|
ANTENA DIPOL SIMETRIC
În
[3] am încercat să clarific câteva din problemele ce le
ridică o antenă, neinsistând asupra unor construcţii
concrete. Mulţumesc tuturor celor ce au arătat interes faţă
de cele scrise şi mă încearcă un sentiment de frustare
că nu le pot exprima concret aprecierea mea, ar ocupa prea mult sapatiu,
dar sper să ne întâlnim la comentarii, indiferent de opiniile
exprimate. Mai jos am ales ca element de discuţie dipolul simetric, o
antenă simplă, dar care dezamăgeşte uneori. 1.
Antene rezonante.
În
figura 1a lungimea antenei este cât o semiundă, la capete apar
noduri de curent, la mijloc apare un maxim de curent. După cum s-au
definit impe-danţele unei antene în [3], la mijlocul antenei apare
impe-danţa de radiaţie, raportată la curentul maxim, fiind impe-danţa
cu cea mai mică valoare. Alimentând antena la mijlocul ei,
impedanţa de alimentare (intrare) devine egală cu impedanţa de
radiaţie iar curentul de alimentare devine maxim. În figura 1b
lungimea antenei este cât o undă completă, fapt ce duce ca la
mijlocul ei să apară un alt nod de curent şi o
impedanţă foarte mare. Alimentarea antenei în acest punct se
face cu tensiune mare, fapt ce poate fi evitat dacă alimentarea se
face ca în figura 1c, într-un punct cu maxim de curent unde
impedanţa de alimentare este exact cât impedanţa de
radiaţie a dipolului care are lungimea cât două semiunde.
Antena din figura 1d va prezenta la mijlocul ei o impedanţă mai mare decât
impedanţa de radiaţie (nu mai există maxim de curent). Valori
diferite de impedanţa de radiaţie apar şi la mijlocul antenelor
1e-1f, numai că acestea au şi puncte cu maxim de curent, unde
impedanţa de alimentare poate deveni egală cu impedanţa de
radiaţie. Impedanţele de care am vorbit mai sus sunt mărimi
complexe, respectiv impedanţe cu componente active (disipative) şi
reactive (conservative) şi vor fi detaliate mai jos. Toate
antenele din figura 1 sunt antene rezonante. Dintre acestea, numai antenele din
figurile 1a---1c sunt şi antene acordate, ceea ce nu împiedică
folosirea oricăreia dintre ele în funcţie de anumite
compromisuri acceptate. În continuare voi detalia acest aspect, cu
prezentarea valorilor impedanţelor şi a altor caracteristici ce
prezintă interes. Antena dipol simetric, respectiv dipolul alimentat la jumătatea
lungimii sale, face parte din categoria antenelor rezonante, aşa cum fac
parte aproape toate antenele utilizate practic, precum antena LW (cu un
capăt liber în care se formează nod de curent), antena Windom
(de fapt un dipol alimentat asimetric precum cel din figura 1c), antena
verticală (şi aici există un capăt liber şi izolat în
care se formează nod de curent), ariile de dipoli (caz particular
Yagi-Uda), ca să amintesc o parte din ele. 2. Cum radiază o antenă dipol în semiundă. Arătam în [3] că în imediata apropiere a antenei apare
o zonă de câmp reactiv, unde se formează de fapt impedanţa
de radiaţie a antenei. Sărind peste formule şi trecând
direct la rezultate, figura 4 prezintă componenta activă (disipativă)
a impedanţei de radiaţie a unui dipol simetric (cunoscută
şi ca rezistanţă de radiaţie ) iar în figura 5
componenta reactivă (conservativă) a acesteia. Şi, cum dipolul simetric
se alimentează în punctul de curent maxim, acestea sunt de fapt
şi componentele impedanţei de alimentare. Pe când componenta
rezistivă nu depinde decât de lungimea antenei dipol exprimată
în lungimi de undă, componenta reactivă depinde atât de
lungimea antenei cât şi de diametrul conductorului. În figura
5 liniile roşii 1-1 până la 5-5 reprezintă valori ale
reactanţei pentru diferite diametre exprimate funcţie de
