¿Por qué el diseño del plano de tierra de la antena CB afecta la eficiencia de la transmisión de la señal?

En las comunicaciones de radio Citizens Band (CB), el diseño del plano de tierra de la antena a menudo se considera uno de los factores centrales que afectan la eficiencia de la transmisión de la señal. Ya sea que se trate de una antena montada en el vehículo o una estación base fija, la interacción entre el plano de tierra y la antena determina directamente la dirección de radiación, la coincidencia de impedancia y la pérdida de energía. Comprender los principios electromagnéticos detrás de esto no solo puede optimizar la calidad de la comunicación, sino también evitar cuellos de botella de rendimiento causados ​​por errores de diseño.
El papel básico del plano de tierra: teoría de imágenes y bucle actual
Según la teoría de la antena, el plano de tierra forma un "espejo virtual" bajo la antena de monopolo vertical (como la longitud de onda común de ¼ Antena CB ) a través del principio de imagen, haciendo que la estructura de la antena asimétrica originalmente sea equivalente a una antena dipolar simétrica. Esta equivalencia extiende la longitud eléctrica efectiva de la antena y afecta significativamente su resistencia a la radiación. Por ejemplo, un plano de tierra conductivo ideal puede aumentar la resistencia a la radiación de una antena de longitud de onda de ¼ de aproximadamente 36Ω a 50Ω, logrando así la coincidencia de impedancia con el cable coaxial y reduciendo la reflexión energética causada por la relación de onda estacionaria (VSWR).
Sin embargo, si el plano de tierra no es lo suficientemente conductor o el área es demasiado pequeña, el efecto del espejo se debilitará. Los experimentos muestran que cuando el área del techo de metal de la antena del vehículo es inferior a ¼ de longitud de onda (aproximadamente 2,7 metros en la banda CB), la resistencia a la radiación de la antena disminuirá por debajo de 20Ω, lo que resulta en que hasta el 30% de la potencia de transmisión se desperdicie en el alimentador en forma de pérdida de calor.
Correlación entre la forma del suelo y el patrón de radiación
La estructura geométrica del plano de tierra tiene una influencia decisiva en el patrón de radiación. Un plano conductivo circular o cuadrado ideal puede hacer que la antena forme radiación horizontal omnidireccional, mientras que un plano con tamaño insuficiente o forma irregular (como la superficie curva de la campana del vehículo) distorsionará la distribución de la corriente y hará que el lóbulo de radiación se divida. Por ejemplo, cuando la antena del vehículo se instala en la parte trasera de un camión, la señal a menudo se inclina 15-20 grados hacia adelante debido a un área de metal insuficiente en la parte trasera del cuerpo del vehículo, reduciendo la distancia de comunicación trasera.
Además, no se puede ignorar el efecto de borde del plano de tierra. Cuando la distancia horizontal entre el borde del plano y la antena es inferior a ¼ de longitud de onda, la corriente del borde generará radiación secundaria, lo que interferirá con la onda de radiación principal en la fase. Este fenómeno es particularmente evidente en la banda de frecuencia de 28MHz, lo que puede hacer que la atenuación de la señal en ciertos ángulos de elevación exceda de 6dB.
Selección de material y control de pérdidas
El material conductor del plano de tierra afecta directamente la profundidad de la piel de la corriente de alta frecuencia. Tomando la banda CB como ejemplo, la profundidad de la piel del cobre es de aproximadamente 12 μm, mientras que la profundidad de la piel del acero galvanizado es de 35 μm debido a su alta resistividad. El uso de una placa de aleación de aluminio de 0,5 mm de espesor puede reducir la pérdida de conductores en aproximadamente un 18% en comparación con una placa de acero. Para escenarios de aplicación móvil, aunque los materiales compuestos de fibra de carbono son livianos, si la resistencia de su recubrimiento conductivo de superficie excede 0.1Ω/□, la eficiencia de la antena disminuirá en más del 40%.
Las sugerencias de optimización incluyen: el uso de una rejilla de tierra de aluminio de 2 × 2 metros para estaciones base fijas, expandir la distribución actual de antenas montadas en el vehículo con placas de tierra magnética o compensar el área de plano limitado mediante la carga de conductores radiales. La medición real del analizador de red de vectores (VNA) muestra que agregar 4 ¼ conductores radiales de longitud de onda puede optimizar la relación de onda estacionaria de la antena montada en el vehículo de 2.5: 1 a 1.5: 1, y aumentar la potencia radiada equivalente por 3DB.
El diseño del plano de tierra de la antena CB es esencialmente un problema de acoplamiento entre el entorno electromagnético y la estructura física. Solo tomando el área conductora, la simetría de forma, los parámetros del material y la posición de instalación en consideración se pueden superar las limitaciones de rendimiento de un solo elemento de antena. Con la popularización del software de simulación electromagnética, los ingenieros pueden predecir el impacto del plano de tierra antes de la creación de prototipos a través de la simulación de distribución de campo tridimensional, maximizando así la eficiencia de la comunicación a un costo más bajo.