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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antenas amadoras de transmissão DV. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / antenas de alta frequência Em vários países (incluindo a Rússia), além das bandas HF e VHF, os rádios amadores também recebem uma pequena seção na faixa DV (135,7...137,8 kHz). Após experimentos nesta faixa realizados pela equipe RU6LWZ (a revista falou sobre eles na edição de junho deste ano), o interesse pelo KDV entre os rádios amadores russos aumentou visivelmente. Muitos gostariam de iniciar experiências nesta gama, mas o seu desenvolvimento é largamente dificultado pela falta de informação amplamente disponível sobre que equipamento é necessário para isso. Este artigo é dedicado talvez ao aspecto principal da tecnologia DV - antenas de transmissão. Atualmente, a principal tarefa que precisa ser resolvida para o amplo desenvolvimento de DV pelos rádios amadores russos é aumentar o número de estações transmissoras de DV amadoras. Na verdade, antes que os sinais possam ser recebidos, eles devem existir. Se em HF os sinais das estações amadoras são muito fortes e estão a grandes distâncias do transmissor, para iniciar experimentos em DV é altamente desejável que a fonte do sinal esteja relativamente próxima. Este problema é especialmente grave para os rádios amadores na parte asiática do nosso enorme país. É um pouco mais fácil para os rádios amadores que vivem na parte europeia da Rússia. Na Europa Ocidental existem muitos radioamadores que transmitem em ondas longas, cujos sinais podem ser recebidos a distâncias de um a dois mil quilómetros quando se utiliza um telégrafo normal e até vários milhares de quilómetros quando se utiliza QRSS (telégrafo lento com processamento de sinal em um computador). O principal problema que qualquer radioamador que começar a trabalhar na faixa DV deve resolver é a construção de uma antena transmissora. Todo mundo sabe que em HF a antena influencia muito no sucesso no trabalho, mas em DV, talvez, essa influência seja ainda maior. Um transmissor para frequências de cerca de 136 kHz é relativamente fácil de fabricar. Não é muito diferente de um transmissor de banda KB. Mas a antena é uma questão completamente diferente! As propriedades da antena dependem fundamentalmente da relação entre o comprimento de onda e o tamanho da antena, e o comprimento de onda correspondente à banda amadora de 136 kHz é de cerca de 2,2 km, o que é mais de dez vezes o comprimento de onda máximo usado anteriormente pelos operadores de rádio amador. As antenas DV diferem significativamente daquelas normalmente usadas em HF. A cópia direta de antenas KB para o Extremo Oriente é impossível, pois as antenas resultantes serão de tamanhos completamente inacessíveis aos rádios amadores. Além disso, no Extremo Oriente geralmente não é possível propor um projeto específico de rádio amador para uma antena transmissora. É em grande parte determinado pelas condições locais, e um radioamador, via de regra, deve construir ele mesmo a antena. Embora isto não seja difícil, uma vez que no DV não há a variedade de tipos de antenas que é observada no HF, ainda assim projetar uma antena DV requer alguma compreensão de quais são seus parâmetros, como eles afetam a operação da antena, o que eles depende e como melhorar o funcionamento de todo o complexo de transmissão, composto por um transmissor e uma antena. Tudo isso levou o autor a escrever este artigo, que discute os princípios básicos da criação de antenas de transmissão DV amadoras. É claro que a maior parte do material apresentado no artigo pode ser encontrada na literatura profissional, mas tal apresentação ainda não foi feita especificamente para rádios amadores. Isto não é surpreendente, uma vez que a gama DV tornou-se recentemente disponível para rádios amadores. O autor procurou evitar teorias complexas, limitando-se apenas a uma apresentação qualitativa e às fórmulas mais simples, ainda necessárias para o projeto significativo de uma antena. Neste caso, a principal atenção foi dada à diferença fundamental no design das antenas HF e LW. O sucesso disso cabe aos leitores julgar. Uma característica das antenas DV é o seu tamanho, que é muito menor que um quarto do comprimento de onda. Isto é verdade mesmo para estações DV profissionais e ainda mais para estações amadoras. Na verdade, o pino de quarto de onda familiar no KB para a faixa de 136 kHz deveria ter uma altura de mais de 500 m, como o da torre de TV Ostankino! O segundo ponto importante que deve ser levado em consideração ao projetar e fabricar uma antena transmissora LW é que a polarização das ondas emitidas pela antena deve ser exclusivamente vertical. Isto se deve às propriedades da Terra: em frequências tão baixas ela está próxima de um condutor ideal, e a altura de qualquer antena LW real é muito menor que o comprimento de onda. Não será possível irradiar efetivamente um