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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Antena direcional de três bandas Spider. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / antenas de alta frequência A ideia de criar uma antena KB direcional muito leve e portátil, feita de arame e esticada entre hastes telescópicas de vidro-plástico, embora não seja nova, vem chamando cada vez mais a atenção dos radioamadores. O alemão Cornelius Pohl (DF4SA) propôs uma variante de projeto na qual três antenas de fio de "canal de onda" são colocadas em um quadro de quatro hastes - duas de três elementos para 20 e 15 metros e uma de quatro elementos para um alcance de 10 metros . A antena, apesar de sua portabilidade e baixo peso, possui características muito boas em termos de fator de diretividade e padrão de radiação. O interesse pela antena DF4SA é grande, portanto, com a permissão de seu criador, fornecemos uma descrição da "Aranha". Introdução. "Spider" ("Spider") é uma antena tri-band de tamanho normal, muito leve, construída com hastes de vidro e plástico e arame. O peso total da antena de aproximadamente 5,5 kg a torna ideal para uso em campo. Uma fotografia da antena levantada em um mastro de alumínio de dez metros é mostrada na fig. 1.
Quaisquer mastros telescópicos leves e dispositivos rotativos de antenas de televisão são adequados para a antena. As cargas de vento na antena são pequenas. É fácil de montar e instalar por uma pessoa. O tamanho da antena dobrada e compactada não excede 1,2 m. Um esboço simplificado (diretores e refletores no mesmo plano) de seu design é mostrado na fig. 2.
Em termos de ganho (ganho) G e taxa de radiação para frente/para trás (F/B), o "Spider" não é inferior a outras antenas de tamanho normal, incluindo as estacionárias. A potência de radiação permitida no modo contínuo é de 2 kW. Os principais dados da antena são mostrados na Tabela 1.
A principal tarefa ao instalar a antena é elevá-la à altura mais alta possível. Antenas mesmo com um ganho pequeno, elevadas a uma altura elevada, dão um sinal melhor do que antenas com um ganho grande, mas instaladas a uma altura baixa. O pequeno peso do "Spider" torna mais fácil levantá-lo a uma grande altura. Também simplifica a seleção do local de instalação ideal. É conveniente usar a antena em viagens, instalá-la no topo das montanhas circundantes, nas ilhas, nas torres dos castelos e faróis e até em qualquer telhado. Esta antena compara-se favoravelmente com "feixes" pesados convencionais de banda tripla. A montagem da antena é simples, nenhum elemento complexo especial é usado no projeto. A falta de um procedimento de ajuste torna a antena acessível para iniciantes. O custo dos materiais para a fabricação da antena é baixo, e você ainda pode economizar no mastro e no dispositivo rotativo. O desenvolvimento da antena foi facilitado pela familiaridade com a solução original e elegante de Dick Bird (G4ZU), que propôs seu "Bird Yagi" - uma antena de "canal de onda" de três elementos com um direcionador de fio em forma de V e um refletor. Também é chamado de "arco e flecha". No entanto, não havia descrições de designs multirange na literatura, então o DF4SA teve que assumir um desenvolvimento independente. Após inúmeras tentativas de simulação computacional, finalmente, foi possível obter uma antena virtual que satisfizesse os requisitos. Permaneceram problemas estruturais e mecânicos: a antena tinha que ser leve, mas rígida, fornecer proteção contra umidade, ter características elétricas repetíveis, independentemente de quantas vezes fosse montada e desmontada. A montagem não deve ter sido difícil e não exigiu nenhuma ferramenta especial. Todos esses requisitos foram atendidos e o autor gostou de observar como a antena resistiu facilmente a uma forte tempestade enquanto operava em STZEE durante o CQ WW CW CONTEST de 2002. Princípios básicos da construção de uma antena. "Spider" é um canal de ondas para 10, 15 e 20 metros. É formado por três antenas de fio aninhadas uma dentro da outra, esticadas em uma cruz comum de fibra de vidro ("aranha"). Essas antenas, por sua vez, contêm três elementos para o alcance de 20 metros, três elementos para o alcance de 15 metros e quatro elementos para o alcance de 10 metros. O elemento ativo da antena consiste em três dipolos individuais para as bandas de 20, 15 e 10 metros, interligados apenas no ponto de alimentação. Como resultado, nenhuma bobina ou circuito ("ladders") é usado no projeto da antena. Para a transição de um cabo coaxial desbalanceado para um dipolo balanceado, foi utilizado um dispositivo choke simples e de banda larga proposto por W2DU. Isso torna o sistema de energia muito simples e confiável. Não são necessárias linhas de fase ou outros dispositivos correspondentes. O esboço geral da antena (vista superior) e as dimensões de instalação dos elementos (em centímetros) são mostrados na fig. 3.
