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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA La mística de las antenas cortas. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Antenas. Teoría Cuando quieren elogiar la alta sensibilidad del receptor, a menudo dicen que, dicen, recibe señales de estaciones de radio incluso en un "trozo de cable". En este artículo, el autor demuestra teórica y experimentalmente que el notorio "trozo de cable" está lejos de ser la peor antena y, con la coordinación adecuada con la entrada del receptor, puede proporcionar un voltaje de señal muy grande. Para la recepción de radiodifusión en ondas largas y medias, solían ser ampliamente utilizados, e incluso ahora, a pesar del uso generalizado de antenas magnéticas de ferrita, las antenas eléctricas todavía se utilizan a menudo en forma de un trozo de cable ordinario ubicado verticalmente. Cuando se trabaja con una antena de este tipo, se requiere conexión a tierra o un contrapeso para una buena recepción. En el caso más simple, el cuerpo del receptor sirve como contrapeso, y si está alimentado por la red eléctrica, los cables del cable de alimentación y la red eléctrica en sí serán el contrapeso. Las antenas de alambre horizontal rara vez se utilizan, ya que todas las estaciones de radio en las bandas LW y MW emiten ondas exclusivamente con polarización vertical, lo que está asociado con las propiedades de la superficie de la Tierra que son cercanas a las de un conductor para estos rangos. Los radioaficionados, especialmente aquellos que han experimentado con los receptores de ganancia directa más simples e insuficientemente sensibles, saben que las antenas de cable corto son muy efectivas, en particular, un trozo de cable de 1 ... 2 m de largo a menudo desarrolla una señal mucho más grande que una ferrita. antena. ¿Cuál es el secreto? Después de todo, la longitud de una antena de cable es inmensamente menor que la longitud de onda y, de acuerdo con todos los cánones, no debería ser efectiva. Los intentos de analizar el funcionamiento de una antena receptora de radio vertical corta, así como el deseo de optimizarla, llevaron a resultados muy curiosos, e incluso sorprendentes, que el autor ofrece a los lectores inquisitivos. La optimización, en el sentido de obtener el voltaje máximo en la entrada del receptor (es decir, ¡voltaje, no potencia!), se redujo a la exclusión del capacitor del circuito de entrada y se reemplazó con la capacitancia de la propia antena, como se muestra en la Fig. 1. Al mismo tiempo, se supuso que la impedancia de entrada del URF era infinitamente grande, lo cual es casi cierto cuando se usa un transistor de efecto de campo en DV y SV. La capacitancia de entrada de la URF y la capacitancia de la bobina se suman a la capacitancia de la antena. No los tendremos en cuenta en nuestro análisis.
En la fig. 1 también muestra la distribución de corriente en la antena, que es la sección inicial de la sinusoide. Con suficiente precisión, puede considerarse triangular. Reemplazándolo por un rectángulo de la misma área, obtenemos la altura efectiva de la antena h, igual a la mitad de su altura geométrica. La inductancia de la bobina se elige de manera que, junto con la capacitancia de la antena, obtenga resonancia en la frecuencia recibida. El circuito equivalente del circuito resultante se muestra en la fig. 2.
