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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA A mística das antenas curtas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Teoria Quando as pessoas querem elogiar a alta sensibilidade de um receptor, muitas vezes dizem que ele pode receber sinais de estações de rádio mesmo em um “pedaço de fio”. Neste artigo, o autor prova teórica e experimentalmente que o notório “pedaço de fio” está longe de ser a pior antena e, se devidamente combinado com a entrada do receptor, pode fornecer uma tensão de sinal muito alta. Para recepção de transmissão em ondas longas e médias, elas eram amplamente utilizadas e, mesmo agora, apesar do uso generalizado de antenas magnéticas de ferrite, ainda são frequentemente utilizadas antenas elétricas na forma de um pedaço de fio comum localizado verticalmente. Ao trabalhar com tal antena, é necessário aterramento ou contrapeso para uma boa recepção. No caso mais simples, o corpo do receptor serve como contrapeso e, se for alimentado pela rede, o contrapeso serão os fios do cabo de alimentação e a própria rede elétrica. Antenas de fio horizontal raramente são utilizadas, pois todas as estações de rádio das faixas DV e MF emitem ondas exclusivamente com polarização vertical, o que está associado às propriedades da superfície terrestre, que se aproximam das propriedades do condutor para essas faixas. Os radioamadores, especialmente aqueles que experimentaram os receptores de ganho direto mais simples e insuficientemente sensíveis, sabem que antenas de fio curto são muito eficazes, em particular, um pedaço de fio de 1...2 m de comprimento muitas vezes desenvolve um sinal muito maior do que uma ferrite. antena. Qual é o segredo? Afinal, o comprimento de uma antena de fio é incomensuravelmente menor que o comprimento de onda e, de acordo com todos os cânones, não deveria ser eficaz. As tentativas de analisar o funcionamento de uma antena receptora de rádio vertical curta, bem como o desejo de otimizá-la, levaram a resultados muito interessantes e até surpreendentes, que o autor oferece aos leitores curiosos. A otimização, no sentido de obter a tensão máxima na entrada do receptor (ou seja, tensão, não potência!), resumiu-se em eliminar o capacitor do circuito de entrada e substituí-lo pela capacitância da própria antena, conforme mostrado na Fig. 1. Neste caso, a resistência de entrada do controle de frequência de RF foi assumida como infinitamente grande, o que está próximo da verdade quando se utiliza um transistor de efeito de campo em LW e MW. A capacitância de entrada do amplificador de RF e a capacitância da bobina são somadas à capacitância da antena. Não os levaremos em consideração na análise.
Na fig. A Figura 1 também mostra a distribuição de corrente na antena, que representa a seção inicial de uma senóide. Com precisão suficiente, pode ser considerado triangular. Substituindo-o por um retângulo de mesma área, obtemos a altura efetiva da antena h, igual à metade de sua altura geométrica. A indutância da bobina é selecionada de forma que, junto com a capacitância da antena, alcance ressonância na frequência recebida. O circuito equivalente do circuito resultante é mostrado na Fig. 2.
