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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Informazioni sull'influenza di una traversa metallica sul funzionamento dell'antenna. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Teoria In questo articolo, gli autori hanno cercato di chiarire le raccomandazioni disponibili nella letteratura radioamatoriale riguardo all'influenza della traversa dell'antenna metallica sul vibratore a semionda. Di conseguenza, si sono ottenuti valori di correzione adatti all'uso pratico della lunghezza del vibratore in funzione del rapporto tra le dimensioni “vibratore-traversa”, la frequenza di funzionamento e la distanza del vibratore dall'estremità della traversa, per i tre metodi principali del suo attaccamento. La traversa di supporto metallica su cui sono montati gli elementi dell'antenna del vibratore si trova nel campo vicino dell'antenna e può avere un impatto significativo sui suoi parametri. In particolare, le dimensioni di tutti gli elementi dell'antenna “canale d'onda”, calcolate senza tenere conto di tale influenza, richiedono una correzione. Nella letteratura a disposizione degli autori non è stata trovata un'analisi dettagliata di questa influenza, né metodi per tenerne conto, né una correzione efficace e non laboriosa. Nelle descrizioni delle antenne, nella migliore delle ipotesi, si indica che le dimensioni sono indicate per l'installazione su una traversa metallica di un certo diametro [1] o si osserva che nella banda dei 432 MHz il metodo di fissaggio dei vibratori alle antenne la struttura portante ha una grande influenza sulle proprietà dell'antenna [2] . In [3] si raccomanda di allungare i vibratori dello 0,5...1% in presenza di una traversa metallica, e in [4] viene data una raccomandazione sulla necessità di tenere conto dell'influenza della traversa aumentando la lunghezza di progetto dei vibratori per 2/3 del diametro della traversa. Nel libro [5] si nota che per il riflettore e l'ultimo direttore la condizione “2/3” si applica solo se le estremità corrispondenti della traversa sporgono di almeno cinque diametri della traversa. La traduzione russa del libro di K. Rothhammel e A. Krischke [6] rileva l’approssimazione e i limiti della regola empirica “2/3” e indica l’influenza del metodo di fissaggio dell’elemento, nonché dello spessore e della forma della sezione trasversale. Lì, con riferimento ai lavori di DL6WU [7, 8], viene riportata una breve tabella di correzioni alla lunghezza degli elementi passivi delle antenne “wave channel” delle bande 145 e 432 MHz. Metodologia e modelli L'effetto di una traversa conduttiva sulla lunghezza di risonanza di un vibratore a semionda è stato studiato mediante modelli elettrodinamici utilizzando il programma WIPL [9], che viene utilizzato per analizzare strutture radianti e di diffusione costituite da fili e piastre senza tenere conto delle perdite. Sono stati simulati tre metodi tipici per fissare simmetricamente un vibratore rotondo ad una traversa a sezione esagonale (Fig. 1): 1 - il vibratore è isolato dalla traversa, gli assi del vibratore e della traversa non intersecare; 2 - il vibratore è isolato dalla traversa, i loro assi si intersecano; 3 - il vibratore è collegato alla traversa (c'è un buon contatto elettrico - saldatura), gli assi del vibratore e della traversa si intersecano.
Si credeva anche che ci fosse un solo vibratore sulla traversa e nient'altro che la traversa influisse sulla sua lunghezza di risonanza. Di seguito verrà discussa l'influenza dei vibratori non risonanti nelle antenne multielemento e la correzione della loro lunghezza. L'esatta lunghezza di risonanza di un vibratore a semionda di un dato diametro con eccitazione simmetrica ad una data frequenza è stata determinata dalla condizione X = 0, dove X è la parte immaginaria della complessa resistenza di ingresso Z = R + jX del vibratore. Innanzitutto è stata determinata la lunghezza di risonanza L® nello spazio libero (senza traversa) e poi, analogamente, la lunghezza di risonanza L nelle condizioni date di fissaggio dell'elemento ad una data traversa. Il valore di correzione richiesto è stato calcolato come l=L-Lo o come percentuale come σ=(l/Lo)·100%. L'influenza sulla lunghezza di risonanza del metodo di fissaggio dell'elemento sulla traversa (1, 2. 3), il diametro b di una traversa equivalente di sezione circolare, la lunghezza dell'estremità sporgente della traversa t quando si fissa la vibratore alla sua estremità, il diametro del vibratore d e la sua lunghezza (indirettamente attraverso la frequenza f, che determina la lunghezza d'onda X), nonché l'influenza della distanza s tra il vibratore isolato e la traversa. Nella tabella 1 sono riportati gli intervalli dei relativi parametri di modellazione, i cui risultati sono stati utilizzati in futuro per ottenere relazioni di calcolo empirico. Per una traversa esagonale con metodo di montaggio del vibratore 3, misura b=1,09D. Dai risultati della simulazione è possibile valutare la "lunghezza effettiva" della traversa, ovvero la distanza del vibratore dalle estremità della traversa, il cui aumento praticamente non porta a una modifica del valore di correzione mostrato in Fig. 2. Tenendo conto delle limitazioni del programma WIPL, per la modellazione nell'intervallo di frequenza 150...1200 MHz e sull'intera gamma di diametri della traversa 7,4...29,6 mm, la lunghezza effettiva t1 viene considerata pari a 92 mm.
