En 1959, le numéro 4 du magazine Radio a publié un article marquant du passionné de télévision Sergei Kuzmich Sotnikov sur l'utilisation d'antennes carrées doubles et triples pour la réception télévisée longue distance sur MV (et plus tard sur UHF).
Les caractéristiques phénoménales déclarées de 10-12 dBi pour un double carré et de 16-17 dBi pour un triple carré ont excité les esprits de la communauté amateur soviétique et pendant de nombreuses décennies prédéterminé l'énorme succès de telles antennes sur MV et UHF: les descriptions de ces antennes ont erré de livre en livre, de magazine en magazine . Des milliers de citoyens soviétiques les ont répétés.
Bien que ces caractéristiques soient très surestimées, elles sont toujours basées sur des publications de chercheurs réputés: Sam Leslie (W5DQV, publication de 1955), Dick Beard (G4ZU), Rothamel (en référence à Leslie et Beard).
En 1962, Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI) a publié un livre "Antennes pour les stations de radio amateur" aux éditions DOSAAF, qui contient également des références à 13 dBi à partir d'un double carré.
Une grande abondance de sources faisant autorité a déterminé que les conclusions fondamentalement erronées de Sotnikov sont populaires même en 2018.
Essayons de comprendre où la vérité frise le canular ici.
Dans le livre de Rothammel (traduction de Krenkel de 1967), des antennes HF de 20, 15 et 10 mètres (14, 21 et 30 MHz) sont considérées.
En référence aux amateurs de jambon de Sam Leslie (Oklahoma, W5DQV, publication des résultats d'expériences approfondies avec des carrés de 1955) et Dick Beard (G4ZU, Angleterre), il est avancé que les antennes à double carré sur ces gammes ont une directivité de 10 à 13 dBi (8 à 11 dBd)
La simulation en 4NEC2 avec le sol (mode terre réelle de Sommerfeld-Norton) confirme pleinement ces observations: avec une conductivité terrestre modérée, vous pouvez obtenir 12,4 dBi, et avec un conducteur parfait 13,8 dBi à une hauteur de suspension d'antenne de 1λ.
Il convient de noter que dans les expériences de Leslie et Beard, le dBd n'a pas été mesuré par rapport au dipôle réellement construit, mais en mesurant l'intensité du champ à une certaine distance, à une puissance connue dans l'antenne TX et en comparant l'intensité mesurée avec celle calculée en utilisant la formule de Friis.
Le fait est que le dipôle Hertz habituel, qui a 2,13 dBi, avec une hauteur de suspension de 1λ sur le HF, forme un faisceau bilobé avec un maximum de 8,2 dBi. C'est-à-dire le dipôle lui-même dû à la terre a un avantage sur lui-même 6,1 dBd
Les mesures de Leslie et Beard sont relatives au dipôle imaginaire de 2,13 dBi, et non en commutant à tour de rôle l'antenne «double carré» et le dipôle.
Le canal d'onde à 2 éléments (réflecteur + vibreur) a également un diagramme de rayonnement «double carré» presque identique: 11,8 dBi à une hauteur de suspension d'antenne de 1λ avec une conductivité modérée. La forme des lobes principal et 3 latéraux est presque identique à celle du double fond carré.
Puisqu'il n'y a pas d'antennes dans l'espace libre sur HF, la méthodologie et les données obtenues sont tout à fait pertinentes et ont une application pratique. Il n'est pas possible de mesurer ces antennes en espace libre sur HF.
La simulation en 4NEC2 donne 7,73 dBi pour un double carré et 6,95 dBi pour un canal d'onde à 2 éléments.
En 1962, Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI), un opérateur radio amateur de Kharkov, a publié le livre "Antennes pour les stations de radio amateur" à la maison d'édition DOSAAF. Dans cette antenne, le «double carré» est décrit dans le chapitre «Antennes HF». Sheiko donne une description tout à fait correcte du principe de fonctionnement - «un système de deux émetteurs horizontaux quart d'onde excités déphasés».
Les tailles et les méthodes d'alimentation pour les gammes de 20, 15 et 10 mètres (14, 21 et 30 MHz) sont données.
Dans le chapitre «Antennes VHF», Sheiko mentionne de telles antennes, bien qu'il ne les recommande pas. Sheiko dit des propriétés dirigées: «Les données suivantes sur l'amplification des antennes à boucle sont connues: double carré - 9-11 dB (8-13 fois), triple carré 14-15 dB (25-32 fois).
Si ces données sont données pour l'espace libre, alors elles contredisent les données du chapitre précédent sur les antennes HF, car il y en aura beaucoup plus avec le sol. Si ces données sont données en tenant compte de la terre (extrapolant l'orientation vers HF), alors sur VHF la terre ne fonctionne pas comme un conducteur plat infini, comme décrit en détail dans le livre de Goncharenko "
Chapitre 12.1.2 Terre sur VHF "
De la même manière que Sheiko, trois ans plus tôt en 1959, est devenu passionné Sergei Sotnikov.
