Gheorghe Oproescu – Tavi YO4BKM

Antenele noastre acoperă un larg spectru de frecvențe, de la unde medii până la microunde, lucru ce atage multe deosebiri între ele. Chiar dacă am lua în discuție numai antenele pentru unde scurte, găsim o mare diversitate: antene monoband sau multiband, antene orizontale sau verticale, antene directive/rotative sau cu cartacteristici fixe, antene magnetice, antene cu singur element sau cu elemente pasive, antene complicate și scumpe sau antene simple și ieftine etc, din care cu greu poate fi aleasă antena care să corespundă intereselor noastre în totalitatea lor. Fiecare antenă nu face altceva decât să împlinească câteva din ce dorim de la ea, în rest ne oferă compromisuri pe care trebuie să le acceptăm. Dacă mai adaug și liniile de alimentare sau dispozitivele de adaptare, diversitatea construcțiilor și a compromisurilor crește și mai mult. Iar compromisurile care rezolvă alte probleme legate de spațiu, posibilitățile materiale etc „ciupesc” decibelii din care dorim să pierdem cât mai puțin. Și chiar dacă nu se fac compromisuri, tot se mai găsește câte ceva de care uneori nu ținem seama și care poate să mai aducă niște dB în plus.

1. Alimentarea antenei cu cablu coaxial.

Antena are o impedanță de alimentare Z_a, linia de alimentare are impedanța Z₀. Conectând linia de alimentare la antenă, la capătul de jos al liniei va apare impedanța  Z_l care depinde, în afară de Z_a și de Z₀, de lungimea fizică a liniei de alimentare l, de lungimea de undă l și de coeficientul de velocitate al liniei. Pentru cei obișnuiți cu calculele în domeniul numerelor complexe arăt aici relația de calcul (figura 1), care poate fi folosită în mod avantajos în multe situații, dar îi voi arăta și efectele pentru a fi înțeles rolul ei și fără calcule complicate.

Fac precizarea că prin impedanța Z_a la care se cuplează linia de alimentare cu antena se înțelege impedanța pe care o are antena la locul de alimentare, corectată prin dispozitivul de adaptare (cel cu albastru în figura 1), dacă se folosește.

Arătam că formula de mai sus poate fi folosită în mai multe situații. De exemplu, măsurând impedanța concretă Z_l a unui ansamblu antenă – linie de alimentare se poate afla din formulă impedanța Z_a a antenei amplasată chiar in locul unde va lucra, dacă se cunosc datele despre linia de alimentare, fără să mai fie nevoie de măsurarea direct la antena coborâtă în locuri accesibile sau să fie folosite dispozitive de acces la antenă. În felul acesta se poate evidenția reactanța X_a și interveni asupra antenei prin reglarea lungimii sale, operație ce se poate executa în poziție coborâtă. Dar mult mai impotantă este concluzia care rezultă din formulă: dacă linia de alimenatre are o lungime egală cu un multiplu întreg de jumătăți de lungimi de undă care apar în ea (multiplu de 0,5 l_linie), atunci Z_l= Z_a. În acest caz dispozitivul de adaptare al emițătorului adaptează direct antena, ca și când linia de alimentare nu ar exista. În caz contrar ar face adaptarea unei sarcini compuse din antenă și din linia de alimentare, care se comportă ca un element radiant. În tabelul 1 arăt câteva valori pentru o antenă dipol simetric din cupru de 3 mm diametru, amplasată la diferite înălțimi peste un sol ideal, acordată pe 3700 kHz (deci fără reactanțe), alimentată cu cabluri coaxiale de 50 W și coeficient de viteză 0,66 dar cu diferite lungimi:

Tebelul 1.

Lungimea liniei rezultă simplu din 300 / 3,700 / 2 x 0,66=26,756 m.

