Em 1959, o nº 4 da revista Radio publicou um artigo de referência do entusiasta da televisão Sergei Kuzmich Sotnikov sobre o uso de antenas quadradas e triplas para recepção de televisão de longa distância em MV (e posteriormente em UHF).
As características fenomenais declaradas de 10-12 dBi para um quadrado duplo e 16-17 dBi para um quadrado triplo excitaram as mentes da comunidade amadora soviética e, por muitas décadas, determinaram o enorme sucesso dessas antenas em MV e UHF: as descrições dessas antenas vagavam de livro para livro, de revista para revista . Milhares de cidadãos soviéticos os repetiram.
Embora essas características sejam superestimadas, elas ainda são baseadas em publicações de pesquisadores respeitáveis: Sam Leslie (publicação W5DQV, 1955), Dick Beard (G4ZU), Rothamel (com referência a Leslie e Beard).
Em 1962, Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI) publicou um livro "Antenas para estações de rádio amador" na editora DOSAAF, que também contém referências a 13 dBi de um quadrado duplo.
Uma grande abundância de fontes autorizadas determinou que as conclusões fundamentalmente erradas de Sotnikov são populares até em 2018.
Vamos tentar descobrir onde a verdade se aproxima da farsa aqui.
No livro de Rothammel (tradução de Krenkel de 1967) são consideradas antenas de alta frequência de 20, 15 e 10 metros (14, 21 e 30 MHz).
Com referência aos entusiastas do rádio amador de Sam Leslie (Oklahoma, W5DQV, publicação dos resultados de extensas experiências com quadrados de 1955) e Dick Beard (G4ZU, Inglaterra), argumenta-se que as antenas de quadrado duplo nessas faixas têm diretividade de 10 a 13 dBi (8 a 11 dBd)
A simulação no 4NEC2 com o terra (modo terra real de Sommerfeld-Norton) confirma totalmente essas observações: com condutividade terra moderada, você pode obter 12,4 dBi e com condutor perfeito 13,8 dBi na altura da suspensão da antena de 1λ.
Deve-se notar que nas experiências de Leslie e Beard, o dBd não foi medido em relação ao dipolo realmente construído, mas medindo a força do campo a uma certa distância, a uma potência conhecida na antena TX e comparando a força medida com a calculada usando a fórmula de Friis.
O fato é que o dipolo Hertz usual, que tem 2,13 dBi, com uma altura de suspensão de 1λ no HF, forma um feixe de bilobato com um máximo de 8,2 dBi. I.e. o dipolo em si devido à terra tem uma vantagem sobre si mesmo 6,1 dBd
As medidas de Leslie e Beard são relativas ao dipolo imaginário de 2,13 dBi, e não trocando a antena de “quadrado duplo” e o dipolo por sua vez.
O canal de onda de 2 elementos (refletor + vibrador) também possui um padrão de radiação "duplo quadrado" quase idêntico: 11,8 dBi a uma altura de suspensão da antena de 1λ com condutividade moderada. A forma dos lobos principal e dos três lados é quase idêntica ao fundo quadrado duplo.
Como não existem antenas no espaço livre na IC, a metodologia e os dados obtidos são completamente relevantes e têm aplicação prática. Não é possível medir essas antenas em espaço livre no HF.
A simulação no 4NEC2 fornece 7,73 dBi para um quadrado duplo e 6,95 dBi para um canal de onda de 2 elementos.
Em 1962, Vladimir Pavlovich Sheiko-Vvedensky (UB5CI), um operador de rádio amador de Kharkov, publicou o livro Antenas para estações de rádio amador na Editora DOSAAF. Nesta antena, o “quadrado duplo” é descrito no capítulo “Antenas HF”. Sheiko fornece uma descrição completamente correta do princípio de operação - “um sistema de dois emissores horizontais de quarto de onda excitados fora de fase”.
São fornecidos os tamanhos e métodos de fornecimento para as faixas de 20, 15 e 10 metros (14, 21 e 30 MHz).
No capítulo "Antenas VHF", Sheiko menciona essas antenas, embora ele não as recomende. Sheiko diz sobre as propriedades direcionadas: “Os seguintes dados sobre a amplificação de antenas de loop são conhecidos: um quadrado duplo - 9-11 dB (8-13 vezes), um quadrado triplo 14-15 dB (25-32 vezes).
Se esses dados são fornecidos para espaço livre, eles contradizem os dados no capítulo anterior sobre antenas de alta frequência, porque haverá muito mais com o solo. Se esses dados são fornecidos levando em consideração a terra (extrapolando a orientação para HF), então no VHF a terra não funciona como um condutor plano infinito, conforme descrito em detalhes no livro de Goncharenko "
Capítulo 12.1.2 Terra no VHF "
Do mesmo modo que Sheiko, três anos antes, em 1959, foi o entusiasta Sergei Sotnikov.
