Antene verticale - pentru banda de 5MHz. MOTTO: Legile electrotehnicii nu pot fi contestate și nici aprobate de parlament. YO4UQ Cristian COLONATI În continuarea propunerilor deja făcute pentru antenele filare în cadrul experimentului de propagare în banda de 5 MHz pe teritoriul YO, la sugestia colegului nostru Dan - YO3GH, vom încerca să propunem o soluție pentru antene verticale instalabile în spații restrânse. O antenă λ/4 sau 5/8λ full size pentru banda de 5 MHz este dificil de realizat din cauza înălțimii mari a elementului radiant, 15m respectiv 37,5m, și a unor radiale tot așa de mari. Din literatura de specialitate (vezi HB 6-37 la 6-39) precum și din experiența proprie este posibilă execuția unei antene verticale mult mai scurte cu parametrii funcționare comparabili cu ai unei antene λ/4 în execuție full size. Tot în acest material vom aduce în atenția voastră și două proiecte de antene verticale scurtate. Pentru aceste ultime propuneri proiectarea s-a făcut cu programul de modelare 4NEC2 până la nivel de dimensionare și verificare cu ajutorul testelor de stabilitate și convergență. Din păcate autorul nu are posibilități de realizare fizică, montare și măsurători. Dacă vor exista realizatori aștept cu interes părerile acestora despre funcționare. Deci vom aborda pe rând: Antenă verticală spirală alias Helically wound în două variante constructive. Antenă verticală scurtată cu contragreutate melc. Antenă verticală scurtată cu radiale filare scurtate (într-un viitor material). Antenă verticală scurtată cu radiale rigide tubulare scurtate (într-un viitor material). Toate aceste propuneri sunt făcute cu intenția de a oferi soluții pentru o instalare într-un spațiu cât mai redus, chiar în condițiile de amplasament urban, cu parametrii de funcționare rezonabili și cu eforturi financiare minime. 1. Antenă verticală spirală Helically wound. Cu o antenă Helically wound ground plane antenna sau tradus Antenă verticală spirală am lucrat mulți ani din balconul etajului 7 al unui apartament din YO3 în benzile de 40m și 80m cu rezultate mai mult decât mulțumitoare. Dacă pentru benzile superioare 30m la 10m am folosit antene magnetice, singura soluție rezonabilă pentru benzile inferioare a fost antena spirală. Înainte de a trece la descrierea concretă a celor două antene verticale spirale pentru noua bandă de 5 MHz, una de 4m și alta de 5,5m, rog cititorul să parcurgă două materiale și anume: Antenă pentru spații reduse în benzile inferioare 160, 80, și 40m unde este descrisă în amănunt construcția antenei spirale pentru 80m și scurtul capitol din HB pag. 6-37 la 6-39, Short continuousuly loaded verticals. Ambele materiale sunt atașate acestui articol iar primul se găsește și în http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=458. Am rugat să parcurgeți aceste două materiale pentru a vă familiariza cu aspectele teoretice și practice cu care se confruntă aceste antene. Pentru cei care au parcurs deja aceste expuneri vom trece direct la realizarea practică cu descrierea dimensionării, sugestii privind materialele, instalarea, acordul și adaptarea. Pentru aducere aminte o schemă sumară de principiu este prezentată alăturat. Vom face în continuare o scurtă sinteză cu prezentarea parametrilor dimensionali de bază. Frecvența de lucru 5,365MHz de unde λ=56m, λ/2=28m, λ/4=14m. Firul radiant (spiral) de lungime λ/2+0,05λ/2 pentru a da antenei un caracter inductiv care mai apoi va fi compensat la rezonanță cu condensatorul C1.
