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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Antenne directionnelle verticale. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes HF La tâche de créer une antenne directionnelle à polarisation verticale n'est pas aussi simple qu'il y paraît à première vue. Il semblerait qu'il ait tourné les éléments d'un faisceau conventionnel (canal d'onde) verticalement, et tout est en ordre, mais la question se pose de fixer une telle antenne au mât. En VHF, on peut déplacer le faisceau porteur sur le côté du mât, dans le sens du rayonnement, mais une telle antenne s'avère mécaniquement déséquilibrée et nécessite un mât très épais et solide pour sa fixation. Les principaux avantages des antennes verticales disparaissent - petites dimensions horizontales, légèreté et facilité d'installation. Mais plus sur cela plus tard, mais nous devons d'abord nous attarder sur le concept choisi d'une antenne directionnelle verticale. La volonté de concevoir une antenne simple et légère nous a fait nous tourner vers la conception du ZL-beam, qui ne contient que deux éléments à alimentation active et a de très petites dimensions en longueur de l'ordre de L/8...L/10. Dans le même temps, le facteur de directivité (DFA) de cette antenne est assez important et équivalent, comme indiqué dans la littérature, au DFA d'un faisceau à trois éléments avec des éléments passifs. La même idée est utilisée dans le "carré suisse", qui a également de très bons paramètres et une directivité encore plus élevée. Par conséquent, le principe de fonctionnement de ces antennes mérite une analyse approfondie, ce que nous allons faire maintenant.
Prenons deux radiateurs ponctuels hypothétiques S1 et S2, situés à une distance d, comme le montre la Fig. 1 en haut. Laissez la puissance de l'émetteur être divisée également entre les émetteurs, de sorte que les amplitudes des champs créés par les émetteurs seront les mêmes. Mais les phases d'excitation des émetteurs doivent être différentes pour obtenir un rayonnement directif. Pour commencer, considérons le cas le plus simple, lorsque d = V4, et les radiateurs sont alimentés en quadrature, c'est-à-dire le déphasage des oscillations qui leur sont appliquées est de 90°. Sur le diagramme vectoriel (dans la rangée du milieu, au milieu), les oscillations des émetteurs sont représentées par les vecteurs s1 et s2. L'angle φ correspond à un déphasage supplémentaire des oscillations jusqu'à 180°. Nous convenons également que l'incursion de phase (décalage de phase) lorsqu'une onde se propage sur une certaine distance est prise en compte en faisant tourner le vecteur dans le sens des aiguilles d'une montre de l'angle approprié. Ainsi, par exemple, une onde qui a parcouru un trajet quart d'onde acquerra une incursion de phase de 90°. Considérons le rayonnement du système vers la droite, et les phases des ondes seront mesurées directement près de l'émetteur S2 (avec une propagation supplémentaire vers la droite, les deux ondes de deux émetteurs acquerront la même incursion de phase, et la relation de phase entre leurs oscillations ne changera pas). Le diagramme vectoriel correspondant est affiché dans la rangée du milieu à droite. L'oscillation s2 ne changera pas et l'oscillation s1 acquerra un déphasage de 90° après avoir traversé le trajet L/4. En conséquence, les ondes seront déphasées et il n'y aura pas de rayonnement dans cette direction. Lorsque les ondes se propagent vers le côté gauche des émetteurs, le vecteur s1 restera dans la même position et le vecteur s2 tournera de 90 ° dans le sens des aiguilles d'une montre, car l'onde de l'émetteur s2 passera par le chemin L / 4. Le diagramme vectoriel des oscillations près de l'émetteur s1 