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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medir os parâmetros da antena? Não é nada difícil! Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Medições, ajuste, coordenação Parâmetros de antena corretamente definidos em um sistema de recepção de rádio são a base para a possibilidade de receber estações de rádio remotas com sucesso. Mas nem sempre um radioamador pode ter em mãos as ferramentas necessárias para tais medições. Neste artigo, o autor propõe a utilização de um método simples que produz resultados bastante aceitáveis. Depois de pendurar uma antena externa de fio, um amante da recepção de rádio em ondas longas e médias (LW e MW) muitas vezes se pergunta: quais são seus parâmetros? Existem dois parâmetros principais - a resistência à perda do sistema de aterramento da antena rn e a capacitância da própria antena em relação ao mesmo solo CA. A eficiência do sistema de antenas depende desses parâmetros e, portanto, da possibilidade de receber estações distantes, alimentar o dispositivo receptor com “energia livre” de sinais recebidos do ar, sintonizar o sistema de antenas em diferentes frequências, etc. As medições de antena são "terra incógnita" para a maioria dos radioamadores, e não apenas para iniciantes. Todos os métodos conhecidos requerem um poderoso gerador de alta frequência e uma ponte de medição - equipamentos raramente encontrados em rádios amadores. Freqüentemente, esses dois dispositivos são combinados para formar um alimentador ou ohmímetro de antena (como são chamados), usados, por exemplo, ao sintonizar e ajustar as antenas dos centros de rádio transmissores [1]. Um poderoso gerador de RF é necessário porque a antena, aberta a todos os ventos, possui alta tensão de vários captadores, inclusive de sinais de outras estações de rádio que interferem nas medições. No método de medição proposto, o gerador não é necessário. Mediremos os parâmetros da antena usando sinais do ar, pois existem muitos deles. Preciso fazer um dispositivo especial ou suporte para medições? Isso é opcional. Considerando que as antenas não são trocadas todos os dias, não será difícil montar circuitos de medição simples diretamente na mesa ou no parapeito da janela, mesmo sem o uso de placas de prototipagem. Medição de resistência a perdas. Você precisará de uma haste de ferrite de uma antena magnética com um par de bobinas, de preferência nas faixas DV e MV, um resistor variável com resistência de 0,47... 1 kOhm (necessariamente sem fio), qualquer germânio de baixa potência e alta frequência diodo e um voltímetro DC com alta resistência de entrada interna (pelo menos 0,5...1 MOhm). Para identificar de ouvido as estações de rádio recebidas, é útil ter telefones de alta impedância
Montamos o dispositivo de acordo com o diagrama da Fig. 1 e, movendo a haste na bobina da antena magnética, sintonizamos a frequência do sinal de uma poderosa estação de rádio local. Neste caso, o resistor variável R1 deve ser colocado na posição de resistência zero (mova o controle deslizante para a posição superior conforme o diagrama). O momento de ajuste fino do circuito em ressonância com a frequência da estação de rádio será marcado pelo desvio máximo da agulha do medidor e pelo volume mais alto dos fones. Os telefones conectados em série com o voltímetro praticamente não afetam suas leituras e, ao mesmo tempo, o volume não é muito alto. Para aumentá-lo durante a identificação da estação de rádio, o voltímetro pode ser curto-circuitado, comutado para o limite inferior de medição, onde sua resistência é menor, ou um capacitor com capacidade em torno de 0,05...0,1 µF pode ser conectado em paralelo ao voltímetro para passar as frequências de áudio para os telefones (quando tal capacitor, o som pode ficar um pouco distorcido devido à desigualdade na carga do detector nas frequências de áudio e em corrente contínua). Observando as leituras do voltímetro (U1) e sem alterar as configurações do circuito, mova o controle deslizante R1 do resistor variável até que as leituras do voltímetro caiam pela metade (U2). Nesse caso, a resistência do resistor será igual à resistência de perda do sistema de antena em uma determinada frequência. As mesmas medições podem ser feitas em outras frequências. A resistência do resistor é medida com um ohmímetro, desconectando-o do circuito de medição. Na ausência de um ohmímetro, é necessário equipar o resistor com uma caneta com mira e uma escala, que deve ser calibrada em ohms usando um instrumento padrão. Utilizando a metodologia acima, é possível escolher, por exemplo, a melhor opção de aterramento. Em condições urbanas, são possíveis as seguintes opções: tubos de água, tubos de aquecimento, ferragens de varanda, etc., bem como várias combinações dos mesmos. Você deve se concentrar no sinal máximo recebido e na resistência mínima à perda. Em uma casa de campo, além do aterramento "clássico", é recomendável experimentar um poço ou canos de água, uma cerca de malha metálica, um telhado de chapa galvanizada ou qualquer outro objeto maciço de metal, mesmo que não tenha contato com terra de verdade. Medição de capacitância da antena. Em vez de um resistor variável, agora você precisará ligar um KPI (de qualquer tipo) com capacidade máxima de 180...510 pF. Também é aconselhável ter um medidor de capacitância com limite de medição de dezenas a centenas de picofarads. O autor utilizou o medidor de capacitância digital Master-S [2], gentilmente cedido por seu projetista.
