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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Sobre a influência de uma travessa metálica no funcionamento de uma antena. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Teoria No artigo proposto, os autores tentaram esclarecer as recomendações disponíveis na literatura de radioamadorismo sobre o efeito da travessia de uma antena metálica em um vibrador de meia onda. Como resultado, foram obtidos valores de correção para o comprimento do vibrador, adequados para uso prático, dependendo da relação entre as dimensões "vibrador-transversal", a frequência de operação e a distância do aibrator do final da travessia , para três métodos principais de sua fixação. A travessa de suporte de metal, na qual os elementos da antena do vibrador são fixados, está localizada no campo próximo da antena e pode ter um efeito significativo em seus parâmetros. Em particular, as dimensões de todos os elementos da antena "canal de ondas", calculadas sem levar em conta tal influência, requerem correção. Na literatura disponível para os autores, não foram encontradas análises detalhadas desse efeito, métodos para levá-lo em consideração ou correção efetiva e trabalhosa. Nas descrições das antenas, na melhor das hipóteses, há uma indicação de que as dimensões são dadas para montagem em uma travessa metálica de determinado diâmetro [1] ou há uma observação de que na faixa de 432 MHz, o método de fixação dos vibradores a a estrutura de suporte tem grande influência nas propriedades da antena [2] . Em [3] é recomendado alongar os vibradores em 0,5...1% na presença de uma travessa metálica, e em [4] é feita uma recomendação sobre a necessidade de levar em conta a influência da travessa aumentando a comprimento calculado dos vibradores por 2/3 do diâmetro transversal. É observado no livro [5] que para o refletor e o último diretor a condição "2/3" é válida apenas se as extremidades correspondentes da travessa se projetarem em pelo menos cinco diâmetros da travessa. Na tradução russa do livro de K. Rothammel e A. Krishke [6], são observadas a aproximação e limitações da regra empírica "2/3" e a influência do método de fixação do elemento, bem como a espessura e a forma da seção transversal da travessa é indicada. No mesmo local, com referência aos trabalhos de DL6WU [7, 8], é fornecida uma breve tabela de correções para o comprimento dos elementos passivos das antenas "canal de onda" nas bandas de 145 e 432 MHz. Metodologia e modelos A influência da passagem condutiva no comprimento ressonante do vibrador de meia onda foi estudada por simulação eletrodinâmica usando o programa WIPL [9], que é usado para analisar estruturas radiantes e espalhadas de fios e placas sem levar em conta as perdas. Foram modelados três métodos típicos de fixação simétrica de um vibrador redondo a uma travessa hexagonal (Fig. 1): 1 - o vibrador é isolado da travessa, os eixos do vibrador e da travessa não se cruzam; 2 - o vibrador é isolado da travessa, seus eixos se cruzam; 3 - o vibrador está conectado à travessa (há um bom contato elétrico - soldagem), os eixos do vibrador e da travessa se cruzam.
Também se acreditava que havia apenas um vibrador na travessia e nada além da travessa afetava seu comprimento ressonante. O efeito de vibradores não ressonantes em antenas de elementos múltiplos e sua correção de comprimento serão discutidos abaixo. O comprimento ressonante exato de um vibrador de meia onda de um determinado diâmetro com excitação simétrica em uma determinada frequência foi determinado pela condição X=0, onde X é a parte imaginária da resistência de entrada complexa Z=R+jX do vibrador. Primeiro, o comprimento ressonante Lo no espaço livre (sem uma travessia) foi determinado e, da mesma forma, o comprimento ressonante L nas condições dadas de fixação do elemento a uma determinada travessia. O valor de correção necessário foi calculado como l=L-Lo ou como uma porcentagem como σ=(l/Lo)·100%. A influência no comprimento ressonante do método de fixação do elemento na travessa (1, 2. 3), o diâmetro b da travessa equivalente de seção transversal circular, o comprimento da extremidade saliente da travessa t quando o vibrador é preso em sua extremidade, o diâmetro do vibrador d e seu comprimento (indiretamente através da frequência f, que determina o comprimento de onda X), bem como a influência da folga s entre o vibrador isolado e a travessa. Na tabela. A Tabela 1 mostra os intervalos dos parâmetros de simulação relativos, cujos resultados são usados posteriormente para obter proporções calculadas empíricas. Para uma travessa hexagonal com método de montagem do vibrador 3, tamanho b=1,09D. Uma estimativa do "comprimento de atuação" da travessa, ou seja, a distância do vibrador das extremidades da travessa, um aumento que praticamente não leva a uma alteração no valor de correção, pode ser feita usando os resultados da simulação mostrado na Fig. 2. Levando em consideração as limitações do programa WIPL, para modelagem na faixa de frequência de 150 ... 1200 MHz e em toda a faixa de diâmetros transversais de 7,4 ... 29,6 mm, o comprimento efetivo t1 é considerado igual a 92 milímetros.
