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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antena direcional vertical. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / antenas de alta frequência A tarefa de criar uma antena direcional com polarização vertical não é tão simples quanto parece à primeira vista. Parece que ele virou os elementos de um feixe convencional (canal de ondas) verticalmente, e tudo está em ordem, mas surge a questão de anexar essa antena ao mastro. Em VHF, você pode mover o feixe portador para o lado do mastro, na direção da radiação, mas essa antena acaba sendo mecanicamente desequilibrada e requer um mastro muito grosso e forte para sua fixação. As principais vantagens das antenas verticais desaparecem - pequenas dimensões horizontais, leveza e facilidade de instalação. Mas mais sobre isso mais tarde, mas primeiro precisamos nos debruçar sobre o conceito escolhido de uma antena direcional vertical. O desejo de projetar uma antena simples e leve nos fez recorrer ao design do feixe ZL, que contém apenas dois elementos de alimentação ativa e tem dimensões muito pequenas em comprimento da ordem de L / 8 ... L / 10. Ao mesmo tempo, o fator de diretividade (DFA) desta antena é bastante significativo e equivalente, conforme indicado na literatura, ao DFA de um feixe de três elementos com elementos passivos. A mesma ideia é usada no "quadrado suíço", que também possui parâmetros muito bons e diretividade ainda maior. Portanto, o princípio de funcionamento dessas antenas merece uma análise cuidadosa, que faremos agora.
Tomemos dois radiadores pontuais hipotéticos S1 e S2, localizados a uma distância d, como mostrado na Fig. 1 em cima. Deixe a potência do transmissor ser dividida igualmente entre os emissores, para que as amplitudes dos campos criados pelos emissores sejam as mesmas. Mas as fases de excitação dos emissores devem ser diferentes para obter radiação direcional. Para começar, vamos considerar o caso mais simples, quando d = V4, e os radiadores são alimentados em quadratura, ou seja, o deslocamento de fase das oscilações aplicadas a eles é de 90°. No diagrama vetorial (na linha do meio, no meio), as oscilações dos emissores são mostradas pelos vetores s1 e s2. O ângulo φ corresponde a um deslocamento de fase adicional de oscilações de até 180°. Também concordamos que a incursão de fase (atraso de fase) quando uma onda se propaga por uma certa distância é levada em consideração girando o vetor no sentido horário pelo ângulo apropriado. Assim, por exemplo, uma onda que percorreu um caminho de um quarto de onda adquirirá uma incursão de fase de 90°. Consideremos a radiação do sistema à direita, e as fases das ondas serão medidas diretamente próximas ao emissor S2 (com mais propagação para a direita, ambas as ondas de dois emissores adquirirão o mesmo deslocamento de fase, e a relação de fase entre suas oscilações não mudará). O diagrama vetorial correspondente é mostrado na linha do meio à direita. A oscilação s2 não mudará e a oscilação s1 adquirirá um deslocamento de fase de 90° após passar pelo caminho L/4. Como resultado, as ondas estarão fora de fase e não haverá radiação nessa direção. Quando as ondas se propagam para o lado esquerdo dos emissores, o vetor s1 permanecerá na mesma posição e o vetor s2 girará 90° no sentido horário, pois a onda do emissor s2 passará pelo caminho L/4. O diagrama vetorial de oscilações próximo ao emissor s1 é mostrado na Fig. 1 na linha do meio à esquerda. Pode-se observar que as ondas dos emissores S1 e S2 são somadas em fase e a oscilação total adquire uma amplitude dobrada. Exatamente da mesma maneira, pode-se encontrar o campo de radiação em outras direções. Para uma representação mais figurativa, podemos supor que a Fig. 1 mostra uma vista de cima de duas antenas chicote S1 e S2. Tal sistema de dois pinos terá um padrão de radiação próximo a um cardióide. O máximo de radiação será direcionado para a esquerda e o zero de radiação será direcionado para a direita. Nas direções laterais (para cima e para baixo na figura), o sistema também irradiará, e de forma bastante significativa, pois duas ondas de quadratura se somarão nessas direções. É possível aumentar ligeiramente a nitidez do padrão de radiação colocando os emissores S1 e S2 mais próximos um do outro, por exemplo, a uma distância de L/8. Diagramas vetoriais para este caso são mostrados na linha