Se não houver medidor de capacitância, é necessário fazer o mesmo que com um resistor - equipar o KPI com uma escala e calibrá-lo em picofarads. Isso pode ser feito sem instrumentos, pois a capacidade é proporcional à área da parte inserida das placas. Desenhe o formato da placa do rotor em papel milimetrado (quanto maior o tamanho, mais precisa será a graduação), divida o desenho em setores a cada 10 graus angulares e conte a área de cada setor e de toda a placa S0 em células . Na Fig. 2, o primeiro setor com a área está sombreado. Na primeira marca de escala correspondente, você precisa colocar a capacitância C1 = Cmax S1/S0, etc. Se as placas do rotor tiverem formato semicircular (capacitor direto), a escala acaba sendo linear e então não há necessidade de fazer desenhos e calcular áreas. Por exemplo, um KPI com dielétrico sólido de um conjunto para criatividade infantil tem capacidade máxima de 180 pF. Basta dividir a escala em 18 setores de 10 graus cada, e colocar em torno das divisões 10, 20 pF, etc.. Mesmo que a precisão seja baixa, é suficiente para nossos propósitos.
Depois de calibrado o KPI, montamos a instalação conforme diagrama da Fig. 3. Conectando a antena ao soquete XS1 e desligando o KPI com a chave SA1, sintonizamos o circuito formado pela capacitância da antena e bobina L1 para a frequência da estação de rádio. Sem tocar mais na bobina, trocamos a antena para o soquete XS2 e conectamos o capacitor C2 (nosso KPI) ao circuito com a chave SA1. Sintonizamos novamente a mesma frequência, desta vez usando C2. Determinamos sua capacitância Sk usando uma escala ou usando um medidor de capacitância conectado às tomadas XS3, XS4 (para isso, comutamos SA1 para a posição mostrada no diagrama). Resta encontrar a capacitância da antena SA usando a fórmula CA =C2(1 + √1+4С1/С2) / 2. O significado de nossas manipulações é o seguinte: quando conectamos a antena através do capacitor de acoplamento C1, a capacitância total do circuito ficou menor, e para restaurá-la tivemos que adicionar a capacitância C2. Você mesmo pode derivar a fórmula acima com base na igualdade da capacitância da antena CA (no primeiro caso) e da capacitância do circuito complexo C2 + CA C1/(CA + C1) no segundo caso. Para aumentar a precisão das medições, é aconselhável escolher uma capacitância menor do capacitor de acoplamento, na faixa de 15...50 pF. Se a capacitância do capacitor de acoplamento for muito menor que a capacitância da antena, a fórmula de cálculo será simplificada: SA = C2 + C1. Experimento e sua discussão. O autor mediu os parâmetros de uma antena desse tipo disponível na dacha: um fio PEL 0,7 com 15 m de comprimento, que foi esticado até a cumeeira do telhado e longe da casa até uma árvore vizinha. O melhor “aterramento” (contrapeso) acabou sendo uma coluna de aquecimento de água isolada do solo com uma pequena rede de tubulações e radiadores de aquecimento local. Todas as medições foram realizadas na faixa CB usando uma bobina de antena magnética CB padrão de um receptor transistor. Se não houvesse indutância suficiente para sintonizar na extremidade de baixa frequência da faixa, outra haste de ferrite era colocada próxima à antena magnética, paralela à primeira. Os resultados da medição estão resumidos em uma tabela. Eles precisam de um pequeno comentário. Em primeiro lugar, é surpreendente que em diferentes frequências tanto a resistência à perda como a capacitância da antena sejam diferentes.
Estes não são erros de medição. Vamos primeiro considerar a dependência da capacitância com a frequência. Se o fio da antena também não possuísse alguma indutância LA, os valores de capacitância seriam os mesmos. A indutância do fio é conectada em série com a capacitância da antena, como pode ser visto no diagrama de circuito equivalente do circuito da antena mostrado na Fig. 4.
O efeito da indutância é mais forte em altas frequências, onde a reatância indutiva aumenta e compensa parcialmente a reatância capacitiva. Como resultado, a reatância geral da antena diminui e a capacitância medida torna-se maior. A antena possui uma frequência natural fo - a frequência de ressonância do circuito LA SA, na qual a reatância vai para zero e o valor da capacitância medida tende ao infinito. O comprimento de onda natural da antena λ0 correspondente a esta frequência é aproximadamente igual a quatro vezes o comprimento do fio da antena e geralmente está dentro da faixa HF. A frequência natural pode ser calculada a partir de medições de capacitância em duas frequências arbitrárias, mas as fórmulas são muito complexas. Para sua antena, o autor obteve CA = 85 pF, LA = 25 µH e fo - cerca de 3,5 MHz. Para estimativas aproximadas, podemos assumir que cada metro de fio da antena (juntamente com a redução) introduz uma indutância de cerca de 1...1,5 μH e uma capacitância de cerca de 6 pF. A resistência à perda com uma bobina L1 de qualidade suficientemente alta consiste principalmente na resistência de aterramento. Este, por sua vez, é calculado usando a fórmula empírica (obtida com base em dados experimentais) de M.V. Shuleikin [3]: rn = AV/λ0. Aqui A é um coeficiente constante dependendo da qualidade do aterramento, com variação em ohms. Para bons aterramentos, A são unidades e até frações de ohms. Como podemos ver, a resistência à perda aumenta com o aumento do comprimento de onda (diminuição da frequência), o que foi confirmado pelos dados da tabela. A dependência da resistência à perda em relação à frequência foi descoberta no início do século passado, mas o autor não encontrou uma explicação detalhada desse efeito na literatura. Nesse sentido, muitos dos dados obtidos pelos radioamadores ao medir os parâmetros de suas antenas podem ser muito úteis. Literatura
Autor: V.Polyakov, Moscou
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