Alex Farkas YO5AMF

"Cel mai bun amplificator este o antena buna"

Problema cresterii eficientei unui sistem radiant, mai ales in mobil/portabil, este o problema dificila. Datorita spatiului disponibil (pe masina), posibilitatile tehnice de instalare a unui sistem radiant cu gabarit mare sunt limitate. Una din caile posibile, este instalarea a doua antene identice pe masina.

Prin cuplarea in paralel si fazarea corespunzatoare a doua antene identice, se obtine un castig in putere de cca 3 dB. Daca antenele individuale au o diagrama de radiatie omnidirectionala (antena verticala), prin montarea in paralel a doua antene, diagrama obtinuta se modifica si se obtine o directivitate si implicit un castig in anumite directii. La o aplicatie cu amplasament fix, antenele pot fi grupate, alimentate atat pe orizontala cat si pe verticala.

Elementele de conectare a antenelor in sistem

• CUPLORUL DE ANTENE

Acest element realizeaza cuplarea celor doua antene la emitator. Asigura repartitia puterilor in antene in conditii de amplitudine si de faza ceruta. Un cuplor deobicei imparte puterea in mod egal. Iesirile cuplorului asigura, deci, semnale spre antene in faza (nu exista defazaj intre iesiri).

Pentru intelegerea fenomenelor fizice sa trecem in revista unele considerente teoretice.

1.PROPAGAREA UNDELOR ELECTROMAGNETICE ( în linii de alimentare - fideri ).

Propagarea undelor electromagnetice într-un ghid de undă ideal se face cu viteza luminii, notata cu c (300.000km/sec). Unda electromagnetică este o undă sinusoidală (cosinusoidală). Cînd propagarea are loc într-un mediu, de exemplu cablu coaxial, viteza de propagare se reduce datorita permeabilitatii mediului.

Drumul parcurs în vid este: S₁ = c × t, unde c este viteza de propagare a luminii

Drumul parcurs în cablu este: S₂ = v × t, unde v este viteza de propagare in cablu

Defazajul se produce datorită diferenţei de drum S1 – S2, in acelasi interval de timp unda parcurge un drum mai mic

Se notează cu :

Viteza de propagare intr-un mediu, depinde de permeabilitatea e_r a mediului.

Mărimea defazajului depinde de lungimea fizică a cablului. Între lungimea fizică şi lungimea electrică există o diferenţă, datorită vitezei de propagare în vid şi într-un material cu o anumită permeabilitate. Această diferenţă este exprimată prin coeficientul de scurtare, sau coeficientul de velocitate. La cablele coaxiale uzuale de 50 -75W coeficientul de scurtare este de k = 0.66. (RG58U; RG212). In specificatii, pentru fiecare cablu coaxial este dat coeficientul de scurtare.

Defazajul întrodus de un segment de cablu coaxial, în funcţie de lungimea electrică se poate vedea din figură. Defazajul apare între semnalul de intrare şi cel de la ieşirea segmentului de cablu şi se datorează întîrzierii semnalului datorită reducerii vitezei de propagare a undei în cablu.

2.Variaţia defazajului într-o linie coaxială în funcţie de lungime.

l x F=c; (m, Hz, 300.000m/s)

de unde rezulta:

l = c /F

F = c / l

lungimea fizica: l_e = l x 0.66

O formula practica, pentru marimi uzuale este:

l = 300 /F ( m; MHz)

Sa retinem valorile defazajului introdus de un segment de cablu coaxial pentru valori curente:

Se poate observa ca un segment de cablu coaxial de nl nu modifica cu nimic situatia de faze intr-un sistem, motiv pentru care lungimea recomndata a unui fider este de nl. Daca o inversarea de faza (cu 180°), nu este semnificativa se poate folosi un fider cu o lungime de nl/2. si impedanta antenei se va regasi nemodificata la capatul cablului.

3.Segmentul de cablu coaxial l / 4 – proprietăţi –

O lungime de cablu coaxial de l/4 are niste proprietati deosebite cind:

• segmentul este scurtcircuitat la un capat
• segmentul este deschis la un capat
• segmentul este inchis cu o sarcina terminala egala cu impedanta cablului
• segmentul este inchis cu o impedanta de valoare diferita de impedanta cablului.