Os comprimentos dos fios (em centímetros) dos elementos passivos da antena são dados na Tabela 2.
Deve-se observar que esses dados são válidos apenas quando a antena é feita de cobre ou fio revestido de cobre com diâmetro de 1 mm sem isolamento. Outros tipos de fios, principalmente fios isolados, vão exigir alguma correção nas dimensões dos elementos, que está associada a uma alteração no fator de velocidade, que, por sua vez, depende da velocidade de propagação da onda ao longo do fio. A correção também pode ser necessária ao usar isoladores nas extremidades dos fios da antena. Manter as dimensões exatas da antena durante sua fabricação é muito importante. Um erro de até um centímetro (!) Levará a uma alteração nos parâmetros. Segue-se do exposto que os fios da antena não devem ser puxados sob carga. O mais indicado é utilizar fio de aço cobreado, cujos dados podem ser encontrados em [1]. Quando a primeira cópia da antena foi feita de fio de cobre macio comum com isolamento de esmalte, alguns elementos durante a montagem e desmontagem da antena foram esticados até 10 cm, o que fez com que as frequências ressonantes "saíssem" e o padrão de radiação se deteriorasse. A proporção de radiações para frente/para trás sofreu especialmente. O design do elemento ativo é mostrado na fig. 4. É composto por três dipolos, que devem estar localizados em um plano vertical, estritamente um acima do outro. Tal como acontece com outros dipolos multi-alcance, quanto mais longe eles estiverem um do outro, menor será a interação.
A distância entre o dipolo superior de 20m e o dipolo inferior de 10m deve ser de cerca de 50cm.Também é importante que o dipolo de 10m seja estendido pelo menos alguns centímetros do tubo transportador de fibra de vidro. Caso contrário, o SWR pode flutuar um pouco quando a haste de fibra de vidro se molhar com a chuva. Os comprimentos dos dipolos (em centímetros) são dados na Tabela 3.
O dispositivo de balanceamento ("balun") pode ser muito simples, pois a impedância de entrada da antena nos pontos de alimentação já está próxima de 50 ohms. Portanto, nenhuma correspondência de resistência é necessária. Tudo o que é necessário é mudar de um cabo de alimentação coaxial desbalanceado para uma antena balanceada. Portanto, ao invés do transformador toroidal, foi possível utilizar uma simples bobina de cabo coaxial nesta antena. A versão mais simples de uma bobina de cabo coaxial é uma bobina de algumas voltas (5...10) diretamente próxima ao ponto de alimentação. No entanto, a operação de tal bobina é altamente dependente da frequência, do tipo de cabo em si, do diâmetro e do comprimento da bobina. Outro problema surge se o diâmetro do enrolamento for menor do que o permitido para um determinado tipo de cabo - com o tempo, os parâmetros do cabo se deterioram. Uma solução muito melhor é usar uma bobina coaxial conforme descrito por W2DU [2]. É necessário pegar um pedaço de cabo coaxial fino e colocar em seu isolamento externo vários (de 16 a 50, dependendo do tipo) anéis de ferrite, que aumentam efetivamente a impedância para as correntes que fluem ao longo da superfície externa da trança. Como resultado, essas correntes são significativamente reduzidas. Se você usar um pedaço de cabo com isolamento de fluoroplástico (Teflon), a potência permitida fornecida à antena pode chegar a dois quilowatts. Um pedaço de cabo com anéis de ferrite colocados sobre ele é colocado em uma caixa à prova d'água feita de um perfil de plástico em forma de caixa com tampa. Um conector de cabo tipo S0239 padrão é montado em uma extremidade da caixa e dois parafusos para conectar as metades do elemento ativo são montados na outra extremidade. O desenho do dispositivo de balanceamento com a tampa removida é mostrado na Fig. 5.