campo elétrico horizontal pela simples razão de que a Terra simplesmente “curtará” esse campo. Mais estritamente falando, a razão é que, como se sabe da eletrodinâmica, o vetor campo elétrico na superfície de um condutor ideal é sempre perpendicular à superfície. É claro que a terra ainda não é um condutor ideal e a altura da antena, embora pequena, não é zero. Portanto, a questão do uso de antenas de transmissão baixas (em comparação com o comprimento de onda) com polarização horizontal (por exemplo, um dipolo horizontal) no Extremo Oriente é extremamente interessante e requer experimentação. Mas é impossível recomendar tais antenas de transmissão a um radioamador que está começando a trabalhar no Extremo Oriente. Os experimentos correspondentes requerem experiência sólida, e a antena experimental deve ser comparada com algo conhecido. Devido ao fato de que as dimensões de qualquer antena LW real são muito menores que um quarto do comprimento de onda, as antenas transmissoras LW podem ser divididas em duas grandes classes - elétricas e magnéticas. As antenas magnéticas são armações fechadas, na maioria das vezes de formato retangular, necessariamente localizadas em um plano vertical (polarização vertical!) e com dimensões de pelo menos dezenas de metros. Alguns radioamadores da Europa Ocidental e dos Estados Unidos estão a fazer experiências com tais antenas de transmissão e estão a conseguir emitir uma potência que não é muito menor do que no caso de antenas eléctricas de tamanhos comparáveis. Mesmo assim, esta ainda é uma classe experimental de antenas de transmissão. O principal tipo de antena de transmissão no Extremo Oriente é um emissor vertical bastante encurtado alimentado em relação ao solo. Este último significa que o segundo pólo de ligação do gerador está aterrado. Muitas dessas antenas possuem uma massa de fios dispostos horizontalmente. Mas enfatizemos que apenas a parte vertical da antena é o próprio emissor, e todos os condutores horizontais servem apenas para criar a corrente maior e mais uniformemente distribuída no fio vertical. Alguns tipos de antenas de transmissão LW são mostrados esquematicamente na Fig. 1.
Na Fig. 1a mostra uma antena em forma de fio vertical sem carga capacitiva; na Fig. 1b - antena vertical com carga capacitiva em forma de “guarda-chuva”, que pode fazer parte dos cabos de sustentação do mastro; na Fig. 1,c - antena T de três feixes; na Fig. 1g - antena G de feixe único com carga capacitiva inclinada; na Fig. 1,d - antena T de feixe único com carga capacitiva inclinada; na Fig. 1,e - antena T de feixe único com parte “vertical” inclinada, na Fig. 1,g - antena de “feixe inclinado”. As possíveis configurações de antena não estão limitadas àquelas mostradas na Fig. 1. Uma antena G multifeixe é possível, por exemplo. O número de condutores que compõem o “guarda-chuva” (Fig. 1,b) não é necessariamente quatro. A parte vertical também pode consistir em vários fios paralelos ou em leque, etc. Também é óbvio que em muitos casos você pode usar uma antena HF como uma antena LW, alterando a forma como ela é alimentada. Por exemplo, um dipolo KB servirá com sucesso como uma antena T se você conectar os dois fios do alimentador e alimentá-los em relação ao terra. Observe que nenhuma dessas antenas é alimentada por cabo coaxial. Todos eles são, por assim dizer, “antenas com alimentador aberto de fio único”, embora na verdade esse “alimentador” seja na verdade um radiador. Um radioamador que já teve problemas associados à interferência da televisão mais de uma vez ao trabalhar no KB pode ser muito cético em relação a esse fornecimento de energia para a antena transmissora. Principalmente quando será ainda recomendado o uso de canos de água como aterramento. O autor se apressa em tranquilizá-lo: em LW, a interferência televisiva costuma ser um problema muito menor do que quando se trabalha em HF. Vamos dar um exemplo da prática. O fio da antena ia até um transmissor com potência de cerca de 50 W a uma altura de vários centímetros acima da tampa superior da TV. Havia também uma luz neon que brilhava intensamente quando você pressionava a tecla. E não houve absolutamente nenhuma interferência na recepção da televisão! Talvez a situação nem sempre seja tão favorável, mas aparentemente os televisores são insensíveis a campos eletromagnéticos de frequências tão baixas. Como a altura da antena LW é sempre muito menor que um quarto do comprimento de onda, a parte reativa da impedância de entrada de um emissor elétrico vertical é sempre de natureza capacitiva e é muito grande em comparação com a parte ativa da impedância de entrada. Para que a corrente na antena atinja um valor significativo, a parte capacitiva da resistência de entrada da antena deve ser compensada pela indutância, cuja reatância é igual em valor absoluto à reatância da capacitância da antena. Assim, a utilização de uma bobina de extensão no DV é absolutamente obrigatória (a bobina não é mostrada