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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Alimentazione superiore verticale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne HF L'articolo discute i principi della creazione e la progettazione pratica delle antenne verticali multibanda con alimentazione dall'alto. Sono particolarmente convenienti per lavorare sul campo o in condizioni di spedizione, ma possono comunque essere utilizzati in una “baracca” domestica, occupando poco spazio e fornendo buoni parametri. Il problema di creare un'antenna multibanda semplice ed efficace preoccupa ancora quasi tutti gli operatori a onde corte. Molto spesso, si attira l'attenzione sui progetti delle antenne verticali, poiché occupano poco spazio, sono più facili da installare e hanno un diagramma di radiazione (DP) ottimale per le comunicazioni DX: con zero nella direzione dello zenith e un massimo nella direzione verso l'orizzonte e l'assenza di direttività azimutale, consentendo le comunicazioni radio con i corrispondenti in qualsiasi direzione. Numerose soluzioni note di verticali alimentate dal basso presentano gli inconvenienti legati all'inefficace utilizzo di tutta l'altezza del palo nelle bande ad alta frequenza e alla difficoltà di realizzare circuiti di blocco (scale) o altri dispositivi posti ad altezza significativa e, in caso di infatti, trasformando l'antenna in una multibanda. Nella prima parte dell'articolo considereremo quali vantaggi e comodità si presentano quando la presa di corrente viene spostata verso l'alto lungo il conduttore radiante della verticale. Per brevità, chiameremo l'antenna descritta GDP - alimentazione superiore verticale. Disegno del PIL Lungo il conduttore radiante della verticale, come in qualsiasi altra antenna, si forma un'onda di corrente stazionaria con zero in alto, quindi il punto di alimentazione non può essere posizionato vicino all'apice: l'impedenza di ingresso sarà troppo alta. Spostando il punto di alimentazione dall'alto verso il basso, arriviamo a un punto in cui la corrente è già significativa e la tensione è inferiore rispetto alla parte superiore, quindi la resistenza di ingresso (pari al rapporto tensione/corrente) diminuisce. Nel punto di alimentazione collegheremo il conduttore centrale dell'alimentatore coassiale alla parte superiore della verticale e la treccia... non colleghiamola da nessuna parte. Quindi la corrente fluirà dal punto di alimentazione lungo la superficie esterna della treccia e nella stessa direzione della parte superiore della verticale. Questo concetto è presentato nell’articolo [1], nella sua terza parte, relativa alla Fig. 19. Qui si propone di utilizzare la corrente sulla treccia per migliorare la struttura. Seguendo queste raccomandazioni, renderemo la corrente sulla treccia parte della corrente principale radiante. Si noti che le correnti sui lati esterno ed interno della treccia di alimentazione non sono in alcun modo correlate tra loro a causa dello spessore molto ridotto dello strato di pelle nel volume del conduttore; sono uguali tra loro solo nella sezione superiore della treccia. Nella fig. 1, a mostra schematicamente la verticale progettata, e in Fig. 1,b - distribuzione attuale in esso. La presa di corrente A è indicata da un cerchio (grafica del programma MMANA). Qui il conduttore centrale è collegato alla parte superiore lunga 3 metri e la treccia è lasciata libera. La distribuzione della corrente sinusoidale rimarrà sia sulla parte superiore della verticale che sulla treccia. Nel punto B, a una distanza di semionda dalla parte superiore del vibratore dell'antenna in un raggio di 10 metri, si forma un nodo di corrente (vedere il grafico di distribuzione della corrente più a sinistra in Fig. 1, b). In questo punto è necessario installare un circuito barriera per arrestare l'ulteriore flusso di corrente lungo la treccia.
