Antenas rômbicas
Neste artigo vamos descrever e simular o programa
4nec2 dois tipos de antenas rômbicas: a única carga resistiva bidirecional e
unidirecional encerrado. Estas antenas são caracterizados por ganho relativamente
elevado associado à sua simplicidade, tendo como principal desvantagem a
ocorrência de lóbulos secundários significativos no padrão de
radiação. Descreve os efeitos de variação de parâmetros tais como a
dimensão da antena, o ângulo formado pelos lados, o valor da resistência de
carga utilizado no caso unidireccional ou a altura de instalação.
|
|
Tipo: Progressive Waves
|
|
Projeto:
|
|
|
Impedância: 300 ohms
|
|
|
Modelagem: 4nec2
|
Band: Multiband
|
|
Notas: banda larga por satélite. Projeto para a faixa de 20 m.
|
|
Nesta primeira secção, que se refere ao desenho e
de simulação de um circuito aberto antena rômbico encerrado sem
carga. Como veremos, o resultado é uma antena bidirecional.
Antenas rômbicas Unterminated são formados por dois
braços dispostos em V, que terminam em circuito aberto. Cada braço é
formado por duas secções de comprimento, "L" e o conjunto forma um
losango, nomeadamente os ângulos opostos são do mesmo valor (Figura 1).
Fig.1. Antena
rômbico. The Book Antena ARRL, Chap.13, 20 ed.
Como se verá, o valor de "L" tem de ser
um múltiplo de metade do valor do comprimento de onda de concepção. A
antena é alimentado através da extremidade oposta, o vértice está em circuito
aberto.
Para modelar a antena em 4nec2, vamos contar com
fig.2. O eixo Y será localizado a extremidade de alimentação da antena e o
circuito em frente aberta, enquanto que no eixo X estará localizado os outros
dois ângulos da antena.
Foram consideradas as seguintes variáveis:
- L =
comprimento de cada antena de meia-som (em metros).
- Um
ângulo agudo = formado pelos dois braços (graus).
- H =
altura da antena (em metros).
Fig.2. Modelagem
antena rômbico.
Será definir quatro secções com a numeração
mostrada na figura, delimitada pelos seguintes pontos (P) correspondentes com
as coordenadas (x, y):
- Seção
1: P11 (x11, y11) - P12 (x12, y12).
- Seção
2: P21 (x21, y21) - P22 (x22, Y22).
- Seção
3: P31 (x31, Y31) - P32 (x32, Y32).
- Seção
4: P41 (x41, Y41) - P42 (x42, Y42).
Vias 1 e 2 são cortadas por 1% a fim de que a
antena é um circuito aberto.
Usando trigonometria, as coordenadas dos pontos que
definem a perna 1 são dadas por:
As coordenadas do ponto 2 será:
Aplicando trigonometria novamente, as coordenadas
do ponto 3 são:
Finalmente, as coordenadas da seção 4, será dada
por:
Projete assumir uma frequência de 14 MHz (21,42
m de comprimento de onda). Recorde-se que "L" deve ser um
múltiplo de metade do valor do comprimento de onda de
concepção. Selecione, por exemplo, L = 21,42 m (segunda múltipla) e A = 62
graus. Com estes valores e no espaço livre, antena modelada em 4nec2
aparece como mostrado na figura 3.
Fig.3. 4nec2
rômbico antena modelado.
Tomando variáveis inicializadas de acordo com os
valores apresentados na seção anterior, a uma freqüência de 14 MHz a antena tem
um ROE = 13,2 em uma impedância característica de 300 ohms.
Fig.4. ROE
@ 300 ohms para uma antena rômbico em espaço livre, L = 21,42 m e A = 62 °.
Na figura 4 mostra o resultado da simulação para
toda a gama de HF (3-30 MHz), com os mesmos parâmetros. Note-se que grande
parte da banda de HF, a antena pode ser acoplada sem demasiada
dificuldade. SWR diminui em freqüências mais altas.
A Fig. 5 mostra o padrão de radiação de antena que,
com uma frequência de 14 MHz, em condições de espaço livre.
Fig.5. Antena
rômbico no espaço livre, F = 14 MHz, L = 21,42 m e A = 62 °. Padrão
de radiação 3D.
Observa-se que a antena é bidireccional, com
dois lóbulos principais, no sentido do eixo "Y", e dois lobos
laterais na direcção do eixo do "X". O ganho máximo de 7,44
dBi. Outra característica é que os lóbulos principais da antena são
bastante elevados, neste caso a 45 °.
