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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Antenas de tamaño pequeño de estaciones portátiles de comunicación SV. Parte 1. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / antenas VHF introducción El uso generalizado de las comunicaciones móviles en 27 MHz plantea el problema de las antenas para tales comunicaciones. Este problema se complica por el hecho de que el uso de antenas de cuarto de onda, cuya longitud es de 27 metros para la banda de 2,7 MHz, es en muchos casos inaceptable. El uso de antenas acortadas está asociado con una serie de problemas específicos que no se consideran en la literatura popular, pero si no se conocen, la efectividad de las comunicaciones de MW puede deteriorarse significativamente. Para radios CB portátiles, se utilizan principalmente antenas de látigo asimétricas. Está relacionado con eso. que otros tipos de antenas son simplemente casi imposibles de usar con este tipo de radio. 1. Operación de antenas eléctricamente cortas de estaciones portátiles Una antena eléctricamente corta consta tanto de la propia antena, que incluye un elemento radiante, como de elementos de su sistema de adaptación y su sistema de puesta a tierra. De acuerdo con esto, la resistencia total de la antena Ra consiste en la resistencia del pin (Rsh) y la resistencia de su conexión a tierra (Rg) (Fig. 1).
Incluido en la fórmula y la "resistencia del medio ambiente" Rav. que disminuye con un aumento en el número de contrapesos y la longitud de la antena. Ra=Rsh+Rz+Rcp Rsh disipa la energía de RF útil, por lo que debe esforzarse por reducir los valores de Rc y Rcp. En el caso general, utilizando métodos especiales, es posible medir la resistencia de la "tierra", pero para la práctica se puede suponer que la resistencia del cuerpo de la estación de radio CB de 20 ... 30 cm de largo, utilizada como contrapesos, para esta fórmula es de al menos 150 ... 300 Ohm. El contacto con una mano humana no cambia significativamente el valor. Pero la conexión de un contrapeso de cuarto de onda resonante de 2,7 metros de largo reduce la resistencia de tierra Rz. Ya un contrapeso reduce la resistencia Rz aproximadamente a un valor de no más de 50 ... 60 Ohm. y en presencia de tres o cuatro contrapesos, Rz puede considerarse un valor insignificante de 5 ... 10 ohmios. La resistencia del medio está determinada por la interacción del pin de la antena con su sistema de "tierra". Si en una antena de látigo de cuarto de onda de tamaño completo esta interacción ocurre en un espacio grande y por lo tanto tiene un valor insignificante, entonces en antenas acortadas, la interacción electromagnética de una antena corta con un contrapeso corto ocurre en un volumen de espacio limitado. Además, cualquier intervención en este volumen cambia significativamente la resistencia del medio, y. por lo tanto, tiene un impacto significativo en los parámetros de tal sistema de antena. Además, en un sistema de antena de este tipo con elementos acortados, un aumento significativo en uno de ellos. por ejemplo, un pin a un valor de cuarto de onda, o un contrapeso, no causa una disminución significativa en Rcp. Y solo un aumento (es decir, el alargamiento) tanto del pasador como del contrapeso hace que Rcp disminuya. Ya de esto podemos concluir que la resistencia de la antena corta de la estación CB no es un valor constante, sino una variable que, en particular, depende de la posición de los objetos extraños (incluido el operador) en relación con la antena. En el caso general, una antena bien adaptada bajo la influencia de estos factores puede no coincidir por completo. De esto se deduce que la etapa de salida del transmisor de la estación de radio MW debe diseñarse de modo que tal desajuste no afecte significativamente su funcionamiento, y que cuando se eliminen las causas del desajuste, la etapa de salida continúe funcionando normalmente. Para hacer esto, es necesario que el transistor de salida tenga un margen de potencia de 3 ... 