Florin Cretu YO8CRZ

Circuitul de adaptare in gama este unul din circuitele de baza, folosite de radioamatori pentru adaptarea antenelor de tip quad, yagi sau verticale impamantate. Este un circuit simplu si care ar trebui sa faca parte din bagajul de cunostinte tehnice al oricarui radioamator fie el incepator sau avansat. Stim insa totul despre acest circuit?

In cele ce urmeaza este descrisa o metoda prin care un pilon folosit ca suport pentru o antena directiva poate fi folosit ca antena in banda de 80m. Faptul ca pilonul este legat practic la masa, iar inserierea unor izolatori intre baza acestuia si masa, nu este posibila, lasa ca singura solutie rezonabila de alimentare a unei astfel de antene, folosirea unui circuit de adaptare in gama (Gamma-Match sau metoda “shunt feed”). Chiar daca performantele acestei antene nu sunt la fel de bune ca cele ce pot fi obtinute cu o antena special construita pentru aceasta banda, avand in vedere costul,  ca si faptul ca antena a fost realizata cu elemente deja existente in "decor", cred ca reprezinta o solutie ce poate fi aplicata si de alti radioamatori. In plus am prezentat rationamentul folosit pentru proiectarea circuitului de adaptare, pentru a da o idee mai buna asupra modului cum trebuie tratat acest gen de probleme. Nu este antena perfecta, insa compromisul cred ca e acceptabil. Ca radioamatori folosim deseori ceea ce ne putem permite si nu neapart ceea ce ar trebui. Sa nu uitam zicala radioamatoriceasca potrivit careia chiar si o antena proasta (nu e cazul cu aceasta antena!) e mai buna decat nici o antena.

De mai multi ani nu am mai avut o antena dedicata pentru 80m. Motivele sunt multiple. Cautand o solutie pentru antena de 80m, m-am oprit asupra pilonului antenei Beam pe care o folosesc in benzile superioare. Asadar, o antena verticala pentru 80m.  Inaltimea  pilonului este mai mica decat  lambda/4, insa  beam-ul din varf, asigura o incarcare capacitiva terminala puternica, ceea ce face ca lungimea electrica  a pilonului sa fie considerabil mai mare decat lungimea fizica. Alimentarea unui vertical conectat la masa ridica insa unele probleme tehnice.

Prima mea incercare de a realiza alimentarea unei antene verticale conectate la masa,  a fost prin anii '80. Incercarea a fost bazata  in primul rand pe putinele informatiile gasite in cartea de antene a lui YO2CJ (chiar si mai sumare in cartea lui YO7DZ). Rezultatul a fost un esec total. Aceasta, pentru ca informatiile prezentate erau fie prea vagi, fie incorecte. Recent, am facut o noua incercare de realizare a unei antene verticale alimentate prin metoda “shunt feed”, bazata pe datele empirice prezentate in ARRL Antenna Book. Experimentul s-a incheiat cu un nou esec...  Nu am reusit sa obtin un raport de unde stationare sub 1:3. In acel moment am realizat (pentru a cata oara!!!) ca empirismul nu este solutia optima intr-o astfel de realizare si asta pentru ca in cazul meu particular, antena beam din varful pilonului introduce inca o variabila.

Si cum de data asta esecul a devenit o provocare personala, am decis sa tratez problema cu mai multa seriozitate. In primul rand am constatat ca de fapt nu intelegeam in profunzime modul cum functioneaza acest circuit, aparent atat de simplu.

Am incercat sa gasesc in cartile si revistele de specialitate o explicatie clara a modului de functionare si calculare a acestui circuit. Nu a fost prea usor. Am gasit pe internet multe materiale sau chiar programe de calcul cu greseli evidente. Desi metoda de alimentare a antenelor prin circuitul de alimentare gama  este prezentata in ARRL Antenna Handbook ca si in unul din compendiile pentru antene ale ARRL, sunt prezentate doar realizari facute pe baze empirice, lucru care nu m-a multumit. In cele din urma am gasit doua materiale de exceptie: Un articol al lui H.F. Tolles, din Ham Radio May/1973 : “How to Design Gamma Matching Networks”, care prezinta o procedura pur matematica de calcul, si D. J. Healey in QST Apr/1969: ”An Examination of the Gamma Match”. In articolul din QST insa, determinarea unui parametru important este lasata din pacate pe seama unei nomograme neexplicate. In plus exista unele diferente intre aplicarea acestui circuit la un dipol sau la o antena verticala. Aceste  doua articole sunt citate si in cartea de antene a lui Constantine Balanis, considerata a fi o referinta in materie, in domeniul profesional.

Pornind de la bazele teoretice prezentate in articolele mentionate, am modificat metodele de calcul in raport cu tehnicile moderne existente astazi, si  in final am obtinut rezultatele scontate. In practica valorile calculate pentru elementele circuitului gama s-au dovedit a fi foarte apropiate de cele reale, fiind necesare doar ajustari minore.

