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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Antenne di piccole dimensioni di stazioni portatili di comunicazione SV. Parte 1. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne VHF Introduzione L'uso diffuso delle comunicazioni mobili sui 27 MHz solleva il problema delle antenne per tali comunicazioni. Questo problema è complicato dal fatto che l'uso di antenne a quarto d'onda - la cui lunghezza è di 27 metri per la banda dei 2,7 MHz - è in molti casi inaccettabile. L'uso di antenne accorciate è associato a una serie di problemi specifici che non sono considerati nella letteratura popolare, ma se non sono noti, l'efficacia delle comunicazioni MW può deteriorarsi in modo significativo. Per le radio CB portatili, vengono utilizzate principalmente antenne a stilo asimmetriche. È correlato a quello. che altri tipi di antenne sono semplicemente quasi impossibili da usare con questo tipo di radio. 1. Funzionamento delle antenne elettricamente corte delle stazioni portatili Un'antenna elettricamente corta è costituita sia dall'antenna stessa, che include un elemento radiante, sia da elementi del suo sistema di adattamento e del suo sistema di messa a terra. In accordo con esso, la resistenza totale dell'antenna Ra è costituita dalla resistenza del pin (Rsh) e dalla resistenza della sua messa a terra (Rg) (Fig. 1).
Incluso nella formula e la “resistenza dell'ambiente” Rav. che diminuisce all'aumentare del numero di contrappesi e della lunghezza dell'antenna. Ra=Rsh+Rz+Rcp L'energia RF utile viene dissipata da Rsh, quindi è necessario sforzarsi di ridurre i valori di Rc e Rcp. Nel caso generale, utilizzando metodi speciali, è possibile misurare la resistenza della "terra", ma per pratica si può presumere che la resistenza dell'alloggiamento della stazione radio CB lunga 20 ... 30 cm, utilizzata come contrappesi, per questa formula è almeno 150 ... 300 Ohm. Il contatto con una mano umana non cambia significativamente il valore. Ma il collegamento di un contrappeso risonante a quarto d'onda lungo 2,7 metri riduce la resistenza di terra Rz. Già un contrappeso riduce la resistenza Rz approssimativamente a un valore non superiore a 50 ... 60 Ohm. e in presenza di tre-quattro contrappesi, Rz può essere considerato un valore trascurabile di 5 ... 10 ohm. La resistenza del mezzo è determinata dall'interazione del perno dell'antenna con il suo sistema "a terra". Se in un'antenna a stilo a quarto d'onda di dimensioni standard questa interazione si verifica in un ampio spazio e quindi ha un valore insignificante, nelle antenne accorciate l'interazione elettromagnetica di un'antenna corta con un contrappeso corto si verifica in un volume di spazio limitato. Inoltre, qualsiasi intervento in questo volume modifica significativamente la resistenza del mezzo e. pertanto, ha un impatto significativo sui parametri di un tale sistema di antenne. Inoltre, in un tale sistema di antenne con elementi accorciati, un aumento significativo di uno di essi. ad esempio, un perno su un valore di un quarto d'onda, o un contrappeso, non provoca una diminuzione significativa di Rcp. E solo un aumento (cioè un allungamento) sia del perno che del contrappeso fa diminuire Rcp. Già da ciò possiamo concludere che la resistenza dell'antenna corta della stazione CB non è un valore costante, ma una variabile, che, in particolare, dipende dalla posizione di oggetti estranei (compreso l'operatore) rispetto all'antenna. Nel caso generale, un'antenna ben adattata sotto l'influenza di questi fattori può non corrispondere completamente. Ne consegue che lo stadio di uscita del trasmettitore della stazione radio MW deve essere costruito in modo tale che tale disadattamento non ne pregiudichi in modo significativo il funzionamento e che, eliminate le cause del disadattamento, lo stadio di uscita continui a funzionare normalmente . Per fare ciò, è necessario che il transistor di uscita abbia un margine di potenza di 3 ... 