Dar ce se va întâmpla dacă se schimbă frecvența în intervalul permis de banda folosită sau, mult mai complicat, dacă se alimenteaza o antenă sau o construcție de antene multiband? Fiind toate amplasate la aceași înălțime fizică deasupra solului dar având înălțimi relative (măsurate în lungimi de undă) diferite de la una la alta, fiecare antenă va avea propria impedanță de alimentare care, după cum se știe, depinde și de înălțimea relativă. Pentru a „aduce” acestă impedanță într-o formă cît mai nealterată la emițător, cablul de alimentare va trebui să aibe o lungime egală cu un multiplu întreg de semiunde (0,5 l_linie). Pentru benzile de 3,5–7–14–21–28 MHz capetele inferioare sunt multipli întregi ai frecvenței de 3,5 MHz, astfel că există posibilitatea de a alege semiunda celei mai coborâte frecvențe. Deoarece în cadrul fiecărei benzi frecvența poate avea diferite valori (implicit și l_linie), din mai multe testări am aflat că cea mai bună lungime pentru un cablu coaxial cu Z₀=50 W și coeficient de velocitate de 0,66 este de 27,7 m, care corespunde unei frecvențe de bază de 3,574 MHz, destul de apropiată de capătul inferior al benzii de 3,5 MHz. Pe benzile superioare, din cauza multiplicărilor, frecvența corespunzătoare se deplasează spre capătul superior.

Dacă antena este acordată (are impedanța de alimentare Z_a=66,5+0j W ) se vor obține la capătul de jos al liniei de alimentare valorile din tabelul 2:

Tabelul 2

Se observă că pe benzile cu ecarturi mari de frecvență apar, cum este și firesc, cele mai mari abateri. Valorile pentru R_l egale cu R_a (în cazul de față 66,5 W) apar la frecvențele multiplu de 3,574 MHz, de exemplu 7,148 – 14,296 – 21,444 –   28,562 MHz. Dacă antena are și reactanțe, modificarea valorilor în cuprinsul fiecărei benzi depinde de valoarea fiecărei componente a impedanței și va fi mai greu de urmărit influența lor pentru a evidenția efectul alegerii unei lungimi corecte pentru linia de aliemntare. Dar, dacă antena va avea o impedanță cu reactanțe, dispozitivul de adaptare al emițătorului o va rezolva ca și cum ar fi conectat direct la antenă, fără să rezolve o reactanță compusă din antenă și o linie oarecare.

Se poate alege orice valoare pentru frecvența cea mai scăzută, dar eu am preferat să folosesc valorile arătate mai sus. La o antenă Windom lungă de 39,4 m amplasată pe direcția E–W   într-o vale înconjurată de dealuri înalte de 50 – 150 m,  pe un teren denivelat cu distanțe până la sol cuprinse între 8 și 12 m, cu vecinătăți acoperișuri din tablă și copaci, folosesc un cablu coaxial H155 cu o lungime de 27,7 m. La o antenă „Triple leg” pentu banda de 14 MHz folosesc același tip de cablu, cu o lungime de 7 m. Iar la o antenă „J–Pole” pentru banda de 50 MHz același tip de cablu are lungimea de 5,93 m. Cu Windom am lucrat toate contienntele in modurile clasice folosind o putere de maxim 90 W dar și în modurile digitale cu numai 25 W. Cea mai mare distanță confirmată este cu ZL3IO (17544 km, mai sunt și altele, dar puțin mai apropiate, din ZL sau VK) în modul FT4 pe 14 MHz, l-am recepționat cu +00, am primit controlul –14. Antena „Triple leg” nu m-a mulțumit, cred că datorită unghiului mic de plecare undele emise nu pot trece peste unele dealuri dar și datorită radiației circulare care a disipat energia de jur împrejur, pe când Windom a nimerit cu unul din cei patru lobi (40⁰ cu orizontala, 55⁰ cu axul antenei) pe direcția potrivită. Iar cu „J–Pole”, radiație circulară, tot în moduri digitale, cea mai mare distanță confirmată este cu JT1CO (5674 km) în FT8 care, pentru cei 25 W care răzbat dintr-o vale, mă mulțumește pe deplin. Dar voi mai reveni asupra acestei antene.

