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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Antena direccional vertical. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / antenas de alta frecuencia La tarea de crear una antena direccional con polarización vertical no es tan sencilla como parece a primera vista. Parecería que giró los elementos de un haz convencional (canal de onda) verticalmente, y todo está en orden, pero surge la cuestión de unir dicha antena al mástil. En VHF, puede mover el haz portador hacia el lado del mástil, en la dirección de la radiación, pero dicha antena resulta estar mecánicamente desequilibrada y requiere un mástil muy grueso y fuerte para su fijación. Las principales ventajas de las antenas verticales desaparecen: pequeñas dimensiones horizontales, ligereza y facilidad de instalación. Pero más sobre esto más adelante, pero primero debemos detenernos en el concepto elegido de una antena direccional vertical. El deseo de diseñar una antena simple y liviana nos hizo recurrir al diseño del ZL-beam, que contiene solo dos elementos de alimentación activa y tiene unas dimensiones muy pequeñas en longitud del orden de L / 8 ... L / 10. Al mismo tiempo, el factor de directividad (DFA) de esta antena es bastante significativo y equivalente, como se indica en la literatura, al DFA de un haz de tres elementos con elementos pasivos. La misma idea se utiliza en el "cuadrado suizo", que también tiene muy buenos parámetros y una directividad aún mayor. Por lo tanto, el principio de funcionamiento de estas antenas merece un análisis cuidadoso, que ahora haremos.
Tomemos dos radiadores puntuales hipotéticos S1 y S2, ubicados a una distancia d, como se muestra en la Fig. 1 en la parte superior. Deje que la potencia del transmisor se divida en partes iguales entre los emisores, de modo que las amplitudes de los campos creados por los emisores sean las mismas. Pero las fases de excitación de los emisores deben ser diferentes para obtener radiación direccional. Para empezar, consideremos el caso más simple, cuando d = V4, y los radiadores se alimentan en cuadratura, es decir el desfase de las oscilaciones que se les aplica es de 90°. En el diagrama vectorial (en la fila central, en el medio), los vectores s1 y s2 muestran las oscilaciones de los emisores. El ángulo φ corresponde a un desfase adicional de oscilaciones de hasta 180°. También estamos de acuerdo en que la incursión de fase (retraso de fase) cuando una onda se propaga a cierta distancia se tiene en cuenta girando el vector en el sentido de las agujas del reloj en el ángulo adecuado. Así, por ejemplo, una onda que ha recorrido una trayectoria de un cuarto de onda adquirirá una incursión de fase de 90°. Consideremos la radiación del sistema a la derecha, y las fases de las ondas se medirán directamente cerca del emisor S2 (con una mayor propagación hacia la derecha, ambas ondas de dos emisores adquirirán la misma incursión de fase, y la relación de fase entre sus oscilaciones no cambiará). El diagrama vectorial correspondiente se muestra en la fila central a la derecha. La oscilación s2 no cambiará y la oscilación s1 adquirirá un cambio de fase de 90° después de pasar por el camino L/4. Como resultado, las ondas estarán desfasadas y no habrá radiación en esta dirección. Cuando las ondas se propagan hacia el lado izquierdo de los emisores, el vector s1 permanecerá en la misma posición y el vector s2 girará 90 ° en el sentido de las agujas del reloj, ya que la onda del emisor s2 pasará por el camino L / 4. El diagrama vectorial de oscilaciones cerca del emisor s1 se muestra en la Fig. 1 en la fila del medio a la izquierda. Se puede observar que las ondas de los emisores S1 y S2 se suman en fase y la oscilación total adquiere el doble de amplitud. Exactamente de la misma manera, uno puede encontrar el campo de radiación en otras direcciones. Para una representación más figurativa, podemos suponer que la Fig. 1 muestra una vista en planta de dos antenas de látigo S1 y S2 desde arriba. Tal sistema de dos pines tendrá un patrón de radiación cercano a un cardioide. El máximo de radiación estará dirigido hacia la izquierda y el cero de radiación estará dirigido hacia la derecha. En las direcciones laterales (arriba y abajo en la figura), el sistema también radiará, y de manera bastante significativa, ya que en estas direcciones se sumarán dos ondas en cuadratura. Es posible aumentar ligeramente la nitidez del patrón de radiación colocando los emisores S1 y S2 más cerca uno del otro, por ejemplo, a una distancia de L/8. Los diagramas vectoriales para este caso