lungimea de undă. Dipolii acordaţi în semiundă prezintă
impedanţe scăzute la jumătatea lungimii lor numai pe
fundamentală şi pe armonice care crează un număr impar de
semiunde, pe armonice cu număr par de semiunde au impedanţă
foarte mare atât componenta activă (fig. 6) cât şi cea
reactivă. Deoarece capetele de bandă din gama de unde scurte conform
planului IARU nu respectă această regulă, un dipol alimentat la
mijlocul său nu poate fi folosit decât pe fundamentală,
excepţie făcând dipolii cu alimentare asimetrică, gen
VS1AA sau Windom. O altă excepţie o formează dipolii
acordaţi în undă completă (două semiunde), care au
impedanţa de alimentare foarte mare pe fundamentală dar şi pe
orice armonică întreagă conform planului IARU, însă adaptarea
la impedanţe mari ridică probleme. Cât priveşte componenta
reactivă a impedanţei de alimentare, aceasta are valorile din figura 5
indiferent pe câte semiunde este acordată antena dipol, graficul din
figura 5 este identic pe oricare interval 0 - l, l - 2l, 2l - 3l etc, fascicolul
de linii roşii va avea centrul (punctul de intersecţie) la valoarea
de 43W şi la lungimi de undă de 0,5l, 1,5l, 2,5l etc. Lungimea efectivă
ce se taie din antenă pentru a o acorda (componentă reactivă
nulă) va fi aceeaşi ca valoare, indiferent pe câte semiunde impare
este acordată, respectiv egală cu valoarea din graficul pentru
dipolul în semiundă fig. 5, ca diferenţă dintre 0,5l (sau 1,5l, 2,5l etc) şi cât
rezultă funcţie de diametru pentru a avea componentă
reactivă nulă. De exemplu, la 3500MHz (l=85,71m) şi un
diametru de 4mm (0,00005l), scurtarea va fi de 0,5l-0,49l (la alte lungimi ale antenei 1,5l-1,49l, 2,5l-2,49l etc), adică 0,1l=0,8571m pentru orice lungime multiplu impar de semiunde. Diferenţa (în
minus) faţă de valorile recomandate de unii autori precum [5] şi
preluate de mulţi alţii provine de la influenţa
vecinătăţilor asupra câmpului reactiv apropiat şi de
la date incomplete în acele surse documentare. Astfel [5] indică în
anexele de la finele cărţii (pentru cine o are, în tabelul
34.5) o scurtare la 0,475l pe orice bandă, fără niciun
alt detaliu privind diametrul conductorului antenei sau înălţimea
acesteia faţă de sol care influenţează în mare
măsură. 3. Influenţa vecinătăţilor conducătoare de
curent. Vecinătăţile pot fi destul de diferite: solul sau
suprafeţele întinse de apă (acestea sunt cele mai importante,
mai ales la undele scurte), vegetaţia, liniile electrice, acoperişurile
metalice, gardurile metalice, armăturile din construcţii,
stâlpii metalici şi multe altele de acest gen. Influenţa lor
creşte cu cât sunt mai mai aproape de antenă (maxim 2 lungimi
de undă) şi cu cât conduc mai bine curentul electric. Efectul
lor se produce în mai multe moduri, funcţie de dimensiunile
vecinătăţii. Dacă mediul ce realizează vecinătatea
are o suprafaţă mult mai extinsă decât câteva
lungimi de undă (minim 3---5l) pe orice direcţie,
câmpul de unde produse de antenă se reflectă de suprafaţa
de separaţie a vecinătăţii, ducând la formarea
aşanumitei antene imagine, după regulile opticii geometrice. Între
antena reală şi antena imagine apare un cuplaj mutual, impedanţa
de radiaţie a antenei dipol rezultând din compunerea algebrică
a propriei impedanţe, aşa cum a fost arătată mai sus
în figurile 4-6, cu impedanţa mutuală, ca la orice circuite
cuplate. Pentru antene dipol paralele cu suprafaţa de separaţie, deci
la care imaginea este paralelă şi simetric dispusă în
raport cu antena obiect, impedanţa mutuală se scade, pentru antene
perpendiculare pe suprafaţă, la care imaginea este colineară cu
antena obiect, impedanţa mutuală se adună. Pentru antene
