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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Alimentação superior vertical. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / antenas de alta frequência O artigo discute os princípios de criação e projetos práticos de antenas verticais multibanda com alimentação superior. São especialmente convenientes para trabalhos de campo ou expedicionários, mas mesmo assim podem ser utilizados em casa "barraca", ocupando pouco espaço e proporcionando bons parâmetros. O problema de criar uma antena multibanda simples e eficaz ainda preocupa quase todos os surfistas de ondas curtas. Na maioria das vezes, chama a atenção o design das antenas verticais, pois ocupam pouco espaço, são mais fáceis de instalar e possuem um padrão de radiação (DN) ideal para comunicações DX: com zero na direção do zênite e máximo na direção do o horizonte e a ausência de diretividade azimutal, permitindo comunicações de rádio com correspondentes em qualquer direção. Numerosos projetos bem conhecidos de verticais alimentadas por baixo sofrem de desvantagens associadas ao uso ineficiente de toda a altura do mastro em faixas de alta frequência e à dificuldade de configurar circuitos de barreira (escadas) ou outros dispositivos localizados a uma altura considerável e, na verdade, transformando a antena em multibanda. Na primeira parte do artigo, consideraremos quais vantagens e conveniências aparecem quando o ponto de energia é deslocado ao longo do condutor radiante vertical. Para abreviar, vamos chamar a antena descrita de GDP - a vertical da alimentação superior. Projeto do PIB Ao longo do condutor radiante da vertical, como em qualquer outra antena, é instalada uma onda de corrente estacionária com zero no topo, de modo que o ponto de alimentação não pode ser colocado próximo ao próprio topo - a impedância de entrada será muito grande. Movendo o ponto de alimentação de cima para baixo, chegamos a um local onde a corrente já é significativa e a tensão é menor do que no topo, de modo que a resistência de entrada (igual à relação entre tensão e corrente) diminui. No power point, vamos prender o condutor central do alimentador coaxial na parte superior da vertical, e a trança ... não vamos prender em lugar nenhum. Então a corrente fluirá do ponto de energia ao longo da superfície externa da trança e na mesma direção da parte superior da vertical. Este conceito é apresentado no artigo [1], em sua terceira parte, referente à Fig. 19. Lá, a corrente na trança é proposta para ser usada para melhorar o DN. Seguindo essas recomendações, faremos a corrente da trança parte da corrente irradiante principal. Observe que as correntes nos lados externo e interno da trança do alimentador não estão relacionadas entre si devido à espessura muito pequena da camada de pele no volume do condutor, elas são iguais apenas na parte superior corte da trança. Na fig. 1, a mostra esquematicamente a vertical projetada, e na fig. 1b - distribuição atual nele. O ponto de alimentação A é indicado por um círculo (gráficos do programa MMANA). Aqui, o condutor central é conectado ao topo com 3 metros de comprimento e a trança é deixada livre. A distribuição de corrente senoidal será preservada tanto na parte superior da vertical quanto na trança. No ponto B, a uma distância de meia onda do topo do vibrador da antena na faixa de 10 metros, um nó de corrente é formado (veja o gráfico de distribuição de corrente mais à esquerda na Fig. 1, b). Neste local, um circuito de bloqueio deve ser colocado para interromper o fluxo adicional de corrente pela trança.
