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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Effetto dell'antenna feeder. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radiocomunicazioni civili Il normale funzionamento del percorso antenna-feeder determina in gran parte l'efficacia di una stazione radioamatoriale nel suo insieme. L'effetto discusso in questo articolo può ridurlo in modo significativo, poiché si manifesta nella maggior parte dei progetti di antenne pratici (compresi quelli realizzati in fabbrica). La prima parte dell'articolo rivela le cause dell'effetto antenna feeder e la sua influenza sul funzionamento del percorso antenna-feeder. Nella seconda parte verranno fornite raccomandazioni pratiche per eliminare questa influenza. Quasi tutte le onde corte sono ben consapevoli della situazione in cui il lavoro di trasmissione ha interferito con le apparecchiature elettroniche della casa: la luce al neon si illumina quando viene portata sul corpo del trasmettitore acceso e la ricezione è accompagnata da forti interferenze di origine locale. Queste sono le manifestazioni più sorprendenti dell'effetto antenna feeder a lungo familiare, ma relativamente poco studiato, la cui essenza e caratteristiche sono descritte nell'articolo. L'essenza e le cause dell'effetto antenna dell'alimentatore È consuetudine chiamare effetto antenna il fenomeno della radiazione o della ricezione di onde radio da parte di oggetti non destinati a questo. La linea di alimentazione deve essere utilizzata solo per trasmettere energia ad alta frequenza da un trasmettitore a un'antenna o da un'antenna a un ricevitore. La considerazione delle cause dell'effetto dell'antenna di alimentazione (AEF) inizierà con la modalità di trasmissione. Come è noto, il campo elettromagnetico emesso da un'antenna è creato da correnti alternate che scorrono attraverso i conduttori che la costituiscono. Quasi sempre l'antenna non è nello spazio libero. Potrebbero esserci molti oggetti nelle sue immediate vicinanze (ad esempio, all'interno della lunghezza d'onda a). Questi sono i fili delle linee di alimentazione, trasmissioni radiofoniche e comunicazioni, alberi conduttori, supporti e tiranti, tubi, attrezzature, raccordi, corpi e fusoliere di veicoli, tetti e pareti di edifici, il corpo dell'operatore e la superficie della terra . Se in qualche modo si formano correnti negli oggetti circostanti (indotte, ad esempio, dal campo vicino di un'antenna), il campo di radiazione creato da queste correnti si sommerà al campo delle correnti dell'antenna. L'antenna insieme all'ambiente circostante sarà chiamata sistema di antenna (AS). In queste condizioni le caratteristiche degli altoparlanti potrebbero differire notevolmente dalle caratteristiche calcolate dell'antenna stessa. Per rendere le caratteristiche degli altoparlanti meno dipendenti dall'ambiente, cercano di sollevare l'antenna più in alto, di installarla più lontano dalle strutture conduttrici e di realizzare pali e tiranti non metallici. Uno degli oggetti più vicini e fondamentalmente non rimovibili che circondano l'antenna è l'alimentatore che la alimenta. L'alimentatore più semplice è una linea aperta a due fili. In un caso ideale, i valori istantanei delle correnti nei fili di linea in qualsiasi sezione dell'alimentatore e in qualsiasi momento sono identici in grandezza e opposti nella direzione, ovvero la somma delle correnti di entrambi i fili di alimentazione in qualsiasi sezione è zero. Chiameremo tali correnti antifase. Una linea bifilare aperta si irradierà anche in questa condizione, la ragione di ciò è la distanza finita d tra i fili della linea. Una linea verticale emette onde polarizzate verticalmente nel piano orizzontale con massimi nel piano della linea e onde polarizzate orizzontalmente con massimi perpendicolari a questo piano. Il campo di radiazione è proporzionale al rapporto d/X. La radiazione di una linea bifilare è minima con un carico di linea adattato e aumenta notevolmente con un disadattamento, quando compaiono onde di corrente stazionarie. Il fenomeno