Avem deci: λ/2+0,05λ/2=28+1,4=29,4 30m. Înălțimea suportului elementului radiant izolant pe care se înfășoară firul: Var1=4m, Var2=5,5m. Diametrul suportului elementului radiant (izolant) între 2 la maxim 10cm. Ca recomandare cu care am lucrat φ2,5 4cm comod de lucrat și de instalat. Antena va avea o bandă îngustă și fixă așa cum prevăd normativele ANCOM. Despre contragreutăți se pot spune următoarele: pot fi în varianta clasică de 4 fire de λ/4 14m dar vor ocupa foarte mult spațiu. Dacă se lucrează dintr-un balcon situat la etajele superioare se pot pune una sau două radiale din conductor flexibil izolat in PVC de 1,5 2 mmp care să se îndepărteze cât se poate de mult în lateralele balconului și apoi să cadă ploaie la verticală pe lângă ziduri; în acest caz antena va fi înclinată la 45 60 de grade în exterior. Dacă antena se poate aranja vertical (terasă, curte), lucru de dorit pentru o radiație omni direcțională, contragreutatea va fi o construcție de formă unui model melc din fir blanc de cupru susținută de o cruce din patru suporți izolanți (pvc sau alt material) de lungime cca 2m. Descrierea detaliată va fi făcută în continuare. Deoarece impedanța acestei antene este de regulă foarte mică, de regulă 5 25 ohmi, adaptarea se face cu o rețea în L sau funcție de valorile obținute pentru Za respectiv Ra la rezonanță cu un transformator de RF coborâtor de impedanță 2:1 sau 4:1. Cel mai bine este ca impedanța de intrare să fie măsurată la locul de instalare cu un analizor de antene MFJ, minivna, RigExpert sau altul pentru a putea să realizăm corect rețeaua de adaptare. Din pacate, din cauza unor restricții ale modelării în 4NEC2, o antenă spirală (helix) așa de subțire cum se propune antena helically wound nu se poate simula pentru a determina și prin calcule parametrii de funcționare. Despre construcția antenei. Suportul izolant. Personal, pentru suportul izolant al antenelor de 80 și 40m, am lucrat cu două undițe iftine de cca 7m la care vârful a fost înlocuit cu o antenă extensibilă de la aparatele de radio portabile defecte. Pentru antena de 5 MHz vom face alte propuneri alternative. Lungimea minimă pentru suport este de 0,05λ sau mai mare pentru creșterea eficienței. Pentru banda de 5 MHz / 60m ar rezulta un L=3m. Am ales însă funcție de materialele disponibile două lungimi: 4m din tub ppr și 5,5m din tub pvc cu lipire. Varianta 4m - se poate procura din Romstal > Țeavă și fitinguri din plastic alimentare cu apă și încălzire > Țevi și fitinguri ppr alb > Țeavă ppr alb. Tuburile ppr de L=4m (alb sau gri) cu diametrul φ32 sau φ40 sunt convenabile pentru un pas rezonabil al spiralei de sârmă care urmează a fi bobinat pe suport. Dacă se dorește o prelungire a tubului de ppr cu un alt tub de diametru mai mic pentru a crește înălțimea se pot folosi reducțiile pentru îmbinări. Propunerea este făcută pentru un singur tub de 4m.
