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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Alimentación superior vertical. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / antenas de alta frecuencia El artículo analiza los principios de creación y diseños prácticos de antenas verticales multibanda con alimentación superior. Son especialmente convenientes para el trabajo en el campo o en condiciones expedicionarias, pero sin embargo, pueden usarse en la "choza" doméstica, ocupando poco espacio y brindando buenos parámetros. El problema de crear una antena multibanda simple y efectiva sigue preocupando a casi todos los operadores de onda corta. En la mayoría de los casos, se llama la atención sobre los diseños de antenas verticales, ya que ocupan poco espacio, son más fáciles de instalar y tienen un patrón de radiación (DN) óptimo para las comunicaciones DX: con cero en la dirección cenital y un máximo en la dirección de el horizonte y la ausencia de directividad azimutal, lo que permite la comunicación por radio con los corresponsales en cualquier dirección. Numerosos diseños bien conocidos de verticales alimentados desde abajo adolecen de desventajas asociadas con el uso ineficiente de toda la altura del mástil en rangos de alta frecuencia y la dificultad de establecer circuitos de barrera (escaleras) u otros dispositivos ubicados a una altura considerable y, de hecho, convirtiendo la antena en una multibanda. En la primera parte del artículo, consideraremos qué ventajas y comodidades aparecen cuando el punto de alimentación se desplaza hacia arriba a lo largo del conductor radiante vertical. Para abreviar, llamemos a la antena descrita GDP: la vertical de la alimentación superior. Diseño del PIB A lo largo del conductor radiante de la vertical, como en cualquier otra antena, se instala una onda de corriente estacionaria con cero en la parte superior, por lo que el punto de alimentación no se puede colocar cerca de la parte superior, la impedancia de entrada será demasiado grande. Al mover el punto de alimentación hacia abajo desde la parte superior, llegamos a un lugar donde la corriente ya es significativa y el voltaje es menor que en la parte superior, por lo que la resistencia de entrada (igual a la relación entre el voltaje y la corriente) disminuye. En el punto de alimentación, uniremos el conductor central del alimentador coaxial a la parte superior de la vertical, y la trenza ... no la coloquemos en ningún lado. Entonces la corriente fluirá desde el punto de alimentación a lo largo de la superficie exterior de la trenza, y en la misma dirección que en la parte superior de la vertical. Este concepto se presenta en el artículo [1], en su tercera parte, haciendo referencia a la Fig. 19. Allí, se propone utilizar la corriente en la trenza para mejorar el DN. Siguiendo estas recomendaciones, haremos que la corriente en la trenza sea parte de la corriente radiante principal. Tenga en cuenta que las corrientes en los lados exterior e interior de la malla del alimentador no están relacionadas entre sí de ninguna manera debido al espesor muy pequeño de la capa de piel en el volumen del conductor, solo son iguales entre sí en la parte superior. corte de la trenza. En la fig. 1, a muestra esquemáticamente la vertical proyectada, y en la fig. 1b - distribución actual en él. El punto de alimentación A se indica con un círculo (gráficos del programa MMANA). Aquí el conductor central se conecta a los 3 metros superiores de largo y la trenza se deja libre. La distribución de corriente sinusoidal se mantendrá tanto en la parte superior de la vertical como en la trenza. En el punto B, a una distancia de media onda desde la parte superior del vibrador de antena en el rango de 10 metros, se forma un nodo de corriente (ver el gráfico de distribución de corriente más a la izquierda en la Fig. 1, b). En este lugar, se debe colocar un circuito de bloqueo para detener el flujo adicional de corriente por la trenza.
