Perché la progettazione del piano di terra dell'antenna CB influisce sull'efficienza della trasmissione del segnale?

Nelle comunicazioni radio della banda dei cittadini (CB), la progettazione del piano di terra dell'antenna è spesso considerata uno dei fattori fondamentali che influenzano l'efficienza della trasmissione del segnale. Che si tratti di un'antenna montata sul veicolo o di una stazione di base fissa, l'interazione tra il piano di terra e l'antenna determina direttamente la direzione di radiazione, la corrispondenza dell'impedenza e la perdita di energia. Comprendere i principi elettromagnetici dietro di esso può non solo ottimizzare la qualità della comunicazione, ma anche evitare colli di bottiglia per le prestazioni causati da errori di progettazione.
Il ruolo di base del piano di terra: teoria delle immagini e ciclo di corrente
Secondo la teoria dell'antenna, il piano di terra forma uno "specchio virtuale" sotto l'antenna monopolare verticale (come l'antenna CB di lunghezza d'onda ¼ comune) attraverso il principio dell'immagine, rendendo la struttura dell'antenna originariamente asimmetrica equivalente a un'antenna di dipolo simmetrica. Questa equivalenza estende l'effettiva lunghezza elettrica dell'antenna e influisce significativamente sulla sua resistenza alle radiazioni. Ad esempio, un piano di terra conduttivo ideale può aumentare la resistenza alle radiazioni di un'antenna a lunghezza d'onda da circa 36Ω a 50Ω, raggiungendo così la corrispondenza dell'impedenza con il cavo coassiale e riducendo la riflessione energetica causata dal rapporto ondata permanente (VSWR).
Tuttavia, se il piano di terra non è abbastanza conduttivo o l'area è troppo piccola, l'effetto specchio sarà indebolito. Gli esperimenti mostrano che quando l'area del tetto metallico dell'antenna del veicolo è inferiore a ¼ di lunghezza d'onda (circa 2,7 metri nella banda CB), la resistenza alle radiazioni dell'antenna scenderà al di sotto di 20Ω, con conseguente alimentazione fino al 30% della potenza di trasmissione sprecata nell'alimentatore sotto forma di perdita di calore.
Correlazione tra forma del terreno e modello di radiazione
La struttura geometrica del piano di terra ha un'influenza decisiva sul modello di radiazione. Un piano conduttivo circolare o quadrato ideale può rendere l'antenna forma di radiazione orizzontale omnidirezionale, mentre un piano con dimensioni insufficienti o forma irregolare (come la superficie curva della cofano del veicolo) distorcerà la distribuzione di corrente e causerà la divisione del lobo delle radiazioni. Ad esempio, quando l'antenna del veicolo è installata nella parte posteriore di un camion, il segnale viene spesso inclinato di 15-20 gradi in avanti a causa dell'insufficiente area metallica nella parte posteriore del corpo del veicolo, riducendo la distanza di comunicazione posteriore.
Inoltre, l'effetto bordo del piano di terra non può essere ignorato. Quando la distanza orizzontale tra il bordo del piano e l'antenna è inferiore a ¼ di lunghezza d'onda, la corrente del bordo genererà radiazioni secondarie, che interferiscono con l'onda di radiazione principale in fase. Questo fenomeno è particolarmente evidente nella banda di frequenza a 28 MHz, che può causare l'attenuazione del segnale ad determinati angoli di elevazione supera i 6 dB.
Selezione del materiale e controllo delle perdite
Il materiale conduttivo del piano di terra influisce direttamente sulla profondità della pelle della corrente ad alta frequenza. Prendendo la banda CB come esempio, la profondità della pelle del rame è di circa 12 μm, mentre la profondità della pelle dell'acciaio zincato è di 35 μm a causa della sua elevata resistività. L'uso di una piastra in lega di alluminio spessa 0,5 mm può ridurre la perdita di conduttore di circa il 18% rispetto a una piastra di acciaio. Per gli scenari di applicazione mobile, sebbene i materiali compositi in fibra di carbonio siano leggeri, se la resistenza del rivestimento conduttivo superficiale supera 0,1Ω/□, l'efficienza dell'antenna diminuirà di oltre il 40%.
I suggerimenti di ottimizzazione includono: Utilizzo di una griglia di terra in alluminio da 2 × 2 metri per stazioni di base fissa, espandendo la distribuzione corrente delle antenne montate sul veicolo con piastre di terra magnetica o compensando l'area del piano limitato caricando conduttori radiali. La misurazione effettiva dell'analizzatore della rete vettoriale (VNA) mostra che l'aggiunta di 4 ¼ di conduttori radiali a lunghezza d'onda può ottimizzare il rapporto ondata permanente dell'antenna montata sul veicolo da 2,5: 1 a 1,5: 1 e aumentare la potenza irradiata equivalente di 3DB.
La progettazione del piano di terra dell'antenna CB è essenzialmente un problema di accoppiamento tra ambiente elettromagnetico e struttura fisica. Solo prendendo in considerazione l'area conduttiva, la simmetria a forma, i parametri del materiale e la posizione di installazione possono essere superate i limiti di prestazioni di un singolo elemento di antenna. Con la divulgazione del software di simulazione elettromagnetica, gli ingegneri possono prevedere l'impatto del piano di terra prima di prototipare attraverso la simulazione di distribuzione del campo tridimensionale, massimizzando così l'efficienza della comunicazione a un costo inferiore.