Dlaczego konstrukcja płaszczyzny naziemnej anteny CB wpływa na wydajność transmisji sygnału?

W komunikacji radiowej Band Citizens (CB) konstrukcja płaszczyzny naziemnej anteny jest często uważana za jeden z podstawowych czynników wpływających na wydajność transmisji sygnału. Niezależnie od tego, czy jest to antena montowana na nośniku, czy stała stacja bazowa, interakcja między płaszczyzną uziemienia a anteną bezpośrednio określa kierunek promieniowania, dopasowanie impedancji i utratę energii. Zrozumienie elektromagnetycznych zasad za nim może nie tylko zoptymalizować jakość komunikacji, ale także uniknąć wąskich gardeł wydajności spowodowanych błędami projektowymi.
Podstawowa rola płaszczyzny naziemnej: teoria obrazu i bieżąca pętla
Zgodnie z teorią anteny płaszczyzna uziemienia tworzy „wirtualne lustro” pod pionową anteną monopolową (taką jak wspólna antena CB o długości fali ¼) poprzez zasadę obrazu, dzięki czemu pierwotnie asymetryczna struktura anteny odpowiada symetrycznej antenie dipolowej. Ta równoważność rozszerza efektywną długość elektryczną anteny i znacząco wpływa na jej odporność na promieniowanie. Na przykład idealna płaszczyzna gruntowa przewodząca może zwiększyć oporność promieniowania anteny o długości fali ¼ od około 36 Ω do 50 Ω, osiągając w ten sposób impedancję dopasowaną do kabla koncentrycznego i zmniejszając odbicie energii spowodowane stosunkiem fali stojącej (VSWR).
Jeśli jednak płaszczyzna uziemienia nie jest wystarczająco przewodząca lub obszar jest zbyt mały, efekt lustra zostanie osłabiony. Eksperymenty pokazują, że gdy metalowa powierzchnia dachu anteny nośnika jest mniejsza niż ¼ długości fali (około 2,7 metra w pasma CB), odporność na promieniowanie anteny spadnie poniżej 20 Ω, co spowoduje zmarnowanie do 30% mocy transmisji w podwozie w postaci utraty ciepła.
Korelacja między kształtem gruntu a wzorem promieniowania
Geometryczna struktura płaszczyzny naziemnej ma decydujący wpływ na wzór promieniowania. Idealna okrągła lub kwadratowa płaszczyzna przewodząca może sprawić, że antena tworzy się ohnitirectional poziome promieniowanie, podczas gdy płaszczyzna o niewystarczającym rozmiarze lub nieregularnym kształcie (takim jak zakrzywiona powierzchnia kaptura pojazdu) zniekształci rozkład prądowy i spowoduje podzielenie płata promieniowania. Na przykład, gdy antena pojazdu jest zainstalowana z tyłu ciężarówki, sygnał jest często przechylony o 15-20 stopni do przodu z powodu niewystarczającego metalowego obszaru z tyłu korpusu pojazdu, zmniejszając tylną odległość komunikacji.
Ponadto nie można zignorować efektu krawędzi płaszczyzny uziemienia. Gdy pozioma odległość między krawędzią płaszczyzny a anteną jest mniejsza niż ¼ długości fali, prąd krawędzi wygeneruje promieniowanie wtórne, które zakłóci główną falę promieniowania w fazie. Zjawisko to jest szczególnie widoczne w paśmie częstotliwości 28 MHz, co może powodować przekroczenie 6DB tłumienia sygnału.
Wybór materiału i kontrola strat
Materiał przewodzący płaszczyzny uziemienia bezpośrednio wpływa na głębokość skóry prądu o wysokiej częstotliwości. Przykładając pasmo CB jako przykład, głębokość skóry miedzi wynosi około 12 μm, podczas gdy głębokość skóry stali ocynkowanej wynosi 35 μm ze względu na jego wysoką rezystywność. Zastosowanie aluminiowej płyty stopowej o grubości 0,5 mm może zmniejszyć utratę przewodu o około 18% w porównaniu z płytą stalową. W przypadku scenariuszy aplikacji mobilnych, chociaż materiały kompozytowe z włókna węglowego są lekkie, jeśli odporność ich powłoki przewodzącej powierzchni przekracza 0,1 Ω/□, wydajność anteny spadnie o ponad 40%.
Sugestie optymalizacyjne obejmują: stosowanie siatki uziemiającej 2-metrowej siatki aluminiowej dla stałych stacji podstawowych, rozszerzanie prądu rozkładu anten montowanych na nośnikach o magnetycznych płyt uziemienia lub kompensację ograniczonej powierzchni płaszczyzny poprzez załadowanie przewodów promieniowych. Rzeczywisty pomiar analizatora sieci wektorowej (VNA) pokazuje, że dodanie przewodów promieniowych o długości 4 ¼ fali może optymalizować stosunek fali stojącej anteny montowanej na nośniku od 2,5: 1 do 1,5: 1 i zwiększyć równoważną moc promieniowaną o 3DB.
Projekt płaszczyzny naziemnej anteny CB jest zasadniczo problemem sprzęgania między środowiskiem elektromagnetycznym a strukturą fizyczną. Tylko przy użyciu obszaru przewodzącego, symetrii kształtu, parametrów materiału i pozycji instalacji można przezwyciężyć ograniczenia wydajności pojedynczego elementu antenowego. Dzięki popularyzacji oprogramowania do symulacji elektromagnetycznej inżynierowie mogą przewidzieć wpływ płaszczyzny uziemienia przed prototypowaniem poprzez trójwymiarową symulację dystrybucji pola, maksymalizując w ten sposób wydajność komunikacji przy niższych kosztach.