na Fig. 1). A bobina de extensão é conectada em série com a antena. Para poder estimar a indutância necessária da bobina de extensão, é necessário conhecer a capacitância da antena, que é um parâmetro muito importante da antena transmissora LW. Quanto maior a capacitância da antena, menor será a indutância necessária da bobina de extensão. Conseqüentemente, quanto maior a capacitância da antena, menor será a perda inútil de potência do transmissor devido à resistência ôhmica (ativa) da bobina de extensão. E as perdas de potência na bobina de extensão são muito significativas quando se opera em DV. Além disso, com uma capacidade maior da antena, a tensão nela diminui, o que no Extremo Oriente, mesmo com um transmissor de potência relativamente baixa, chega a unidades ou até dezenas de quilovolts. A redução da tensão da antena simplifica o problema de isolamento. Existem também razões, das quais falaremos mais tarde, ao discutir a chamada “perda ambiental”, pelas quais se deve esforçar-se para tornar a capacitância da antena a maior possível. É o aumento da capacidade total da antena (juntamente com a obtenção de uma distribuição mais uniforme da corrente na parte vertical) que é a razão pela qual nas antenas transmissoras LW tentam tornar a parte horizontal o maior possível e muitas vezes de vários fios paralelos (antenas multifeixe em forma de L e T). A capacitância de uma antena de ondas longas pode ser estimada com uma precisão aceitável para a prática do rádio amador usando uma regra simples: cada metro de fio da antena (tanto na parte vertical quanto na horizontal) fornece cerca de 6 pF da capacitância da antena. Se vários fios estiverem paralelos entre si, com uma pequena distância entre eles, a capacitância total diminui. Portanto, ao fabricar uma antena em forma de L ou T com parte horizontal multifeixe, é necessário, se possível, manter uma distância entre os fios de pelo menos 2...3 m. Uma distância maior não faz sentido, e uma distância menor leva a uma diminuição da capacitância por metro de fio. A reatância da capacitância da antena pode ser encontrada usando a conhecida fórmula Xc = 1/(2πfC). Como a reatância da bobina de extensão deve ser a mesma em valor absoluto, a indutância pode ser encontrada a partir da relação entre reatância e indutância XL = 2πfL. Para fins práticos, é mais conveniente usar as fórmulas obtidas se você substituir o valor da frequência f = 136 kHz e converter as unidades de medida: Xc = 1170000/C, XL = 0,85 L, L = XL/0.85, onde a resistência é substituída em ohms, a capacitância em picofarads e a indutância em microhenry. Muito aproximadamente, para cálculos aproximados, podemos assumir que a uma frequência de 136 kHz a reatância de uma capacitância de 1000 pF é de 1000 Ohms e aumenta proporcionalmente à medida que a capacitância diminui em comparação com 1000 pF. Assim, para indutância, cada microhenry fornece cerca de 1 ohm. Esses números são fáceis de lembrar. Muitas vezes não é necessária maior precisão nos cálculos, pois os valores calculados ainda terão que ser esclarecidos experimentalmente. É extremamente difícil levar em consideração teoricamente a influência dos objetos ao redor da antena! Para imaginar a ordem dos parâmetros da antena em condições típicas de rádio amador, faremos uma estimativa para tal exemplo. Seja uma antena em forma de L ou T com uma parte horizontal de feixe único de 80 m de comprimento, localizada a uma altura de 20 m. O comprimento da parte vertical será de 20 m, o comprimento total do fio será de 100 m. A capacitância de tal antena será de cerca de 600 pf, ou seja, a parte reativa da resistência de entrada é de aproximadamente 2000 Ohms. Para compensar a reatância da capacitância da antena, você precisará de uma bobina de extensão com indutância ligeiramente superior a 2000 μH. Pode surgir a pergunta: por que não encontrar a indutância da bobina de extensão, conhecendo a capacitância da antena e usando a fórmula de um circuito oscilante convencional? Claro, isso é possível. Mas o cálculo através da reatância permite estimar, por exemplo, a tensão nas antenas para uma determinada corrente e a resistência à perda da bobina de extensão com um fator de qualidade conhecido.Assim, no exemplo dado, fica imediatamente claro que a tensão na antena será de cerca de 2000 V para cada ampere de corrente na antena. Como a parte ativa da impedância de entrada da antena é muito menor que a parte reativa, a tensão na antena em volts é aproximadamente igual à corrente da antena em amperes multiplicada pela reatância da antena em ohms. A resistência à perda de uma bobina, sua reatância e fator de qualidade são relacionados por uma fórmula simples: Rcat = XL/Q. Com um fator de qualidade Q = 200, a resistência à perda será 2000/200 = 10 Ohms. O segundo parâmetro extremamente importante de uma antena de ondas longas é a sua altura efetiva. Sem levar em conta por enquanto a dependência da altura efetiva dos detalhes do projeto da