Pentru cei care vor fi interesati de realizarea unei asemenea antene sau de intelegerea modului de functionare a circuitului de adaptare gama, in cele urmeaza este prezentat atat rationamentul care a stat la baza calculelor cat si realizarea practica.

Odata intelese principiile de calcul, ca si limitele circuitului de adaptare in gama, realizarea practica devine foarte simpla. Circuitul gama se preteaza pentru antene ceva mai scurte dacat lungimea de rezonanta (si implicit cu partea rezistiva a impedantei redusa). Efectul principal al circuitului gama este cresterea puternica a impedantei la punctul de alimentare. Pentru ca in acest fel impedanta antenei devine inductiva, se foloseste un condensator serie pentru neutralizarea acesteia.

Iata in fig. 1 antena verticala astfel realizata, impreuna cu explicatiile pentru notarile folosite:

• Beam-ul din varf incarca capacitiv antena, ceea ce duce la reducerea frecventei de rezonanata a antenei. Incarcarea capacitiva este forma cea mai eficienta de scurtare a antenelor verticale.
• Cu d2 a fost notat diametrul pilonului. Daca pilonul este de tipul grinda cu zabrele, se foloseste diametrul cercului care circumscrie pilonul.
• S este lungimea bridei de conectare la pilon pentru elementul gama. Brida poate fi culisata pe pilon pentru ajustarea lungimii elementului gama.
• d1 este diametrul elementului gama
• lgama este lungimea elementului gama
• C este capacitatea folosita pentru neutralizarea componentei inductive a reactantei la punctul de alimentare a antenei (Zcoax).

Circuitul gamma match are insa si cateva proprietati unice. Poate fi analizat ca o linie de transmisie, cu un capat in scurtcircuit (capatul conectat la elementul radiant).  Pentru ca factorul de viteza al unei linii de impedanta mare,  are valoarea 1 (avand ca dielectric aer), lungimea electrica a liniei este egala cu lungimea fizica.

Plasarea circuitului gama, duce la cresterea echivalenta a impedantei la baza antenei, printr-un fenomen intalnit de asemenea si la dipolul indoit (bucla). Un lucru important care trebuie inteles despre circuitele de adaptare in gama, este ca impedanta, vazuta la capatul liniei de transmisie formata de circuitul gama, trebuie sa aiba partea rezistiva cat mai aproape de 50 ohmi. Natura impedantei unei linii de transmisie scurte, este inductiva.  Condensatorul C nu poate compensa decat componenta reactiva, neavand nici un efect asupra componentei rezistive.

Despre impedanta de alimentare a antenelor nerezonante

Iata pe scurt (cu riscul a a pierde din acuratete) cateva elemente esentiale:

Pentru a functiona eficient, o antena nu este neaparat necesar sa fie rezonanta la frecventa de lucru, insa pentru un transfer eficient de putere este absolut  esential ca antena sa fie corect adaptata.

Impedanta la punctul de alimentare a unei antene este constituita din doua componente: o parte rezistiva si una reactiva.

·         Partea rezistiva contine doua componente : rezistenta de radiatie si rezistenta de pierderi a antenei. Rezistenta de radiatie este cea care contribuie in mod direct la radiatia antenei. Rezistenta de radiatie variaza cu lungimea elementului radiant, poate lua valori de la sub 1 ohm pentru o antena mai scurta de  lambda/10, la sute de ohmi sau chiar Kohmi pentru antene mai lungi decat lambda/2. Prin masuri adecvate rezistenta de pierderi poate fi redusa in raport cu rezistenta de radiatie  si implicit, eficienta antenei creste.

• Componenta reactiva, are valoare nula la frecventa de rezonanta a antenei, natura capacitiva la frecvente aflate sub frecvena de rezonanta (antena scurta) si natura inductiva, la frecvente aflate peste freventa de rezonanta (antena lunga). Valoarea componentei reactive creste cu ecartul de frecventa, in raport cu frecventa de rezonanta naturala.

Notiunile prezentate mai sus sunt importante pentru cei care au la dispozitie analizoare de antena vectoriale, care sunt capabile sa afiseze atat partea reala a impedantei cat si cea imaginara. De mentionat ca  foarte popularele MFJ-259B/269, nu permit determinarea in mod direct a semnului partii reactive a impedantei, insa folosind un artificiu simplu, natura inductiva sau capacitiva a impedantei poate fi determinata.

In unele cazuri, pentru a putea folosi in mod eficient anumite metode de adaptare, este necesar sa reducem dimensiunea fizica a antenei (pentru ca impedanta acesteia sa devina capacitiva) pentru ca apoi sa poata fi folosit un circuit de adaptare inductiv. Este cazul unor antene Yagi, adaptate cu ajutorul unei inductante in paralel.