se muestran en la fila inferior de la fig. una. Basado en el hecho de que la radiación a la derecha, como antes, debería estar ausente, determinamos el cambio de fase de las oscilaciones de los emisores. Debe ser 4p/135 o 1° como se muestra en el diagrama vectorial en el centro de la fila inferior. Entonces, cuando se emita hacia la derecha, el vector de oscilación s4 girará en un ángulo de n/45 o 2°, y estará en antifase con el vector s1 (ver el diagrama vectorial en la fila inferior a la derecha). Al emitir hacia la izquierda, los vectores s2 y s1,41 ya no estarán en fase, sino en cuadratura, y la amplitud del campo resultante ya no se duplicará, como en el caso anterior, sino que será solo 2 veces mayor que el campo de cada uno de los emisores (diagrama vectorial a la izquierda). La radiación hacia el lado también será menor, ya que en estas direcciones se agregan campos cercanos a la antifase. La distancia entre los emisores puede hacerse aún más pequeña, pero para obtener radiación unidireccional, el ángulo , que complementa el desfase de los emisores a antifase, debe cumplir la condición: φ = XNUMXpd/L, es decir también debe disminuir. No se debe pensar que la eficiencia de una antena "corta" con d pequeña y emisores casi desfasados es menor que la eficiencia de una "de tamaño completo" con una distancia d = L/4. Si se pueden despreciar las pérdidas de elementos, entonces toda la potencia suministrada al sistema de antena debe ser radiada y los campos de ambas antenas deben ser iguales (despreciando una pequeña diferencia en los patrones de radiación). Pero las corrientes en los elementos de una antena "corta" para crear el mismo campo son grandes, y si se tienen en cuenta las pérdidas en los elementos, también aumentan debido a las grandes corrientes. Las corrientes antifase en los elementos de una antena "corta" son similares a las corrientes antifase en la bobina y el condensador de un circuito oscilatorio paralelo, cuya amplitud es proporcional al factor de calidad. De la misma forma, cuando se acorta la distancia entre los vibradores y las corrientes en ellos se acercan a la antifase, el factor de calidad equivalente del sistema de antena aumenta y, en consecuencia, su banda de frecuencia operativa disminuye. Ese es el precio de la reducción. Pero con una distancia entre los vibradores L/8...L/10, el aumento de las pérdidas en los elementos y el factor de calidad equivalente no supera las 1,4...2 veces y se amortiza plenamente al reducir las dimensiones de la antena. lo cual se ve confirmado por la práctica a largo plazo de diseñar vigas ZL.
Uno de los diseños de vigas ZL más simples se muestra en la Figura 2. Contiene dos vibradores divididos de media onda (a menudo se usan vibradores de bucle) conectados por una línea aérea con cables cruzados. Dado que el coeficiente de acortamiento de onda en la línea aérea es cercano a la unidad, cuando el sistema se alimenta en los puntos "X-X", el cambio de fase de las oscilaciones en los vibradores corresponde exactamente a la fórmula anterior. Se logra una fase más precisa de los elementos cambiando (seleccionando) su longitud. En este caso, la frecuencia de resonancia del elemento cambia y, como cualquier circuito oscilatorio, de acuerdo con su característica de frecuencia de fase, la fase de oscilaciones en él. Estrictamente hablando, la energía se puede suministrar incluso en el medio de la línea, y la fase de los elementos se puede llevar a cabo de esta manera: un elemento se acorta ligeramente y el otro se alarga ligeramente. La desafinación de los elementos es muy pequeña, ya que el cambio de fase requerido en cada elemento es solo f/2. El patrón de radiación del haz ZL en el plano horizontal (en azimut) se estrecha notablemente también porque los propios vibradores no irradian hacia los lados. En el plano vertical, el diagrama es algo más ancho. Esta antena es muy buena como antena direccional de pequeño tamaño con polarización horizontal. Según numerosos datos de la literatura, su eficiencia alcanza los 4 dB respecto a un dipolo o los 6 dB respecto a un emisor isotrópico (omnidireccional). Por razones obvias de diseño, no es muy fácil colocar los vibradores de viga ZL verticalmente, además, existen problemas con el cableado de la línea eléctrica. En vista de estas dificultades, el autor pensó en radiadores verticales más adecuados, que pudieran colocarse a poca distancia entre sí, de acuerdo con la ideología del haz ZL. Uno de estos radiadores es la antena J, cuyas dos versiones, que se diferencian únicamente en la forma de combinar con el alimentador, se muestran en la Fig.3.