O contorno é mais fácil de fazer na forma de um compartimento de cabos, sem violar a integridade deste último [2, 3]. Já temos uma antena vertical com alcance de 10 metros. Seu projeto é mostrado na Fig. 2, a. A antena pode ser feita inteiramente de cabo coaxial, usando apenas a trança da seção superior do cabo para a parte superior. É indiferente conectar ou não o condutor interno a ele, a corrente ainda fluirá apenas pela trança. Eles penduram a antena em um cara dielétrico (linha de pesca grossa) de um galho de árvore, etc., só é necessário garantir um feixe mecânico forte de segmentos de cabo no ponto de alimentação A, pois é improvável que o condutor central suporte o peso de todo o alimentador e "balun". Outra opção é fixar a antena em um mastro fino de abeto seco ou pinho (madeira úmida apresenta perdas perceptíveis) ou em uma haste de fibra de vidro. Neste caso, é aconselhável fazer a parte superior de um tubo de metal. Voltemos ao contorno. O compartimento de cabos possui uma indutância L significativa e, ao mesmo tempo, capacitância entre voltas individuais, o papel principal é desempenhado pela capacitância entre a primeira e a última volta. A capacitância equivalente total C fecha o compartimento. Assim, um compartimento de cabos para correntes de HF é um circuito paralelo, cujo circuito equivalente é mostrado na fig. 2b. A frequência de sua sintonia pode ser alterada selecionando o número de voltas, seu diâmetro e a ordem de empilhamento - colocando a primeira volta mais próxima da última, aumentamos a capacitância e diminuímos a frequência Para sintonizar uma frequência de 28,5 MHz, três voltas com um diâmetro de 13 cm são suficientes [3]. É curioso que mesmo que a corrente não seja totalmente bloqueada na trança, a corrente restante abaixo do circuito fluirá no mesmo sentido que na antena - afinal, o circuito inverte a fase, tendo oscilações iguais e antifásicas nos terminais . Portanto, a corrente restante na parte inferior do cabo não prejudicará o DP, mas até o melhorará um pouco. Agora, as vantagens importantes do GDP foram delineadas: primeiro, você pode ajustar a antena (selecione o diâmetro da bobina do cabo e sua posição ao longo da altura vertical) de baixo, cinco metros abaixo do ponto superior e, segundo, ponto de alimentação A pode ser localizado em qualquer lugar na vertical, alcançando as antenas de impedância de entrada desejadas, nenhum dispositivo de balanceamento adicional é necessário. Concentrando-se em um cabo de televisão de 75 ohm disponível, é aconselhável deslocar ligeiramente o ponto de alimentação A para baixo em relação ao meio da meia onda atual, enquanto a resistência de entrada aumenta ligeiramente em comparação com a resistência de um vibrador de meia onda alimentado em o meio (73,1 ohms para um vibrador infinitamente fino e um pouco menos para um vibrador de espessura finita). Levando em consideração o comprimento frequentemente encontrado dos tubos de duralumínio, igual a 3 metros, foi escolhido o comprimento da parte superior. Por que não 2 metros? Para que a antena funcione melhor em outras bandas. Na faixa de 15 metros, o circuito B não está mais sintonizado em ressonância e representa apenas alguma resistência indutiva para essas frequências (ver Fig. 1 em [3]), sendo, por assim dizer, uma bobina de extensão. Como resultado, o comprimento de meia onda diminui de 7,1 para 5,82 m (ver Fig. 1). A esta distância do topo da vertical haverá um nó de corrente, e aqui ligamos o segundo circuito de bloqueio C, sintonizado na frequência de 21,2 MHz (frequência média da faixa de 15 metros). Continuando o processo, ligamos o terceiro circuito D, já sintonizado na frequência de 14,15 MHz (meio da faixa de 20 metros), e veremos que para a faixa de 40 metros, o comprimento de nossa meia- onda vertical foi de apenas 9 metros. Um encurtamento tão significativo na faixa de 40 metros deveu-se à influência combinada dos circuitos B, C e D, que na frequência de 7 MHz possuem resistência indutiva e servem como bobinas "extensoras". Quando o vibrador de meia onda é encurtado, sua resistência à radiação, referida ao antinodo (lugar de máximo) da corrente, diminui. Por outro lado, o ponto de alimentação A, à medida que a frequência diminui, torna-se maior em relação à corrente máxima e a resistência de entrada, igual à resistência à radiação, recalculada para o ponto de