El contorno es más fácil de hacer en forma de bahía de cables, sin violar la integridad de este último [2, 3]. Ya tenemos una antena vertical de un alcance de 10 metros. Su diseño se muestra en la Fig. 2, un. La antena puede ser enteramente de cable coaxial, utilizando únicamente la trenza del tramo superior del cable para la parte superior. Es indiferente conectar o no el conductor interno con él, la corriente seguirá fluyendo solo a través de la trenza. Cuelgan la antena en un tipo dieléctrico (hilo de pescar grueso) de la rama de un árbol, etc., solo es necesario asegurar un fuerte haz mecánico de segmentos de cable en el punto de alimentación A, ya que es poco probable que el conductor central soporte el peso de todo el alimentador y "balun". Otra opción es fijar la antena a un mástil delgado de abeto o pino seco (la madera húmeda introduce pérdidas apreciables) o a una varilla de fibra de vidrio. En este caso, es recomendable hacer la parte superior de un tubo de metal. Volvamos al contorno. El compartimiento del cable tiene una inductancia L significativa y, al mismo tiempo, una capacitancia entre vueltas individuales, el papel principal lo juega la capacitancia entre la primera y la última vuelta. La capacitancia equivalente total C cierra la bahía. Por lo tanto, una bahía de cables para corrientes de HF es un circuito paralelo, cuyo circuito equivalente se muestra en la fig. 2b. La frecuencia de su sintonización se puede cambiar seleccionando el número de vueltas, su diámetro y el orden de apilamiento - colocando la primera vuelta más cerca de la última, aumentamos la capacitancia y bajamos la frecuencia Para sintonizar una frecuencia de 28,5 MHz, tres vueltas con un diámetro de 13 cm son suficientes [3]. Es curioso que incluso si la corriente no está completamente bloqueada en la malla, la corriente restante debajo del circuito fluirá en la misma dirección que en la antena; después de todo, el circuito invierte la fase, teniendo oscilaciones iguales y antifase en los terminales. . Por lo tanto, la corriente restante en la parte inferior del cable no estropeará el DP, incluso lo mejorará un poco. Ahora se han esbozado las ventajas importantes del GDP: primero, puede sintonizar la antena (seleccione el diámetro de la bobina del cable y su posición a lo largo de la altura vertical) desde abajo, cinco metros por debajo del punto superior, y segundo, alimentar el punto A se puede ubicar en cualquier lugar de la vertical, logrando la impedancia de entrada de antenas deseada, no se requieren dispositivos de balanceo adicionales. Centrándonos en un cable de televisión disponible de 75 ohmios, es aconsejable desplazar ligeramente el punto de alimentación A hacia abajo con respecto a la mitad de la media onda actual, mientras que la resistencia de entrada aumenta ligeramente en comparación con la resistencia de un vibrador de media onda alimentado. el medio (73,1 ohmios para un vibrador infinitamente delgado y algo menos para un vibrador de espesor finito). Teniendo en cuenta la longitud frecuente de los tubos de duraluminio, igual a 3 metros, se eligió la longitud de la parte superior. ¿Por qué no 2 metros? Para que la antena funcione mejor en otras bandas. En el rango de 15 metros, el circuito B ya no está sintonizado en resonancia y representa solo cierta resistencia inductiva para estas frecuencias (ver Fig. 1 en [3]), siendo, por así decirlo, una bobina de extensión. Como resultado, la longitud de onda media disminuye de 7,1 a 5,82 m (ver Fig. 1). A esta distancia de la parte superior de la vertical habrá un nodo actual, y aquí encendemos el segundo circuito de bloqueo C, sintonizado a una frecuencia de 21,2 MHz (frecuencia media del rango de 15 metros). Continuando con el proceso, encendemos el tercer circuito D, ya sintonizado a una frecuencia de 14,15 MHz (la mitad de la banda de 20 metros), y veremos que para la banda de 40 metros, la longitud de nuestro medio la vertical de la ola era de sólo 9 metros. Un acortamiento tan significativo en el rango de 40 metros se debió a la influencia combinada de los circuitos B, C y D, que a una frecuencia de 7 MHz tienen resistencia inductiva y sirven como bobinas "extensivas". Cuando se acorta el vibrador de media onda, su resistencia a la radiación, referida al antinodo (lugar de máximo) de la corriente, disminuye. Por otro lado, el punto de alimentación A, al disminuir la frecuencia, resulta ser mayor en relación a la corriente máxima y aumenta la resistencia de entrada, igual a la resistencia de radiación, recalculada al punto de alimentación. Los dos procesos se anulan entre sí en gran medida