Na ressonância, a reatância capacitiva da antena - Xc é igual à indutiva Xt (em valor absoluto) e as reatâncias se compensam, portanto a corrente no circuito é máxima e igual a e/R, onde e é a fem de o sinal desenvolvido na antena (e = Eh: E - campos de tensão), e R é a resistência ativa do circuito. Como a tensão na entrada RF (U) é removida da bobina, ela é igual à corrente no circuito multiplicada pela reatância indutiva da bobina: U = EhXL/R. Temos uma fórmula simples para calcular a tensão desenvolvida pela antena descrita. O valor absoluto do parâmetro XL =Xc é determinado pelo comprimento da antena (a capacidade da antena é de 7...15 pF por metro de comprimento) e pela frequência do sinal recebido f. Portanto Xc = 1/2πfC. A indutância correspondente também é fácil de encontrar: L = XL /2πf. E deve ser conhecido, ah pode ser medido com uma régua. Mas a fórmula pode ser ainda mais simplificada observando que a relação XL/R nada mais é do que o fator de qualidade Q do circuito da antena: U = EhQ. Com uma antena curta, o fator de qualidade de todo o circuito é quase igual ao fator de qualidade da bobina. Como exemplo, vamos calcular um sinal de uma estação de rádio não muito distante de longa distância ou ondas médias com intensidade de campo de 10 mV/m, recebido em um pedaço de fio de 2 m de comprimento (h = 1 m). Vamos definir o fator de qualidade do circuito da antena igual a 100. Fazendo simples multiplicações de números, chegamos a um resultado muito surpreendente - U = 1 V! Esta tensão é suficiente para detectar um sinal mesmo sem um amplificador de frequência. Mas algumas ressalvas devem ser feitas. Primeiro, a bobina deve ter uma indutância bastante grande. No nosso exemplo, mesmo no meio da faixa MV na frequência de 1 MHz, a reatância XL é de cerca de 10 kOhm. a indutância é de cerca de 1.5 mH e a impedância ressonante do circuito da antena, igual a XLQ, é próxima de 1 MOhm. A resistência de entrada do amplificador ou detector deve ser ainda maior. Este é o preço a pagar pela alta tensão desenvolvida pela antena. Surge a questão: é possível usar uma bobina de indutância grande no circuito da Fig. 1 substituir por um circuito oscilante convencional? Claro que é possível, mas a tensão do sinal desenvolvida no circuito será menor. Poupando o leitor de uma análise matemática bastante demorada, diremos apenas que a tensão do sinal diminui (aproximadamente) em proporção à razão entre a capacitância da antena e a capacitância total do circuito. Isto é explicado pelo fato de que correntes reativas adicionais, fluindo através da resistência da bobina R, também causam perdas adicionais. É claro que a própria capacitância da bobina e a capacitância de entrada do amplificador de RF também desempenham um papel prejudicial, reduzindo a tensão desenvolvida. No exemplo dado, usando uma bobina de onda média padrão com indutância de 200 μH com um capacitor de cerca de 130 pF conectado em paralelo a ela para sintonizar uma frequência de 1 MHz. obteremos uma tensão de sinal de cerca de 0,15 V no circuito, o que, em geral, também não é pequeno! Além disso, por uma questão de interesse, assumiremos que a bobina é ideal e não apresenta perdas. Agora o circuito equivalente ficará como na Fig. 3. A propósito, neste caso você pode reduzir sem dor a indutância da bobina e conectar um capacitor de loop em paralelo. O circuito resultante deverá ser sintonizado em uma frequência um pouco superior à desejada, na qual terá uma resistência indutiva, tanto maior quanto menor for a dessintonização. Selecionando a desafinação, obtemos a reatância indutiva do circuito Xt, exatamente igual à reatância capacitiva da antena - Xc, e novamente chegamos ao circuito equivalente da Fig. 3. Na prática, a sintonia é feita normalmente, com base na tensão máxima do sinal do circuito, e corresponde à ressonância exata do circuito na frequência desejada, levando em consideração a capacitância da antena.