Varianta 5,5m Romstal > Hidro > Canalizări și scurgeri > Țevi și fitinguri din pvc > Tuburi pvc lipire. Se îmbină prin lipire cu un adeziv gen Bison (PLASTIC Adhesive Transparent waterproof) sau chiar cu cel recomandat de Romstal, un tub de 20x1,5 L=3m cu un altul de 25x1,9 L=3m pe lungimea de 0,5m și se obține un suport de 5,5m. Tubul de 20mm intră perfect în cel de 25mm. După întărirea adezivului îmbinarea se poate bloca pentru siguranță cu 2 3 șuruburi autofiletante. Firul conductorului activ. Se pot alege între două calități ale firului de cupru: sârmă de cupru izolată email cu d=1,1mm pentru care sunt necesare ~ 300 de grame dintr-un mosor de 500 grame cu un cost de 31,94 lei de la http://www.mivarom.ro/catalog/product_info.php/sarma-bobinaj-cupru-110mm-rola-500g-et2-200-grade-p-10364 sau sârmă de cupru izolată email cu d=1,4mm unde se folosesc cca. 500 de grame dintr-un mosor de 1kg http://www.mivarom.ro/catalog/product_info.php/sarma-bobinaj-cupru-140mm-rola-1kg-et2-200-grade-p-10369 care costă 62,91 lei tot de la Mivarom. Nu se recomandă conductor flexibil izolat în pvc deoarce se bobinează foarte greu într-un bobinaj strâns pe o asemenea lungime. Ca o tehnologie de bobinaj și de plasare pe tubulatură se recomandă efectuarea operațiunii mai întâi spiră lângă spiră pe un făcăleț cu diametrul egal cu cel al tubulaturii. Se scoate ușor sau se deplasează prin translație de pe făcăleț pe tubulatură și se întinde cu pas egal pe toată lungimea. Se fixează provizoriu din loc în loc cu bandă izolatoare și apoi se face o fixare cu lac incolor care se întărește și rigidizează spirala. Am făcut calculele aproximative pentru cele două bobinaje. Cei 30m (λ/2) de sârmă bobinati pe tubul ppr de 4m cu D=40mm cca. formează 237 de spire cu pasul de 1,7cm iar pentru bobinajul pe lungimea de 5,5m vom avea 421 de spire cu pasul de 1,3cm. Pentru alte dimensiuni de tub, diametre sau lungimi, puteți calcula conform explicațiilor din articolul http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=458. Nu uitați ca la vârful tubului să plasați o antenă gen stick pliabil de la un radio portabil vechi la care cositoriți conductorul activ. Se realizează o încărcare capacitivă și se evită efectul corona. Radial melc contragreutate.
În figurile și schița alăturată se face propunerea unei structuri de radial-contragreutate pentru antene verticale indiferent de construcția acestora: full size, scurtate, spirale, cu element radiant fir sau tubular rigid, care să asigure o funcționare corespunzătoare într-un spațiu de instalare cât mai mic și o realizare practică simplă și economică. Aceste deziderate se potrivesc pentru experimentul din banda de 5,36 MHz. Precizăm faptul că simularea acestei structuri cu ajutorul programului 4NEC2 nu a putut fi făcută pentru antena spirală din motive de restricții privind segmentarea spiralei care este foarte subțire. După cum vom vedea în continuare, pentru unele din celelalte propuneri de antene verticale clasice, simularea și optimizarea cu ajutorul lui 4NEC2 se realizează perfect. Din schița alăturată se observă că suprafața total ocupată este de 2,8x2,8m iar construcția melcului poate fi ridicată pe un singur pilon la orice înălțime față de sol astfel încât să nu încurcăm alte activități. În cadrul simulărilor am propus o înălțime de 1,5m față de sol
pentru a permite utilizatorului eventuale mici reglaje precum și instalarea pe pilon a rețelei de adptare de tip L sau cu transformator de RF. Materialele folosite sunt de utilizare comună, procurabile din magazinele de instalații (Romstal): țeavă ppr 20mm, cruce ppr 20, reducții de cuplare ppr, teuri, dopuri, reducții cu filet, etc. elemente de montaj și îmbinare adaptate la diametrele elementelor active și de suport. Realizarea practică efectivă ține de priceperea și disponibilitatea utilizatorilor cu materialele existente în shack sau cumpărate. Montajul antenei. În practică putem întâlni cel mai des două situații: montajul pe o suprafață plană (sol, curte, terasă, acoperiș) la care se pot pune radiale clasice λ/4 (dacă avem loc) sau structura propusă de tip melc. Elementul radiant se urcă pe un singur pilon pasiv la înălțimea dorită de 1,5 3m. montajul înclinat într-un balcon de la un etaj superior (>4) la care 1 sau 2 radiale sunt pliate în lateralul balconului și cad vertical pe lângă pereți. Suportul fixat de mâna curentă a balconului poate arăta ca în figura de mai jos. Pentru varianta montajului pe balcon cu antena spirală înclinată, dacă dispuneți de un tuner cu acord automat care are o plaja convenabilă de acord pentru impedantele mici necesare acestei antene, tunerul se poate instala (măcar provizoriu) direct la baza antenei și poate realiza acordul și adaptarea. Pentru o altă situație, cu ajutorul unui analizor de antene se măsoară impedanța de intrare, se aduce antena la rezoanață pentru un Xin 0 și apoi se calculează rețeaua de adaptare sau transformatorul de RF.