Daca masurarea impedantei la o antena Yagi nu este o problema, pentru o antena verticala  impamantata, lucrurile sunt complet diferite. Dificultatea majora la o asemenea antena consta in determinarea impedantei la baza, baza care este conectata la masa. In mod evident, nu putem sectiona pilonul antenei pentru a putea masura impedanta.

Ce se poate face in acest caz? Probabil cea mai buna metoda este o determinare pe baza unei simulari, cu ajutorul unui soft specializat. Am folosit pentru aceasta o simulare cu programul 4NEC2, ce foloseste un nucleu NEC2. Programul NEC2 are o serie de limitari, cand este vorba despre simularea unei antene cu radiale ingropate. Cu toate acestea sistemul radiant poate fi aproximat, cu acuratete rezonabila, cu un sistem radiant aflat la foarte mica distanta de sol.  Chiar si circuitul de adaptare in gama poate fi simulat, insa in acest caz datorita limitarilor NEC2, erorile sunt destul de importante. Limitarile in acest caz decurg din proximitatea elementului radiant si al elementului paralel de adaptare (gama), ca si jonctiunea  element radiant/ gamma match ce contine segmente cu diametre diferite. Simularea antenelor cu programele din clasa NEC2 permite obtinerea de rezultate cu acuratete remarcabila, atata vreme cat modelul folosit este corect executat si limitarile programului sunt corect intelese.

Metoda de calcul folosita de mine implica folosirea programului 4NEC2 pentru determinarea impedantei la baza antenei verticale precum si diagrama Smith pentru determinarea lungimii liniei de transmisie a circuitului gama ca si a capacitatii serie.

Atat folosirea diagramei Smith cat si a programelor de simulare a antenelor NEC2/4 sunt metode de lucru standard in domeniul profesional, insa utilizarea acestora a fost intens mediatizata in ultimi 25 de ani si in publicatiile de specialitate pentru radioamatori ale ARRL sau RSGB.

Una dintre cele mai intuitive implementari a diagramei Smith intr-un program de calcul,  este cea realizata de Fritz Dellsperger HB9AJY. Programul Smith Chart, precum si o serie de explicatii utile legate de modul de folosire a diagramei Smith poate fi gasit pe site-ul http://www.fritz.dellsperger.net/. Versiunea curenta este V3.10. Chiar si in varianta demo, programul este deosebit de util.

Programul 4NEC2 poate fi obtinut de pe site-ul: http://home.ict.nl/~arivoors/ Trebuie amintit aici ca simulatorul 4NEC2, folosit pentru analizarea antenei, permite si predictia propagarii, daca pe acelasi calculator se afla instalat programul VOACAP.

Figura 2 arata rezultatele simularii NEC, din care se poate extrage valoarea impedantei, necesare in calcularea circuitului gamma match. De remarcat ca in partea rezistiva a impedantei, este inclusa in mod automat si rezistenta de pierderi a solului, rezistenta de pierderi ce poate fi redusa marind numarul de radiale (si pana la un punct lungimea acestora). Realizarea practica a acestei antene a fost facuta cu doar 4 radiale ingropate, motiv pentru care eficienta acesteia nu este maxima.

Pentru simularea solului am folosit un model cu doua straturi (este cazul meu particular) :

• Primul strat are adancimea de 3m si urmatorii parametrii : Constanta dielectrica=13, Conductivitatea solului= 0.005 S/m. (sol mediu)
• Al doilea strat are constanta dielectrica=15 si conductivitatea 0.002S/m (sol pietros)

Am folosit modelul de sol cu doua straturi pentru ca la 3.5MHz adancimea de patrundere (efectul pelicular) in sol, este considerabil mai mare decat grosimea primului start (3m).

Conform simularii, impedanta antenei verticale la baza este de 27.6-j38.1. Ce ne spune aceasta impedanta?  O antena verticala in lambda/4 montata pe o suparfata conductiva plana (ideala), are partea rezistiva a impedantei (rezistenta de radiatie) de cca. 36 ohmi. In cazul de fata, valoarea de cca. 27.6 de ohmi (ce include de asemenea si pierderile in sol) indica (pentru acest tip de antena) o antena mai scurta de lambda/4. De fapt  componenta capacitiva redusa a impedantei (-j38) indica in mod clar ca antena este operata putin sub frecventa de rezonanta naturala.

Simularea prezinta si valoarea asteptata a eficientei de radiatie (cca. 25%), si permite evaluarea indirecta a pierderilor in sol (radiale)

Folosirea circuitului gamma match implica alimentarea elementului radiant printr-o priza aflata la oarecare distanta de sol. Metodologia de calcul in sine, nu este complicata, insa este destul de laborioasa, mai ales daca trebuie reluate calculele de multe ori. Este posibila folosirea unei tabele de calcul in Excel care se preteaza perfect la acest gen de calcule. Personal insa am preferat sa simplific un pic calculele, si sa folosesc diagrama Smith pentru determinarea lungimii liniei de transmisie pentru circuitul gama, ca si pentru condensatorul serie. O aproximare pe care am introdus-o, se refera la calcularea coeficientului de multiplicare a impedantei "r", introdus de linia de transmisie formata de circuitul in gama, asupa impedantei la baza antenei.