Il modo più semplice per realizzare un circuito è sotto forma di un cavo a spirale senza violare l'integrità di quest'ultimo [2, 3]. Abbiamo già un'antenna verticale con una portata di 10 metri. Il suo design è mostrato in Fig. 2, a. L'antenna può essere realizzata interamente in cavo coassiale, utilizzando per la parte superiore solo la treccia della parte superiore del cavo. Non fa alcuna differenza se collegare o meno il conduttore interno; la corrente scorrerà comunque solo attraverso la treccia. Sospendere l'antenna su un tirante dielettrico (lenza da pesca spessa) al ramo di un albero, ecc., è solo necessario garantire un forte collegamento meccanico delle sezioni del cavo nel punto di alimentazione A, poiché è improbabile che il conduttore centrale sopporti il peso di l'intero alimentatore e il “balun”. Un'altra opzione è quella di fissare l'antenna ad un palo sottile di abete rosso o pino secco (il legno umido introduce perdite notevoli) o ad un'asta in fibra di vetro. In questo caso è consigliabile realizzare la parte superiore da un tubo metallico. Torniamo allo schema. La bobina del cavo ha una notevole induttanza L e allo stesso tempo una capacità tra le singole spire, dove il ruolo principale è svolto dalla capacità tra la prima e l'ultima spira. La capacità equivalente totale C chiude la baia. Pertanto, la bobina del cavo per le correnti HF è un circuito parallelo, il cui circuito equivalente è mostrato in Fig. 2, b. La frequenza della sua sintonizzazione può essere modificata selezionando il numero di giri, il loro diametro e l'ordine di posa: avvicinando il primo giro all'ultimo, aumentiamo la capacità e abbassiamo la frequenza. , sono sufficienti tre giri del diametro di 28,5 cm [13]. È curioso che anche se la corrente sulla treccia non è completamente bloccata, la corrente rimanente sotto il circuito fluirà nella stessa direzione dell'antenna - dopotutto, il circuito inverte la fase, avendo oscillazioni uguali e antifase ai terminali . Pertanto, la corrente rimanente nella parte inferiore del cavo non rovinerà il modello e anzi lo migliorerà in qualche modo. Ora sono stati delineati gli importanti vantaggi del GDP: in primo luogo, è possibile regolare l'antenna (selezionare il diametro della bobina del cavo e la sua posizione lungo l'altezza verticale) dal basso, cinque metri sotto il punto più alto, e in secondo luogo, alimentare il punto A può essere posizionato ovunque in verticale, raggiungendo l'impedenza di ingresso desiderata delle antenne, non sono necessari dispositivi di bilanciamento aggiuntivi. In base al cavo televisivo da 75 ohm disponibile, è consigliabile spostare leggermente il punto di alimentazione A verso il basso rispetto alla metà della semionda di corrente, mentre la resistenza di ingresso aumenta leggermente rispetto alla resistenza di un vibratore a semionda alimentato nel mezzo (73,1 Ohm per un vibratore infinitamente sottile e poco meno per un vibratore di spessore finito). Tenendo conto della lunghezza spesso riscontrata dei tubi in duralluminio, pari a 3 metri, è stata scelta la lunghezza della parte superiore. Perché non 2 metri? Affinché l'antenna funzioni meglio su altre bande. Nel raggio di 15 metri, il circuito B non è più sintonizzato sulla risonanza e rappresenta solo una sorta di reattanza induttiva per queste frequenze (vedi Fig. 1 in [3]), essendo, per così dire, una bobina di estensione. Di conseguenza, la lunghezza della semionda diminuisce da 7,1 a 5,82 m (vedi Fig. 1). A questa distanza dalla sommità della verticale ci sarà un nodo corrente, e qui accenderemo il secondo circuito barriera C, sintonizzato su una frequenza di 21,2 MHz (la frequenza media della portata di 15 metri). Proseguendo ulteriormente il procedimento, accendiamo il terzo circuito D, sintonizzato su una frequenza di 14,15 MHz (la metà della portata dei 20 metri), e vedremo che per la portata dei 40 metri, la lunghezza della nostra semionda la verticale era di soli 9 metri. Un accorciamento così significativo nel raggio di 40 metri si è verificato a causa dell'influenza combinata dei circuiti B, C e D, che ad una frequenza di 7 MHz hanno una reattanza induttiva e fungono da bobine di "prolunga". Quando un vibratore a semionda viene accorciato, la sua resistenza alle radiazioni, riferita all'antinodo (punto di massimo) della corrente, diminuisce. Ma al diminuire della frequenza, il punto di potenza A risulta essere sempre più alto rispetto alla corrente massima e la resistenza di ingresso, pari alla resistenza di radiazione ricalcolata al punto di potenza, aumenta. Questi due processi si annullano in larga misura e l'impedenza di ingresso