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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antena de quadro eletricamente encurtada. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas VHF Em vários casos práticos, as dimensões da antena, proporcionais ao comprimento de onda, são inaceitavelmente grandes. Portanto, foram desenvolvidas antenas eletricamente encurtadas (pequenas). É importante também que a antena seja o único elemento que emite ou recebe energia eletromagnética. Uma das opções para tais antenas, uma antena de quadro eletricamente encurtada, é discutida no artigo. Os experimentos foram realizados nas frequências de 14, 27 e 430 MHz. Uma antena de quadro tem as melhores propriedades quando, para um determinado perímetro, cobre a maior área, ou seja, é uma moldura redonda. Mas, por conveniência de consideração, voltemos ao quadro quadrado e à polarização vertical das ondas emitidas (recebidas) (Fig. 1 a).
O coeficiente de diretividade (DA) de um quadro quadrado com perímetro e = λ (λ é o comprimento de onda) no espaço livre comparado a um dipolo de meia onda é 1,35 dB com uma resistência rΣ = 100 Ohm [1]. Um loop quadrado polarizado verticalmente pode ser considerado como consistindo de dois dipolos verticais de meia onda carregados nas extremidades (carga capacitiva) e espaçados por um quarto do comprimento de onda. Não há radiação ascendente ou descendente, uma vez que as correntes nos condutores horizontais da estrutura se cancelam. A distribuição da corrente I e da tensão U ao longo do condutor da estrutura é mostrada na Fig. 1, b. Os pontos A e C, os antinodos da corrente, são pontos de potencial zero. Quando uma antena é conectada a um espaço no ponto A, um dipolo é alimentado por corrente e o outro, nos pontos B e D, por tensões antifásicas. Os padrões de radiação de um referencial localizado no espaço livre, nos planos vertical e horizontal, são mostrados na Fig. 1c, d e em sua forma estão próximos do padrão de radiação de um dipolo de meia onda [2]. O encurtamento elétrico da antena de quadro pode ser realizado aumentando a carga capacitiva dos dipolos, incluindo capacitores nos antinodos de tensão, ou seja, nos pontos B e D, o que altera adicionalmente a fase de tensão nesses pontos em 180° (Fig. 2, a). Vamos chamar essa antena de antena de quadro encurtado, composta por dois meios-quadros.
A corrente no circuito da moldura agora flui apenas em uma direção (Fig. 2, b), ou seja, as correntes nos condutores opostos da moldura acabam sendo direcionadas de forma oposta uma em relação à outra. Isso significa que não há radiação na direção perpendicular ao plano do quadro, ou seja, o padrão de radiação é aproximadamente um círculo no plano vertical e um “oito” na horizontal (Fig. 2, c, d). Se considerarmos dois dipolos de meia onda com correntes iguais direcionadas de forma oposta como um análogo desta antena, então a eficiência no plano horizontal em relação ao padrão de radiação circular é de 3,8 dB [1]. Assim, esta antena em suas propriedades se aproxima de uma antena magnética - uma antena com distribuição de corrente constante ao longo do contorno do quadro e emitindo predominantemente o componente magnético do campo eletromagnético na zona próxima. A antena em questão possui quatro pontos de potencial zero: A, C - antinodos de corrente e B, D - pontos médios das distâncias entre as placas do capacitor - nós de tensão. Conseqüentemente, a antena pode ser alimentada perto desses pontos. A maneira mais fácil é usar o casamento em forma de T quando alimentado por um antinó de corrente (Fig. 3, a) [2] ou um divisor de tensão capacitivo quando conectado a um nó de tensão (Fig. 3, b) [1].
Os parâmetros aproximados do circuito de conexão podem ser determinados a partir das seguintes considerações.
Outra variante de uma antena de quadro eletricamente encurtada é conhecida - um dipolo de meia onda com carga capacitiva, enrolado em uma estrutura (Fig. 4a). Para implementar esta antena, o perímetro do quadro deve ser inferior a metade do comprimento de onda. Os pontos de potencial zero são o ponto A e o meio da distância entre as placas do capacitor C (Fig. 4,b). O padrão de radiação coincide aproximadamente com o padrão de radiação de uma antena de quadro que consiste em dois meios-quadros. A linha de energia é conectada próxima aos pontos de potencial zero, como é feito em uma antena de quadro com dois meios-quadros.