In continuare este prezntata pas cu pas metoda folosita pentru calcularea circuitului de adaptare in gama.

Metodologia de calcul

1. Se determina impedanta la baza elementului radiant Z0, pentru frecventa de interes.

2. Se calculeaza efectul de multiplicare a impedantei Z0, datorat liniei de transmisie constituite de circuitul de adaptare in gama. Se noteaza noua impedanta cu Z1

3. Se determina impedanta la punctul de alimentare de pe elementul radiant. Se noteaza aceasta impedanta cu Z2.

4. Se  calculeaza impedanta liniei de transmisie formate de circuitul de adaptare gama. Se noteaza cu Zgama. Valorile practice sunt intre 200 si 600 ohmi.

5. Se plaseaza pe diagrama Smith impedanta Z2.

6. Se traseaza pe diagrama Smith o linie de transmisie in scurt cu impedanta Zgama, pana la intersectia cu cercul de rezistenta constanta de 50 ohmi.

7. Se inseriaza apoi condesatorul C, dupa care se schimba valoare acestuia pana cand se atinge un punct cat mai apropiat de centrul diagramei Smith.

Lungimea liniei de transmisie a circuitului gama ca si valoarea condensatorului este afisata de programul de lucru cu diagrama Smith.

Iata in continuare formulele de calcul folosite ca si un exemplu de calcul cu date reale.

Reamintim urmatoarele notaiile folosite: d2 este diametrul pilonului, d1 este diametrul elementului gama, S este spatiul intre pilon si elementul gama. Toti acesti parametrii influenteaza marimea impedantei liniei de transmisie astfel formata, precum si coeficientul de multiplicare a impedantei de la baza antenei.

                                       unde

d2= diamteru pilon=57mm

d1= diametru gama=2.5mm

S= spatiu intre pilon si elementul gama= 450mm

r=9.7

                                   Z0=27.6 –j38.1, rezulta Z₁=(27.6-j38.1)*9.7=267-j369

                                    ,   Z₂=Z₁*1.08, Z₂=(267-j369)*1.08=288-j398

A=Lungimea  gama exprimata in grade. (lungimea electrica a circuitului gama, exprimata in lungime de unda, multiplicata cu 360)             A=16⁰

Lambda=85m (3.5MHz), lgama=3.5m  (lgama rezulta din diagrama Smith)

                            A=(85/lgama)*360=16⁰

                                   ,  Z_Gama= 520 ohmi

Dimensiunea elementelor  circuitului gama a fost aleasa in asa fel incat sa rezulte o impedanta de 520 ohmi. De ce a fost aleasa impedanta de 520 ohmi in cazul de fata?  O impedanta mai redusa a liniei ar fi rezultat intr-o lungime mai mare a liniei gama, de exemplu o linie de 300 ohmi ar fi fost cu 50% mai lunga.

Nota :  Formula corecta pentru coeficientul de multiplicare r foloseste functia cosinus hiperbolic, insa pentru valorile practice pe care le poate lua argumentul, formula a fost transformata (cu erori minime) intr-o formula ce foloseste doar logaritmul (zecimal!). Aceasta in dorinta de  nu folosi notiuni matematice peste nivelul de liceu....hi,hi. 

Metoda folosita pentru calcul, introduce si o aproximatie in calcularea impedantei Z₂. In determinarea  impedantei Z₂, este necesara lungimea  elementului gama. Lungimea reala a liniei gama este de fapt determinata in pasul urmator, folosind diagrama Smith. Aceasta implica ca in realitate punctul de pornire de pe diagrama Smith, de fapt se modifica putin odata cu modificare lungimii liniei elementului gama. Ca valoare de plecare se poate lua 0.04-0.05 lambda. Odata determinata valoarea finala a lungimii liniei gama pe diagrama Smith, se pot reface calculele pentru Z₂ (procesul poate fi iterativ), insa in general erorile sunt mici.

Am considerat ca metoda de calcul folosita ofera o precizie suficienta, fapt confirmat in urma realizarii practice a antenei. Evident, perfectionistii pot imbunatati precizia de calcul.

