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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Antennes de petite taille pour stations de communication CB portables (Partie 1). Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes HF INTRODUCTION L'utilisation généralisée des communications mobiles sur 27 MHz pose la question des antennes pour ces communications. Cette question est compliquée par le fait que l'utilisation d'antennes quart d'onde - dont la longueur est de 27 mètres pour la bande 2,7 MHz - est dans de nombreux cas inacceptable. L'utilisation d'antennes raccourcies est associée à un certain nombre de problèmes spécifiques qui ne sont pas pris en compte dans la littérature populaire, mais s'ils ne sont pas connus, l'efficacité des communications MW peut se détériorer considérablement. Pour les radios CB portables, les antennes fouet asymétriques sont principalement utilisées. C'est lié à ça. que d'autres types d'antennes sont tout simplement presque impossibles à utiliser avec ce type de radio. 1. FONCTIONNEMENT DES ANTENNES ÉLECTRIQUEMENT COURTES DES STATIONS PORTABLES Une antenne électriquement courte comprend à la fois l'antenne elle-même, qui comprend un élément rayonnant, et des éléments de son système d'adaptation et de son système de mise à la terre. Conformément à cela, la résistance totale de l'antenne Ra se compose de la résistance de la broche (Rsh) et de la résistance de sa mise à la terre (Rg) (Fig. 1).
Inclus dans la formule et la "résistance de l'environnement" Rav. qui diminue avec l'augmentation du nombre de contrepoids et de la longueur de l'antenne. Ra=Rsh+Rz+Rcp L'énergie RF utile est dissipée par Rsh, vous devez donc vous efforcer de réduire les valeurs de Rc et Rcp. Dans le cas général, en utilisant des méthodes spéciales, il est possible de mesurer la résistance de la "terre", mais pour la pratique, on peut supposer que la résistance du boîtier de la station de radio CB de 20 ... 30 cm de long, utilisée comme contrepoids, pour cette formule est d'au moins 150 ... 300 Ohm. Le contact avec une main humaine ne modifie pas significativement la valeur. Mais la connexion d'un contrepoids quart d'onde résonant de 2,7 mètres de long réduit la résistance de terre Rz. Déjà un contrepoids réduit la résistance Rz approximativement à une valeur ne dépassant pas 50 ... 60 Ohm. et en présence de trois à quatre contrepoids, Rz peut être considéré comme une valeur négligeable de 5 ... 10 ohms. La résistance du milieu est déterminée par l'interaction de la broche d'antenne avec son système "terre". Si dans une antenne fouet quart d'onde pleine grandeur, cette interaction se produit dans un grand espace et a donc une valeur insignifiante, alors dans les antennes raccourcies, l'interaction électromagnétique d'une antenne courte avec un contrepoids court se produit dans un volume d'espace limité. De plus, toute intervention dans ce volume modifie significativement la résistance du support, et. a donc un impact significatif sur les paramètres d'un tel système d'antenne. De plus, dans un tel système d'antenne avec des éléments raccourcis, une augmentation significative de l'un d'eux. par exemple, une épingle à une valeur quart d'onde, ou un contrepoids, n'entraîne pas de diminution significative de Rcp. Et seule une augmentation (c'est-à-dire un allongement) de la goupille et du contrepoids fait chuter Rcp. Déjà à partir de cela, nous pouvons conclure que la résistance de l'antenne courte de la station CB n'est pas une valeur constante, mais une variable, qui, en particulier, dépend de la position des objets étrangers (y compris l'opérateur) par rapport à l'antenne. Dans le cas général, une antenne bien adaptée sous l'influence de ces facteurs peut complètement ne pas correspondre. Il s'ensuit que l'étage de sortie de l'émetteur de la station radio MW doit être conçu de manière à ce qu'un tel décalage n'affecte pas de manière significative son fonctionnement, et que lorsque les causes du décalage sont éliminées, l'étage de sortie continue à fonctionner normalement. Pour ce faire, il est nécessaire que le transistor de sortie ait une marge de puissance de 3 à 4 