Diseño de antena para direcciones específicas

Especificaciones adicionales aclaradas por "tman"

• No se espera señal entre 75° y 90° y tampoco entre 0° y -90° de elevación, y el rechazo en estos sectores no se requiere explícitamente. Una antena omnidireccional es una solución aceptable.

• La antena debe usarse en interiores en una instalación fija, dentro de una casa a la altura del techo.

• Esta antena está diseñada solo para recibir.

El monopolo clásico

Una antena de látigo vertical simple (el cable recto convencional en el aire sobre el suelo) producirá casi exactamente lo que desea.

Este es mi modelo de un radiador dipolo. Consiste en un cable que sobresale del origen y otro que desciende (ergo "di"polo). Si usa un monopolo (por ejemplo, solo un cable hacia arriba), puede eliminar la parte del gráfico debajo del plano z=0.

Dibujé el plano transparente como referencia para que puedas imaginarlo en 2D. Si piensas en la curva de intersección en mi plano, sin la mitad inferior, obtienes una densidad de potencia de radiación que se parece casi exactamente a tu figura.

Es decir, una joroba doble con radiación que se dirige hacia el exterior y un nulo cuando se mira hacia abajo en la antena directamente desde arriba (elevación de 90 grados) y no muestra mucha intensidad de la señal hasta que esté a algunos grados de distancia directamente de arriba (~ 75 grados, digamos).

El problema con este tipo de antena es que la eficiencia máxima se produce para 1/4 de la longitud de onda. Dado que su longitud de onda es enorme (3e8/162.5e6*100/2.54/12 = 6 pies) en relación con el tamaño de su antena (3 pulgadas), ninguna antena de este tipo irradiará bien en el campo lejano. El emparejamiento será muy pobre.

Puede usar las técnicas propuestas en los comentarios, como la "carga inductiva" para mejorar la coincidencia, pero todo esto hace que la antena parezca eléctricamente más larga de lo que es físicamente. Realmente no aumenta la proporción de energía radiada en el universo. En cambio, evita que la energía sobrante (lo que no irradió) "rebote" en el extremo de la antena (convirtiéndola en calor en los inductores de carga) y regrese para dañar el transmisor o corromper la señal recibida. Simplemente no puede construir una antena práctica de este tipo con este tamaño para su aplicación.

En cuanto a la directividad (y cumplir con su requisito de no transmitir/recibir elevación por debajo de cero), en general, cuanto más grande es el plano de tierra, menor es la dirección de radiación máxima. A medida que el plano de tierra se acerca al tamaño infinito, el patrón de radiación se acerca a un máximo en el plano xy. Si suspende su antena en el aire o usa un disco de 6" de diámetro en la base de su antena para un plano de tierra (referencia), la cantidad de energía radiada directamente será menos que ideal.

Antenas unipolares (monopolares) plegadas

La antena unipolar plegada (FUA) es solo la antena monopolo descrita anteriormente plegada para que tenga una forma de U teórica como esta:

La parte de arriba no tiene que ser solo un cable, puedes poner impedancia ahí arriba, y, de la misma manera, puedes hacer lo mismo en la "abajo" donde la antena plegada regresa al suelo.

Esto hace que la situación sea mucho más compleja porque ahora tiene interacciones autoinducidas entre la corriente en ambas patas verticales. Estas interacciones pueden ser resonantes de una manera que crea una corriente general (modo común) y una diferencia neta en la corriente entre las piernas (modo diferencial). Hice este análisis cuando estaba trabajando en formas de construir antenas de baja frecuencia más pequeñas para ayudar a las boyas oceánicas a llamar a casa.

Como puede ver, ahora hay múltiples puntos de operación potenciales y están en ubicaciones que no son convencionales para un monopolo simple. Puede hacer que irradien de manera eficiente tanto más corta como más larga que la longitud de onda de 1/4 de longitud de onda del monopolo o la longitud de antena de longitud de onda de 1/2 del dipolo. Los FUA ofrecen un gran conjunto de perillas que puede ajustar, como la impedancia superior e inferior, y la impedancia característica de las patas superiores e inferiores.

Hay mucho espacio para explorar allí y es muy posible que pueda lograr algo con una variante FUA, pero esto requerirá un compromiso serio de su parte. No existe una "calculadora de antena en línea" que proporcione una solución instantánea (al menos que yo sepa, obviamente).

Bobinas

Si comprime cada vuelta de la bobina, de modo que estén juntas en lugar de parecerse más a un sacacorchos, no excitará el modo TEM de la antena y, por lo tanto, no obtendrá el patrón similar a una pistola tradicional (patrón altamente directivo con la emisión máxima a lo largo del eje de la bobina). En cambio, simplemente se comportará como un monopolo horriblemente sintonizado (con mucha reactancia y baja resistencia a la radiación).

Las bobinas no lo ayudarán a obtener más radiación de su volumen simplemente colocando más cable en el volumen disponible limitado.

A la primera orden

Casi todas las antenas que intenten esta especificación serán malas. Entonces, cuál es un poco más malo o menos malo puede no valer la pena el esfuerzo significativo que requerirá diseñarlos y diferenciarlos.

La mayoría de las antenas AM de consumo también son malas, pero solo reciben. Las malas antenas solo de recepción son necesariamente receptores de energía ineficaces y, por lo tanto, no tienen que preocuparse por ser superados o sufrir por la mala coincidencia de potencia con el receptor. El sistema de transmisión de AM compensa el rendimiento limitado de la antena en el lado receptor mediante el uso de cantidades increíblemente grandes (¡referencia aleatoria de Apple!) De potencia de transmisión (¡decenas de miles de vatios!).