2. Alimentarea antenei cu line simetrică ecranată.

Alimentarea antenelor folosind un cablu coaxial are, pe lângă avantajele indiscutabile și dezavantajul că este asimetric în raport cu majoritatea construcțiilor de antene, cu dezavantajele care decurg de aici, precum supărătorii curenți de mod comun. Dar este posibil ca o antenă simetrică să fie alimentată cu o linie ecranată simetrică, folosind cabluri uzuale. Grupând două cabluri coaxiale de aceeași lungime astfel încât tresele să fie conectate între ele la capete și legate la pământ, cele două fire centrale formează o linie de alimentare simetrică [4] a cărei impedanță este dublul impedanței caracteristice a cablului Z₀. Deși ar părea că cele două cabluri sunt în paralel, din punct de vedere electric ele sunt în serie iar impedanțele lor se vor însuma. Cum nu există soluții total avantajoase, impedanța liniei va diferi în primul rând de impedanța emițătorului ataât ca valoare cât și ca simetrie, fiind necesar dispozitive de adaptare. Există dispozitive de tip balun 2:1 precum cel de la [5] unde se dau toate datele constructive. Nu am putut să verific dacă influențează cu ceva legarea galvanică a carcasei emițătorului (care se leagă obligatoriu și la pământ) la una din bornele (simetrice) ale antenei, ținând cont de faptul că și tresa liniei simetrice se leagă la pământ, deci și la carcasa emițătorului. Pentru mai mare siguranță se pot folosi tunere de tip Z-match cu ieșire complet separată pentru linii simetrice. Cât privește adaptarea liniei simetrice de 100 W la antenă, acest lucru este posibil și depinde de construcția antenei. De exemplu, o antenă dipol acordat, deci fără reactanțe, a carei impedanță la mijloc ajunge să fie mai mică de 100+0j W , va prezenta valori mai mari pentu componenta activă cu cât punctul de alimentare se mută spre una din extrrmități, fără ca simetria sau acordul antenei să fie afectate prin alimentarea asimetrică. Tot ce s-a arătat la linia coaxială asimetrică cu privire la lungimea sa rămân valabile și în cazul liniei simetrice ecranate.  

3. Planul de polarizare a undelor.

În benzile de unde scurte se folosesc atât antene cu polarizre orizontală cât și cu polarizare verticală, între ele existând o aparentă compatibilitate. Teoretic, undele emise cu polarizarea într-un anumit plan nu pot excita o antenă care lucrează cu polarizarea într-un plan perpendicular. Numai că în unde scurte, reflexiile multiple pe ionosferă și pe supafața terestră fac să se schimbe planul de polarizare astfel încât cele două construcții diferite de ntene să poată funcționa împreună. Altfel stau lucrurile în unde ultrascurte unde reflexiile se produc sporadic și pe straturile joase ale ionosferei, respectiv stratul E aflat la 90–160 km înălțime. În 50 MHz unde folosesc o antenă cu polarizare verticală, în cel mai favorabil caz când undele ar pleca cu unghiuri foarte apropiate de orizontală, prima reflexie pe stratul E se produce la cca 1050–1400 km și abia la cca 2100–2800 km vor întâlni din nou suprafața terestră, în realitate se poate conta pe distanțe aproape înjumătățite deoarece direcția de plecare a undelor nu este orizontală. Este și motivul pentru care în 50 MHz, cu 25 W am foarte puține legături radio cu stații YO și cu controale mai mult decât modeste, dar foarte multe cu stații din alte entități. Iată un șir de exemple edificatoare: la QSO-ul cu YO9HP (aflat la 54 km) in modul FT8 am dat control de -11 și am primit -18. La QSO-ul cu JT1CO (aflat la 5674 km) am dat control de -05 și am primit -15. La QSO-ul cu CQ0ODX (aflat la 3008 km) am dat control de -17 și am primit -15. Deci am primit controale mai bune de la DX decât de la o azvârliturî de băț în YO. Mai menționez câteva controale pe care le-am primit de la distanță în 50 MHz: +05 de la DJ2IA (1165 km), +12 de la IV3VPF (1090 km), se pot vedea în figura 2 QSL-urile primite. Evident că am beneficiat de niște reflexii excelente, chiar cu undele emise la un unghi destul de mare față de orizontală, dar în traficul local acestea nu m-ar fi ajutat în niciun fel. Și mai cred că partenerii mei din YO foloseau antene cu polarizare orizontală, altfel cei 25W la 54 km ar asigura un control mult mai bun.

3. Bibliografie

[1]   Rothammel Karl. Antennenbuch. Deutscher Militaerverlag, Berlin 1969.

[2]   Smirenin B.A. Manual de radiotehnică, vol. I . Editura Energetică de Stat, 1953.

[3]   Smirenin B.A. Manual de radiotehnică, vol. II. Editura Energetică de Stat, 1954.

[4]   Series and Parallel Coaxial Cable Assemblies (on5au.be)

[5]   https://www.breko.hu/21-ballun/

[6]   Biblioteca personala de aplicații pe calculator.

Gheorghe Oproescu – Tavi YO4BKM

Articol aparut la 11-1-2024

3426