Risultati della simulazione Nella fig. 2 - 4 mostrano grafici selezionati che mostrano la natura della dipendenza della correzione dai parametri di modellazione. Notiamo alcuni modelli generali. La presenza di una traversa metallica, il cui spessore è maggiore dello spessore del vibratore, con tutti i metodi di fissaggio porta ad un notevole accorciamento elettrico del vibratore, cioè ad un aumento della sua frequenza di risonanza. Per riportare la lunghezza di risonanza alla frequenza precedente, è necessario aumentare la lunghezza di progetto del vibratore della quantità di accorciamento l. L'analisi ha mostrato che questo effetto è dovuto alle correnti trasversali della traversa. Pertanto non può essere rilevato modellando una traversa utilizzando programmi per conduttori sottili (MININEC, ELNEC, MMANA), dove vengono prese in considerazione solo le correnti longitudinali dei conduttori, anche se si imposta un diametro del filo sufficientemente grande. Dalla fig. 2 ne consegue che quanto più lungo è il vibratore tanto minore sarà il valore di correzione l. Alle frequenze di 600 e 1200 MHz l'effetto della risonanza trasversale è evidente, anche se insignificante. L'influenza della traversa è più pronunciata nelle connessioni realizzate secondo il metodo 3, e quando si fissa il vibratore senza contatto elettrico, dipende in modo significativo dalla dimensione dello spazio s nel metodo 1 e quasi non dipende dalla dimensione dello spazio ( entro limiti ragionevoli) nell'opzione di fissaggio 2. L'entità della correzione per un dato spessore della traversa dipende diversamente dallo spessore del vibratore (Fig. 3): per connessioni con contatto di tipo 3 diminuisce sensibilmente all'aumentare del diametro del vibratore; per connessioni di tipo 2 senza contatto, al contrario, aumenta, e nel metodo 1 questa dipendenza è molto insignificante e praticamente assente con autorizzazione pari a zero. L'influenza della frequenza si riduce ad un moderato aumento del valore di l con l'aumentare della frequenza - 1,5...2 volte nell'intervallo 100...1200 MHz.
Lo spessore (diametro) della traversa ha la maggiore influenza sul valore della correzione (Fig. 4). Pertanto, alla frequenza di 800 MHz, con un diametro del vibratore di 2 mm (lunghezza di risonanza senza traversa 176,2 mm) e un diametro della traversa b=14,8 mm, la correzione è stata di 9,74 mm (che, tra l'altro, in questo caso si avvicina al valore 2b/3 , riportato in letteratura come raccomandazione per correggere la lunghezza di qualsiasi vibratore con attacco di tipo 3). Un duplice aumento di b ha portato ad un aumento di I di un fattore pari a 2,47, e una doppia diminuzione ha portato ad una corrispondente diminuzione di l di un fattore pari a 2,59.
Si determina un aumento significativo della correzione quando il punto di attacco del vibratore si allontana dall'estremità della traversa fino a distanze di 3...5 diametri della traversa (Fig. 4), e se il vibratore è montato proprio all'estremità della traversa traslazione (t = 0), allora il valore di l può essere circa il 60...70% del massimo. Nella fig. La Figura 5 mostra schizzi di diversi modelli con sezioni trasversali rettangolari e quadrate.
Sul modello secondo la Fig. 5a, i calcoli delle correzioni sono stati effettuati per il confronto con un metodo di fissaggio simile (1) su una traversa esagonale con gli stessi diametri di sezione circolare equivalenti al metodo 3 (b = 14,8 mm). Questo confronto è mostrato in Fig. 6, da cui ne consegue che in questo caso, quando il vibratore è parallelo ad una delle facce della traversa quadra, l'influenza di tale traversa è notevolmente più forte. Il diametro di una sezione trasversale rotonda, equivalente ad una traversa quadrata con fissaggio effettuato secondo il metodo 3 (Fig. 5, d), è calcolato come b = 1.14D.