inferior na fig. 1. Com base no fato de que a radiação para a direita, como antes, deve estar ausente, determinamos o deslocamento de fase das oscilações dos emissores. Deve ser 4p/135 ou 1°, conforme mostrado no diagrama vetorial no centro da linha inferior. Então, quando emitido para a direita, o vetor de oscilação s4 girará em um ângulo de n/45 ou 2°, e estará em antifase com o vetor s1 (veja o diagrama vetorial na linha inferior à direita). Ao emitir para a esquerda, os vetores s2 e s1,41 não estarão mais em fase, mas em quadratura, e a amplitude do campo resultante não será mais o dobro, como no caso anterior, mas será apenas 2 vezes maior que o campo de cada um dos emissores (diagrama vetorial à esquerda). A radiação para o lado também será menor, pois campos próximos à antifase são adicionados nessas direções. A distância entre os emissores pode ser ainda menor, mas para obter radiação unidirecional, o ângulo , que complementa o deslocamento de fase dos emissores para a antifase, deve satisfazer a condição: φ = XNUMXpd/L, ou seja. também deve diminuir. Não se deve pensar que a eficiência de uma antena "curta" com pequenos d e emissores quase fora de fase seja menor que a eficiência de uma antena "completa" com uma distância d = L/4. Se as perdas de elementos puderem ser desprezadas, então toda a potência fornecida ao sistema de antenas deve ser irradiada e os campos de ambas as antenas devem ser os mesmos (desconsiderando uma pequena diferença nos padrões de radiação). Mas as correntes nos elementos de uma antena "curta" para criar o mesmo campo são grandes e, se forem levadas em consideração as perdas nos elementos, elas também aumentam devido às grandes correntes. As correntes antifase nos elementos de uma antena "curta" são semelhantes às correntes antifase na bobina e no capacitor de um circuito oscilatório paralelo, cuja amplitude é proporcional ao fator de qualidade. Da mesma forma, quando a distância entre os vibradores é encurtada e as correntes neles se aproximam da antifase, o fator de qualidade equivalente do sistema de antena aumenta e, consequentemente, sua banda de frequência operacional diminui. Esse é o preço do downsizing. Mas com a distância entre os vibradores L/8...L/10, o aumento das perdas nos elementos e o fator de qualidade equivalente não ultrapassa 1,4...2 vezes e compensa totalmente reduzindo as dimensões da antena, o que é confirmado por muitos anos de prática na concepção de vigas ZL.
Um dos projetos mais simples de vigas ZL é mostrado na Figura 2. Ele contém dois vibradores de meia onda divididos (vibradores de loop são frequentemente usados) conectados por uma linha aérea com fios cruzados. Como o coeficiente de encurtamento de onda na linha aérea é próximo da unidade, quando o sistema é alimentado nos pontos "X-X", o deslocamento de fase das oscilações nos vibradores corresponde apenas à fórmula acima. Uma fase mais precisa dos elementos é alcançada alterando (selecionando) seu comprimento. Neste caso, a frequência de ressonância do elemento muda e, como qualquer circuito oscilatório, de acordo com sua característica de frequência de fase, a fase de oscilações nele. De fato, a energia pode ser levada até o meio da linha, e o escalonamento dos elementos pode ser feito desta maneira: um elemento é levemente encurtado e o outro é levemente alongado. A dessintonização dos elementos é muito pequena, pois o deslocamento de fase necessário em cada elemento é apenas f/2. O padrão de radiação do feixe ZL no plano horizontal (em azimute) é visivelmente reduzido também porque os próprios vibradores não irradiam lateralmente. No plano vertical, o diagrama é um pouco mais amplo. Esta antena é muito boa como uma pequena antena direcional com polarização horizontal. De acordo com inúmeros dados da literatura, sua eficiência chega a 4 dB em relação a um dipolo ou 6 dB em relação a um emissor isotrópico (omnidirecional). Por razões óbvias de design, não é muito fácil posicionar os vibradores ZL-beam verticalmente, além disso, há problemas com a fiação da linha de energia. Diante dessas dificuldades, o pensamento do autor voltou-se para radiadores verticais mais adequados, que pudessem ser colocados a uma pequena distância uns dos outros, de acordo com a ideologia da viga ZL. Um desses radiadores é a antena J, cujas duas versões, diferindo apenas na maneira de combinar com o alimentador, são mostradas na Fig.3.
