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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antena HF direcional de sete bandas BMA-7. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / antenas de alta frequência Uma antena de todas as ondas, ou pelo menos uma que funcione na maioria das nove bandas amadoras de HF, é o sonho de muitos operadores de ondas curtas. A tarefa de criar uma antena multibanda torna-se significativamente mais complicada quando se trata de uma antena direcional. Uma solução interessante é proposta no artigo publicado. As ideias usadas pelo UT1MA neste projeto podem ser úteis para operadores de ondas curtas no desenvolvimento independente de antenas HF. Antenas direcionais multibanda do tipo "canal de ondas" para comunicações de rádio amador são muito populares e são produzidas por dezenas de empresas em muitos países. Tais antenas são feitas principalmente usando circuitos ressonantes de separação - TRAP, ou escadas [1, 2]. Apesar das conveniências óbvias, esta tecnologia raramente é usada no projeto de antenas amadoras, o que se explica, em primeiro lugar, pela dificuldade de fabricar manualmente uma escada confiável e sintonizada com precisão. Recentemente, surgiram projetos de antenas nos quais o problema de operação multibanda é resolvido de forma mais simples, utilizando os chamados circuitos de carga multibanda (LOad Multiband ou LOM, para abreviar). O elemento principal de tal antena é uma bobina com uma certa indutância, localizada em um determinado local do elemento ativo ou passivo. O mecanismo de ação da carga LOM é que em frequências relativamente altas a bobina provoca uma reflexão significativa da corrente, fazendo com que sua distribuição na parte “pré-bobina” fique próxima da distribuição em um convencional dipolo com comprimento de braço de aproximadamente 0,25λ. Em baixas frequências, a corrente se espalha ao longo de todo o comprimento do braço da antena e a bobina atua como uma bobina de extensão [3]. Vamos tentar comparar os principais parâmetros de dois dipolos de três bandas: com escadas e com bobinas LOM. Os cálculos foram feitos usando o programa de antena MMANA (TNX JE3HHT e DL2KQ para programa excelente). A Figura 1a mostra o desenho de um dipolo para as faixas de 10, 20 e 40 metros. Os braços do dipolo são simétricos, o que nos permite mostrar apenas metade do dipolo para simplificar a figura. Assumimos que os capacitores de armadilha L1C1 (frequência de ressonância f1 = 28,3 MHz) e L2C2 (f2 = 14,15 MHz) são formados por tubos localizados dentro e fora da bobina. Observe que esse design tecnologicamente conveniente de capacitores tem uma desvantagem significativa - devido à influência desses tubos, o fator de qualidade das bobinas (e do circuito como um todo) é reduzido em 3...4 vezes e em muitos modelos não exceda Q = 80... 100. Conseqüentemente, as perdas nos circuitos e seu aquecimento aumentam pelo mesmo fator. Tomamos C1 = 25 pF, C2 = 15 pF, Q1 = 100 e Q2 = 80, e o diâmetro do condutor da antena (tubo) é de 30 mm. As seções dipolo ab, cd, por exemplo, têm comprimentos nos quais o componente reativo da resistência de entrada é próximo de zero em todas as três faixas.
