHz sarà molto maggiore che alla frequenza industriale di 50 Hz. Sfortunatamente, di solito è impossibile per i radioamatori calcolare le perdite di terreno. Le formule utilizzate dai professionisti non sono applicabili per antenne radioamatoriali così piccole rispetto alla lunghezza d'onda. E a differenza di quelle professionali, le antenne amatoriali si trovano solitamente tra case, alberi e altri oggetti, il che influisce in modo significativo sulle perdite dell'antenna. I radioamatori di solito non effettuano una messa a terra speciale, ma utilizzano tubi dell'acqua, ecc. Anche questo complica il calcolo. Dovremo quindi limitarci a sottolineare che solitamente la resistenza alle perdite di terra insieme alla resistenza alle perdite circostanti è di circa 30-100 Ohm, nonché raccomandazioni per ridurre l'entità di queste perdite. Come già accennato, è necessario massimizzare la corrente nell'antenna. Minore è la resistenza alle perdite, maggiore è. Per ridurre la resistenza delle perdite di messa a terra nella pratica radioamatoriale, è necessario collegare tutto il possibile dal metallo sepolto nel terreno e situato sulla superficie della terra. Potrebbero essere tubi dell'acqua, varie strutture metalliche, ecc. Basta non usare tubi del gas! Ciò è inaccettabile per motivi di sicurezza antincendio! Nella pratica professionale, per ridurre le perdite nel terreno, la messa a terra viene eseguita sotto forma della cosiddetta "metallizzazione del terreno" sotto l'antenna. Questo è un sistema di cavi sepolti a una profondità ridotta o adagiati sulla superficie della terra. L'area di metallizzazione dovrebbe, se possibile, coprire l'intera superficie sotto la parte orizzontale dell'antenna, estendendosi oltre la proiezione dell'antenna sul piano terra per una distanza dell'ordine dell'altezza dell'antenna. Se non è presente alcuna parte orizzontale (carico capacitivo), il raggio di metallizzazione dovrebbe essere dell'ordine dell'altezza dell'antenna. Non è affatto necessario effettuare la metallizzazione sotto forma di cerchio regolare; per raggio intendiamo semplicemente una dimensione caratteristica. È possibile aumentare il raggio di metallizzazione, ma raddoppiarlo non ha più molto senso. Ancora una volta, nella pratica professionale, la distanza tra i singoli fili del sistema di “metallizzazione del terreno” viene scelta in circa 1 metro e talvolta vengono utilizzate anche lamiere solide. È improbabile che ciò sia possibile nella pratica radioamatoriale. Pertanto, anche se viene realizzata una parvenza di tale sistema di messa a terra, molto probabilmente la distanza tra i fili sarà maggiore. Quanto dipende dalle capacità di un particolare radioamatore. Naturalmente, con una metallizzazione più “rara” della terra, le perdite nella terra aumentano. La metallizzazione del terreno può aumentare notevolmente l'efficienza di un'antenna trasmittente LW riducendo significativamente le perdite. Ma se un radioamatore non ha la possibilità di metallizzare il terreno sotto l'antenna (cosa che accade molto spesso), non disperare! La maggior parte dei radioamatori dell'Europa occidentale opera con successo utilizzando la fornitura d'acqua esistente come messa a terra. Questo è in realtà il motivo per cui si scopre che la resistenza di terra dei radioamatori è così alta, molto maggiore della resistenza di terra delle antenne DV professionali, dove la resistenza di perdita di terra è spesso dell'ordine di 1 Ohm, anche per antenne relativamente piccole di bassa potenza. -potenziare le stazioni DV. E alle antenne delle stazioni di trasmissione DV, quando decine o addirittura centinaia di tonnellate (!!!) di metallo sono sepolte nel terreno, anche meno - decimi e talvolta centesimi di ohm. Di conseguenza, l'efficienza in questo caso diventa molto vicina al 100%. Ma i radioamatori di solito non possono contare su questo, a meno che, occasionalmente, non riescano a utilizzare un'antenna DV professionale. Ma non è solo la qualità del sistema di messa a terra a determinare le perdite nell’antenna. Se i conduttori dell'antenna passano vicino a case, alberi, ecc., si verificano ulteriori perdite di energia RF che vanno a riscaldare gli oggetti circostanti. In realtà, questa è la perdita dell’ambiente. È necessario che i cavi dell'antenna, che si trovano sotto un elevato potenziale HF, si trovino, se possibile, ad una distanza di almeno 1...3 m dagli oggetti circostanti. E se un tale filo è lungo e corre parallelo all '"oggetto che interferisce", la distanza deve essere scelta ancora maggiore. La situazione è illustrata in Fig. 3.