rimane approssimativamente costante da un intervallo all'altro. Tutto questo progetto è stato eseguito facilmente e rapidamente utilizzando il programma MMANA e, dopo alcune ottimizzazioni (non sono sicuro di cosa potrebbe essere migliorato ulteriormente), è stata ottenuta l'antenna mostrata in Fig.. 1. L'impedenza di ingresso dell'antenna nelle gamme di 10, 15, 20 e 40 metri si è rivelata pari rispettivamente a 78, 67, 69 e 61 Ohm, con reattanza zero, che fornisce un buon adattamento (SWR inferiore a 1,2 alle frequenze medie). Il calcolo ha prodotto i seguenti valori per i parametri dei circuiti equivalenti (frequenza, induttanza, capacità): V - 28 MHz, 5 mH, 1,6 pF; C - 19,5 MHz, 21,2 mH, 2 pf; D - 28 MHz, 14,15 mH, 3,2 pF. Forse il vantaggio più importante della verticale progettata è che non richiede né “terra” né radiali. Resta da decidere come portare l'alimentatore più in basso dal punto inferiore della verticale (vedi Fig. 1, a). Lo sappiamo già: avvolgere un'altra bobina dello stesso cavo in modo che formi un circuito sintonizzato su 7,05 MHz. Un'altra soluzione è possibile: attaccare tre o quattro radiali orizzontali o inclinati corti (circa 1,5 m di lunghezza) appena sotto il contorno D alla treccia del cavo. Porteranno la lunghezza elettrica dell'antenna a mezza onda nel raggio di 40 metri. I radiali corti non eliminano la necessità di un circuito di barriera, ma ora sarà posizionato direttamente sotto il punto di connessione radiale. L'accoppiamento induttivo di questo circuito con il circuito D (dopo tutto, ora sono vicini) è indesiderabile. Invece di un circuito in questa opzione, sono adatti induttanze avvolte con lo stesso alimentatore su anelli di ferrite. Il processo di definizione del PIL sembra semplice e abbastanza ovvio. Iniziano con la gamma di frequenza più alta di 10 metri. Selezionando la densità dell'avvolgimento (diametro) e, entro piccoli limiti, la posizione in altezza della bobina B, otteniamo un SWR accettabile in questo intervallo. Dopo aver assicurato il vano con nastro isolante, si passa alla banda dei 15 metri e si ripete la stessa operazione con il vano C, senza toccare il circuito sintonizzato B. E così via finché l'intera antenna non è sintonizzata su tutte le bande. Un'antenna via cavo, ad esempio RK-75-4-11, è particolarmente adatta per le condizioni sul campo. È configurato e può essere sul campo se il ricetrasmettitore è dotato di un misuratore SWR. In condizioni stazionarie, il VP può probabilmente essere realizzato con tubi in duralluminio separati da inserti dielettrici nei punti B, C, D e all'estremità inferiore. Le bobine piegate da un tubo (o nastro) di rame dolce o alluminio sono posizionate sopra gli inserti. I condensatori del circuito devono essere ad alta tensione, poiché i circuiti si trovano agli antinodi di tensione. In questo caso il cavo deve passare diritto all'interno di tutte le tubazioni, ma per evitare corrente sulla treccia è necessario mettere sopra una serie di anelli di ferrite e su ferrite di grosso diametro si deve avvolgere una o più strozzature di bloccaggio. anelli vicino al bordo inferiore del tubo. Questa versione del PIL non è stata calcolata e non è stata prodotta. Per concludere questa parte, ecco un’altra versione proposta del PIL. Per far funzionare l'antenna anche nel raggio di 80 metri, nel punto inferiore della verticale (vedi Fig. 1, a) è necessario installare un circuito barriera sintonizzato sulla frequenza di 7,05 MHz, e sotto di esso la treccia del cavo (il tubo inferiore nella versione fissa) deve essere messo a terra o collegato ad un sistema di radiali lunghi 20 m, quindi l'antenna funzionerà alla frequenza di 3,6 MHz come un GroundPlane a quarto d'onda accorciato da induttori con punto di alimentazione rialzato. PIL portatile a doppia banda La prima versione pratica del PIL è stata realizzata con urgenza, “in ginocchio”, quando è nata la necessità di implementare una stazione radio per la redazione della rivista “Radio” alla mostra NTTM-2002. Un enorme padiglione con soffitti metallici traforati e rinforzi metallici delle pareti vetrate ha escluso il posizionamento dell'antenna all'interno dell'edificio a causa della completa schermatura dei segnali e dell'alto livello di interferenze. Fortunatamente siamo riusciti a installare una verticale sul tetto della cabina di ventilazione e a far passare il cavo nel pozzo di ventilazione. Un anno dopo, pochi giorni prima dell'inaugurazione della mostra Expo-Scienza 2003 (vedi Radio, 2003, n. 8, prima di copertina), il destino ci ha riservato una spiacevole sorpresa. Il tetto di un padiglione simile in cui si svolgeva la mostra era un