hamradioshop.ro
Articole > Echipamente si constructii radio Litere mici Litere medii Litere mari     Comentati acest articol    Tipariti

Antene exponențiale

Cristian Colonati YO4UQ

În amintirea lui YO2CJ Iosif Remete
"Antene pentru radioamatori (1979)"


                Păstrez și acum cele două volume îngălbenite de vreme și uzate de atâta „răsfoială” din lucrarea regretatului YO2CJ. Pentru comunitatea radioamatorilor YO din acele vremuri lucrarea a reprezentat o culegere importantă de informații utile și exemple practice de realizarea antenelor. De atunci și până astăzi lumea a evoluat, cunoștințele au evoluat, noi instrumentele de calcul și măsurători și-au făcut apariția. În permanentă criză de antene și amplasamente convenabile am fost semnificativ atenționat și plăcut impresionat de descrierea facută de YO2CJ pentru “Antena exponențială pentru 14,21 și 28 MHz” [vol.1 pag.169 – 171 scanată aici].

                Recunosc că, din diverse motive, nu am reușit niciodată să construiesc și să folosesc acestă antenă. Cu un sentiment de nostalgie, având la îndemână noile instrumente performante, programul de simulare (gratuit) 4NEC2 și descrierea făcută de YO2CJ, am vrut să verific dacă antena se încadrează în parametrii de funcționare descriși.


                Am respectat în totalitate parametrii dimensionali preluați de YO2CJ din documentațiile avute la dispoziție la acea vreme.

Schițele detaliate pentru descrierea parametrilor dimensionali necesari la datele de intrarea în programul 4NEC2 sunt prezentate ca anexe la material. În schițe se găsesc coordonatele detaliate ale segmentelor radiante și ale radialelor exprimate în metrii în sistemul cartezian X,Y,Z.

                Coordonatele determinate pe baza schițelor au fost preluate în ferteastra Edit, tabul Geometry din programul 4NEC2 și sunt prezentate alăturat.

                În tabel Tag-urile de la 1 la 12 reprezintă elementul radiant format din cele 6 fire de sârmă de cupru.


Tag-ul 13 este sursa de tensiune amplasată la baza antenei în segmetul 2. Tag-urile de la 14 la 25 sunt cele 12 radiale de câte 5,6m. Antena este ridicată de la sol cu 15cm în ideia amplasării ei pe un izolator ceramic împreună cu conectorul sursei de alimentare. În simularea inițială a fost ales un sol “Real ground – Moderate”. Rezultatul simulărilor este prezentat în cele ce urmează.

                Așa arată generarea inițială a structurii antenei exponențiale conform datelor dimensionale inițiale împreuna cu ferestra Main” de parametrii calculați și diagrama de radiație (pattern) verticală.

                În continuare sunt prezentate diagramele de radiație în ambele planuri precum și în vedere spațială.

                Cine citește documentația originală află că antena este de bandă largă pentru benzile de la 14 la 30MHz (pe acele vremuri nu existau încă benzile WARC). În consecință să vedem cum raspunde antena, cu parametrii dimensionali originali acestei provocări! Pentru acesta am dat o baliere (generarea într-un interval de frecvențe) pentru determinarea principalilor parametrii de funcționare, de la 10 la 30 MHZ adică pentru SWR,RL, Rs,Xs,Z șiPh.

 

SWR și RL coeficientul de reflexie (Return Loss).

 

Impedanța Z, rezistența Rs și reactanța Xs.

 

                Se pot extrage câteva constatări preliminare pentru soluția de bază:

1.       Antena are caracteristicile unei antene de bandă largă cu variația SWR între 1:2 până la 1:6 în toată gama de la 14 la 30MHz.

2.       Rs variază de asemenea între 25 ohmi până la 300 ohmi în același interval iar Z între 30 și 300 ohmi.

3.       În carte este recomandată alimentarea cu un cablu coaxial de 75 de ohmi (altul nu prea exista atunci).

