Почему заземляющая плоскость антенны CB влияет на эффективность передачи сигнала?

В радиосвязи Citizens Band (CB) конструкция наземной плоскости антенны часто рассматривается как один из основных факторов, влияющих на эффективность передачи сигнала. Будь то антенна, установленная на носителе или фиксированную базовую станцию, взаимодействие между плоскостью заземления и антенной непосредственно определяет направление излучения, сопоставление импеданса и потерей энергии. Понимание электромагнитных принципов, лежащих в основе этого, может не только оптимизировать качество связи, но и избежать узких мест производительности, вызванных ошибками проектирования.
Основная роль наземной плоскости: теория изображения и текущая петля
Согласно теории антенны, плоскость заземления образует «виртуальное зеркало» под вертикальной монопольной антенной (например, общая ¼ длины волны CB антенны) по принципу изображения, что делает первоначально асимметричную антенную структуру эквивалентной симметричной дипольной антенне. Эта эквивалентность расширяет эффективную электрическую длину антенны и значительно влияет на ее радиационную стойкость. Например, идеальная проводящая плоскость заземления может увеличить сопротивление радиации антенны длины волны от примерно 36 Ом до 50 Ом, что достигает сопротивления импеданса с коаксиальным кабелем и уменьшая отражение энергии, вызванное соотношением стоячей волны (VSWR).
Однако, если плоскость заземления недостаточно проводящая или область слишком мала, эффект зеркала будет ослаблен. Эксперименты показывают, что когда область металлической крыши антенны транспортного средства меньше ¼ волны (около 2,7 метра в полосе CB), радиационное сопротивление антенны упадет ниже 20 Ом, что приведет к тому, что до 30% мощности передачи тратится в корпусе в форме тепла.
Корреляция между формой земли и схемой радиации
Геометрическая структура земной плоскости оказывает решающее влияние на схему радиации. Идеальная круговая или квадратная проводящая плоскость может сделать антенную образу в вспомогательном горизонтальном излучении, в то время как плоскость с недостаточным размером или нерегулярной формой (например, изогнутая поверхность капота носителя) искажает распределение тока и приведет к расщеплению доли излучения. Например, когда антенна транспортного средства установлена ​​в задней части грузовика, сигнал часто наклоняется на 15-20 градусов вперед из-за недостаточной металлической области в задней части корпуса автомобиля, уменьшая заднее расстояние.
Кроме того, края эффекта плоскости земли нельзя игнорировать. Когда горизонтальное расстояние между краем плоскости и антенной меньше ¼ длины волны, ток края будет генерировать вторичное излучение, что будет мешать основной волне излучения в фазе. Это явление особенно очевидно в полосе частот 28 МГц, что может привести к тому, что ослабление сигнала под определенными углами возвышения превышает 6db.
Выбор материала и контроль потерь
Проводящий материал земной плоскости напрямую влияет на глубину кожи высокочастотного тока. Принимая полосу CB в качестве примера, глубина меди составляет около 12 мкм, в то время как глубина оцинкованной стали составляет 35 мкм из -за его удельного сопротивления. Использование алюминиевого сплава толщиной 0,5 мм может снизить потерю проводника примерно на 18% по сравнению со стальной пластиной. Для сценариев мобильного применения, хотя композитные материалы из углеродного волокна являются легкими, если сопротивление их поверхностного проводящего покрытия превышает 0,1 Ом/□, эффективность антенны снизится более чем на 40%.
Предложения по оптимизации включают в себя: использование 2-метровой сетки алюминиевой сетки для фиксированных базовых станций, расширение тока распределения антенн, установленных на транспортных средствах с помощью магнитных заземляющих пластин, или компенсация ограниченной площади плоскости путем погрузки радиальных проводников. Фактическое измерение анализатора векторной сети (VNA) показывает, что добавление 4 ¼ радиальных проводников длины волны может оптимизировать соотношение стоячей волны антенны, установленной на носителе, с 2,5: 1 до 1,5: 1 и увеличить эквивалентную излучаемую мощность на 3DB.
Групповая плоскость антенны CB по существу является проблемой связи между электромагнитной средой и физической структурой. Только путем принятия проводящей области, симметрия формы, параметры материала и позиция установки с учетом может быть преодолена ограничения производительности одного антенного элемента. С помощью популяризации программного обеспечения для электромагнитного моделирования инженеры могут предсказать влияние плоскости заземления перед прототипированием с помощью трехмерного моделирования распределения полевых полетов, тем самым максимизируя эффективность связи при более низкой стоимости.