Lucrul practic pe diagrama Smith           

Se foloseste programul Smith Chart, creat de  Fritz Dellsperger HB9AJY. In ciuda aparentelor, este de fapt deosebit de simplu …. Se incepe prin plasarea pe diagrama a impedantei Z₂=288-j398. Acesta este punctul notat cu DP1 pe diagrama (marcat cu un patrat). Se plasaza apoi o linie de transmisie in scurt cu impedanta de 520 ohmi. Se ajusteaza lungimea liniei pana cand se ajunge la (sau foarte aproape de) cercul de rezistenta constanta de 50 ohmi. Acesta este punctul TP2. Programul calculeaza automat lungimea necesara pentru linia de transmisie gama. Se aplica apoi condensatorul serie C. Se ajusteaza condensatorul pana la atingerea unui punct cat mai apropiat de centrul diagramei Smith. Acesta este punctul TP3. Valoarea condensatorului este afisata in mod automat pentru frecventa de lucru declarata.

Pentru a putea evalua mai usor din punct de vedere calitativ circuitul de adaptare, am plasat pe diagrama Smith un cerc auxiliar (maro) pentru valoarea SWR=1.5

Schema echivalenta a circuitului de adaptare este reactualizata automat la adaugarea fiecarei noi componente pe diagrama. Schema finala este prezentata in fig.5.

De notat ca elementele de pe diagrama Smith corespund in totalitate cazului meu particular, unde lungimea elementului gama nu a putut fi optima (era prea aproape de punctul de ancorare). Pentru lungimea optima  capatul liniei de transmisie de 520 ohmi ar fi fost pe cercul de rezistenta constanta de 50ohmi. In acest caz condensatorul serie ar fi permis atingerea centrului diagramei si implicit un SWR de 1:1. Cata vrema insa ne situam in interioruil cercului  SWR de 1.5:1, este insa acceptabil.

Se observa ca am sintetizat circuitul de adaptare pornind de la impedanta sarcinii catre generator. Se putea porni si de la generator spre sarcina insa in acest caz se ajunge in conjugata impedantei pentru DP1 (Z₂^*=288+j398).

Trebuie spus ca functie de situatia concreta, valoarea rezultata pentru impedantei Z₂ poate fi de asa natura incat linia de transmisie ajunge sa aiba o lungime nepractica. In aceste cazuri se poate incerca schimbarea impedantei liniei gama (spatiul dintre pilon si elementul gama sau diametrul elementului gama). De asemenea trebuie avut in vedere ca valoarea condensatorului este afectata de impedanta liniei folosite. Valori prea mici ale condensatorului, implica reactante mari si implicit tensiuni de lucru excesive pentru condensator.

Dimensionarea capacitatilor

Trebuie avut in vedere ca intregul curent care strabate condensatorul C, este de fapt curentul care circula prin cablul coaxial. Ex. la 1KW/50 ohmi, curentul este de 4.47A.

Reactanta condensatorului de 270pF la frecventa de lucru (3.5MHz), este de 168 ohmi. De aici rezulta ca tensiunea ce apare pe condensator este:

 U=I*X_C= 4.47*168=753V_ef, sau cca. 1.1KV tensiune de varf

Tensiunea la care trebuie sa reziste condensatorul este tensiunea de varf. Cum insa ne putem astepta ca impedanta reala sa fie diferita de 50 ohmi, curentul poate depasi 6-7A (la capete de banda SWR trece de 2.5). In acest caz,  considerand si coeficientul de siguranta (ce tine seama si de umiditate-salinitate, presiune, temperatura, etc.) e necesar un condensator cu o tensiune de strapungere de cca. 2.5KV. E clar ca un simplu condensator variabil pentru receptie nu este adecvat la putere mare, pentru o asemenea aplicatie

Daca frecventa de interes este 1.8MHz, atunci reactanta aceluiasi condensator se dubleaza si in consecinta si tensiunea pe condensator se dubleaza. La fel se intampla, daca capacitatea necesara scade la jumatate. Este foarte usor sa se depaseasca tensiunea de strapungere a condensatorului, daca rezerva nu este suficienta.

Avand in vedere curentul ridicat care trece prin condensator, e necesar sa fie folosit un condensator cu contacte de frictiune pe rotor foarte bune, eventual un condensator de tip fluture la care curentul nu trece prin nici un contact mobil. Evident un condensator variabil in vid este preferabil, insa acestea sunt de obicei foarte scumpe si mai greu de gasit.

Se poate incerca si determinarea capacitatii necesare in circuitul gama cu ajutorul unui condensator variabil, urmand apoi sa se inlocuiasca variabilul cu un grup de condensatori de tensiune/curent mare si capacitate echivalenta.

Daca este necesar  sa folosim si un condensator  in paralel cu linia de cablu coaxial (Omega Match) tensiunea de functionare este tensiunea de varf corespunzatoare puterii pe sarcina de 50 ohmi, neexistand cerinte referitoare la curent.

Atentie: Rotorul variabilului trebuie izolat (indiferent de tipul  folosit), acesta fiind sub tensiune. Pentru tensiunea de strapungere in acest caz se ia in considerare tensiunea de varf. Pentru curent (in acest caz conteaza doar efectul termic) se considera valoarea efectiva.