4.       Probabil că autorul acestei antene folosea și un tuner autoconstruit cu care reușea o funcționare relativ rezonabilă în tot acest interval.


Fiindcă tot am cules datele dimensionale, coordonatele necesare necesare 4NEC2 pentru acestă antenă, mi-am propus să verific și cum se comportă atunci când este ridicată de la sol. Se știe că la o antenă verticală prin înclinarea radialelor la un unghi de aproximativ de 120 grade față de verticală se asigură creșrerea impedanței de intrare de la cca. 32 de ohmi la 50 de ohmi asigurând o mai bună adaptare. Din simularea anterioară se observă că impedanța este de 24,5+j14,3 adică în modul de |Z|=28,36 ohmi la 14,1MHz. Am efectuat ridicarea de la sol cu 2,8m asigurând un unghi de 120 grade față de verticală. Noile coordonate introduse in fereastra Geometry a programului 4NEC2 se prezintă astfel:

                Realizând o nouă generare de parametrii funcționali în noile condiții am obținut următoarele:

                Pentru banda de 14,1MHz situația este mai mult decât onorabilă. Cu o impedanță de 48,5+j23,2 adică un Rs=48,5 ohmi și o încărcare inductivă de +j23,2 ohmi adică |Z|=53,6 ohmi se asigură un SWR de numai 1:1,6.

                Să vedem totuși ce se întâmplă cu rezonanța adevărată în noile condiții și cu evoluția SWR-ului și a celorlalți parametrii pe toată lărgimea de bandă.

                Întradevăr se observă cum SWR a scăzut de la 1:2,26 la rezonanța de 14,1MHz la numai 1:1,25 dar pentru o modificare substanțială a frecvenței, pentru o rezonanță la 13MHz. Ce este de făcut? Pentru cea mai simplă simulare am hotărât să micșorez un singur parametru adică lungimea antenei pentru a o aduce la rezonanță în frecvența de 14MHz. Vârful antenei a fost coborât de la 8,05m la 7,5m din căteva încercări succesive.

S-a obținut un raport de unde staționare în frecvența de 14,1 MHz de 1:1,34 rezonabil pentru o funcționare corespunzătoare fără nici un element de adaptare (tuner) pentru acestă frecvență.

Ce mai putem observa din punct de vedere al caracteristicilor de radiație în cele trei cazuri:

-          radiația este omnidirecțională în toate cele trei analize.

-          față de orizont unghiul radiației verticale a scăzut de la 30 de grade la 25 de grade odată cu ridicarea antenei cu 2,8m. (Unghiul Theta θ față de verticala Z de la 60 grade la 65 grade).

 

                Iar în capăt de bandă la 14MHz SWR a ajuns la 1:1,32 ceeace este foarte bine.

                În continuare am făcut o comparație pentru principalii parametrii ai antenei exponențiale în cele trei situații de evaluare pentru toate benzile de radio de la 14 la 30 MHz expusă întabelul următor:

F

SWR

Rs [Ω]

Xs [Ω]

MHz

V1

V2

V3

V1

V2

V3

V1

V2

V3

14,05

2,25

1,57

1,33

24,3

48,1

40,7

+j13,5

+j22,4

+j9,11

18,1

4,35

3,62

3,16

57

93,5

75,2

+j85,5

+j83,4

+j70,1

21,05

5,63

4,76

4,44

138

158

123

+j136

+j109

+j105

24,95

5,26

5,26

5,33

262

256

227

-j15,4

+j42,5

+j92,3

28,05

3,94

4,81

5,26

153

227

263

-j78,5

-j54,5

-j10,4

28,5

3,73

4,7

5,19

141

216

257

-j76,3

-j62,2

-j26,6

 

                V1 – Antena la sol cu dimensiuni conform YO2CJ (vezi biblio [1]). Elementul radiant 5,1m, 8 radiale 5,6m.

                V2 – Antena ridicată la 2,8m cu 8 radiale înclinate la 120 grade față de verticală.