fois. Une version de compromis du circuit d'adaptation de boucle P est également nécessaire. permettant de travailler sur une charge variable complexe. Il est nécessaire d'éliminer l'auto-excitation lors de la modification des paramètres de l'antenne. Déjà ces exigences. présentés aux étages de sortie des disjoncteurs des stations portables montrent qu'il convient de prendre très au sérieux leur conception. Pour un autoradio mobile fonctionnant sur une antenne de voiture stationnaire, les exigences en matière de RA sont beaucoup plus faibles. Cela est dû à l'utilisation de la carrosserie de la voiture comme contrepoids, qui est une bonne "masse" pour l'antenne MW. Une broche utilisée pour une antenne CB de voiture. a une longueur d'environ un mètre, et dans de nombreux cas encore plus. Cela crée les conditions préalables au fonctionnement d'une antenne de voiture avec un effet beaucoup plus important qu'une antenne de station portable. Il est également significatif qu'il n'y ait pas de corps étrangers dans la zone d'interaction des courants de polarisation dans le système "broche d'antenne - contrepoids", ce qui rend Rсp pour de telles antennes plus stable que dans les stations portables. Parmi tous les types d'antennes MW existantes pour les stations portables, on peut distinguer deux groupes - les antennes résonnantes et non résonnantes. Parmi les antennes fouet raccourcies du groupe résonnant, on distingue les antennes spirales et les antennes fouet allongées par inductance. Parmi les antennes fouet non résonnantes, il est conseillé d'utiliser un seul type - une broche courte dans le cadre du circuit résonant de sortie. Dans ce cas, la broche est un condensateur à boucle distribuée. 2. ANTENNE SPIRALE Une antenne hélicoïdale peut être considérée comme un résonateur hélicoïdal ouvert [1]. Dans ce cas, l'antenne elle-même est un résonateur en spirale, le circuit d'adaptation de l'émetteur est une continuation du résonateur en spirale et entre dans son circuit d'excitation, et l'espace extra-atmosphérique peut être considéré comme un écran infiniment distant (Fig. 2).
La validité de ces affirmations se vérifie facilement dans la pratique. Ainsi, lorsque les paramètres du circuit d'adaptation changent, la partie résonnante du système d'antenne change. Même une très légère modification de la capacité finale de l'antenne modifie considérablement sa fréquence de résonance [2]. Et les antennes hélicoïdales sont très sensibles à l'influence de corps étrangers. S'approcher déjà d'une main à une distance de 20 cm entraîne un décalage entre l'antenne et l'émetteur, car en raison d'un changement de la capacité terminale, sa fréquence de résonance change. Il convient ici d'effectuer le réglage selon la méthode proposée dans [3]. Cela consiste dans le fait que l'antenne hélicoïdale est accordée de sorte que lorsque la main s'approche (ou en raison d'autres influences de désadaptation), l'intensité du champ du signal augmente puis diminue. Dans ce cas, l'antenne n'est pas réglée exactement sur la résonance, mais légèrement éloignée de celle-ci. Les mesures de l'intensité du champ montrent que dans ce cas l'intensité du champ est d'environ 85 % de l'intensité du champ à la résonance exacte. Mais lors du test d'une station de radio avec une antenne réglée sur la résonance et avec une antenne réglée sur la pente de l'antenne, les avantages de cette dernière sont évidents. Ainsi, lors de l'utilisation d'une station avec une antenne résonnante dans le processus de communication radio, lorsque l'antenne s'est approchée d'une personne, des fluctuations importantes de l'intensité du champ se sont produites. Lors de l'utilisation d'une station de radio avec une antenne réglée sur la pente de la caractéristique, l'influence de désadaptation d'une personne s'est manifestée beaucoup plus faible et la fluctuation de l'intensité du champ était insignifiante. Sur cette base, il peut être recommandé d'accorder les antennes hélicoïdales selon la méthode proposée dans [XNUMX]. Ce n'est que si l'antenne hélicoïdale fonctionne dans des conditions où l'influence des facteurs de désadaptation est exclue qu'il est possible