4 volte. È necessaria anche una versione di compromesso del circuito di adattamento P-loop. permettendo di lavorare su un carico variabile complesso. È necessario eliminare l'autoeccitazione quando si cambiano i parametri dell'antenna. Già questi requisiti. presentati agli stadi di uscita dei CB delle stazioni portatili mostrano che vale la pena prendere molto sul serio il loro design. Per un'autoradio mobile che funziona su un'antenna per auto fissa, i requisiti per RA sono molto più bassi. Ciò è dovuto all'uso della carrozzeria dell'auto come contrappeso, che è un buon "terreno" per l'antenna MW. Un pin utilizzato per un'antenna CB per auto. ha una lunghezza di circa un metro, e in molti casi anche più lunga. Ciò crea i prerequisiti per il funzionamento di un'antenna per auto con un effetto molto maggiore rispetto a un'antenna per stazione portatile. È anche significativo che non ci siano oggetti estranei nella zona di interazione delle correnti di polarizzazione nel sistema "pin antenna - contrappeso", il che rende Rсp per tali antenne più stabile rispetto alle stazioni portatili. Di tutti i tipi esistenti di antenne MW per stazioni portatili, si possono distinguere due gruppi: antenne risonanti e non risonanti. Tra le antenne a frusta accorciate del gruppo risonante, si possono distinguere le antenne a spirale e le antenne a frusta allungate per induttanza. Tra le antenne a frusta non risonanti, è consigliabile utilizzare un solo tipo: un pin corto come parte del circuito risonante di uscita. In questo caso, il pin è un condensatore ad anello distribuito. 2. Antenna a spirale Un'antenna elicoidale può essere considerata come un risonatore elicoidale aperto [1]. In questo caso, l'antenna stessa è un risonatore a spirale, il circuito di adattamento del trasmettitore è una continuazione del risonatore a spirale ed entra nel suo circuito di eccitazione e lo spazio esterno può essere considerato come uno schermo infinitamente distante (Fig. 2).
La validità di queste affermazioni è facilmente verificabile nella pratica. Quindi, quando i parametri del circuito di abbinamento cambiano, la parte risonante del sistema di antenna cambia. Anche una variazione molto lieve nella capacità finale dell'antenna cambia notevolmente la sua frequenza di risonanza [2]. E le antenne elicoidali sono altamente suscettibili all'influenza di oggetti estranei. Già l'avvicinarsi di una mano a una distanza di 20 cm porta a una mancata corrispondenza tra l'antenna e il trasmettitore, perché a causa di una variazione della capacità del terminale, la sua frequenza di risonanza cambia. Qui è opportuno effettuare il tuning secondo il metodo proposto in [3]. Consiste nel fatto che l'antenna elicoidale è sintonizzata in modo tale che quando la mano si avvicina (oa causa di altre influenze disadattate), l'intensità del campo del segnale aumenta e quindi diminuisce. In questo caso, l'antenna non è sintonizzata esattamente sulla risonanza, ma leggermente lontana da essa. Le misurazioni dell'intensità del campo mostrano che in questo caso l'intensità del campo è circa l'85% dell'intensità del campo alla risonanza esatta. Ma quando si testa una stazione radio con un'antenna sintonizzata sulla risonanza e con un'antenna sintonizzata sulla pendenza dell'antenna, i vantaggi di quest'ultima sono evidenti. Quindi, quando si utilizza una stazione con un'antenna risonante nel processo di comunicazione radio, quando l'antenna si avvicinava a una persona, si verificavano fluttuazioni significative nell'intensità del campo. Quando si utilizza una stazione radio con un'antenna sintonizzata sulla pendenza della caratteristica, l'influenza disadattamento di una persona si è manifestata molto più debole e la fluttuazione dell'intensità del campo era insignificante. Sulla base di ciò, si può raccomandare di sintonizzare le antenne elicoidali secondo il metodo proposto in [XNUMX]. Solo se l'antenna elicoidale opera in condizioni in cui è esclusa l'influenza di fattori di mismatching, è possibile sintonizzare l'antenna sulla massima intensità di campo. Durante la misurazione dell'intensità di campo fornita dall'antenna elicoidale e dall'antenna a frusta con una bobina di estensione, si è scoperto che l'antenna a frusta risonante era almeno tre volte più lunga. rispetto all'antenna elicoidale in prova ha fornito la stessa intensità di campo. Da ciò possiamo concludere che nelle stazioni portatili l'opzione di antenna più ottimale è quella elicoidale, che è più robusta e più semplice nel design di un'antenna a frusta con gli stessi parametri. In questo caso bisogna tener conto che in questo caso il corpo corto della stazione radio è un "terreno" migliore per un'antenna elicoidale che per un'antenna a stilo con gli stessi parametri. Ma l'anenna a spirale. fornendo una grande intensità di campo, crea i presupposti per un funzionamento instabile del trasmettitore. Infatti, durante gli esperimenti si è scoperto che lo stesso trasmettitore, che funzionava stabilmente con un'antenna esterna alimentata via cavo, era eccitato quando ad esso veniva collegata