                V3 – Antena ridicată cfm V2 și scurtat elementul radiant la 7,5m pentru SWR minim la 14,1MHz.

Notă: Toate calculele sunt referință la 50 de ohmi / 100 watt. Determinările au fost făcute din opțiunile 4NEC2.

                Unele concluzii

-          Expunerea nu a fost făcută pentru a promova acestă antenă, cu toate că este interesantă.

-          Expunerea a fost făcută pe un exemplu concret, pentru a evidenția valențele programelor de simulare, care oferă posibilitatea de analiză pentru o antenă existentă sau pentru o antenă nouă, înainte de a o realiza fizic, cu multă muncă și cheltuieli materiale.

-          Din punctul de vedere al funcționării antenei cred că răspunde satisfăcător atributului de „bandă largă” ajutată de un tuner. Dacă s-ar utiliza un External Automatic Antena Tuner, montat chiar la punctul de alimentare al antenei, cu o construcție bine izolată contra intemperiilor, operarea poate decurge în cele mai bune condițiuni pe toate benzile de frecvențe acoperite. Impedanțele de intrare la diverse frecvențe pot fi ușor acoperite de performanțele acestor echipamente disponibile astăzi.

-          În prezentarea sa YO2CJ menționează posibilitatea de a se realiza o antenă exponențială și pentru benzile joase de la 80 la 20 de metrii. Înălțimea sa de 13,7m, sugerată în material, precum și diametrul antenei de 6,257m o face dificil de realizat și de amplasat. Nu am făcut simularea acestei variante.

Anexe

-          Paginile originale ale Antenei exponențiale din cartea lui YO2CJ

-          Schița coordonatelor carteziene și Tag-urilor antenei (.pdf)

-          Fișierele YO2CJ_1_initial.nec , YO2CJ_2_urcat.nec , YO2CJ_3_scurtat.nec , pentru lucru on-line” cu ele salvate în 4NEC2 > models.

-          Articolul în format .pdf

Cristian Colonati YO4UQ

Articol aparut la 17-1-2015

6135

Inapoi la inceputul articolului

Comentarii (9)  

  • Postat de Ion - YO8RXK la 2015-01-17 19:02:03 (ora Romaniei)
  • Mă bucur ca un copil de prezerntarea acestei antene multi-band dar sunt şi sau alte sitt-euri dar văd că ruşii sunt pe poziţie , sau cei mai rău vor nişte lideri puşi pentru un Capitalism de cumetrie-liescu!

  • Postat de Codrut Alecsandrescu - YO8RAC la 2015-01-17 20:53:42 (ora Romaniei)
  • Deoarece nu se pot atasa fisiere v-am trimis pe mail o mica incercare de modelare folosind radiale acordate in benzile de 14/21/24.
    Rezultatele la prima estimare sunt imbunatatite, VSWR scade la 2.5 in 21, 1.32 in 14, 3.49 in 28.
    Un "fine tuning" poate reduce aceste valori.
    Un pacat al acestei antene este castigul de la ~-5 la 14M la ~-2 la 28m.
    Multumesc pentru furnizarea tuturor informatiilor legate de aceasta modelare!
    73 de YO8RAC!

  • Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2015-01-17 21:57:59 (ora Romaniei)
  • @YO4UQ: multumiri Christian pentru noul articol. Chiar daca antena in sine e mai putin interesanta, gasesc extrem de important exercitiul intelectual foarte bine definit de tine prin "Expunerea a fost făcută pe un exemplu concret, pentru a evidenția valențele programelor de simulare, care oferă posibilitatea de analiză pentru o antenă existentă sau pentru o antenă nouă, înainte de a o realiza fizic, cu multă muncă și cheltuieli materiale" . Sper sa fie un indemn pentru cat mai multi hami sa intre in domeniul simularilor. Poate nu chiar de la inceput cu 4NEC2 care este un soft atat minunat cat si gratuit, dar putin cam complicat pentru radioamatorul fara suficient background tehnic.




