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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Efeito de antena do alimentador. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis A operação normal do caminho de alimentação da antena determina em grande parte a eficácia de uma estação de rádio amador como um todo. O efeito discutido neste artigo pode reduzi-lo significativamente, uma vez que se manifesta na maioria dos projetos práticos de antenas (incluindo as de fábrica). A primeira parte do artigo revela as causas do efeito antena do alimentador e sua influência na operação do caminho antena-alimentador. Na segunda parte, serão dadas recomendações práticas para eliminar essa influência. Quase todas as ondas curtas estão bem cientes da situação em que o trabalho de transmissão interferiu no equipamento eletrônico da casa - a luz de néon brilha quando trazida ao corpo do transmissor ligado e a recepção é acompanhada por forte interferência de origem local. Estas são as manifestações mais marcantes do efeito de antena de alimentação há muito familiar, mas relativamente pouco estudado, cuja essência e características são descritas no artigo. A essência e as causas do efeito antena do alimentador Costuma-se chamar de efeito antena o fenômeno de radiação ou recepção de ondas de rádio por objetos não destinados a isso. A linha de alimentação só deve ser usada para transmitir energia de alta frequência de um transmissor para uma antena ou de uma antena para um receptor. A consideração das causas do efeito da antena alimentadora (AEF) começará com o modo de transmissão. Como se sabe, o campo eletromagnético emitido por uma antena é criado por correntes alternadas que fluem através dos seus condutores constituintes. Quase sempre a antena não está no espaço livre. Pode haver muitos objetos nas suas imediações (por exemplo, dentro do comprimento de onda a). São os fios das linhas de alimentação, radiodifusão e comunicações, mastros condutores, suportes e estais, tubos, cordames, acessórios, carrocerias e fuselagens de veículos, telhados e paredes de edifícios, o corpo do operador e a superfície da terra . Se, de alguma forma, surgirem correntes nos objetos circundantes (induzidas, por exemplo, pelo campo próximo de uma antena), então o campo de radiação criado por essas correntes se somará ao campo das correntes da antena. A antena juntamente com seu entorno será chamada de sistema de antena (AS). Nessas condições, as características dos alto-falantes podem diferir bastante das características calculadas da própria antena. Para tornar as características dos alto-falantes menos dependentes do ambiente, eles tentam elevar a antena mais alto, instalá-la mais longe de estruturas condutoras e fazer mastros e cabos de sustentação não metálicos. Um dos objetos mais próximos e fundamentalmente não removíveis ao redor da antena é o alimentador que a alimenta. O alimentador mais simples é uma linha aberta de dois fios. Em um caso ideal, os valores instantâneos das correntes nos fios de linha em qualquer seção do alimentador e em qualquer momento são idênticos em magnitude e direções opostas, ou seja, a soma das correntes de ambos os fios do alimentador em qualquer seção é zero. Chamaremos essas correntes de antifase. Uma linha aberta de dois fios irradiará mesmo sob esta condição, a razão para isso é a distância finita d entre os fios da linha. Uma linha vertical emite ondas polarizadas verticalmente no plano horizontal com máximos no plano da linha e ondas polarizadas horizontalmente com máximos perpendiculares a este plano. O campo de radiação é proporcional à razão d/X. A radiação de uma linha de dois fios é mínima com uma carga de linha combinada e aumenta visivelmente com uma incompatibilidade, quando aparecem ondas de corrente estacionárias. O fenômeno descrito (sob a condição de correntes estritamente antifásicas no sistema de arame alimentador) é denominado efeito antena do alimentador de 2º tipo (AEF-2) [1]. Na prática, manifesta-se de forma muito fraca. Por exemplo, a uma frequência de 145 MHz, uma linha de um cabo de televisão KATB (ou KATP) com comprimento a/2 ed = 10 mm, devido a este efeito, emite um campo aproximadamente 50 vezes mais fraco que meio- vibrador de loop de onda conectado a esta linha. Existem muitas razões pelas quais a soma das correntes de todos os fios na seção transversal de uma linha alimentadora pode diferir de zero. O diagrama vetorial (Fig. 1) mostra que com uma diferença arbitrária nas fases e amplitudes das correntes I1 e I2 em fios individuais, essas correntes podem ser representadas como uma soma dos componentes antifase I1n = I2n e em fase I1c =l2c (estes últimos são às vezes chamados de single-ended). Os campos criados pelas correntes de modo comum de diferentes fios não são compensados (como os antifásicos), mas são somados. Se o comprimento do alimentador for comparável a X, então sua soma pode criar uma grande radiação adicional. Este fenômeno é denominado efeito antena do alimentador de 1º tipo (AEF-1) [1]. É visivelmente mais sério que o AEF-2. que será discutido abaixo.
