Jeg gratulerer deg med interessen din med å jobbe med designproblemene fra grunnen av. Å forstå det teoretiske og sammenligne dette med feltresultatene er begynnelsen på en livslang glede av antenneeksperimentering.

Antennen

Som bakgrunn, en 5/8 bølgen antenne er den høyeste retningsbestemte, enkeltelement, lineære antennen du kan konstruere. Men konstruksjonsdetaljene er viktige for effektivt å konvertere direktivitet til gevinst. Å være oppmerksom på effekten av bakkeplanet, bruke riktige materialer og tilpasse impedansen til antennen til impedansen til koaksialen og koaksepedansen til mottakerimpedansen kan alle spille en rolle i å vri den siste dråpen gevinst fra antenne.

5/8 bølgen antennen er en ikke-resonant antenne. Dette betyr at når den er perfekt konstruert, vil den ha en impedans som består av en reell del og en imaginær del. Generelt vil den imaginære delen være kapasitiv, og den virkelige delen vil ikke matche 50 ohm.

Trinn

Her er trinnene jeg vil følge for å planlegge en 5/8 bølgen antenne:

1.) Modell antennen for å maksimere forsterkningen og beregne den komplekse impedansen.

2.) Utvikle et matchende nettverk for å konvertere den komplekse impedansen til antenne til koaksens karakteristiske impedans.

3.) Konstruer og kontrast feltresultater med modellene. Juster etter behov.

Helt tilbake da jeg var ingeniørstudent, gjorde vi alle disse beregningene i lang form (OK, ikke en lysbildesregel, men med kalkulator og grafpapir). I dag er det mye mer effektivt å bruke modelleringsverktøy og deretter sammenligne disse resultatene med noen manuelle beregninger hvis ønskelig.

Modellering av antennen

Det er et gratis antennemodelleringsprogram kalt EZNEC som kan brukes til å modellere antennen din. Annet enn konsultasjonstabeller i lærebøker, er dette den eneste praktiske måten å estimere antennens forsterknings- og matepunktimpedans på.

Du kan justere parametere som elementlengder, materialtype, materialmål, frekvens , høyde over bakken osv. i modellen for å se hvordan disse parametrene påvirker resultatene.

Hvis du leter etter en god referansebok om antenne teori og konstruksjon, anbefaler jeg ARRL Antennebok. Hvis du er mer interessert i den rene teorien og matematikken knyttet til antenner, er den grunnleggende teksten Antenner av John D Kraus.

Designing a Matching Network

Det er flere nettsteder og frittstående verktøy som kan beregne det matchende nettverket. Min favorittside er Le Leivre. Med dette verktøyet kan du angi de komplekse inngangs- og utgangsimpedansene, og det vil vise alle mulige L-samsvarende nettverk som vil gjøre jobben sammen med de riktige komponentverdiene.

Hvis du ønsker å vikle din egen induktor for det matchende nettverket, den omtrentlige formelen for et enkelt lags luftinduktor er:

$$ L = \ frac {(n ^ 2 * d ^ 2)} {(18 * d + 40 * l )} \ tag 1 $$

hvor L er induktansen i mikrohenries, d er spolediameteren i tommer, l er spolelengden i tommer, og n er antall svinger.

Du kan utvide eller trekke lengden på spolen litt for å finjustere induktansen.

Denne formelen er Wheeler-formelen for engelske enheter som ble empirisk avledet tidlig på 1900-tallet. Siden det er en empirisk formel, blir effekten av $ \ mu_o $ og $ \ mu_r $ tatt med i konstantene. Ovennevnte versjon av formelen er generelt gyldig når diameteren på spolen er mye større enn ledningens diameter og hvor avstanden mellom svinger er minimal.

Mer enn 50 år senere brukte Wheeler og andre datamodeller for å utlede en mye mer presis formel:

$$ L = 0,0002 \ pi D_kN ^ 2 * \ ln {(1+ \ frac { \ pi} {2k})} + \ left (2.3004 + 3437k + 1.7636k ^ 2- \ frac {0.047} {(0.755+ \ frac {1} {k}) ^ {1.44}} \ right) ^ {- 1} \ tag 2 $$

der D _k er spolediameteren i mm, N er antall omdreininger og k er forholdet mellom viklingsdiameteren og lengden.

Impedansen til en 5/8 monopol er rundt (75−425j) Ω, selv om den er følsom for diameteren på elementet / elementene, størrelsen på bakkeplanet osv. Du vant Du finner ikke formler fordi det er den slags ting som er lettere å få tilnærmet korrekte og deretter justere empirisk.

Hvis du først modellerer antennen din, får du en bedre tilnærming til impedansen, og tillater optimalisering av andre parametere. Du må fremdeles tilpasse den på slutten.

(75−425j) Ω er ikke en god kamp for et 50Ω-system, så du trenger et slags matchende nettverk. Generelt er løsningen å legge til en serieinduktans på 425jΩ som avbryter reaktansen, og etterlater en 75Ω tilførselsimpedans som er nær nok.

Reaktans og induktans er relatert etter frekvens:

$ $ X_ {L} = 2 \ pi fL $$

Etter å ha bestemt den nødvendige induktansen, kan induktoren utformes med et hvilket som helst antall online kalkulatorer, eller denne formelen:

$$ L = {n ^ 2 d ^ 2 \ over 18d + 40l} $$

Som Glenn W9IQ forklarer, er dette en empirisk formel slik at konstantene ikke har noen dypere betydning. $ d $ og $ l $ er diameteren og lengden i tommer, og $ n $ er antall svinger. Generelt er det et godt utgangspunkt å sikte mot at diameteren og lengden skal være tilnærmet lik.

Forsøk også å bruke en tilstrekkelig tykk leder til at tapene er lave, ellers vil induktortapene mer enn oppveie forbedringen i direktivitet.

Men når du måler det vertikale antenneelementet: skal 5 / 8λ-lengden måles fra toppen av spolen til toppen av elementet, eller inkludert spolen?

For en teoretisk konstruksjon har den matchende induktoren null størrelse, så det spiller ingen rolle. I praksis bør spolen fortsatt være liten, så det skal ikke ha noe å si. Betrakt det som bare en av mange variabler som vil kreve empirisk justering.