Antene verticale scurtate, pentru 5 MHz, încărcate inductiv.

YO4UQ – Cristian Colonati

În continuarea expunerilor despre proiectarea câtorva antene în banda de 5 MHz vom prezenta două

antene verticale mai simple, în accepțiunea clasică a antenelor verticale. Vom porni direct de la dimensiunile

fizice obținute în urma procesului de evaluare și optimizare cu programul 4NEC2 iar mai apoi vom justifica

etapele prin care am trecut. Se vor face referiri și la cele mai importante materiale utilizabile pentru execuție.

Din schița dimensională radiantul este format din 2 țevi de cupru de D=10mm/0,7 de lungime 3m care

are la mijloc o încărcare inductivă de 25µH. Radialele sunt din sârmă flexibilă de cupru de 1mm izolată în pvc

formate din câte 2 lungimi, de 3m respectiv 3,28m partea spre sol, întrerupte de câte o inductanță de 25µH.

Înălțimea de instalare pentru radiant este de 3m iar desfășurarea radialelor la sol de 6,18m x 2 = 12,36m. Este

o soluție rezonabilă pentru banda de 5 MHz pentru o curte sau o terasă de bloc (dacă vă puteți urca acolo!).

Ca urmare a procesului de dimensionare și de optimizare s-au obținut valorile parametrilor electrici

prezentați în fereastra Main precum și distribuția de curent, diagramele de radiație cu elevația și câștigul.

Parametrul pentru care s-a făcut optimizarea a fost lungimea C2 a radialelor către sol care a ajuns la 3,28m.

Cele patru ferestre în care s-au introdus datele

dimensionale pentru antenă sunt:

- Geometry, care exprimă practic sub

forma unui format Excel, cu elemente

parametrizate sub forma unor variabile,

coordonatele carteziene într-un spațiu cu trei

dimensiuni X,Y și Z. Valorile inițiale precum și

cele ca urmare a optimizării mai întâi se declară

și apoi se regăsesc în fereastra Symbols cele

optimizate. Optimizarea a fost făcută pentru o

reactanță minimă Xin≈0 prin modificarea

automată a lungimii firului C2.

- În Source/Load s-a decalrat sursa ca

fiind una de tensiune în segmentul 2 din baza

elementului radiant. Parametrii de Load au

definit materialul conductor ca fiind cuprul iar

firele au fost izolate în pvc moale de 0,5mm.

- Au fost declarate și cele 3 inductanțe

de scurtare 25µH, în porțiunile (tag-uri) 3, 6, 9

în segmentul 2, din cele 3 segmente din care

sunt compuse aceste tag-uri.

- Freq./Ground este fereastra în care se

fac declarațiile privind frecvența de lucru și

calitatea solului în care este instalată antena.

Pentru aplicația noastră a fost simplu pentru a

declara F=5,365 MHz aprobată de ANCOM.

Solul a fost ales intenționat un sol ”rău” de

proastă conductivitate și constantă dielectrică

pentru a fi cât mai aproape de condițiile reale

de lucru din orașe. Oricând în simulare se poate

schimba calitatea solului care are drept

consecință recalcularea parametrilor electrici.

- Ultima fereastră de lucru este cea în

care introducem datele inițiale iar după

optimizarea unuia sau mai multor parametrii

obținem noile valori dimensionale sau

cantitative ale antenei. Menționăm că

optimizarea s-a făcut în scopul minimizării

reactanței de intrare Xin prin redimensionarea

firului radial din partea terminală către sol C2.

Inițial C2 a fost declarat egal cu 3m. După

optimizare pentru aducerea lui Xin≈0 valoarea

lui C2 a crescut la 3,28m, lucru vizibil în

fereastra Symbols.

4NEC2 poate afișa și relevanța geometrică a propunerii de antenă pe care dorim să o analizăm și

eventual să o optimizăm. Acest lucru se face astfel: se alege din Main > Setting > Geometry Edit și aplică tot din

Main > Edit > Input. Se pot afișa vederile antenei în spațiu și planurile XZ, YZ și XY. Se poate controla astfel

vizual corectitudinea declarațiilor geometrice pentru antena dorită. Din Main > butonul 3D sau tasta F9 se

declanșează o vizualizare colorată a diagramei de radiație prin selectarea, cu bifă sau opțiuni de câmpuri,

valorile din figura de mai sus. Avem o imagine a evaluarii condițiilor de radiație pe anumite direcții și unghiuri

de elevație și azimut. Afișarea este corectă în 3D după ce am făcut din Main o generare simplă cu butonul F7

(iconul calculator) – Start NEC-engine and Generate new output data.