y la impedancia de entrada permanece aproximadamente constante en todos los rangos. Todo este diseño se hizo fácil y rápidamente usando el programa MMANA, y después de algunas optimizaciones (no estoy seguro de que no se pueda mejorar más), la antena que se muestra en la Fig. 1. La impedancia de entrada de la antena en los rangos de 10, 15, 20 y 40 metros resultó ser de 78, 67, 69 y 61 ohmios, respectivamente, con cero reactancia, lo que proporciona una buena adaptación (ROE inferior a 1,2 a media frecuencias de los rangos). Al calcular, se obtuvieron los siguientes valores de los parámetros de los circuitos equivalentes (frecuencia, inductancia, capacitancia): V - 28 MHz, 5 mH, 1,6 pF; C - 19,5 MHz, 21,2 mH, 2 pF; D - 28 MHz, 14,15 mH, 3,2 pF. Quizás la ventaja más importante del diseño vertical es que no requiere ni "tierra" ni radiales. Queda por decidir cómo llevar el alimentador más abajo desde el punto más bajo de la vertical (ver Fig. 1, a). Ya sabemos cómo enrollar otra bobina del mismo cable para que forme un bucle sintonizado a 7,05 MHz. También es posible otra solución: justo debajo del contorno D, fije de tres a cuatro radiales horizontales o inclinados cortos (aproximadamente 1,5 m de largo) a la cubierta del cable. Llevarán la longitud eléctrica de la antena a media onda en el rango de 40 metros. Los radiales cortos no eliminan la necesidad de un bucle de barrera, pero ahora se colocará directamente debajo del punto de conexión radial. La conexión inductiva de este circuito con el circuito D (después de todo, ahora están cerca) no es deseable. En lugar de un circuito en esta realización, son adecuadas bobinas de bobinado con el mismo alimentador en anillos de ferrita. El proceso de establecer el PIB parece simple y bastante obvio. Comience con el rango de frecuencia más alto de 10 metros. Seleccionando la densidad del devanado (diámetro) y, dentro de un rango pequeño, la posición a lo largo de la altura de la bahía B, se logra una SWR aceptable en este rango. Habiendo fijado la bahía con cinta aislante, pasan al rango de 15 metros y repiten la misma operación con la bahía C, sin tocar el circuito sintonizado B. Y así sucesivamente, hasta que toda la antena esté sintonizada en todas las bandas. La antena de cable, por ejemplo, RK-75-4-11 es especialmente buena para condiciones de campo. Está configurado, puede estar en el campo si el transceptor está equipado con un medidor SWR. En condiciones estacionarias, el GDP probablemente puede estar hecho de tubos de duraluminio separados por insertos dieléctricos en los lugares B, C, D y en el extremo inferior. Sobre los insertos se colocan bobinas dobladas de un tubo de aluminio o cobre suave (se puede usar cinta). Los capacitores de los circuitos deben ser de alta tensión, ya que los circuitos están ubicados en los antinodos de la tensión. En este caso, el cable debe pasar recto dentro de todas las tuberías, pero para evitar la corriente en la trenza, se deben colocar varios anillos de ferrita y se debe enrollar un estrangulador de bloqueo o varios estranguladores en anillos de ferrita de gran diámetro. cerca del borde inferior del PIB. Esta versión del PIB no se calculó y no se produjo. En conclusión de esta parte, una variante más prospectiva del PIB. Para que la antena funcione también en el rango de 80 metros, en el punto más bajo de la vertical (ver Fig. 1, a) es necesario instalar un circuito de barrera sintonizado a una frecuencia de 7,05 MHz, y debajo de su cubierta de cable ( tubo inferior en la versión estacionaria) puesta a tierra o conectada a un sistema de radiales de 20 m de longitud, entonces la antena operará a una frecuencia de 3,6 MHz como un GroundPlane de cuarto de onda acortado por inductancias con punto de alimentación elevado. GDP portátil de doble banda La primera versión práctica del PIB se hizo de urgencia, "sobre la rodilla" cuando se hizo necesario desplegar la estación de radio de la redacción de la revista "Radio" en la exposición NTTM-2002. Un enorme pabellón con techos de metal calado y herrajes metálicos de paredes acristaladas excluyó la colocación de la antena dentro del edificio debido al blindaje completo de señales y un alto nivel de interferencia. Afortunadamente, logramos instalar una vertical en el techo de la cabina de ventilación y pasar el cable al conducto de ventilación. Un año después, a pocos días de la inauguración de la exposición "Expo-Ciencia 2003" (ver "Radio", 2003, N° 8, primera portada), el destino presentó una desagradable sorpresa. El techo de un pabellón similar, donde se llevó a cabo la exhibición, era un campo plano, más