campo piatto, più grande di un campo da calcio, ricoperto di cartone catramato. Era severamente vietato scassinare, piantare chiodi, ganci ecc. e utilizzare pozzi di ventilazione. Potremmo solo parlare di un'antenna indipendente con un alimentatore che scende lungo il muro esterno ed entra nell'edificio attraverso un varco vicino alla porta. La situazione sembrava senza speranza, ma diverse ore di modellazione utilizzando il programma MMANA e due serate di “messa a punto” del PIL hanno risolto il problema. Servivano almeno due bande: 20 e 40 metri. È stato su di loro che è stata progettata l'antenna. Smontato e piegato entrava in una borsa del diametro di 30 e un'altezza di 160 cm, veniva trasportato facilmente con una mano (non l'abbiamo pesato, ma la bobina del cavo è molte volte più pesante) e portato in mostra nella metropolitana. Dopo un'ora e mezza dedicata all'installazione e alla risoluzione dei problemi organizzativi (cablaggio dell'alimentatore, rete, tavolo, ecc.), Ha fornito collegamenti con la Siberia, l'Europa occidentale e quindi con corrispondenti più distanti. Uno schizzo dell'antenna è mostrato in Fig. 3. La parte superiore del PIL sopra il punto di alimentazione A è costituita da tre tubi di duralluminio inseriti l'uno nell'altro (quello centrale è un bastoncino da sci, quello superiore è molto leggero e a pareti sottili). Dal punto di alimentazione A al circuito B, l'elemento radiante 1 è la treccia del cavo, il suo conduttore centrale è collegato alla parte superiore dell'antenna 2. Sotto il circuito B, quattro radiali 3, costituiti da un profilo di acciaio a pareti sottili a croce rettangolare -sezione (da tende per finestre), sono collegati alla treccia del cavo. Le estremità esterne dei radiali sono collegate tra loro da tratti di vecchio cavo coassiale lungo 2,5 m (viene utilizzata solo treccia). Ciò aumenta la superficie effettiva del "terreno virtuale" risultante.
Poiché l'antenna è stata progettata come antenna dual-band, si è deciso di utilizzare un circuito parallelo B, sintonizzato leggermente al di sopra della frequenza di 7 MHz. Nel raggio di 40 metri, ha una reattanza induttiva e funge da bobina di estensione, sintonizzando l'antenna sulla risonanza. Nel raggio di 20 metri, il circuito ha una reattanza capacitiva e accorcia la lunghezza elettrica dell'antenna, sintonizzandola nuovamente in risonanza. I parametri del circuito per determinate dimensioni dell'antenna sono stati ottimizzati utilizzando il programma MMANA, posizionando i radiali ad un'altezza di 0,2 m sopra il terreno idealmente conduttivo (in questo modo abbiamo cercato di tenere conto dell'influenza del tetto in cemento armato del padiglione). La simulazione ha prodotto una frequenza di sintonizzazione del loop di 7,6 MHz con un'induttanza di 1,24 μGi di una capacità di 355 pF. È impossibile realizzare un circuito con una capacità così grande da una bobina di cavo, quindi abbiamo utilizzato condensatori normali e una bobina di cavo cilindrica, che fornisce un fattore di qualità più elevato. Le caratteristiche progettuali del PIL prodotto sono illustrate in Fig. 4. Il circuito è inserito in un corpo cilindrico 4, che ha un fondo resistente realizzato in lega di alluminio e pareti di duralluminio relativamente sottili. L'autore ha utilizzato una vasca di centrifuga di una vecchia lavatrice (ad esempio "Siberia"). Le dimensioni della custodia non sono critiche (25...30 cm di diametro e altezza). I fori sul fondo non sono chiusi: servono allo scopo previsto per drenare l'acqua piovana e la condensa che cadono accidentalmente. I radiali 4 sono fissati al fondo del corpo con 3 viti.Non è richiesta una forza particolare in questi collegamenti, poiché i radiali giacciono liberamente sulla superficie del tetto. L'elemento di supporto inferiore della verticale 1 è costituito da un pezzo di tubo idraulico in plastica con un diametro di 2.5...3 pollici. Per fissare il tubo 1 al fondo dell'involucro 4 e per fissare l'elemento radiante superiore 2 vengono utilizzate delle borchie cilindriche 5. Queste possono essere realizzate sia in metallo che in materiale dielettrico. Nella borchia superiore è praticato un foro radiale, attraverso il quale il conduttore centrale del cavo è collegato all'elemento radiante superiore 2 tramite il terminale 6. Ciò conferisce anche resistenza meccanica a questa unità. Prima di avvitare il terminale, sul tubo 1 viene posizionata una copertura in plastica leggera (non mostrata in Fig. 4), nella quale sono praticati i fori per il tubo e il cavo. Il coperchio si abbassa fino all'alloggiamento 4, proteggendo il circuito dalle precipitazioni. L'estremità