Afin d'expliquer en quelque sorte l'incroyable directivité d'une antenne aussi simple, Sotnikov a avancé l'hypothèse que le vibrateur à cadre a 4 éléments de travail et qu'il est équivalent à un PAR à 2 étages à partir de canaux d'onde à 2 éléments.
Mais une lampe frontale à 2 étages est excitée en phase - à chaque étage, la direction actuelle est la même. Dans l'antenne cadre, à différents étages, les courants circulent hors phase, cela est décrit dans le livre de Rothammel et Sheiko, et découle de déductions simples - la longueur des parties horizontale et verticale de chaque bras est λ / 2, donc le courant circule en antiphase au dernier étage.
Un vibrateur de cadre avec un périmètre de 1λ a une orientation proche de l'isotrope, avec un petit gain perpendiculaire au plan et une légère atténuation sur les côtés. En fonction de la forme d'une telle trame, son impédance d'onde change considérablement et la directivité change très légèrement.
Si le cadre est aussi large que possible et a une hauteur minimale - nous obtenons un vibrateur à boucle en boucle demi-onde Pistolkors. Sa résistance est le maximum possible et proche de 300 Ohms, et la valeur exacte dépend des diamètres des tuyaux supérieur et inférieur. La directivité est de 2,13 dBi, comme dans le dipôle Hertz divisé.
Avec une diminution de la largeur de la boucle et une augmentation de la hauteur, la résistance Ra diminue et la forme du motif change très légèrement. Si la largeur tend vers zéro et la hauteur vers λ / 2, nous obtenons une ligne de transmission de longueur λ / 2 court-circuitée à la fin. Ra d'une telle ligne est 0.
Selon le rapport hauteur / largeur et la forme du cadre, vous pouvez obtenir Ra de 0 à 300 Ohms. Avec un cadre carré avec une longueur latérale de λ / 4, la résistance est d'environ 135-140 Ohms, et le faisceau a des maximales avant / arrière à 3,48 dBi (1,35 dBd). Toutes les autres formes sont possibles - cadre rond, triangulaire, haltère, parachute et même des formes irrégulières.
Il n'y a presque aucun avantage électrique d'une forme ou d'une autre de la trame 1λ. Un cadre de plus petite largeur présente un avantage structurel - il est plus résistant mécaniquement avec une section de conducteur plus petite que le vibrateur Pistolkors. Sur HF, il est possible de faire des carrés à partir d'un mince fil flexible en les tirant sur des entretoises transversales. Ce sont les avantages mécaniques et le bon marché qui ont déterminé la popularité des carrés en ondes courtes par rapport aux canaux d'ondes, qui ont des caractéristiques électriques très similaires, mais nécessitent des tuyaux puissants + traverse + étirement pour maintenir les longs tuyaux.
En plus des données surestimées à plusieurs reprises sur la directivité des carrés sur VHF, Sotnikov donne des données incorrectes à la fois en taille (très grand glissement de résonance) et en résistance aux rayonnements et en correspondance.
Dans les dimensions données pour le 12ème canal MV (222-230 MHz) à partir d'une tige de 6 mm, la résonance se produit à une fréquence de 242 MHz (HFSS) et 245 MHz (4NEC2). Ra = 150 ohms et 167 ohms, respectivement.
Pour connecter une telle antenne à une ligne de transmission de 75 Ohms, il est nécessaire de réaliser un dispositif d'adaptation d'équilibrage (SSU, balun) 2: 1. Lorsqu'il est connecté via un symétriseur 1: 1, même à une fréquence de résonance, le SWR ne peut pas être inférieur à 2. Aux fréquences inférieures à la résonance, Ra chute fortement et la réactivité négative (capacitive) augmente.
À une fréquence de 222 MHz, KSV75 = 6,8 (NEC2) ou KSV75 = 8 (HFSS).
Ku à une fréquence de résonance de 7,19 dBi (HFSS) et 6,67 dBi (NEC2). La forme des lobes principal et latéral dans les différents programmes est presque identique.
Résultats de simulation de taille pour le canal 12 du MV en HFSS et 4NEC2
Conclusions
- Un vibrateur à cadre avec un périmètre de 1 λ de toute forme se rapproche d'un diagramme de rayonnement isotrope. Il y a un léger gain perpendiculaire au plan de la trame - pour une boucle demi-onde égale à 2,13 dBi, et pour une trame carrée environ 3,5 dBi.
- Lorsqu'un réflecteur est ajouté au cadre, sa directivité peut être augmentée à 6,95 dBi pour un canal d'onde à 2 éléments ou à 7,73 dBi pour un double carré.
- À des fréquences inférieures à 50 MHz, le fait de placer une antenne à une petite hauteur au-dessus du sol (en unités lambda) modifie très sensiblement le diagramme résultant. Le dipôle de 2,13 dBi se transforme en 8,2 dBi, le canal d'onde de 6,95 dBi se transforme en 11,8 dBi, le double carré de 7,73 dBi se transforme en 12,4 dBi.
- Les données directionnelles décrites par Leslie, Byrd, Rothammel et Sheiko se réfèrent à des antennes basses suspendues au-dessus du sol, qui incluent presque toutes les antennes HF.