En resonancia, la resistencia capacitiva de la antena - Xc es igual a la inductiva Xt (en valor absoluto) y las reactancias se compensan entre sí, por lo que la corriente en el circuito es máxima e igual a e / R, donde e es la FEM de la señal desarrollada en la antena (e \uXNUMXd Eh: E es el campo de intensidad) y R es la resistencia activa del circuito. Dado que el voltaje en la entrada del URC (U) se elimina de la bobina, es igual a la corriente en el circuito multiplicada por la resistencia inductiva de la bobina: U = EhXL / R. Tenemos una fórmula simple para calcular el voltaje desarrollado por la antena descrita. El valor absoluto del parámetro XL =Xc está determinado por la longitud de la antena (la capacidad de la antena es de 7...15 pF por metro de longitud) y la frecuencia de la señal recibida f. Por lo tanto Xc = 1/2πfC. La inductancia correspondiente también es fácil de encontrar: L = XL /2πf. E debe ser conocido, ah se puede medir con una regla. Pero la fórmula se puede simplificar aún más si se observa que la relación XL/R no es más que el factor de calidad Q del circuito de la antena: U = EhQ. Con una antena corta, el factor de calidad de todo el circuito es casi igual al factor de calidad de la bobina. Como ejemplo, calculemos una señal de una estación de radio LW o MW no muy distante con una intensidad de campo de 10 mV/m, recibida en un trozo de cable de 2 m de largo (h = 1 m). Establecemos el factor de calidad del circuito de antena igual a 100. Habiendo hecho simples multiplicaciones de números, llegamos a un resultado muy sorprendente: ¡U = 1 V! Este voltaje es suficiente para detectar una señal incluso sin URF. Pero se deben hacer algunas reservas. Primero, la bobina debe tener una inductancia bastante grande. En nuestro ejemplo, incluso en el medio de la banda de MW a una frecuencia de 1 MHz, la reactancia XL es de aproximadamente 10 kOhm. la inductancia es de aproximadamente 1.5 mH y la impedancia resonante del circuito de la antena, igual a XLQ, es cercana a 1 MΩ. La impedancia de entrada del amplificador o detector de RF debe ser aún mayor. Este es el pago por el alto voltaje desarrollado por la antena. Surge la pregunta, ¿es posible que una gran bobina de inductancia en el circuito de la Fig. 1 para ser reemplazado por un circuito oscilatorio convencional? Por supuesto, es posible, pero el voltaje de la señal desarrollado en el circuito será menor. Para ahorrarle al lector un análisis matemático bastante laborioso, solo diremos que el voltaje de la señal disminuye (aproximadamente) en proporción a la relación entre la capacitancia de la antena y la capacitancia total del bucle. Esto se explica por el hecho de que las corrientes reactivas adicionales, que fluyen a través de la resistencia de la bobina R, provocan pérdidas adicionales. Está claro que la autocapacitancia de la bobina y la capacitancia de entrada de la RF también juegan un papel perjudicial, reduciendo el voltaje desarrollado. En el ejemplo que se muestra, se utiliza un inductor de onda media estándar de 200 uH con un capacitor de aproximadamente 130 pF conectado en paralelo para sintonizar 1 MHz. obtendremos un voltaje de señal de aproximadamente 0,15 V en el circuito, que, en general, ¡tampoco es pequeño! Además, por interés, supongamos que la bobina es ideal y no tiene pérdidas. Ahora el circuito equivalente se verá como en la Fig. 3. Por cierto, en este caso, puede reducir sin dolor la inductancia de la bobina y conectar un condensador de bucle en paralelo. El circuito resultante tendrá que estar sintonizado a una frecuencia ligeramente superior a la deseada, a la que tendrá el carácter inductivo de la resistencia, cuanto mayor, menor será la desafinación. Al seleccionar la desafinación, obtenemos la reactancia inductiva del circuito Xt, que es exactamente igual a la capacitancia de la antena - Xc, y nuevamente llegamos al circuito equivalente en la Fig. 3. En la práctica, la sintonización se realiza como de costumbre, de acuerdo con el voltaje máximo de la señal en el circuito, y corresponde a la resonancia exacta del circuito a la frecuencia deseada, teniendo en cuenta la capacitancia de la antena.