alimentação, aumenta. Os dois processos se anulam em grande medida, e a impedância de entrada permanece aproximadamente constante em todas as faixas. Todo esse projeto foi feito de maneira fácil e rápida usando o programa MMANA e, após algumas otimizações (não tenho certeza de que não possam ser melhoradas), a antena mostrada na Fig. 1. A impedância de entrada da antena nas faixas de 10, 15, 20 e 40 metros acabou sendo 78, 67, 69 e 61 Ohms, respectivamente, com reatância zero, o que proporciona uma boa correspondência (SWR menor que 1,2 em média frequências das faixas). Ao calcular, foram obtidos os seguintes valores dos parâmetros dos circuitos equivalentes (frequência, indutância, capacitância): V - 28 MHz, 5 mH, 1,6 pF; C - 19,5 MHz, 21,2 mH, 2 pF; D - 28 MHz, 14,15 mH, 3,2 pF. Talvez a vantagem mais importante da vertical projetada seja que ela não requer "terra" ou radiais. Resta decidir como trazer o alimentador mais para baixo do ponto mais baixo da vertical (ver Fig. 1, a). Já sabemos enrolar outra bobina do mesmo cabo de forma que forme um loop sintonizado em 7,05 MHz. Outra solução também é possível - logo abaixo do contorno D, prenda três a quatro radiais horizontais ou inclinados curtos (cerca de 1,5 m de comprimento) à bainha do cabo. Eles trarão o comprimento elétrico da antena para meia onda na faixa de 40 metros. Os radiais curtos não eliminam a necessidade de um loop de barreira, mas agora serão posicionados diretamente abaixo do ponto de conexão radial. A conexão indutiva deste circuito com o circuito D (afinal, agora eles estão próximos) é indesejável. Em vez de um circuito nesta modalidade, bobinas enroladas com o mesmo alimentador em anéis de ferrite são adequadas. O processo de configuração do PIB parece simples e bastante óbvio. Comece com a faixa de frequência mais alta de 10 metros. Ao selecionar a densidade do enrolamento (diâmetro) e, dentro de uma pequena faixa, a posição ao longo da altura do bay B, uma ROE aceitável é alcançada nesta faixa. Fixado o bay com fita isolante, passam para a faixa de 15 metros e repetem a mesma operação com o bay C, sem tocar no circuito sintonizado B. E assim sucessivamente, até que toda a antena esteja sintonizada em todas as bandas. Antena de cabo, por exemplo, RK-75-4-11 é especialmente boa para condições de campo. Se estiver configurado, pode estar no campo se o transceptor estiver equipado com um medidor de ROE. Sob condições estacionárias, o PIB provavelmente pode ser feito de tubos de duralumínio separados por inserções dielétricas nos locais B, C, D e na extremidade inferior. Sobre as inserções são colocadas bobinas dobradas de um tubo de cobre macio ou alumínio (fita pode ser usada). Os capacitores dos circuitos devem ser de alta tensão, pois os circuitos estão localizados nos antinodos da tensão. Nesse caso, o cabo deve passar reto dentro de todos os tubos, mas para evitar corrente na trança, vários anéis de ferrite devem ser colocados nele e uma bobina de bloqueio ou várias bobinas em anéis de ferrite de grande diâmetro devem ser enroladas perto da borda inferior do PIB. Esta versão do PIB não foi calculada e não foi produzida. Em conclusão desta parte - mais uma variante prospectiva do PIB. Para que a antena funcione também na faixa de 80 metros, no ponto mais baixo da vertical (ver Fig. 1, a) é necessário instalar um circuito de barreira sintonizado na frequência de 7,05 MHz, e abaixo da bainha do seu cabo ( tubo inferior na versão estacionária) aterre ou conecte a um sistema de radiais de 20 m de comprimento. Então a antena operará a uma frequência de 3,6 MHz como um GroundPlane de quarto de onda encurtado por indutâncias com um ponto de alimentação elevado. PIB de banda dupla portátil A primeira versão prática do PIB foi feita com urgência, "no joelho" quando se tornou necessário implantar a estação de rádio da redação da revista "Rádio" na exposição NTTM-2002. Um enorme pavilhão com tetos metálicos vazados e ferragens metálicas de paredes envidraçadas excluiu a colocação da antena dentro do prédio devido à blindagem completa dos sinais e alto nível de interferência. Felizmente, conseguimos instalar uma vertical no teto da cabine de ventilação e passar o cabo no poço de ventilação. Um ano depois, poucos dias antes da abertura da exposição "Expo-Science 2003" (ver "Rádio", 2003, nº 8, primeira capa), o destino apresentou uma surpresa