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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sobre la influencia de una cruceta metálica en el funcionamiento de la antena. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Antenas. Teoría En este artículo, los autores intentaron aclarar las recomendaciones disponibles en la literatura de radioaficionados con respecto a la influencia del recorrido de la antena metálica sobre el vibrador de media onda. Como resultado, se obtuvieron valores de corrección adecuados para el uso práctico para la longitud del vibrador dependiendo de la relación de las dimensiones del "vibrador-travesaño", la frecuencia de operación y la distancia del vibrador desde el extremo del recorrido, para los tres métodos principales de su fijación. El travesaño de soporte metálico sobre el que se montan los elementos de la antena vibratoria está ubicado en el campo cercano de la antena y puede tener un impacto significativo en sus parámetros. En particular, las dimensiones de todos los elementos de una antena de "canal de ondas", calculadas sin tener en cuenta dicha influencia, requieren corrección. En la literatura a disposición de los autores no se ha encontrado un análisis detallado de esta influencia, métodos para tenerla en cuenta o una corrección eficaz y que no requiera mucha mano de obra. En las descripciones de las antenas, en el mejor de los casos, se indica que las dimensiones se dan para la instalación en un travesaño metálico de cierto diámetro [1] o se comenta que en el rango de 432 MHz el método de fijación de los vibradores al La estructura de soporte tiene una gran influencia en las propiedades de la antena [2]. En [3] se recomienda alargar los vibradores entre un 0,5...1% en presencia de un travesaño metálico, y en [4] se recomienda la necesidad de tener en cuenta la influencia del travesaño aumentando el longitud de diseño de los vibradores en 2/3 del diámetro transversal. En el libro [5] se señala que para el reflector y el último director la condición “2/3” se aplica sólo si los extremos correspondientes del travesaño sobresalen al menos cinco diámetros del travesaño. La traducción rusa del libro de K. Rothhammel y A. Krischke [6] señala la aproximación y limitaciones de la regla empírica “2/3” e indica la influencia del método de fijación del elemento, así como el espesor y la forma. de la sección transversal. Allí, con referencia a los trabajos de DL6WU [7, 8], se da una breve tabla de correcciones a la longitud de los elementos pasivos de las antenas de “canal de ondas” de las bandas de 145 y 432 MHz. Metodología y modelos El efecto de una travesía conductora sobre la longitud resonante de un vibrador de media onda se estudió mediante modelado electrodinámico utilizando el programa WIPL [9], que se utiliza para analizar estructuras radiantes y de dispersión hechas de alambres y placas sin tener en cuenta las pérdidas. Se simularon tres métodos típicos para fijar simétricamente un vibrador redondo a una viga de sección transversal hexagonal (Fig. 1): 1 - el vibrador está aislado de la viga transversal, los ejes del vibrador y de la viga transversal no intersecarse; 2 - el vibrador está aislado del travesaño, sus ejes se cruzan; 3 - el vibrador está conectado al travesaño (hay buen contacto eléctrico - soldadura), los ejes del vibrador y el travesaño se cruzan.
También se creía que solo hay un vibrador en la travesía y nada más que la travesía afecta su longitud resonante. A continuación se analizará la influencia de los vibradores no resonantes en antenas multielementos y la corrección de su longitud. La longitud resonante exacta de un vibrador de media onda de un diámetro determinado con excitación simétrica a una frecuencia determinada se determinó mediante la condición X = 0, donde X es la parte imaginaria de la resistencia de entrada compleja Z = R + jX del vibrador. Primero se determinó la longitud de resonancia Lо en el espacio libre (sin travesaño) y luego, de manera similar, la longitud de resonancia L bajo las condiciones dadas de fijación del elemento a un travesaño determinado. El valor de corrección requerido se calculó como l=L-Lo o como porcentaje como σ=(l/Lo)·100%. La influencia en la longitud resonante del método de fijación del elemento en el travesaño (1, 2), el diámetro b de un travesaño equivalente de sección circular, la longitud del extremo que sobresale del travesaño t al fijar el vibrador en su extremo, el diámetro del vibrador d y su longitud (indirectamente a través de la frecuencia f, que determina la longitud de onda X), así como la influencia del espacio s entre el vibrador aislado y el travesaño. En mesa 1 muestra los intervalos de parámetros de modelado relativos, cuyos resultados se utilizaron en el futuro para obtener relaciones de cálculo empírico. Para un travesaño hexagonal con método de montaje de vibrador 3, tamaño b=1,09D. A partir de los resultados de la simulación se puede evaluar la “longitud efectiva” de la travesía, es decir, la distancia entre el vibrador y los extremos de la travesía, cuyo aumento prácticamente no conduce a un cambio en el valor de corrección. mostrado en la Fig. 2. Teniendo en cuenta las limitaciones del programa WIPL, para modelar en el rango de frecuencia 150... 1200 MHz y en todo el rango de diámetros transversales 7,4...29,6 mm, la longitud efectiva t1 se toma igual a 92 mm.