d'accorder l'antenne à l'intensité de champ maximale. Lors de la mesure de l'intensité du champ fourni par l'antenne hélicoïdale et l'antenne fouet avec une bobine d'extension, il s'est avéré que l'antenne fouet résonante était au moins trois fois plus longue. que l'antenne hélicoïdale testée fournissait la même intensité de champ. De cela, nous pouvons conclure que dans les stations portables, l'option d'antenne la plus optimale est une antenne hélicoïdale, qui est de conception plus solide et plus simple qu'une antenne fouet avec les mêmes paramètres. Dans ce cas, il faut tenir compte du fait que dans ce cas le corps court de la station radio est une meilleure "masse" pour une antenne hélicoïdale que pour une antenne fouet de mêmes paramètres. Mais l'anenne en spirale. fournissant une grande intensité de champ, crée les conditions préalables à un fonctionnement instable de l'émetteur. En effet, au cours des expériences, il s'est avéré que le même émetteur, qui fonctionnait de manière stable avec une antenne externe alimentée par câble, était excité lorsqu'une antenne spirale lui était connectée. Seuls un dépistage et un réglage plus minutieux des circuits d'adaptation ont permis à l'émetteur de fonctionner avec une antenne hélicoïdale sans auto-excitation. Une antenne hélicoïdale, ainsi qu'une antenne fouet, peuvent être accordées sur une fréquence de fonctionnement à l'aide d'une capacité de raccourcissement et d'une inductance d'allongement. L'utilisation de la capacité augmente la fréquence de résonance de l'antenne, tandis que l'utilisation de l'inductance l'abaisse. Dans ce cas, pour augmenter l'efficacité de l'antenne, il est nécessaire que la bobine d'extension soit aussi petite que possible l'inductance, et la capacité de raccourcissement - aussi grande que possible. L'utilisation de tels éléments d'accord permet l'utilisation d'une antenne hélicoïdale dans une large gamme de fréquences, car, selon la conception et la qualité de l'adaptation, la bande passante de l'antenne hélicoïdale est faible et s'élève à 200 ... 300 kHz dans le 27 Gamme MHz. Il y a un autre point très important lors de l'utilisation d'antennes hélicoïdales. Lorsqu'une telle antenne est connectée via un câble coaxial, sa fréquence de résonance est due à l'introduction de la réactivité du câble dans la résistance complexe de l'antenne et, par conséquent, à sa modification. change et doit être ajusté. Lors de la construction d'une antenne hélicoïdale, comme d'ailleurs de toute autre antenne raccourcie, il convient de prêter attention à une autre caractéristique de ce système d'antenne, à savoir cela. que lorsqu'un contrepoids quart d'onde est connecté, la fréquence de résonance de ce système d'antenne change quelque peu. Cela peut s'expliquer par le fait que le contrepoids, qui a son propre Rz, change de Rsp. La capacité "antenne - espace" change également. La bande passante de l'antenne hélicoïdale est augmentée d'environ 1.5 à 2 fois en raison d'une diminution de son facteur de qualité et, en même temps, en raison d'un rayonnement plus efficace. Fondamentalement, dans l'étude expérimentale de la fréquence de résonance de l'hélice avec des balances quart d'onde ne dépassait pas la bande passante de l'antenne. Dans le même temps, l'intensité du champ avec un contrepoids quart d'onde a augmenté d'au moins deux fois. L'antenne hélicoïdale doit être connectée avec des conducteurs aussi courts que possible au circuit d'adaptation de sortie. Cela vous permet de fournir la bande passante nécessaire et un minimum de rayonnement parasite de la ligne de connexion. 3. CONCEPTIONS PRATIQUES D'ANTENNES HÉLICOÏDALES Ci-dessous sont considérées des conceptions pratiques d'antennes hélicoïdales publiées dans la littérature de ces dernières années. Les paramètres d'antenne ont été mesurés à l'aide d'un anténoscope. Une antenne hélicoïdale, dont la conception est illustrée à la Fig. 3, a été publiée dans [4]. Les tests de cette antenne ont montré que cette antenne est quart d'onde sur la bande 21 MHz. En effet, avec un contrepoids quart d'onde résonnant, la résistance de l'antenne était ici d'environ 40 ohms. avec peu de réactivité.
