Antena de 433MHz de longitud de cuarto de onda: ¿más larga es mejor?

Estoy tratando de realizar un proyecto de RF utilizando módulos XY-MK-5V / XY-FS:

enlace aquí

Mi problema es que, aunque la mayoría de los blogs y las búsquedas de Google para estos módulos usan una antena de un cuarto de onda (aproximadamente 17,2 cm), mi transmisión es peor que cuando uso una antena más larga. Cuando la antena mide más de 30 cm (cerca de 1/2 longitud de onda), obtengo una mejor recepción a distancias más largas. (7 metros vs 14 metros)

Entonces mi pregunta es, ¿qué tan malo es usar antenas más largas? ¿Hay alguna razón para que se recomienden las antenas de 1/4 de longitud de onda?

En realidad, no es tan extraño. Una antena monopolo de cuarto de onda ( l = λ / 4) depende de un plano reflectante normal a la antena para actuar como un dipolo. (Como una antena VHF en un automóvil). Sin este avión, la antena de cuarto de onda no funcionará correctamente.

La solución, como ha encontrado, es utilizar una especie de antena dipolo de media onda con una longitud igual a la mitad de la longitud de onda de la señal ( l = λ / 2).

No hay daño al usar una antena más larga. La razón para recomendar una antena de cuarto de onda es probablemente que tiene una ganancia de antena más alta que el dipolo, así como el hecho de que simplemente ocupa menos espacio ... También es más simple que un dipolo "real".

Los artículos de wikipedia sobre dipolos y monopolos son bastante informativos.

En realidad, muchas placas de circuitos de 433MHz tienen una bobina con algunos devanados entre los circuitos y la almohadilla de soldadura marcada como ANT. El XD-RF-5V que estoy usando tiene una bobina de tres devanados con un diámetro de 5 mm. 5 mm x 3 x PI representa casi 5 cm, por lo que la parte externa de la antena debe tener alrededor de 12 cm para alcanzar una longitud total de un cuarto de lambda.

Siempre encuentro que las antenas son magia negra, ¡pero para mí 12 cm parecían funcionar!

Cuando calcule la longitud de los elementos de la antena, recuerde usar la velocidad de propagación menor que "c", la velocidad de la radiación EM en el espacio libre. Para un factor de velocidad, 95% es una suposición justa ... el número exacto de un cable simple se me escapa en este momento. Además, la velocidad de la radiación EM en un cable coaxial es mucho más lenta y se enumera para cada tipo de cable coaxial. 66% es una suposición justa. Esto tiene una importancia dramática si uno está tratando de sintonizar una longitud de cable de alimentación ... no relevante aquí, pero vale la pena conocerlo, de todos modos.

El OP preguntó sobre el uso de un "cable más largo" y quiero introducir precaución en ese punto. Johannes agregó, con excelencia, que el OP realmente comenzó con un dipolo de cuarto de onda que usa una segunda mitad fantasma (la tierra, como un espejo) para hacer una antena más adecuada ... el dipolo de media onda. La orientación adecuada del elemento de cuarto de onda ... el cable original ... sería NORMAL y RECTO ... es decir, para encontrar ese espejo (la tierra) del que depende. No sé qué tan alto sobre la tierra debe ser esta configuración; quizás Johannes pueda responder eso.

Más importante aún, el dipolo de media onda está PERDONANDO a los neófitos debido a su patrón de radiación simple "rosquilla" (omnidireccional), en ángulo recto y alrededor, a los cables. En otras palabras, se comunica con otras antenas que comparten una relación horizontal mutua. No hay ganancia en la dirección del cable en sí ... (verticalmente).

Un director de "reciprocidad" dice que las antenas de transmisión y recepción comparten el mismo libro de reglas. Bueno, eso es fácil de tomar, en situaciones de baja potencia como esta.

