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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Über den Einfluss einer Metalltraverse auf den Betrieb der Antenne. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennen. Theorie In diesem Artikel versuchten die Autoren, die in der Amateurfunkliteratur vorhandenen Empfehlungen zum Einfluss der Metallantennentraverse auf den Halbwellenvibrator zu klären. Als Ergebnis wurden praxistaugliche Korrekturwerte für die Länge des Vibrators in Abhängigkeit vom Verhältnis der Abmessungen „Vibrator-Traverse“, der Betriebsfrequenz und dem Abstand des Vibrators vom Ende der Traverse, z die drei Hauptmethoden seiner Befestigung. Die Metalltragtraverse, auf der die Elemente der Vibratorantenne montiert sind, befindet sich im Nahfeld der Antenne und kann einen erheblichen Einfluss auf deren Parameter haben. Insbesondere die Abmessungen aller Elemente einer „Wellenkanal“-Antenne, die ohne Berücksichtigung eines solchen Einflusses berechnet werden, bedürfen einer Korrektur. In der den Autoren zur Verfügung stehenden Literatur wurden keine detaillierte Analyse dieses Einflusses, Methoden zu seiner Berücksichtigung oder wirksame, nicht arbeitsintensive Korrekturen gefunden. In den Beschreibungen von Antennen findet sich bestenfalls der Hinweis, dass die Abmessungen für die Montage auf einer Metalltraverse mit einem bestimmten Durchmesser angegeben sind [1] oder der Hinweis, dass im 432-MHz-Bereich die Art und Weise der Befestigung der Vibratoren an der Die tragende Struktur hat großen Einfluss auf die Eigenschaften der Antenne [2] . In [3] wird empfohlen, die Vibratoren bei Vorhandensein einer Metalltraverse um 0,5...1 % zu verlängern, und in [4] wird empfohlen, den Einfluss der Traverse durch eine Vergrößerung zu berücksichtigen Baulänge der Vibratoren um 2/3 des Traversendurchmessers. Im Buch [5] heißt es, dass für den Reflektor und den letzten Direktor die „2/3“-Bedingung nur dann gilt, wenn die entsprechenden Enden der Traverse mindestens fünf Traversendurchmesser überstehen. Die russische Übersetzung des Buches von K. Rothhammel und A. Krischke [6] weist auf die Annäherung und Grenzen der empirischen Regel „2/3“ hin und weist auf den Einfluss der Art der Befestigung des Elements sowie der Dicke und Form hin des Querschnitts. Dort wird unter Bezugnahme auf die Arbeiten von DL6WU [7, 8] eine kurze Tabelle mit Korrekturen der Länge der passiven Elemente der „Wellenkanal“-Antennen der 145- und 432-MHz-Bänder gegeben. Methodik und Modelle Der Einfluss einer leitfähigen Traverse auf die Resonanzlänge eines Halbwellenvibrators wurde durch elektrodynamische Modellierung mit dem WIPL-Programm [9] untersucht, mit dem strahlende und streuende Strukturen aus Drähten und Platten ohne Berücksichtigung von Verlusten analysiert werden. Drei typische Methoden zur symmetrischen Befestigung eines runden Vibrators an einem Querträger mit sechseckigem Querschnitt wurden simuliert (Abb. 1): 1 – Der Vibrator ist vom Querträger isoliert, die Achsen des Vibrators und des Querträgers jedoch nicht schneiden; 2 - der Vibrator ist von der Traverse isoliert, ihre Achsen schneiden sich; 3 - Der Vibrator ist mit der Traverse verbunden (es besteht ein guter elektrischer Kontakt - Schweißen), die Achsen des Vibrators und der Traverse schneiden sich.