un'antenna a spirale. Solo una più attenta schermatura e regolazione dei circuiti di adattamento ha permesso al trasmettitore di lavorare con un'antenna elicoidale senza autoeccitazione. Un'antenna elicoidale, come un'antenna a frusta, può essere sintonizzata su una frequenza operativa utilizzando una capacità di accorciamento e un'induttanza di allungamento. L'uso della capacità aumenta la frequenza di risonanza dell'antenna, mentre l'uso dell'induttanza la abbassa. In questo caso, per aumentare l'efficienza dell'antenna, è necessario che l'induttanza della bobina di estensione sia la più piccola possibile e che la capacità di accorciamento sia la più grande possibile. L'uso di tali elementi di sintonizzazione consente l'uso di un'antenna elicoidale in un'ampia gamma di frequenze, poiché, a seconda del design e della qualità dell'abbinamento, la larghezza di banda dell'antenna elicoidale è piccola e ammonta a 200 ... 300 kHz nel 27 gamma MHz. C'è un altro punto molto importante quando si utilizzano antenne elicoidali. Quando una tale antenna è collegata tramite un cavo coassiale, la sua frequenza di risonanza è dovuta all'introduzione della reattività del cavo nella complessa impedenza dell'antenna e, di conseguenza, al suo cambiamento. cambia e deve essere adattato. Quando si costruisce un'antenna elicoidale, come in effetti qualsiasi altra antenna accorciata, si dovrebbe prestare attenzione a un'altra caratteristica di questo sistema di antenne, che è quella. che quando è collegato un contrappeso a quarto d'onda, la frequenza di risonanza di questo sistema di antenna cambia leggermente. Ciò può essere spiegato dal fatto che il contrappeso, che ha il proprio Rz, cambia Rsp. Anche la capacità "antenna - spazio" cambia. La larghezza di banda dell'antenna elicoidale viene ampliata di circa 1.5...2 volte a causa di una diminuzione del suo fattore di qualità e, allo stesso tempo, a causa di una radiazione più efficiente. Fondamentalmente, nello studio sperimentale della frequenza di risonanza dell'elica con equilibri a quarto d'onda non è andata oltre la larghezza di banda dell'antenna. Allo stesso tempo, l'intensità del campo con un contrappeso a quarto d'onda è aumentata di almeno due volte. L'antenna elicoidale deve essere collegata con conduttori il più corti possibile al circuito di adattamento dell'uscita. Ciò consente di fornire la larghezza di banda necessaria e la radiazione spuria minima della linea di connessione. 3. Disegni pratici di antenne elicoidali Di seguito sono considerati progetti pratici di antenne elicoidali pubblicati nella letteratura degli ultimi anni. I parametri dell'antenna sono stati misurati utilizzando un antenoscopio. L'antenna a spirale, il cui design è mostrato in Fig. 3 è stato pubblicato in [4]. I test di questa antenna hanno mostrato che questa antenna è a un quarto d'onda sulla banda dei 21 MHz. Infatti, insieme a un contrappeso risonante a quarto d'onda, la resistenza dell'antenna qui era di circa 40 ohm. con poca reattività.
Collegando tale antenna ad un ricetrasmettitore da 40 W tramite un cavo coassiale lungo una decina di metri e posizionando l'antenna nell'apertura di una finestra, ho potuto effettuare diversi collegamenti a 21 MHz con l'RST56-58, il che ha ulteriormente rafforzato la mia opinione sulla sua vera risonanza. Tuttavia, regolando le spire e la capacità, come mostrato in [4], è stato possibile stabilire che nella gamma di 27 MHz è possibile la sua risonanza, corrispondente ad una lunghezza equivalente dell'antenna pari alla metà della lunghezza d'onda. La larghezza di banda dell'antenna sulla banda 21 MHz era di 200 Hz, sulla banda 27 MHz - 250 kHz con un contrappeso a quarto d'onda. Antenna a spirale, i cui dati sono mostrati in fig. 4 si riferisce alle antenne a quarto d'onda. Con l'aiuto di un pin aggiuntivo, può essere sintonizzato su un'ampia gamma, da 26 MHz a 35 MHz. Sulla banda dei 27 MHz, la sua impedenza di ingresso con il corpo della stazione radio era di 130 ohm e la larghezza di banda era di 650 kHz. Con contrappeso a quarto d'onda da 65 ohm. La larghezza di banda era di 800 kHz. la risonanza è aumentata di 200 kHz. Va notato che questo metodo di regolazione della frequenza di risonanza dell'antenna, sebbene abbastanza riuscito nella sua semplicità ed efficienza, riduce comunque il fattore di qualità del risonatore a spirale e, di conseguenza, riduce l'efficienza dell'antenna. Ciò si riflette nella riduzione dell'intensità del campo e nell'espansione della larghezza di banda dell'antenna.
