ホイップアンテナ。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

無線電子工学と電気工学の百科事典 / VHFアンテナ

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1. 定義と概念

非対称（ホイップ）アンテナは、地面（または金属スクリーン）の表面に垂直に（それほど頻繁ではありませんが）垂直に配置されたアンテナです。

地球が理想的に導電性であると仮定し、鏡像を考慮に入れると、シングルエンドバイブレーターは同等の平衡バイブレーターの半分と見なすことができます（図1）。

非対称バイブレータの放射抵抗は、同等の対称バイブレータの1分のXNUMXです。これは、同じ電流で前者が半分の電力を放出するためです（下半空間への放射はありません）[XNUMX]。

非対称バイブレータの入力抵抗は、同等の対称バイブレータの1分のXNUMXです。これは、同じ供給電流で、最初の供給電圧がXNUMX分のXNUMXになるためです（図XNUMX）。

非対称バイブレーターの指向性作用係数は、同等の対称バイブレーターの2倍です。これは、同じ放射パワーで、すべてのパワーがXNUMXつの半空間に放射されるため、前者はXNUMX倍の角パワー密度を提供するためです（図XNUMX）。 。

上記のすべては、理想的な非対称振動子、つまり地球が理想的な導体である場合に当てはまります。 アースの導電性が低い場合、振動子の放射フィールドが変化します。 さらに、これは振動子の電流振幅の減少につながり、その結果、抵抗の増加と放射電力の減少につながります。 土壌は高い誘電率 (ほぼ 80) を持つ誘電体であり、これにより仮想双極子の電気長および変位電流の経路長が変化します。 その結果、放射パターンが完全に歪み（ローブが上向きになり、地平線に対して小さな角度で放射が消失します）、ピンの抵抗が増加します。

このため、土壌は実際には「土地」として使用されていませんが、人工的な土地が使用されています。

2.ホイップグラウンド

理論計算によると、最大の損失は半径0,35波長のゾーンで発生するため、このゾーンではアースを「金属化」することが望ましいです。ラジアルワイヤをジャンパーで相互に接続します（図3）。 この金属被覆がカウンターウェイトの距離全体にわたって実行されると非常に良いです。

図。 3

カウンターウェイトは地面から隔離する必要があります。 それらが地面にある場合、湿気からそれらの電気的長さはアンテナに対して共振しません。 また、それらの端は地面から隔離する必要があります。 カウンターウェイトの端を地面から隔離しないことが可能なのは3つの場合だけです。ジャンパーリングでしっかりと接続されている場合です（図XNUMX）。

理想的なホイップ アンテナの効率は 47% ですが、カウンターウェイトが 3 つあるアンテナの効率は 5% 未満であることを決して忘れてはなりません。 したがって、200 つのカウンターバランスを備えたロッド アンテナを使用する場合、ロッドに供給される 180 ワットのうち 7 ワット (!!!) が無駄に浪費され、途中で TVI が発生します。 電離層内のプロセスの多くは非線形です。 電波の反射は、アンテナへの電力がたとえば 5 ワットから始まり、完全に XNUMX ワットではなくなります。 これは、ワイヤーの重量を節約することで、ユニークな DX QSO 体験を逃していることを意味します。

また、カウンターウェイトの数が少ない場合の放射パターンの歪みも考慮する必要があります。 球状から花弁になり、カウンターウェイトに沿った方向を持ちます。 カウンターウェイトの最適な数を見つける問題は、私がコンピューターを使用して解決しました。 解決策を図に示します。 4. カウンターウェイトの最小必要数は 12 であることがわかります。カウンターウェイトの数が増えると、効率はゆっくりと増加します。 カウンターウェイトは、互いに同じ距離に配置する必要があります。

図。 4

ピンに対するそれらの位置の角度は、90°から1350にする必要があります。角度が大きくても小さくても、効率とd.n. 歪んでいます。 カウンターウェイトは、少なくともメインピンと同じ長さでなければなりません。 これは、ピンとカウンターウェイトの間を流れるバイアス電流が、放射パターンの形成に関与する一定量の空間を占有するという事実によって説明できます。 カウンターウェイトの長さを短くすることにより、その結果、DP を形成するのに役立つスペースの量を減らすことにより、アンテナの特性を大幅に悪化させます。 大まかな近似により、ピンの各点はカウンターウェイトのそれぞれの点に対応していると言えます。 ただし、メインピンより長いカウンターウェイトを使用する必要はありません。

カウンターウェイトとピン自体は保護塗料で覆われている必要があります。 これは、アンテナを構成する材料が酸化しないようにするために必要です。 バイブレーターの酸化は、薄い酸化膜がかなりの抵抗を持っているという事実のためにアンテナを使用できなくします、そして表面効果がRFで強く顕著であるため、送信機のエネルギーはこの膜によって吸収されて熱に放散されます。