Cand se lucreaza cu curenti mari, pierderile (R*I²) pot deveni importante, motiv pentru care elementul gama trebuie sa aiba un diametru minim corespunzator.

Pierderile de putere datorate  rezistentei ohmice (ce include si efectul pelicular), pot fi importante atunci cand se lucreaza cu impedante reduse (curenti mari). Ca exemplu, un conductor de cupru cu o lungime de 3.5m si un diametru de 2.5mm are o rezistenta in  curent continuu de  0.013ohmi. La frecventa de 3.5MHz are o rezistenta de 0.225ohmi iar la 28MHz 0.63 ohmi.

Reglaje si alte detalii practice

La realizarea practica a antenei, se regleaza condensatorul C pentru  reflectata minima la frecventa de interes. Daca minima este diferita de 1:1, se poate incerca modificarea  lungimii elementului gama. In practica se folosescte o brida de scurtcircuitare, ce poate fi culisata. Constructiv, elementul gama se face cu cca. 15-20%  mai lung decat valoarea calculata pentru a avea o marja de ajustare acceptabila la reglajul final. Portiunea ramasa nefolosita se poate taia ulterior. Avand in vedere ca lungimea electrica  ramasa (practic un stub deschis scurt) este foarte redusa, poate ramane in circuit fara nici un fel de efecte adverse.  Se reface acordul condensatorului C dupa fiecare ajustare a lungimii elementului gama. Daca dispunem de un analizor de antena ce poate masura partea rezistiva a impedantei, putem trage cateva concluzii importante asupra lungimii elementului gama. O valoare sub 50 ohmi a partii rezistive a impedantei la punctul de conectare a cablului coaxial la condensatorul C, denota o lungime prea mica elementului gama. O valoare de peste 50 ohmi a partii rezistive indica un element gama prea lung.

Daca prin modificarea punctului de alimentare pe elementul radiant, sau schimband impedanta liniei de transmisie, nu se poate atinge o parte rezistiva a impedantei apropiata de 50 ohmi, se recurge la circuitul de adaptare in omega (se mai adauga un condensator in paralel cu linia de cablu coaxial).

Cateva detalii suplimentare legate de modul in care pilonul antenei a fost pregatit pentru a fi folosit ca element radiant ca si alte detalii practice:

• Toate cablurile de ancora sunt izolate de pilon, cu ajutorul unor izolatoare ceramice. In plus, cablurile de ancora sunt segmentate cu izolatori ceramici, pentru ca lungimea maxima a acestora sa nu fie rezonanta la frecventele la care opereaza antena beam din varful pilonului.
• Tresa cablului coaxial ce alimenteaza antena beam din varful pilonului, este conectata la pilon la capatul dinspre antena beam  (inainte de balun) si de asemenea la baza pilonului.
• Cablul de control pentru rotorul antenei este decuplat suplimentar cu capacitati de 10n/1kV la baza pilonului.
• Cablul coaxial ce alimenteaza antena verticala este ingropat intre antena si casa. Inainte de intrarea in casa (3-4m) am folosit pe tresa coaxialului un soc RF pentru limitarea curentilor de mod comun. Pozitia optima pe coaxial a socului, a fost determinata  cu instrumentul si metoda descrisa in articolul despre curentii de mod comun publicata in revista FRR. Tresa coaxialului este impamantata inainte de a intra in casa.

·         Daca se foloseste putere mare, verificati incalzirea tuturor contactelor, dupa o transmisie cu purtatoare continua de cca. 1 min (evident, nu stati in preajma antenei in timpul testului…).

·         Daca se lucreaza cu putere mica (100W), exceptand cablurile de ancora care trebuie neaparat izolate de pilon, restul precautiilor desi sunt de dorit, nu sunt absolut necesare.

Exteriorul tresei cablului coaxial ce alimenteaza antena verticala actioneaza ca o contragreutate in zona de camp apropiat a antenei, deci in mod inevitabil apar curenti de mod comun care trebuie impiedicati sa se propage pana in locuinta. Metoda standard este sa se foloseasca un soc RF (ferite plasate pe coaxial)  inainte de intrarea in locuinta a cablului.

Toate aceste cerinte au motivatii solide si explicatii clare, insa nu vor fi detaliate aici pentru a nu supraincarca articolul.

Condensatorul variabil, ca si jonctiunea cu cablul coaxial trebuie protejata corespunzator contra umiditatii, prafului sau a insectelor. O cutie de plastic etansa, rezistenta la UV, poate fi utilizata cu succes pentru o asemenea aplicatie.

Performantele unei antene verticale montate la sol, cu radiale ingropate, depind in mod esential de conductivitatea solului precum si de numarul si lungimea radialelor folosite. In situatia mea am fost nevoit sa folosesc un numar redus de radiale (doar 4). Am incercat imbunatatirea impamantarii cu ajutorul unui electrod de 3 m lungime, (…pe care l-am  introdus in sol cu foarte mari eforturi, la baza antenei), insa reducerea rezistentei de pierderi a sistemului radial a fost mai mica (desi notabila) decat valoarea asteptata. Acest electrod de impamantare este si punctul de conectare a tuturor radialelor si este conectat si cu pilonul.