Diagramas de mudanças no valor da corrente ao longo do dipolo em diferentes faixas são mostrados na Fig. 1, b (alcance de 10 metros), fig. 1,c (20 metros) e Fig. 1.g (40 metros). As setas nos diagramas mostram a direção da corrente nas partes correspondentes do dipolo. MMANA mostra que também existe uma pequena corrente nas partes do dipolo localizadas atrás das escadas, que surge como resultado da interferência da seção de trabalho da antena. Num alcance de 10 metros, esta corrente aumenta significativamente, em cerca de 0,4 dB, o ganho da antena estreitando o padrão de radiação (DP) e também aumenta a impedância de entrada da antena. Os resultados do cálculo estão resumidos na tabela. Nele, R é a impedância de entrada da antena em ressonância. O ganho G é dado em relação a um dipolo de meia onda sem escadas. As perdas térmicas totais em duas bobinas PL1 e duas PL2 são destacadas separadamente, pois a confiabilidade da antena depende diretamente dessas perdas. G é a largura do lóbulo principal do padrão em um nível de -3 dB ou 0,707 do máximo. Ao estimar as perdas de calor, pode-se assumir que 0,1 dB corresponde a aproximadamente 2,4% da potência total. O comprimento total do dipolo é 2x6,7 m. Na Fig. 2, e também mostra um dipolo para as faixas de 10, 20 e 40 metros, mas, diferentemente do primeiro, não utiliza escadas, mas sim bobinas LOM. Os valores de L1 e L2, os comprimentos das seções ab, cd, por exemplo, e as cargas capacitivas EH1 e EH2 são selecionados de forma que em todas as três faixas o componente reativo da resistência de entrada seja próximo de zero. Em particular, o comprimento da primeira secção ab será de cerca de 0,25 comprimentos de onda para a faixa de 10 metros. Devido à presença de L1 nesta faixa, o formato da curva de corrente na seção ab é quase o mesmo de um dipolo de meia onda.
A magnitude da corrente atrás da bobina na seção cd é várias vezes menor do que na primeira seção. Isso é importante, pois aqui a corrente está na direção oposta e sua ação leva a uma expansão do padrão e, consequentemente, a uma queda no ganho dipolo. Para minimizar este efeito indesejável, foi introduzida uma carga capacitiva EH1, que “assume” e exclui parte da contracorrente da radiação. A magnitude da corrente na seção cd também depende da indutância da bobina L1 e será quanto menor, maior ela for. Por outro lado, aumentar a indutância da bobina leva a uma diminuição da banda larga na segunda banda (20 metros), pelo que a escolha da indutância desta bobina é um compromisso inevitável. Na faixa de 20 metros, os elementos L2 e EH2 funcionam de forma semelhante, e a bobina L1 funciona como uma extensão. Na faixa de 40 metros, ambas as bobinas são bobinas de extensão. Diagramas de correntes ao longo do condutor desta variante dipolo são mostrados na Fig. 2,6 (10 metros), fig. 2, em (20 metros) e fig. 2.g (40 metros). O cálculo mostrou que os valores ótimos seriam L1 = 3,5 µH e L2 = 18 µH. O comprimento total do dipolo é de 2x5,8 m com diâmetro de tubo de 20 mm na seção extrema e 30 mm no restante. O comprimento do EH1 é de 0,8 m e do EH2 é de 0,6 m, os tubos têm 16 mm de diâmetro. Os parâmetros calculados também são mostrados na tabela, o que é conveniente para comparação. Nos cálculos, o fator de qualidade das bobinas L1 e L2 foi assumido como 250, o que é bastante realista.
Uma comparação das perdas de calor nos dipolos TRAP e LOM mostra que o segundo tem 2...3 vezes menos perdas. Sob as mesmas outras condições de projeto, uma antena LOM pode suportar alta potência. Porém, se forem utilizados capacitores externos nas escadas, ambos os tipos de antenas serão aproximadamente iguais neste indicador. Uma propriedade útil da antena LOM é que ela não é crítica para a indutância das bobinas. Se se desviar do valor calculado em 10%, a sintonia ressonante é facilmente restaurada ajustando o comprimento dos elementos EH. Neste caso, os parâmetros da antena mudam ligeiramente. Há também uma vantagem óbvia - não há necessidade de usar capacitores de alta tensão projetados para alta potência reativa. Após o uso bem-sucedido da tecnologia LOM em uma antena vertical multibanda [3, 4], o autor tentou aplicar esta tecnologia no vibrador ativo (AV) de uma antena direcional simples para sete bandas KB - de 10 a 40 metros. AB foi projetado para usar um alimentador de 50 ohms sem qualquer comutação. Além do AV, a antena inclui cinco refletores para as faixas de 10, 12, 15, 17, 20 metros, e nas faixas de 30 e 40 metros apenas o vibrador ativo funciona na antena. A aparência da antena experimental, que recebeu o nome do autor BMA-7 (Beam Multiband Antenna for 7 bands), é mostrada na Fig. 3.