înclinate oricum, acestea se descompun în două antene, prin
proiectarea lor pe direcţii paralele şi perpendiculare pe
suprafaţa de separaţie, se evaluează impedanţa
fiecăreia din antenele astfel descompuse ţinând cont de
impedanţa mutuală a fiecăreia, apoi se însumează cele
două impedanţe astfel obţinute. Pentru
un dipol în semiundă paralel cu solul considerat perfect conductor componentele
active şi reactive ale impedanţei mutuale depind de
înălţimea antenei faţă de sol H, în
fracţiuni de l, ca în figura 7. Valorile din graficul figurii 7 se scad din
valorile impedanţelor din figurile 4 sau 5, rezultând impedanţa
adevărată a antenei în condiţii reale de amplasare a ei. Un
dipol în semiundă pentru banda de 80m, din conductor de 4mm (0,00005l), aşezat
orizontal la 16 m de sol (0,2l), nescurtat, va avea propria
impedanţă activă de radiaţie de 73W (figura 4), o
impedanţă mutuală activă de 10W (figura 7) rezultând
o impedanţă totală activă de 73-10=63W. Impedanţa proprie reactivă este de 43W (figura 5),
impedanţa mutuală reactivă este de -38W (figura 7), deci
o reactanţă totală de 43-(-38)=81W inductivi. A
calcula valoarea scurtării pentru a realiza o antenă corect
acordată presupune folosirea unui algoritm iterativ bazat pe relaţia
(6) de mai jos. La primul pas al iterării se ridică fascicolul de linii
roşii din figura 5 până ce ajunge cu centrul la valoarea de 81W iar dreapta 1-1 (0,00005l) va intersecta
axa 0W (antenă acordată) la cca 0,478l, destul de aproape
de cât indică [5]. Algoritmul se
aplică mai departe la antena astfel scuratată ş.a.m.d,
corecţiile ce rezultă fiind din ce în ce mai mici,
însă sporul de precizie obţinut nu mai
prezintă interes practic datorită multor alte influenţe greu de
evaluat, aşa că este suficientă o singură iterare. Dar altceva
este mai important, nesemnalat de autorii de manuale pentru antene, anume
că se modifică destul de mult şi componenta activă a
impedanţei de alimentare. În figura 4 la abscisa 0,5l nu o să mai
corespundă 73W ai dipolului izolat ci 63W ai dipolului aflat la 0,2l deasupra solului.
Deplasând graficul astfel încât să treacă prin
punctul de coordonate 0,5l şi 63W scurtarea sa la 0,478l duce la o
impedanţă activă finală de cca 53W, destul de
departe de cei 75W cu care eram obişnuiţi. În acest fel se explică
de ce încercări practice de a acorda antena (reactanţă
nulă) nu realizează şi adaptarea cu impedanţa liniei de
alimentare şi, cum vecinătăţile nu sunt peste tot la fel,
rezultatele obţinute lucrând „după manual” sau
după experienţa altora vor varia între foarte bune şi
catastrofal. Nici măcar solul nu este un conductor perfect, el
îşi măreşte conductibilitatea pe măsură ce se
pătrunde spre zonele mai umede (pânză freatică, zona unde
copacii îşi au rădăcinile), aşa că
înălţimea H va fi alta decât cea măsurată
pornind de la suprafaţa sa şi nu în toate locurile aceeaşi,
la care se mai adaugă şi efectul altor vecinătăţi. Iar
în zona înălţimilor de până la 0,5l, dar mai ales
până la 0,2l, figura 7 arată că o foarte mică variaţie a
înălţimii H produce variaţii însemnate ale
impedanţei mutuale, pantele graficelor fiind destul de accentuate. Coborând
dipolul până la extrem, adică aşezând-ul pe un sol
perfect conductor (H=0), componentele impedanţei mutuale devin egale cu componentele
impedanţei de radiaţie, rezultanta fiind o impedanţă
totală nulă, atât activă cât şi reactivă,
deci în loc de dipol va exista doar solul perfect conductor. Un
alt efect al vecinătăţii solului se manifestă sub forma
direcţiilor de radiaţie în plan perpendicular pe antenă, dependente
de înălţimea antenei faţă de sol, H, figura 8.
