En 1959, el número 4 de la revista Radio publicó un artículo histórico del entusiasta de la televisión Sergei Kuzmich Sotnikov sobre el uso de antenas cuadradas dobles y triples para la recepción de televisión de larga distancia en MV (y más tarde en UHF).
Las características fenomenales declaradas de 10-12 dBi para un cuadrado doble y 16-17 dBi para un cuadrado triple excitaron las mentes de la comunidad amateur soviética y durante muchas décadas predeterminaron el enorme éxito de tales antenas en MV y UHF: las descripciones de estas antenas vagaban de libro en libro, de revista en revista. . Miles de ciudadanos soviéticos los repitieron.
Aunque estas características están muy sobreestimadas, todavía se basan en publicaciones de investigadores de renombre: Sam Leslie (publicación W5DQV, 1955), Dick Beard (G4ZU), Rothamel (con referencia a Leslie y Beard).
En 1962, Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI) publicó un libro "Antenas para estaciones de radioaficionados" en la editorial DOSAAF, que también contiene referencias a 13 dBi de un cuadrado doble.
Una gran abundancia de fuentes autorizadas determinó que las conclusiones fundamentalmente erróneas de Sotnikov son populares incluso en 2018.
Tratemos de averiguar dónde la verdad limita con el engaño aquí.
En el libro de Rothammel (traducción de Krenkel de 1967) se consideran antenas de ondas decamétricas del rango de 20, 15 y 10 metros (14, 21 y 30 MHz).
Con referencia a los entusiastas del jamón de Sam Leslie (Oklahoma, W5DQV, publicación de los resultados de extensos experimentos con cuadrados de 1955) y Dick Beard (G4ZU, Inglaterra), se argumenta que las antenas de doble cuadrado en estos rangos tienen una directividad de 10 a 13 dBi (8 a 11 dBd)
La simulación en 4NEC2 con tierra (modo tierra real Sommerfeld-Norton) confirma completamente estas observaciones: con conductividad terrestre moderada, puede obtener 12.4 dBi y con un conductor perfecto 13.8 dBi a una altura de suspensión de antena de 1λ.
Cabe señalar que en los experimentos de Leslie y Beard, el dBd no se midió con respecto al dipolo realmente construido, sino midiendo la intensidad del campo a cierta distancia, a una potencia conocida en la antena TX y comparando la intensidad medida con la calculada utilizando la fórmula de Friis.
El hecho es que el dipolo Hertz habitual, que tiene 2,13 dBi, con una altura de suspensión de 1λ en el HF, forma un haz bilobulado con un máximo de 8,2 dBi. Es decir el dipolo en sí debido a la tierra tiene una ventaja sobre sí mismo 6.1 dBd
Las mediciones de Leslie y Beard son relativas al dipolo imaginario de 2.13 dBi, y no cambiando la antena de "doble cuadrado" y el dipolo a su vez.
El canal de onda de 2 elementos (reflector + vibrador) también tiene un patrón de radiación de "doble cuadrado" casi idéntico: 11.8 dBi a una altura de suspensión de antena de 1λ con conductividad moderada. La forma del lóbulo principal y de los 3 lóbulos laterales es casi idéntica a la del doble fondo cuadrado.
Como no hay antenas en el espacio libre en HF, la metodología y los datos obtenidos son completamente relevantes y tienen una aplicación práctica. No es posible medir estas antenas en espacio libre en HF.
La simulación en 4NEC2 proporciona 7.73 dBi para un cuadrado doble y 6.95 dBi para un canal de onda de 2 elementos.
En 1962, Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI), un operador de radio aficionado de Jarkov, publicó el libro Antenas para estaciones de radio aficionadas en la editorial DOSAAF. En esta antena, el "doble cuadrado" se describe en el capítulo "Antenas de HF". Sheiko ofrece una descripción completamente correcta del principio de funcionamiento: "un sistema de dos emisores horizontales de cuarto de onda excitados fuera de fase".
Se dan los tamaños y métodos de suministro para los rangos de 20, 15 y 10 metros (14, 21 y 30 MHz).
En el capítulo "Antenas VHF", Sheiko menciona tales antenas, aunque no las recomienda. Sheiko dice de las propiedades dirigidas: “Se conocen los siguientes datos sobre la amplificación de antenas de bucle: un doble cuadrado: 9-11 dB (8-13 veces), un triple cuadrado de 14-15 dB (25-32 veces).
Si estos datos se dan para espacio libre, contradicen los datos del capítulo anterior sobre antenas de ondas decamétricas, porque habrá mucho más con el suelo. Si estos datos se dan teniendo en cuenta la tierra (extrapolando la orientación a HF), entonces en VHF la tierra no funciona como un conductor plano infinito, como se describe en detalle en el libro de Goncharenko "
Capítulo 12.1.2 Tierra en VHF "
De la misma manera que Sheiko, tres años antes, en 1959, se volvió entusiasta Sergei Sotnikov.