Para explicar de alguma maneira a incrível diretividade de uma antena tão simples, Sotnikov apresentou a hipótese de que o vibrador de quadro possui 4 elementos de trabalho e é equivalente a um PAR de dois andares a partir de canais de onda de dois elementos.
Mas um farol de 2 andares é excitado em fase - em cada andar a direção atual é a mesma. Na antena de loop, em diferentes pisos, as correntes fluem fora de fase, isso é descrito no livro de Rothammel e Sheiko e segue de simples inferências - o comprimento das partes horizontal e vertical de cada braço é λ / 2, então a corrente flui em fase antifásica no piso superior.
Um vibrador de quadro com um perímetro de 1λ tem uma orientação próxima à isotrópica, com um pequeno ganho perpendicular ao plano e uma ligeira atenuação para os lados. Dependendo da forma de tal quadro, sua impedância de onda muda significativamente e a diretividade muda muito levemente.
Se o quadro for o mais largo possível e tiver uma altura mínima, obteremos um vibrador de loop Pistolkors de meia onda. Sua resistência é a máxima possível e próxima a 300 Ohms, e o valor exato depende dos diâmetros dos tubos superior e inferior. A diretividade é de 2,13 dBi, como no dipolo de Hertz dividido.
Com uma diminuição na largura do loop e um aumento na altura, a resistência Ra diminui e a forma do padrão muda muito levemente. Se a largura tende a zero, e a altura a λ / 2, obtemos uma linha de transmissão de comprimento λ / 2 em curto-circuito no final. Ra dessa linha é 0.
Dependendo da relação altura / largura e da forma do quadro, você pode obter Ra de 0 a 300 Ohms. Com uma moldura quadrada com um comprimento lateral de λ / 4, a resistência é de cerca de 135-140 Ohms e o feixe tem máximos para frente / trás em 3,48 dBi (1,35 dBd). Quaisquer outras formas são possíveis - moldura redonda, triangular, haltere, pára-quedas e até formas irregulares.
Quase não há vantagens elétricas de uma forma ou de outra da estrutura 1λ. Uma estrutura com largura menor tem uma vantagem estrutural - é mais forte mecanicamente com uma seção transversal menor do condutor do que o vibrador Pistolkors. No HF, é possível fazer quadrados a partir de um fio fino e flexível puxando-os em suportes transversais. Foram as vantagens mecânicas e o baixo custo que determinaram a popularidade dos quadrados em ondas curtas em comparação com os canais de onda, que têm características elétricas muito semelhantes, mas requerem tubos potentes + cruzeta + alongamento para manter tubos longos.
Além de dados superestimados repetidamente sobre a diretividade dos quadrados no VHF, Sotnikov fornece dados incorretos tanto em tamanho (escorregamento muito grande na ressonância) quanto em resistência e correspondência à radiação.
Nas dimensões dadas para o 12º canal MV (222-230 MHz) de uma haste de 6 mm, a ressonância ocorre nas frequências de 242 MHz (HFSS) e 245 MHz (4NEC2). Ra = 150 ohms e 167 ohms, respectivamente.
Para conectar essa antena a uma linha de transmissão de 75 Ohm, é necessário criar um dispositivo de correspondência de balanceamento (SSU, balun) 2: 1. Quando conectado através de um balun 1: 1, mesmo a uma frequência ressonante, o SWR não pode ser menor que 2. Nas frequências abaixo do ressonante, o Ra cai acentuadamente e a reatividade negativa (capacitiva) aumenta.
A uma frequência de 222 MHz, KSV75 = 6,8 (NEC2) ou KSV75 = 8 (HFSS).
Ku a uma frequência ressonante de 7,19 dBi (HFSS) e 6,67 dBi (NEC2). A forma dos lobos principal e lateral em diferentes programas é quase idêntica.
Resultados da simulação de tamanho para o canal 12 do MV em HFSS e 4NEC2
Conclusões
- Um vibrador de quadro com um perímetro de 1λ de qualquer forma se forma próximo a um padrão de radiação isotrópica. Há um ligeiro ganho perpendicular ao plano do quadro - para um loop de meia onda igual a 2,13 dBi e para um quadro quadrado de cerca de 3,5 dBi.
- Quando um refletor é adicionado ao quadro, sua diretividade pode ser aumentada para 6,95 dBi para um canal de onda de 2 elementos ou para 7,73 dBi para um quadrado duplo.
- Em frequências abaixo de 50 MHz, colocar qualquer antena a uma pequena altura acima do solo (em unidades lambda) altera significativamente o padrão resultante. O dipolo de 2,13 dBi se transforma em 8,2 dBi, o canal de onda de 6,95 dBi se transforma em 11,8 dBi, 7,73 dBi quadrado duplo se transforma em 12,4 dBi.
- Os dados direcionais descritos por Leslie, Byrd, Rothammel e Sheiko referem-se a antenas suspensas acima do solo, que incluem quase todas as antenas HF.