descritto (in condizioni di correnti strettamente antifase nel sistema del filo di alimentazione) è chiamato effetto antenna dell'alimentatore di 2o tipo (AEF-2) [1]. In pratica si manifesta molto debolmente. Ad esempio, alla frequenza di 145 MHz, una linea proveniente da un cavo televisivo KATB (o KATP) con una lunghezza di a/2 ed = 10 mm, a causa di questo effetto, emette un campo circa 50 volte più debole di un mezzo vibratore ad anello d'onda collegato a questa linea. Ci sono molte ragioni per cui la somma delle correnti di tutti i fili nella sezione trasversale di una linea di alimentazione può differire da zero. Il diagramma vettoriale (Fig. 1) mostra che con una differenza arbitraria nelle fasi e nelle ampiezze delle correnti I1 e I2 nei singoli fili, queste correnti possono essere rappresentate come una somma di componenti antifase I1n = I2n e in fase I1c = l2c (questi ultimi sono talvolta chiamati single-ended). I campi creati dalle correnti di modo comune di fili diversi non sono compensati (come quelli antifase), ma sono sommati. Se la lunghezza dell'alimentatore è paragonabile a X, la loro somma può creare una grande radiazione aggiuntiva. Questo fenomeno è chiamato effetto antenna di alimentatore di 1° tipo (AEF-1) [1]. È notevolmente più serio di AEF-2. che sarà discusso di seguito.
Poiché l'AEF del 1° tipo (di seguito semplicemente AEF) è associato a correnti di modo comune, il problema di determinarne le cause può essere ridotto a trovare le cause della comparsa delle correnti di modo comune della linea di alimentazione nel modo di trasmissione (in modalità di ricezione, tali correnti sorgono sempre sotto l'influenza di campi elettromagnetici esterni). Si consideri un'antenna a dipolo orizzontale con un alimentatore a due fili senza tener conto della "terra". Assumiamo che l'AU sia costituito solo da un'antenna e un alimentatore. Il campo di radiazione dell'altoparlante in ogni punto dello spazio è la somma vettoriale dei campi creati dalle correnti di tutti i conduttori dell'altoparlante. Il campo totale in ciascun punto dipende dalla distribuzione delle correnti lungo i conduttori del sistema. Questa distribuzione ad una data frequenza è determinata unicamente dalla forma, dimensione e posizionamento dei cavi degli altoparlanti. così come il metodo di stimolazione. Considerazioni abbastanza ovvie portano alla conclusione (confermata dal calcolo e dalla pratica) che con la simmetria geometrica dell'altoparlante e l'eccitazione simmetrica (rigorosamente antifase), anche la distribuzione delle correnti sarà simmetrica sia lungo i fili dell'antenna che lungo i fili di alimentazione. In questo caso, la somma delle correnti di modo comune di tutti i fili di alimentazione sarà pari a zero.
Un esempio di tale caso è mostrato nel modello di Fig. 2, a. Le correnti dei fili di un alimentatore simmetrico sono uguali in ampiezza e antifase, ciò è determinato dalla simmetria dei bracci dell'antenna del vibratore e dalla posizione simmetrica dell'alimentatore simmetrico rispetto a questi bracci, nonché dalla connessione simmetrica dell'alimentatore generatore all'inizio della linea di alimentazione. Uno qualsiasi dei seguenti motivi può portare alla comparsa di correnti di alimentazione di modo comune: asimmetria dell'antenna (asimmetria geometrica dei bracci, la potenza non è al centro, Fig. 2, b): asimmetria dell'alimentatore (diversi diametri o lunghezze dei fili, Fig. 2, c); asimmetria del sistema di altoparlanti nel suo insieme (posizione relativa asimmetrica dell'antenna e dell'alimentatore, Fig. 2,d). Quando si prende in considerazione la "terra", l'asimmetria geometrica dell'AS rispetto alla "terra" (Fig. 2, e) e l'asimmetria elettrica della sorgente rispetto alla "terra" (Z1-Z2. Fig. 2, f) verrà aggiunto qui. Se nella situazione precedente in linea di principio è possibile la completa simmetria, allora quando si alimenta un'antenna simmetrica con un alimentatore coassiale (fondamentalmente asimmetrico) senza adottare misure speciali, AEF-1 è semplicemente inevitabile, sebbene tale alimentatore sia