A antena J é um vibrador vertical de meia onda alimentado a partir da extremidade inferior. No final, a resistência do vibrador é muito alta e chega a vários kiloohms, em total conformidade com a lei de Ohm - afinal, a corrente aqui é pequena e a tensão é alta. Para combiná-lo com uma baixa resistência do cabo, é usada uma linha de dois fios de quarto de onda. Na primeira variante (à esquerda na Fig. 3), sua impedância de onda deve ser igual à média geométrica entre as resistências do vibrador e do cabo, ou seja, qualquer coisa na região de 300 ... 600 ohms. A correspondência exata pode ser alcançada alterando a impedância da onda da linha (praticamente - a distância entre os condutores). Isso não é totalmente conveniente, então a segunda versão da antena J (à direita na Fig. 3) é melhor em muitos aspectos. Aqui, os condutores da linha de quarto de onda são simplesmente fechados na extremidade inferior, e esse ponto com potencial zero pode ser aterrado com um fio de qualquer comprimento, conectado a qualquer "massa", por exemplo, o telhado de uma casa ou carro, o que é conveniente construtivamente, mas você não pode se conectar a nenhum lugar. A energia é fornecida à linha por um autotransformador, nos pontos "XX" localizados a uma certa altura acima da extremidade em curto-circuito da linha. Com qualquer cabo, a antena é facilmente combinada simplesmente movendo os pontos de alimentação "XX". A impedância de onda de uma linha de dois fios nesta modalidade não importa muito. O curso de pensamento posterior foi o seguinte: se duas antenas J em um sistema direcional estão localizadas lado a lado, é possível usar uma linha comum de dois fios para alimentá-las e coordená-las? Afinal, as tensões nos condutores da extremidade aberta da linha são antifásicas, que é exatamente o que é necessário para alimentar dois vibradores próximos! Bem, o deslocamento de fase necessário das oscilações nos vibradores +f/2 e -f/2 pode ser obtido alterando seu comprimento - encurtando um e alongando o outro. Resta decidir como conectar as extremidades dos vibradores de meia onda, separadas por L / 8, com as extremidades da linha de dois fios, localizadas lado a lado. Acabou sendo fácil - afinal, a corrente é pequena nas extremidades dos vibradores, eles quase não irradiam, então não haverá nada de errado se as extremidades dos vibradores forem dobradas uma em direção à outra e conectadas diretamente às extremidades da linha. Tudo ficou incrivelmente simples, tanto que surgiram dúvidas - funcionaria? Era necessário um experimento. Dito e feito, a antena na frequência de 430 MHz (comprimento de onda de 70 cm) foi dobrada a partir de um único pedaço de fio de cobre com um diâmetro de 1,7 mm. Seu esboço com dimensões refinadas durante os experimentos é mostrado na Fig. 4 b).
O cabo de alimentação com impedância de onda de 50 ohms foi conectado conforme mostrado na Fig. 4 c). É útil tornar os contatos nos pontos de alimentação "XX" móveis para selecionar a posição desses pontos de acordo com a ROE mínima. Infelizmente, não havia nada para medir a ROE, e a posição dos pontos de alimentação foi escolhida de acordo com o máximo do campo da antena na direção principal. Foi utilizado um indicador de campo caseiro, composto por uma antena dipolo, um detector de diodo e um cabeçote de medição de 50 µA. A fonte de sinal foi um oscilador de medição com impedância de saída de 50 Ω e um atenuador com passo de 1 dB. Inicialmente, a antena foi fixada em uma morsa de mesa para a base inferior da linha de dois fios, em seguida foi feito um suporte giratório primitivo. Embora as medições tenham sido realizadas em uma sala não equipada e não afirmem ser altamente precisas, a antena atendeu plenamente às expectativas! Em primeiro lugar, a antena funcionou e forneceu radiação unidirecional em direção ao vibrador curto. Segundo, quando comparado a um dipolo de meia onda localizado no mesmo local e alimentado pelo mesmo cabo, o atenuador do oscilador teve que ser pressionado em 4 dB para obter o mesmo sinal no indicador de campo. Isso nos permite avaliar o fator de diretividade da antena pela mesma figura. O padrão de radiação no plano vertical (o plano dos vibradores) é mostrado na Fig. 4a e, em geral, corresponde totalmente aos padrões semelhantes de feixes de dois elementos. No plano horizontal, o diagrama é o mesmo, mas um pouco mais amplo. É curioso que, ajustando o comprimento dos elementos, seja possível obter a completa ausência do lóbulo traseiro (em qualquer caso, o indicador de campo não o detectou), mas ao mesmo tempo o ganho foi um pouco, por um fração de um decibel, menor do que ao ajustar a antena para o ganho máximo. Em conclusão, apresentamos algumas considerações práticas sobre o projeto da antena proposta. Para aumentar a resistência mecânica, você pode instalar um isolador nas extremidades de uma linha de dois fios, na área de sua curva e transição para os condutores do vibrador. O isolador deve ser de boa qualidade, pois o antinodo da tensão está localizado aqui. As curvas em si não precisam ser feitas em ângulo reto, os "ombros" da antena também podem ser inclinados. Além disso, parece ao autor que a posição dos "ombros" não é particularmente crítica - eles podem estar localizados um pouco mais acima ou um pouco mais abaixo. É muito mais importante observar todo o comprimento dos condutores desde a parte inferior da linha de dois fios até a extremidade superior do vibrador. Deve ser cerca de 0,73L. para um vibrador curto (diretor) e cerca de 0,77L para um longo (refletor). Com o aumento do diâmetro dos condutores (tubos) dos quais a antena é feita, seu comprimento diminui um pouco. O fator de encurtamento para vibradores "espessos" pode ser encontrado na literatura de antenas. Notamos também que não há necessidade de fazer vibradores e uma linha de dois fios a partir de tubos do mesmo diâmetro. A antena será mais forte e será mais capaz de suportar cargas de vento se a linha de dois fios for feita de tubos de diâmetro maior e os vibradores forem feitos relativamente finos. Por conveniência de ajuste, é útil equipar os vibradores com "topmasts" na extremidade superior, inseridos telescopicamente no tubo principal, pois encurtar os vibradores com alicate, como o autor fez, é repleto de consequências irreversíveis - depois disso , o vibrador só pode ser alongado com um ferro de solda. Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Moscou; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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