desagradável. A cobertura de um pavilhão semelhante, onde ocorreu a exposição, era um campo plano, maior que um de futebol, coberto com material de cobertura. Pegá-lo, enfiar pregos, ganchos, etc., bem como usar poços de ventilação, era estritamente proibido. Só podíamos falar de uma antena independente com um alimentador descendo ao longo da parede externa e entrando no prédio por uma fresta na porta. A situação parecia desesperadora, mas algumas horas de modelagem usando o programa MMANA e duas noites de "finalização" do PIB resolveram o problema. Precisávamos de pelo menos dois alcances: 20 e 40 metros. Foi neles que a antena foi projetada. Quando desmontado e dobrado, cabia em uma bolsa com diâmetro de 30 e altura de 160 cm, era facilmente carregado com uma mão (não pesava, mas a bobina do cabo é muitas vezes mais pesada) e trazia para a exposição em o metrô. Depois de uma hora e meia gasta em sua instalação e resolução de problemas organizacionais (fiação de alimentação, rede, mesa etc.), ele forneceu comunicações com a Sibéria, Europa Ocidental e depois com correspondentes mais distantes. O esboço da antena é mostrado na fig. 3. A parte superior do PIB acima do ponto de alimentação A é feita de três tubos de duralumínio inseridos um no outro (o do meio é um bastão de esqui, o superior é muito leve e de paredes finas). Os pontos de alimentação A do circuito B como elemento radiante 1 é uma trança de cabo, seu condutor central é conectado à parte superior da antena 2. Abaixo do circuito B, quatro radiais 3 são conectados à trança de cabo, feita de uma parede fina perfil de aço de seção retangular (de cortinas de janela). As extremidades externas dos radiais são interligadas por segmentos de um cabo coaxial que já cumpriu sua idade, com 2,5 m de comprimento (foi utilizado apenas uma trança). Isso aumenta a superfície efetiva da "terra virtual" resultante.
Como a antena foi projetada como uma antena de banda dupla, optou-se por usar um circuito paralelo B, sintonizado um pouco acima da frequência de 7 MHz. Na faixa de 40 metros, possui reatância indutiva e serve como bobina de extensão, sintonizando a antena em ressonância. Na faixa de 20 metros, o circuito tem capacitância e encurta o comprimento elétrico da antena, sintonizando-a novamente em ressonância. Os parâmetros de contorno para as dimensões da antena foram otimizados usando o programa MMANA, colocando os radiais a uma altura de 0,2 m acima do solo perfeitamente condutor (assim tentamos levar em conta o efeito da cobertura de concreto armado do pavilhão). A simulação produziu uma frequência de sintonia de loop de 7,6 MHz com uma indutância de 1,24 μGy e uma capacitância de 355 pF. É impossível fazer um circuito com uma capacidade tão grande a partir de uma bobina de cabo, então foram usados capacitores convencionais e uma bobina cilíndrica de cabo, que fornecem um fator de alta qualidade. As características de design do PIB fabricado são ilustradas na Fig. 4. O contorno é colocado em um corpo cilíndrico 4, que tem um fundo maciço, fundido em liga de alumínio e paredes relativamente finas de duralumínio. O autor usou um tanque giratório de uma velha máquina de lavar (por exemplo, "Sibéria"). As dimensões do corpo não são críticas (25...30 cm de diâmetro e altura). Os orifícios no fundo não estão fechados - eles servem ao propósito pretendido para drenar a água da chuva e o condensado que entrou acidentalmente. Os radiais 4 são fixados na parte inferior do corpo com 3 parafusos, não sendo necessária força especial nessas conexões, pois os radiais ficam livremente na superfície do telhado. O elemento de suporte inferior da vertical 1 é feito de um pedaço de tubo de encanamento de plástico com um diâmetro de 2.5...3 polegadas. Para fixar o tubo 1 ao fundo do alojamento 4 e para fixar o elemento radiante superior 2, são utilizados ressaltos cilíndricos 5. Eles podem ser feitos tanto de metal quanto de material dielétrico. Na saliência superior é feito um furo radial, através do qual o condutor central do cabo é conectado ao elemento radiante superior 2 pelo terminal 6. Ele também confere resistência mecânica a este conjunto. Antes de aparafusar o terminal no tubo 1, coloque uma tampa de plástico leve (não mostrada na Fig. 4), na qual são feitos furos para o tubo e o cabo. A tampa é rebaixada até o corpo 4, protegendo o circuito da precipitação. A