Zc este impedanta caracteristica a cablului

Domeniul de utilizare:

• ca defazor: un segment de cablu coaxial, cu o lungime electrică de l/4 întroduce un defazaj fix de 90 °.
• ca circuit oscilant serie.
• ca circuit oscilant paralel.
• ca un transformator de impedanţă: un segment de cablu coaxial, cu o lungime electrica de l/4, poate fi folosit ca un transformator de impedanta.

Zc, impedanţa caracteristică a cablului coaxial

Zin, impedanţa de intrare.

Zt, impedanta terminala

********

4.Divizorul (sumatorul) de putere prin 2. –SPLITER-

Spliter-ul, care poartă numele -hibridul Wilkinson- , poate fi construit în 3 variante:

• cu elemente concentrate
• cu cablu coaxial
• in tehnologia stipe line

4.1.Realizarea unui spliter cu cablu coaxial: se poate executa usor in regim de amator. Schema spliterului arata astfel:

Spliterul studiat se compune din 2 linii coaxiale, cu lungimi de λ/4 şi dintr-o rezistenta de balans (de echilibrare).Cele doua linii sus si jos, sint conectate in paralel. Punctul de intrare 1 şi punctele de iesire 2 au impedanta de 50W.

Pentru a obtine in punctul 1 impedanta de 50W, la fiecare ramura valoarea impedantei trebuie sa fie de 100W. Cele doua ramuri fiind conectate in paralel, rezulta o impedanta de 50W. Segmental de cablu coaxial λ/4 lucreaza ca un transformator de impedanta. Impedanta caracteristica Zc rezulta din formula:

deci,liniile de λ/4 vor fi confecţionate din cablu coaxial de 70W (75W)

Funcţionarea ca divizor de tensiune ( putere):

·        pe punctul de intrare 1 se cupleaza un generator G, care furnizeaza o tensiune Ug

·        pe portile laterale 2 si 3 apare Ug/2, atenuarea pe fiecare latura fiind de 3,01dB (dB tensiune). vezi fig.1b.

Izolarea portilor (2 faţă de 3, sau 3 faţă de 2) (fig.2a):

·        se cupleaza generatorul G pe poarta 2 sau 3. Semnalul ajunge de la 2 la 1, prin segmentul λ/4 iar de la 1 tot prin λ/4 ajunge la 3. pe fiecare segment atenuarea este de 3 db, deci atenuarea totala va fi de 6 dB. Semnalul sufera o defazare de 90^o+90^o=180^o datorita faptului ca traverseaza doi segmenti de cablu λ/4.

·        semnalul ajunge de la 2 la 3 print rezistenta R de 100W, dar fara defazaj. Cele doua semnale de pe cele doua traiecte se vor intilni in punctul 3 in antifaza. Celula in π, formata de cele 3 rezistente 2 de 50W si una de 100W, introduce o atenuare tot de 6dB. Deci in punctul 3 cele doua tensiuni fiind egale ca valoare, dar in antifaza, se vor anula. (fig.2b)

·        situatia este similară cînd generatorul se pune in punctul 3.

CONCLUZIA: punctele 2 şi 3 fiind izolate unul fata de celalalt, rezistenta R de 100W imbunatateste separarea (izolarea).

Domeniul de utilizare şi proprietăţi :

• ca divizor de putere: semnalul se aplică la punctul 1, care este divizat prin 2 la iesirile 2 si 3 fara nici un defazaj intre ele.
• ca sumator de semnale; semnalele ce urmeaza sa fie insumate, se aplica la intrarile 2 si 3, iar pe iesirea 1 se obtine suma lor .
• segmentul de cablu coaxial l/4 se afla intre doua impedante, una de 50 W şi o rezistenta echivalenta de 100W, de unde rezulta ca Zc =70,1W (vezi transformatorul de impedanta cu segmentul l/4). Deci liniile l/4 se confectioneaza din cablu coaxial de 70W ( sau de 75W TV).

Realizarea practica a unui splitter cu cablu coaxial pentru CB pe frecventa de 27,205MHz (CH 20)

DATE:

·        F (CH20)=27,205MHz

·        l (CH20)=11,027m

·        l/2 = 5,514m

·        l/4 =2,757m

·        Lf l/4 = 2,757 x 0,66 = 1,81962 = 1,82m ( cu mufe de legatura incluse) din cablu RG59 TV de 75 W

4.2. Spliter realizat cu elemente concentrate:

Firma ZETAGI propune pentru cuplarea antenelor pentru CB si pentru benzile de radioamator, un accesor simplu - cuplorul model AX2.