superiore del cavo deve essere dotata di un petalo di contatto con foro idoneo per il morsetto 6. Il petalo deve essere saldamente fissato all'isolamento esterno del cavo, isolandolo dalla treccia. Il conduttore centrale è collegato al petalo senza tensione, il che proteggerà il conduttore dalla rottura durante il montaggio e lo smontaggio del PIL. Altri quattro terminali sono fissati alle estremità esterne dei radiali 3 e i petali di contatto sono pre-saldati alle estremità delle sezioni del cavo "terra artificiale" 7, il che accelera notevolmente l'assemblaggio dell'antenna. La resistenza finale dell'intera struttura è fornita da quattro tiranti ricavati da una sottile lenza da pesca, mostrati come linee tratteggiate in Fig. 3. Si vincolano all'elemento 2 alla giunzione superiore dei tubi ed ai terminali alle estremità dei radiali. Il disegno del circuito è chiaro dalla Fig. 4. Un connettore coassiale 4 è fissato alla parete laterale dell'alloggiamento 8, preferibilmente lo stesso della stazione radio (questo ti consentirà di non pensare durante il montaggio dell'antenna quale estremità dell'alimentatore principale dovrebbe andare all'antenna e quale al ricetrasmettitore) e una piastra di montaggio a due lobi 9. Un altro petalo, che ha contatto con la custodia 4, è fissato sotto la vite del connettore 8. La treccia del cavo da cui è avvolta la bobina e un terminale del condensatore Ad esso sono saldati 10. I petali della striscia di montaggio 9 non devono entrare in contatto con l'alloggiamento 4. A uno di essi sono saldati due conduttori centrali e all'altro - trecce di sezioni di cavo e l'altro terminale del condensatore 10. Il condensatore è costituito, per affidabilità, da due condensatori KSO collegati in serie per una tensione operativa di 500 V con una capacità di 680 pF. È accettabile utilizzare altri condensatori ad alta tensione che siano sufficientemente sigillati per resistere agli elementi. La bobina del circuito contiene 7 spire di cavo RK-75-4-11, avvolte saldamente sul tubo di plastica 1. L'induttanza della bobina viene regolata in due modi: spostando l'intera bobina lungo l'altezza del tubo (avvicinandola al fondo dell'alloggiamento 4 riduce l'induttanza, aumentando la frequenza di sintonia del circuito), oppure alzando le spire superiori, aumentando la lunghezza dell'avvolgimento a causa degli spazi tra le spire risultanti (diminuisce anche l'induttanza). Dopo la regolazione, le curve vengono fissate con nastro isolante o spago metallico. Configurare l'antenna è semplice. Dopo averla assemblata e installata in posizione di lavoro (in caso di forte vento è utile “appesantire” le estremità dei radiali 3 con sacchi di sabbia o altri oggetti pesanti a portata di mano), collegare l'antenna al ricetrasmettitore con il cavo principale. Avendo preso in considerazione la dipendenza dalla frequenza dell'SWR nell'intervallo di 40 metri, determinano dove spostare la frequenza di sintonizzazione del circuito in modo che l'SWR minimo cada al centro dell'intervallo. Ad esempio, se l'SWR minimo è inferiore a 7 MHz, l'induttanza della bobina deve essere ridotta, mentre se superiore a 7,1 MHz deve essere aumentata. Di norma sono sufficienti una o al massimo due correzioni. Quindi controlla l'SWR nella gamma di 20 metri. L'antenna è a banda molto larga e, di regola, non è necessaria la correzione. Se tuttavia si presenta tale necessità, è necessario modificare il rapporto tra L e C del circuito e regolare nuovamente l'antenna nel raggio di 40 metri. Aumentando l'induttanza del circuito e diminuendo contemporaneamente la capacità, si abbassa la frequenza di sintonizzazione dell'antenna nel raggio di 40 metri e la si aumenta nel raggio di 20 metri, cioè “diffonde” le frequenze di risonanza dell'antenna. Dopo una sola regolazione, la nostra antenna installata su un tetto in cemento armato ha fornito un ROS prossimo all'unità in entrambe le bande. Quando si utilizza l'antenna, si è scoperto che funziona bene nel raggio di 15 metri, sebbene lì l'SWR sia più alto. Le capacità dell'accordatore automatico del ricetrasmettitore IC-746 erano sufficienti per sintonizzarlo. Il concetto proposto di VVP apre ampie possibilità per la progettazione di semplici antenne verticali multibanda. Anche se un radioamatore non riesce a impostare bene il PIL, può comunque essere sicuro che la parte superiore, circa cinque metri, della sua verticale si irradierà, e dove dovrebbe essere - verso l'orizzonte, e questo è il chiave per risultati di successo nel DH-inge. Letteratura
Autore: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Mosca
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