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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antena de fenda esquelética: mitos e realidade. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas VHF A julgar pela literatura estrangeira de rádio amador, a antena esqueleto é popular em frequências acima de 20 MHz. O artigo publicado tenta responder à questão - até que ponto o seu coeficiente direcional declarado na literatura corresponde à realidade. Em livros sobre antenas VHF, a chamada antena esqueleto-slot foi descrita repetidamente, e todas as publicações, sem exceção, relataram seus parâmetros muito altos, grande coeficiente de diretividade (DA), ampla banda de frequência e facilidade de ajuste. A ideia da antena foi proposta por J. Ramsey em 1949 [1], seu desenho é mostrado na Fig. O elemento ativo da antena consiste em três dipolos paralelos de meia onda localizados três níveis acima um do outro. Para reduzir o tamanho da antena, as extremidades dos dipolos superior e inferior são dobradas em ângulo reto em direção ao dipolo médio e conectadas a ele. Isso é o que os deixa entusiasmados. O dipolo do meio é dividido e conectado a uma linha de dois fios de quarto de onda correspondente, que também serve para montar o refletor. O refletor é projetado como um canal de onda na forma de um único vibrador, cujo comprimento elétrico é ligeiramente maior que meia onda. As dimensões da antena em comprimentos de onda e os valores do coeficiente de encurtamento k, dependendo do diâmetro dos condutores (tubos) d, são mostrados na Fig. 1. Movendo o ponto de alimentação XX ao longo da linha de dois fios, você pode alterar a impedância de entrada da antena de zero (perto do refletor) para aproximadamente 400 Ohms (no ponto YY próximo ao elemento ativo).
A distribuição de corrente no elemento ativo é mostrada na Fig. 2. Pode-se observar que os antinodos (máximos) da corrente estão localizados exatamente no meio das partes horizontais do elemento, formando um sistema em fase de três andares. Nas partes verticais do elemento ativo, as correntes são pequenas e direcionadas umas para as outras. Além disso, existem quatro nós de corrente aqui, portanto não há radiação de campo distante das partes verticais. Lembremos que na zona distante o padrão de radiação da antena está quase completamente formado. A distância até a zona distante é de vários comprimentos de onda. Quanto maior for a eficiência da antena, maior será.
O elemento ativo de uma antena esqueleto-slot também pode ser considerado como dois quadrados, combinados com um lado e pontos de alimentação. No entanto, comparado a dois quadrados de tamanho real, o perímetro do elemento ativo da antena esqueleto-slot é um pouco menor, provavelmente devido ao efeito de encurtamento da capacitância entre os condutores verticais do elemento. Uma antena semelhante foi proposta por K. Kharchenko [3], mas nela dois quadrados são alimentados pelos cantos e combinados com pontos de alimentação. Uma antena simples com slot de esqueleto possui um refletor que não é eficiente o suficiente. Esta desvantagem pode ser eliminada construindo o refletor exatamente da mesma maneira que o elemento ativo (na forma da mesma estrutura de vibradores de três andares). Linhas de dois fios não podem mais ser colocadas entre os elementos, mas ninguém se preocupa em desenhá-las no plano de cada elemento até o ponto com potencial zero no meio do vibrador horizontal inferior. O que acontece após esta modificação é mostrado na Fig. 3. As dimensões dos próprios elementos permanecem as mesmas e a distância entre o elemento ativo e o refletor é reduzida para 0,18. Esta antena tem mais uma vantagem. Ao mover os jumpers de curto-circuito ao longo de linhas de dois fios, os elementos podem ser ajustados para a frequência desejada e, ao mover o jumper refletor, é fácil ajustar a antena para a eficiência máxima ou relação de radiação para frente e para trás.