Para explicar de alguna manera la increíble directividad de una antena tan simple, Sotnikov presentó la hipótesis de que el vibrador de cuadro tiene 4 elementos de trabajo y es equivalente a un PAR de 2 pisos de canales de onda de 2 elementos.
Pero un faro de 2 pisos está excitado en fase: en cada piso la dirección actual es la misma. En la antena de bucle, en diferentes pisos, las corrientes fluyen fuera de fase, esto se describe en el libro de Rothammel y Sheiko, y se deduce de conclusiones simples: la longitud de las partes horizontal y vertical de cada brazo es λ / 2, por lo que la corriente fluye en antifase en el piso superior.
Un vibrador de cuadro con un perímetro de 1λ tiene una orientación cercana a la isotrópica, con una pequeña ganancia perpendicular al plano y una ligera atenuación a los lados. Dependiendo de la forma de dicho cuadro, su impedancia de onda cambia significativamente y la directividad cambia muy ligeramente.
Si el marco es lo más ancho posible y tiene una altura mínima, obtenemos un vibrador de bucle Pistolkors de media onda. Su resistencia es la máxima posible y cercana a 300 ohmios, y el valor exacto depende de los diámetros de las tuberías superior e inferior. La directividad es de 2,13 dBi, como en el dipolo de Hertz dividido.
Con una disminución en el ancho del bucle y un aumento en la altura, la resistencia Ra disminuye y la forma del patrón cambia muy ligeramente. Si el ancho tiende a cero, y la altura a λ / 2 obtenemos una línea de transmisión de longitud λ / 2 en cortocircuito al final. Ra de tal línea es 0.
Dependiendo de la relación altura / ancho y la forma del marco, puede obtener Ra de 0 a 300 ohmios. Con un marco cuadrado con una longitud lateral de λ / 4, la resistencia es de aproximadamente 135-140 ohmios, y el haz tiene máximos hacia adelante / hacia atrás a 3.48 dBi (1.35 dBd). Es posible cualquier otra forma: marco redondo, triangular, con mancuernas, paracaídas e incluso formas irregulares.
Casi no hay ventajas eléctricas de una forma u otra del marco 1λ. Un marco con un ancho más pequeño tiene una ventaja estructural: es más resistente mecánicamente con una sección transversal del conductor más pequeña que el vibrador Pistolkors. En HF, es posible hacer cuadrados a partir de un cable delgado y flexible tirando de ellos en puntales transversales. Fueron las ventajas mecánicas y el bajo precio lo que determinó la popularidad de los cuadrados en onda corta en comparación con los canales de onda, que tienen características eléctricas muy similares, pero requieren tuberías potentes + cruceta + estiramiento para mantener tuberías largas.
Además de datos sobreestimados repetidamente sobre la directividad de los cuadrados en VHF, Sotnikov proporciona datos incorrectos tanto en tamaño (deslizamiento muy grande en resonancia) como en resistencia a la radiación y coincidencia.
En las dimensiones dadas para el MV del canal 12 (222-230 MHz) de una varilla de 6 mm, la resonancia se produce a una frecuencia de 242 MHz (HFSS) y 245 MHz (4NEC2). Ra = 150 ohmios y 167 ohmios, respectivamente.
Para conectar una antena de este tipo a una línea de transmisión de 75 ohmios, es necesario hacer un dispositivo de equilibrio-coincidencia (SSU, balun) 2: 1. Cuando se conecta a través de un balun 1: 1, incluso a una frecuencia resonante, la SWR no puede ser inferior a 2. A frecuencias por debajo de la resonante, Ra cae bruscamente y aumenta la reactividad negativa (capacitiva).
A una frecuencia de 222 MHz, KSV75 = 6.8 (NEC2) o KSV75 = 8 (HFSS).
Ku a una frecuencia de resonancia de 7.19 dBi (HFSS) y 6.67 dBi (NEC2). La forma de los lóbulos principales y laterales en diferentes programas es casi idéntica.
Resultados de la simulación de tamaño para el canal 12 del MV en HFSS y 4NEC2
Conclusiones
- Un vibrador de cuadro con un perímetro de 1λ de cualquier forma se forma cerca de un patrón de radiación isotrópica. Hay una ligera ganancia perpendicular al plano del cuadro: para un bucle de media onda igual a 2,13 dBi y para un cuadro cuadrado de aproximadamente 3,5 dBi.
- Cuando se agrega un reflector al cuadro, su directividad se puede aumentar a 6.95 dBi para un canal de onda de 2 elementos o a 7.73 dBi para un cuadrado doble.
- A frecuencias inferiores a 50 MHz, colocar cualquier antena a una pequeña altura sobre el suelo (en unidades lambda) cambia significativamente el patrón resultante. El dipolo de 2,13 dBi se convierte en 8,2 dBi, el canal de onda de 6,95 dBi se convierte en 11,8 dBi, el cuadrado doble de 7,73 dBi se convierte en 12,4 dBi.
- Los datos direccionales descritos por Leslie, Byrd, Rothammel y Sheiko se refieren a antenas bajas sobre el suelo, que incluyen casi todas las antenas de HF.