esente da AEF-2. Una caratteristica speciale di una linea coassiale è che... che alle alte frequenze radio può essere considerata non come una linea a due fili, ma a tre fili. Le correnti lungo le superfici interna ed esterna della treccia del cavo possono differire a causa dell'effetto pelle. Per analizzare le correnti di modo comune in un modello, è possibile rappresentare la superficie esterna della treccia del cavo come un filo e collegare il generatore direttamente all'antenna. Nel caso in cui il conduttore centrale del cavo sia collegato a un braccio di un'antenna simmetrica e la treccia all'altro (modello - Fig. 3, a), quindi anche con una posizione geometricamente simmetrica del cavo rispetto all'antenna , AEF si verificherà nell'altoparlante. Il motivo è l'asimmetria elettrica del collegamento di una sorgente equivalente a un altoparlante geometricamente simmetrico (la sorgente dovrebbe essere una sorgente puntiforme e accesa esattamente al centro dell'antenna, ma a sinistra c'è un braccio dell'antenna e a destra è l'altro più la superficie esterna della guaina del cavo!). La distribuzione della corrente in questo caso dipende fortemente dalla lunghezza elettrica della superficie esterna della treccia del cavo (a causa dell'isolamento esterno è circa l'1% maggiore di quella geometrica), con una lunghezza risonante (un numero intero di semionde tenendo conto della lunghezza di terra per l'estremità inferiore messa a terra o di un numero intero di semionde più a/4 per l'estremità non messa a terra del cavo, come nel nostro caso), l'ampiezza massima della corrente di modo comune lc del cavo è massimo e può raggiungere il 43% dell'ampiezza massima della corrente I del braccio sinistro dell'antenna (Fig. 3,b).
In questo esempio, è conveniente mostrare un "meccanismo" semplificato per indurre correnti lungo la superficie esterna della treccia, che aiuterà a presentare più chiaramente i processi fisici che portano all'AEF. Una delle ragioni della corrente di modo comune è ovvia: è una sorgente di eccitazione equivalente, a uno dei terminali di cui è collegato un conduttore esterno. Tuttavia, questo conduttore si trova anche nel campo vicino dei bracci dell'antenna, le cui correnti non sono le stesse. Di conseguenza, c'è un'altra ragione per le correnti di modo comune: asimmetriche, e quindi non compensate nella posizione dell'alimentatore, il campo vicino dell'antenna stessa. Un'idea del genere è, ovviamente, molto primitiva, ma a volte nella pratica di combattere l'AEF, per qualche ragione, questa seconda ragione non viene affatto presa in considerazione. Le antenne polarizzate verticalmente situate a bassa quota sono significativamente asimmetriche rispetto al “terreno” (o al tetto). Anche se assicuriamo la simmetria relativa formale dell'antenna e dell'alimentatore (dipolo verticale se alimentato lateralmente). L’AEF è inevitabile. Pertanto, durante il funzionamento in trasmissione, le correnti di modo comune dell'alimentatore possono verificarsi per uno dei seguenti motivi principali:
Nella modalità di ricezione, sotto l'influenza di campi elettromagnetici esterni sulla linea di alimentazione, nei suoi fili possono formarsi correnti sia controfase che infase. I primi nascono in linee bifilari aperte e influenzano direttamente l'ingresso del ricevitore (AEF di 2° tipo). Le correnti di modo comune si verificano in qualsiasi linea di alimentazione. Per il principio di reciprocità, l'influenza di queste correnti sull'ingresso del ricevitore (AEF del 1o tipo) è tanto maggiore quanto maggiore è l'intensità relativa delle correnti di modo comune dell'alimentatore di un dato altoparlante nella modalità di trasmissione . Solo le correnti di alimentazione antifase possono agire direttamente su un ingresso del ricevitore correttamente configurato. Il "meccanismo" per convertire le correnti di modo comune in modalità di ricezione in correnti antifase è simile a quello sopra descritto per un alimentatore coassiale in modalità di trasmissione. Uno dei modi è collegare la superficie esterna della treccia con quella interna