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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Antenne a frusta. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne VHF 1. Definizione e concetti Le antenne asimmetriche (a frusta) sono chiamate antenne situate direttamente a terra (o uno schermo metallico) perpendicolarmente (meno spesso obliquamente) alla sua superficie. Se consideriamo la terra idealmente conduttrice e prendiamo in considerazione l'immagine speculare, allora il vibratore sbilanciato può essere considerato la metà del vibratore bilanciato equivalente (Fig. 1).
La resistenza alla radiazione di un vibratore asimmetrico è due volte inferiore a quella di un vibratore simmetrico equivalente, poiché alle stesse correnti il primo emette metà della potenza (non c'è radiazione nel semispazio inferiore) [1]. La resistenza di ingresso di un vibratore asimmetrico è due volte inferiore a quella di un vibratore simmetrico equivalente, poiché a parità di correnti di alimentazione, la prima tensione di alimentazione è due volte inferiore (Fig. 1). Il coefficiente di azione direzionale di un vibratore asimmetrico è il doppio di quello di un vibratore simmetrico equivalente, poiché, a parità di potenza di irraggiamento, il primo fornisce il doppio della densità di potenza angolare, poiché tutta la sua potenza viene irradiata in un semispazio (Fig. 2) . Tutto quanto sopra vale per un vibratore asimmetrico ideale, cioè quando la terra è un conduttore ideale. Se la terra ha scarse proprietà conduttive, il campo di radiazione del vibratore cambia. Inoltre, ciò porta ad una diminuzione dell'ampiezza della corrente nel vibratore e, di conseguenza, ad un aumento della sua resistenza e ad una diminuzione della potenza emessa. Il suolo è un dielettrico con un'elevata costante dielettrica (quasi 80), che porta a un cambiamento nella lunghezza elettrica del dipolo immaginario, nonché nella lunghezza del percorso delle correnti di spostamento. Il risultato è una completa distorsione del diagramma di radiazione (sollevamento dei lobi verso l'alto e scomparsa della radiazione a piccoli angoli rispetto all'orizzonte) e un aumento della resistenza del perno. Per questo motivo, il suolo non viene praticamente utilizzato come "terreno", ma viene utilizzato il terreno artificiale. 2. Montare il terreno I calcoli teorici mostrano che le perdite maggiori si verificano in una zona con un raggio di 0,35 lunghezze d'onda, quindi in questa zona è consigliabile “metallizzare” la terra: collegare tra loro i fili radiali con ponticelli (Fig. 3). È molto utile se questa metallizzazione viene eseguita lungo l'intera distanza dei contrappesi.
I contrappesi devono essere isolati da terra. Se giacciono a terra, dall'umidità la loro lunghezza elettrica non sarà risonante per l'antenna. Inoltre, le loro estremità devono essere isolate dal suolo. Solo in un caso è possibile non isolare da terra le estremità dei contrappesi: se sono saldamente collegati da un anello di collegamento (Fig. 3). Non dobbiamo mai dimenticare che un'antenna a stilo ideale ha un'efficienza del 47% e l'efficienza di un'antenna con 3 contrappesi è inferiore al 5%. Ciò significa che quando si lavora con un'antenna a stilo con tre contrappesi, dei 200 watt forniti all'asta, 180 watt (!!!) vengono sprecati invano, creando contemporaneamente TVI. Molti processi nella ionosfera non sono lineari, cioè la riflessione delle onde radio inizia, diciamo, a 7 watt di potenza fornita all'antenna e non si verifica più a 5 watt. Ciò significa che ti stai perdendo le esclusive funzionalità DX QSO risparmiando sul cavo del contrappeso. Dovrebbe anche tenere conto della distorsione del diagramma di radiazione con un numero limitato di contrappesi. Da sferico diventa petalo, avendo una direzione lungo i contrappesi. Il problema di trovare il numero ottimale di contrappesi è stato risolto da me utilizzando un computer. La soluzione è mostrata in fig. 4. Da esso si può vedere che il numero minimo richiesto di contrappesi è 12. Con un numero maggiore di essi, l'efficienza aumenta lentamente. I contrappesi devono essere posizionati alla stessa distanza l'uno rispetto all'altro.