Următoarele 3 antene verticale, proiectate în premieră cu 4NEC2 pentru banda de 5MHz, reprezintă tot atâtea soluții pentru antene în spații relativ reduse, realizabile de către amatori cu materiale ușor procurabile. Vor fi prezentate principalele capturi de ecran cu cele mai importante rezultate ale proiectării precum și parametrii electrici și de eficiență realizabili. Unul din elementele care poate fi remarcat este acela că pattern -ul antenelor nu mai este unul de tipul NVIS ci a devenit unul omnidirecțional la un unghi relativ mic favorabil propagării pe distanțe mai lungi. De asemeni se vor consemna aspectele dimensionale și ca de obicei principalele materiale necesare execuției. 2. Antenă verticală scurtată cu contragreutate melc. Beneficiind deja de prezentarea anterioară a proiectării contragreutății de tip melc o vom aplica de această dată unei antene verticale scurtată inductiv. Melcul iși păstrează integral dimensiunile de 2,8x2,8m pe toate laturile și cei 4 suporți de câte 2m pe diagonală pentru susținerea conductorului de 2mm. Elementul radiant vertical este format din două țevi de cupru de 3m și φ10mm pentru instalațiile de încălzire care primesc la mijloc o inductanță de 20µH iar la vârf un stick reglabil de la o antena extensibilă de radio portabil cât mai lungă de 75 100cm. Antene extensibile noi se găsesc la magazinele auto. Să prezentăm în continuare capturile de ecran de la proiectarea cu 4NEC2 iar la sfârșit o sinteză cu dimensiunile și principalii parametrii obținuți. Fig.1 Principalii parametrii electrici, pattern-ul, elevația și azimutul. Fig.2 Distribuția curentului ca valoare absolută și ca modul și fază.
Fig.3 Ferestrele cu introducerea datelor necesare pentru realizarea simulării.
Fig.4 Evoluția raportului de unde staționare și a RL Return Loss, referitoare la 50 ohmi. Fig.5 Vizualizarea geometriei antenei în volumul xyz și în planurile xz și xy. Fig.6 Vizualizare 3D, diagrama Smith cu SWR-ul la 50 ohmi, rețeaua L de adaptare 50 ohmi la 13,1 ohmi. Comentarii și precizări. În proiectarea antenei s-a ținut seama de condițiile practice de realizare și anume: - Materialele să fie ușor procurabile și antena să fie realizată cu o manoperă minimă. - Reglajele să fie ușor de făcut pentru o bună funcționare. Avem mai jos figura în care sunt puse cotele de realizare în metrii. - Contragreutatea de tip melc este montată pe stâlpul de susținere la 1,5m față de sol. - A fost ales un sol rău city-industrial, de oraș, cu betoane sau terase de bloc. Pentru alte tipuri de sol trebuie refăcută simularea. - Elementul radiant este compus din două țevi de cupru de d=10mm și L=3m din magazinele de instalații. - În cei 20cm de la baza antenei este realizată alimentarea între radiant și contragreutate. - Alimentarea se face prin intermediul rețelei de adptare de tip L (filtru trece jos) cu Xs=653nH și Xp=995pF (vezi fig.6) sau mai simplu cu un transformator de RF 4:1 care aduce Z0=50 ohmi la valoarea Za=12,5 ohmi. SWR=ul în acest caz va fi Za/Z0=13,1/12,5=1,05 deci foarte bun. - Între cele două segmente de țeavă de 3m de cupru se montează inductanța de scurtare de 25µH.