Perdite nel caso della Fig. 3, ma significativamente inferiore rispetto al caso della Fig. 3, b. In quest'ultimo caso, il filo verticale indurrà notevoli correnti RF nel muro della casa, portando ad inutili perdite di potenza del trasmettitore, spendendola nel riscaldamento del muro. Questa situazione deve essere evitata. Ma cosa fare se è impossibile rimuovere il filo verticale dell'antenna dal muro? In questo caso ha senso modificare l'antenna come mostrato in Fig. 3, c. E sebbene la corrente nel filo verticale sarà quasi la stessa del caso di Fig. 3a, ma il potenziale RF relativo alla terra su di esso sarà piccolo (è grande solo dopo la bobina di estensione). Di conseguenza, l'influenza del muro della casa diminuirà. La bobina, però, dovrà essere realizzata con un'induttanza leggermente superiore, poiché la capacità dell'antenna a cui è collegata la bobina sarà solo la capacità del filo orizzontale. In questo caso è scomodo regolare la bobina montata in alto. La soluzione è semplice: posizionare la maggior parte dell'induttanza “in alto” e accendere un piccolo variometro vicino al trasmettitore, solo per sintonizzare con precisione l'antenna sulla risonanza. In questo caso la tensione sul filo che passa vicino al muro aumenterà leggermente, ma non sarà così significativa come nel caso della Fig. 3, b. Una situazione simile è mostrata in Fig. 3d, quando il trasmettitore si trova all'ultimo piano di un edificio a più piani. Sembrerebbe che l'antenna non abbia una parte verticale, ma in realtà ce l'ha. È solo che il suo ruolo è svolto dal filo di terra, ad esempio i tubi dell'acqua. Si trovano in prossimità delle pareti, ma poiché su di essi non c'è praticamente alcun potenziale RF, come sulla parte verticale dell'antenna in Fig. 3,c, l'influenza delle mura è debole. Quindi l'antenna funzionerà in modo abbastanza soddisfacente. Gli esempi considerati mostrano che si verificano perdite ambientali particolarmente elevate nel caso in cui parti dell'antenna che trasportano un potenziale elevato si trovano vicino a oggetti circostanti. Naturalmente, riducendo la tensione sull'intera antenna, così come riducendo la tensione su parte dell'antenna, si riducono le perdite ambientali. Ciò spiega l'osservazione precedente secondo cui l'aumento della capacità totale dell'antenna aumenta l'efficienza dell'antenna. Infatti, un aumento della capacità dell'antenna porta ad una diminuzione della tensione ai suoi capi e, di conseguenza, ad una diminuzione delle perdite ambientali. A parità di potenza trasmittente nella parte verticale dell'antenna sarà possibile ottenere una maggiore intensità di corrente e di conseguenza il segnale emesso aumenterà. Naturalmente, le cifre fornite e i commenti ad esse non esauriscono tutte le situazioni che possono verificarsi durante l'implementazione pratica dell'antenna. Ma l'autore spera che essi illustrino un approccio generale alla progettazione di un'antenna a onde lunghe con perdite ambientali minime in determinate condizioni. Ebbene, in ogni caso specifico, il radioamatore dovrà pensare, sperimentare e prendere decisioni in modo indipendente. In conclusione, solo poche parole sul collegamento dell'antenna al trasmettitore. Da quanto sopra è chiaro che l'impedenza di ingresso dell'antenna dopo averla sintonizzata in risonanza con la bobina nella maggior parte dei casi non sarà uguale a 50 o 75 Ohm. Ma questo non è necessario, non c'è cavo coassiale. Devi solo fornire al trasmettitore la possibilità di regolare l'impedenza di uscita. Il modo più semplice per farlo è con un circuito trasformatore push-pull dello stadio di uscita del trasmettitore. In questo caso l'avvolgimento secondario del trasformatore dovrà essere realizzato con prese e dovrà essere installato un interruttore. Sembra che la gamma di impedenze di uscita 5, 7, 10, 15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200 Ohm sia abbastanza sufficiente per qualsiasi antenna radioamatoriale, comprese sia "molto cattive" che "molto buone" . Andrà bene un interruttore a levetta standard a 11 posizioni. Per mettere a punto l'antenna sulla risonanza, è altamente auspicabile disporre di un variometro da un trasmettitore a onde lunghe o medie. L'autore utilizza un variometro dell'unità a onde medie della stazione radio RSB-5, che ha un'induttanza massima di circa 700 μH. Naturalmente, questo non è sufficiente, e in serie al variometro è collegata un'ulteriore bobina di induttanza costante piuttosto grande, e il variometro serve solo per la regolazione. Nella versione descritta del collegamento tra l'antenna e il trasmettitore, l'impostazione si riduce alla selezione della posizione dell'interruttore che fornisce la corrente massima nell'antenna e alla regolazione dell'induttanza della bobina di estensione. Dopo ogni commutazione dell'impedenza di uscita del trasmettitore, è necessario regolare l'induttanza (variometro) per ottenere la risonanza, ottenendo la massima corrente nell'antenna. Esistono altre opzioni per il circuito di uscita del trasmettitore e altri metodi di configurazione, ma discuterne ci porterebbe troppo lontano dall'argomento principale dell'articolo. Pertanto, concludendo la presentazione, auguro al lettore esperimenti di successo e ci vediamo alle onde lunghe! Autore: Alexander Yurkov (RA9MB)
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