Zašto dizajn tla ravnine CB antene utječe na učinkovitost prijenosa signala?

U radio komunikacijama Citizens (CB), dizajn zemaljske ravnine antene često se smatra jednim od glavnih čimbenika koji utječu na učinkovitost prijenosa signala. Bilo da se radi o anteni montiranoj na vozilo ili fiksnom baznom stanici, interakcija između ravnine zemlje i antene izravno određuje smjer zračenja, podudaranje impedancije i gubitak energije. Razumijevanje elektromagnetskih principa koji stoje iza njega ne samo da može optimizirati kvalitetu komunikacije, već također izbjegavati uska grla performansi uzrokovane pogreškama u dizajnu.
Osnovna uloga prizemne ravnine: Teorija slike i trenutna petlja
Prema teoriji antena, ravnina tla tvori "virtualno ogledalo" ispod vertikalne monopolne antene (poput uobičajene ¼ ¼ valne duljine CB antene) kroz princip slike, čineći izvorno asimetričnu strukturu antene ekvivalentnom simetričnoj dipolskoj anteni. Ova ekvivalentnost proširuje učinkovitu električnu duljinu antene i značajno utječe na njegovu otpornost na zračenje. Na primjer, idealna vodljiva ravnina tla može povećati otpor zračenja antene valne duljine s oko 36Ω na 50Ω, postižući tako da se impedancija podudara s koaksijalnim kabelom i smanjuje energetski odraz uzrokovan omjerom stojećeg vala (VSWR).
Međutim, ako zemaljska ravnina nije dovoljno provodljiva ili je područje premalo, efekt zrcala bit će oslabljen. Eksperimenti pokazuju da će, kada je metalno krovno područje antene vozila manja od ¼ valne duljine (oko 2,7 metara u CB opsegu), otpornost na zračenje antene spustit će se ispod 20Ω, što rezultira do 30% snage prijenosa koja se troši u hranilicu u obliku gubitka topline.
Povezanost između oblika tla i uzorka zračenja
Geometrijska struktura prizemne ravnine ima odlučujući utjecaj na obrazac zračenja. Idealna kružna ili kvadratna vodljiva ravnina može učiniti da antena formira svesmjerno horizontalno zračenje, dok će ravnina nedovoljne veličine ili nepravilnog oblika (poput zakrivljene površine haube vozila) iskriviti raspodjelu struje i uzrokovati razdvajanje zračenja. Na primjer, kada se antena vozila postavlja na stražnjem dijelu kamiona, signal se često naginje 15-20 stupnjeva prema naprijed zbog nedovoljnog metalnog područja na stražnjem dijelu tijela vozila, smanjujući stražnju udaljenost komunikacije.
Osim toga, rubni učinak tla ravnine ne može se zanemariti. Kad je vodoravna udaljenost između ruba ravnine i antene manja od ¼ valne duljine, struja ruba stvorit će sekundarno zračenje, što će ometati glavni val zračenja u fazi. Ovaj se fenomen posebno očituje u frekvencijskom pojasu od 28MHz, što može uzrokovati prigušenje signala u određenim kutovima nadmorske visine veća od 6 dB.
Odabir materijala i kontrola gubitka
Vodivi materijal ravnine tla izravno utječe na dubinu kože visokofrekventne struje. Uzimajući CB pojas kao primjer, dubina kože bakra iznosi oko 12 μm, dok je dubina kože pocinčanog čelika 35 μm zbog visokog otpora. Korištenje aluminijske legurne ploče debljine 0,5 mm može smanjiti gubitak vodiča za oko 18% u usporedbi sa čeličnom pločom. Za scenarije mobilne primjene, iako su kompozitni materijali od ugljičnih vlakana lagani, ako otpor njihovog površinskog vodljivog premaza prelazi 0,1Ω/□, učinkovitost antene će pasti za više od 40%.
Prijedlozi optimizacije uključuju: korištenje mljevene mreže od 2 × 2 metra za prizemlje za fiksne osnovne stanice, proširivanje struje raspodjele antena ugrađenih u vozilo magnetskim zemljanim pločama ili kompenzaciju ograničene ravne površine opterećenjem radijalnih vodiča. Stvarno mjerenje analizatora vektorske mreže (VNA) pokazuje da dodavanje radijalnih vodiča od 4 ¼ valne duljine može optimizirati omjer stalnog vala antene montirane na vozilo od 2,5: 1 do 1,5: 1 i povećati ekvivalentnu zračenu snagu 3DB.
Dizajn zemlje CB antene u osnovi je problem spajanja između elektromagnetskog okruženja i fizičke strukture. Samo uzimanjem provodljivog područja, oblika simetrije, parametara materijala i položaja ugradnje u obzir mogu se prevladati ograničenja performansi jednog elementa antene. Popularizaciji softvera za elektromagnetsku simulaciju, inženjeri mogu predvidjeti utjecaj ravnine tla prije prototipa kroz simulaciju trodimenzionalne distribucije polja, maksimizirajući na taj način učinkovitost komunikacije s nižim troškovima.