Como o AEF do 1º tipo (doravante simplesmente AEF) está associado às correntes de modo comum, o problema de determinar suas causas pode ser reduzido a encontrar as causas do aparecimento de correntes de modo comum da linha de alimentação no modo de transmissão (em o modo de recepção, tais correntes sempre surgem sob a influência de campos eletromagnéticos externos). Considere uma antena dipolo horizontal com um alimentador de dois fios sem levar em conta o "terra". Vamos supor que a UA consiste apenas de uma antena e um alimentador. O campo de radiação do alto-falante em cada ponto do espaço é a soma vetorial dos campos criados pelas correntes de todos os condutores do alto-falante. O campo total em cada ponto depende da distribuição das correntes ao longo dos condutores do sistema. Esta distribuição em uma determinada frequência é determinada exclusivamente pelo formato, tamanho e posicionamento dos fios do alto-falante. bem como o método de estimulação. Considerações bastante óbvias levam à conclusão (confirmada por cálculo e prática) que com simetria geométrica do alto-falante e excitação simétrica (estritamente antifásica), a distribuição de correntes também será simétrica tanto ao longo dos fios da antena quanto ao longo dos fios do alimentador. Neste caso, a soma das correntes de modo comum de todos os fios do alimentador será igual a zero.
Um exemplo de tal caso é mostrado no modelo da Fig. 2, a. As correntes dos fios de um alimentador simétrico são iguais em amplitude e antifase, isso é determinado pela simetria dos braços da antena vibratória e pela localização simétrica do alimentador simétrico em relação a esses braços, bem como pela conexão simétrica do gerador até o início da linha alimentadora. Qualquer um dos seguintes motivos pode levar ao aparecimento de correntes de alimentador de modo comum: assimetria da antena (assimetria geométrica dos braços, a potência não está no meio, Fig. 2, b): assimetria do alimentador (diferentes diâmetros ou comprimentos de fios, Figura 2, c); assimetria do sistema de alto-falantes como um todo (posição relativa assimétrica da antena e do alimentador, Fig. 2, d). Ao levar em conta o “solo”, a assimetria geométrica do AS em relação ao “solo” (Fig. 2, e) e a assimetria elétrica da fonte em relação ao “solo” (Z1-Z2. Fig. 2, f) será adicionado aqui. Se na situação anterior a simetria completa é possível em princípio, então ao alimentar uma antena simétrica com um alimentador coaxial (fundamentalmente assimétrico) sem tomar medidas especiais, o AEF-1 é simplesmente inevitável, embora tal alimentador esteja livre de AEF-2. Uma característica especial de uma linha coaxial é que... que em altas frequências de rádio pode ser considerada não uma linha de dois fios, mas uma linha de três fios. As correntes ao longo das superfícies interna e externa da trança do cabo podem diferir devido ao efeito pelicular. Para analisar correntes de modo comum em um modelo, você pode representar a superfície externa da trança do cabo como um fio e conectar o gerador diretamente à antena. No caso em que o condutor central do cabo está conectado a um braço de uma antena simétrica e a trança ao outro (modelo - Fig. 3, a), mesmo com uma localização geometricamente simétrica do cabo em relação à antena , AEF ocorrerá no alto-falante. O motivo é a assimetria elétrica de conectar uma fonte equivalente a um alto-falante geometricamente simétrico (a fonte deve ser uma fonte pontual e ligada exatamente no centro da antena, mas à esquerda está um braço da antena e à direita é o outro mais a superfície externa do revestimento do cabo!). A distribuição de corrente neste caso depende fortemente do comprimento elétrico da superfície externa da trança do cabo (devido ao isolamento externo é aproximadamente 1% maior que o geométrico), com comprimento ressonante (um número inteiro de meias ondas levando em consideração o comprimento de aterramento para a extremidade inferior aterrada ou um número inteiro de meias ondas mais a/4 para a extremidade não aterrada do cabo, como no nosso caso), a amplitude máxima da corrente de modo comum lc do cabo é máximo e pode atingir 43% da amplitude máxima da corrente I do braço esquerdo da antena (Fig. 3,b).