Performante obtinute

Banda de trecere a antenei realizate este de cca. 200KHz pentru SWR 2.5:1, daca minimum obtinut este de 1 :1. In cazul meu minimul este de 1 :1.5, iar banda este de doar 130KHz. Pare insa mult mai mult decat ne-am astepta de la o antena scurta. Incarcarea capacitiva a antenei este insa forma de incarcare care asigura banda maxima si pierderile minime in raport cu incarcarea inductiva. Banda antenei este insa aplatizata si de pierderile din sol (respectiv numarul de radiali insuficienti). Prin ajustarea capacitatii C este posibil sa se regleze frecventa la care SWR-ul este minim (minimul absolut se obtine insa doar la o singura frecventa, in cazul meu 3.55MHz. La 3.8MHz minimul obtinut este de 1 :1.8 (pentru o valoare mai redusa  a SWR e necesara si ajustarea lungimii elementului gama). Capacitatea variabila C se ajusteaza pana cand partea reactiva a impedantei ajunge la zero - ca in imagine (sau SWR minim daca nu se dispune de un analizor de antena).

Evident ca trebuie luat in considerare si circuitul de adaptare a impedantei, ca factor limitativ al benzii de trecere  (banda limitata de  SWR) a antenei. In simularea din fig.6 curba rosie reprezinta SWR iar cea albastra S22 (care in acest caz este identic cu RL (Return Loss)). Banda de trecere a circuitului de adaptare este considerabil mai mare decat cea a antenei, asa incat impactul circuitului de adaptare asupra benzii de trecere a antenei este minimal.

Performantele de radiatie obtinute sunt in linii mari, cele asteptate de la o antena verticala. Eficienta este maxima la distante mari. Pentru distante reduse, un dipol plasat la inaltime relativ redusa fata de sol (1/4-1/8 lambda) este in mod cert mai eficient. Nivelul de zgomot al unei antenei verticale (in zona urbana) in banda de 80m este mult mai mare decat  cel al un dipol orizontal. Folosirea unei antene separate pentru receptie, (ce poate fi si cu dimensiuni reduse), este probabil solutia optima pentru maximizarea raportului semnal/zgomot. Evident, antena de receptie trebuie plasata in afara zonei de camp apropiat a antenei verticale, pentru a minimaza captarea zgomotului re-radiat de catre antena verticala.

In fig.7 am combinat rezultatul a doua simulari, prezentand castigul comparativ al antenei verticale realizate de mine (rosu), fata de un dipol orizontal (albastru) aflat la 15 m inaltime fata de sol. Pentru unghiuri mari de radiatie (60⁰-75⁰), deci distante scurte de propagare (cateva sute Km), dipolul este superior cu pana la 2-3 puncte S. Pentru unghiuri reduse (10⁰-15⁰), deci distante mari de propagare >2500Km, antena verticala este mai buna cu pana la 1-2 puncte S. Datele din simulare sunt in perfecta concordanta cu datele obtinute in trafic. Diferenta intre castigurile estimate pentru cele doua antene (max -1.2dBi pentru antena verticala si max +6.5dBi pentru dipol) trebuie privita deci prin prisma unghiului la care ne intereseaza castigul maxim.

Nota: castigul mentionat anterior pentru antene nu este castigul in spatiu liber ci castigul real, in care efectul solului este luat in consideratie. Faptul ca un dipol, care in spatiu liber (in absenta pamantului) are un castig teoretic de 2.15dBi, poate avea un castig real de 6.5dBi (4.45dBd) sau mai mult, se explica exclusiv prin efectul reflectiv al solului.  

De notat castigul relativ redus si eficienta de radiatie de numai 25% a acestei antene verticale. Cauza? Eficienta redusa este datorata numarului redus de radiale (4) pe care le-am folosit si implicit a pierderilor ridicate din sol. Se poate usor castiga cca. 2.5-3dB crescand numarul de radiale la cca. 16, si inca 2-2.5dB crescand numarul de radiale la 100-120...