La antena J es un vibrador vertical de media onda alimentado desde el extremo inferior. Al final, la resistencia del vibrador es muy alta y alcanza varios kiloohmios, de acuerdo con la ley de Ohm; después de todo, la corriente aquí es pequeña y el voltaje es alto. Para combinarlo con una resistencia de cable baja, se utiliza una línea de dos hilos de cuarto de onda. En la primera variante (a la izquierda en la Fig. 3), su impedancia de onda debe ser igual a la media geométrica entre las resistencias del vibrador y del cable, es decir cualquier cosa en la región de 300 ... 600 ohmios. Se puede lograr una coincidencia exacta cambiando la impedancia de onda de la línea (prácticamente, la distancia entre los conductores). Esto no es del todo conveniente, por lo que la segunda versión de la antena J (a la derecha en la Fig. 3) es mejor en muchos aspectos. Aquí, los conductores de la línea de cuarto de onda simplemente se cierran en el extremo inferior, y este punto con potencial cero se puede conectar a tierra con un cable de cualquier longitud, conectado a cualquier "masa", por ejemplo, el techo de una casa o automóvil, lo cual es conveniente de manera constructiva, pero no puede conectarse en ningún lugar. La alimentación de la línea se realiza mediante un autotransformador, en los puntos "XX" situados a cierta altura sobre el extremo de la línea cortocircuitado. Con cualquier cable, la antena se empareja fácilmente simplemente moviendo los puntos de alimentación "XX". La impedancia de onda de una línea de dos hilos en esta realización no importa mucho. El curso de pensamiento adicional fue el siguiente: si dos antenas J en un sistema direccional están ubicadas una al lado de la otra, ¿es posible usar una línea común de dos hilos para alimentarlas y coordinarlas? Después de todo, los voltajes en los conductores del extremo abierto de la línea son antifase, ¡que es exactamente lo que se requiere para alimentar dos vibradores muy próximos entre sí! Bueno, el cambio de fase necesario de las oscilaciones en los vibradores +f/2 y -f/2 se puede obtener cambiando su longitud, acortando una y alargando la otra. Queda por decidir cómo conectar los extremos de los vibradores de media onda, separados por L / 8, con los extremos de la línea de dos hilos, ubicados uno al lado del otro. Resultó ser fácil: después de todo, la corriente es pequeña en los extremos de los vibradores, casi no irradian, por lo que no habrá nada malo si los extremos de los vibradores se doblan uno hacia el otro y se conectan directamente a los extremos. de la linea Todo resultó increíblemente simple, tanto que surgieron dudas: ¿funcionaría? Se necesitaba un experimento. Dicho y hecho, la antena a una frecuencia de 430 MHz (longitud de onda de 70 cm) se dobló de una sola pieza de alambre de cobre con un diámetro de 1,7 mm. Su croquis con dimensiones refinadas durante los experimentos se muestra en la Fig. 4 b).
El cable de alimentación con una impedancia de onda de 50 ohmios se conectó como se muestra en la Fig. 4 c). Es útil hacer que los contactos en los puntos de alimentación "XX" sean móviles para seleccionar la posición de estos puntos de acuerdo con la SWR mínima. Desafortunadamente, no había nada para medir la ROE, y la posición de los puntos de alimentación se eligió de acuerdo con el máximo del campo de la antena en la dirección principal. Se utilizó un indicador de campo casero, compuesto por una antena dipolo, un detector de diodo y un cabezal de medición de 50 µA. La fuente de la señal fue un oscilador de medida con una impedancia de salida de 50 Ω y un atenuador con un paso de 1 dB. Inicialmente, la antena se fijó en un tornillo de mesa para la base inferior de la línea de dos hilos, luego se hizo un soporte giratorio primitivo. Aunque las mediciones se llevaron a cabo en una habitación no equipada y no pretenden ser muy precisas, ¡la antena cumplió con las expectativas por completo! En primer lugar, la antena funcionó y emitió radiación unidireccional hacia el vibrador corto. En segundo lugar, en comparación con un dipolo de media onda ubicado en la misma ubicación y alimentado por el mismo cable, el atenuador del oscilador tuvo que empujarse 4 dB para obtener la misma señal en el indicador de campo. Esto nos permite evaluar el factor de directividad de la antena por la misma figura. El patrón de radiación en el plano vertical (el plano de los vibradores) se muestra en la Fig. 4a y, en general, corresponde completamente a los patrones similares de los haces de dos elementos. En el plano horizontal, el diagrama es el mismo, pero algo más ancho. Es curioso que ajustando la longitud de los elementos es posible lograr la ausencia total del lóbulo posterior (en cualquier caso, el indicador de campo no lo detectó), pero al mismo tiempo, la ganancia fue algo, por una fracción de decibelio, menos que cuando se sintoniza la antena a la ganancia máxima. En conclusión, presentamos algunas consideraciones prácticas sobre el diseño de la antena propuesta. Para aumentar la resistencia mecánica, puede instalar un aislador en los extremos de una línea de dos hilos, en el área de su curva y transición a los conductores del vibrador. El aislante debe ser de buena calidad, ya que aquí se encuentra el antinodo de la tensión. Las curvas en sí no tienen que hacerse en ángulo recto, los "hombros" de la antena también se pueden inclinar. Además, al autor le parece que la posición de los "hombros" no es particularmente crítica: pueden ubicarse un poco más arriba o un poco más abajo. Es mucho más importante observar la longitud total de los conductores desde la parte inferior de la línea de dos hilos hasta el extremo superior del vibrador. Debe ser alrededor de 0,73L. para un vibrador corto (director) y unos 0,77L para uno largo (reflector). Con un aumento en el diámetro de los conductores (tubos) a partir de los cuales se fabrica la antena, su longitud disminuye un poco. El factor de reducción para vibradores "gruesos" se puede encontrar en la literatura sobre antenas. También notamos que no es necesario hacer vibradores y una línea de dos cables a partir de tubos del mismo diámetro. La antena será más fuerte y podrá resistir mejor las cargas del viento si la línea de dos hilos está hecha de tubos de un diámetro mayor y los vibradores son relativamente delgados. Para facilitar el ajuste, es útil equipar los vibradores con "mástiles superiores" en el extremo superior, insertados telescópicamente en el tubo principal, ya que acortar los vibradores con un cortador de alambre, como lo hizo el autor, tiene consecuencias irreversibles, después de eso , el vibrador solo se puede alargar con un soldador. Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Moscú; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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