Para fazer a antena rômbica é diretiva é
substituída conclusão circuito aberto por uma carga resistiva. Isto
projeta seção e analisa uma antena rômbico rescindido resistiva projetada para
14 MHz
Na fig.6 mostra o design clássico de horizontais
rômbicas antena três fios terminados em uma carga resistiva, geralmente valor
entre 600 e 800 ohms. Neste design, analisado por Laports 1952, cada um
dos braços da antena é formada por três fios, a fim de alcançar uma maior
largura de banda.
Fig.6. Horizontais
rômbicas antena 3 fios. Antena de rádio de Engenharia, p.316
(Laports, 1952).
Na fig.7 mostra um gráfico para calcular os parâmetros
óptimos da antena horizontal rômbico, utilizando como alvos atingir o ganho
máximo e minimizar a amplitude dos lóbulos laterais do padrão de
radiação. Como mostrado, o comprimento dos braços (comprimento da
perna), o ângulo entre os braços (ângulo agudo de losango), a
altura de instalação (altura do losango) e radiação parâmetros
padrão, tais como elevação (elevação da viga principal) e
largura de banda (largura de feixe) do lóbulo principal, estão
intimamente relacionados.
Fig.7. Parâmetros
ideais. Engenharia Rádio Antena, p.321 (Laports,
1952).
Nota: No gráfico da figura 7, a altura da antena é
apresentada em pés.
Na nossa concepção, no entanto, considerar o caso
mais simples, em que cada braço da antena é formada por um único segmento.
O desenho 4nec2 a carga resistiva antena rômbico
encerrado será idêntico ao descrito na secção 1.2 (Fig. 2), mas a adição de uma
quinta etapa para fechar o circuito aberto entre as secções 1 e 2. Neste
quinto também está localizado carga resistiva.
Foram consideradas as seguintes variáveis:
- R =
resistência de carga (ohms).
- L =
comprimento de cada antena de meia-som (em metros).
- A =
ângulo formado pelos dois braços (graus).
- H =
altura da antena (em metros).
A Fig. 8 mostra a antena 4nec2 modelado.
Fig.8. 4nec2
Modeling a carga resistiva antena rômbico encerrado.
Tomando variáveis inicializadas de acordo com os
valores apresentados nas seções anteriores e com uma carga de R = 600
ohms, em uma freqüência de 14 MHz a antena tem um
VSWR = 2,4 em uma impedância característica de 300 ohms.
Fig.9. ROE
@ 300 ohms para uma antena rômbico carregado no espaço livre, L = 21,42 m e A =
62 °.
Na fig.9 mostra o resultado da simulação para toda
a gama de HF (3-30 MHz), com os mesmos parâmetros. ROE observa-se que é
significativamente mais baixa na carga antena rômbico sem ele (Fig. 4). A
melhora é muito perceptível em baixas frequências.
Na figura 9 mostra o diagrama de radiação da mesma
antena a uma frequência de 14 MHz, em condições de espaço
livre.
Fig.10. Carregado
antena rômbico no espaço livre, F = 14 MHz, L = 21,42 m e A = 62 °. Padrão
de radiação 3D.
Fazemos notar que, no final da antena, com uma carga resistiva, o padrão de radiação torna-se mais e bidireccionalunidireccional, com um ganho máximo inferior (3,27 em comparação com 7,44 dBi dBi sem carga), porque a carga dissipam aproximadamente metade da potência do transmissor. O máximo de radiação situa-se no eixo do losango formado pelo ponto de alimentação e de carregamento (eixo "Y" positivo), com uma elevação de 40 °.
Apesar desta forma conseguimos uma antena
direcional, seu tamanho e construção é praticamente impossível rodar
azimutal. Pode ser usado, portanto, para estabelecer ligações fixas ou
estações SIGINT, como foi o caso do "Estações Y" da RAF durante a
Segunda Guerra Mundial.
A Figura 11 mostra os padrões de radiação da mesma
antena nas seguintes frequências: 3,8 MHz, 7 MHz, 18 MHz e 21 MHz
Fig.11. Padrões
de radiação da antena em várias bandas.
Na banda de 3,8 MHz, o padrão de radiação de antena tem um completamente vertical, que o tornam adequado para trabalhar em NVIS . No entanto, apresenta uma perda de -6,2 dBi a 90 graus de elevação.
Aos 7 MHz, a máxima tem uma
elevação de cerca de 70 °. A antena ainda apresenta perdas, dBi -3 neste
caso.