grande que uno de fútbol, cubierto con material para techos. Estaba terminantemente prohibido arrancarlo, clavarle clavos, ganchos, etc., así como utilizar conductos de ventilación. Solo podríamos hablar de una antena independiente con un alimentador que desciende a lo largo de la pared exterior y entra al edificio a través de un hueco en la puerta. La situación parecía desesperada, pero unas pocas horas de modelado usando el programa MMANA y dos tardes de "terminar" el PIB resolvieron el problema. Necesitábamos al menos dos rangos: 20 y 40 metros. Fue sobre ellos que se diseñó la antena. Desmontado y plegado cabía en una bolsa de 30 cm de diámetro y 160 cm de alto, se transportaba fácilmente con una mano (no se pesaban, pero el rollo del cable es muchas veces más pesado) y se llevaba a la exposición en el metro. Después de una hora y media dedicada a su instalación y solución de problemas de organización (cableado de alimentación, red, mesa, etc.), proporcionó comunicaciones con Siberia, Europa Occidental y luego con corresponsales más distantes. El esquema de la antena se muestra en la fig. 3. La parte superior del GDP por encima del punto de alimentación A está formada por tres tubos de duraluminio insertados uno dentro del otro (el del medio es un bastón de esquí, el superior es muy ligero y de paredes delgadas). Los puntos de alimentación A al circuito B como elemento radiante 1 es una trenza de cable, su conductor central está conectado a la parte superior de la antena 2. Debajo del circuito B, cuatro radiales 3 están conectados a la trenza de cable, hecha de una pared delgada perfil de acero de sección rectangular (de cortinas de ventana). Los extremos exteriores de los radiales están interconectados por segmentos de un cable coaxial que ha cumplido su edad, de 2,5 m de largo (solo se usó una trenza). Esto aumenta la superficie efectiva de la "tierra virtual" resultante.
Dado que la antena fue diseñada como una antena de doble banda, se decidió utilizar un circuito B paralelo, sintonizado ligeramente por encima de la frecuencia de 7 MHz. En el rango de 40 metros, tiene una reactancia inductiva y sirve como bobina de extensión, sintonizando la antena en resonancia. En el rango de 20 metros, el circuito tiene una capacitancia y acorta la longitud eléctrica de la antena, sintonizándola nuevamente en resonancia. Los parámetros de contorno para las dimensiones de antena dadas se optimizaron utilizando el programa MMANA colocando los radiales a una altura de 0,2 m sobre el suelo perfectamente conductor (así es como tratamos de tener en cuenta el efecto del techo de hormigón armado del pabellón). La simulación arrojó una frecuencia de sintonización de bucle de 7,6 MHz con una inductancia de 1,24 μGy y una capacitancia de 355 pF. Es imposible hacer un circuito con una capacidad tan grande a partir de una bobina de cable, por lo que se utilizaron condensadores convencionales y una bobina cilíndrica de cable, que brindan un factor de alta calidad. Las características de diseño del PIB fabricado se ilustran en la Fig. 4. El contorno se coloca en un cuerpo cilíndrico 4, que tiene un fondo sólido, fundido a partir de una aleación de aluminio y paredes de duraluminio relativamente delgadas. El autor usó un tanque giratorio de una vieja lavadora (por ejemplo, "Siberia"). Las dimensiones del cuerpo no son críticas (25...30 cm de diámetro y altura). Los orificios en la parte inferior no están cerrados; cumplen el propósito previsto para drenar el agua de lluvia y el condensado que entró accidentalmente. Los radiales 4 se fijan a la parte inferior del cuerpo con tornillos 3. No se requiere una fuerza especial en estas conexiones, ya que los radiales descansan libremente sobre la superficie del techo. El elemento de soporte inferior de la vertical 1 está hecho de una pieza de tubería de plástico de plomería con un diámetro de 2.5 a 3 pulgadas. Para fijar el tubo 1 al fondo de la carcasa 4 y para fijar el elemento radiante superior 2, se utilizan protuberancias cilíndricas 5. Pueden estar hechas tanto de metal como de un material dieléctrico. En el buje superior se practica un orificio radial, por el cual se conecta el conductor central del cable al elemento radiante superior 2 por el borne 6. También da resistencia mecánica a este conjunto. Antes de atornillar el terminal en el tubo 1, coloque una cubierta de plástico liviano (no se muestra en la Fig. 4), en la que se hacen los orificios para el tubo y el cable. La tapa se baja hasta el cuerpo 4 protegiendo el circuito de las precipitaciones. El extremo superior del cable debe estar equipado con una