Neste exemplo, é conveniente mostrar um "mecanismo" simplificado de indução de corrente ao longo da superfície externa da trança, que ajudará a apresentar mais claramente os processos físicos que levam ao AEF. Uma das razões para a corrente de modo comum é óbvia: é uma fonte de excitação equivalente, a um dos terminais dos quais um condutor externo está conectado. No entanto, este condutor também está no campo próximo dos braços da antena, cujas correntes não são as mesmas. Como resultado, há outra razão para correntes de modo comum: assimétricas e, portanto, não compensadas no local do alimentador, o campo próximo da própria antena. Essa ideia é, claro, muito primitiva, mas às vezes na prática de combater a AEF, por algum motivo, esse segundo motivo não é levado em consideração. Antenas polarizadas verticalmente localizadas em baixa altitude são significativamente assimétricas em relação ao “solo” (ou telhado). Mesmo que garantimos a simetria relativa formal da antena e do alimentador (dipolo vertical quando alimentado lateralmente). AEF é inevitável. Assim, na operação de transmissão, as correntes de modo comum do alimentador podem ocorrer por qualquer um dos seguintes motivos principais:
No modo de recepção, sob a influência de campos eletromagnéticos externos na linha do alimentador, tanto correntes antifásicas quanto infásicas podem surgir em seus fios. Os primeiros surgem em linhas abertas de dois fios e afetam diretamente a entrada do receptor (AEF de 2º tipo). As correntes de modo comum ocorrem em qualquer linha do alimentador. Devido ao princípio da reciprocidade, a influência dessas correntes na entrada do receptor (AEF de 1º tipo) é mais forte quanto maior for a intensidade relativa das correntes de modo comum do alimentador de um determinado alto-falante no modo de transmissão . Somente correntes de alimentação antifásicas podem atuar diretamente em uma entrada de receptor configurada corretamente. O “mecanismo” para converter correntes de modo comum no modo de recepção em correntes anti-fase é semelhante ao descrito acima para um alimentador coaxial no modo de transmissão. Uma das maneiras é conectar a superfície externa da trança com a interna no ponto de conexão da antena, e a segunda - através da antena, usando correntes de modo comum de campo próximo que são assimétricas para diferentes braços da antena com um alto-falante assimétrico. As características do sistema de alto-falantes, levando em consideração o alimentador como parte dele, diferem das características calculadas da antena sem levar em conta a influência do alimentador. Por isso. AEF não é apenas recepção ou transmissão diretamente pelo alimentador, portanto o conceito pode ser ampliado. AEF em sentido amplo é a influência do alimentador nas características do sistema de antena (tanto durante a recepção quanto na transmissão). Vamos considerar essa influência com mais detalhes. Manifestações do efeito antena do alimentador As manifestações mais marcantes da AEF foram mencionadas acima. Consideremos mais detalhadamente estas e possíveis outras manifestações significativas da AEF. Como exemplos, tomemos um vibrador horizontal de meia onda e a conhecida antena GP vertical de altura λ/4 com três contrapesos do mesmo comprimento, montada em um ângulo de 135° em relação ao emissor. A impedância de entrada de tal antena no espaço livre e sem levar em conta a influência do alimentador é puramente ativa e é de cerca de 50 Ohms. Na Fig. A Figura 4 mostra o padrão direcional (DP) no plano vertical e a distribuição das correntes ao longo dos fios do pino (I1) e dos contrapesos (I2 - I4) para este caso. Todas as características aqui fornecidas são obtidas por meio de simulação computacional sem levar em consideração as perdas.
Durante a transmissão, podem ocorrer as seguintes manifestações de ADF. 1. Aparecimento de radiação AS com polarização não primária. Se a polarização principal da antena for vertical e o alimentador não for vertical, aparecerá radiação do alimentador com componente horizontal. Se a polarização da antena principal for horizontal e o alimentador não for horizontal, aparecerá radiação do alimentador com componente vertical. Exemplo - padrão no plano vertical Fig. 5 para um dipolo horizontal. A componente vertical do campo En devido ao AEF é cerca de 30% da componente horizontal útil En. E este é um efeito muito indesejável, por exemplo, para a recepção de televisão.