Applicazione pratica Sulla base dei risultati del modello, sono state ottenute espressioni empiriche per diversi metodi di fissaggio del vibratore alla traversa, mettendo in relazione l'entità della correzione richiesta con i dati iniziali (dimensioni e frequenza). Per trovare queste dipendenze, sono state utilizzate procedure di regressione multipla (Stat-graphtcs plus v.2.1 [10]). L'errore quadratico medio nel calcolo del valore relativo della correzione l/b utilizzando le formule è 0,0115 per il metodo di fissaggio 1, 0,00758 per il metodo di fissaggio 2 e 0,0132 per il metodo 3. Le formule di calcolo sono molto complesse e non vengono fornite qui. Sulla base delle formule ottenute sono stati compilati i programmi di calcolo. È possibile scaricare i testi dei programmi: boom_r.bas in lingua russa e boom_e.bas in lingua inglese nella lingua Turbo-Basic, nonché i file eseguibili boom_r.exe e boom_e.exe rispettivamente quindi. L'inserimento dei dati avviene in modalità dialogo con le limitazioni secondo la tabella. 1. Poiché i programmi operano su dimensioni relative, l'intervallo di frequenza per i calcoli non è limitato dall'intervallo di simulazione.
Nella tabella 2 mostra per confronto i valori delle correzioni (metodo di montaggio 3) per una frequenza di 432 MHz, ottenuti da DL6WU [8] per un diametro elemento sconosciuto d e calcolati utilizzando il nostro programma per tre valori di d.
Vibratori non risonanti I risultati ottenuti possono essere utilizzati anche per correggere la lunghezza dei vibratori passivi non risonanti delle antenne “wave channel”. Per fare ciò, devi prima calcolare il valore relativo della correzione per un vibratore risonante nelle stesse condizioni. Il programma braccio converte la correzione assoluta l (in millimetri) nella correzione relativa σ (in percentuale). Applicare quindi lo stesso valore di correzione relativo l alla lunghezza calcolata (senza tener conto dell'influenza della traversa) del vibratore passivo e, di conseguenza, ottenere il valore assoluto della correzione. Ad esempio, la lunghezza stimata di un riflettore con un diametro di 20 mm ad una frequenza di 50 MHz è 3060 mm. Diametro traversa b=80 mm, t=140 mm, fissaggio tipo 3 o tipo 1 con gioco s=20 mm. Dal calcolo con il programma barra si ottiene la correzione l=32,74 mm (σ=1,15%) per il fissaggio di tipo 3, l=8,44 mm (σ=0,3%) - per il tipo 1 Pertanto, nel primo caso, il catarifrangente è necessario estenderlo dell'1,15% della sua lunghezza calcolata, ovvero di 3060-0,0115 = 35,2 mm, e nel secondo - dello 0,3% della sua lunghezza calcolata, ovvero di 3060 0,003 = 9,18 mm. Questa tecnica, con un errore di sfasamento fino a ±3°, è applicabile a vibratori che differiscono in lunghezza da quelli risonanti di ±10% o meno. L'influenza della traslazione senza correzione può portare in questo caso ad uno scostamento di fase di un angolo fino a ±15°. Anche l'influenza di altri vibratori può essere facilmente presa in considerazione utilizzando semplici strumenti di modellazione di antenne filari, ad esempio MININEC, ecc. L'idoneità di questa tecnica è stata testata nella pratica, in particolare, nello sviluppo di antenne fisse “wave channel” a 11 elementi nella gamma 820...875 MHz per abbonati cellulari remoti. Le lunghezze calcolate di tutti gli elementi (d = 5,6 mm) sono state aumentate del 2,3% per l'installazione su una traversa in alluminio di diametro 15 mm secondo il metodo 2 con una lunghezza delle estremità sporgenti della traversa non inferiore a 60 mm. Tuttavia, se l'elemento (riflettore o ultimo direttore) è installato a una distanza di 10 mm dall'estremità della traversa, la sua lunghezza dovrà essere aumentata solo dell'1.5%. Ci auguriamo che i risultati ottenuti possano essere utili ai radioamatori, nonché agli sviluppatori e progettisti di antenne vibranti per televisione, comunicazioni radio e altre applicazioni. Domande, recensioni, suggerimenti, commenti, critiche saranno accettate con gratitudine a: . Gli autori sono grati a V.V. Krylov e I.P. Kovalev per preziosi consigli e commenti. Letteratura
Autori: A. Grechikhin (UA3TZ), N. Seleznev, Nizhny Novgorod
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