nel punto di connessione dell'antenna, e il secondo - attraverso l'antenna, utilizzando correnti di modo comune a campo vicino che sono asimmetriche per diversi bracci dell'antenna con un altoparlante asimmetrico. Le caratteristiche del sistema di altoparlanti che tengono conto dell'alimentatore come parte di esso differiscono dalle caratteristiche calcolate dell'antenna senza tener conto dell'influenza dell'alimentatore. Così. AEF non è solo ricezione o trasmissione direttamente tramite l'alimentatore, quindi il concetto può essere ampliato. L'AEF in senso lato è l'influenza dell'alimentatore sulle caratteristiche del sistema di antenna (sia in ricezione che in trasmissione). Consideriamo questa influenza in modo più dettagliato. Manifestazioni dell'effetto antenna dell'alimentatore Le manifestazioni più sorprendenti dell'AEF sono state menzionate sopra. Consideriamo più in dettaglio queste e possibili altre manifestazioni significative dell'AEF. Prendiamo come esempio un vibratore a semionda orizzontale e la famosa antenna GP verticale di altezza λ/4 con tre contrappesi della stessa lunghezza, montati con un angolo di 135° rispetto all'emettitore. L'impedenza di ingresso di tale antenna nello spazio libero e senza tener conto dell'influenza dell'alimentatore è puramente attiva ed è di circa 50 Ohm. Nella fig. La Figura 4 mostra lo schema direzionale (DP) nel piano verticale e la distribuzione delle correnti lungo i fili del perno (I1) e dei contrappesi (I2 - I4) per questo caso. Tutte le caratteristiche qui fornite sono ottenute utilizzando la simulazione al computer senza tenere conto delle perdite.
Durante la trasmissione possono verificarsi le seguenti manifestazioni di ADF. 1. Aspetto della radiazione AS con polarizzazione non primaria. Se la polarizzazione principale dell'antenna è verticale e l'alimentatore non è verticale, apparirà la radiazione dell'alimentatore con una componente orizzontale. Se la polarizzazione dell'antenna principale è orizzontale e l'alimentatore non è orizzontale, apparirà la radiazione dell'alimentatore con una componente verticale. Esempio - modello sul piano verticale Fig. 5 per un dipolo orizzontale. La componente verticale del campo En dovuta all'AEF è circa il 30% della componente orizzontale utile En. E questo è un effetto molto indesiderabile, ad esempio, per la ricezione televisiva.
2. Cambiamento di modello con la polarizzazione principale. La radiazione proveniente da un alimentatore con la polarizzazione principale può portare a un cambiamento significativo nel modello principale (ad esempio, per antenne verticali sul piano verticale): la direttività nella direzione principale cambia (può diminuire o aumentare) e lobi indesiderati appaiono in altre direzioni. Esempio - fig. 6 per antenna GP con cavo senza messa a terra lunghezza 9λ/4. Se un cavo con la polarizzazione principale non irradia, lo schema può cambiare a causa della rottura della simmetria di eccitazione (Fig. 7 per Ep, un dipolo orizzontale) 3 Variazione della resistenza di ingresso complessa. Per l'antenna GP, a seconda della lunghezza dell'alimentatore coassiale, la componente attiva R dell'impedenza complessa nei punti di eccitazione Z = R + jX può variare da 42 a 100 Ohm. e il componente reattivo X è compreso tra -40 e +17 Ohm. 4. Una variazione della resistenza di ingresso è associata a una variazione del rapporto dell'onda stazionaria (SWR) nella linea di alimentazione. Nella fig. La Figura 8 mostra le dipendenze dell'SWR per l'antenna GP a λ=10.9 m: 1 - con una connessione via cavo “normale” all'antenna; 2 - con “isolamento” ideale della superficie esterna della treccia nel punto di connessione all'antenna. Come si può vedere dai grafici, l'SWR in entrambi i casi dipende dalla lunghezza dell'alimentatore, cosa che non dovrebbe verificarsi in assenza di correnti di modo comune (AEF) e perdite nell'alimentatore [2]. Notiamo qui che sono le correnti di modo comune che portano ad una variazione dell'SWR (attraverso Z), ma non viceversa! La dipendenza dell'AEF-2 dall'SWR ha un "meccanismo" diverso.