Es wurde auch angenommen, dass es nur einen Vibrator auf der Traverse gibt und dass nichts anderes als die Traverse seine Resonanzlänge beeinflusst. Der Einfluss nichtresonanter Vibratoren in Mehrelementantennen und die Korrektur ihrer Länge werden im Folgenden diskutiert. Die genaue Resonanzlänge eines Halbwellenvibrators mit einem gegebenen Durchmesser und symmetrischer Anregung bei einer gegebenen Frequenz wurde durch die Bedingung X = 0 bestimmt, wobei X der Imaginärteil des komplexen Eingangswiderstands Z = R + jX des Vibrators ist. Zuerst wurde die Resonanzlänge Lо im freien Raum (ohne Traverse) bestimmt und dann analog die Resonanzlänge L unter den gegebenen Bedingungen der Befestigung des Elements an einer gegebenen Traverse. Der erforderliche Korrekturwert wurde als l=L-Lo oder als Prozentsatz als σ=(l/Lo)·100 % berechnet. Den Einfluss auf die Resonanzlänge hat die Art der Befestigung des Elements an der Traverse (1, 2, 3), der Durchmesser b einer äquivalenten Traverse mit kreisförmigem Querschnitt, die Länge des überstehenden Endes der Traverse t bei der Befestigung Schwinger an seinem Ende, der Durchmesser des Schwingers d und seine Länge (indirekt durch die Frequenz f, die die Wellenlänge X bestimmt), sowie der Einfluss des Spalts s zwischen dem isolierten Schwinger und der Traverse. In der Tabelle In Abb. 1 zeigt die Intervalle relativer Modellierungsparameter, deren Ergebnisse in Zukunft zur Ermittlung empirischer Berechnungszusammenhänge verwendet wurden. Für eine Sechskanttraverse mit Vibratorbefestigungsart 3, Größe b=1,09D. Aus den Simulationsergebnissen kann eine Einschätzung der „effektiven Länge“ der Traverse, also eines solchen Abstands des Vibrators von den Enden der Traverse, vorgenommen werden, dessen Vergrößerung praktisch nicht zu einer Änderung des Korrekturwertes führt in Abb. dargestellt. 2. Unter Berücksichtigung der Einschränkungen des WIPL-Programms wird für die Modellierung im Frequenzbereich 150...1200 MHz und über den gesamten Bereich der Traversendurchmesser 7,4...29,6 mm die effektive Länge t1 mit 92 mm angenommen.
Simulationsergebnisse In Abb. 2 – 4 zeigen ausgewählte Diagramme, die die Art der Abhängigkeit der Korrektur von den Modellierungsparametern zeigen. Beachten wir einige allgemeine Muster. Das Vorhandensein einer Metalltraverse, deren Dicke größer ist als die Dicke des Vibrators, führt bei allen Befestigungsarten zu einer spürbaren elektrischen Verkürzung des Vibrators, d. h. zu einer Erhöhung seiner Resonanzfrequenz. Um die Resonanzlänge wieder auf die vorherige Frequenz zu bringen, ist es notwendig, die Auslegungslänge des Vibrators um den Verkürzungsbetrag l zu vergrößern. Die Analyse zeigte, dass dieser Effekt auf Querströmungen der Traverse zurückzuführen ist. Daher kann es durch die Modellierung einer Traverse mit Programmen für dünne Leiter (MININEC, ELNEC, MMANA), bei denen nur die Längsströme der Leiter berücksichtigt werden, auch bei ausreichend großem Drahtdurchmesser nicht erkannt werden. Aus Abb. Aus Fig. 2 folgt, dass der Korrekturwert l umso kleiner ist, je länger der Vibrator ist. Bei Frequenzen von 600 und 1200 MHz ist der Effekt der Querresonanz spürbar, wenn auch unbedeutend. Der Einfluss der Traverse ist bei Verbindungen nach Methode 3 am stärksten ausgeprägt und hängt bei der Befestigung des Vibrators ohne elektrischen Kontakt maßgeblich von der Spaltgröße s bei Methode 1 ab und ist nahezu unabhängig von der Spaltgröße ( in vertretbaren Grenzen) bei Befestigungsmöglichkeit 2. Die Größe der Korrektur hängt bei gegebener Traversendicke von der Dicke des Rüttlers unterschiedlich ab (Abb. 3): Bei Verbindungen mit Kontaktart 3 nimmt sie mit zunehmendem Durchmesser des Rüttlers merklich ab, bei Verbindungen vom Typ 2 ohne Kontakt sogar weiter im Gegenteil, sie nimmt zu, und bei Methode 1 ist diese Abhängigkeit sehr unbedeutend und bei einer Clearance von Null praktisch nicht vorhanden. Der Einfluss der Frequenz reduziert sich auf einen moderaten Anstieg des Wertes von l mit zunehmender Frequenz – 1,5...2-fach im Bereich von 100...1200 MHz.