- Sergei Sotnikov extrapoló el rendimiento de las antenas de HF a un doble cuadrado en VHF, por qué esto no debería hacerse: está escrito en el capítulo 12.1.2 Tierra en VHF del libro de Goncharenko.
- Para justificar una orientación tan enorme de los cuadrados, Sotnikov reescribió radicalmente el principio del cuadrado, comparándolo con un PAR de 2 pisos de dipolos de media onda y canales de onda.
- La directividad real de las antenas doble y triple cuadrado ligeramente (menos de 1 dB) excede la directividad de los canales de onda de 2 y 3 elementos.
- La impedancia de onda de doble cuadrado (con un espacio de 0.15λ) está cerca de 150 ohmios. Para trabajar con 75 ohmios, necesita una quinta rueda 2: 1 y para 50 ohmios, una quinta rueda 3: 1. Cuando se trabaja a través de SSU 1: 1, la SWR no puede ser <2 a la frecuencia de resonancia.
- Las dimensiones de las antenas proporcionadas por Sotnikov se calcularon con un deslizamiento significativo en la resonancia y como mínimo SWR. Entonces, la antena en el rango de 222-230 MHz tiene una resonancia de aproximadamente 242-245 MHz, y en su rango de diseño, el KSV75 supera los 7-8.
- Si descartamos las estimaciones sobrestimadas de 10-11 dBi, la antena puede estar bastante operativa (al resolver el problema de la correspondencia), 6.7 dBi en VHF para televisión es una ganancia bastante decente.
- La directividad del doble cuadrado no corresponde al canal de onda de 5 elementos. Una antena comercial Uda-Yagi para 6-12 canales (reflector de 2 tubos, vibrador de bucle, 4 directores) con una longitud de 1,35 metros dio amplificación de 8,6 dBi a 174 MHz a 10,9 dBi a 230 MHz y coincidencia simple a 75 ohmios. Uda-Yagi de banda estrecha (un canal) con una longitud igual o un número igual de elementos tendrá una ganancia aún mayor.
Triple Square en TV DMV (DVB-T2)
A solicitud del usuario
REPISOT , analizaremos la posibilidad de utilizar antenas cuadradas para el rango de decímetro de la transmisión de televisión.
Dicha antena se fabrica comercialmente bajo la marca "Signal 3.0". El rango reclamado para SWR <1.5 es 470-862 MHz, ganancia de hasta 14 dB (16 dBi ??)
Realizaremos una simulación simplificada en HFSS (sin separadores de plástico y sin redondear las esquinas, esto cambiará ligeramente la frecuencia de resonancia, pero ahora no estamos interesados en los valores exactos). El marco del director tiene un espacio de 1 mm.
Como se esperaba, la antena tiene una sola resonancia (a aproximadamente 626 MHz), Ra = 150 Ohms. Cuando se alimenta a través de un SSD 2: 1 a un cable de 75 ohmios, puede obtener SWR = 1 en este canal (aproximadamente el canal 40), y SWR <2 estará en el rango de 562-737 MHz.
A continuación, como todos los cuadrados, la reactividad es muy rápida, y Ra también cae muy rápido. KSV150> 6 ya a 535 MHz, y a 470 MHz KSV150 = 35
Directividad a una frecuencia resonante de 6.88 dBi, F / B = 12.77 dB
Es extremadamente difícil hacer una SSU 2: 1 en el rango UHF, por lo que el fabricante ni siquiera lo intentó.
La antena está equipada con el equivalente impreso de un bucle de media onda que funciona como un transformador 4: 1, pero solo cuando la longitud eléctrica del bucle es L / 2. Dicha SSU, por definición, de banda estrecha (monocanal). Con una carga de 75 ohmios, la impedancia de entrada de esta SSU es de 300 ohmios. Pero el fabricante equipó la antena con un cable de 50 ohmios (aunque los televisores y sintonizadores son todos de 75 ohmios). Quizás el fabricante consideró que 200 está más cerca de 150 que 300, y para reducir el reflejo en el borde, el cable de antena <-> donó un reflejo adicional en el borde del cable <-> TV.
Con una carga de 300 ohmios (placas de simetría o amplificadores del tipo SWA / PAE / ALN), la antena tiene una ROE de aproximadamente 2 en el rango de 616-750 MHz.
Con una carga de 75 ohmios (un transformador de cuarto de onda, como en los esquemas de Sotnikov), la antena es altamente inconsistente en todas partes, pero en una sección estrecha de 577-608 MHz, la SWR cae a 2.
Radiación directa a un nivel de 6.7 dBi, la antena almacena de 540 a 860 MHz.
A una frecuencia de 500 MHz, F / B cae a 0 (e irradia hacia adelante y hacia atrás a 5.2 dBi)
Tal antena en términos de complejidad de fabricación y costo excede el canal de onda de 3 elementos Volna-1 con un precio minorista de $ 3.5
Y en características eléctricas, pierde significativamente para ella.