lengüeta de contacto con un orificio adecuado para el terminal 6. La lengüeta debe estar firmemente fijada al aislamiento exterior del cable, aislándolo de la malla. El conductor central está conectado al pétalo sin su tensión, lo que evitará que el conductor se rompa durante el montaje y desmontaje del GDP. Cuatro terminales más se fijan en los extremos exteriores de los radiales 3, y los pétalos de contacto se sueldan previamente a los extremos de los segmentos de cable de "tierra artificial" 7, lo que acelera enormemente el montaje de la antena. La resistencia final de toda la estructura está dada por cuatro extensiones de hilo de pescar delgado, que se muestran con líneas discontinuas en la Fig. 3. Se amarran al elemento 2 en la unión superior de los tubos ya los terminales en los extremos de los radiales. El diseño del circuito es claro en la Fig. 4. En la pared lateral de la carcasa 4, se fija un conector coaxial 8, preferiblemente el mismo que en la estación de radio (esto le permitirá no pensar al ensamblar la antena qué extremo del alimentador principal debe ir a la antena y que al transceptor), y una placa de montaje con dos pétalos 9. Otro lóbulo, que tiene contacto con el cuerpo 4, se fija debajo del tornillo conector 8. La trenza del cable del que se enrolla la bobina está soldada a él, y una terminal del capacitor 10. Los pétalos de la placa de montaje 9 no deben tener contacto con el cuerpo 4. A uno de ellos se sueldan dos conductores centrales, y al otro se sueldan las trenzas de los segmentos de cable y el otro borne del condensador 10. El condensador está formado, por fiabilidad, por dos condensadores KSO conectados en serie para un funcionamiento voltaje de 500 V con una capacidad de 680 pF. Es aceptable utilizar otros capacitores de alto voltaje con un grado de encapsulación suficiente para soportar las influencias atmosféricas. La bobina del circuito contiene 7 vueltas del cable PK-75-4-11, enrolladas firmemente en un tubo de plástico 1. La inductancia de la bobina se ajusta de dos maneras: moviendo toda la bobina a lo largo de la altura del tubo (acercándola hacia la parte inferior de la carcasa 4 reduce la inductancia, aumentando la frecuencia de sintonización del circuito), o elevando las vueltas superiores, aumentando la longitud del devanado debido a los espacios resultantes entre las vueltas (en este caso, la inductancia también disminuye). Después del ajuste, las vueltas se fijan con cinta aislante o hilo de alambre. La sintonización de la antena es fácil. Habiéndola ensamblado e instalado en la posición de trabajo (en caso de viento fuerte, es útil "cargar" los extremos de los radiales 3 con sacos de arena u otros objetos pesados a mano), conecte la antena al transceptor con el cable principal . Habiendo eliminado la dependencia de la frecuencia de la ROE en el rango de 40 metros, se determina dónde debe cambiarse la frecuencia de sintonización del bucle para que el mínimo de la ROE caiga en el medio del rango. Por ejemplo, si la SWR mínima está por debajo de 7 MHz, la inductancia de la bobina debe reducirse, y si está por encima de 7,1 MHz, debe aumentarse. Como regla, una, máximo dos correcciones son suficientes. Luego verifique la SWR en el rango de 20 metros. Allí, la antena es muy ancha y, por regla general, no se requiere corrección. Sin embargo, si surgiera tal necesidad, entonces es necesario cambiar la relación de los contornos L y C y ajustar nuevamente la antena en el rango de 40 metros. Un aumento en la inductancia del circuito mientras se reduce la capacitancia baja la frecuencia de sintonía de la antena en el rango de 40 metros y la aumenta en el rango de 20 metros, es decir, “esparce” las frecuencias resonantes de la antena. En nuestro país, después de un solo ajuste, la antena montada sobre un techo de hormigón armado proporcionó una ROE cercana a la unidad en ambos rangos. Durante el funcionamiento de la antena, resultó que funciona bien en el rango de 15 metros, aunque la SWR es más alta allí. Las capacidades de sintonización automática del transceptor IC-746 fueron suficientes para sintonizarlo. El concepto propuesto de VHF abre amplias posibilidades para el diseño de antenas verticales multibanda simples. Incluso si un radioaficionado no logra sintonizar bien el PIB, aún puede estar seguro de que la parte superior, de aproximadamente cinco metros, de su vertical irradiará, y en el lugar correcto, en la dirección del horizonte, y este es el clave para obtener resultados exitosos en DXinge. Literatura
Autor: Vladimir Polyakov (RA3AAE), Moscú
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