5. Scarso SWR significa la presenza di una percentuale significativa di onde stazionarie nelle correnti di alimentazione che non sono coinvolte nel trasferimento di energia RF. In un cavo reale le perdite aumentano, di conseguenza diminuisce l'efficienza del sistema antenna-feeder. Le stesse correnti di modo comune portano anche a ulteriori perdite di energia fornita all'AC. 6. Deterioramento di DP e SWR. una diminuzione dell'efficienza riduce il potenziale energetico del ponte radio. La portata di ricezione affidabile diminuisce e per ottenere la qualità di comunicazione prevista è necessario aumentare la potenza. E questo è un consumo energetico aggiuntivo. Allo stesso tempo si aggravano i problemi di cui ai punti 7-9. 7. La modifica del modello porta alla comparsa di radiazioni in direzioni impreviste, che possono creare interferenze intense o livelli di campo inaccettabili secondo gli standard sanitari. 8. Se l'alimentatore si trova vicino ad altre linee, ad esempio linee elettriche o telefoniche, la presenza di un accoppiamento induttivo con esse in presenza di un AEF può portare a gravi difficoltà nel garantire il funzionamento congiunto della stazione radio con altre radio- apparecchiature elettroniche (forte interferenza reciproca durante la trasmissione e la ricezione). 9. In prossimità dell'alimentatore del dispositivo trasmittente può sorgere un notevole campo elettromagnetico, paragonabile ai campi in prossimità delle parti attive dell'UA. Tutto. riguardanti i cambiamenti nelle caratteristiche generali degli altoparlanti trasmittenti. vale anche per gli altoparlanti riceventi (impedenza di ingresso DP. SWR. efficienza) Fonti esterne di interferenza con polarizzazione non principale o nell'area di lobi DP aggiuntivi. o in prossimità dell'alimentatore creerà, in presenza di un AEF, un ulteriore rumore di fondo durante la ricezione. Notiamo alcune caratteristiche generali della manifestazione di AEF: 1. L'AEF si manifesta più fortemente con dimensioni risonanti dell'alimentatore e più debole - con dimensioni non risonanti. 2. La natura della variazione di RP in presenza di AEF dipende dalla lunghezza dell'alimentatore. Più lungo è l'alimentatore verticale, più il DN diventa rientrato sul piano verticale. 3. L'amplificazione dell'AS nella direzione principale in presenza dell'AEF può essere sia maggiore che minore che senza tener conto dell'AEF. 4. L'AEF si manifesta più forte, più forte è il campo vicino dell'antenna è l'alimentatore. In questo senso, l'antenna GP considerata è una delle più vulnerabili. 5. Per le antenne a vibrazione (dipolo), AEF è più pronunciato rispetto a quelle ad anello. 6. Per le antenne polarizzate verticalmente, l'AEF appare più spesso e più forte rispetto alle antenne polarizzate orizzontalmente. 7. L'influenza dell'alimentatore sulle caratteristiche dell'altoparlante è tanto più forte quanto più piccola è la dimensione dell'antenna e tanto minore è la sua efficienza. L'ADF è molto pericoloso per le antenne elettricamente piccole. 8. L'AEF è particolarmente pericoloso per i soggetti altamente mirati e. in particolare, antenne radiogoniometriche. 9. La manifestazione dell'AEF negli oratori riceventi non è minore, e anzi più grave, che in quelli trasmittenti. È stato per gli altoparlanti riceventi che è sorto per la prima volta questo problema Letteratura
Autori: Anatoly Grechikhin (UA3TZ), Dmitry Proskuryakov
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