Resultados simulados Na fig. As Figuras 2 - 4 mostram gráficos seletivos mostrando a natureza das dependências da correção nos parâmetros de simulação. Observemos algumas regularidades gerais. A presença de uma travessa de metal cuja espessura é maior que a espessura do vibrador, com todos os métodos de fixação, leva a um notável encurtamento elétrico do vibrador, ou seja, a um aumento de sua frequência de ressonância. Para restaurar o comprimento ressonante na frequência anterior, é necessário aumentar o comprimento calculado do vibrador pela quantidade de encurtamento l. A análise mostrou que esse efeito é devido às correntes transversais da travessa. Portanto, não pode ser detectado por simulação transversal usando programas para condutores finos (MININEC, ELNEC, MMANA), onde apenas as correntes longitudinais dos condutores são levadas em consideração, mesmo se um diâmetro de fio suficientemente grande for especificado. Da fig. 2 segue-se que quanto mais longo o vibrador, menor o valor da correção l. Nas frequências de 600 e 1200 MHz, o efeito da ressonância da travessia é perceptível, embora seja insignificante. A influência da travessa é mais pronunciada nas conexões feitas de acordo com o método 3 e, ao montar o vibrador sem contato elétrico, depende significativamente do tamanho da folga s no método 1 e quase não depende do tamanho da folga (dentro de limites razoáveis) na opção de montagem 2. O valor de correção para uma determinada espessura da travessa depende diferentemente da espessura do vibrador (Fig. 3): para conexões com contato tipo 3, com o aumento do diâmetro do vibrador, diminui sensivelmente, para conexões do tipo 2 sem contato, pelo contrário, aumenta, e no método 1 essa dependência é muito pequena e praticamente ausente na folga zero. O efeito da frequência é reduzido a um aumento moderado no valor de l com o aumento da frequência - 1,5 ... 2 vezes na faixa de 100 ... 1200 MHz.
A espessura (diâmetro) da travessa tem a maior influência no valor de correção (Fig. 4). Assim, a uma frequência de 800 MHz, um diâmetro do vibrador de 2 mm (comprimento ressonante sem transversal 176,2 mm) e um diâmetro transversal b = 14,8 mm, a correção foi de 9,74 mm (que, aliás, neste caso é próximo ao valor 2b/3 , citado na literatura como recomendação para correção do comprimento de qualquer vibrador com conexão do 3º tipo). Um aumento de duas vezes em b levou a um aumento de I em 2,47 vezes e uma diminuição de duas vezes - a uma diminuição correspondente em l em 2,59 vezes.
Um aumento significativo na correção quando o local de fixação do vibrador é removido do final da travessa é determinado até distâncias de 3 ... 5 diâmetros da travessa (Fig. 4), e se o vibrador for montado em bem no final da travessia (t = 0), então o valor de l pode ser aproximadamente 60.. .70% do máximo. Na fig. 5 mostra esboços de vários modelos com seções transversais retangulares e quadradas.
No modelo da Fig. 5a, os cálculos das correções são feitos para comparação com um método de fixação semelhante (1) em uma travessa hexagonal com os mesmos diâmetros de seção transversal circular equivalente ao 3º método (b = 14,8 mm). Essa comparação é mostrada na Fig. 6, do que se conclui que neste caso, quando o vibrador está paralelo a uma das faces de uma travessa quadrada, a influência dessa travessia é notavelmente mais forte. O diâmetro de uma travessa circular, equivalente a uma travessa quadrada com fixação feita de acordo com o método 3 (Fig. 5, d), é considerado como b = 1.14D.