2. Mudança de padrão com a polarização principal. A radiação de um alimentador com polarização principal pode levar a uma mudança significativa no padrão principal (por exemplo, para antenas verticais no plano vertical): a diretividade na direção principal muda (pode diminuir ou aumentar) e lóbulos indesejados aparecem em outras direções. Exemplo - fig. 6 para antena GP com comprimento de cabo não aterrado 9λ/4. Se um cabo com polarização principal não irradiar, então o padrão pode mudar como resultado da quebra da simetria de excitação (Fig. 7 para Ep, um dipolo horizontal) 3 Mudança na resistência de entrada complexa. Para a antena GP, dependendo do comprimento do alimentador coaxial, a componente ativa R da impedância complexa nos pontos de excitação Z = R + jX pode variar de 42 a 100 Ohms. e o componente reativo X é de -40 a +17 Ohms. 4. Uma mudança na resistência de entrada está associada a uma mudança na razão de onda estacionária (SWR) na linha de alimentação. Na Fig. A Figura 8 mostra as dependências de ROE para a antena GP em λ=10.9 m: 1 - com conexão de cabo “normal” à antena; 2 - com “isolamento” ideal da superfície externa da trança no ponto de conexão com a antena. Como pode ser observado nos gráficos, a ROE em ambos os casos depende do comprimento do alimentador, o que não deveria ocorrer na ausência de correntes de modo comum (AEF) e perdas no alimentador [2]. Observemos aqui que são as correntes de modo comum que levam a uma mudança na ROE (através de Z), mas não vice-versa! A dependência do AEF-2 do SWR tem um “mecanismo” diferente.
5. ROE ruim significa a presença de uma proporção significativa de ondas estacionárias nas correntes do alimentador que não estão envolvidas na transferência de energia de RF. Em um cabo real, as perdas aumentam, como resultado, a eficiência do sistema alimentador de antena diminui. As próprias correntes de modo comum também levam a perdas adicionais de energia fornecida à CA. 6. Deterioração de DP e ROE. uma diminuição na eficiência reduz o potencial energético do link de rádio. O alcance de recepção confiável diminui e para atingir a qualidade de comunicação esperada é necessário aumentar a potência. E este é um consumo adicional de energia. Ao mesmo tempo, os problemas mencionados nos pontos 7 a 9 agravam-se. 7. A alteração do padrão leva ao aparecimento de radiação em direções imprevistas, que podem criar interferências intensas ou níveis de campo inaceitáveis de acordo com as normas sanitárias. 8. Se o alimentador estiver localizado próximo a outras linhas, por exemplo, linhas de energia ou telefônicas, a presença de acoplamento indutivo com eles na presença de um AEF pode levar a sérias dificuldades em garantir o funcionamento conjunto da estação de rádio com outros rádios. equipamentos eletrônicos (forte interferência mútua durante a transmissão e recepção). 9. Perto do alimentador do dispositivo transmissor, pode surgir um campo eletromagnético perceptível, comparável aos campos próximos às partes ativas da UA. Todos. em relação às mudanças nas características gerais dos alto-falantes transmissores. aplica-se igualmente a alto-falantes receptores (DP. Impedância de entrada. SWR. Eficiência). Fontes externas de interferência com polarização não principal ou na área de lóbulos DP adicionais. ou perto do alimentador criará, na presença de um AEF, um ruído de fundo adicional durante a recepção. Observamos algumas características gerais da manifestação da AEF: 1. AEF se manifesta mais fortemente com dimensões ressonantes do alimentador e mais fracas - com dimensões não ressonantes. 2. A natureza da mudança no RP na presença de AEF depende do comprimento do alimentador. Quanto maior o alimentador vertical, mais recuado o DN se torna no plano vertical. 3. A amplificação do AS na direção principal na presença do AEF pode ser maior e menor do que sem levar em consideração o AEF. 4. A AEF se manifesta quanto mais forte, quanto mais forte for o campo próximo da antena do alimentador. Nesse sentido, a antena GP considerada é uma das mais vulneráveis. 5. Para antenas vibratórias (dipolo), AEF é mais pronunciado do que para antenas de loop. 6. Para antenas polarizadas verticalmente, AEF aparece com mais frequência e mais forte do que para antenas polarizadas horizontalmente. 7. A influência do alimentador nas características do alto-falante é mais forte quanto menor for o tamanho da antena e menor for a sua eficiência. O ADF é muito perigoso para antenas eletricamente pequenas. 8. AEF é especialmente perigosa para pessoas altamente direcionadas e. em particular, antenas de localização de direção. 9. A manifestação de AEF em alto-falantes receptores não é menos, e ainda mais grave, do que em alto-falantes transmissores. Foi para receber alto-falantes que esse problema surgiu pela primeira vez Literatura
Autores: Anatoly Grechikhin (UA3TZ), Dmitry Proskuryakov
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