¿Cuál es ahora la resistencia activa del circuito de la antena? Anteriormente consistía en la resistencia de pérdida de la bobina y la resistencia de radiación de la antena, siendo esta última mucho menor y la despreciamos. Ahora la resistencia de pérdida de la bobina es cero, el capacitor, si lo hay, prácticamente no presenta pérdidas, y solo queda la resistencia a la radiación. Como se sabe por la teoría, para antenas cortas Rid = 1600h/λ2. Sustituyendo esta expresión en la fórmula que obtuvimos para el voltaje desarrollado en la bobina, obtenemos U = EXLλ2 / 1600h, es decir, cuando se acorta la antena, ¡el voltaje incluso aumenta! Anticipo objeciones; se obtuvo este fantástico resultado, dicen. para condiciones poco realistas, es decir, cuando no hay pérdidas en la bobina, y su factor de calidad tiende a infinito. Por supuesto, nadie va a colocar una bobina en helio líquido para lograr superconductividad y cero pérdidas; aunque esto se puede hacer, será demasiado costoso y problemático. Otra forma se conoce desde hace mucho tiempo y se usa ampliamente: la compensación de pérdidas en la bobina mediante retroalimentación positiva o regeneración. Al acercarse al umbral de autoexcitación en el regenerador, el factor de calidad equivalente del circuito aumenta significativamente, y con ello aumentan tanto el voltaje de la señal como la sensibilidad. ¡Resulta que las leyendas sobre las extraordinarias cualidades de recepción de los multiplicadores Q que utilizan regeneración en el circuito de entrada no surgieron en absoluto de la nada! En longitudes de onda largas y medias, la regeneración en el circuito de entrada no se usa a menudo, principalmente porque con un factor de alta calidad, el ancho de banda (B) se estrecha y las frecuencias más altas del espectro de audio AM se atenúan, porque B \u10d f / Q. Pero en longitudes de onda cortas, las bandas requeridas son más estrechas y las frecuencias son más altas, por lo que un gran factor de calidad del circuito de entrada solo puede ser bienvenido. Según las mediciones realizadas por el autor, es bastante posible obtener un factor de calidad bastante estable de 000 en un multiplicador Q bien diseñado. Calculemos qué voltaje desarrollará una señal bastante débil con E = 10 μV / m en nuestra antena de 2 m de largo conectada a dicho circuito: U = EhQ = 0,1 V. Los comentarios, como dicen, son superfluos. Para confirmar lo dicho, el autor ensambló el dispositivo que se muestra en la Fig. 4. Este es un detector de transistor de efecto de campo de "fuente" (en el pasado, los detectores similares en sus propiedades se fabricaban en lámparas y se llamaban detectores de cátodo). La resistencia en el circuito fuente se elige para que sea bastante grande, el transistor opera cerca del corte, en la curvatura inferior de la característica y, por lo tanto, detecta bien la señal de AM. Un gran sesgo de desactivación (en relación con la fuente) garantiza una alta impedancia de entrada, y el 100 % de retroalimentación de audio garantiza una baja distorsión. El condensador C2 y el circuito R3C4 filtran los componentes de alta frecuencia, y la resistencia variable R4 sirve como control de volumen. A partir de él, se alimentó una señal de audio a un UMZCH simple (V. Polyakov. "Amplificador universal 3Ch". - Radio. 1994. No. 12. p. 34, 35). El capacitor del circuito de entrada reemplaza la capacitancia de la antena, la bobina y la capacitancia de entrada del transistor. La antena es un trozo de cable de un metro y medio tendido desde el escritorio hasta la ventana, y la tubería de calefacción central sirve como conexión a tierra debajo de la ventana. La bobina se tomó lista para usar, de la antena magnética de un receptor DV industrial. Contenía unas 250 vueltas de alambre PEL 0,2, enrolladas en una vuelta de capa para girar sobre un marco de 12 mm de diámetro. Para sintonizar, se insertó una varilla magnética de la misma antena en la bobina. Debido a la baja capacitancia, la sintonización del circuito resultó estar en las frecuencias del rango de onda media. Cuatro estaciones de radio de Moscú desarrollaron una señal de 0,5 a 1,5 V en la puerta del transistor, por lo que la teoría se confirmó por completo: ¡el control de volumen tenía que ajustarse al mínimo! No fue nada fácil medir el voltaje de alta frecuencia en la puerta: no se puede conectar un osciloscopio a la puerta debido a la desviación de la señal. La sonda del osciloscopio se conectó a la fuente, en lugar del capacitor C2. En este caso, la detección empeoró, pero el transistor transmitió una señal de alta frecuencia en el modo seguidor de fuente. Capacitancia decreciente C2. se puede observar regeneración e incluso autoexcitación. La retroalimentación en este caso se obtiene de acuerdo con el esquema capacitivo de tres puntos. formado por la capacitancia puerta-fuente y el capacitor C2. Con suficiente regeneración, fue posible escuchar estaciones distantes por la noche. Un hecho interesante es que cuando durante el experimento el cable de la antena se salió del circuito, la recepción de las estaciones de Moscú continuó (aunque a un volumen mucho más bajo) en la varilla de ferrita. Autor: V.Polyakov, Moscú
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