Avantajul acestui spliter este :

• banda larga de utilizare in intervalul 2-30MHz,
• putere maxima de intrare :200W.
• Intrararea si iesirile sunt realizate cu mufe SO239.

Schema electrica arata astfel:

*******

5.Puntea 6l/4

Un alt element prin care se poate insuma-diviza-combina un semnal RF este puntea realizata din segmente de cablu coaxial; - puntea 6l/4 -.

Puntea are 3 laturi cu o lungime de l/4 si o latura cu o lungime de 3l/4, rezultand o lungime totala de 6l/4 . Denumirea puntii rezulta din insumarea lungimilor laturilor din punte.

Puntea 6l/4 are o aplicabilitate mai ales in banda VHF si UHF (dar se poate incerca si in banda de 27 sau 28Mhz, unde vor rezulta lungimi de cable apreciabile. Cablul coaxial cu lugimile de l/4 respectiv de 3l/4, se face colac, intr-o cutie metalica pe care se fixeaza cele 4 mufe RF de intrare-iesire.

Proprietăţi:

• Din punct de vedere RF punctele, intre ele, sint izolate.
• Puntea 6l /4 poate fi folosita pentru insumare a doua semnale (de ex: intrari:C si B, însumare in A, diferentiere in D)
• Puntea 6l /4 poate fi folosita pentru impatţirea in doua a unui semnal (de ex: intrare A,iesiri in C si Bin faza)
• Puntea 6l /4 poate fi folosita pentru impartirea in doua a unui semnal, cu iesiri in antifaza (intrare D, iesiri C si B)
• Punctele neutilizate se pun pe sarcina de 50 W
• Toate punctele de intrare- ieşire au impedanţă de 50W

*******

5. Repartitorul de putere.

O aplicatie interesanta a puntii 6l/4, a unui spliter si a unui defazor diferential consta in realizarea unui repartitor de putere RF, la care, prin fazorul dublu-diferential se poate varia puterea de iesire, linear de la 0 la Pmaxim.

Nota: defazorul diferential este o constructie mecanica sofisticata, realizarea acestuia in regim de amator este dificila.

PARŢILE COMPONENTE:

• divizor de putere prin 2 (splitter)
• defazor diferential D01
• puntea 6l/4

NOTĂ:

• segmentele de cablu coaxial l/4 si 3l/4 sint calculate la lungimi electrice si au impedanta caracteristica Z_{C =} 70 W.
• punctele A, B, C, D si E au o impedanta de iesire-intrare de 50W.
• La iesirile E (de insumare), si D (de diferentiere ) se obtin doua semnale in cuadratura de faza (90°), cu amplitudine reglabila din fazorul diferential D01.
• Sensurile de deplasare a vectorilor: + sensul trigonometric (contrar acelor de la ceasornic)

Schema electrica a repartitorului de putere arata astfel:

Funcţionarea:

Semnalul aplicat în punctual A, in punctele B1 şi B2 este divizat în doua, prin splitter. Segmentele de cablu de l/4, introduc un defazaj de 90^o în fiecare ramura, deci în punctele B1 şi B2 avem doua semnale identice ca marime si faza. Fazorul diferential introduce un defazaj reglabil, in ramura de sus +j iar în ramura de jos, -j. Astfel in punctele de intrare C1 si C2 ale puntii 6l/4, semnalele sint defazate cu +j respectiv cu -j , conform reprezentarii grafice vectoriale. La puntea 6l/4 punctul de insumare este punctul E, iar cel de diferentiere este punctul D. Dupa cum a fost prezentata, fiecare latura cu lungimea de l/4 introduce un defazaj de 90^o,iar latura cu o lungime de 3l/4, introduce un defazaj de 270^o. Astfel semnalele din punctele C1 si C2, vor ajunge in punctul de insumare E, defazate fiecare cu 90^o, deci cu un defazaj relativ intre ele j = 0^o. În punctul E cei doi vectori se insumeaza dupa regula paralelogramului si se obtine rezultanta R_E.