Resultados de la simulación En la Fig. 2 - 4 muestran gráficos seleccionados que muestran la naturaleza de la dependencia de la corrección de los parámetros del modelado. Observemos algunos patrones generales. La presencia de un travesaño metálico, cuyo espesor es mayor que el espesor del vibrador, en todos los métodos de fijación conduce a un notable acortamiento eléctrico del vibrador, es decir, a un aumento de su frecuencia de resonancia. Para restaurar la longitud resonante a la frecuencia anterior, es necesario aumentar la longitud de diseño del vibrador en la cantidad de acortamiento l. El análisis mostró que este efecto se debe a las corrientes transversales de la travesía. Por lo tanto, no se puede detectar modelando una travesía con programas para conductores delgados (MININEC, ELNEC, MMANA), donde solo se tienen en cuenta las corrientes longitudinales de los conductores, incluso si se establece un diámetro de cable suficientemente grande. De la Fig. 2 se deduce que cuanto más largo sea el vibrador, menor será el valor de corrección l. En frecuencias de 600 y 1200 MHz, el efecto de la resonancia transversal es notable, aunque insignificante. La influencia del travesaño es más pronunciada en las conexiones realizadas según el método 3, y cuando se fija el vibrador sin contacto eléctrico, depende significativamente del tamaño del espacio s en el método 1 y casi no depende del tamaño del espacio ( dentro de límites razonables) en la opción de fijación 2. La magnitud de la corrección para un espesor transversal determinado depende de diferentes formas del espesor del vibrador (Fig. 3): para conexiones con contacto tipo 3, disminuye notablemente al aumentar el diámetro del vibrador, para conexiones tipo 2 sin contacto, en por el contrario, aumenta, y en el método 1 esta dependencia es muy insignificante y prácticamente ausente con un aclaramiento cero. La influencia de la frecuencia se reduce a un aumento moderado del valor de l al aumentar la frecuencia: 1,5...2 veces en el rango de 100...1200 MHz.
El espesor (diámetro) del travesaño tiene la mayor influencia en el valor de la corrección (Fig. 4). Así, a una frecuencia de 800 MHz, un diámetro del vibrador de 2 mm (longitud resonante sin cruceta 176,2 mm) y un diámetro de cruceta b=14,8 mm, la corrección fue de 9,74 mm (que, por cierto, en este caso se aproxima al valor 2b/3 , dado en la literatura como recomendación para corregir la longitud de cualquier vibrador con conexión tipo 3). Un aumento doble en b condujo a un aumento en I por un factor de 2,47, y una disminución doble condujo a una disminución correspondiente en l por un factor de 2,59.
Se determina un aumento significativo en la corrección a medida que el punto de fijación del vibrador se aleja del final del recorrido hasta distancias de 3...5 diámetros transversales (Fig. 4), y si el vibrador está montado en el extremo del recorrido. atravesar (t = 0), entonces el valor de l puede ser aproximadamente 60...70% del máximo. En la Fig. La Figura 5 muestra bocetos de varios modelos con secciones transversales rectangulares y cuadradas.
En el modelo según la Fig. 5a, se realizaron cálculos de correcciones para comparar con un método similar de fijación (1) en un travesaño hexagonal con los mismos diámetros de sección transversal circular equivalente al método 3 (b = 14,8 mm). Esta comparación se muestra en la Fig. 6, de lo que se deduce que en este caso, cuando el vibrador está paralelo a una de las caras del travesaño cuadrado, la influencia de dicho travesaño es notablemente más fuerte. El diámetro de una sección transversal redonda, equivalente a una viga transversal cuadrada con fijación realizada según el método 3 (Fig. 5, d), se calcula como b = 1.14D.
