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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Misurare i parametri dell'antenna? Non è affatto difficile! Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Misure, regolazione, coordinamento I parametri dell'antenna correttamente definiti in un sistema di ricezione radio sono la base per la possibilità di ricevere con successo stazioni radio remote. Ma non sempre un radioamatore può avere a portata di mano gli strumenti necessari per tali misurazioni. In questo articolo, l'autore propone di utilizzare un metodo semplice che produce risultati abbastanza accettabili. Avendo appeso un'antenna filare esterna, un amante della ricezione radio sulle onde lunghe e medie (LW e MW) si chiede spesso: quali sono i suoi parametri? Esistono due parametri principali: la resistenza alla perdita del sistema di messa a terra dell'antenna rп e la capacità dell'antenna rispetto alla stessa terra SA. Da questi parametri dipende l'efficienza del sistema di antenna, e quindi la possibilità di ricevere stazioni distanti, alimentare il dispositivo ricevente con “energia libera” dei segnali ricevuti dall'aria, sintonizzare il sistema di antenna su frequenze diverse, ecc. Le misurazioni dell'antenna sono "terra incognita" per la maggior parte dei radioamatori, e non solo per i principianti. Tutti i metodi noti richiedono un potente generatore ad alta frequenza e un ponte di misurazione, apparecchiature che raramente si trovano nei radioamatori. Spesso questi due dispositivi sono combinati per formare un alimentatore o un ohmmetro d'antenna (come vengono chiamati), utilizzato, ad esempio, durante la sintonizzazione e la regolazione delle antenne dei centri radio trasmittenti [1]. È necessario un potente generatore RF perché l'antenna, aperta a tutti i venti, ha un'alta tensione di vari pickup, anche da segnali di altre stazioni radio che interferiscono con le misurazioni. Nel metodo di misurazione proposto, il generatore non è affatto necessario. Misureremo i parametri dell'antenna usando i segnali dall'aria, poiché ce ne sono molti lì. Devo realizzare un dispositivo speciale o un supporto per le misurazioni? Questo è facoltativo. Considerando che le antenne non vengono cambiate tutti i giorni, non sarà difficile assemblare semplici circuiti di misura direttamente sulla scrivania o sul davanzale della finestra, senza nemmeno utilizzare schede di prototipazione. Misura della resistenza alle perdite. Avrai bisogno di un'asta di ferrite da un'antenna magnetica con una coppia di bobine, preferibilmente gamme DV e MV, un resistore variabile con una resistenza di 0,47...1 kOhm (necessariamente senza filo), qualsiasi germanio ad alta frequenza a bassa potenza diodo e un voltmetro CC con un'elevata resistenza di ingresso interna (almeno 0,5...1 MOhm). Per identificare a orecchio le stazioni radio ricevute è utile disporre di telefoni ad alta impedenza. Montiamo il dispositivo secondo lo schema in Fig. 1 e, spostando l'asta nella bobina magnetica dell'antenna, ci sintonizziamo sulla frequenza del segnale di una potente stazione radio locale.