Um diagrama elétrico esquemático de seu vibrador ativo é mostrado na Fig. 4. Cada braço AB (apenas um dos dois é mostrado) consiste em quatro condutores, cujos inícios convergem no ponto de alimentação.
A base estrutural da antena é um vibrador central, composto por três seções de tubos de duralumínio, entre os quais estão localizadas as bobinas L1 e L2. Este vibrador opera nas bandas de 10, 20 e 40 metros. Alcances de 15 e 17 metros são fornecidos pelos vibradores de fio PV15 e PV17. A bobina L4 com baixa indutância permite reduzir o comprimento do vibrador PV17 às dimensões exigidas por motivos de projeto. O vibrador PV12 opera na faixa de 12 metros e, junto com a bobina L3 e o condutor PVZO adicional, obtém-se um emissor de faixa de 30 metros. Naturalmente, existem influências mútuas entre os componentes do AV, mas, no entanto, em geral, sete ressonâncias claras e SWR são obtidas em frequências médias de todas as faixas dentro de 1,1... 1,4 (somente AV - sem refletores). Um desenho AB mais detalhado com dimensões principais em duas projeções é mostrado esquematicamente na Fig. 5.
Os vibradores de fio PV são feitos de fio trançado com isolamento vinílico da marca PVZ com seção transversal de 2,5 metros quadrados. milímetros. Para suportar os vibradores de fio, foram utilizados pequenos isoladores de porca IO e isoladores de antena plástica IP da empresa "Antennopolis" (Zaporozhye). Esses isoladores possuem dimensões de 17x17x115 mm e quatro furos - dois nas bordas e dois no meio. A bobina L4 tem 7 voltas e é enrolada diretamente na parte central do isolador do fio emissor PV17. O emissor de fio PV12 é fixado a alguma distância do vibrador central por espaçadores dielétricos RP. As extremidades distantes (do centro da antena) dos emissores PV15 e PV17 são fixadas através de macas de polipropileno PP no tubo EH2. O refletor de alcance de 10 metros é composto por um tubo com diâmetro de 20 mm e comprimento de 5,3 m, o refletor de alcance de 15 metros é composto por tubos com diâmetros de 30, 20, 16 e 10 mm (comprimento total 7,235 m), o A faixa de 20 metros é composta por tubos com diâmetros de 30 e 20 mm (comprimento total de 10,51 m). As distâncias de AB aos refletores das faixas de 10, 15 e 20 metros são 2,05, 2,6 e 3,7 m, respectivamente. Os refletores para as faixas de 12 e 17 metros são confeccionados em fio trançado com isolamento vinílico marca PVZ - 2,5 e estão localizados respectivamente acima dos refletores de 15 e 20 metros (ver Fig. 3) de forma que a parte central do fio o refletor é 0,5 m mais alto que o do tubo e as extremidades são 0,2 m. O comprimento total do refletor para o alcance de 12 metros é de 5,5 m, para o alcance de 17 metros - 7,75 m. As cargas capacitivas são de um tubo com diâmetro de 16 mm, comprimento EH1 - 1,3 m e EH2 - 1,6 , 1 M. Dados da bobina: L33 - moldura com diâmetro de 1 mm, fio MGTF com seção transversal de 9 sq. mm, número de voltas - 2, enrolamento apertado, impermeabilização com fita isolante NOVA ROLL; L32 - moldura com diâmetro de 0 mm, MGTF 75 sq. mm, número de voltas - 24; L3 - moldura com diâmetro de 40 mm, MGTF 0,75 sq. mm, 18 voltas. A antena foi testada experimentalmente primeiro em um protótipo e depois uma amostra real foi desenvolvida. O vibrador ativo foi ajustado usando um medidor de SWR de ponte: nas faixas de 10 e 20 metros, alterando o comprimento das cargas capacitivas, e na faixa de 40 metros, alterando o comprimento da seção final. As faixas restantes são ajustadas selecionando os comprimentos dos vibradores de fio. Foi difícil calcular o comprimento dos refletores do fio devido à presença de isolamento de vinil no fio e à proximidade dos refletores do tubo; eles foram sintonizados usando o GIR para uma frequência que diferia da frequência