Antenas de pequeno porte para estações de comunicação CB portáteis (Parte 1). Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / antenas de alta frequência

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INTRODUÇÃO

O uso generalizado de comunicações móveis em 27 MHz levanta a questão das antenas para tais comunicações.

Esta questão é complicada pelo fato de que o uso de antenas de quarto de onda - cujo comprimento é de 27 metros para a faixa de 2,7 MHz - é em muitos casos inaceitável. O uso de antenas encurtadas está associado a uma série de questões específicas que não são consideradas na literatura popular, mas se não forem conhecidas, a eficácia das comunicações MW pode se deteriorar significativamente.

Para rádios CB portáteis, as antenas chicote assimétricas são usadas principalmente. Está relacionado a isso. que outros tipos de antenas são simplesmente quase impossíveis de usar com esse tipo de rádio.

1. OPERAÇÃO DE ANTENAS ELETRICAMENTE CURTAS DE ESTAÇÕES PORTÁTEIS

Uma antena eletricamente curta consiste tanto da própria antena, que inclui um elemento radiante, quanto de elementos de seu sistema de correspondência e de seu sistema de aterramento. De acordo com ela, a resistência total da antena Ra consiste na resistência do pino (Rsh) e na resistência de seu aterramento (Rg) (Fig. 1).

Incluído na fórmula e na "resistência do meio ambiente" Rav. que diminui com o aumento do número de contrapesos e do comprimento da antena.

Ra=Rsh+Rz+Rcp

A energia útil de RF é dissipada por Rsh, então você precisa se esforçar para reduzir os valores de Rc e Rcp. No caso geral, usando métodos especiais, é possível medir a resistência do "terra", mas para a prática, pode-se supor que a resistência do invólucro da estação de rádio CB 20 ... 30 cm de comprimento, usada como contrapesos, para esta fórmula é de pelo menos 150 ... 300 Ohm.

O contato com uma mão humana não altera significativamente o valor. Mas conectar um contrapeso de quarto de onda ressonante de 2,7 metros de comprimento reduz a resistência de terra Rz. Já um contrapeso reduz a resistência Rz aproximadamente para um valor não superior a 50 ... 60 Ohm. e na presença de três ou quatro contrapesos, Rz pode ser considerado um valor desprezível de 5 ... 10 ohms. A resistência do meio é determinada pela interação do pino da antena com seu sistema "terra". Se em uma antena chicote de quarto de onda de tamanho normal essa interação ocorre em um grande espaço e, portanto, tem um valor insignificante, em antenas encurtadas, a interação eletromagnética de uma antena curta com um contrapeso curto ocorre em um volume limitado de espaço. Além disso, qualquer intervenção neste volume altera significativamente a resistência do meio e. portanto, tem um impacto significativo nos parâmetros de tal sistema de antena. Além disso, em tal sistema de antena com elementos encurtados, um aumento significativo em um deles. por exemplo, um pino para um valor de quarto de onda, ou um contrapeso, não causa uma diminuição significativa em Rcp. E apenas um aumento (isto é, alongamento) do pino e do contrapeso faz com que Rcp caia.

Já a partir disso podemos concluir que a resistência da antena curta da estação CB não é um valor constante, mas uma variável, que, em particular, depende da posição de objetos estranhos (incluindo o operador) em relação à antena.

No caso geral, uma antena bem combinada sob a influência desses fatores pode ser completamente incompatível.