antena, notamos dois casos limites. A altura efetiva de um único fio vertical sem carga capacitiva no topo é igual à metade da sua altura geométrica. Para uma antena em forma de L ou T com capacitância da parte horizontal muito maior que a capacitância da parte vertical, a altura efetiva se aproxima da altura de suspensão da parte horizontal da antena acima do solo. Notemos imediatamente que devemos nos esforçar para tornar a altura efetiva da antena a maior possível, pelo menos 10...15 metros, e de preferência 30...50. Mas, talvez, 50 m seja o máximo alcançável em condições amadoras normais. Esta é aproximadamente a altura efetiva de uma antena em forma de L ou T com uma grande parte horizontal suspensa entre dois edifícios de 16 andares. Por que a altura efetiva da antena é tão importante? O fato é que quando as dimensões da antena são muito menores que o comprimento de onda, a intensidade do campo recebida pelo correspondente é diretamente proporcional ao produto (vamos denotar como A) da intensidade da corrente na antena e a altura efetiva do antena, medida em metros. Quanto maior a altura efetiva da sua antena, mais forte será o seu sinal. A potência emitida pela estação transmissora Rizl (não confundir com a potência de saída do transmissor!) está relacionada a este produto por uma relação simples (para uma frequência de 136 kHz): Rizl = 0.00033A2. Para navegar pelos valores resultantes, considere um exemplo. Deixe a altura efetiva da antena ser de 20 M. A intensidade da corrente na antena com uma potência de saída do transmissor de 100 W está geralmente na faixa de 1...3A. Seja 2 A. Então A = 40 metros e a potência emitida será de 0,5 W. O exemplo mostra que a eficiência da transmissão amadora de antenas DV é muito pequena, pois apenas 0,5% da potência fornecida pelo transmissor é irradiada. E isso ainda é muito bom! Muitas vezes a eficiência é inferior a 0,1%. E somente ao usar antenas “gigantes” (para os padrões de rádio amador), a eficiência pode atingir várias dezenas de por cento. Um exemplo é a antena da primeira expedição DX russa de ondas longas realizada pela equipe RU6LWZ, quando foi utilizado um mastro com altura superior a 100 m. A baixa eficiência das antenas DV de transmissão amadora leva ao fato de que a potência de radiação é geralmente medida em décimos ou mesmo centésimos de watt, raramente atingindo unidades de watts. No entanto, mesmo com tão escassas potências emitidas, os amadores, utilizando tipos especiais de trabalho (principalmente QRSS - telégrafo lento), realizam comunicações a distâncias de milhares, ou mesmo 10... 15 mil quilômetros! Com um telégrafo convencional, as comunicações podem ser feitas ao longo de várias centenas de quilômetros e, às vezes, com boa cobertura, antenas receptoras especiais e baixo nível de interferência, ao longo de um a dois mil quilômetros. Vemos que a situação com antenas de transmissão de HF é radicalmente diferente daquela a que estamos acostumados em HF. Se em HF a eficiência costuma ser próxima de 100% (exceto talvez na faixa de 160 metros, e nem sempre), então em DV ela é muito pequena. Se em HF tentamos focar a radiação em uma direção e operar com o conceito de fator de amplificação, então em DV a radiação é sempre praticamente circular e não há necessidade de falar em amplificação. Se em HF nos esforçamos para obter ângulos de radiação planos, em DV o ângulo de radiação é sempre quase o mesmo. Se em HF a antena costuma ser alimentada por cabo coaxial e nos esforçamos para obter um bom SWR, então em DV a antena é sempre alimentada diretamente e o conceito de SWR perde o sentido. A única coisa pela qual você tem que “lutar” ao trabalhar no DV é a potência irradiada, ou, o que dá no mesmo, o número máximo de “metros” na antena. Vamos agora considerar com mais detalhes como a altura efetiva da antena depende de suas dimensões geométricas e detalhes de projeto para os tipos mais comuns de antenas. Como já indicado, a altura efetiva de um fio vertical simples com carga capacitiva no topo (Fig. 1a) é simplesmente igual à metade da altura geométrica da antena. Da mesma forma, a altura efetiva da antena de “feixe oblíquo” (Fig. 1,g) é igual à metade da altura do ponto superior da antena. Se a antena tiver uma carga capacitiva horizontal (por exemplo, Fig. 1, c), então a altura efetiva hd de tal antena é determinada pela razão das capacitâncias das partes vertical Cv e horizontal Cr, bem como a geométrica altura de suspensão h da parte horizontal. Pode ser encontrado usando a fórmula hd = h(1-0,5/(Cr/Cv+1)) As capacitâncias das partes horizontal e vertical da antena podem ser, como para toda a antena, determinadas pela regra “6 pF por metro de fio”. Fica claro pela fórmula que se Cg for muito maior que C, então a altura efetiva hd se aproxima da altura geométrica n. Consideração especial é necessária para os casos de uma parte “vertical” inclinada (Fig. 1, f) e uma parte inclinada carga capacitiva (Fig. 1,6, 1, d, d). Se