Por que o projeto do plano do solo da antena CB afeta a eficiência da transmissão de sinal?

Na banda Citizens Band (CB) Comunicações, o design do plano de terra da antena é frequentemente considerado um dos principais fatores que afetam a eficiência da transmissão de sinal. Seja uma antena montada em veículos ou uma estação base fixa, a interação entre o plano de terra e a antena determina diretamente a direção da radiação, a correspondência de impedância e a perda de energia. Compreender os princípios eletromagnéticos por trás dele pode não apenas otimizar a qualidade da comunicação, mas também evitar gargalos de desempenho causados ​​por erros de projeto.
O papel básico do plano de solo: teoria da imagem e loop atual
De acordo com a teoria da antena, o plano do solo forma um "espelho virtual" sob a antena monopolo vertical (como a antena de comprimento de onda comum com comum) através do princípio da imagem, tornando a estrutura da antena originalmente assimétrica equivalente a uma antena dipolo simétrica. Essa equivalência estende o comprimento elétrico efetivo da antena e afeta significativamente sua resistência à radiação. Por exemplo, um plano de solo condutor ideal pode aumentar a resistência à radiação de uma antena de comprimento de onda de ¼ de cerca de 36Ω para 50Ω, alcançando assim a correspondência de impedância com o cabo coaxial e reduzindo a reflexão de energia causada pela razão de onda permanente (VSWR).
No entanto, se o plano do solo não for condutor o suficiente ou a área for muito pequena, o efeito do espelho será enfraquecido. As experiências mostram que, quando a área do telhado metálico da antena do veículo é menor que ¼ comprimento de onda (cerca de 2,7 metros na banda CB), a resistência à radiação da antena cairá abaixo de 20Ω, resultando em até 30% da energia de transmissão desperdiçada no alimentador na forma de perda de calor.
Correlação entre o formato do solo e o padrão de radiação
A estrutura geométrica do plano do solo tem uma influência decisiva no padrão de radiação. Um plano condutor circular ou quadrado ideal pode fazer com que a antena forme a radiação horizontal omnidirecional, enquanto um plano com tamanho insuficiente ou forma irregular (como a superfície curva do capô do veículo) distorcerá a distribuição atual e fará com que o lobo da radiação se dividisse. Por exemplo, quando a antena do veículo é instalada na parte traseira de um caminhão, o sinal geralmente é inclinado de 15 a 20 graus devido a uma área metálica insuficiente na parte traseira do corpo do veículo, reduzindo a distância de comunicação traseira.
Além disso, o efeito da borda do plano do solo não pode ser ignorado. Quando a distância horizontal entre a borda do plano e a antena é menor que ¼ comprimento de onda, a corrente da borda gerará radiação secundária, o que interfere na onda de radiação principal em fase. Esse fenômeno é particularmente evidente na banda de frequência de 28MHz, o que pode causar a atenuação do sinal em certos ângulos de elevação exceder 6dB.
Seleção de material e controle de perdas
O material condutor do plano do solo afeta diretamente a profundidade da pele da corrente de alta frequência. Tomando a banda CB como exemplo, a profundidade da pele do cobre é de cerca de 12μm, enquanto a profundidade da pele do aço galvanizada é de 35μm devido à sua alta resistividade. O uso de uma placa de liga de alumínio de 0,5 mm de espessura pode reduzir a perda de condutores em cerca de 18% em comparação com uma placa de aço. Para cenários de aplicação móvel, embora os materiais compósitos de fibra de carbono sejam leves, se a resistência de seu revestimento condutor de superfície exceder 0,1Ω/□, a eficiência da antena cairá em mais de 40%.
As sugestões de otimização incluem: Usando uma grade de grade de alumínio de 2 × 2 metros para estações de base fixas, expandindo a distribuição atual de antenas montadas em veículos com placas de solo magnético ou compensando a área plana limitada por carregando condutores radiais. A medição real do analisador de rede vetorial (VNA) mostra que a adição de 4 ¼ de condutores radiais do comprimento de onda pode otimizar a proporção de onda em pé da antena montada no veículo de 2,5: 1 para 1,5: 1 e aumentar a potência irradiada equivalente por 3DB.
O projeto do plano do solo da antena CB é essencialmente um problema de acoplamento entre o ambiente eletromagnético e a estrutura física. Somente levando a área condutora, simetria de forma, parâmetros de material e posição de instalação em consideração, as limitações de desempenho de um único elemento de antena podem ser superadas. Com a popularização do software de simulação eletromagnética, os engenheiros podem prever o impacto do plano de terra antes da prototipagem por meio da simulação de distribuição de campo tridimensional, maximizando assim a eficiência da comunicação a um custo menor.