L'antenna a spirale mostrata in Fig. 5 [5], quando testato su un antennascopio, non ha mostrato risonanza nella gamma di 27 MHz e ha mostrato una risonanza a quarto d'onda nella gamma di 21 MHz. Insieme al contrappeso a quarto d'onda, la sua resistenza qui era di 25 Ohm con una larghezza di banda di 250 kHz. Ma utilizzando il sistema di adattamento della stazione radio in questione [5], si è constatato che in realtà la risonanza è ottenibile nella gamma di 27 MHz. Ovviamente qui la risonanza dell'antenna non avviene a causa del suo funzionamento come risonatore a quarto d'onda, ma come circuito P con capacità distribuita. In questo caso l'antenna elicoidale equivale ad un sistema di circuiti P collegati all'uscita del trasmettitore, la cui capacità è la capacità dell'antenna verso terra. La radiazione si verifica a causa della messa in risonanza dell'intero sistema di circuiti P del trasmettitore. Tuttavia, le misurazioni dell’intensità del campo hanno dimostrato che in questo caso l’uso di un’antenna elicoidale è inefficace. La stessa intensità di campo può essere fornita da un'antenna a stilo sintonizzata in risonanza utilizzando una bobina di estensione con una lunghezza solo 1,3 volte maggiore della lunghezza di questa antenna elicoidale.
L'antenna a spirale mostrata in fig. 6 [6], ha mostrato un'impedenza di ingresso alla frequenza di risonanza della gamma 27 MHz di 110 ohm con il corpo della stazione e 40 ohm con un quarto d'onda di contrappeso. La larghezza di banda con il corpo della stazione era di 300 kHz. con un contrappeso - 450 kHz. Grazie a. che la sua parte superiore è avvolta da una scarica, l'influenza del corpo umano sull'accordatura di questa antenna non è così forte come nel caso dell'avvolgimento continuo. Il collegamento di un contrappeso a un quarto d'onda ha modificato la frequenza di risonanza di 200 kHz in su.
È stata studiata l'antenna utilizzata nella stazione radio di tipo Kolibri-M2. Il suo design è mostrato in Fig. 7. Nella banda 27 MHz, questa antenna ha mostrato un'impedenza di 100 ohm e una larghezza di banda di 300 kHz con un corpo stazione, e una resistenza di 47 ohm e una larghezza di banda di 200 kHz con un quarto d'onda controbilanciato. Il collegamento di un contrappeso a un quarto d'onda ha modificato la frequenza di risonanza di 120 kHz in su. Sono le antenne mostrate in Fig. 5 e 6 hanno fornito l'intensità del campo. paragonabile all'intensità di campo sviluppata da un'antenna a stelo con una bobina di estensione, con una lunghezza dell'asta tre volte la lunghezza di una tale antenna elicoidale.
Una vista pratica della risposta in frequenza delle ultime due antenne è mostrata in fig. 8. Questa figura mostra che la risposta in frequenza dell'antenna non è simmetrica. Quando è collegato un contrappeso a quarto d'onda, la risposta in frequenza si confonderà leggermente - di circa. 100 kHz per la banda 27 MHz, tuttavia, la larghezza di banda dell'antenna le consente di lavorare nei canali MW. Conoscere la risposta in frequenza di un'antenna elicoidale consente di sintonizzarla correttamente, non nel mezzo della gamma operativa, ma un po' più in alto.