a “parte vertical” estiver inclinada e a carga capacitiva for quase horizontal (Fig. XNUMX, e), então quase nada muda, apenas Cv aumenta ligeiramente devido ao fio mais longo, e a fórmula permanece a mesma. Se a parte vertical da antena T estiver conectada com bastante precisão no meio da carga capacitiva inclinada (Fig. 1, d), a fórmula também funciona, somente como h devemos tomar a altura acima do solo do ponto de conexão da parte vertical para a horizontal. Nesta antena, os componentes verticais do campo elétrico criado pelos dois ombros da carga capacitiva são mutuamente compensados, mas em uma antena em forma de L (Fig. 1d), ou em uma antena “guarda-chuva” (Fig. 1,6), tal compensação não ocorre. Portanto, a fórmula se torna um pouco diferente: hd = 0,5h( 1 + a - a2/(Cr/Cv+ 1)), onde a = h1/h é a razão entre as alturas das extremidades superior e inferior da carga capacitiva. Enfatizamos que para os casos mostrados na Fig. 1, b e fig. 1g, é indesejável abaixar a extremidade inferior da carga capacitiva até o solo. Isto reduzirá a altitude efetiva para 0,5h. Caso não seja possível elevar esses pontos (por exemplo, só existe um mastro), é melhor estender os fios que compõem a carga capacitiva até o solo com um cordão isolante (você também pode usar arame, quebrando-o em dois ou três lugares com isoladores). Se os pontos de montagem da antena são determinados pela “situação local” e o radioamador não deseja fazer cálculos, então você pode usar esta regra simples: você deve se esforçar para garantir que a quantidade máxima de fio esteja localizada tão alta quanto possível (e, como ficará claro a seguir, mais longe de árvores, paredes, etc.). Bem, que altura efetiva será! Tendo lidado com o primeiro fator do “parâmetro principal” - o produto da altura efetiva e a intensidade da corrente na antena, consideraremos de que depende o segundo fator - a intensidade da corrente na antena e como fazê-lo maior. Claro, a corrente depende da potência do transmissor. Mas não só. Depende também da parte ativa da resistência de entrada R, que, por sua vez, é a soma da resistência de perda Rp e da resistência à radiação Rizl, conforme mostrado no circuito equivalente da Fig. 2.
A resistência à radiação (em ohms) na frequência de 136 kHz é determinada pela fórmula Rizl = 0,00033hd2 e para antenas de rádio amador geralmente não é superior a alguns décimos de ohm. Na grande maioria dos casos, a resistência à perda é muito maior que a resistência à radiação. Na verdade, é por isso que se obtém a baixa eficiência, igual a Rizl / (Rizl + Rp). Nessas condições, a corrente na antena depende principalmente da resistência à perda, e a resistência à radiação quase não tem efeito sobre a corrente. É essa relação entre resistência à perda e resistência à radiação a razão da diferença radical entre as antenas DV e HF. No KB, onde a intensidade da corrente na antena é determinada principalmente pela resistência à radiação, a magnitude dessa intensidade de corrente em si não importa. A antena pode ser “alimentada por corrente” ou “alimentada por tensão”, a intensidade da corrente será diferente, mas a potência de radiação será a mesma. No Extremo Oriente a situação é fundamentalmente diferente. A corrente na antena é determinada pela resistência à perda e a potência irradiada é proporcional ao quadrado da corrente. Portanto, é necessário esforçar-se para tornar a corrente a maior possível, para o que é necessário tornar a resistência à perda a menor possível Se a resistência à perda na antena Rп for conhecida, então com uma potência de saída conhecida do transmissor P é fácil encontrar a intensidade da corrente I na antena: I =v (P/Rп). A resistência à perda consiste na resistência ôhmica do fio da antena, na parte ativa da resistência da bobina de extensão, na resistência de aterramento e na chamada resistência à perda ambiental. Este último está associado a perdas de energia devido a correntes induzidas nos objetos circundantes (casas, árvores, etc.). A resistência de um fio de antena de cobre com diâmetro de pelo menos 2 mm é geralmente muito pequena e pode ser ignorada. Uma exceção pode ser o caso quando a parte horizontal da antena (carga capacitiva) é muito longa (centenas de metros) e é feita na forma de um fio fino. Os componentes restantes da resistência à perda são muito maiores. A resistência à perda da bobina de extensão já é significativa, principalmente com baixo fator de qualidade. O fator de qualidade é a razão entre a reatância reativa (indutiva) da bobina em uma determinada frequência e a resistência à perda. Estes últimos consistem em perdas no núcleo magnético, na estrutura e no fio. As antenas de transmissão DV não utilizam bobinas com núcleo magnético, o que está associado a altas correntes nas quais é difícil evitar sua saturação. As perdas no dielétrico da moldura costumam ser pequenas, porém a recomendação é justa: quanto menos material entrar na moldura, melhor. Claro, é aconselhável