In punctul de diferentiere D, semnalul de la C1 prin linia l/4 este defazat cu 90^o , iar semnalul de la punctul C2 prin linia 3l/4 (3l/4 =2l/4 +l/4 =l/2+l/4), semnalul este defazat cu 270^o (180^o + 90^o). Defazajul relativ între ele este: j =270^o-90^o=180^o. În punctul D cei doi vectori se insumeaza dupa regula paralelogramului si se obtine rezultanta R_D.

Datorita faptului ca defazajul +j; -j , introdus de fazorul diferential pe cele doua cai este variabil, se poate observa, ca marimea rezultantelor R_E şi R_D variaza in functie de j. Daca cei doi vectori in puncul E sau D sint colineari, (unghiul format intre ele este de180^o), rezultanta lor este zero, iar daca unghiul format intre ele este 0^o, rezultanta R_E sau R_D va avea valoarea maxima.

( R_E = V_E1+ V_E2).

In concluzie: puterea in punctele E şi D se poate varia intre 0 - P_max

Am considerat interesanta prezentarea acestei tehnici mai putin intilnita. Astfel de elemente de circuit sunt folosite pe scara larga in echipamentele de radionavigatie aeriana (ILS, VOR), pentru alimentarea sistemelor de antene, unde se cer conditii de nivel si de faza bine definite.

Ingeniozitatea amatoriceasca precis va gasi aplicatii utile cu aceste elemente de circuit RF.

6. Alimentarea sinfazata a doua antene.

Fazarea antenelor cuplate intre ele realizeaza insumarea vectoriala a campurilor radiate independent de fiecare antena. daca distanta intre doua antene este l, defazajul pe un astfel de drum fiind de 360grade, adica 0 grade, cele doua campuri se vor intilni in faza. Daca distanta intre antene este de l/2, campurile radiante vor fi in antifaza. La o distanta de l/4 intre cele doua campuri va exista un defazaj de 90grade.

Teorie:

ECUATII DE CAMP

A.) Fie o pereche de antene A1;A2 simetrică, alimentate cu RF şi un receptor RX in axul de simetrie a celor doua antene A1, A2.

·        Antenele A1 si A2 sînt alimentate în fază cu un semnal:

·        Drumul de la RX la antenele A1 şi A2 fiind egal.Un RX, amplasat la distanţă d va primi un semnal de

B.) Fie o pereche de antene A1; A2 simetrică, alimentate cu RF, cînd un RX se află lateral axului de simetrie la un unghi q.

q

q

	K

 

Deci amplitudinea semnalului recepţionat U_R(t) depinde de q

De exemplu, dacă D=l

U_R= K cos (p sinq )

Putem constata variaţia funcţiei cos(p sin q ) după tabelul de mai jos;

daca

Dacă reprezentăm funcţia în coordonate polare, obţinem următoarea diagramă de radiatie (fig.1) In coordonate carteziene diagrama arata astfel, (fig.2)

Fig.1.

7.Diagrama de radiatie a doua antene, alimentate in antifaza (180grade)

·        configuraţia sistemului radiant rămîne neschimbată (două antene identice, amplasate la o distanţă D )

·        cele două antene sînt alimentate în antifază, cu două semnale RF şi

– RF (180 grade).

în axul de simetrie avem:

u₁(t)= E sinwt

u2(t)= - E sinwt

rezultă că la intrarea RX, (care se afla în axul de simetrie)

U_R(t)=0

Lateral axului avem:

u₁(t)= E sin (wt+j)

u₂(t)= E sin (wt- j)

a) daca D=l; U_R = K sin (p sin q), iar tabelul funcţiei arată astfel:

30°

a) daca D=l Diagrama de radiaţie in coordonate polare arată astfel

b) dacă D= 2l, rezultă o diagramă cu doi lobi pe cadran

Concluzii:

• Diagrama de radiatie compusa de doua antene, daca sunt alimentate in faza (nu exista defazaj) depinde de distanta D intre cele doua antene. (vezi ;D=l si situatia cind D=2l ) In primul caz, cind D=l avem un maxim iar cind D=2l, avem un minim in axul sistemului.
• Ce inseamna “nu exista defazaj”? Inseamna ca de la distributie la antena cele doua cable coaxiale trebuie sa aiba lungimi identice!
• Daca cele doua antene sunt alimentate in antifaza la o configuratie identica se schimba maximul de radiatie cu minimul de radiatie (la 30 grade).
• In benzile VHF si UHF distanta D=l sau D=2l sunt realizabila, dar in HF (pe 27 sau 28MHz) este irealizabila in regim de mobil.