4. Fabbricazione e messa a punto di antenne elicoidali In letteratura si consiglia di eseguire antenne elicoidali sull'anima in polietilene del cavo coassiale. In effetti, questa è la migliore opzione materiale per un'antenna del genere. È auspicabile utilizzare un cavo da 75 ohm per la fabbricazione di un'antenna elicoidale, perché di solito contiene un unico conduttore interno, che può essere facilmente estratto con una pinza tenendo il cavo stesso all'altra estremità in una morsa. Se si utilizza un cavo da 50 ohm per il telaio dell'antenna, che di solito ha un conduttore centrale costituito da diversi fili di rame, potrebbe essere difficile rimuoverli. La via d'uscita più semplice è riscaldare i conduttori facendo passare una corrente di 50 ... 100 A attraverso di essi utilizzando una potente fonte di corrente. e poi tirarli fuori velocemente. Il telaio in polietilene ha una superficie ruvida dopo la rimozione della treccia, che facilita l'avvolgimento del filo in tensione. Va ricordato che un'antenna elicoidale è un sistema ad alto Q e, se non viene eseguita con attenzione, sotto l'influenza della temperatura, la sua frequenza di risonanza può andare oltre l'intervallo per cui è sintonizzata. Nello studio delle antenne elicoidali, è stato riscontrato che la loro frequenza di risonanza si sposta di 50...80 kHz verso l'alto quando vengono raffreddate a una temperatura di -15°C. L'antenna deve essere avvolta strettamente con del nastro isolante per evitare che le bobine si spostino. e di conseguenza, cambiamenti nella frequenza di risonanza. Il nastro in PVC flessibile è adatto a questo. Lo scotch non è adatto a questo a causa della sua eccessiva rigidità. Va notato che l'antenna elicoidale è un sistema non simmetrico. Deve essere collegato al trasmettitore solo con l'estremità indicata nella sua descrizione. Quando si collegano le antenne mostrate in fig. 6 e 7, dall'altra parte, avranno risonanze completamente diverse, molto al di sotto della banda dei 27 MHz. Anche con un cambiamento alla fine della connessione, sembrerebbe così. antenna simmetrica come in fig. 5, c'è uno spostamento nella sua risonanza a causa di una certa asimmetria nella progettazione dell'antenna. Strutturalmente, è conveniente effettuarne l'estremità, collegata al trasmettitore, utilizzando il connettore SR-50 o SR-75. fondendo lì la base di plastica dell'antenna. Ci devono essere almeno 12 mm dal telaio metallico del connettore all'inizio dell'avvolgimento della spirale. Nella fabbricazione dell'antenna, non è necessario sforzarsi di utilizzare la base del diametro specificato. Una deviazione di 2 ... 3 mm è abbastanza accettabile. Ad esempio può essere utilizzato al posto di una base in polietilene da 7 mm 9 mm, può essere utilizzato anche al posto di 12 mm. Sebbene i parametri dell'antenna cambino, è del tutto possibile sintonizzarla sulla banda dei 27 MHz. Le antenne vengono sintonizzate, come indicato nella descrizione, svolgendo le spire dal lato dell'avvolgimento più denso. Nel caso della fabbricazione di tutte le antenne qui descritte, è stato possibile sintonizzarsi sulla gamma dei 27 MHz svolgendo parte delle spire. quelli. sono stati precalcolati per una frequenza di risonanza appena inferiore a 27 MHz. Per un funzionamento efficace dell'antenna, è necessario disporre di una buona messa a terra della stazione, ad esempio una custodia di metallo. Se non ce n'è, è necessario posare un foglio largo di rame o alluminio in un luogo conveniente lungo l'intera lunghezza della stazione. Un tale contrappeso aumenta l'intensità del campo di circa il 15 ... 20%, il che aumenta approssimativamente anche il raggio di comunicazione. In alcuni casi, aiuta a rimuovere l'autoeccitazione del trasmettitore. Le dimensioni dell'antenna elicoidale possono considerarsi ottimali quando la sua lunghezza è circa il 20% maggiore della lunghezza del contrappeso del corpo. Se l'antenna è inferiore a questo valore. l'influenza del corpo umano e di altri corpi estranei su di esso aumenta. Un ulteriore aumento di esso non provoca lo stesso aumento dell'intensità del campo, è più facile utilizzare un contrappeso a quarto d'onda per aumentare il raggio di comunicazione. Autore: I. Grigorov (RK3ZK, UA3-113); Pubblicazione: cxem.net
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