usar um dielétrico de alta qualidade Mas a corrente de RF flui principalmente ao longo da superfície do fio (efeito pelicular) e, portanto, a resistência é significativamente maior do que em corrente contínua ou em frequências de áudio. Em muitos livros você pode encontrar uma fórmula para a resistência específica (em Ohm/m) de um fio de cobre, levando em consideração o efeito pelicular: Rsp = (0,084/d)vf onde d é o diâmetro do fio em mm; f - frequência em MHz. Parece que você pode calcular a resistividade do fio da bobina usando esta fórmula, multiplicá-la pelo comprimento do fio e obter a resistência à perda na bobina. Infelizmente, além do efeito pelicular, existe também um efeito de proximidade, que faz com que a resistência do fio na bobina seja significativamente maior do que a resistência de um fio reto. Devido à influência das espiras entre si, a corrente não flui uniformemente por toda a superfície do fio, mas principalmente ao longo da parte da superfície voltada para o interior da bobina. Consequentemente, uma superfície menos eficaz significa mais resistência. De acordo com os resultados de um estudo realizado pelo autor, devido ao efeito de proximidade, a resistência do fio de uma bobina de camada única aumenta 1 + 4,9(d/a)2 vezes, onde d é o diâmetro do fio; a é o passo sinuoso. Se o passo do enrolamento for pequeno (enrolamento volta a volta), a indutância da bobina aumentará uma volta, serão necessárias menos voltas e o comprimento do fio diminuirá. Mas o efeito da proximidade aumentará significativamente. Se você der um grande passo de enrolamento, o aumento da resistência devido ao efeito de proximidade será menor, mas você terá que enrolar mais voltas e o comprimento do fio ficará maior. Acontece que existe um ótimo, que é observado quando o passo do enrolamento é aproximadamente duas vezes o diâmetro do fio. Em outras palavras, a distância entre as voltas deve ser aproximadamente igual ao diâmetro do fio. A resistência à perda em uma bobina depende do diâmetro do fio? Surpreendentemente, praticamente não. Com um diâmetro de fio maior, o comprimento do enrolamento aumentará e, se você fizer a bobina multicamadas, o efeito de proximidade aumentará. Conseqüentemente, mais voltas terão que ser feitas. Se tudo isso for analisado matematicamente em detalhes, obtém-se um resultado muito inesperado: o fator de qualidade da bobina (e, consequentemente, a resistência à perda para uma determinada indutância) depende principalmente do diâmetro da carcaça da bobina! Além disso, o fator de qualidade é diretamente proporcional a esse diâmetro. E o fator de qualidade quase não depende do diâmetro do fio. Para evitar mal-entendidos, notamos que isso só é verdade no caso em que o diâmetro do fio é significativamente maior que a espessura da camada da pele. Na frequência de 136 kHz, isso é feito para fios de cobre com diâmetro de 0,5 mm ou maior (geralmente é o caso). Assim, para obter baixas perdas é necessário fabricar uma bobina de grande diâmetro. A relação entre o diâmetro da moldura e o comprimento do enrolamento também tem alguma importância. Foi estabelecido que o fator de qualidade da bobina é máximo quando o diâmetro da estrutura é 2...2,5 vezes o comprimento do enrolamento. Nessas condições, para uma estimativa muito aproximada (ou melhor, geralmente não é necessária) a uma frequência de 136 kHz com um fio de cobre sólido, as relações ideais entre o passo do enrolamento e o diâmetro do fio, bem como o diâmetro da estrutura e o comprimento do enrolamento , o fator de qualidade de uma bobina de camada única pode ser considerado igual ao diâmetro da estrutura em milímetros. Voltemos ao exemplo acima, onde a reatância da bobina deve ser de cerca de 2000 Ohms, ativa - 10 Ohms e fator de qualidade - 200. O diâmetro da moldura deve ser de cerca de 200 mm. Um diâmetro de moldura ainda maior deverá ser escolhido para obter menor resistência à perda na bobina. Vemos que a bobina de extensão da antena transmissora DV deve ser de dimensões muito grandes. Portanto, a bobina geralmente não é embutida no transmissor, mas colocada separadamente. É verdade que existe uma possibilidade de reduzir significativamente as dimensões da bobina com as mesmas perdas ou reduzir as perdas com as mesmas dimensões. É necessário enrolar a bobina não com fio de cobre sólido, mas com fio Litz especial para transmissores. Consiste em um grande número (várias centenas) de condutores de cobre isolados muito finos. Geralmente há uma trança de seda sobre os condutores. Ao usar licença, atenção especial deve ser dada para garantir que cada (!!!) fio seja soldado nos pontos de conexão da bobina. Infelizmente, o autor não tem conhecimento de nenhuma teoria que permita calcular o fator de qualidade de uma bobina licenciada; sabe-se por experiência que, com as mesmas dimensões, o fator de qualidade de uma bobina licenciada é aproximadamente duas vezes maior do que quando enrolada com fio de cobre sólido. A