4 veces mayor. También se necesita una versión de compromiso del circuito de adaptación de bucle P. permitiendo trabajar en una carga variable compleja. Es necesario eliminar la autoexcitación al cambiar los parámetros de la antena. Ya estos requisitos. presentados a las etapas de salida de los CB de las estaciones portátiles muestran que vale la pena tomar su diseño muy en serio. Para una radio de coche móvil que funciona con una antena de coche estacionaria, los requisitos de RA son mucho menores. Esto se debe al uso de la carrocería del automóvil como contrapeso, que es una buena "tierra" para la antena MW. Un pin utilizado para una antena CB de automóvil. tiene una longitud de alrededor de un metro, y en muchos casos incluso más. Esto crea los requisitos previos para el funcionamiento de una antena de automóvil con un efecto mucho mayor que una antena de estación portátil. También es significativo que no haya objetos extraños en la zona de interacción de las corrientes de polarización en el sistema "pin de antena - contrapeso", lo que hace que Rсp para tales antenas sea más estable que en las estaciones portátiles. De todos los tipos existentes de antenas MW para estaciones portátiles, se pueden distinguir dos grupos: antenas resonantes y no resonantes. Entre las antenas de látigo acortadas del grupo resonante, se pueden distinguir las antenas espirales y las antenas de látigo alargadas por inductancia. Entre las antenas de látigo no resonantes, es recomendable usar solo un tipo: un pin corto como parte del circuito resonante de salida. En este caso, el pin es un capacitor de bucle distribuido. 2. Antena espiral Una antena helicoidal puede considerarse como un resonador helicoidal abierto [1]. En este caso, la antena en sí es un resonador en espiral, el circuito de adaptación del transmisor es una continuación del resonador en espiral y entra en su circuito de excitación, y el espacio exterior puede considerarse como una pantalla infinitamente distante (Fig. 2).
La validez de estas afirmaciones se verifica fácilmente en la práctica. Entonces, cuando los parámetros del circuito de adaptación cambian, la parte resonante del sistema de antena cambia. Incluso un cambio muy leve en la capacitancia final de la antena cambia en gran medida su frecuencia de resonancia [2]. Y las antenas helicoidales son muy susceptibles a la influencia de objetos extraños. Ya acercarse a una mano a una distancia de 20 cm conduce a un desajuste entre la antena y el transmisor, porque debido a un cambio en la capacitancia terminal, su frecuencia resonante cambia. Aquí conviene realizar la sintonización según el método propuesto en [3]. Consiste en el hecho de que la antena helicoidal está sintonizada de modo que cuando la mano se acerca (o debido a otras influencias que no coinciden), la intensidad del campo de la señal aumenta y luego disminuye. En este caso, la antena no está sintonizada exactamente a la resonancia, sino ligeramente alejada de ella. Las mediciones de intensidad de campo muestran que, en este caso, la intensidad de campo es aproximadamente el 85 % de la intensidad de campo en resonancia exacta. Pero cuando se prueba una estación de radio con una antena sintonizada en resonancia y con una antena sintonizada en la inclinación de la antena, las ventajas de esta última son obvias. Entonces, al usar una estación con una antena resonante en el proceso de comunicación por radio, cuando la antena se acercaba a una persona, ocurrían fluctuaciones significativas en la intensidad del campo. Cuando se usaba una estación de radio con una antena sintonizada con la pendiente de la característica, la influencia del desajuste de una persona se manifestaba mucho más débil y la fluctuación de la intensidad del campo era insignificante. En base a esto, se puede recomendar sintonizar antenas helicoidales de acuerdo al método propuesto en [XNUMX]. Solo si la antena helicoidal funciona en condiciones en las que se excluye la influencia de factores de desajuste, es posible sintonizar la antena a la máxima intensidad de campo. Al medir la intensidad de campo proporcionada por la antena helicoidal y la antena de látigo con una bobina de extensión, resultó que la antena de látigo resonante era al menos tres veces más larga. que la antena helicoidal bajo prueba proporcionó la misma intensidad de campo. De esto podemos concluir que en estaciones portátiles la opción de antena más óptima es una helicoidal, que es más fuerte y de diseño más simple que una antena de látigo de los mismos parámetros. En este caso, se debe tener en cuenta que en este caso, el cuerpo corto de la estación de radio es la mejor "tierra" para una antena helicoidal que para una antena de látigo de los mismos parámetros. Pero la antena espiral. proporcionar una gran intensidad de campo crea las condiciones previas para un funcionamiento inestable del transmisor. De hecho, durante los experimentos resultó que el mismo transmisor, que funcionaba de manera estable