Segue-se que o estágio de saída do transmissor da estação de rádio MW deve ser construído de tal forma que tal descompasso não afete significativamente seu funcionamento e que, eliminadas as causas do descasamento, o estágio de saída continue a funcionar normalmente. . Para fazer isso, é necessário que o transistor de saída tenha uma margem de potência de 3 ... 4 vezes. Uma versão de compromisso do circuito de correspondência de P-loop também é necessária. permitindo trabalhar em uma carga variável complexa. É necessário eliminar a auto-excitação ao alterar os parâmetros da antena. Já esses requisitos. apresentados aos estágios de saída de CBs de estações portáteis mostram que vale a pena levar muito a sério seu projeto. Para um rádio de carro móvel operando em uma antena de carro estacionária, os requisitos para RA são muito menores. Isso se deve ao uso da carroceria do carro como contrapeso, que é um bom "terra" para a antena MW. Um pino usado para uma antena CB de carro. tem um comprimento de cerca de um metro e, em muitos casos, até mais longo. Isso cria os pré-requisitos para a operação de uma antena de carro com um efeito muito maior do que uma antena de estação portátil. Também é significativo que não haja objetos estranhos na zona de interação das correntes de polarização no sistema "pino da antena - contrapeso", o que torna o Rсp para essas antenas mais estável do que nas estações portáteis.

De todos os tipos de antenas MW existentes para estações portáteis, dois grupos podem ser distinguidos - antenas ressonantes e não ressonantes. Entre as antenas chicote encurtadas do grupo ressonante, podem ser distinguidas as antenas espirais e as antenas chicote alongadas por indutância. Entre as antenas chicote não ressonantes, é aconselhável usar apenas um tipo - um pino curto como parte do circuito ressonante de saída. Neste caso, o pino é um capacitor de loop distribuído.

2. ANTENA ESPIRAL

Uma antena helicoidal pode ser considerada como um ressonador helicoidal aberto [1]. Nesse caso, a própria antena é um ressonador espiral, o circuito de correspondência do transmissor é uma continuação do ressonador espiral e entra em seu circuito de excitação, e o espaço externo pode ser considerado uma tela infinitamente distante (Fig. 2).

Figura.2

A validade dessas afirmações é facilmente verificada na prática. Assim, quando os parâmetros do circuito correspondente mudam, a parte ressonante do sistema de antena muda. Mesmo uma mudança muito pequena na capacitância final da antena altera muito sua frequência de ressonância [2]. E as antenas helicoidais são altamente suscetíveis à influência de objetos estranhos. Já aproximar uma mão a uma distância de 20 cm leva a um desencontro entre a antena e o transmissor, pois devido a uma mudança na capacitância do terminal, sua frequência de ressonância muda. Aqui é apropriado realizar o ajuste de acordo com o método proposto em [3]. Consiste no fato de que a antena helicoidal é sintonizada de modo que quando a mão se aproxima (ou devido a outras influências de descasamento), a intensidade do campo do sinal aumenta e depois diminui. Neste caso, a antena é ajustada não exatamente na ressonância, mas ligeiramente afastada dela.

As medições da intensidade do campo mostram que, neste caso, a intensidade do campo é cerca de 85% da intensidade do campo na ressonância exata. Mas ao testar uma estação de rádio com uma antena sintonizada em ressonância e com uma antena sintonizada na inclinação da antena, as vantagens deste último são óbvias. Assim, ao usar uma estação com uma antena ressonante no processo de comunicação de rádio, quando a antena se aproximou de uma pessoa, ocorreram flutuações significativas na intensidade do campo. Ao usar uma estação de rádio com uma antena sintonizada na inclinação da característica, a influência desigual de uma pessoa se manifestava muito mais fraca e a flutuação da força do campo era insignificante. Com base nisso, pode-se recomendar o ajuste de antenas helicoidais de acordo com o método proposto em [XNUMX]. Somente se a antena helicoidal operar em condições em que a influência de fatores de incompatibilidade é excluída, é possível sintonizar a antena para a intensidade de campo máxima.

Ao medir a intensidade do campo fornecida pela antena helicoidal e pela antena chicote com uma bobina de extensão, descobriu-se que a antena chicote ressonante era pelo menos três vezes mais longa. do que a antena helicoidal em teste forneceu a mesma intensidade de campo. A partir disso, podemos concluir que em estações portáteis a opção de antena mais ideal é a helicoidal, que é mais forte e mais simples em design do que uma antena chicote com os mesmos parâmetros. Nesse caso, deve-se levar em consideração que, neste caso, o corpo curto da estação de rádio é um "terra" melhor para uma antena helicoidal do que para uma antena chicote com os mesmos parâmetros. Mas a anena espiral. proporcionando uma grande intensidade de campo, cria as condições prévias para a operação instável do transmissor.