- Sergei Sotnikov extrapolou o desempenho das antenas HF para um quadrado duplo no VHF, por que isso não deveria ser feito - está escrito no capítulo 12.1.2 Terra no VHF do livro de Goncharenko.
- Para justificar uma orientação tão grande dos quadrados, Sotnikov reescreveu radicalmente o princípio do quadrado, comparando-o com um PAR de dois andares de dipolos de meia onda e canais de onda.
- A diretividade real das antenas quadrado duplo e triplo ligeiramente (menos de 1 dB) excede a diretividade dos canais de onda de 2 e 3 elementos.
- A impedância de onda quadrada dupla (com um espaçamento de 0,15λ) é próxima a 150 Ohms. Para trabalhar com 75 ohms, você precisa de uma quinta roda 2: 1 e, para 50 ohms - uma quinta roda 3: 1. Ao trabalhar com SSU 1: 1, o SWR não pode ser <2 na frequência ressonante.
- As dimensões das antenas fornecidas por Sotnikov foram calculadas com um deslizamento significativo na ressonância e em um SWR mínimo. Portanto, a antena na faixa de 222-230 MHz tem uma ressonância de cerca de 242-245 MHz e na faixa estimada de KSV75 excede 7-8.
- Se descartarmos as estimativas superestimadas de 10 a 11 dBi, a antena poderá estar bastante operacional (ao resolver o problema da correspondência), 6,7 dBi em VHF para televisão é um ganho bastante decente.
- A diretividade do quadrado duplo não corresponde ao canal de onda de 5 elementos. Uma antena industrial Uda-Yagi para 6 a 12 canais (refletor de 2 tubos, vibrador de loop, 4 diretores) com 1,35 metros de comprimento deu amplificação de 8,6 dBi a 174 MHz a 10,9 dBi a 230 MHz e correspondência simples a 75 Ohms. Uda-Yagi de banda estreita (canal único) com comprimento igual ou número igual de elementos terá ganho ainda maior.
Quadrado Triplo na TV DMV (DVB-T2)
A pedido do usuário
REPISOT , analisaremos a possibilidade de usar antenas quadradas para a faixa decimétrica de transmissão televisiva.
Essa antena é fabricada comercialmente sob a marca "Signal 3.0". O intervalo reivindicado para SWR <1,5 é 470-862 MHz, ganho de até 14 dB (16 dBi ??)
Iremos realizar uma simulação simplificada no HFSS (sem espaçadores de plástico e sem arredondar os cantos, isso mudará ligeiramente a frequência ressonante, mas não estamos interessados nos valores exatos agora). A estrutura do diretor tem um espaço de 1 mm.
Como esperado, a antena tem uma ressonância única (a cerca de 626 MHz), Ra = 150 Ohms. Quando alimentado por um SSD 2: 1 a um cabo de 75 Ohm, você pode obter SWR = 1 neste canal (aproximadamente o 40º canal), e SWR <2 estará no intervalo de 562-737 MHz.
Abaixo, como todos os quadrados, a reatividade é muito rápida e Ra também cai muito rápido. KSV150> 6 já em 535 MHz e em 470 MHz KSV150 = 35
Diretividade a uma frequência ressonante de 6,88 dBi, F / B = 12,77 dB
É extremamente difícil criar um SSU 2: 1 na faixa UHF, portanto o fabricante nem tentou.
A antena está equipada com o equivalente impresso de um loop de meia onda que funciona como um transformador 4: 1, mas apenas quando o comprimento elétrico do loop é L / 2. Tal SSU, por definição, banda estreita (canal único). Com uma carga de 75 ohms, a impedância de entrada desta SSU é de 300 ohms. Mas o fabricante equipou a antena com um cabo de 50 Ohm (embora TVs e sintonizadores tenham 75 Ohms). Talvez o fabricante tenha considerado que 200 está mais próximo de 150 que 300 e, para reduzir a reflexão na borda, o cabo da antena <-> doou uma reflexão adicional na borda da TV a cabo.
Com uma carga de 300 ohms (placas de simetria ou amplificadores do tipo SWA / PAE / ALN), a antena possui um SWR de cerca de 2 na faixa de 616-750 MHz.
Com uma carga de 75 ohms (um transformador de quarto de onda, como nos esquemas de Sotnikov), a antena é altamente inconsistente em todos os lugares, mas em uma seção estreita de 577-608 MHz, o SWR cai para 2.
Para transmitir radiação a um nível de 6,7 dBi, a antena armazena de 540 a 860 MHz.
A uma frequência de 500 MHz, F / B cai para 0 (e irradia para frente e para trás a 5,2 dBi)
Essa antena em termos de complexidade e custo de fabricação excede o canal de onda Volna-1 de 3 elementos com um preço de varejo de US $ 3,5
E nas características elétricas, perde significativamente para ela