Si comienza a usar antenas dipolo más largas, instintivamente está buscando una "ganancia" más alta. ¡No es una cosa simple! DEBE adherirse a la regla de usar longitudes totales que son múltiplos impares de media longitud de onda (reducida por el factor de velocidad). Si su dipolo es simétrico, eso es bueno para los principiantes. Aquí está el problema: las antenas más largas tienen mayor ganancia ... pero también tienen patrones de dispersión / recepción cada vez más complejos; iow "lóbulos". (1 para un dipolo simple de 1/2 longitud de onda, 3 para un dipolo de 3/2 ondas ... incluyendo ambos elementos del dipolo en esta descripción de longitud), etc. Debe asimilar estos lóbulos o lo hará algunos rasguños serios en tu trasero, preguntándote qué está pasando. Nuevamente, lo que es bueno para el transmisor también es bueno para la antena receptora.

Luego están los reflejos y las pantallas. Mantener alejado de objetos metálicos. Mire hacia arriba (la gente nunca mira hacia arriba, ja, ja) en cualquier antena de televisión común en la azotea y verá un dipolo activo (polarizado horizontalmente, por cierto, típicamente) y muchos elementos reflectantes polarizados horizontalmente ... Las antenas VHF tienen reflectores DIPOLE en DIFERENTES longitudes. Cuando una paloma se sentó en THE LONGEST ONE y la dañó, quizás recuerdes la pérdida del "Canal 2" ... si tienes la edad suficiente para recordar que la gente solía depender de las ondas de aire, en lugar del cable, para su televisor visita.

La ciencia detrás de la radiación de la antena es esta: la señal transmitida es una corriente alterna, una onda sinusoidal. A 0, 1/2 o 180 grados, y de vuelta a 0 grados de la onda, la corriente está en 0 o mínimo. En los trimestres o 1/4 (90 grados) y 3/4 (270 grados) de longitud de onda, la corriente es la más alta y la radiación es la mayor. 1 cuarto de longitud de onda es la longitud de antena más corta que irradiará señal. 3/4 y 1 1/4 y 1 3/4 y así sucesivamente también son puntos de radiación. Especialmente en recibir cuanto más longitud mejor. La sintonización de una antena es el resultado de tratar de obtener la mayor corriente del transmisor durante la transmisión. Cuanto más corriente, más radiación y mayor distancia recorrerá la señal. En ese mejor ajuste, la recepción también funcionará mejor. Cuando la sintonización está desactivada, parte de la señal de salida se refleja y causa resistencia y menos radiación provoca pérdida de distancia. Esta coincidencia se denomina swr de la antena y se representa mediante una relación. Cuanto menor sea la relación, mejor. Se puede utilizar un circuito de sintonización para equilibrar el swr de casi cualquier longitud de cable.

Ya hay algunas respuestas relacionadas con las diferencias entre $\frac{\lambda}{4}$ monopolo y $\frac{\lambda}{2}$ dipolos y sus patrones de ganancia asociados, así que aumentaré las respuestas con algo sobre la coincidencia de impedancia y la impedancia característica.

Es posible demostrar que la transferencia de potencia máxima se produce en un circuito de CC analizando circuitos equivalentes simples y configurando la derivada, $\frac{dP}{dR} = 0$ Lo mismo se aplica a las reactancias conjugadas conjugadas complejas (circuitos de CA con inductores y condensadores). Su transmisor tiene una impedancia de salida efectiva y, en virtud de la geometría de la antena, la ubicación en relación con otras estructuras y los materiales involucrados, también tiene una impedancia compleja asociada. Para que ocurra la máxima transferencia de potencia, las impedancias deben ser conjugadas complejas.

La bobina en el tablero puede ser parte de esta red coincidente. El coeficiente de reflexión le indica cuánta energía se refleja en su transmisor y posiblemente se pierde. Dependiendo de lo mal que esté, puede empequeñecer las propiedades de ganancia de la antena.

Para responder a su pregunta, es probable que cambiar la longitud de la antena provoque una falta de coincidencia y pérdida de energía. El valor real de la longitud puede estar influenciado por la red que ya está en el tablero.