est illustré à la Fig. 1 dans la rangée du milieu à gauche. On voit que les ondes issues des émetteurs S1 et S2 s'additionnent en phase et l'oscillation totale acquiert une amplitude doublée. Exactement de la même manière, on peut trouver le champ de rayonnement dans d'autres directions. Pour une représentation plus figurative, on peut supposer que la Fig. 1 montre une vue en plan de deux antennes fouet S1 et S2 de dessus. Un tel système à deux broches aura un diagramme de rayonnement proche d'une cardioïde. Le maximum de rayonnement sera dirigé vers la gauche et le zéro de rayonnement sera dirigé vers la droite. Dans les directions latérales (haut et bas sur la figure), le système rayonnera également, et de manière assez significative, puisque deux ondes en quadrature s'additionneront dans ces directions. Il est possible d'augmenter légèrement la netteté du diagramme de rayonnement en rapprochant les émetteurs S1 et S2, par exemple à une distance de L/8. Les diagrammes vectoriels pour ce cas sont illustrés dans la rangée inférieure de la fig. une. Sur la base du fait que le rayonnement vers la droite, comme auparavant, devrait être absent, nous déterminons le déphasage des oscillations des émetteurs. Il doit être de 4p/135 ou 1° comme indiqué dans le diagramme vectoriel au centre de la rangée du bas. Ensuite, lorsqu'il est émis vers la droite, le vecteur d'oscillation s4 tournera d'un angle de n/45 ou 2°, et sera en opposition de phase avec le vecteur s1 (voir le diagramme vectoriel en bas à droite). En émettant vers la gauche, les vecteurs s2 et s1,41 ne seront plus en phase, mais seront en quadrature, et l'amplitude du champ résultant ne doublera plus, comme dans le cas précédent, mais ne sera que 2 fois supérieure au champ de chacun des émetteurs (diagramme vectoriel à gauche ). Le rayonnement sur le côté sera également moindre, car des champs proches de l'antiphase s'ajoutent dans ces directions. La distance entre les émetteurs peut être rendue encore plus petite, mais pour obtenir un rayonnement unidirectionnel, l'angle , qui complète le déphasage des émetteurs vers l'antiphase, doit satisfaire la condition : φ = XNUMXpd/L, c'est-à-dire devrait également diminuer. Il ne faut pas croire que le rendement d'une antenne "courte" avec des émetteurs d petits et presque déphasés est inférieur au rendement d'une "pleine grandeur" avec une distance d = L/4. Si les pertes d'élément sont négligeables, alors toute la puissance fournie au système d'antenne doit être rayonnée et les champs des deux antennes doivent être les mêmes (en négligeant une petite différence dans les diagrammes de rayonnement). Mais les courants dans les éléments d'une antenne "courte" pour créer le même champ sont importants, et si les pertes dans les éléments sont prises en compte, elles augmentent également en raison des courants importants. Les courants antiphases dans les éléments d'une antenne « courte » sont similaires aux courants antiphases dans la bobine et le condensateur d'un circuit oscillant parallèle, dont l'amplitude est proportionnelle au facteur de qualité. De la même manière, lorsque la distance entre les vibrateurs est raccourcie et que les courants dans ceux-ci se rapprochent de l'antiphase, le facteur de qualité équivalent du système d'antenne augmente et la bande passante de ses fréquences de fonctionnement diminue en conséquence. C’est le prix de la réduction des effectifs. Mais avec une distance entre les vibrateurs L/8...L/10, l'augmentation des pertes dans les éléments et le facteur de qualité équivalent ne dépasse pas 1,4...2 fois et est entièrement compensée par la réduction des dimensions de l'antenne, qui est confirmé par de nombreuses années de pratique dans la conception de poutres ZL.