De fato, durante os experimentos, descobriu-se que o mesmo transmissor, que funcionava de forma estável com uma antena externa alimentada por cabo, era excitado quando uma antena espiral era conectada a ele. Somente uma triagem e ajuste mais cuidadosos dos circuitos correspondentes permitiram que o transmissor funcionasse com uma antena helicoidal sem auto-excitação.

Uma antena helicoidal, como uma antena chicote, pode ser sintonizada em uma frequência de operação usando uma capacitância de encurtamento e uma indutância de alongamento. O uso de capacitância aumenta a frequência de ressonância da antena, enquanto o uso de indutância a diminui. Nesse caso, para aumentar a eficiência da antena, é necessário que a bobina de extensão seja a menor indutância possível e a capacitância de encurtamento - a maior possível. O uso de tais elementos de sintonia permite o uso de uma antena helicoidal em uma ampla faixa de frequência, pois, dependendo do projeto e da qualidade da correspondência, a largura de banda da antena helicoidal é pequena e chega a 200 ... 300 kHz no 27 faixa de MHz.

Há outro ponto muito importante ao usar antenas helicoidais. Quando essa antena é conectada por meio de um cabo coaxial, sua frequência de ressonância se deve à introdução da reatividade do cabo na impedância complexa da antena e, conseqüentemente, sua mudança. muda e precisa ser ajustado.

Ao construir uma antena helicoidal, como aliás qualquer outra antena encurtada, deve-se atentar para mais uma característica deste sistema de antenas, que é isso. que quando um contrapeso de quarto de onda é conectado, a frequência de ressonância desse sistema de antena muda um pouco. Isso pode ser explicado pelo fato de que o contrapeso, que possui Rz próprio, altera Rsp. A capacitância "antena - espaço" também muda. A largura de banda da antena helicoidal é expandida em cerca de 1.5...2 vezes devido à diminuição do seu fator de qualidade e, ao mesmo tempo, devido à radiação mais eficiente. Basicamente, no estudo experimental a frequência de ressonância da hélice com balanços de quarto de onda não ultrapassou a largura de banda da antena. Ao mesmo tempo, a intensidade do campo com um contrapeso de quarto de onda aumentou pelo menos duas vezes.

A antena helicoidal deve ser conectada com condutores tão curtos quanto possível ao circuito de correspondência de saída. Isso permite que você forneça a largura de banda necessária e a radiação espúria mínima da linha de conexão.

3. PROJETOS PRÁTICOS DE ANTENAS HELICAIS

Abaixo são considerados projetos práticos de antenas helicoidais publicados na literatura dos últimos anos. Os parâmetros da antena foram medidos usando um antenoscópio.

Uma antena helicoidal, cujo projeto é mostrado na Fig. 3, foi publicada em [4]. Testes desta antena mostraram que esta antena é um quarto de onda na banda de 21 MHz. De fato, junto com um contrapeso ressonante de quarto de onda, a resistência da antena aqui era de cerca de 40 ohms. com pouca reatividade.

Conectando essa antena a um transceptor de 40 W por meio de um cabo coaxial com cerca de dez metros de comprimento e colocando a antena na abertura de uma janela, consegui fazer várias conexões em 21 MHz com RST56-58, o que fortaleceu ainda mais minha opinião sobre sua verdadeira ressonância. Mas ainda ajustando as voltas e capacitância, conforme mostrado em [4]. foi possível estabelecer que na faixa de 27 MHz sua ressonância é possível, correspondendo ao comprimento de antena equivalente a meio comprimento de onda.

A largura de banda da antena na banda de 21 MHz foi de 200 Hz, na banda de 27 MHz - 250 kHz com um contrapeso de quarto de onda.