- Lungimea bobinajului este bine să nu depășeazcă 10 20cm. Se calculează cu programul din sit-ul http://hamwaves.com/antennas/inductance.html prin încercări funcție de diametrul ales și modul de realizare. Este recomandat să se facă pe un suport cilindric rigid din bară de teflon (PTFE) sau altă bară de material izolant ex: poliacetal (POM) care să facă și legătura mecanică între cele două tuburi de cupru. - În vârful antenei se lipește o antenă extensibilă de la un radio portabil casat sau se cumpără una de la magazinele auto în lungime de 0,3 la 0,8m pentru eventuale reglaje finale. - Dacă se dorește altă țeavă, alt diametru sau alt material ca de ex: aluminiu este necesară refacerea simulării. S-a preferat țeava de cupru fiind ușor de procurat, ieftină, ușor de prelucrat prin lipire chiar din segmente separate și bună conductoare de RF. După montaj se poate proteja cu un lac incolor. Reglaje acord și adaptare. Să vedem cum reacționează antena, impedanța Za în punctul de alimentare, funcție de modificările dimensionale sau valoarea parametrilor unor elemente constructive ale antenei. - Programul 4NEC2 își propune posibilitatea de optimizare după mai mulți parametrii pentru diverse antene: SWR, Gain, F/B, F/R, Rin, Xin, Eff.
- Pentru o antenă de mică putere și specializată, cum este cea de 5MHz, a fost utilizată cu 4NEC2 optimizarea / minimizarea parametrului Xin 0 pentru aducerea la rezonanță. - În continuare se face o adaptare de la impedanța cablului coaxial Z0=50 ohmi la Za=Ra obținut în punctul de alimentare printr-o rețea L sau un transformator de RF / balun. - În mod normal după execuția și instalarea antenei în amplasamentul și ambientul real este util a se face o măsurătoare a impedanței Za=Ra±jXa la bornele de intrare cu un analizor de antene. În mod sigur Za măsurat după montarea antenei nu mai este egal cu cel din simulare. Cu o execuție și instalare corectă cele două impedanțe pot avea valori foarte apropiate. - Dacă Xa este negativ (-jxa) antena este capacitivă iar dacă Xa este pozitiv (+jxa) antena este inductivă. Pentru a determina semnul lui Xa cu binecunoscutul MFJ259 se poate consulta bibliografia [1] pag.87. Cu unele analizoare vectoriale de antene este mai simplu deoarece valorile se afișează direct. - Pentru Xa măsurat și care este diferit de zero (iar în 4NEC2 este Xin), trebuie să-l aducem cât mai aproape de Xin 0 prin modificarea parametrilor dimensionali. - Ce spune 4NEC2, prin funcțiunile sale de optimizare, despre felul cum se poate corecta reactanța? Dacă după optimizare creștem valoarea inductanței de scurtare (încărcarea inductivă), crește și reactanța inductivă a antenei. Dacă micșorăm valoarea inductanței antena devine capacitivă. O valoare relativ mică pentru un +jxa se poate compensa prin scurtarea stick -ului, antena extensibilă de la vârf. O valoare negativă jxa se compensează prin lungirea vârfului extensibil. O antenă în ansamblu prea lungă, care care este inductivă și nu a putut fi acordată prin antena extensibilă, se poate compensa prin scurtarea ultimului segment al melcului. Dacă antena este prea scurtă și este capacitivă se poate compensa prin lungirea ultimului segment al contragreutății tip melc chiar prin cădere la verticală pe ultima porțiune. Pentru o impedanță Za cunoscută la bornele antenei se poate calcula și construi o rețea de adaptare L (filtru trece jos montat la borne) fără a mai fi nevoie de modificarea dimensiunilor. 4NEC2, care este un program deștept, oferă acestă posibilitate de calcul pentru rețeaua de adaptare. Din 4NEC2 se lansează o generare de parametrii obișnuită din butonul de meniu cu iconul calculator care afișează ferestrele asociate tastelor F2,F3, F4, cu valorile parametrilor electrici și ai impedanței Za=Ra±jXa calculați în procesul de simulare. Avem însă Za măsurat după instalare care nu mai corespunde cu cel din simularea teoretică. Din butonul de meniu cu iconul 1:1 se lansează fereastra RLC Matching (F10) în care sunt ofertele pentru alegerea unei rețele de adaptare pe care dorim să o construim. În fereastră avem câmpurile Z-src (rig) cu valorile 50 și j0 iar în Z-load cu valorile lui Za din simulare. Înlocuim pur și simplu valorile din simulare pentru Z-load cu valorile măsurate pentru Za (Ra și Xa cu semnul + sau -). În final din