En connectant une telle antenne à un émetteur-récepteur de 40 W via un câble coaxial d'une dizaine de mètres de long et en plaçant l'antenne dans une ouverture de fenêtre, j'ai pu réaliser plusieurs connexions à 21 MHz avec le RST56-58, ce qui a encore renforcé mon opinion sur son véritable résonance. Mais toujours en ajustant les tours et la capacité, comme indiqué dans [4]. Il a été possible d'établir que dans la gamme 27 MHz sa résonance est possible, correspondant à une longueur d'antenne équivalente à la moitié de la longueur d'onde. La bande passante de l'antenne sur la bande 21 MHz était de 200 Hz, sur la bande 27 MHz - 250 kHz avec un contrepoids quart d'onde. L'antenne spirale, dont les données sont représentées sur la Fig. 4, fait référence aux antennes quart d'onde. À l'aide d'une broche supplémentaire, il peut être réglé sur une large plage - de 26 MHz à 35 MHz. Sur la bande 27 MHz, son impédance d'entrée avec le corps de la station radio était de 1300m et la bande passante était de 650 kHz. Avec contrepoids quart d'onde de 65 ohms. La bande passante était de 800 kHz. la résonance s'est décalée de 200 kHz vers le haut. Il convient de noter que cette méthode de réglage de la fréquence de résonance de l'antenne, bien que très réussie dans sa simplicité et son efficacité, réduit toujours le facteur de qualité du résonateur en spirale et, par conséquent, réduit l'efficacité de l'antenne. Cela se reflète dans la réduction de l'intensité du champ et dans l'expansion de la largeur de bande de l'antenne.
L'antenne hélicoïdale illustrée à la Fig. 5 [5], lorsqu'elle a été testée sur un anténoscope, n'a pas montré de résonance dans la bande 27 MHz et a montré une résonance quart d'onde dans la bande 21 MHz. Avec un contrepoids quart d'onde, sa résistance était ici de 25 ohms avec une bande passante de 250 kHz. Mais lors de l'utilisation du système d'adaptation de la station de radio donnée [5], il a été constaté qu'en fait, la résonance est réalisable dans la gamme de 27 MHz. Évidemment, ici, la résonance de l'antenne ne se produit pas en raison de son fonctionnement en tant que résonateur quart d'onde, mais en tant que P-congur avec une capacité distribuée. Dans ce cas, l'antenne hélicoïdale équivaut à un système de circuits P connectés à la sortie de l'émetteur, dont la capacité est la capacité de l'antenne à la masse. Le rayonnement se produit en raison de l'accord de l'ensemble du système de circuits P de l'émetteur en résonance. Cependant, des mesures d'intensité de champ ont montré que dans ce cas l'utilisation d'une antenne hélicoïdale est inefficace. La même intensité de champ peut être fournie par une antenne fouet accordée en résonance avec une bobine d'extension qui n'est que 1,3 fois plus longue que la longueur de cette antenne hélicoïdale.
L'antenne hélicoïdale illustrée à la Fig. 6 [6] a montré une impédance d'entrée à la fréquence de résonance de la gamme 27 MHz de 110 ohms avec le corps de la station et de 40 ohms avec un contrepoids quart d'onde. La bande passante avec le corps de la station était de 300 kHz. avec un contrepoids - 450 kHz. Grâce à. que sa partie supérieure est enroulée avec décharge, l'influence du corps humain sur l'accord de cette antenne n'est pas aussi forte que dans le cas d'un enroulement continu. La connexion d'un contrepoids quart d'onde a modifié la fréquence de résonance de 200 kHz vers le haut.
L'antenne utilisée dans la station radio de type Kolibri-M2 a été investiguée. Sa conception est illustrée à la Fig.7. Dans la bande 27 MHz, cette antenne présentait une impédance de 100 ohms et une bande passante de 300 kHz avec le corps de la station, et une impédance de 47 ohms et une bande passante de 200 kHz avec un contrepoids quart d'onde. La connexion d'un contrepoids quart d'onde a modifié la fréquence de résonance de 120 kHz vers le haut. Ce sont les antennes représentées sur les figures 5 et 6 qui ont fourni l'intensité du champ. comparable à l'intensité de champ développée par une antenne tige avec une bobine d'extension, avec une longueur de tige trois fois la longueur d'une telle antenne hélicoïdale.
Une vue pratique de la réponse en fréquence des deux dernières antennes est illustrée à la Fig. 8. Sur cette figure, on peut voir que la réponse en fréquence de l'antenne est asymétrique. Lorsqu'un contrepoids quart d'onde est connecté, la réponse en fréquence se mélange légèrement - d'environ. 100 kHz pour la bande 27 MHz, cependant, la bande passante de l'antenne lui permet de fonctionner dans les canaux MW. Connaître la réponse en fréquence d'une antenne hélicoïdale vous permet de la régler correctement - pas au milieu de la plage de fonctionnement, mais un peu plus haut.