con una antena externa alimentada por cable, se excitaba cuando se le conectaba una antena en espiral. Solo una detección y un ajuste más cuidadosos de los circuitos de adaptación permitieron que el transmisor funcionara con una antena helicoidal sin autoexcitación. Una antena helicoidal, como una antena de látigo, se puede sintonizar a una frecuencia operativa utilizando una capacitancia de reducción y una inductancia de extensión. El uso de capacitancia aumenta la frecuencia de resonancia de la antena, mientras que el uso de inductancia la reduce. En este caso, para aumentar la eficiencia de la antena, es necesario que la bobina de extensión tenga la menor inductancia posible y la capacitancia de reducción, lo más grande posible. El uso de dichos elementos de sintonización permite el uso de una antena helicoidal en un amplio rango de frecuencias, ya que, dependiendo del diseño y la calidad de la adaptación, el ancho de banda de la antena helicoidal es pequeño y asciende a 200 ... 300 kHz en el 27 rango de MHz. Hay otro punto muy importante cuando se utilizan antenas helicoidales. Cuando una antena de este tipo se conecta a través de un cable coaxial, su frecuencia de resonancia se debe a la introducción de la reactividad del cable en la resistencia compleja de la antena y, en consecuencia, a su cambio. cambia y necesita ser ajustado. Al construir una antena helicoidal, como, de hecho, cualquier otra antena acortada, se debe prestar atención a una característica más de este sistema de antena, que es esa. que cuando se conecta un contrapeso de cuarto de onda, la frecuencia de resonancia de este sistema de antena cambia algo. Esto puede explicarse por el hecho de que el contrapeso, que tiene su propio Rz, cambia Rsp. La capacitancia "antena - espacio" también cambia. El ancho de banda de la antena helicoidal se expande alrededor de 1.5...2 veces debido a una disminución en su factor de calidad y, al mismo tiempo, debido a una radiación más eficiente. Básicamente, en el estudio experimental de la frecuencia de resonancia de la hélice con balances de cuarto de onda no se fue más allá del ancho de banda de la antena. Al mismo tiempo, la intensidad de campo con un contrapeso de cuarto de onda aumentó al menos dos veces. La antena helicoidal debe conectarse con conductores tan cortos como sea posible al circuito de adaptación de salida. Esto le permite proporcionar el ancho de banda necesario y la mínima radiación espuria de la línea de conexión. 3. Diseños prácticos de antenas helicoidales A continuación se consideran diseños prácticos de antenas helicoidales publicados en la literatura de los últimos años. Los parámetros de la antena se midieron usando un antenoscopio. La antena espiral, cuyo diseño se muestra en la Fig. 3 fue publicado en [4]. Las pruebas de esta antena mostraron que esta antena es de cuarto de onda en la banda de 21 MHz. De hecho, junto con un contrapeso resonante de un cuarto de onda, la resistencia de la antena aquí era de unos 40 ohmios. con poca reactividad.
Al conectar una antena de este tipo a un transceptor de 40 W mediante un cable coaxial de unos diez metros de largo y colocar la antena en la abertura de una ventana, pude realizar varias conexiones a 21 MHz con el RST56-58, lo que reforzó aún más mi opinión sobre su verdadera resonancia. Pero aún así, ajustando los giros y la capacitancia, como se muestra en [4], se pudo establecer que en el rango de 27 MHz es posible su resonancia, correspondiente a una longitud de antena equivalente a la mitad de la longitud de onda. El ancho de banda de la antena en la banda de 21 MHz era de 200 Hz, en la banda de 27 MHz - 250 kHz con un contrapeso de cuarto de onda. Antena espiral, cuyos datos se muestran en la fig. 4 se refiere a antenas de cuarto de onda. Con la ayuda de un pin adicional, se puede sintonizar en un amplio rango, desde 26 MHz hasta 35 MHz. En la banda de 27 MHz, su impedancia de entrada con el cuerpo de la emisora de radio era de 130 ohmios y el ancho de banda de 650 kHz. Con contrapeso de cuarto de onda de 65 ohmios. El ancho de banda era de 800 kHz. la resonancia se desplazó 200 kHz hacia arriba. Cabe señalar que este método de ajuste de la frecuencia de resonancia de la antena, aunque bastante exitoso en su simplicidad y eficiencia, aún reduce el factor de calidad del resonador en espiral y, como resultado, reduce la eficiencia de la antena. Esto se refleja en la reducción de la intensidad de campo y en la expansión del ancho de banda de la antena.