Aos 18 MHz acima da frequência de
cartão (14 MHz), e o ganho da antena é de 5,6 dBi, apresentando o lóbulo
principal de elevação de 35 °.
Aos 21 MHz, o ganho é de 6,7 dBi,
apresentando o lóbulo principal de elevação de 30 °.
Portanto, embora a antena impedância apresentam
pouca variação entre a banda de HF, os padrões de radiação são dependentes da
freqüência. Na prática, a concepção do lóbulo principal de lóbulos
laterais óptimas e reduzida podem ser alcançados para uma largura de banda relativamente
estreita, em torno da frequência de cartão.
Esta seção analisa o potencial efeito da variação
dos parâmetros de design da antena resistência de carga (R), comprimento (L),
ângulo entre os braços (A) e altura de montagem (H).
Analisar as diferenças de cargas resistivas usando
valores diferentes:
- F =
projeto 14 MHz
- A: valores analisados
de 300, 600 e 900 ohms.
- L =
21,42 m.
- A =
62 °.
- H
não influencia (espaço livre).
Fig.12. Comparação
de ROE @ 300 ohms em toda a banda HF para cargas de 300, 600 e 900 ohms.
Na Fig.12 mostra os cabos de aço em
toda a banda de HF, utilizando cargas de 300, 600 e 900 ohms, por uma
impedância característica de 300 ohms. Clique na imagem para vê-la em
tamanho real. Ele observa:
- 300
ohm carga:
os cabos de aço é melhor para a frequência de criação de 14 MHz (1,88),
mas é elevada em várias bandas, particularmente em grandes quantidades,
atingindo valores de até 6,61.
- 600
ohm de
carga: SWR piora um pouco na freqüência de projeto (2,40), mas é
significativamente menor em todas as faixas diminui à medida que a
frequência aumenta. O VSWR máxima é 4,08.
- 900
ohm de
carga: na frequência de design, os cabos de aço é um pouco pior do que no
caso anterior (3.03), mas, se considerarmos toda a banda é certamente o
caso melhor. O VSWR máximo de 4,02.
Na figura 13 mostra o ganho da antena do
outro lado da banda de HF, utilizando cargas de 300, 600 e 900 ohms. Os
valores são medidos na direcção da radiação máxima, que em todos os casos
corresponde ao eixo "e" positivo e uma altitude de 45 °. Clique
na imagem para vê-la em tamanho real.
Fig.13. Comparação
do ganho de toda a banda de HF para cargas de 300, 600 e 900 ohms.
Refere que o facto do uso de cargas de qualquer
valor não tem nenhum efeito sobre o ganho da antena. Há três áreas
distintas:
- A
partir de 3 MHz e cerca de 9 MHz, a antena apresenta um resultado
negativo.
- Entre
os cerca de 9 MHz e cerca de 26 MHz, a antena é lossless. O ganho
máximo é de 4,75 MHz a 17 dBi
- Entre
cerca de 26 MHz e 30 MHz, antena vazamento novamente.
Analisamos os efeitos do uso de diferentes
comprimentos de "L" antena de meia-arm. Ou seja, considerar como
isso afeta o tamanho da antena SWR e padrões de radiação para uma dada
frequência design:
- F =
projeto 14 MHz
- R =
600 ohms.
- L: varrer entre a metade
do comprimento de onda (10,71 m) e três comprimentos de onda (64,28 m).
- A =
62 °.
- H
não influencia (espaço livre).
Fig.14. Comparação de Roe @ 300 ohms a 14 MHz para
diferentes valores de L.
Fig. 14 mostra os valores de VSWR para uma
impedância característica de 300 ohms a uma frequência de 14 MHz e de
diferentes comprimentos L entre uma metade do comprimento de onda e três comprimentos
de onda. Note-se como valores baixos VSWR são registadas quando L é um
múltiplo de metade do comprimento de onda de trabalho.
A Tabela 1 mostra os valores de ganho máximo para
cada valor de L múltiplo de metade do comprimento de onda (lambda) de
trabalho. Ele também indica que o ganho da elevação máxima regista cada
(lóbulo principal de radiação).
|
L
(0,5 x lambda)
|
L
(m)
|
Ganho
(dBi)
|
Elevation
(°)
|
|
x
1
|
10.71
|
-
3
|
70
|
|
x
2
|
21.42
|
3.27
|
40
|
|
x
3
|
32.14
|
6.54
|
30
|
|
x
4
|
42.85
|
8.74
|
20
|
|
x
5
|
53.57
|
10.42
|
10
|
|
x
6
|
64,28
|
11.65
|
0
|
Tabela 1. E
ganho de elevação do lóbulo principal para diferentes valores de L.