Referitor la numarul de radiale ingropate si lungimea lor, contrar celor afirmate in unele articole, numarul si lungimea acestora conteaza! Cu cat mai multe, cu atat mai bine. Cat despre lungime, 1/10 lambda pentru numar redus de radiale, si mai lungi pentru numar ridicat de radiale. Cu cat antena este mai scurta dpdv electric, sau conductivitatea solului este mai proasta, cu atat mai important este sistemul radial la sol. Exista un studiu complet despre numarul si lungimea radialelor ingropate scris de Rudy Severn N6LF in revista QST 3/2010, precum si cateva studii mai vechi pe aceeasi tema in QEX. Parte din articolele mai vechi ale autorului pe aceasta tema  sunt disponibile pe site-ul acestuia:  http://www.rudys.typepad.com/

Un fapt mai putin constientizat despre antenele verticale este ca daca distributia radialelor nu este simetrica nici radiatia obtinuta nu este simetrica. Atunci cand putem instala doar un numar redus de radiale (6-9), se poate incerca plasarea acestora pe o directie preferentiala acoperind cel putin 90 de grade. Pe aceasta directie se va obtine castigul maxim (cca. –1…0dBi), raportul fata/spate putand depasi 5dB.

Sigur, pentru cei care au spatiul necesar, folosirea  a 4 radiale elevate in locul celor ingropate in sol, este o solutie preferabila in ceea ce priveste eficienta. Din pacate prezenta radialelor elevate in gradina casei (care de data asta au lungimea integrala, de lambda/4), nu este nici estetica nici totdeauna posibila asa incat, de cele mai multe ori tot la radiale ingropate se ajunge… O alta solutie pentru cresterea eficientei ar putea fi folosirea asa numitului monopol indoit, care are o rezistenta de radiatie mult mai mare, in acest fel rezistenta de pierderi a solului avand o pondere mai redusa in pierderile globale a antenei. Monopolul indoit (repliat) este o antena foarte interesanta si chiar daca asupra acestuia planeaza unele controverse tehnice, referitoare la eficienta reala si modul de calcul a acesteia, se afla pe lista mea de proiecte viitoare.

Antena prezentata poate fi realizata si pentru a opera pe doua sau mai multe benzi. In acest caz insa, sunt necesare prize diferite (mai multe elemente gama cu lungimi diferite, corespunzatoare frecventelor de lucru)  pentru alimentarea verticalului, ca si un sistem de comutare a cablului coaxial la elementul gama corespunzator frecventei folosite.

Incheiere

In concluzie, am incercat prezentarea unei antene create din elemente deja existente, cu costuri minime si cu performante bune la distante mari. Antena verticala prezentata, se incadreaza in categoria antenelor scurte dpdv electric. Este o antena de compromis, la care performantele sunt sub cele ce se pot obtine de la o antena cu lungime integrala. Ca orice antena de dimensiuni reduse, pentru a obtine performante apropiate de cele ideale, trebuie executata cu grija si natura pierderilor trebuie inteleasa corect. In cazul de fata exista o buna concordanta intre datele teoretice si rezultatele practice, ceea ce da o doza suficenta de incredere ca antena si circuitul de adaptare este corect intelesa. In pus, modelul teoretic indica clar ce anume trebuie facut pentru imbunatatirea performantelor si care sunt imbunatatirile asteptate.

Folosirea acestei structuri deja existente pentru antena de 80m, are avantajul esential ca nu aglomereaza spatiul cu inca o antena aflata in zona de camp apropiat a altor antene.  Multi radioamatori ce au la dispozitie un spatiu restrans pentru antene, in incercarea de a castiga access la cat mai multe benzi instaleaza un numar ridicat de antene aflate in proximitatea imediata. Cu exceptia cazului cand respectivul stie exact ce face (caz foarte rar!…) colocarea antenelor pe un spatiu restrans nu duce decat la degradarea generala a performantelor antenelor folosite si ca un "bonus" duce si la cresterea nivelului de zgomot la receptie prin re-radiatie. Faptul ca aceasta antena este conectata la masa are si un avantaj suplimentar: sarcinile statice acumulate au o cale directa de scurgere la masa.

Notiunile prezentate aici sunt de nivel usor accesibil radioamatorilor avansati, insa sper sa foloseasca si incepatorilor (macar pentru a vedea cum se trateaza acest gen de probleme, hi, hi…). Radioamatorii interesati de detalii mai in profunzime legate de aspectele practice si teoretice ale acestei antene, precum si de fisierul NEC folosit pentru simulare, ma pot contacta prin email. 

Am considerat ca in abordarea acestui tip de antena si a circuitului de adaptare in gama, este necesara o tratare diferita fata de articolele in care antena este prezentata ca o reteta de bucatarie. Este adevarat, genul “reteta de bucatarie”  este genul de lectura preferata (din pacate…) pentru foarte multi radioamatori, insa din aceasta cauza si numarul esecurilor este pe masura. Cred ca pana la un punct, empirismul isi are rostul lui, insa este incomparabil mai simplu atunci cand intelegi ceea ce faci, si in plus esti sigur ca ai obtinut tot ce se putea obtine in situatia data.

Celor care au facut un exercitiu de vointa (hi,hi...) si au parcurs articolul integral, le urez succes in constructia unor antene eficiente, si performante pe masura eforturilor depuse.

Florin Cretu YO8CRZ

Articol aparut la 11-10-2010

15423