Die Dicke (Durchmesser) der Traverse hat den stärksten Einfluss auf den Wert der Korrektur (Abb. 4). Bei einer Frequenz von 800 MHz, einem Vibratordurchmesser von 2 mm (Resonanzlänge ohne Querarm 176,2 mm) und einem Querarmdurchmesser b=14,8 mm betrug die Korrektur also 9,74 mm (was übrigens in diesem Fall der Fall war). liegt nahe am Wert 2b/3, der in der Literatur als Empfehlung zur Längenkorrektur jedes Vibrators mit Typ-3-Anschluss angegeben wird. Eine zweifache Erhöhung von b führte zu einer Erhöhung von I um den Faktor 2,47 und eine zweifache Verringerung führte zu einer entsprechenden Verringerung von l um den Faktor 2,59.
Bis zu Abständen von 3...5 Traversendurchmessern (Abb. 4) und bei Montage des Vibrators ganz am Ende der Traverse wird eine deutliche Erhöhung der Korrektur festgestellt, wenn sich der Rüttlerbefestigungspunkt vom Traversenende entfernt Durchqueren (t = 0), dann kann der Wert von l ungefähr 60..70% des Maximums betragen. In Abb. Abbildung 5 zeigt Skizzen mehrerer Modelle mit rechteckigem und quadratischem Querschnitt.
Am Modell nach Abb. In Abb. 5a wurden Korrekturberechnungen zum Vergleich mit einer ähnlichen Befestigungsmethode (1) an einer Sechskanttraverse mit den gleichen kreisförmigen Querschnittsdurchmessern entsprechend Methode 3 (b = 14,8 mm) durchgeführt. Dieser Vergleich ist in Abb. dargestellt. 6, woraus folgt, dass in diesem Fall, wenn der Vibrator parallel zu einer der Flächen der quadratischen Traverse ist, der Einfluss einer solchen Traverse deutlich stärker ist. Der Durchmesser eines runden Querschnitts, der einem quadratischen Querträger mit Befestigung nach Methode 3 (Abb. 5, d) entspricht, wird zu b = 1.14D berechnet.
Praktische Anwendung Basierend auf den Modellierungsergebnissen wurden empirische Ausdrücke für verschiedene Methoden zur Befestigung des Vibrators an der Traverse ermittelt und das Ausmaß der erforderlichen Korrektur mit den Ausgangsdaten (Abmessungen und Frequenz) in Beziehung gesetzt. Um diese Abhängigkeiten zu finden, wurden mehrere Regressionsverfahren verwendet (Stat-graphtcs plus v.2.1 [10]). Der quadratische Mittelfehler bei der Berechnung des relativen Wertes der Korrektur l/b mithilfe der Formeln beträgt 0,0115 für Befestigungsmethode 1, 0,00758 für Befestigungsmethode 2 und 0,0132 für Methode 3. Die Berechnungsformeln sind sehr umständlich und werden hier nicht angegeben. Basierend auf den erhaltenen Formeln wurden Berechnungsprogramme erstellt. Texte der Programme: russischsprachiges boom_r.bas und englischsprachiges boom_e.bas in der Turbo-Basic-Sprache sowie ausführbare Dateien boom_r.exe bzw. boom_e.exe können heruntergeladen werden daher. Die Dateneingabe erfolgt im Dialogmodus mit Einschränkungen gemäß Tabelle. 1. Da die Programme mit relativen Dimensionen arbeiten, ist der Frequenzbereich für Berechnungen nicht durch den Simulationsbereich begrenzt.