これにはラジオペイント（ロケーターがペイントされるもの）を使用することが非常に望ましいです。 従来の塗料には、RFエネルギーを吸収する染料粒子が含まれています。 ただし、極端な場合は通常の塗料を使用できます。

3.ホイップアンテナの寸法

知られているように、Rizl アンテナの放射抵抗は比 L/d に比例します。ここで、L はアンテナの長さ、d は直径です。 L/d 比が小さいほど、アンテナの幅が広くなり、効率が高くなります。

太いバイブを使用する場合、「エンドエフェクト」が影響することに注意してください。 振動子の両端とアース間の静電容量によって決まります。 物理的に、これはアンテナが計算されたものよりも「長い」ことが判明するという事実で表されます。 これを軽減するために、ブロードバンド ピンは通常、先細になっています。 計算によると、カウンターウェイトの最低限必要な厚さは次のとおりです。

d = D / 2,4n、ここで

d はカウンターウェイトの直径、D はピンの直径、n はカウンターウェイトの数です。

多くの場合、アマチュア無線家は 3/90 波長ピンを取り付けることができず、より小さいピンを使用します。 原則として、マッチングデバイスを使用して、任意の長さのピンを一致させることができます。 ただし、短いピンはアクティブが低く、リアクタンスが高く [XNUMX]、マッチングは非常に最適ではありません (マッチング デバイス自体で最大 XNUMX% のエネルギーが消費される可能性があります)。 また、代理の短いカウンターウェイトも使用すると、そのようなアンテナシステムの効率は非常に低くなります。 しかし、移動体通信では、このような代理アンテナがよく使用されます。 しかし、これは、他のタイプの短いアンテナのパフォーマンスがさらに低下するためです。

4.ホイップアンテナの指向性パターン

多くの人は、水平面内の放射パターンでピンの高さがどのように上昇するか、またピンの抵抗がサスペンションの高さに依存するかどうかに興味を持っています。 最も重要な結果 [4] は、理想的な「グランド」が存在する場合、ピン内の電流の分布はサスペンションの高さに依存しないということです。 実際には、これは、ピンの高さに関係なく、その抵抗が一定であることを意味します。 ソリューションの全体的な結果は、ピンが共振するように調整されていれば、その下端を接地できることを示しています。 さらに、いつでも電源を供給できます。

この重要な結論の結果に基づいて、ホイップ アンテナ (フラッグ アンテナ、マスト アンテナ) が作成され、その下端は「地面」に接続され、ガンマ マッチングを通じて給電されます。

半波長ピンの垂直面の放射パターンを図 5 に示します。 XNUMX. この図は、アンテナが高く上がるほど、水平方向への放射角度が平坦になることを示しています。 これは、ピンから放出された波と地面から反射された波が加算されるためです。 土壌の導電性が低い場合、放射パターンは地面の上のピンの放射パターンに近くなります。 アンテナを波長以上の高さに上げても意味がありません。 この場合、放射角はもはや減少しませんが、上側のサイドローブだけが断片化し始めます。

図。 5

ピンのもう5つの興味深い特徴を覚えておく必要があります。その高さは波長以上です。 このようなアンテナは、アンチフェージング アンテナとして業務用通信で使用されます [XNUMX]。 これは、そのようなアンテナが XNUMX/XNUMX 波長ピンまたはダイポールにフェージングを伴って到着する信号を問題なく受信することを意味します。

5.ホイップアンテナマッチング

正常に動作させるには、ホイップアンテナを一致させる必要があります。 マッチングデバイスとピンは明らかに多様ですが、3つのグループに分けることができます。

1.ピンが一致し、電気長が波長のXNUMX/XNUMXに等しい。

2.必要以上の電気的長さのピン。この長さは、コンテナを使用して「削除」されます。

3. ピンの長さは XNUMX/XNUMX 波長未満です。 不足している長さは、インダクタによって「追加」されます。

コンデンサとコイルは可能な限り最高の品質係数を持つ必要があり、TKE と TKI も可能な限り良好であることが望ましいことに留意する必要があります。 通常、短縮コンデンサの静電容量は 100 ～ 28 MHz で 18 pF 以内にすることができ、延長コイルのパラメータは 21 MHz までは μH、3,5 MHz までは XNUMX の単位です。

結論として、このマッチング手法は、XNUMX分のXNUMX波長の倍数の長さのピンに適用できることに注意してください。

6.ホイップアンテナの種類

有限寸法のスクリーンを備えた非対称バイブレーター（図3）。 このアンテナは主にアマチュア無線家によって使用されます。 スクリーンとして、通常、波長のXNUMX分のXNUMX以上の長さのカウンターウェイトが使用されます。