Aplicação prática Com base nos resultados da modelagem para diferentes formas de fixação do vibrador na travessa, foram obtidas expressões empíricas que relacionam o valor da correção necessária aos dados iniciais (dimensões e frequência). Para encontrar essas dependências, procedimentos de regressão múltipla foram usados (Stat-graphtcs plus v.2.1 [10]). A raiz do erro quadrático médio no cálculo do valor relativo da correção l / b de acordo com as fórmulas é 0,0115 para o método de fixação 1, 0,00758 para o método de fixação 2 e 0,0132 para o método 3. As fórmulas de cálculo são muito complicadas e não são fornecidas aqui. De acordo com as fórmulas obtidas, os programas de cálculo foram compilados. Textos do programa: boom_r.bas em russo e boom_e.bas em inglês no Turbo-Basic, bem como arquivos executáveis boom_r.exe e boom_e.exe, respectivamente, podem ser baixados por isso. A entrada de dados é feita no modo diálogo com restrições de acordo com a Tabela. 1. Como os programas trabalham com tamanhos relativos, a faixa de frequência para cálculos não é limitada pela faixa de simulação.
Na tabela. A Figura 2 mostra para comparação os valores de correção (método de montagem 3) para uma frequência de 432 MHz, obtidos por DL6WU [8] para um elemento de diâmetro d desconhecido e calculados usando nosso programa para três valores de d.
Vibradores não ressonantes Os resultados obtidos também podem ser usados para corrigir o comprimento de vibradores passivos não ressonantes de antenas de "canais de onda". Para fazer isso, primeiro você precisa calcular o valor relativo 20 da correção para um vibrador ressonante nas mesmas condições. O programa de barra converte a correção absoluta l (em milímetros) em relativa σ (em porcentagem). Em seguida, o mesmo valor da correção relativa l é aplicado ao comprimento calculado (excluindo a influência da travessia) do vibrador passivo e, como resultado, é obtido o valor absoluto da correção. Por exemplo, o comprimento calculado de um refletor com diâmetro de 50 mm a uma frequência de 3060 MHz é de 80 mm. Diâmetro transversal b=140 mm, t=3 mm, tipo de fixação 1 ou tipo 20 com folga s=32,74 mm. O cálculo de acordo com o programa da barra dá a correção l=1,15 mm (σ=3%) para fixação tipo 8,44, l=0,3 mm (σ=1%) - para tipo 1,15 Portanto, no primeiro caso, o refletor é necessário para alongá-lo em 3060% de seu comprimento estimado, ou seja, em 0,0115-35,2 = 0,3 mm, e no segundo - em 3060% do comprimento estimado, ou seja, em 0,003 9,18 = XNUMX mm. Esta técnica, com um erro de deslocamento de fase de até ±3°, é aplicável a vibradores que diferem em comprimento dos ressonantes em ±10% ou menos. A influência da transversal sem correção pode levar a um desvio de fase de até ±15°. A influência de outros vibradores também é fácil de levar em consideração usando simuladores de antena de fio simples, como MIINEC, etc. A adequação desta técnica foi testada na prática, em particular, no desenvolvimento de antenas estacionárias de "canal de onda" de 11 elementos na faixa de 820 ... 875 MHz para assinantes celulares remotos. Os comprimentos calculados de todos os elementos (d = 5,6 mm) foram aumentados em 2,3% para instalação em uma travessa de alumínio com diâmetro de 15 mm de acordo com o método 2 com comprimento das extremidades salientes da travessa de pelo menos 60 mm. No entanto, se o elemento (refletor ou último diretor) for instalado a uma distância de 10 mm do final da travessa, seu comprimento deverá ser aumentado apenas em 1.5%. Esperamos que os resultados obtidos possam ser úteis para radioamadores, bem como desenvolvedores e projetistas de antenas vibratórias para televisão, radiocomunicações e outras aplicações. Dúvidas, comentários, sugestões, comentários, críticas serão recebidos com gratidão em: . Os autores agradecem a V. V. Krylov e I. P. Kovalev pelos valiosos conselhos e comentários. Literatura
Autores: A. Grechikhin (UA3TZ), N. Seleznev, Nizhny Novgorod
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