- Sergei Sotnikov a extrapolé les performances des antennes HF à un double carré sur VHF, pourquoi cela ne devrait pas être fait - cela est écrit dans le chapitre 12.1.2 Terre sur VHF du livre de Goncharenko.
- Pour justifier une si grande orientation des carrés, Sotnikov a radicalement réécrit le principe du carré, en le comparant avec un PAR à 2 étages à partir de dipôles demi-onde et de canaux d'ondes.
- La directivité réelle des antennes double et triple carré dépasse légèrement (moins de 1 dB) la directivité des canaux d'onde à 2 et 3 éléments.
- L'impédance d'onde double carré (avec un espacement de 0,15λ) est proche de 150 Ohms. Pour travailler sur 75 ohms, vous avez besoin d'une sellette d'attelage 2: 1 et pour 50 ohms - d'une sellette d'attelage 3: 1. Lorsque vous travaillez via SSU 1: 1, le SWR ne peut pas être <2 à la fréquence de résonance.
- Les dimensions des antennes données par Sotnikov ont été calculées avec un glissement de résonance important et un TOS minimum. Ainsi, l'antenne dans la gamme 222-230 MHz a une résonance d'environ 242-245 MHz, et dans sa gamme de conception, le KSV75 dépasse 7-8.
- Si nous rejetons les estimations surestimées de 10-11 dBi, l'antenne peut être tout à fait opérationnelle (lors de la résolution du problème de l'adaptation), 6,7 dBi sur VHF pour la télévision est un gain assez décent.
- La directivité du double carré ne correspond pas au canal d'onde à 5 éléments. Une antenne commerciale Uda-Yagi pour 6-12 canaux (réflecteur à 2 tubes, vibreur en boucle, 4 directeurs) d'une longueur de 1,35 mètre a donné une amplification de 8,6 dBi à 174 MHz à 10,9 dBi à 230 MHz et une adaptation simple à 75 Ohms. Uda-Yagi à bande étroite (monocanal) avec une longueur égale ou un nombre égal d'éléments aura un gain encore plus élevé.
Triple Square sur DMV TV (DVB-T2)
A la demande de l'utilisateur
REPISOT ,
nous analyserons la possibilité d'utiliser des antennes carrées pour la gamme décimétrique de la diffusion télévisuelle.
Une telle antenne est fabriquée commercialement sous la marque «Signal 3.0». La plage revendiquée pour SWR <1,5 est 470-862 MHz, gain jusqu'à 14 dB (16 dBi ??)
Nous allons effectuer une simulation simplifiée en HFSS (sans entretoises en plastique et sans arrondir les coins, cela décalera légèrement la fréquence de résonance, mais nous ne sommes pas intéressés par les valeurs exactes maintenant). Le cadre directeur a un espace de 1 mm.
Comme prévu, l'antenne a une seule résonance (à environ 626 MHz), Ra = 150 Ohms. Lorsqu'il est alimenté via un SSD 2: 1 à un câble de 75 Ohms, vous pouvez obtenir SWR = 1 sur ce canal (environ le 40e canal), et SWR <2 sera dans la plage 562-737 MHz.
Ci-dessous, comme tous les carrés, la réactivité est très rapide, et Ra chute également très rapidement. KSV150> 6 déjà à 535 MHz et à 470 MHz KSV150 = 35
Directivité à une fréquence de résonance de 6,88 dBi, F / B = 12,77 dB
Il est extrêmement difficile de faire un SSU 2: 1 sur la gamme UHF, donc le fabricant n'a même pas essayé.
L'antenne est équipée de l'équivalent imprimé d'une boucle demi-onde qui fonctionne comme un transformateur 4: 1, mais uniquement lorsque la longueur électrique de la boucle est L / 2. Un tel SSU, par définition, à bande étroite (monocanal). Avec une charge de 75 ohms, l'impédance d'entrée de ce SSU est de 300 ohms. Mais le fabricant a équipé l'antenne d'un câble de 50 ohms (bien que les téléviseurs et les tuners soient tous de 75 ohms). Peut-être que le fabricant a considéré que 200 est plus proche de 150 que 300, et pour réduire la réflexion à la frontière, le câble d'antenne <-> a donné une réflexion supplémentaire à la frontière du câble <-> TV.
A une charge de 300 ohms (cartes de symétrie ou amplificateurs de type SWA / PAE / ALN), l'antenne a un SWR d'environ 2 dans la gamme de 616-750 MHz.
À une charge de 75 ohms (un transformateur quart d'onde, comme dans les schémas de Sotnikov), l'antenne est très incohérente partout, mais dans une section étroite de 577-608 MHz, le SWR tombe à 2.
Rayonnement vers l'avant à un niveau de 6,7 dBi, l'antenne stocke de 540 à 860 MHz.
À une fréquence de 500 MHz, F / B tombe à 0 (et rayonne en avant et en arrière à 5,2 dBi)
Une telle antenne en termes de complexité de fabrication et de coût dépasse le canal d'onde à 3 éléments Volna-1 avec un prix de détail de 3,5 $
Et dans les caractéristiques électriques, il perd beaucoup pour elle