L'angolo della loro posizione rispetto al perno dovrebbe essere compreso tra 90 ° e 1350. Ad angoli sempre più piccoli, l'efficienza e il d.n. è distorto. I contrappesi devono essere lunghi almeno quanto il perno principale. Ciò può essere spiegato dal fatto che le correnti di polarizzazione che scorrono tra il perno e i contrappesi occupano una certa quantità di spazio, che è coinvolta nella formazione del modello di direttività. Riducendo la lunghezza dei contrappesi, e, di conseguenza, riducendo la quantità di spazio che serve a formare il DP, peggioriamo notevolmente le caratteristiche dell'antenna. Con grande approssimazione possiamo dire che ogni punto del perno corrisponde al proprio punto del contrappeso. Tuttavia, non è necessario utilizzare contrappesi più lunghi del perno principale. I contrappesi e il perno stesso devono essere ricoperti con vernice protettiva. Ciò è necessario affinché il materiale di cui è composta l'antenna non si ossidi. L'ossidazione dei vibratori rende l'antenna inutilizzabile a causa del fatto che un sottile film di ossido ha una notevole resistenza, e poiché l'effetto superficiale è fortemente pronunciato sulla RF, l'energia del trasmettitore viene assorbita e dissipata in calore da questo film. È altamente desiderabile utilizzare la vernice radio per questo (quella con cui sono dipinti i localizzatori). La vernice convenzionale contiene particelle di colorante che assorbono energia RF. Ma, in casi estremi, puoi usare la vernice normale. 3. Dimensione dell'antenna a frusta Come è noto, la resistenza alla radiazione dell'antenna Rizl è proporzionale al rapporto L/d, dove L è la lunghezza ed è il diametro dell'antenna. Più basso è il rapporto L/d, più ampia è l'antenna e maggiore è l'efficienza. Va notato che quando si utilizzano vibratori spessi, l '"effetto finale" influisce. È determinato dalla capacità tra le estremità del vibratore e la terra. Fisicamente ciò si esprime nel fatto che l'antenna risulta essere “più lunga” di quella calcolata. Per ridurlo, i pin a banda larga hanno solitamente una forma affusolata. I calcoli mostrano che lo spessore minimo richiesto dei contrappesi dovrebbe essere d=D/2,4n, dove d è il diametro dei contrappesi, D è il diametro del perno, n è il numero di contrappesi. Spesso i radioamatori non possono installare un perno a quarto d'onda e utilizzare un perno più piccolo. In linea di principio, è possibile abbinare un perno di qualsiasi lunghezza con l'aiuto di dispositivi di corrispondenza. Tuttavia, i pin corti hanno una bassa reattanza attiva e un'alta [3] e saranno abbinati in modo molto non ottimale (fino al 90% dell'energia può essere dissipata sui dispositivi di abbinamento stessi). E se vengono utilizzati anche contrappesi corti surrogati, l'efficienza di un tale sistema di antenne sarà molto bassa. Tuttavia, nelle comunicazioni mobili, vengono spesso utilizzate tali antenne sostitutive. Ma questo è solo perché altri tipi di antenne accorciate funzioneranno anche peggio! 4. Schemi direzionali delle antenne a frusta Molte persone sono interessate a come l'altezza dell'asta influisce sul suo schema direzionale sul piano orizzontale e se la sua resistenza dipende dall'altezza della sospensione. Il risultato più importante [4] è che la distribuzione delle correnti nel perno non dipende dall'altezza della sua sospensione in presenza di un “terreno” ideale. In pratica ciò significa che qualunque sia l'altezza del perno, la sua resistenza sarà costante. Il risultato complessivo della soluzione mostra che se il perno è sintonizzato sulla risonanza, la sua estremità inferiore può essere messa a terra. Inoltre, può essere alimentato in qualsiasi momento. Sulla base dei risultati di questa importante conclusione, sono state create antenne a frusta (antenne a bandiera, antenne a palo), la cui estremità inferiore è collegata a terra e che vengono alimentate tramite adattamento gamma. I modelli di radiazione del piano verticale del perno a semionda sono mostrati in fig. 5. Questa figura mostra che maggiore è l'aumento dell'antenna, più piatto è l'angolo di radiazione rispetto all'orizzonte. Ciò è dovuto al fatto che avviene la somma dell'onda emessa dal perno e dell'onda riflessa dal suolo. Se il terreno ha scarse proprietà conduttive, il diagramma di radiazione sarà simile a quello di un perno sopra il suolo. Alzare l'antenna a un'altezza superiore a una lunghezza d'onda non ha senso, perché. in questo caso non c'è più una diminuzione dell'angolo di radiazione, ma solo i lobi laterali superiori iniziano a frammentarsi.
Va ricordata un'altra caratteristica interessante dei perni, la cui altezza è uguale o superiore alla lunghezza d'onda. Tali antenne sono utilizzate nelle comunicazioni professionali come antenne anti-fading [5]. Ciò significa che tale antenna riceverà senza problemi un segnale in arrivo con dissolvenza su un pin o dipolo a quarto d'onda. 5. Abbinamento dell'antenna a frusta Per un funzionamento corretto, l'antenna a frusta deve essere abbinata. Nonostante tutta l'apparente varietà di dispositivi e pin corrispondenti, possono essere divisi in 3 gruppi. 1. Il pin è abbinato, la lunghezza elettrica è pari a un quarto della lunghezza d'onda; 2. Un perno di lunghezza elettrica maggiore di quella richiesta, tale lunghezza viene "rimossa" con un contenitore; 3. Il pin è lungo meno di un quarto di lunghezza d'onda. La lunghezza mancante viene "aggiunto" da un induttore. È necessario ricordare che il condensatore e la bobina devono avere il fattore di qualità più elevato possibile ed è anche auspicabile che TKE e TKI siano i migliori possibile. Tipicamente, la capacità del condensatore di accorciamento può essere compresa tra 100 pF a 28 - 18 MHz, i parametri della bobina di estensione sono di pochi μH fino a 21 MHz, decine fino a 3,5 MHz. In conclusione, va notato che questa pratica di abbinamento è applicabile a pin con una lunghezza che è un multiplo di un quarto di lunghezza d'onda. 6. Tipi di antenne a frusta Vibratore asimmetrico con schermo di dimensioni finite (Fig. 3). Questa antenna è utilizzata principalmente dai radioamatori. Come schermo, vengono solitamente utilizzati contrappesi con una lunghezza di almeno un quarto di lunghezza d'onda. Vibratore ad anello asimmetrico (Fig. 6). Il suo dottorato di ricerca coincide con d.s. spilla classica. Tuttavia, ha il vantaggio che un'estremità è collegata a terra. Scegliendo lo spessore dl e d2, è possibile modificarne la resistenza di ingresso su un ampio intervallo. Con d1=d2, la resistenza del vibratore sarà di 146 ohm.