In der Tabelle In Abb. 2 zeigt zum Vergleich die Korrekturwerte (Montagemethode 3) für eine Frequenz von 432 MHz, die von DL6WU [8] für einen unbekannten Elementdurchmesser d erhalten und mit unserem Programm für drei Werte von d berechnet wurden.
Nicht resonante Vibratoren Die erhaltenen Ergebnisse können auch zur Korrektur der Länge nichtresonanter passiver Vibratoren von „Wellenkanal“-Antennen verwendet werden. Dazu müssen Sie zunächst den relativen Wert der Korrektur für einen Resonanzvibrator unter den gleichen Bedingungen berechnen. Das Auslegerprogramm rechnet die absolute Korrektur l (in Millimetern) in die relative Korrektur σ (in Prozent) um. Wenden Sie dann den gleichen relativen Korrekturwert l auf die berechnete (ohne Berücksichtigung des Einflusses der Traverse) Länge des passiven Vibrators an und erhalten Sie als Ergebnis den Absolutwert der Korrektur. Beispielsweise beträgt die geschätzte Länge eines Reflektors mit einem Durchmesser von 20 mm bei einer Frequenz von 50 MHz 3060 mm. Traversendurchmesser b=80 mm, t=140 mm, Befestigung Typ 3 oder Typ 1 mit Abstand s=20 mm. Die Berechnung mit dem Auslegerprogramm ergibt die Korrektur l=32,74 mm (σ=1,15 %) für Befestigungsart 3, l=8,44 mm (σ=0,3 %) – für Befestigungsart 1. Daher ist im ersten Fall der Reflektor erforderlich verlängern Sie es um 1,15 % seiner berechneten Länge, d. h. um 3060-0,0115 = 35,2 mm, und im zweiten Fall um 0,3 % seiner berechneten Länge, d. h. um 3060 0,003 = 9,18 mm. Diese Technik mit einem Phasenverschiebungsfehler von bis zu ±3° ist für Vibratoren anwendbar, deren Länge sich um ±10 % oder weniger von resonanten Vibratoren unterscheidet. Der Einfluss der Traverse ohne Korrektur kann in diesem Fall zu einer Phasenabweichung um einen Winkel von bis zu ±15° führen. Auch der Einfluss anderer Vibratoren kann mit einfachen Drahtantennen-Modellierungswerkzeugen, zum Beispiel MININEC etc., leicht berücksichtigt werden. Die Eignung dieser Technik wurde in der Praxis insbesondere bei der Entwicklung stationärer 11-Element-„Wellenkanal“-Antennen im Bereich 820...875 MHz für entfernte Mobilfunkteilnehmer getestet. Die berechneten Längen aller Elemente (d = 5,6 mm) wurden für die Montage auf einem Aluminium-Querträger mit einem Durchmesser von 2,3 mm nach Methode 15 um 2 % erhöht, wobei die Länge der überstehenden Enden des Querträgers nicht weniger als 60 mm betragen sollte. Wenn das Element (Reflektor oder letzter Direktor) jedoch in einem Abstand von 10 mm vom Ende der Traverse installiert wird, sollte seine Länge nur um 1.5 % vergrößert werden. Wir hoffen, dass die erzielten Ergebnisse sowohl für Funkamateure als auch für Entwickler und Designer von Vibratorantennen für Fernsehen, Funkkommunikation und andere Anwendungen von Nutzen sein können. Fragen, Rezensionen, Anregungen, Kommentare, Kritik nehmen wir gerne entgegen unter: . Die Autoren danken V. V. Krylov und I. P. Kovalev für wertvolle Ratschläge und Kommentare. Literatur
Autoren: A. Grechikhin (UA3TZ), N. Seleznev, Nischni Nowgorod
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