Ca regulă se poate spune că, de fiecare parte a antenei, se
formează un număr de lobi egal cu de două ori multiplul lungimii
de undă la care se află antena deasupra solului. De exemplu o
antenă la o înălţime de 0,5l are de fiecare parte
câte un lob, la o înălţime de 1l are câte
doi lobi, la o înălţime de 0,9l are câte 1,8 lobi
(deci şi lobi incompleţi) etc. La o înălţime
suficient de mare (peste 3l, respectiv un total de peste 12 lobi)
radiaţia în plan vertical se manifestă pe toate direcţiile,
de aceea antenele prea ridicate nu se pretează la lucrul în DX unde
energia undelor trebuie dirijată preponderent pe o singură
direcţie de radiaţie, specifică fiecărei benzi. 4. Randamentul antenei. O
antenă disipă energie sub două forme: ca energie a undelor
electromagnetice, prin rezistenţa de radiaţie şi ca energie
termică prin rezistenţa de pierderi (1) unde r este
rezistivitatea conductorului (sau a stratului superficial la conductorii
acoperiţi prin galvanizare ori cu inimă din oţel) în , d=diametrul acestuia în mm, l=lungimea antenei
în m, f este frecvenţa în MHz iar este permeabilitatea magnetică relativă a materialului
conductorului în raport cu cuprul. Puterea totală disipată
de antenă este
(2) iar puterea
utilă , de
radiofrecvenţă, este
(3) astfel
încât randamentul devine
(4) Dacă
cercetăm o antenă cu lungimea de l=42,8 m pentru frecventa de f=3,5
MHz şi cu diametrul d=2 mm din cupru (sau oţel cuprat) cu , , rezultă
=3,47 W, dacă este din
oţel cu, , atunci=416 W. Dacă rezistenţa de radiaţie este de 73W (antena
departe de vecinătăţi), randamentul va fi de 95,4% la
antena din cupru, respectiv 17,4% la antena din oţel (devenită
reşou). Dacă antena este din cupru dar, din motive de gabarit, este
scurtată la 0,2l (17,1m), rezistenţa de
radiaţie devine, conform figurii 4, de 8W,
rezistenţa de pierderi devine 1,38W iar
randamentul 85,3%, chiar dacă este înseriată cu o
inductanţă pentru a asigura o reactanţă nulă
(antenă aordată). O antenă de recepţie pentru automobile, care
funcţionează pe unde medii (f=1MHz), cu diametrul d=2mm,
lungimea l=1m are , ,
deci un randament de 4,4%. Iar încercarea de a o folosi la emisie
nu creşte randamentul, chiar dacă se “lungeşte”
artificial cu o inductanţă care elimină componenta reactivă.
Formulele de mai sus nu dau rezultate bune în unde
ultrasurte, unde se preferă masurătorile. 5. Încheiere. Diagramele de mai sus le-am trasat rezolvând expresii atât
de complicate încât se rezolvă numai cu metode numerice [1] programate
personal în mediul Delphi7. În trecut se foloseau metode de
rezolvare grafice sau grafoanalitice, planşeta de desen devenea un
calculator analogic. Algoritmii au fost verificaţi prin programarea pe
calculator a condiţiilor experimentale prezentate de o serie de manuale [5],
[6], [7]. Pentru cine este pasionat de modelare numerică pe calculator prezint
relaţiile folosite. Direcţia de radiaţie în plan vertical
este dată de graficul funcţiei [6], [7]:
(5) unde H este
înălţimea antenei iar j este unghiul în raport cu
suprafaţa solului, . Impedanţa
mutuală la un dipol de lungime , alimentat la
jumătatea sa, produsă de un cuplaj mutual cu un alt dipol de lungime , pasiv,
ambii paraleli şi simetric dispuşi unul faţă de altul la
distanţa a între axele lor (fig. 7), notată cu , se
află rezolvând expresia (6) cu integrală transcendentă şi
cu discontinutăţi pentru sau multipli
de , [4]:
(6) Dacă
se calculează impedanţa mutuală produsă de antena imagine ce
se formează în sol, distanţa a este dublul
înălţimii antenei H. Pentru
a afla impedanţa de alimentare la jumătatea sa a unui dipol
fără vecinătăţi, de lungime l (figurile 4, 5, 6),
se consideră formarea unui cuplaj mutual între dipol şi propria
sa suprafaţă (iată cum se manifestă efectul reactiv
al câmpului apropiat, ceea ce produce antena se întoarce asupra ei!),
adică se calculează ceva în genul , folosindu-se (6)
în care a = raza conductorului şi . Apare
reactanţă şi dacă a=0 (conductor de grosime
nulă), dar aici trebuie evitate nedeterminări de genul
împărţirii la zero. Expresiile
(5) sau (6) decurg din ecuaţiile lui Maxwell. Deoarece am constatat
în comentariile anterioare că există iniţiaţi
în problemă, aduc unele completări. Pe parcursul rezolvării