Uma antena de quadro encurtada composta por dois meios-quadros é caracterizada por uma distribuição mais uniforme da amplitude da corrente ao longo do condutor do quadro em comparação com uma antena de quadro com quadro contínuo, portanto, com os mesmos perímetros, possui maior resistência à radiação rΣ e , como consequência, uma maior eficiência ηA (fator de eficiência). O ganho de acordo com os dados de medição atinge 3 dB em e/λ = 0,2. O estudo de uma antena de quadro encurtado composta por dois meios-quadros foi realizado nas frequências de 14, 27 e 430 MHz. Para uma frequência de 14 MHz, uma moldura quadrada feita de fio de cobre com diâmetro de 2 mm tinha perímetro e = 0λ, capacitância 2C = 22 pF, fator de qualidade do quadro descarregado Q = 100, resistência à radiação rΣ = 2 Ohm, resistência de entrada no antinodo de corrente rin = 10 Ohm, eficiência ηA - 0,1 e largura de banda 0,3 MHz. Para conectar um cabo com impedância característica Pl = 50 Ohm, o divisor de tensão capacitivo consistia em capacitores C = 47 pF e Cn = 510 pF, e o comprimento da seção do condutor da estrutura para correspondência em forma de T era eτ = 160 mm. O balanceamento foi realizado utilizando um anel de ferrite e diversas voltas de cabo coaxial [2]. A antena foi usada como receptor interno para monitorar o funcionamento de estações de rádio amador. Em vários casos, foi possível reduzir o nível de sinais interferentes devido à simetria da antena, que enfraquece a interferência de modo comum, e à presença de “zeros” no padrão de radiação. Para uma frequência de 27 MHz, várias antenas foram feitas a partir de dois meios-quadros com perímetros e = (0,1...0,5)%.O estudo deles resultou no seguinte. Para a antena de quadro em consideração, a resistência à radiação cai significativamente à medida que o tamanho diminui. Depende do quadrado da área (ou elevado à quarta potência do perímetro da moldura circular). Portanto, para antenas de quadro com perímetro e < 0,1 A, a resistência à radiação é significativamente menor que a resistência à perda, e a largura de banda da antena é determinada apenas pelos parâmetros do circuito LC da antena. Para uma antena de quadro com perímetro e > 0.2A. A resistência à radiação torna-se proporcional à resistência à perda, o fator de qualidade começa a cair e a largura de banda e a eficiência da antena começam a aumentar. Além disso, ao alimentar a antena, é aconselhável esforçar-se para garantir que as partes centrais dos vibradores, ou seja, os antinodos de corrente, estejam livres de elementos de conexão. Portanto, um divisor de tensão capacitivo é preferível a um casamento T. A antena loop para a frequência de 430 MHz tinha dimensões de 36x22 mm e era feita de fio de cobre folheado a prata com diâmetro de 1,5 mm. As capacitâncias 2C consistiam em capacitores de sintonia de 1...5 pF. Foi utilizada correspondência assimétrica em forma de T. A trança do cabo com Pl = 50 Ohm foi conectada ao ponto de potencial zero - o antinó de corrente, e ao núcleo central - a uma distância de 10 mm dele. A largura de banda da antena carregada é de 4,5 MHz, a eficiência é de 0,05...0,1. A antena de quadro em consideração é simétrica, não requer contrapeso, possui pontos de potencial zero (o que permite o uso de métodos de alimentação geralmente aceitos), pode ser ajustada com capacitores variáveis, é pouco sensível à presença de dielétrico e fracamente condutora objetos em sua vizinhança imediata e não contém elementos indutivos correspondentes. Para um determinado perímetro, o mais eficiente é uma antena de quadro circular encurtada, composta por dois meios-quadros, alimentados por um divisor de tensão capacitivo com perdas mínimas possíveis no material do quadro e nos capacitores. Literatura
Autor: N. Turkin, São Petersburgo
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