Așa arată raportul de unde staționare referitor la o impedanță de alimentare de 50 ohmi. Valoarea de

1:2,8 este cam mare și va trebui să realizăm o adpatare. Vom vedea cum 4NEC2 ne oferă și soluția pentru

acestă problemă. Până atunci să verificăm dacă modelarea noastră este corectă. Prima verificare este făcută

cu testul de convergență – Conv-test selectat în câmpurile semnalate cu galben în imaginea alăturată. Se

merge îm Main > Calculate > Start optimizer > Function > Conv-test > Option > Ver-patt pentru polarizarea

verticală a antenelor de acestă natură. 4NEC2 ne propune numărul de pași (2) în care face o incrementare a

numărului de segmente de calcul (226-338) și verifică dacă stabilitatea parametrilor se menține.

Rezultatul se vede în figura de mai jos în care structura ”pattern”-ului și parametrii SWR / RL se mențin

constanți odată cu creșterea preciziei de calcul datorită creșterii numărului de segmente.

Cea de a doua verificare este a fiabilității și preciziei modelului construit. Aceasta se realizează simplu

și modelul primește niște note de apreciere în câteva intervale care ne spun calitatea modelului conceput.

Main > F7 Generate > Selecție ”Far field pattern” > Bifați căsuța Aver-Gain test > click pe Generate. Rezultatul

este afișat în fereastra Main în câmpul AGT-results.

Limitele notelor acordate modelului sunt

următoarele:

între 0.95 și 1.05 – modelul poate fi precis

între 0.90 și 1.10 – modelul este utilizabil

între 0.80 și 1.20 – modelul poate fi îmbunătățit

mai mic de 0.80 și mai mare de 1.20 modelul

trebuie redefinit și este probabil incorect.

Pentru această ultimă situație rezultatul evaluarii

modelului va fi afișată în roșu. Această verificare

se poate face chiar la începutul concepției

structurale și înainte de procesul de optimizare.

Se referă numai la corectitudinea modelului.

Din procesele de optimizare având ca obiectiv minimizarea reactanței la bornele de alimentare ale

antenei am obținut un Za = Ra + jXa = 17,8 – j0,04 deci o impedanță cu o caracteristică ușor capacitivă (practi

nulă) și cu partea rezistivă (rezistența de radiație) de 17,8 ohmi. Pentru adaptarea la impedanța de alimentare

a cablului coaxial avem la îndemână două soluții. Prima este un transformator de RF 4:1 / 50:12,5 ohmi cu care

vom obține un SWR = 17,8/12,5 = 1,42 și care reprezintă o soluție rezonabilă. În cel de al doilea caz 4NEC2 ne

oferă posibilitatea să ne calculăm singuri o rețea de adaptare economică tip L între Z0=50 și Ra=17,8 ohmi.

Din Main activăm fereastra 1:1 RLC Mtaching (F10) și introducem datele necesare calculului:

Z-src(rig)=50 și Z-Load(antenna)=17.8 pentru frecvența de 5.365 MHz. Atențiune în 4NEC2 virgula zecimală

este punctul. Din Select network alegem L – low pass și observăm valorile care s-au afișat în câmpurile verzi din

L –network. Putem introduce datele impedanței la bornele antenei, măsurate cu un analizor de antene, cu cele

două componente ale sale partea rezistivă și partea reactivă ( cu + inductivă, cu – capacitivă) iar 4NEC2 va da

răspunsul valorilor pentru rețeaua de adaptare L, Π sau T, dorită de utilizator.

În cazul nostru am introdus datele obținute după optimizarea pentru un Xin≈0. Dacă se apasă pe

butonul Use Network programul 4NEC2 conectează tețeaua la antenă și recalculează impedanța văzută de

către transceiver, de către cablul coaxial de 50 de ohmi, la intrarea in rețeaua de adaptare. În captura de ecran

făcută după acestă operațiune se vede în fereastra Main valoarea impedanței de intrare 49,9 – j0,27 ohmi.

O situație de adaptare excelentă care face un transfer maxim de putere între transceiver și antena verticală.