In questo caso, il resistore variabile R1 deve essere impostato sulla posizione di resistenza zero (spostare il cursore nella posizione superiore secondo lo schema). Il momento della messa a punto del circuito in risonanza con la frequenza della stazione radio sarà contrassegnato dalla deviazione massima dell'ago del misuratore e dal volume più alto nei telefoni. I telefoni collegati in serie al voltmetro non hanno praticamente alcun effetto sulle sue letture e allo stesso tempo il volume non è troppo alto. Per aumentarla durante l'identificazione della stazione radio, è possibile cortocircuitare il voltmetro, commutarlo al limite inferiore di misura, dove la sua resistenza è inferiore, oppure collegare un condensatore con una capacità di circa 0,05...0,1 μF. parallelo al voltmetro per trasmettere le frequenze audio ai telefoni (quando si accende tale condensatore, il suono può risultare leggermente distorto a causa della disuguaglianza nel carico del rilevatore alle frequenze audio e alla corrente continua). Notando le letture del voltmetro (U1) e senza modificare le impostazioni del circuito, spostare il cursore del resistore variabile R1 finché le letture del voltmetro non vengono dimezzate (U2). In questo caso, la resistenza del resistore sarà uguale alla resistenza di perdita del sistema dell'antenna a una data frequenza. Le stesse misure possono essere effettuate ad altre frequenze. La resistenza del resistore viene misurata con un ohmmetro, scollegandolo dal circuito di misurazione. In mancanza di un ohmmetro è necessario dotare la resistenza di una penna con mirino e scala graduata, che va tarata in ohm con uno strumento standard. Utilizzando la suddetta metodologia, è possibile scegliere, ad esempio, la migliore opzione di messa a terra. In condizioni urbane sono possibili le seguenti opzioni: tubi dell'acqua, tubi del riscaldamento, raccordi per ringhiere per balconi, ecc., nonché varie combinazioni di essi. Dovresti concentrarti sul massimo segnale ricevuto e sulla minima resistenza alla perdita. In una casa di campagna, oltre alla "classica" messa a terra, si consiglia di provare un pozzo o tubi dell'acqua, una recinzione in rete metallica, un tetto in lamiera zincata o qualsiasi altro oggetto metallico massiccio, anche se non è a contatto con vera terra. Misurazione della capacità dell'antenna. Invece di un resistore variabile, ora dovrai attivare un KPI (di qualsiasi tipo) con una capacità massima di 180...510 pF. Si consiglia inoltre di munirsi di un capacimetro con limite di misurazione compreso tra decine e centinaia di picofarad. L'autore ha utilizzato il capacimetro digitale Master-S [2], gentilmente fornito dal suo progettista. Se non è presente un misuratore di capacità, è necessario fare lo stesso di un resistore: dotare il KPI di una scala e calibrarlo in picofarad. Questo può essere fatto senza strumenti, perché la capacità è proporzionale all'area della parte inserita delle piastre. Disegna la forma della piastra del rotore su carta millimetrata (maggiore è la dimensione, più precisa sarà la graduazione), dividi il disegno in settori ogni 10 gradi angolari e conta l'area di ciascun settore e l'intera piastra S0 in celle . Nella fig. 2 il primo settore con area S1 è ombreggiato. Al corrispondente primo segno della scala, è necessario inserire la capacità C1 = CmaxS1/S0, ecc.
Se le piastre del rotore hanno forma semicircolare (condensatore diretto), la scala risulta essere lineare e quindi non è necessario fare disegni e calcolare aree. Ad esempio, un KPI con dielettrico solido proveniente da un set per la creatività dei bambini ha una capacità massima di 180 pF. È sufficiente dividere la scala in 18 settori di 10 gradi, e mettere attorno alle divisioni 10, 20 pF, ecc.. Anche se la precisione è scarsa, è sufficiente per i nostri scopi. Dopo aver calibrato il KPI, montiamo l'impianto secondo lo schema di fig. 3.