A antena espiral, cujos dados são mostrados na Fig. 4, refere-se a antenas de quarto de onda. Com a ajuda de um pino adicional, ele pode ser ajustado em uma ampla faixa - de 26 MHz a 35 MHz. Na faixa de 27 MHz, sua impedância de entrada com o corpo da estação de rádio era de 1300m e a largura de banda era de 650 kHz. Com contrapeso de quarto de onda de 65 ohms. A largura de banda foi de 800 kHz. a ressonância se deslocou para cima em 200 kHz. Deve-se notar que este método de ajuste da frequência ressonante da antena, embora bastante bem sucedido em sua simplicidade e eficiência, ainda reduz o fator de qualidade do ressonador espiral e, como resultado, reduz a eficiência da antena. Isso se reflete na redução da intensidade do campo e na expansão da largura de banda da antena.

A antena helicoidal mostrada na Fig. 5 [5], quando testada em um antenoscópio, não apresentou ressonância na banda de 27 MHz e apresentou ressonância de quarto de onda na banda de 21 MHz. Juntamente com um contrapeso de quarto de onda, sua resistência aqui era de 25 ohms com uma largura de banda de 250 kHz. Mas ao usar o sistema de correspondência de uma determinada estação de rádio [5], verificou-se que, de fato, a ressonância é alcançável na faixa de 27 MHz. Obviamente, aqui a ressonância da antena ocorre não devido à sua operação como ressonador de quarto de onda, mas como um P-congur com capacitância distribuída. Neste caso, a antena helicoidal é equivalente a um sistema de circuitos P conectados à saída do transmissor, cuja capacitância é a capacitância da antena ao terra. A radiação ocorre devido ao ajuste de todo o sistema de circuitos P do transmissor em ressonância. No entanto, as medições de intensidade de campo mostraram que, neste caso, o uso de uma antena helicoidal é ineficiente. A mesma intensidade de campo pode ser fornecida por uma antena chicote sintonizada em ressonância com uma bobina de extensão que é apenas 1,3 vezes maior que o comprimento dessa antena helicoidal.

A antena helicoidal mostrada na Fig. 6 [6] apresentou uma impedância de entrada na frequência de ressonância da faixa de 27 MHz de 110 ohms com o corpo da estação e 40 ohms com um contrapeso de quarto de onda. A largura de banda com o corpo da estação foi de 300 kHz. com um contrapeso - 450 kHz. Graças a. que sua parte superior seja enrolada com descarga, a influência do corpo humano na afinação desta antena não é tão forte quanto no caso de enrolamento contínuo. A conexão de um contrapeso de quarto de onda alterou a frequência de ressonância em 200 kHz para cima.

A antena utilizada na estação de rádio do tipo Kolibri-M2 foi investigada. Seu projeto é mostrado na Fig.7. Na faixa de 27 MHz, esta antena apresentou impedância de 100 ohms e largura de banda de 300 kHz com o corpo da estação, e impedância de 47 ohms e largura de banda de 200 kHz com contrapeso de quarto de onda. A conexão de um contrapeso de quarto de onda alterou a frequência de ressonância em 120 kHz para cima. Foram as antenas mostradas nas Figuras 5 e 6 que forneceram a intensidade do campo. comparável à intensidade de campo desenvolvida por uma antena de haste com uma bobina de extensão, com um comprimento de haste três vezes o comprimento de uma antena helicoidal.

Uma visão prática da resposta em frequência das duas últimas antenas é mostrada na Fig. 8. A partir desta figura pode-se ver que a resposta em frequência da antena é assimétrica. Quando um contrapeso de um quarto de onda é conectado, a resposta de frequência irá se misturar ligeiramente - em cerca de. 100 kHz para a banda de 27 MHz, porém, a largura de banda da antena permite trabalhar nos canais MW. Conhecer a resposta de frequência de uma antena helicoidal permite sintonizá-la adequadamente - não no meio da faixa de operação, mas um pouco mais alta.