média da faixa dada em 3 % abaixo. O comprimento total do vibrador ativo é 2x6,35 m. Depois de receber o programa informático MMANA, o cálculo do vibrador ativo (faixas 10, 20 e 40 metros) mostrou como os mesmos parâmetros podem ser obtidos reduzindo os comprimentos de EH e o comprimento total do vibrador ativo (ver os dados de cálculo fornecidos acima). O cabo de alimentação é compatível com o AV usando apenas um elemento adicional - um capacitor com capacidade de 56 pF/2,5 kVA, conectado em paralelo à entrada da antena. O balanceamento é realizado por meio de um indutor de proteção L5 de 15 voltas de cabo coaxial do alimentador RG-58, enrolado em um núcleo magnético anelar de ferrite com diâmetro de 65 mm feito de material 300VN. O indutor e o capacitor correspondente são colocados em uma caixa protetora e montados em um espaçador de aço RP1 no centro AB, suportando os elementos PV15 e PV17. Não devemos esquecer (ao modelar uma antena, em particular) que as seções de fios que vão para o transformador (cada uma com aproximadamente 10 cm de comprimento) estão incluídas no comprimento elétrico AB. A parte central AB (até as bobinas L2) é constituída por um tubo com diâmetro de 30 mm, e as seções finais são constituídas por tubos com diâmetro de 20, 18 e 10 mm, inseridos uns nos outros. A antena é alimentada por um cabo PK50-7 de 30 metros de comprimento. Após uma ligeira correção dos comprimentos dos elementos AB, foram obtidos os seguintes valores: SWR - nas faixas de frequência média dentro de 1,1... 1,4; a faixa de frequência operacional para SWR ≤ 2 é 10 MHz na faixa de 1 metros, 12 MHz nas faixas de 15, 17 e 0,5 metros, 20 MHz na faixa de 0,32 metros, 30 MHz na faixa de 0,09 metros e faixa de 40 metros - 0,18 MHz. As medições foram realizadas utilizando um dispositivo WH7 da DRAKE. A verificação da antena "no ar" mostrou que a relação avanço/retrocesso em caminhos médios na faixa de 20 metros está na faixa de 12...15 dB, nas faixas superiores - 15...18 dB. Na faixa de 40 metros quando comparado com o Inv. V descobriu-se que na direção de sua radiação máxima a antena BMA-7 não era inferior à Inv de tamanho real. V, mas no sentido lateral foi superior em 1...2 pontos. Os valores calculados de ganho nas faixas de 10...20 MHz são 4...4,5 dBd. É possível melhorar os parâmetros desta antena adicionando diretores? Isto é bastante difícil pelas seguintes razões. Em primeiro lugar, os diretores das faixas inferiores pioram significativamente os parâmetros das faixas superiores. Para eliminar este fenômeno, será necessário introduzir escadas, carcaças LOM ou tomar outras medidas especiais. Em segundo lugar, será difícil utilizar métodos de correspondência padrão com um alimentador devido à dispersão das impedâncias de entrada em diferentes faixas. Talvez seja na forma descrita que a antena pode ser de interesse para o operador “médio” de ondas curtas. Em termos de parâmetros, a antena BMA-7 se aproxima de uma antena log-periódica com comprimento de 6...8 metros, mas contém elementos para as faixas de 30 e 40 metros. Pode-se notar também que entre os operadores ocidentais de ondas curtas é popular a antena C4 simples do FORCE-12 com comprimento de lança de 3,6 m, possuindo dois elementos cada nas faixas de 10, 15, 20 metros e um na faixa de 40 metros. com dois comedouros (preço - aprox. US$700). Concluindo, podemos dizer que, como este trabalho mostrou, a tecnologia LOM pode ser utilizada com sucesso em antenas multibanda, competindo em igualdade de condições com a tecnologia TRAP. O autor agradece a Boris Kataev (UR1MQ) por sua inestimável assistência no processo de instalação e configuração da antena BMA-7. Literatura
Autor: E. Gutkin (UT1MA), Lugansk, Ucrânia
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