Pentru cea de a doua antenă verticală din acestă expunere s-a încercat o soluție constructivă mai

simplă și mai robustă. Atât radiantul cât și radialele au fost prevăzute din 4 tuburi de cupru de 10mm/0,7 lungi

de 3m. Radinatul ridicat la 3m pe un suport izolant iar radialele se pot autosusține cu o înclinare de cca. 60 de

garde față de verticală iar punctul cel mai jos față de sol la 1,5m. Scurtarea radiantului s-a făcut inductiv cu

5µH la mijlocul celor două tuburi de 3m iar pentru cele două radiale direct la bază cu inductanțe de 50µH.

Pentru reglajul fin a fost prevăzut un ”stick”, antenă extensibilă reglabilă la vârful radiantului. Nu am

prevăzut același lucru pentru radiale. Doritorii pot atașa la radiale astfel de ”sick”-uri în procesul de reglaje

finale sau la o instalare în condiții mai dificile de amplasament aglomerat sau de sol diferit. Fără să dau detalii

de montaj menționez că la firmele care comercializează elemente de instalații din cupru (și aici am în vedere

Romstal ca una din cele mai bine aprovizionate) se găsesc o multitudine de elemente de îmbinare: mufe,

coturi, joncțiuni filetate, ș.a. cu care la inspirația și îndemânarea fiecăruia se poate realiza asamblarea

proiectului. Vezi pentru documentare: http://www.romstal.ro/sisteme-de-cupru-c2968.html

Inductanțele se pot calcula cu: http://hamwaves.com/antennas/inductance.html Ca anexă la

prezentare sunt date și capturile de ecran ale parametrilor inductanțelor. Ele pot fi realizate adaptat la

structura mecanică a antenei. În figura alăturată sunt date principalele dimensiuni de realizare care au intrat în

concepția modelului proiectat cu 4NEC2.

Parametrii electrici ai antenei după optimizarea la nivelul lungimii stick-ului.

Au fost ferestrele pentru introducerea datelor modelului în vederea optimizării.

Fereastra în care se vede parametrul de optimizare Xin și elementele optimizate ”stik”ul notat în Symbols cu K.

Urmează verificarea consistenței modelului prin execuția testului de convergență. Modelul este OK!

Se poate vedea cum arată lobul de radiație 3D, diagrama Smith pentru 50 ohmi și SWR-ul pentru 50 ohmi.

Urmează partea cea mai interesantă care face adpatarea antenei la cablul de alimentare de 50 de

ohmi printr-o rețea de tip L. Parametrii văzuți de transceiver conduc la un SWR excelent de 1:1.01. După o

eventuală măsurătoare a impedanței complexe a antenei la ampasamentul de funcționare, nu ezitați, faceți

mica rețea de adpatare model L (low-pass) după ce ați calculat-o cu RLC Matching din 4NEC2. Veți avea cel mai

bun SWR și un curent de mod comun diminuat.

Comentarii finale.

- Pentru testul de propagare în banda de 5MHz la parametrii de putere și condițiile impuse de

reglementările în vigoare se poate lucra (dacă transceiverul permite) și cu o antenă fir lung sau de o

lungime oarecare acordată și adaptată cu un tunner.

- Motivul pentru care s-a făcut dezvoltarea unor proiecte de antene pentru această nouă bandă a fost

acela de a demonstra că instrumentele de proiectare și de evaluare accesibile astăzi ne permit să

construim cu mijloace proprii, cu investiții materiale minime, antene perfect funcționale pentru cele

mai diverse condiții de instalare.

- Un alt element care merită să fie adus în atenția colectivităților YO este acela că o funcționare și un

reglaj corespunzător nu se poate face decât cu ajutorul unei dotări cu aparate de măsură. În cazul

nostru a unor analizoare de antenă care să poată fi utilizate în colectiv. Din acest motiv sunt ”cluburi”.

- 4NEC2 vă oferă posibilitatea să verificați chiar antenele existente și să le evaluați performanțele

inclusiv lobii de radiație pentru direcțiile preferate. Trebuie să le cunoașteți dimensiunile și să evaluați

coordonatele X, Y și Z în spațiu.

- Comisia Tehnică Centrală a FRR invită pe toți cei care sunt interesați de funcționarea programului

4NEC2 să vină cu realizările și contribuțiile lor în materie de proiectare de antene pentru a crește

competențele în acest domeniu. Toate materialele vor fi postate pe SIT-ul comisiei în pgina specială

dedicată acestor preocupări http://frrtehnic.wordpress.com