L'une des conceptions de poutre ZL les plus simples est illustrée à la figure 2. Il contient deux vibrateurs demi-onde divisés (des vibrateurs à boucle sont souvent utilisés) reliés par une ligne aérienne avec des fils croisés. Puisque le coefficient de raccourcissement d'onde dans la ligne aérienne est proche de l'unité, alors lorsque le système est alimenté aux points "X-X", le déphasage des oscillations dans les vibrateurs correspond juste à la formule ci-dessus. Un phasage plus précis des éléments est obtenu en modifiant (sélectionnant) leur longueur. Dans ce cas, la fréquence de résonance de l'élément change et, comme tout circuit oscillant, en fonction de sa caractéristique phase-fréquence, la phase des oscillations qu'il contient. À proprement parler, l'alimentation peut être fournie même au milieu de la ligne et la mise en phase des éléments peut être effectuée de cette manière: un élément est légèrement raccourci et l'autre légèrement allongé. Le désaccord des éléments est très faible puisque le déphasage requis dans chaque élément n'est que de f/2. Le diagramme de rayonnement du faisceau ZL dans le plan horizontal (en azimut) est sensiblement rétréci également parce que les vibrateurs eux-mêmes ne rayonnent pas latéralement. Dans le plan vertical, le diagramme est un peu plus large. Cette antenne est très bonne comme antenne directionnelle à polarisation horizontale de petite taille. Selon de nombreuses données de la littérature, son efficacité atteint 4 dB par rapport à un dipôle ou 6 dB par rapport à un émetteur isotrope (omnidirectionnel). Pour des raisons évidentes de conception, il n'est pas très facile de positionner les vibrateurs à poutre ZL verticalement ; de plus, des problèmes surviennent avec le câblage de la ligne électrique. Face à ces difficultés, les réflexions de l'auteur se sont tournées vers des émetteurs verticaux plus adaptés, qui pourraient être situés à une courte distance les uns des autres, conformément à l'idéologie du faisceau ZL. L'un de ces émetteurs est l'antenne J, dont deux versions, ne différant que par la méthode de correspondance avec le chargeur, sont présentées sur la figure 3.
L'antenne J est un vibrateur vertical demi-onde alimenté par l'extrémité inférieure. À la fin, la résistance du vibrateur est très élevée et atteint plusieurs kiloohms, en pleine conformité avec la loi d'Ohm - après tout, le courant ici est faible et la tension est élevée. Pour l'adapter à une faible résistance de câble, une ligne bifilaire quart d'onde est utilisée. Dans la première variante (à gauche sur la Fig. 3), son impédance d'onde doit être égale à la moyenne géométrique entre les résistances du vibreur et du câble, c'est-à-dire rien dans la région de 300 ... 600 ohms. Une correspondance exacte peut être obtenue en modifiant l'impédance d'onde de la ligne (pratiquement - la distance entre les conducteurs). Ce n'est pas tout à fait pratique, donc la deuxième version de l'antenne J (à droite sur la Fig. 3) est meilleure à bien des égards. Ici, les conducteurs de la ligne quart d'onde sont simplement fermés à l'extrémité inférieure, et ce point à potentiel nul peut être mis à la terre avec un fil de n'importe quelle longueur, connecté à n'importe quelle "masse", par exemple, le toit d'une maison ou voiture, ce qui est pratique de manière constructive, mais vous ne pouvez vous connecter nulle part. L'alimentation de la ligne est assurée par un autotransformateur, aux points "XX" situés à une certaine hauteur au-dessus de l'extrémité de la ligne en court-circuit. Avec n'importe quel câble, l'antenne est facilement adaptée en déplaçant simplement les points d'alimentation "XX". L'impédance d'onde d'une ligne à deux fils dans ce mode de réalisation n'a pas beaucoup d'importance. La suite de la réflexion était la suivante : si deux antennes J dans un système directionnel sont situées côte à côte, est-il alors possible d'utiliser une ligne à deux fils commune pour les alimenter et les coordonner ? Après tout, les tensions sur les conducteurs de l'extrémité ouverte de la ligne sont en opposition de phase, ce qui est exactement ce qui est nécessaire pour alimenter deux vibrateurs rapprochés ! Eh bien, le déphasage nécessaire des oscillations dans les vibrateurs +f/2 et -f/2 peut être obtenu en modifiant leur longueur - en raccourcissant l'un et en allongeant l'autre. Il reste à décider comment connecter les extrémités des vibrateurs demi-onde, séparées par L / 8, aux extrémités de la ligne à deux fils, situées côte à côte. Cela s'est avéré facile - après tout, le courant est faible aux extrémités des vibrateurs, ils ne rayonnent presque pas, il n'y aura donc rien de mal si les extrémités des vibrateurs sont pliées l'une vers l'autre et directement connectées aux extrémités de la ligne. Tout s'est avéré incroyablement simple, à tel point que des doutes ont surgi - cela fonctionnerait-il? Une expérience était nécessaire. Aussitôt dit, aussitôt fait, l'antenne à une fréquence de 430 MHz (longueur d'onde 70 cm) a été pliée à partir d'un seul morceau de fil de cuivre d'un diamètre de 1,7 mm. Son croquis aux cotes affinées au cours des expérimentations est représenté sur la Fig. 4 b).
