Pregunta:
¿Qué causa las pérdidas de tierra en un sistema de antena de HF?
Bill - K5WL
2013-10-31 22:06:58 UTC
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Esto se aplica a instalaciones fijas y móviles. ¿Qué son las pérdidas de tierra y cómo se pueden minimizar? Parece implicar la proximidad al suelo, pero ¿cuál es el mecanismo que provoca la pérdida? ¿La altura de instalación de la antena influye en la pérdida de tierra de alguna manera?

Dos respuestas:
#1
+7
Dan KD2EE
2013-10-31 22:44:13 UTC
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Si bien los efectos del suelo son preocupaciones comunes en casi todas las antenas y sistemas de radio, son particularmente importantes en el caso de una antena monopolo. Las antenas monopolo, incluidas las verticales de cuarto de onda junto con muchas otras verticales eléctricamente cortas, son diferentes de los dipolos porque las corrientes que entran en los elementos no se equilibran. Mientras que un dipolo tiene corrientes iguales pero opuestas en todo momento, un monopolo no puede. La mitad de la señal entra en la antena y la otra mitad tiene que volver a través del blindaje del cable coaxial, que está conectado a tierra.

Cuando hablamos de modelado de antenas, describimos el plano de tierra como un plano de imagen: todo lo que está arriba se refleja debajo de él. Entonces, en teoría, el monopolo debería actuar como si hubiera otro monopolo directamente debajo de él, alimentado 180 grados fuera de fase. Vemos la cantidad correcta de corriente que regresa a través de la ruta de tierra para que este modelo funcione; tenemos corrientes iguales pero opuestas, pero si bien su antena es un cable de baja resistencia y la mayor parte de esa corriente se irradia, la tierra generalmente tiene algo mayor resistencia. Es imposible establecer un valor aquí, porque depende del tipo de suelo, el clima, la profundidad del nivel freático y otros factores, pero es mayor que el de su antena.

Debido a esta resistencia en el suelo, parte de la energía proveniente de su radio se perderá debido al calentamiento resistivo normal. Dado que, a una potencia constante y dado $ P = VI = I ^ 2R $, el aumento de la resistencia en el suelo da como resultado una disminución de la corriente en el suelo (a potencia constante). Dado que las corrientes de la antena y de tierra deben ser iguales pero opuestas, eso también disminuye la corriente que fluye hacia su antena y, por lo tanto, su potencia radiada real.

Tampoco puede simplemente clavar un multímetro en el suelo para encontrar esta resistencia: es la resistencia desde el punto de alimentación de su antena hasta el punto donde el blindaje coaxial está conectado a tierra, pero depende de la frecuencia porque hay un componente capacitivo como bien. Se puede utilizar un analizador de antena para detectar la resistencia total (incluida la resistencia a la radiación de la antena) y esto se puede comparar con un modelo con un terreno ideal (quizás obtenido de EZNEC u otro programa de modelado) para obtener el "extra" del mundo real pérdidas, incluida la pérdida de tierra. Esto también explica por qué la altura influye en: Su sistema de antena es efectivamente una resistencia en serie (de pérdida de tierra y otros factores), capacitancia (entre antena y tierra y otros efectos) e inductancia (de bobinas de carga y otros efectos). Si la antena se monta más lejos del suelo, la capacitancia disminuye, por lo que la pérdida de suelo se convierte en una parte mayor de esta reactancia total, por lo que es mejor tener la antena cerca del suelo y tener un suelo tan bajo. resistencia como sea posible. Una forma adicional de ayudar en esto es instalar radiales: cables subterráneos a aproximadamente un cuarto de longitud de onda que actuarían como una ruta de menor resistencia para la corriente de retorno.

Gracias, me gustaría poder aceptar ambas respuestas, porque la tuya es la mitad de la respuesta y la de Phil es la otra mitad. Sin embargo, lo que estaba buscando (aunque no estaba necesariamente claro) era la respuesta de Phil.
@Bill-K5WL Si la respuesta de Phil es lo que está buscando, entonces debería reformular urgentemente su pregunta como: "¿Cómo influye la proximidad del suelo en la directividad de una antena de HF?" La respuesta de Dan es la única respuesta correcta hasta ahora en el tratamiento de pérdidas óhmicas de tierra. [Esta respuesta] (http://ham.stackexchange.com/a/494/250) también podría ayudar a comprender esta diferencia.
#2
+7
Phil Frost - W8II
2013-11-01 00:49:37 UTC
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Para agregar a lo que dice Dan, para las antenas dipolo (horizontales), la altura del suelo es importante porque aunque un dipolo no requiere tierra para funcionar, la tierra sigue siendo un plano conductor (con pérdidas) y aún obtienes una imagen. Es decir, parece que hay otro dipolo, alimentado en anti-fase, subterráneo. Incluso si nada en su transmisor o antena está conectado a tierra, su antena estará acoplada capacitivamente a tierra. No hay forma de evitarlo.

Si el dipolo está cerca del suelo, entonces las corrientes en el suelo pueden ser bastante fuertes, incurriendo en pérdidas de resistencia significativas en el camino. Podría colocar radiales (o cualquier malla conductora, en realidad) en el suelo para mitigar esto.

Pero también: esta imagen hace que su dipolo sea una especie de matriz en fase. Dependiendo del espaciado de la antena y su imagen, esto podría hacer una matriz en fase que dirija de manera útil la mayor parte de la energía de RF en el horizonte (ángulo de despegue bajo, deseable para HF DX que explota la propagación de skywave) inútilmente directo (inútil, a menos que esté intentando explotar la propagación de NVIS para comunicarse con algo en el espacio).

Radio Antenna Engineering ha una explicación más detallada, y esto:

radiation patterns for dipoles over ideal ground planes

Una cosa interesante a tener en cuenta sobre esta imagen: no puede obtener la máxima ganancia en ninguna dirección hasta que el dipolo sea de $ 0.25 \ lambda $ alto. Recuerde, la imagen está al doble de esta distancia y es antifase. Por debajo de esta altura, en cualquier dirección obtendrá al menos una cancelación de fase parcial. En $ h = 0.25 \ lambda $, tiene dos antenas, en antifase, $ 0.5 \ lambda $ separadas, lo que hace que agregar en lugar de cancelar , pero solo si estás directamente sobre la antena, lo que no es útil para la propagación de ondas celestes. Por lo tanto, la recomendación general de obtener un dipolo de algo como $ 0.5 \ lambda $ alto, que envía la mayor parte de la energía a un ángulo de despegue razonablemente bajo, aprovechando al máximo la potencia de transmisión disponible.

Esta es una explicación de cómo la directividad de la antena se ve influenciada por la proximidad del suelo, no sobre cómo se pierde energía en el suelo.
@on4aa sí, excepto por las partes en las que hablo de corrientes altas cuando los dipolos están cerca del suelo asociados con pérdidas resistivas, y cómo la imagen de la antena causa cancelaciones de fase en todas las direcciones a bajas alturas, y cómo otras alturas pueden hacer que se pierda energía útil. espacio, tienes razón. Agregaré que esto es complementario a la respuesta de Dan. Oh espera. Esa ya es la primera oración.


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