A conclusão é que a concepção da antena deve ser seleccionado comprimento, "L" de semi-braço, que é um múltiplo de metade do comprimento de onda de trabalho, para minimizar a VSWR. Dentro destes valores possíveis, tal como superior a (antena maior), quanto maior for o ganho da antena múltipla e inferior a elevação da sua principal lóbulo de radiação.
Nesta seção, vamos estudar os efeitos da variação
do ângulo "A" formado pelos dois braços da antena, mantendo o
comprimento de suas meias-braços:
- F =
projeto 14 MHz
- R =
600 ohms.
- L =
21,42 m.
- A: variável entre 30 ° e
90 °.
- H
não influencia (espaço livre).
No vídeo pode-se ver que o efeito principal de
variar o ângulo "A", é o aparecimento dos lóbulos laterais de
diferentes amplitudes no padrão de radiação da antena, a 90 ° com a direcção de
radiação principal. O ganho na direcção para a frente da antena também é
alterada. Em uma antena direccional, o aparecimento dos lobos secundários
podem causar o agravamento da relação sinal-ruído nas comunicações.
Video
1. Variações em ganho e lóbulos
laterais ângulo agudo para alterar o "A" do diamante
Na Fig.15 mostra-se a frente do ganho da
antena (verde) e a relação entre o ganho do lóbulo principal e o ganho dos
lóbulos laterais que aparecem a 90 graus (vermelho). Ambos os parâmetros
são medidos a uma altitude de 45 graus, fazendo variar o valor do ângulo
"A" entre a antena 30 e 90 graus. Clique na imagem para vê-la em
tamanho real.
Fig.15. O
ganho da antena e a comparação entre os lóbulos para diferentes valores de A.
Para valores pequenos do ângulo A, os lóbulos
laterais da antena são muito pequenas, o que é muito interessante para uma
antena direccional. Com a = 30 °, a proporção de lóbulos principais e
laterais é de 17 dB. No entanto, cerca de 2 dBi antena tem a frente a
perda.
No outro extremo valor, se fizermos a diamante num
quadrado (A = 90 °), o ganho de frente da antena é o melhor possível
(aproximadamente 4,5 dBi), mas a relação entre o lóbulo principal e lateral é o
pior ( 4,5 dB).
Note-se que, em valores de fechar a A = 60 °, a
antena é cerca de 3 dBi frente e que a relação entre o lóbulo principal e do
lado é ainda quase 9 dB, de modo que neste caso pode ser considerada óptima.
No que diz respeito a ROE da
antena, na simulação indicam que existe pouca dependência variações de
"A".
Nesta seção, vamos estudar os efeitos da variação
da altura de instalação "H" da antena. Para isso, a antena é
colocada paralelamente a um plano de terra perfeito.
- F =
projeto 14 MHz
- R =
600 ohms.
- L = 21,42
m.
- A =
62 °.
- H: varia entre 2,5 m e
53,5 m.
No vídeo 2, podemos ver que o principal efeito da
variação da altura da instalação é que o lóbulo principal do padrão de radiação
tem diferentes altitudes e lóbulos secundários significativos aparecem
Video
2. As variações no padrão de
radiação vertical, alterando a altura de instalação "H"
Na Tabela 2 são mostrados, para valores de "H" de interesse, as amplitudes relativas dos principais e lóbulos laterais do padrão de radiação vertical e elevação.