非対称ループバイブレータ (図 6)。 彼の博士号d.s.と一致します。 クラシックピン。 ただし、一方の端が接地されているという利点があります。 厚さ d2 と d1 を選択することにより、広い範囲で入力抵抗を変更できます。 d2=d146 の場合、バイブレータの抵抗は XNUMX オームになります。

図。 6

厚さの異なる非対称振動子の抵抗は、式 /1/: Ra=(1+n2).36n (n=ln(d/d1)/ln(d/d2)) で計算されます。

ワイドレンジバイブレーターは太いパイプ、ピン、プレートで作られています。 それらは、円錐形と菱形、円筒形、固体と格子の両方にすることができます（図7）。 周波数カバレッジは I/O 比によって異なります。 小さいほど振動子の幅が広くなります。 有名なアンテナ UW4HW は広帯域モノポールであり、垂直放射器 UA1DZ は広帯域ダイポールです。

.
図。 7

コニカル アンテナは、広帯域バイブレータの特殊なケースです (図 8)。

図。 8

放射場はコーンの周囲を流れる電流によって形成され、ディスクはスクリーンの役割を果たし、ほとんど放射しません。 開口角が 600 の場合、特性インピーダンスが 0,5 オームのフィーダで KBV > 50 となり、最大レンジ オーバーラップ比 3,6 が達成されます。 この場合、最大波長は 8 です。 HF および VHF ディスクコーン アンテナの放射パターンは、通常のピンの放射パターンとほぼ同じです。 KB では、コーン アンテナのワイヤー バージョンが使用されます (図 XNUMXb)。コーンの代わりにフラット ワイヤー ファンが使用され、ディスクの代わりにラジアル ワイヤーの接地システムが使用されます。

それとは別に、アンテナマストにも注目したい。 このようなアンテナの特徴は、それらの下端が接地されていることです。

図。 9

上部の給電アンテナ（図9）は、マスト内に配置されたフィーダーを使用して励起されます。 基本的にです。 理学博士従来のピンと同じですが、電波が放射されると地面で反射するため、送受信時の損失が大きくなります。

中電力アンテナ (図 10) は 1 つの部分からなるマストで、下部の内側に敷設されたフィーダによって供給される電圧によってポイント 2 と 2 で直列に励起されます。 給電点でのアンテナ抵抗 Ra=Rb/cos3kll、ここで、k は短縮係数、Rb は点 11 での「クリーンな」振動子の抵抗です。 12 と XNUMX の間の比を選択することで、アンテナをフィーダ。 フィーダがアンテナの底部の内側を通過する必要があることが基本的に重要です。 欠点は上部のインシュレーターが難しいことです。

米。 10-11

分路電力アンテナ (図 11) は、特定の高さ 11 でマストに接続された分路を使用して並列励起されます。通常、アンテナの下部と上部の入力リアクタンスは誘導性であり、したがって本質的に容量性です。ポイント 1 の入力抵抗に関して、アンテナは並列回路と等価です。 値 11 を選択すると、給電装置との最適なマッチングが得られます。 電流の分布はアンテナの放射を部分的に減衰させるため、シャントは可能な限り小さくする必要があります。 シャント電力の古典的な実装はガンマ マッチングです。

多くの場合、特に低周波数範囲用のアンテナを構築する場合、バイブレータを地面に対して垂直に配置することはできません。 ピンが地面に対して傾いていると、もちろん、放射パターンは歪んでしまいます。

アンテナの傾斜部分の下に、できるだけ多くのカウンターウェイトを配置します。 また、可能であれば、アンテナとの角度が135°を超えないようにカウンターウェイトを上げる必要があります。 このようなアンテナは、重要な反応性成分が存在するため、一致させるのがより難しいことを覚えておく必要があります。

文学

1. N.T.ボバ、G.B。レジンコフアンテナとマイクロ波デバイス; キーウ、高等学校、1982年。
2. N.N. フェドロフ。 電気力学の基礎; M.、高等学校、1980 年。
3. Z.ベンコフスキー、E。リピンスキー。 短波および超短波のアマチュアアンテナ。 M.、ラジオとコミュニケーション、1983年。
4. G.Z.アイゼンバーグ。 短波アンテナ; M.、ラジオとコミュニケーション1985。
5. G.B.ベロセルコフスキー。 無線工学とアンテナの基礎。 M.、ラジオと通信、1983 年。

著者: I. グリゴロフ (UZ3ZK); 出版物: cxem.net

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