4. FABRICATION ET RÉGLAGE DES ANTENNES SPIRALES Dans la littérature, il est recommandé de réaliser des antennes hélicoïdales sur l'âme polyéthylène du câble coaxial. En effet, c'est la meilleure option matérielle pour une telle antenne. Il est souhaitable d'utiliser un câble de 75 ohms pour la fabrication d'une antenne hélicoïdale, car il contient généralement un seul conducteur interne, qui peut être facilement retiré avec une pince en tenant le câble lui-même à l'autre extrémité dans un étau. Si vous utilisez un câble de 50 ohms pour le cadre de l'antenne, qui a généralement un conducteur central composé de plusieurs fils de cuivre, il peut être difficile de les retirer. La solution la plus simple consiste à chauffer les conducteurs en y faisant passer un courant de 50 ... 100 A à l'aide d'une source de courant puissante. puis retirez-les rapidement. Le cadre en polyéthylène présente une surface rugueuse après retrait de la tresse, ce qui facilite l'enroulement du fil avec tension. Il convient de rappeler qu'une antenne hélicoïdale est un système à Q élevé, et si cela n'est pas fait avec soin, sous l'influence de la température, sa fréquence de résonance peut aller au-delà de la plage pour laquelle elle est réglée. Dans l'étude des antennes hélicoïdales, il a été constaté que leur fréquence de résonance se décale de 50...80 kHz lorsqu'elles sont refroidies à une température de -15°C. L'antenne doit être bien enveloppée de ruban électrique pour empêcher les bobines de se déplacer. et par conséquent, des changements dans la fréquence de résonance. Le ruban PVC souple convient pour cela. Le scotch n'est pas adapté à cela en raison de sa trop grande rigidité. Il convient de noter que l'antenne hélicoïdale est un système non symétrique. Il doit être connecté à l'émetteur uniquement avec l'extrémité indiquée dans sa description. Lors de la connexion des antennes représentées sur les figures 6 et 7 à l'autre extrémité, elles auront des résonances complètement différentes, très éloignées de la bande 27 MHz. Même avec un changement à la fin de la connexion, cela ressemblerait à ceci. antenne symétrique comme sur la Fig. 5, sa résonance est décalée en raison d'une certaine asymétrie dans l'exécution de l'antenne. Structurellement, il est pratique de réaliser son extrémité, connectée à l'émetteur, à l'aide du connecteur SR-50 ou SR-75. en y faisant fondre la base en plastique de l'antenne. Il doit y avoir au moins 12 mm entre l'armature métallique du connecteur et le début de l'enroulement de la spirale. Lors de la fabrication de l'antenne, il n'est pas nécessaire de s'efforcer d'utiliser la base du diamètre spécifié. Un écart de 2 ... 3 mm est tout à fait acceptable. Par exemple, il peut être utilisé à la place d'une base en polyéthylène de 7 mm 9 mm, il peut également être utilisé à la place de 12 mm. Bien que les paramètres de l'antenne changent, il est tout à fait possible de l'accorder sur la bande 27 MHz. Les antennes sont accordées, comme indiqué dans la description, en déroulant les spires du côté de l'enroulement le plus dense. Dans le cas de la fabrication de toutes les antennes décrites ici, il a été possible de s'accorder sur la gamme 27 MHz en déroulant une partie des spires. ceux. ils ont été pré-calculés pour une fréquence de résonance juste en dessous de 27 MHz. Pour un fonctionnement efficace de l'antenne, il est nécessaire d'avoir une bonne masse de station, telle qu'un boîtier métallique. S'il n'y en a pas, il est nécessaire de poser une large feuille de cuivre ou d'aluminium dans un endroit pratique sur toute la longueur de la station. Un tel contrepoids donne une augmentation de l'intensité du champ d'environ 15 ... 20%, ce qui augmente également approximativement la portée de communication. Dans certains cas, cela permet de supprimer l'auto-excitation de l'émetteur. Les dimensions de l'antenne hélicoïdale peuvent être considérées comme optimales lorsque sa longueur est supérieure d'environ 20% à la longueur du corps-contrepoids. Si l'antenne est inférieure à cette valeur. l'influence du corps humain et d'autres objets étrangers sur celui-ci augmente. Une augmentation supplémentaire de celui-ci ne provoque pas la même augmentation de l'intensité du champ, il est plus facile d'utiliser un contrepoids quart d'onde pour augmenter la portée de communication. Auteur : I. Grigorov (RK3ZK, UA3-113), Belgorod ; Publication : N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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