extremidade superior do cabo deve ser equipada com um terminal de contato com furo adequado para o terminal 6. O terminal deve ser fixado firmemente no isolamento externo do cabo, isolando-o da trança. O condutor central é conectado à pétala sem sua tensão, o que protegerá o condutor de quebrar durante a montagem e desmontagem do PIB. Mais quatro terminais são fixados nas extremidades externas dos radiais 3, e os lóbulos de contato são pré-soldados nas extremidades dos segmentos de cabo de "terra artificial" 7, o que acelera muito a montagem da antena. A resistência final de toda a estrutura é dada por quatro extensões de linha de pesca fina, mostradas por linhas tracejadas na Fig. 3. São amarrados ao elemento 2 na junta superior dos tubos e aos terminais nas extremidades dos radiais. O projeto do circuito fica claro na Fig. 4. Na parede lateral do invólucro 4, é fixado um conector coaxial 8, de preferência o mesmo da estação de rádio (isso permitirá que você não pense na hora de montar a antena em qual extremidade do alimentador principal deve ir para a antena e qual ao transceptor), e uma placa de montagem com duas pétalas 9. Outro lóbulo, que tem contato com o corpo 4, é fixado sob o parafuso conector 8. A trança do cabo do qual a bobina é enrolada é soldada a ele, e um terminal do capacitor 10. As pétalas da placa de montagem 9 não devem ter contato com o corpo 4. Dois condutores centrais são soldados a um deles, e as tranças dos segmentos de cabo e o outro terminal do capacitor 10 são soldados ao outro. O capacitor é composto, para confiabilidade, de dois capacitores KSO conectados em série para uma operação tensão de 500 V com capacidade de 680 pF. É aceitável usar outros capacitores de alta tensão com um grau de encapsulamento suficiente para suportar influências atmosféricas. A bobina do circuito contém 7 voltas do cabo PK-75-4-11, enroladas firmemente em um tubo de plástico 1. A indutância da bobina é ajustada de duas maneiras: movendo toda a bobina ao longo da altura do tubo (aproximando-a para o fundo da carcaça 4 reduz a indutância, aumentando a frequência de sintonia do circuito), ou elevando as espiras superiores, aumentando o comprimento do enrolamento devido aos espaços entre as espiras resultantes (neste caso, a indutância também diminui). Após a fixação, as voltas são fixadas com fita isolante ou fio aramado. O ajuste da antena é fácil. Depois de montado e instalado na posição de trabalho (no caso de vento forte, é útil "pesar" as pontas dos radiais 3 com sacos de areia ou outros objetos pesados à mão), conecte a antena ao transceptor com o cabo principal . Tendo removido a dependência de frequência do SWR na faixa de 40 metros, é determinado onde a frequência de sintonia do loop deve ser deslocada para que o mínimo do SWR caia no meio do intervalo. Por exemplo, se a ROE mínima for inferior a 7 MHz, a indutância da bobina deve ser reduzida e, se for superior a 7,1 MHz, deve ser aumentada. Como regra, uma, no máximo duas correções são suficientes. Em seguida, verifique o SWR na faixa de 20 metros. Lá, a antena é muito banda larga e a correção, via de regra, não é necessária. Se, no entanto, tal necessidade surgir, é necessário alterar a proporção dos contornos L e C e ajustar novamente a antena na faixa de 40 metros. Um aumento na indutância do circuito ao reduzir a capacitância diminui a frequência de sintonia da antena na faixa de 40 metros e aumenta na faixa de 20 metros, ou seja, “espalha” as frequências de ressonância da antena. Em nosso país, após um único ajuste, a antena montada em um telhado de concreto armado forneceu uma ROE próxima da unidade em ambas as faixas. Durante a operação da antena, descobriu-se que ela funciona bem na faixa de 15 metros, embora a ROE seja maior aí. Os recursos do sintonizador automático do transceptor IC-746 foram suficientes para ajustá-lo. O conceito proposto do VHF abre amplas possibilidades para projetar antenas verticais multibanda simples. Mesmo que um radioamador não consiga sintonizar bem o PIB, ele ainda pode ter certeza de que a parte superior, de aproximadamente cinco metros, de sua vertical irá irradiar e para o lugar certo - na direção do horizonte, e este é o chave para resultados de sucesso em DX-inge. Literatura
Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Moscou
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