Le câble d'alimentation avec une impédance d'onde de 50 ohms a été connecté comme indiqué sur la Fig. 4 c). Il est utile de rendre mobiles les contacts aux points d'alimentation "XX" afin de sélectionner la position de ces points en fonction du ROS minimum. Malheureusement, il n'y avait rien pour mesurer le SWR, et la position des points d'alimentation a été choisie en fonction du maximum du champ d'antenne dans la direction principale. Un indicateur de champ fait maison a été utilisé, composé d'une antenne dipôle, d'un détecteur à diode et d'une tête de mesure de 50 µA. La source de signal était un oscillateur de mesure avec une impédance de sortie de 50 Ω et un atténuateur avec un pas de 1 dB. Initialement, l'antenne était fixée dans un étau de table pour la base inférieure de la ligne à deux fils, puis un support pivotant primitif a été fabriqué. Bien que les mesures aient été effectuées dans une salle non équipée et ne prétendent pas être d'une grande précision, l'antenne a pleinement répondu aux attentes ! Tout d'abord, l'antenne fonctionnait et émettait un rayonnement unidirectionnel vers le vibreur court. Deuxièmement, par rapport à un dipôle demi-onde situé au même endroit et alimenté par le même câble, l'atténuateur de l'oscillateur devait être poussé à 4 dB pour obtenir le même signal sur l'indicateur de champ. Cela nous permet d'évaluer le facteur de directivité de l'antenne par le même chiffre. Le diagramme de rayonnement dans le plan vertical (le plan des vibrateurs) est représenté sur la figure 4a et, en général, correspond entièrement aux modèles similaires de faisceaux à deux éléments. Dans le plan horizontal, le diagramme est le même, mais un peu plus large. Il est curieux qu'en ajustant la longueur des éléments, il soit possible d'obtenir l'absence complète du lobe arrière (en tout cas, l'indicateur de champ ne l'a pas détecté), mais en même temps, le gain était quelque peu, par une fraction de décibel, moins que lors du réglage de l'antenne au gain maximum. En conclusion, nous présentons quelques considérations pratiques pour la conception de l'antenne proposée. Pour augmenter la résistance mécanique, vous pouvez installer un isolateur aux extrémités d'une ligne à deux fils, dans la zone de son coude et de sa transition vers les conducteurs du vibrateur. L'isolant doit être de bonne qualité, car le ventre de la tension se trouve ici. Les coudes eux-mêmes ne doivent pas être faits à angle droit, les "épaules" de l'antenne peuvent également être inclinées. De plus, il semble à l'auteur que la position des "épaules" n'est pas particulièrement critique - elles peuvent être situées un peu plus haut ou un peu plus bas. Il est beaucoup plus important d'observer toute la longueur des conducteurs depuis le bas de la ligne à deux fils jusqu'à l'extrémité supérieure du vibrateur. Il devrait être d'environ 0,73 L. pour un vibromasseur court (directeur) et environ 0,77L pour un long (réflecteur). Avec une augmentation du diamètre des conducteurs (tubes) à partir desquels l'antenne est fabriquée, leur longueur diminue quelque peu. Le facteur de raccourcissement pour les vibrateurs "épais" peut être trouvé dans la littérature sur les antennes. Nous notons également qu'il n'est pas nécessaire de fabriquer des vibrateurs et une ligne à deux fils à partir de tubes de même diamètre. L'antenne sera plus solide et pourra mieux résister aux charges de vent si la ligne à deux fils est constituée de tubes de plus grand diamètre et que les vibrateurs sont relativement fins. Pour la commodité du réglage, il est utile d'équiper les vibrateurs de "mâts supérieurs" à l'extrémité supérieure, insérés de manière télescopique dans le tube principal, car raccourcir les vibrateurs avec des pinces coupantes, comme l'a fait l'auteur, est lourd de conséquences irréversibles - après cela , le vibreur ne peut être rallongé qu'avec un fer à souder. Auteur : Vladimir Polyakov (RA3AAE), Moscou ; Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru
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