    Mi-ar fi placut sa vad si diagramele de radiatie in plan vertical nu numai pentru 14MHz, ci si pentru 18,21,24 si 28MHz. Trebuie ca incet-incet sa ne obisnuim sa caracterizam o antena printr-un set de parametri mai cuprinzator, dintre care unghiul de elevatie este extrem de important. Chiar daca ma repet in diferite postari, degeaba am un SWR perfect sau aproape perfect, daca unghiul de elevatie este excesiv de mare.




    Apropo unghiul de elevatie (take-off angle TOA): pe diagrama 4NEC2 el figureaza ca fiind de 65 de grade. De fapt, el este de 25 de grade (90-65) deoarece trebuie vazut fata de suprafata solului (0 grade). Dar 4NEC2 pune 0 grade sus. Precizez acest detaliu, deoarece pentru comunicatii la distante medii si mari, un TOA de 25 de grade este rezonabil, pe cand unul de 65 de grade este submediocru.


    Se vede bine ca desi partea reala a impedantei este foarte apropiata de 50Ohm, evolutia reactantelor arata destul de clar necesitatea unei adaptari fie in shack fie la baza antenei (mai eficient, dar mai complicat). Totusi eu as caracteriza mai curand o antena de banda larga, o antena care nu ar solicita adaptari suplimentare.

    Exista diverse metode de lucru multiband, fara ca impedanta sa fie cu mult diferita de acel mult dorit 50+/-j0 fara tunere suplimentare. Exemplu antenele multiband cu trapuri sau sistemul Optibeam cu monobanduri intercalate etc.. Acestea acopera sute de KHz cu un SWR sub 1:2 sau chiar sub 1:1.5. Fara tunere suplimentare, acestea mi se par mai demne de numele de antene de banda larga.




    Ar fi minunat daca ai relua simularea, modelarea si optimizarea si pentru antena de 80/40m propusa de YO2CJ. Chiar daca prezinta dificultati de realizare practica, este un subiect interesant avand in vedere dificultatile si limitarile radioamatorilor YO de a pune antene orizontale lungi; poate in unele cazuri se poate merge pe inaltime. Indiferent de rezultate, aceasta simulare va fi extrem de utila in intelegerea mai buna a modului de functionare a antenelor verticale scurtate.




    Un capitol util va putea fi si simularea unui numar mai mic sau mai mare de radiale, lungimea lor si mai ales unghiul lor fata de sol. S-ar putea sa descoperim ca exista un numar de radiale mai optim decat altul si la ce inclinatii si lungimi anume. Acestea se pot optimiza doar prin executarea unor multiple simulari de situatii. Din experienta proprie, as putea spune ca numai astfel se poate optimiza cu adevarat un vertical, respectiv ajunge la compromisul cel mai rezonabil intre dimensiuni, impedanta complexa, SWR, gain si evident unghiul de elevatie in plan vertical (popular numit si unghi de plecare).




    Sper ca acest articol sa fie doar primul dintr-o serie de antene revizitate si revazute in lumina mijloacelor moderne de analiza. Inaintasii nostri au facut treaba buna la vremea lor (YO2CJ, YO7DZ...), dar acum noi putem sa le imbunatatim creatiile prin adaugarea modificarilor generate de simulari pe computer.




    Inca o observatie: varianta in format pdf atasata la sfarsitul articolului ofera o rezolutie si o claritate mai buna in citirea diagramelor pentru cei cu ochii obositi sau imbatraniti.




    73
    Morel, 4X1AD, ex.YO4BE

  • Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2015-01-18 13:20:57 (ora Romaniei)
  • Apropo problema unghiului de elevatie 65 vs 25 de grade. Nu este vorba de vreo greseala in simularea lui YO4UQ, ci doar de setarea "Phi/Azimut Unit" din fereastra principala 4NEC2 pe "Theta/Pi" in loc de "Azim(compass)elev".


    Precizez acest detaliu pentru a preveni vreo neintelegere pentru cei mai putin familiarizati cu programele de simulare de antene.