La resistenza di un vibratore asimmetrico di diverso spessore è calcolata dalla formula /1 /: Ra=(1+n2).36n, dove n=ln(d/d1)/ln(d/d2). I vibratori ad ampio raggio sono costituiti da tubi, perni e piastre spessi. Possono essere conici o rombici, cilindrici, solidi o reticolari (Fig. 7). La copertura della gamma di frequenza operativa dipende dal rapporto I/O. Più è piccolo, più largo è il vibratore. La nota antenna UW4HW è un vibratore unipolare a banda larga e l'emettitore verticale UA1DZ è un vibratore simmetrico a banda larga . Le antenne coniche sono un caso speciale di vibratori a banda larga (Fig. 8).
Il campo di radiazione è creato dalle correnti che fluiscono attorno al cono e il disco svolge il ruolo di uno schermo e quasi non si irradia. Ad un angolo di apertura di 600 si ottiene il coefficiente di sovrapposizione di portata più alto, pari a cinque, con BV > 0,5 in un alimentatore con impedenza caratteristica di 50 Ohm. In questo caso, la lunghezza d'onda massima è 3,6. Il diagramma di radiazione di un'antenna discone KB e VHF è approssimativamente uguale a quello di una normale asta. La KB utilizza una versione a filo dell'antenna a cono (Fig. 8b), in cui al posto del cono viene utilizzata una ventola a filo piatto e al posto del disco viene utilizzato un sistema di messa a terra di fili radiali. Separatamente, voglio prestare attenzione alle antenne. Una caratteristica di tali antenne è che la loro estremità inferiore è collegata a terra.
L'antenna di alimentazione superiore (Fig. 9) viene eccitata mediante un alimentatore posto all'interno dell'albero. Lo è fondamentalmente. D.Sc. è lo stesso di un pin convenzionale, ma le perdite durante la trasmissione e la ricezione sono maggiori, poiché l'onda radio viene riflessa dal suolo quando emessa. L'antenna di medio feed (Fig. 10) è un palo in due parti, eccitato in serie nei punti 1 e 2 da una tensione fornita da un alimentatore installato all'interno della parte inferiore. La resistenza dell'antenna ai punti di alimentazione è Ra=Rb/cos2kll, dove k è il coefficiente di accorciamento, Rb è la resistenza del vibratore “puro” al punto 3. Scegliendo un rapporto compreso tra 11 e 12 è possibile abbinare l'antenna con l'alimentatore. E' di fondamentale importanza che l'alimentatore passi all'interno del fondo dell'antenna. Lo svantaggio sono le difficoltà con l'isolante per la sua parte superiore.
L'antenna di potenza shunt (Fig. 11) viene eccitata in parallelo utilizzando uno shunt collegato all'albero ad una certa altezza 11. Tipicamente, le reattanze di ingresso delle parti inferiore e superiore dell'antenna sono induttive e, di conseguenza, di natura capacitiva, e in termini di impedenza di ingresso al punto 1, l'antenna è equivalente ad un circuito parallelo. La selezione del valore 11 garantisce il miglior coordinamento con l'alimentatore. La distribuzione delle correnti è tale da attenuare parzialmente la radiazione dell'antenna, per cui lo shunt dovrà essere di dimensioni minime. L'implementazione classica dell'alimentazione shunt è la corrispondenza gamma. Spesso, soprattutto quando si costruiscono antenne per le bande di bassa frequenza, non è possibile posizionare il vibratore verticalmente rispetto al suolo. Quando il perno è inclinato rispetto al suolo, il diagramma di radiazione sarà, ovviamente, distorto. Posizionare quanti più contrappesi possibile sotto la parte dell'antenna che è inclinata. È inoltre necessario, se possibile, alzare i contrappesi in modo che formino un angolo non superiore a 135° con l'antenna. Va ricordato che una tale antenna è più difficile da abbinare a causa della presenza di una significativa componente reattiva. Letteratura
Autore: I. Grigorov (UZ3ZK); Pubblicazione: cxem.net
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