Para tal antena de dois elementos, descrita em [2 e 4], é relatada uma eficiência incomumente alta de 14...16 dB! Se o segundo dos livros mencionados não fosse uma publicação séria, ainda assim poderíamos desistir e não levar esse número a sério. Mas este livro é, em geral, muito bom e quase não contém erros. Seu autor, é claro, não pôde testar todas as muitas construções nele apresentadas. Portanto, se for um erro, então apareceu antes, em algumas outras publicações, e agora é difícil encontrar a fonte original. É bastante claro que um sistema de vibradores em fase deve proporcionar maior eficiência do que um único vibrador, mas a questão é: quanto? Embora em [2] na pág. 100 e afirma-se que a antena “... é na verdade uma antena em fase de seis elementos e três andares”, mas os vibradores são bastante próximos uns dos outros e também encurtados. Isto certamente reduzirá a eficiência. Assim, havia mais perguntas do que respostas. Além disso, rádios amadores conhecidos do autor planejavam construir exatamente essa antena para o alcance de 10 metros e estavam dispostos a gastar dinheiro com o material, que hoje em dia não é barato! Para obter uma resposta clara e precisa à questão do fator de diretividade, foi realizado um experimento na faixa de 432 MHz. Os elementos foram dobrados de acordo com a Fig. 3 pedaços de fio de cobre esmaltado com diâmetro de 1,5 mm, as conexões são soldadas e os condutores da linha nos locais onde estão instalados os jumpers de fechamento e conectado o cabo são despojados de isolamento. Toda a estrutura foi montada sobre uma moldura de madeira feita de ripas finas e secas. O cabo de alimentação ia dos pontos de alimentação ao longo do condutor de linha de dois fios ao qual a trança estava conectada, verticalmente para baixo e conectado diretamente à saída do gerador de sinal padrão. O indicador de campo era um dipolo de meia onda com um detector e um microamperímetro. Ele estava localizado em um tripé a vários metros da antena. A antena também foi montada em um tripé giratório primitivo, o que possibilitou mudar sua orientação. A antena foi sintonizada com bastante facilidade e rapidez, apenas para radiação máxima na direção principal. Com as dimensões indicadas na frequência de 432 MHz, as distâncias dos jumpers de fechamento da base dos cabos de dois fios para a antena sintonizada foram as seguintes: para o refletor - 43 mm, para o elemento ativo - 28 milímetros. A distância até o ponto de conexão do cabo de 50 ohms foi de 70 mm. Quando ajustado para diretividade máxima, um pequeno lóbulo posterior é detectado. Ao ajustar o refletor, ele pode ser suprimido quase completamente. Não houve radiação lateral, para cima ou para baixo. A eficiência, ou mais precisamente, o ganho da antena, igual ao produto da eficiência e eficiência, foi determinado da seguinte forma: o nível do sinal criado pela antena na direção principal foi anotado no indicador, então, em vez do antena, um dipolo de meia onda localizado no mesmo ponto do espaço foi conectado ao cabo de alimentação. O nível do sinal do gerador aumentou o suficiente para obter as mesmas leituras no indicador. A mudança no nível do sinal medida pelo atenuador do gerador é numericamente igual ao ganho da antena em relação ao dipolo de meia onda. Para esta antena acabou sendo 7 dBd. Comparado a um emissor isotrópico (omnidirecional), será 2,15 dB a mais e cerca de 9,2 dBi. Preste atenção nas letras d e i na designação dos decibéis - na literatura sobre antenas é assim que se costuma indicar em relação a qual emissor a diretividade é medida. A largura do padrão de radiação a meia potência era de cerca de 60° no plano horizontal (em azimute) e de cerca de 90° no plano vertical (em elevação). De posse desses dados, a diretividade pode ser calculada de mais uma forma: o ângulo sólido no qual a antena irradia é igual ao produto dos ângulos lineares correspondentes à largura do diagrama e expresso em radianos. Obtemos um valor de cerca de 1,5 esterradianos. Ao mesmo tempo, uma antena isotrópica irradia em um ângulo sólido de 4π, ou 12,6 esteradianos. A diretividade, por definição, é a razão desses ângulos sólidos e é 12,6/1,5 = 8,4 ou 9,2 dBi. Tendo obtido uma concordância tão boa entre os valores de diretividade determinados pelos dois métodos, o autor decidiu que não havia mais nada a medir e, com ligeira decepção, ficou mais uma vez convencido de que milagres não acontecem na tecnologia de antenas. Mesmo assim, a antena funciona muito bem e, apesar de suas pequenas dimensões (330x120x120 mm na faixa de 432 MHz), oferece um ganho bastante decente. Literatura
Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE)
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