4. FABRICAÇÃO E AJUSTE DE ANTENAS ESPIRAIS

Na literatura, recomenda-se a realização de antenas helicoidais no núcleo de polietileno do cabo coaxial. De fato, esta é a melhor opção de material para essa antena. É desejável usar um cabo de 75 ohms para a fabricação de uma antena helicoidal, porque geralmente contém um único condutor interno, que pode ser facilmente puxado com um alicate segurando o próprio cabo na outra extremidade em uma morsa. Se você usar um cabo de 50 ohms para a estrutura da antena, que geralmente possui um condutor central composto por vários fios de cobre, pode ser difícil removê-los.

A saída mais simples é aquecer os condutores passando uma corrente de 50 ... 100 A através deles usando alguma fonte de corrente poderosa. e, em seguida, puxe-os rapidamente para fora.

A estrutura de polietileno apresenta uma superfície rugosa após a retirada do trançado, o que facilita o enrolamento do fio com tensão. Deve-se lembrar que uma antena helicoidal é um sistema de Q alto, e se não for feito com cuidado, sob influência da temperatura, sua frequência de ressonância pode ir além da faixa para a qual está sintonizada. No estudo de antenas helicoidais, descobriu-se que sua frequência de ressonância muda de 50 a 80 kHz para cima quando são resfriadas a uma temperatura de -15°C. A antena deve ser bem embrulhada com fita isolante para evitar que as bobinas se desloquem. e, consequentemente, mudanças na frequência de ressonância. A fita de PVC flexível é adequada para isso. A fita adesiva não é adequada para isso devido à sua rigidez excessiva.

Deve-se notar que a antena helicoidal é um sistema não simétrico. Deve ser conectado ao transmissor somente com a extremidade indicada em sua descrição. Ao conectar as antenas mostradas nas Figuras 6 e 7 na outra extremidade, elas terão ressonâncias completamente diferentes, distantes da banda de 27 MHz. Mesmo com uma mudança no final da conexão, ficaria assim. antena simétrica como na Fig. 5, sua ressonância é deslocada devido a alguma assimetria na execução da antena.

Estruturalmente, é conveniente realizar sua extremidade, conectada ao transmissor, utilizando o conector SR-50 ou SR-75. derretendo a base plástica da antena lá. Deve haver pelo menos 12 mm da estrutura metálica do conector até o início do enrolamento da espiral. Na fabricação da antena, não é necessário se esforçar para usar a base do diâmetro especificado. Um desvio de 2 ... 3 mm é bastante aceitável. Por exemplo, pode ser usado em vez de uma base de polietileno de 7 mm 9 mm, também pode ser usado em vez de 12 mm. Embora os parâmetros da antena mudem, é bem possível sintonizá-la na banda de 27 MHz.

As antenas são sintonizadas, conforme indicado na descrição, desenrolando as espiras do lado do enrolamento mais denso. No caso da fabricação de todas as antenas aqui descritas, foi possível sintonizar a faixa de 27 MHz desenrolando parte das voltas. Essa. eles foram pré-calculados para uma frequência de ressonância logo abaixo de 27 MHz. Para uma operação eficaz da antena, é necessário ter um bom aterramento da estação, como uma caixa de metal. Se não houver, é necessário colocar uma folha larga de cobre ou alumínio em um local conveniente ao longo de todo o comprimento da estação. Esse contrapeso aumenta a intensidade do campo em cerca de 15 ... 20%, o que também aumenta aproximadamente o alcance da comunicação. Em alguns casos, ajuda a remover a auto-excitação do transmissor.

As dimensões da antena helicoidal podem ser consideradas ótimas quando seu comprimento é aproximadamente 20% maior que o comprimento do contrapeso corporal. Se a antena for menor que este valor. a influência do corpo humano e outros objetos estranhos sobre ele aumenta. Um aumento adicional não causa o mesmo aumento na intensidade do campo, é mais fácil usar um contrapeso de quarto de onda para aumentar o alcance da comunicação.

(Continuação)

Autor: I. Grigorov (RK3ZK, UA3-113), Belgorod; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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