câmpul Select network alegem tipul de rețea de adaptare pe care ni-l dorim L, Π sau T pentru trece jos sau trece sus și citim valorile pentru Xs serie și Xp paralel cu valorile în µh/nh sau pf după cum este cazul. În exemplul nostru cu Za=12 j52 presupunem că este impedanța măsurată. Este valoarea lui Za fără antena extensibilă de la vârf pe care am eliminat-o. Antena a devenit capacitivă iar adaptarea L se face cu un Xs inductiv cu 2,18µH și un Xp capacitiv 1056pF. Se poate alege orice altă rețea de adptare funcție de preferințe. Apăsați în final pe butonul Use Network și veți vedea cum se schimbă în fereastra Main parametrii electrici după adaptarea antenei. Noile valori sunt cele care se văd de către transceiver de la intrarea în rețeaua de adaptare care face parte acum din corpul antenei. Ce am învățat aici? O adaptare simplă la bornele de intrare pentru o antenă monoband ne scutește de orice ajustare dimensională. În acest sens amintim că eventuale obiecte metalice: stâlpi, ancore, burlane, ferestre metalice, glafuri de tablă, acoperișuri, etc. din preajma locului de instalare deteriorează în mod semnificativ impedanța reală Za. De aceea considerăm utilă o măsurătoare la bornele antenei la locul de instalare în vederea unei adaptări corecte. Concluzii. - Apariția unei noi frecvențe de lucru în peisajul alocărilor YO (chiar dacă pentru moment in scop limitat) a deschis calea pentru proiectarea de la zero a unor antene pentru acestă bandă. - Obiectivul acestei prezentări a fost și acela de a familiariza comunitatea YO cu utilizarea unor instrumente puternice pentru construcția și funcționarea corectă a unor antene de US.
- Exemplele date aici pentru 5MHz se pot extinde și la alte benzi, mai ales în benzile joase unde restricțiile de spațiu impun construcția unor antene de dimensiuni reduse. - Pentru proiectarea de la zero a unor antene în banda de 5MHz a fost folosit programul de simulare 4NEC2. Față de unele din expunerile anterioare și tutoriale despre acest program s-au adăugat informații privin verificarea corectitudinii modelului cu testul de convergență precum și una din cele mai interesante funcțiuni ale sale: calculul automat al unor rețele de adaptare de tip L, Π sau T la bornele de intrare. Se determină rețeaua de adaptare necesară între Z0=50 ohmi ai coaxialului și impedanța complexă Za=Ra±Xa real măsurată la locul de instalare. - Dacă măsurăm impedanța de intrare și la antena spirală prezentată în acest material și folosim fereastra RLC Network din 4NEC2 vom obține rețeaua necesară pentru o adaptare corectă. - Facem un apel cu acestă ocazie către utilizatorii programului de simulare 4NEC2 să ne transmită realizarile lor pentru a le face cunoscute prietenilor din YO. Sit-ul http://frrtehnic.wordpress.com este pregătit să deschidă o rubrică permanentă și specială pentru utilizatorii lui 4NEC2. Bibliografie și anexe. [1] YO8CRZ Florin Crețu RADIOTEHNICĂ Teoretică și Practică, Ed. Pim, Iași 2013, cap.3 pag. 47-63 [2] ARRL Antenna BOOK - cap.6, pag. 6-37/6-39 [3] ARRL Antenna BOOK cap.25, pag. 25-6/25-8 [4] 4NEC2 Manual [5] Fisierul NEC executabil pentru antena verticală scurtată TEST_5MHZ_melc.doc (după descărcare schimbați extensia din.doc în.nec și executați cu 4NEC2) [6] http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=458