Qual é agora a resistência ativa do circuito da antena? Anteriormente, consistia na resistência à perda da bobina e na resistência à radiação da antena, sendo que esta última era bem menor, e a negligenciamos. Agora que a resistência à perda da bobina é zero, o capacitor, se houver, também praticamente não introduz perdas, permanecendo apenas a resistência à radiação. Como é conhecido pela teoria, para antenas curtas Rizl = 1600h/λ2. Substituindo esta expressão na fórmula que obtivemos para a tensão desenvolvida na bobina, obtemos U = EXLλ2/1600h, ou seja, quando a antena é encurtada a tensão ainda aumenta! Prevejo objeções; Este resultado fantástico foi obtido, dizem. para condições irrealistas, ou seja, quando não há perdas na bobina e seu fator de qualidade tende ao infinito. É claro que ninguém vai colocar uma bobina em hélio líquido para atingir a supercondutividade e obter perdas zero - embora isso possa ser feito, será muito caro e problemático. Outra forma é conhecida há muito tempo e amplamente utilizada - compensação de perdas na bobina por meio de feedback positivo ou regeneração. Ao se aproximar do limite de autoexcitação no regenerador, o fator de qualidade equivalente do circuito aumenta significativamente e, com ele, a tensão do sinal e a sensibilidade aumentam. Acontece que as lendas sobre as extraordinárias qualidades de recepção dos multiplicadores Q usando regeneração no circuito de entrada não surgiram do nada! Em ondas longas e médias, a regeneração no circuito de entrada não é frequentemente utilizada, principalmente porque com um fator de qualidade alto a banda passante (B) se estreita e as frequências mais altas do espectro de áudio dos sinais AM são enfraquecidas, pois B = f/Q. Mas em ondas curtas as bandas necessárias são mais estreitas e as frequências são mais altas, de modo que o fator de qualidade mais elevado do circuito de entrada só pode ser bem-vindo. De acordo com as medições do autor, é perfeitamente possível obter um fator de qualidade bastante estável de 10 em um multiplicador Q bem projetado. Vamos calcular qual tensão um sinal bastante fraco com E = 000 µV/m irá desenvolver em nossa antena de 10 m de comprimento conectada a tal circuito: U = EhQ = 2 V. Comentários, como dizem, são desnecessários. Para confirmar isso, o autor montou o dispositivo mostrado na Fig. 4. Este é um detector de “fonte” baseado em um transistor de efeito de campo (era uma vez, detectores com propriedades semelhantes eram feitos em lâmpadas e eram chamados de cátodo). A resistência no circuito fonte é escolhida para ser bastante grande, o transistor opera próximo ao corte, na curva inferior da característica e, portanto, detecta bem o sinal AM. Grande polarização de porta (em relação à fonte) garante alta impedância de entrada e 100% de feedback de áudio fornece baixa distorção. O capacitor C2 e a cadeia R3C4 filtram os componentes de alta frequência e o resistor variável R4 serve como controle de volume. A partir dele, um sinal sonoro foi enviado para um simples UMZCH (V. Polyakov. “Amplificador universal 3CH.” - Rádio. 1994. No. 12. pp. 34, 35). O capacitor do circuito de entrada substitui a capacitância da antena, bobina e capacitância de entrada do transistor. A antena é um pedaço de fio de um metro e meio esticado da mesa até a janela, e o aterramento é o tubo de aquecimento central sob a janela. A bobina foi retirada pronta, da antena magnética de um receptor DV industrial. Continha cerca de 250 voltas de fio PEL 0,2, enroladas em uma camada para girar em uma moldura com diâmetro de 12 mm. Para a sintonia, foi utilizada uma haste magnética da mesma antena, inserida na bobina. Devido à pequena capacitância, o circuito foi sintonizado em frequências de onda média. Quatro estações de rádio de Moscou desenvolveram um sinal de 0,5 a 1,5 V na porta do transistor, então a teoria foi completamente confirmada - o controle de volume teve que ser ajustado no mínimo! Medir a tensão de alta frequência no portão não foi nada fácil - um osciloscópio não pode ser conectado ao portão devido ao desvio do sinal. A ponta de prova do osciloscópio foi conectada à fonte, em vez do capacitor C2. Neste caso, a detecção piorou, mas o transistor transmitiu um sinal de alta frequência no modo seguidor de fonte. Reduzindo a capacidade C2. regeneração e até autoexcitação podem ser observadas. O feedback é obtido usando um circuito capacitivo de três pontos. formado pela capacitância porta-fonte e pelo capacitor C2. Com regeneração suficiente, era possível ouvir estações distantes à noite. Um fato interessante é o seguinte: quando durante o experimento o fio da antena foi arrancado do circuito, a recepção das estações de Moscou continuou (embora com volume bem menor) na haste de ferrite. Autor: V.Polyakov, Moscou
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