La antena espiral mostrada en la Fig. 5 [5], cuando se probó en un antescopio, no mostró resonancia en el rango de 27 MHz y mostró una resonancia de un cuarto de onda en el rango de 21 MHz. Junto con un contrapeso de un cuarto de onda, su resistencia aquí era de 25 ohmios con un ancho de banda de 250 kHz. Pero al utilizar el sistema de adaptación de la emisora de radio en cuestión [5] se demostró que en realidad se puede conseguir resonancia en el rango de 27 MHz. Obviamente, aquí la resonancia de la antena no se produce debido a su funcionamiento como resonador de un cuarto de onda, sino como un circuito P con capacitancia distribuida. En este caso, una antena helicoidal equivale a un sistema de circuitos P conectados a la salida del transmisor, cuya capacitancia es la capacitancia de la antena a tierra. La radiación se produce debido a la sintonización de todo el sistema de circuitos P del transmisor en resonancia. Sin embargo, las mediciones de intensidad de campo mostraron que en este caso el uso de una antena helicoidal resulta ineficaz. La misma intensidad de campo puede proporcionarse mediante una antena de látigo sintonizada en resonancia utilizando una bobina de extensión con una longitud sólo 1,3 veces mayor que la longitud de esta antena helicoidal.
La antena espiral que se muestra en la fig. 6 [6], mostró una impedancia de entrada a la frecuencia resonante del rango de 27 MHz de 110 ohmios con el cuerpo de la estación y 40 ohmios con un contrapeso de cuarto de onda. El ancho de banda con el cuerpo de la estación era de 300 kHz. con contrapeso - 450 kHz. Gracias a. que su parte superior está enrollada con descarga, la influencia del cuerpo humano en la sintonía de esta antena no es tan fuerte como en el caso de bobinado continuo. La conexión de un contrapeso de cuarto de onda cambió la frecuencia de resonancia en 200 kHz hacia arriba.
Se investigó la antena utilizada en la estación de radio tipo Kolibri-M2. Su diseño se muestra en la Fig. 7. En la banda de 27 MHz, esta antena mostró una impedancia de 100 ohms y un ancho de banda de 300 kHz con el cuerpo de la estación, y 47 ohms y un ancho de banda de 200 kHz con un cuarto de onda de contrapeso. La conexión de un contrapeso de cuarto de onda cambió la frecuencia de resonancia en 120 kHz hacia arriba. Son las antenas que se muestran en la Fig. 5 y 6 proporcionaron la intensidad de campo. comparable a la intensidad de campo desarrollada por una antena de varilla con una bobina de extensión, con una longitud de varilla tres veces la longitud de dicha antena helicoidal.
Una vista práctica de la respuesta de frecuencia de las dos últimas antenas se muestra en la fig. 8. Esta figura muestra que la respuesta de frecuencia de la antena no es simétrica. Cuando se conecta un contrapeso de cuarto de onda, la respuesta de frecuencia se mezclará ligeramente, aproximadamente. 100 kHz para la banda de 27 MHz, sin embargo, el ancho de banda de la antena le permite trabajar en los canales de MW. Conocer la respuesta de frecuencia de una antena helicoidal le permite sintonizarla correctamente, no en el medio del rango operativo, sino un poco más alto.
