Pourquoi la conception du plan au sol de l'antenne CB affecte-t-elle l'efficacité de la transmission du signal?

Dans les communications radio de la bande des citoyens (CB), la conception du plan de sol de l'antenne est souvent considérée comme l'un des facteurs fondamentaux affectant l'efficacité de transmission du signal. Qu'il s'agisse d'une antenne montée sur un véhicule ou d'une station de base fixe, l'interaction entre le plan de masse et l'antenne détermine directement la direction de rayonnement, l'appariement d'impédance et la perte d'énergie. Comprendre les principes électromagnétiques derrière cela peut non seulement optimiser la qualité de la communication, mais également éviter les goulots d'étranglement des performances causés par les erreurs de conception.
Le rôle de base du plan de sol: théorie de l'image et boucle de courant
Selon la théorie de l'antenne, le plan de sol forme un "miroir virtuel" sous l'antenne monopole verticale (comme l'antenne CB de longueur d'onde courante) à travers le principe de l'image, ce qui rend la structure d'antenne à l'origine asymétrique équivalente à une antenne dipolaire symétrique. Cette équivalence étend la longueur électrique effective de l'antenne et affecte considérablement sa résistance au rayonnement. Par exemple, un plan de sol conducteur idéal peut augmenter la résistance au rayonnement d'une antenne de longueur d'onde de ¼ d'environ 36Ω à 50Ω, atteignant ainsi une correspondance d'impédance avec le câble coaxial et réduisant la réflexion énergétique causée par le rapport onde debout (VSWR).
Cependant, si le plan de sol n'est pas suffisamment conducteur ou si la zone est trop petite, l'effet miroir sera affaibli. Les expériences montrent que lorsque la zone du toit métallique de l'antenne du véhicule est inférieure à une longueur d'onde (environ 2,7 mètres dans la bande CB), la résistance au rayonnement de l'antenne baissera en dessous de 20Ω, ce qui entraîne jusqu'à 30% de la puissance de transmission gaspillée dans la mangeoire sous la forme de perte de chaleur.
Corrélation entre la forme du sol et le motif de rayonnement
La structure géométrique du plan de sol a une influence décisive sur le schéma de rayonnement. Un plan conducteur circulaire ou carré idéal peut faire de l'antenne une forme de rayonnement horizontal omnidirectionnel, tandis qu'un plan avec une taille insuffisante ou une forme irrégulière (comme la surface courbe du capuchon du véhicule) déformera la distribution du courant et provoquera la division du lobe de rayonnement. Par exemple, lorsque l'antenne du véhicule est installée à l'arrière d'un camion, le signal est souvent incliné de 15 à 20 degrés en raison d'une zone métallique insuffisante à l'arrière du corps du véhicule, réduisant la distance de communication arrière.
De plus, l'effet de bord du plan de masse ne peut pas être ignoré. Lorsque la distance horizontale entre le bord du plan et de l'antenne est inférieure à la longueur d'onde, le courant du bord générera un rayonnement secondaire, ce qui interfère avec l'onde de rayonnement principale en phase. Ce phénomène est particulièrement évident dans la bande de fréquence de 28 MHz, ce qui peut entraîner l'atténuation du signal à certains angles d'altitude dépassant 6 dB.
Sélection des matériaux et contrôle des pertes
Le matériau conducteur du plan de masse affecte directement la profondeur de la peau du courant à haute fréquence. Prenant l'exemple de la bande CB, la profondeur de la peau du cuivre est d'environ 12 μm, tandis que la profondeur de la peau de l'acier galvanisé est de 35 μm en raison de sa résistivité élevée. L'utilisation d'une plaque en alliage en aluminium de 0,5 mm d'épaisseur peut réduire la perte de conducteur d'environ 18% par rapport à une plaque d'acier. Pour les scénarios d'application mobile, bien que les matériaux composites en fibre de carbone soient légers, si la résistance de leur revêtement conducteur de surface dépasse 0,1Ω / □, l'efficacité de l'antenne baissera de plus de 40%.
Les suggestions d'optimisation comprennent: l'utilisation d'une grille de sol en aluminium de 2 × 2 mètres pour les stations de base fixes, élargissant la distribution actuelle des antennes montées sur le véhicule avec des plaques de sol magnétiques ou compensant la zone plane limitée en chargeant des conducteurs radiaux. La mesure réelle de l'analyseur de réseau vectoriel (VNA) montre que l'ajout de 4 ¼ conducteurs radiaux de longueur d'onde peut optimiser le rapport onde permanente de l'antenne montée sur le véhicule de 2,5: 1 à 1,5: 1, et augmenter la puissance radiée équivalente par 3DB.
La conception du plan de masse de l'antenne CB est essentiellement un problème de couplage entre l'environnement électromagnétique et la structure physique. Ce n'est qu'en prenant la zone conductrice, la symétrie de forme, les paramètres du matériau et la position d'installation en considération que les limites de performance d'un seul élément d'antenne sont surmontées. Avec la vulgarisation des logiciels de simulation électromagnétique, les ingénieurs peuvent prédire l'impact du plan de terre avant le prototypage par simulation de distribution de champ tridimensionnelle, maximisant ainsi l'efficacité de communication à un coût inférieur.