Cristian Colonati YO4UQ

În articolele anterioare referitoare la antenele magnetice s-a făcut afirmaţia despre perimetrul antenei care trebuie să fie cuprins în intervalul λ/8 < p < λ/4. Să analizăm împreună şi să vedem de ce sunt recomandate tehnic aceste valori. Încerc să răspund unor întrebări legitime din partea unor cititori care au avut răbdarea să citească primele intervenţii cu privire la antena magnetică.

Oare putem creşte oricât frecvenţa de lucru a unei antene magnetice de un perimetru dat?

Pentru a răspunde la această primă întrebare vom lua un exemplu bazat pe considerente elementare şi valori practice concrete pentru o antenă funcţionând în 14 MHz. Antena este de cupru, din ţeavă de 22mm diametru cu un perimetru de p=2,8m la care diametrul D al buclei este de 0,9m. Inductanţa calculată şi măsurată a unei astfel de bucle este de 2,14μH. Capacitatea proprie distribuită a ţevii de cupru este de Cd=2,69.p=2,69.2,8=7,5pF conform formulelor unanim acceptate.

A.      Vom arăta de ce perimetrul trebuie să fie mai mic decât λ/4.

Schema de acord este un circuit rezonant paralel banal unde avem:

Ca = capacitatea de acord netă fără capacitatea reziduală a CV [pF]

Cz = Capacitatea reziduală a condensatorului variabil [pF]

Cd = capacitatea distribuită a buclei [pF]

L = inductanţa buclei [μH]

Rr = rezistenţa de radiaţie [ohmi]

Rp = rezistenţa de pierderi [ohmi]

În schema unei antene magnetice ţinem cont de toate elementele care pot influenţa parametrii de funcţionare ai acesteia. Şi acum să facem câteva afirmaţii şi comentarii:

1.       Capacitatea condensatorului variabil nu poate să scadă sub capacitatea lui reziduală Cz.

2.       Capacităţile reziduale a celor mai bune condensatoare variabile clasice în aer: simple, split stator sau fluture, pentru tensiuni înalte cu distanţă între plăci, se situează în jurul a 10pF, Cz=10pF. Pentru condensatoarele variabile cu vid capacitatea reziduală uzuală este Cz=5pF.

3.       Capacitatea pentru un acord la rezonanţă va fi Crez = Ca+Cz+Cd.

4.       Să deschidem condensatorul total adică să facem Ca=0 şi atunci Crez = Cz+Cd = 10 + 7,5 = 17,5pF

5.       Ce ne spune banala formulă a lui Thomson despre frecvenţe maximă pe care o putem atinge cu un CV clasic complet deschis?                                                                                                                    

 perimetru puţin mai mic decât cel admis.

6.       Se observă uşor că frecvenţa de rezonanţă nu poate să fie mărită peste această limită din cauza capacităţilor reziduală şi distribuită.

7.       Pentru un condensator variabil cu vid la capacitatea lui declarată se obţine Crez = 5 + 7,5 = 12,5pF

ceeea ce înseamnă că probabil am reuşit să atingem şi banda de 28 MHz la limita capacităţilor parazite.

                Rămâne de văzut în practică dacă nu cumva conexiunile la CV cu vid nu introduc capacităţi parazite suplimentare de câţiva pF care pot împiedica atingerea la limită a frecvenţei de 28MHz. Dacă totuşi dorim în mod expres să atingem frecvenţa de 28 MHz soluţia este simplă. Micşorăm diametrul buclei la 0,8m, scade inductanţa şi creşte capacitatea necesară pentru acord, adică mai trebuie să adăugăm şi puţin Ca.

B.      De ce perimetrul trebuie să fie mai mare decât λ/8?

Din datele iniţiale reţinem că perimetrul antenei este 2,8m. Care ar fi lungimea de undă aferentă acestui perimetru în condiţia λ/8? Avem p=λ/8; λ=8.p; λ=8.2,8=22,4m lungime de undă care corespunde frecvenţei f = 300/22,4 = 13,39MHz < 14MHz ar fi frecvenţa minimă operaţional rezonabil admisibilă.

Judecând pentru frecvenţa de 14MHz avem λ=300/14=21,4m şi λ/8=2,67m < 2,8m condiţie indeplinită.

Să calculăm în continuare rezistenţa de radiaţie, rezistenţa de pierderi şi randamentul pentru cele două valori limită ale perimetrului recomandat pentru banda de 14MHz. Lungimea de undă este 21,4m iar cele două valori sunt p1=λ/8=2,67m iar p2=λ/4=5,35m pentru care calculăm Rr, Rp şi η%.

Făcând calculele cu datele de intrare avem:

                Rezistenţa de radiaţie de care depinde în mod esenţial randamentul scade în în mod dramatic funcţie de scăderea ariei de la 2,27mp la 0,58mp de aproape 17 ori. În continuare să vedem cum evoluează rezistenţele de pierderi şi randamentele pentru cele două perimetre limită.

făcând calculele avem:

                Se observă că randamentul (eficienţa) la bornele antenei aproape s-a înjumătăţit, lucru care nu este convenabil din punct de vedere operaţional. Datorită frecvenţei joase necesar a fi acoperită cu un perimetru (inductanţă) mai mic capacitatea de acord creşte. La o aceeaşi putere P (watt) datorită tensiunilor ce apar pe condensator distanţa dintre plăcile acestuia creşte corespunzător. Cresc şi dimensiunile gabaritice ale condensatorului variabil montajul acestuia devenind incomod. Frecvenţa de lucru poate să scadă în continuare prin mărirea valorii condensatorului variabil dar dimensiunile acestuia vor creşte iar randamentul scade la valori nerentabile.

C.      Două concluzii.

1.       Perimetrul trebuie să fie mai mic decât λ/4 pentru o frecvenţă dată deoarece capacitatea de acord devine foarte mică şi practic inoperantă.

2.       Perimetrul trebuie să fie mai mare decât λ/8 din motive de randament şi constructive din pdv al valorii şi gabaritului CV funcţie şi de putere şi implicit de tensiunea apărută pe condensator.

D.      Determinarea acoperirii multiband pentru o antenă magnetică.

Intervalul acceptabil al perimetrului unei antene magnetice în intervalul λ/8 < p < λ/4 face posibilă acoperirea mai multor benzi de radioamatori cu o aceaşi antenă.

Prin suprapunerea într-un grafic a segmentelor perimetrelor comune diferitelor benzi se determină gradul de acoperire simultană cu o aceeaşi antenă a mai multor benzi de radioamatori. Ca anexă realizată în EXCEL 2007 şi EXCEL 2003 la acest material oferim celor interesaţi acest grafic de suprapunere.

Atenţiune book-ul Excel ataşat conţine două foi de calcul. Sheet2 este graficul de suprapunere.

În scop orientativ, ca exemplu, prezentăm graficul oferit de Antenna BOOK ed.18 cu privire la gradul de acoperire multiband pentru o antenă magnetică specifică: octogon, cupru 19mm.

                În speranţa că am raspuns unora din întrebările puse de prietenii noştrii sper să ne întâlnim într-o expunere viitoare despre modurile de alimentare şi adaptare pentru antenele magnetice.

ANEXE

Cristian Colonati YO4UQ

Articol aparut la 17-3-2014

7031