O dispositivo também desempenha outra função: preso ao mastro, eleva o ponto de alimentação do elemento ativo acima da conexão central dos elementos de suporte de fibra de vidro. Projeto da antena. Sua base é a conexão central mostrada na Fig. 6.
É feito de duas placas quadradas de duralumínio e quatro pedaços de tubos (Fig. 7), nos quais são inseridos elementos de fibra de vidro de suporte de carga.
Os tubos são fixados entre as placas com oito parafusos, orifícios oblongos nas placas permitem ajustar a conexão a um diâmetro de mastro específico, que pode ser de 30 a 60 mm. A conexão é adicionalmente fixada rigidamente ao mastro com um pedaço de perfil de duralumínio em forma de U (é fixado com dois parafusos na placa superior) e uma braçadeira em forma de U com porcas. O design do nó central garante a localização do centro de gravidade da antena exatamente ao longo do eixo do mastro, o que reduz a carga no mastro e no rotador. Os elementos de fibra de vidro com 5 m de comprimento são as seções inferiores das hastes de fibra de vidro de nove metros. Para enrijecer toda a estrutura de suporte, foi utilizada uma série de cabos de sustentação feitos de corda de Kevlar de 1,5 mm de diâmetro - um método bem conhecido desde os tempos da frota à vela. A corda suporta quebrar até 150 kg. O Kevlar é bom porque praticamente não estica e a antena mantém sua forma durante a rotação e com cargas de vento significativas. A configuração da órtese é mostrada na fig. 8. Para sua fixação, recomenda-se o uso de nós de vela que segurem bem a carga e sejam facilmente desamarrados ao desmontar a antena.
Após a montagem da estrutura de suporte, os elementos de arame são fixados de maneira fácil e rápida a ela. Nos locais onde são dobrados, bem como nas extremidades, são colocados pequenos pedaços de tubos isolantes de plástico nos elementos. Resultados e dados técnicos. A antena foi levantada em um mastro de dez metros em uma área aberta e seus parâmetros foram cuidadosamente medidos. Descobriu-se que os fios de aço banhados a cobre usados com diâmetro de 1 mm não requerem a introdução de um fator de velocidade, e os dados obtidos da simulação de computador podem ser usados \u4b\u100bdiretamente na fabricação da antena. Descobriu-se também que os isoladores nas pontas dos fios (tubos de poliamida com 200 cm de comprimento, preenchidos com resina epóxi) afetam visivelmente a frequência de ressonância dos elementos, diminuindo-a em cerca de XNUMX...XNUMX kHz. Este efeito deve ser levado em consideração encurtando os fios de acordo. Os resultados das medições do ganho e da razão da radiação para frente/para trás e para frente/lateral são mostrados na Tabela 4. Os valores de ganho são dados em relação a um radiador isotrópico e entre parênteses - em relação a um dipolo. Aproximadamente os mesmos valores foram obtidos para uma antena moderna típica de três bandas com um comprimento transversal (boom) de 6 ... 7 m.
Os valores da razão de radiação frente/lado são um pouco menores, devido ao fato de que os elementos ativos não se encontram no mesmo plano horizontal que os passivos. No entanto, isso tem algum mérito: ao pesquisar em uma faixa, o operador, embora fracamente, ouve sinais vindos de outras direções. Como exemplo, na fig. A Figura 9a mostra os padrões de antena em 14,12 MHz nos planos azimutal e vertical, calculados usando o programa de simulação de antena NEC. O cálculo foi feito para uma altura de instalação de antena de 10m acima da superfície da Terra. Na fig. A Figura 9b mostra padrões de radiação semelhantes quando a antena é instalada a uma altura de 20 m. Gráficos da fig. 9c mostra o ganho e a razão de radiação para frente/para trás em função da frequência.
Durante o trabalho de campo em várias expedições, a "Aranha" justificou plenamente as esperanças depositadas nela. Mais informações sobre a antena e uma descrição detalhada de sua tecnologia de fabricação podem ser encontradas no site da DF4SA [3]. Algumas discussões úteis sobre a construção, bem como traduções da descrição para outras línguas, estão disponíveis em [4]. A antena também foi modelada usando o programa de simulação de antena MMANA. Os resultados obtidos diferem pouco dos apresentados acima. Literatura
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