|
Altura
H (m)
|
Lóbulo
principal
|
Lóbulos
laterais
|
||
|
Ganho
(dBi)
|
Elevation
(°)
|
Ganho
(dBi)
|
Elevation
(°)
|
|
|
2,5
|
3,83
|
50
|
N
/ D
|
N
/ D
|
|
5.5
|
8.27
|
45
|
N
/ D
|
N
/ D
|
|
8.6
|
8.98
|
40
|
N
/ D
|
N
/ D
|
|
10,7
(*)
|
8.63
|
35
|
N
/ D
|
N
/ D
|
|
11.2
|
8.48
|
35
|
N
/ D
|
N
/ D
|
|
11,7
|
8.26
|
32
|
-19,00
|
75
|
|
14,2
|
7.57
|
25
|
-0,14
|
65
|
|
17,3
|
6.73
|
20
|
6.47
|
55
|
|
21,4
(*)
|
8,87
|
45
|
5.85
|
15
|
|
24,4
|
9.27
|
40
|
5.55
|
15
|
|
27.5
|
8.98
|
35
|
5,11
/ 2,61
|
10/60
|
|
30,6
|
8.15
|
30
|
6,69
/ 5,19
|
55/10
|
|
32,1
(*)
|
8.37
|
30
|
7,79
/ 5,16
|
55/10
|
|
33.6
|
8.43
|
50
|
8,17
/ 5,08
|
10/30
|
|
36,7
|
9.03
|
45
|
7,52
/ 4,81
|
25/10
|
|
39.2
|
8.93
|
45
|
7,55
/ 4,39 / 2,60
|
25/10/65
|
|
42,8
(*)
|
9.07
|
40
|
6,29
/ 5,99 / 3,66
|
60/25/5
|
|
45,9
|
8,89
|
35
|
7,92
/ 6,71 / 3,98
|
55/20/5
|
|
48,4
|
8.80
|
50
|
8,61
/ 6,69 / 4,21
|
35/20/5
|
|
51,5
|
8.82
|
45
|
7,99
/ 5,86 / 4,42
|
30/20/5
|
|
53,5
(*)
|
9.22
|
45
|
8,39
/ 5,01 / 4,74
|
30/60/20
|
Tabela 2. E
ganho de lobo elevação para diferentes valores de H.
Os valores indicados com (*) correspondem a
múltiplos de metade do comprimento de onda de trabalho.
Mostra que a tendência geral é que quanto maior for
a altura de instalação H, maior é o ganho da antena, embora a elevação do
lóbulo principal a radiação será diferente.
Até uma altura de 11,2 m não lóbulos
laterais. A partir desse ponto, ele começa a exibir um lobo secundário
14,2 m é de cerca de 7 dB abaixo do principal e apenas 24,4 m a 3,7 dB. A
partir de 27,5 m é um segundo lóbulo lateral significativo.A 33,6 m do primeiro
lóbulo lateral e se torna o lóbulo principal. Finalmente, a partir de 39,2
m, e existem três lóbulos secundários significativos.
Olhando por cima da mesa, se o ângulo de elevação é
uma exigência do projeto, levando em consideração os diferentes lobos pode
cobrir praticamente toda a faixa entre 5 ° e 60 °.
A antena é uma antena de banda larga onda viajante
rômbico formado por dois braços dispostos em um final em forma de V em circuito
aberto, ou a uma carga resistiva. Cada braço é formado por duas secções de
comprimento, "L" e o conjunto forma um losango, nomeadamente os
ângulos opostos são de igual valor.
A antena rômbico descarregado é bidirecional e tem
um SWR aceitável em toda a faixa de HF, enquanto a antena
rômbico rescindido carga resistiva é unidirecional e melhora ROE lucro, mas tem
pior do que o último. Em ambos os casos, a impedância da antena é cerca de
300 ohms.
Embora a antena tem a vantagem de apresentar uma
impedância com pequena variação ao longo da banda de HF, ospadrões de
radiação são altamente dependentes da frequência, variando o ganho, a
elevação do lóbulo principal e o número de lóbulos laterais, por vezes, pode
ter uma grande amplitude.
As simulações foram feitas considerando os
seguintes parâmetros de projecto da antena:
- F:
freqüência de projeto (MHz).
- L:
comprimento do meio-bra (m).
- A:
ângulo agudo formado pelos dois braços (graus).
- R:
resistência de carga (ohms).
- H:
altura da antena (m).
A Tabela 3 mostra a influência sobre os valores de
cada um destes parâmetros na concepção da antena.
|
ROE
|
Ganhar
|
Elevação
|
Lóbulos
laterais
|
|
|
R
|
Sim
|
Não
|
Não
|
Só
Rear
|
|
L
|
Sim
|
Sim
|
Sim
|
Sim
|
|
A
|
Não
|
Sim
|
Sim
|
Sim
|
|
H
|
Inestimável
|
Sim
|
Sim
|
Sim
|
Tabela 3. Influência
dos parâmetros de projeto das antenas rômbicas.
Rômbico são antenas de banda larga a partir do ponto de vista da impedância, mas com grandes variações da frequência nos seus padrões de radiação. Portanto, ser otimizado para uso em freqüências específicas.
|
FONTE: Ismael Tanner EA4FSI
|
Nenhum comentário:
Postar um comentário