Aplicación práctica Con base en los resultados del modelado, se obtuvieron expresiones empíricas para diferentes métodos de fijación del vibrador a la traviesa, relacionando la cantidad de corrección requerida con los datos iniciales (dimensiones y frecuencia). Para encontrar estas dependencias, se utilizaron procedimientos de regresión múltiple (Stat-graphtcs plus v.2.1 [10]). El error cuadrático medio al calcular el valor relativo de la corrección l/b usando las fórmulas es 0,0115 para el método de fijación 1, 0,00758 para el método de fijación 2 y 0,0132 para el método 3. Las fórmulas de cálculo son muy engorrosas y no se dan aquí. A partir de las fórmulas obtenidas se elaboraron programas de cálculo. Se pueden descargar los textos de los programas: boom_r.bas en ruso y boom_e.bas en inglés en el idioma Turbo-Basic, así como los archivos ejecutables boom_r.exe y boom_e.exe, respectivamente. por lo tanto. La entrada de datos se realiza en modo de diálogo con restricciones de acuerdo con la tabla. 1. Dado que los programas operan en dimensiones relativas, el rango de frecuencia para los cálculos no está limitado por el rango de simulación.
En mesa 2 muestra a modo de comparación los valores de correcciones (método de montaje 3) para una frecuencia de 432 MHz, obtenidos por DL6WU [8] para un elemento de diámetro desconocido d y calculado usando nuestro programa para tres valores de d.
Vibradores no resonantes Los resultados obtenidos también se pueden utilizar para corregir la longitud de los vibradores pasivos no resonantes de las antenas de "canal de ondas". Para hacer esto, primero necesita calcular el valor relativo de la corrección para un vibrador resonante en las mismas condiciones. El programa de pluma convierte la corrección absoluta l (en milímetros) en la corrección relativa σ (en porcentaje). Luego aplique el mismo valor de corrección relativa l a la longitud calculada (sin tener en cuenta la influencia del recorrido) del vibrador pasivo y, como resultado, obtenga el valor absoluto de la corrección. Por ejemplo, la longitud estimada de un reflector con un diámetro de 20 mm a una frecuencia de 50 MHz es 3060 mm. Diámetro del travesaño b=80 mm, t=140 mm, fijación tipo 3 o tipo 1 con juego s=20 mm. El cálculo con el programa de varilla da la corrección l=32,74 mm (σ=1,15%) para el tipo de fijación 3, l=8,44 mm (σ=0,3%) - para el tipo 1 Por lo tanto, en el primer caso, es necesario extiéndalo en un 1,15% de su longitud calculada, es decir, en 3060-0,0115 = 35,2 mm, y en el segundo, en un 0,3% de su longitud calculada, es decir en 3060 0,003 = 9,18 mm. Esta técnica, con un error en el cambio de fase de hasta ±3°, es aplicable para vibradores que difieren en longitud de los resonantes en ±10% o menos. La influencia del recorrido sin corrección puede provocar en este caso una desviación de fase de hasta ±15°. La influencia de otros vibradores también se puede tener en cuenta fácilmente utilizando herramientas sencillas de modelado de antenas de hilo, por ejemplo MININEC, etc. La idoneidad de esta técnica se ha probado en la práctica, en particular, en el desarrollo de antenas estacionarias de “canal de ondas” de 11 elementos en el rango de 820...875 MHz para suscriptores celulares remotos. Las longitudes calculadas de todos los elementos (d = 5,6 mm) se incrementaron en un 2,3% para la instalación en un travesaño de aluminio con un diámetro de 15 mm según el método 2 con una longitud de los extremos sobresalientes del travesaño de al menos 60 mm. Sin embargo, si el elemento (reflector o último director) se instala a una distancia de 10 mm del final del travesaño, su longitud sólo debe aumentarse en un 1.5%. Esperamos que los resultados obtenidos puedan ser de utilidad para los radioaficionados, así como para los desarrolladores y diseñadores de antenas vibratorias para televisión, radiocomunicaciones y otras aplicaciones. Dudas, reseñas, sugerencias, comentarios, críticas serán aceptadas con gratitud en: . Los autores agradecen a V.V. Krylov e I.P. Kovalev sus valiosos consejos y comentarios. Literatura
Autores: A. Grechikhin (UA3TZ), N. Seleznev, Nizhny Novgorod
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