acestor ecuaţii apare un aşanumit vector potenţial magnetic, ca
o consecinţă a divergenţei nule a câmpului magnetic (a
patra ecuaţie a lui Maxwell), care simplifică doar formalismul
matematic, nu şi rezolvarea problemei, dar mai apare, în anumite
variante de calculul a impedanţei şi vectorul Poynting care, de data
aceasta, mi se pare inutil. Repetate încercări ale mele de a calcula
impedanţa unui dipol în semiundă folosind puterea radiată,
în care intră vectorul Poynting, au condus la valori corecte de 73W dar numai pentru componenta
activă, componenta reactivă rezultă nulă oricum aş fi sucit
şi răsucit distribuţia curentului prin antenă sau
algoritmii de rezolvare numerică. Puterea calculată cu vectorul
Poynting se manifestă în câmp îndepărtat, care nu
este un câmp reactiv. În câmp apropiat, respectiv chiar
în conductorul antenei, modelul matematic este complicat, se
manifestă nişte nedeterminări analitice care dispar în
câmp îndepărtat unde se mai produce şi neglijarea anumitor
termeni ce conţin la numitor distanţa faţă de antenă la
diverse puteri, de aceea mulţi preferă calculele în acest
câmp, cu relaţii mai simple. Mi se pare însă ciudat că
autori care detaliază analitic calculul unei antene numai pe baza fenomenelor
din câmp îndepărtat a cărui finalitate este doar
componenta activă iar reactanţa este nulă, arată că
apare şi reactanţă nenulă, îi dă valoarea
corectă, de cca 43W, fără să arate cum şi de unde apare, din
câmp îndepărtat nu este posibil. Am analizat timp de mai multe
luni relaţiile din câmp îndepărtat cu colegi despre care
pot spune că „mănâncă electrodinamică pe
pâine” şi nici ei nu au înţeles aceste
aserţiuni, concluzia unanimă fiind că un câmp
îndepărtat nu este reactiv, TNX YO5OUC pentru detalieri. Mă
abţin să indic oficial sursa respectivă deoarece am solicitat
editorului să o folosesc ca documentare pentru o lucrare publică
fără caracter comercial, precum cea de faţă, cu preluarea
unor relaţii şi indicarea sursei care va fi citată la
bibliografie dar mi s-au cerut bani, invocându-se unele legi de copyright
valabile în ţara respectivă. Personal nu am mai
întâlnit această atitudine (timp de peste 30 de ani am tot publicat
lucrări în peste 10 ţări) şi, când unii autori ori
editori la care trebuia să mă refer îşi protejau opera cu
interdicţia expresă de a le fi folosită chiar şi
parţial fără acordul lor strict la obiect, îl
obţineam de la prima solicitare. Destul de târziu am găsit sursa
[4] de la care am primit permisiunea să o folosesc („You’re welcome
to use the material” mi-a răspuns autorul cu mare generozitate la
solicitarea mea), pentru care îmi exprim şi pe această cale
gratitudinea. Ce mi s-a părut incomod la [4] este că ia „cu
acul” orice problemă, plictisitor pentru pragmatici, de te face
să nu mai vezi pădurea din cauza copacilor prea stufoşi dar, după
ce l-am cerectat cu atenţie (de nevoie, nu aveam altceva!), îi dau
dreptate pentru că ajungi să ai încredere în rezultatele
obţinute. Şi ce mi s-a părut cel mai frumos este că
prezintă şi formalismul matematic complet al calculului
impedanţei pe baza puterii în câmp îndepărtat,
arată clar că aici nu există componentă reactivă, dar detaliază
şi formalismul matematic pentru calcularea impedanţei pe baza
fenomenelor din câmpul apropiat. Bibliografie (selectivă) [1]
Oproescu Gh, Cauteş Gh. Metode numerice şi aplicaţii. Editura TEHNICA-INFO, Chişinău,
2005, ISBN 9975-63-254-8. [2]
Oproescu Gh. Dimensionarea liniilor de alimentare. Radiocomunicaţii şi
Radioamatorism, 6/2012, ISSN 1222.9385. [3]
Oproescu Gh. Antena, mai mult decât un simplu
fir. Radioamator.ro, Articol apărut la 24-04-2013 cu 2816. [4]
Orfanidis S.J. Electromagnetic Waves & Antennas, www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa [5]
Rothammel Karl. Antennenbuch. Deutscher Militaerverlag, Berlin 1968. [6]
Smirenin B.A. Manual de radiotehnică, vol. I . Editura
Energetică de Stat, 1953. [7]
Smirenin B.A. Manual de radiotehnică, vol. II.
Editura Energetică de Stat, 1954.
Articol aparut la 2-6-2013 12305 Inapoi la inceputul articolului |
Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse iar dupa caz se va ridica dreptul de a posta comentarii.
|
Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Regulamentul portalului | Contact |