******

8. Fazarea practica a doua antene pe 27Mhz

DATE de INTRARE:

·        frecventa:

F (CH20)=27,205MHz

l (CH20)=11,027m

l/2 = 5,514m

l/4 =2,757m

·        antene:

verticala 5l/8, omnidirectionala in planul orizontal

distanta D intre antene: l/2 = 5,514m

Instalarea:

·        Fazare “BROADSIDE”:

Asigura un castig de putere in lobii principali de 3,86dB, ceea ce corespunde la o putere radiata de 2, 43 ori. Lobii principali se extind la +/-30 grade

Realizarea practica a fazarii se prezinta astfel:

Putem observa, ca cele doua antene amplasate la o distanta de l/2 sunt alimentate in faza, lungimile cablelor coaxiale L1, L2 fiind identice si de orice lungime. Adaptarea se realizeaza de spliter. Antenele se regleaza separat fiecare pe CH20 la un SWR minim, dupa care se cupleaza intre ele.

O alta modalitate de cuplare a doua antene in configuratia BROADSITE, care nu necesita nici un splitter, arata astfel:

In acest caz insumarea in faza se realizeaza prin doua segmente de cablu coaxial de 75 ohmi cu o lungime electrica de l/4 .(lungimea fizica Lf=Le x 0,66) Deci :2,757m x 0,66 = 1,82m. In acest caz nu mai putem respecta distanta Dm de l/2 intre antene, deci ele vor fi montate mai aproape.

Cum functioneaza acest mod de insumare?

Fiecare antena se alimentaza printr-un segment de cablu l/4, cu Zc=75 ohmi. Acest segment lucreaza ca transformator de impedanta. Din cele prezentate introductiv, putem scrie:

Fiecare antena la intrarea ramificatorului T “prezinta” o impedanta de 112,5 ohm. Cele doua impedante fiind cuplate in paralel in ramificator, rezulta la iesire o impedanta de 56,25 ohm, deci o valoare acceptabila pentru intrarea in TX de 50 ohm. (cablu coaxial de 70 ohm nu se gaseste in mod curent).

Metoda este foarte simpla, dar are dezavantajul ca antenele trebuie sa fie montate mai aproape, deoarece lungimile celor doi segmenti de cablu de l/4 insumate, dau o lungime cu 0,66 ori mai mica decit l/2 electric, deci cablu nu ajunge.

Antenele fiind mai aproape lobii fata - spate nu sunt asa de pronuntati, castigul obtinut este mai mic.

·        Fazarea “ENDFIRE”

Daca modificam lungimile cablelor la cele doua antene si implicit fazarea cu l/2 (180 grade) la antena B, se obtine o rotire a diagramei anterioare cu 90 de grade. Radiatia obtinuta este mai larga. (cca 40 grade)

In lobii principali castigul de putere este de 2,3dB, ceea ce corespunde la un multiplicator de putere de 1,7 ori.

Realizarea practica se prezinta astfel:

·        Fazarea “Cardoida”

O particularitate interesanta pentru traficul rutier in mobil este fazarea “cardoida”. In acest caz antena B primeste un semnal defazat cu l/4 (90 grade), fata de antena A. Radiatia obtinuta prezinta un maxim in sensul de mers inainte si un minim in spate. Totodata lateral se obtine o radiatie consistenta. Cele doua antene se plaseaza in lungime pe masina in sensul de mers.

Realizarea practica se prezinta astfel:

Nota:

• Lungimile de cablu cuprind si mufele de legatura (PL2590), deci se masoara la mm !
• Exemplele date sunt calculate pentru canalul CH20 (mijlocul benzii) CB.
• La metode prezentate se preteaza doua antene identice.
• La realizarea splitter-ului se va urmarii legaturi cat mai scurte posibile si rigiditatea maxima.
• Cu relatiile date, se pot dimensiona sisteme radiante pe orice freventa dorita.

Alex Farkas YO5AMF

Articol aparut la 4-6-2006

27311