    73 de Morel, 4X1AD, ex.YO4BE

  • Postat de Vasile - YO6EX (yo6ex) la 2015-01-19 05:49:28 (ora Romaniei)
  • Am vazut aceasta antena pe la inceputul anilor '70, in revista Radio-URSS, un articol semnat de UA4HW daca imi amintesc bine. Stiu ca m-am straduit sa fac rost de materiale, dar un "amic" din QTH a fost mai iute de mina si a construit-o mai repede ca mine, in gradina lui. Dupa ce a chinuit-o vre-o doua luni, a spus ca renunta la ea si ca mi-o da mie daca o vreau... Am acceptat si am mutat-o la mine in gradina, si cu mare chinuiala am reusit sa o fac sa meraga cat de cat in banda de 14 MHz, pe restul benzilor fiind un fiasco total. Mai tarziu inspirandu-ma de la antena Zeppelin, am alimentat-o cu o linie paralela acordata si asa a "mers" bine si pe 21 si 28 MHz. Doar ca rezultatele nu m-au multumit, deoarece un GP montat linga casa, o batea de la distanta. In final am renuntat si am facut-o bucatele... Precizez ca pe vremea aceea nu aveai cu ce sa faci simulari si alte alea... Iar ca instrumente de masura aveam la dispozitie un grid-dip-metru, un SWR-metru si un masurator de camp... Hi...

  • Postat de Florin - YO8CRZ la 2015-01-20 09:13:11 (ora Romaniei)
  • Personal nu am construit acest tip de antena, insa rezultatele simularii, ca si cele spuse de YO6EX, confirma ceea stiam din auzite. In ciuda numelui nu e de fapt o antena de banda larga. Sigur ca un tuner automat amplasat la baza antenei, ar rezolva problema, insa nu stiu daca se justifica efortul constructiei mecanice. Articolul demonstreaza inca odata cat de util este un program de simulare, care permite evaluarea unei antene fara sa o construiesti. Da, stiu ca mai exista sceptici, insa trebuie spus ca daca o antenna simulata in conditii ideale nu functioneaza, nu are cum sa merga nici in conditii reale.

    O mentiune depre notatia unghiurilor folosite in programul de simulare. In mediile academice se foloseste Theta/Phi (unghiul de radiatie in plan verical se masoara fata de verticala). In industrie ca si in mediile de radioamatori, unghiul de radiatie in plan vertical este masurat fata de orizontala. 73 de YO8CRZ

  • Postat de Lilian - YO3BL la 2015-01-21 10:48:58 (ora Romaniei)
  • Pe timpuri am construit asa o antena (anii 80). Nu a mers sub nici o forma . Am modificat-o in 3 band GP 14/21/28 cu condensatori variabili la baza si a mers fara probleme din prima...

  • Postat de Nicu - YO5OUC la 2015-01-27 18:50:32 (ora Romaniei)
  • Personal creed ca aceste antene ar merita o implementare pe aceste platforme de simulare. Sunt foarte utile, pentru noi dezvoltari/implemetari. Mai mult, cred ca ar fi si o oportunitate de verificare a acestor simulatoare mai ales ca se cunosc performantele. Cristi, nu se dezminte nici de asta data. Multumim.

  • Postat de Niculet Aurel - YO4RSS la 2015-02-28 21:30:31 (ora Romaniei)
  • D-le Colonati,bun articol.Am facut antena, dar nu a prea mers.Asta inseamna, ca trebuie sa mai studiem.Va mai asteptam cu articole bune. 73 Nick

    Scrieti un mic comentariu la acest articol!  

    Opinia dumneavoastra va aparea dupa postare sub articolul "Antene exponențiale "
    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.
    Comentariu *
     
    Trebuie sa va autentificati pentru a putea adauga un comentariu.


    Opiniile exprimate în articole pe acest site aparţin autorilor şi nu reflectă neapărat punctul de vedere al redacţiei.

    Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
    Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Despre Radioamator.ro | Contact