4. Fabricación y puesta a punto de antenas helicoidales En la literatura, se recomienda realizar antenas helicoidales en el núcleo de polietileno del cable coaxial. De hecho, esta es la mejor opción de material para tal antena. Es deseable usar un cable de 75 ohmios para la fabricación de una antena helicoidal, porque generalmente contiene un solo conductor interno, que se puede sacar fácilmente con unos alicates sujetando el cable en el otro extremo con un tornillo de banco. Si usa un cable de 50 ohmios para el marco de la antena, que generalmente tiene un conductor central que consta de varios cables de cobre, puede ser difícil quitarlos. La salida más simple es calentar los conductores pasando una corriente de 50 ... 100 A a través de ellos utilizando una fuente de corriente potente. y luego sáquelos rápidamente. El marco de polietileno tiene una superficie rugosa después de quitar la trenza, lo que facilita enrollar el cable con tensión. Debe recordarse que una antena helicoidal es un sistema de alta Q, y si no se hace con cuidado, bajo la influencia de la temperatura, su frecuencia de resonancia puede ir más allá del rango para el que está sintonizada. En el estudio de antenas helicoidales, se encontró que su frecuencia resonante cambia de 50 a 80 kHz hacia arriba cuando se enfrían a una temperatura de -15°C. La antena debe estar bien envuelta con cinta aislante para evitar que las bobinas se muevan. y en consecuencia, cambios en la frecuencia resonante. La cinta de PVC flexible es adecuada para esto. La cinta adhesiva no es adecuada para esto debido a su excesiva rigidez. Cabe señalar que la antena helicoidal es un sistema no simétrico. Debe conectarse al transmisor solo con el extremo indicado en su descripción. Al conectar las antenas que se muestran en la fig. 6 y 7, en el otro extremo, tendrán resonancias completamente diferentes, muy por detrás de la banda de 27 MHz. Incluso con un cambio en el final de la conexión, parecería así. antena simétrica como en la fig. 5, hay un cambio en su resonancia debido a cierta asimetría en el diseño de la antena. Estructuralmente, es conveniente realizar su extremo, conectado al transmisor, mediante el conector SR-50 o SR-75. derritiendo allí la base de plástico de la antena. Debe haber al menos 12 mm desde el marco de metal del conector hasta el comienzo del enrollamiento de la espiral. En la fabricación de la antena, no es necesario esforzarse por utilizar la base del diámetro especificado. Una desviación de 2 ... 3 mm es bastante aceptable. Por ejemplo, se puede utilizar en lugar de una base de polietileno de 7 mm 9 mm, también se puede utilizar en lugar de 12 mm. Aunque se cambian los parámetros de la antena, es bastante posible sintonizarla en la banda de 27 MHz. Las antenas se sintonizan, como se indica en la descripción, desenrollando las vueltas del lado del devanado más denso. En el caso de la fabricación de todas las antenas aquí descritas, fue posible sintonizar el rango de 27 MHz desenrollando parte de las espiras. aquellos. fueron precalculados para una frecuencia resonante justo por debajo de 27 MHz. Para un funcionamiento efectivo de la antena, es necesario tener una buena estación de tierra, como una caja de metal. Si no hay ninguno, es necesario colocar una lámina ancha de cobre o aluminio en un lugar conveniente a lo largo de toda la estación. Tal contrapeso proporciona un aumento en la intensidad del campo de aproximadamente 15 ... 20%, lo que también aumenta aproximadamente el rango de comunicación. En algunos casos, ayuda a eliminar la autoexcitación del transmisor. Las dimensiones de la antena helicoidal se pueden considerar óptimas cuando su longitud es aproximadamente un 20% mayor que la longitud del cuerpo-contrapeso. Si la antena es inferior a este valor. la influencia del cuerpo humano y otros objetos extraños sobre él aumenta. Un aumento adicional no provoca el mismo aumento en la intensidad del campo, es más fácil usar un contrapeso de cuarto de onda para aumentar el rango de comunicación. Autor: I. Grigorov (RK3ZK, UA3-113); Publicación: cxem.net
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