resistência à perda da bobina de extensão é um componente importante da resistência geral à perda da antena. Mas se você fizer uma bobina com diâmetro suficientemente grande, mas ainda aceitável (200...400 milímetros), a principal contribuição para as perdas totais virá da resistência de aterramento e da resistência das perdas circundantes. Eles geralmente são difíceis de separar e essa resistência comum costuma ser chamada de resistência de aterramento. Notemos imediatamente que a resistência de aterramento de RF não coincide de forma alguma com a resistência de aterramento em baixas frequências. Portanto, se houver um aterramento “elétrico” com resistência conhecida, então, é claro, ele pode e deve ser usado, mas sua resistência na frequência de 136 kHz será muito maior do que na frequência industrial de 50 Hz. Infelizmente, geralmente é impossível para os rádios amadores calcular as perdas de solo. As fórmulas utilizadas pelos profissionais não se aplicam a antenas de rádio amador tão pequenas em relação ao comprimento de onda. E ao contrário das profissionais, as antenas amadoras geralmente ficam localizadas entre casas, árvores e outros objetos, o que afeta significativamente as perdas na antena. Os rádios amadores geralmente não fazem aterramentos especiais, mas usam canos de água, etc. Assim, teremos que nos limitar apenas a apontar que normalmente a resistência à perda de aterramento juntamente com a resistência à perda circundante é de cerca de 30-100 Ohms, bem como recomendações para reduzir a magnitude dessas perdas. Como já mencionado, é necessário maximizar a corrente na antena. Quanto menor a resistência à perda, maior ela é. Para reduzir a resistência das perdas de aterramento na prática do rádio amador, é necessário conectar todo o possível desde metal enterrado no solo e localizado na superfície da terra. Podem ser canos de água, várias estruturas metálicas, etc. Só não use canos de gás! Isto é inaceitável por razões de segurança contra incêndio! Na prática profissional, para reduzir perdas no solo, o aterramento é realizado na forma da chamada “metalização do solo” sob a antena. Este é um sistema de fios enterrados em uma profundidade rasa ou na superfície da terra. A área de metalização deve, se possível, cobrir toda a superfície sob a parte horizontal da antena, estendendo-se além da projeção da antena no plano de terra por uma distância da ordem da altura da antena. Se não houver parte horizontal (carga capacitiva), então o raio de metalização deverá ser da ordem da altura da antena. Não é necessário fazer a metalização na forma de um círculo regular, por raio entendemos simplesmente um tamanho característico. Você pode aumentar o raio de metalização, mas duplicá-lo não faz mais sentido. Novamente, na prática profissional, a distância entre os fios individuais do sistema de “metalização do solo” é escolhida para ser de cerca de 1 metro, e às vezes até são utilizadas chapas metálicas sólidas. É improvável que isso seja possível na prática do rádio amador. Portanto, mesmo que seja feita alguma aparência de tal sistema de aterramento, a distância entre os fios provavelmente será maior. Quanto depende das capacidades de um determinado radioamador. Naturalmente, com a metalização mais “rara” da terra, as perdas na terra aumentam. A metalização do solo pode aumentar muito a eficiência de uma antena transmissora LW, reduzindo significativamente as perdas. Mas se um radioamador não tiver a oportunidade de metalizar o solo sob a antena (o que acontece com mais frequência), não se desespere! A maioria dos rádios amadores da Europa Ocidental opera com sucesso usando o abastecimento de água existente como aterramento. Na verdade, é por isso que a resistência de aterramento dos rádios amadores é tão alta, muito maior do que a resistência de aterramento das antenas DV profissionais, onde a resistência à perda de terra é frequentemente da ordem de 1 Ohm, mesmo para antenas relativamente pequenas de baixa potência. -estações DV de energia. E nas antenas das estações de transmissão DV, quando dezenas ou mesmo centenas de toneladas (!!!) de metal estão enterradas no solo, menos ainda - décimos e às vezes centésimos de ohm. Conseqüentemente, a eficiência neste caso fica muito próxima de 100 por cento. Mas os rádios amadores geralmente não podem contar com isso, a menos que, ocasionalmente, consigam usar uma antena DV profissional. Mas não é apenas a qualidade do sistema de aterramento que determina as perdas na antena. Se os condutores da antena passarem perto de casas, árvores, etc., ocorrem perdas adicionais de energia de RF, que vão para o aquecimento dos objetos circundantes. Na verdade, esta é a perda do meio ambiente. É necessário que os fios da antena, que estão sob alto potencial de HF, estejam localizados, se possível, a uma distância de pelo menos 1...3 m dos objetos circundantes. E se esse fio for longo e correr paralelo ao “objeto interferente”, a distância deve ser escolhida ainda maior. A situação é ilustrada na Fig. 3.