Collegando l'antenna alla presa XS1 e spegnendo il KPI con l'interruttore SA1, sintonizziamo il circuito formato dalla capacità dell'antenna e dalla bobina L1 sulla frequenza della stazione radio. Senza toccare più la bobina, colleghiamo l'antenna alla presa XS2 e colleghiamo il condensatore C2 (il nostro KPI) al circuito con l'interruttore SA1. Ci sintonizziamo di nuovo sulla stessa frequenza, questa volta usando C2. Determiniamo la sua capacità Sk utilizzando una scala o utilizzando un capacimetro collegato alle prese XS3, XS4 (a questo scopo, commutando SA1 nella posizione mostrata nel diagramma). Resta da trovare la capacità dell'antenna SA utilizzando la formula SA = C2(1 + sqrt(1 + 4C1/C2))/2. Il significato delle nostre manipolazioni è il seguente: quando abbiamo collegato l'antenna tramite il condensatore di accoppiamento C1, la capacità totale del circuito è diventata inferiore e per ripristinarla abbiamo dovuto aggiungere la capacità C2. Voi stessi potete ricavare la formula precedente dall'uguaglianza della capacità dell'antenna CA (nel primo caso) e della capacità del circuito complesso C2 + CAC1/(CA + C1) nel secondo caso. Per aumentare la precisione delle misurazioni, è consigliabile scegliere una capacità del condensatore di accoppiamento più piccola, nell'intervallo 15...50 pF. Se la capacità del condensatore di accoppiamento è molto inferiore alla capacità dell'antenna, la formula di calcolo è semplificata: SA = C2 + C1. Esperimento e discussione. L'autore ha misurato i parametri di un'antenna di questo tipo disponibile nella dacia: un filo PEL 0,7 lungo 15 m, che è stato teso fino al colmo del tetto e lontano dalla casa fino a un albero vicino. La migliore “messa a terra” (contrappeso) si è rivelata una colonna di riscaldamento dell'acqua isolata dal terreno con una piccola rete di tubi e radiatori per il riscaldamento locale. Tutte le misurazioni sono state effettuate nella gamma CB utilizzando una bobina d'antenna magnetica CB standard proveniente da un ricevitore a transistor. Se non c'era abbastanza induttanza per sintonizzarsi all'estremità delle basse frequenze della gamma, un'altra barra di ferrite veniva posizionata accanto all'antenna magnetica, parallela alla prima.
I risultati della misurazione sono riepilogati in una tabella. Hanno bisogno di un piccolo commento. Innanzitutto è sorprendente che a frequenze diverse sia la resistenza alle perdite che la capacità dell'antenna siano diverse. Questi non sono affatto errori di misurazione. Consideriamo innanzitutto la dipendenza dalla frequenza della capacità. Se il filo dell'antenna non avesse anche qualche induttanza LA, i valori di capacità sarebbero gli stessi. L'induttanza del filo è collegata in serie con la capacità dell'antenna, come si può vedere dallo schema elettrico equivalente del circuito dell'antenna mostrato in Fig. 4.
L'effetto dell'induttanza è più forte alle alte frequenze, dove la reattanza induttiva aumenta e compensa parzialmente la reattanza capacitiva. Di conseguenza, la reattanza complessiva dell'antenna diminuisce e la capacità misurata aumenta. L'antenna ha una frequenza naturale f0 - la frequenza di risonanza del circuito LACA, alla quale la reattanza va a zero e il valore della capacità misurata tende all'infinito. La lunghezza d'onda naturale dell'antenna Lambda0 corrispondente a questa frequenza è pari a circa quattro volte la lunghezza del filo dell'antenna e rientra solitamente nella banda HF. La frequenza naturale può essere calcolata dalle misurazioni della capacità a due frequenze arbitrarie, ma le formule sono troppo complesse. Per la sua antenna l'autore ha ottenuto CA = 85 pF. LA = 25 µH e f0 - circa 3,5 MHz. Per stime approssimative possiamo supporre che ogni metro di filo d'antenna (insieme alla riduzione) introduca un'induttanza di circa 1...1,5 μH ed una capacità di circa 6 pF. La resistenza alle perdite con una bobina L1 di qualità sufficientemente elevata è costituita principalmente dalla resistenza di terra. A sua volta, viene calcolato utilizzando la formula empirica (ottenuta sulla base di dati sperimentali) di M.V. Shuleikin [3]: rп = А*Lambda/Lambda0. Qui A è un coefficiente costante che dipende dalla qualità della messa a terra, con dimensioni in ohm. Per una buona messa a terra, A rappresenta unità e persino frazioni di ohm. Come possiamo vedere, la resistenza alla perdita aumenta con l'aumentare della lunghezza d'onda (diminuendo la frequenza), come confermato dai dati nella tabella. La dipendenza della resistenza alle perdite dalla frequenza è stata scoperta all'inizio del secolo scorso, ma l'autore non ha trovato in letteratura una spiegazione dettagliata di questo effetto. A questo proposito, molti dei dati ottenuti dai radioamatori durante la misurazione dei parametri delle loro antenne possono essere molto utili. Letteratura
Autore: V.Polyakov, Mosca
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