Perdas no caso da Fig. 3, mas significativamente menor do que no caso da Fig. 3, b. Neste último caso, o fio vertical induzirá correntes de RF significativas na parede da casa, levando a perdas inúteis de potência do transmissor, gastando-a no aquecimento da parede. Esta situação deve ser evitada. Mas o que fazer se for impossível retirar o fio vertical da antena da parede? Neste caso, faz sentido modificar a antena conforme mostrado na Fig. 3, c. E embora a corrente no fio vertical seja quase a mesma que no caso da Fig. 3a, mas o potencial de RF relativo ao terra será pequeno (é grande somente após a bobina de extensão). Conseqüentemente, a influência da parede da casa diminuirá. A bobina, porém, deverá ser feita de indutância um pouco maior, pois a capacitância da antena à qual a bobina está conectada será apenas a capacitância do fio horizontal. Neste caso, é inconveniente ajustar uma bobina montada em altura. A solução é simples - coloque a maior parte da indutância “no topo” e ligue um pequeno variômetro próximo ao transmissor, apenas para ajustar a antena à ressonância. Neste caso, a tensão no fio que passa perto da parede aumentará ligeiramente, mas não será tão significativa como no caso da Fig. 3, b. Uma situação semelhante é mostrada na Fig. 3d, quando o transmissor está localizado no último andar de um edifício de vários andares. Parece que a antena não tem parte vertical, mas na verdade tem. Só que seu papel é desempenhado por um fio terra, por exemplo, canos de água. Eles estão localizados próximos às paredes, mas como praticamente não há potencial de RF neles, como na parte vertical da antena na Fig. 3,c, a influência das paredes é fraca. Portanto a antena funcionará de forma bastante satisfatória. Os exemplos considerados mostram que perdas ambientais especialmente grandes ocorrem no caso em que partes da antena com alto potencial estão localizadas perto de objetos circundantes. É claro que reduzir a tensão em toda a antena, bem como reduzir a tensão em parte da antena, reduz a perda ambiental. Isto explica a observação anterior de que aumentar a capacitância total da antena aumenta a eficiência da antena. Na verdade, um aumento na capacitância da antena leva a uma diminuição na tensão através dela e, conseqüentemente, a uma diminuição nas perdas ambientais. Com a mesma potência de transmissor na parte vertical da antena, será possível obter uma intensidade de corrente maior e, com isso, o sinal emitido aumentará. É claro que os números apresentados e os comentários a eles não esgotam todas as situações que podem ocorrer durante a implementação prática da antena. Mas o autor espera que ilustrem uma abordagem geral para projetar uma antena de ondas longas com perdas ambientais mínimas sob determinadas condições. Pois bem, em cada caso específico, o radioamador terá que pensar, experimentar e tomar decisões de forma independente. Concluindo, apenas algumas palavras sobre como conectar a antena ao transmissor. Pelo exposto, fica claro que a impedância de entrada da antena após ajustá-la para ressonância com a bobina na maioria dos casos não será igual a 50 ou 75 Ohms. Mas isso não é necessário, não existe cabo coaxial. Você só precisa fornecer ao transmissor a capacidade de ajustar a impedância de saída. A maneira mais fácil de fazer isso é com um circuito transformador push-pull do estágio de saída do transmissor. Neste caso, o enrolamento secundário do transformador deve ser feito com derivações e instalado um interruptor. Parece que a faixa de impedâncias de saída de 5, 7, 10, 15, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200 Ohms é suficiente para qualquer antena de rádio amador, incluindo “muito ruim” e “muito boa” . Um interruptor padrão de 11 posições servirá. Para ajustar a antena à ressonância, é altamente desejável ter um variômetro de um transmissor de ondas longas ou médias. O autor utiliza um variômetro da unidade de ondas médias da estação de rádio RSB-5, que possui indutância máxima de cerca de 700 μH. É claro que não é suficiente, e uma bobina adicional de indutância constante bastante grande é conectada em série com o variômetro, e o variômetro serve apenas para ajuste. Na versão descrita da conexão entre a antena e o transmissor, o ajuste se resume a selecionar a posição da chave que fornece corrente máxima na antena e ajustar a indutância da bobina de extensão. Após cada comutação da impedância de saída do transmissor, é necessário ajustar a indutância (variômetro) para obter ressonância, atingindo corrente máxima na antena. Existem outras opções para o circuito de saída do transmissor e outros métodos de configuração, mas discuti-los nos levaria muito longe do tópico principal do artigo. Portanto, concluindo a apresentação, desejo ao leitor experiências bem-sucedidas e nos vemos em ondas longas! Autor: Alexander Yurkov (RA9MB)
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