Nicu Crisan YO5OUC

Abstract: Cushcraft este o binecunoscută sucursală a MFC Enterprises alături de Ameritron, Mirage, Vectronics și Hy-Gain. MFC Enterprises care a apărut însă pe lângă “Mississipi State University” a fost fondată de un “simplu” radioamator (Martin F. Jue – K5FLU). Gurile rele printre care mă număr și eu spun cu o jumătate de gură că AT-urile lor sunt un pic cam slăbuțele. Sunt însă cei mai renumiți producători din zona hamradio așa că gurile rele n-au decât să vorbească. În materie de antene, Cushcraft e un fel de Amadeus Mozart, iar R8 ar trebui să fie atunci echivalentul  flautului fermecat (la noi cei de pe Someș/Mureș ori Criș echivalentul  flautului YO-autohton).

Funcționarea și modelarea numerică a antenei R8-Cushcraft în 4NEC2

R8 este un model ce diferă conceptual de modelele precedente R7,R5 și R3. Este o antenă HF din clasa multiband, verticală cu radiale, dar fără contragreutăți. Are în jur de 8m înălțime și rezonează pe 8 benzi: 40m (150KHz), 30m(50Khz), 20m(350KHz), 17m(100KHz), 15m(450KHz), 12m(100KHz), 10m(1500KHz) și 6m(1500KHz). După producător are un SWR la rezonanță de aproximativ 1.3:1 deci nu necesită un AT. Puterea suportată de antenă poate fi de până la 1500W ceea ce înseamnă că nu pot umbla cu smecherii gen rezistențe de putere/balast rezistiv, plasate în paralel pentru micșorarea SWR-ului etc. Antena are patru puncte cheie de unde poate fi acordată fin, exact ca un instrument muzical. Domeniul de frecvență acoperit (la un instrument muzical se numește ambitus) este de la 7MHz la 52MHz, sigur că, doar în benzile de radioamator. Exact ca un flaut clasic are un ambitus de circa două octave și jumătate spre trei (7-14 MHz prima octavă, 14-28 MHz a doua și 24-52 MHz aproape ar fi  și o a treia octavă). În urma acordului antena nu poate depăși înălțimea maximă de 8,7 m.

Montarea – pe un pilon vertical de 5-6m fără contragreutăți (radiale lungi), eventual ancorată la mijloc și la bază cu nylon. Gurile rele vorbesc că nu e prea rezistentă mecanic la vânt. Tind să cred și eu lucrul acesta; este suficient să vezi prezentarea antenei la adresa de mai jos.

https://www.youtube.com/watch?v=00BRCowetEo

Din punct de vedere al performanțelor însă, gurile rele trec testul tăcerii.

https://www.youtube.com/watch?v=m06d21SHCN0

https://www.youtube.com/watch?v=rU2h_scaz_o

Recunosc că antenele verticale multiband sunt ca o slăbiciune pentru mine. Le admir mult pentru că realizează foarte multe compromisuri rezonând pe multe benzi și sunt greu de realizat. Nu ocupă mult din spațiile limitate de pe blocuri. Sunt frumoase, dar numai cunoscătorii le pot aprecia ca atare. Pentru toți ceilalți trecători par a fi niște paratrăznete obișnuite ce nu sar cu nimic în ochi. 

Antena precedentă (R7) folosea încărcarea capacitivă cu 4 radiale scurte și pe cea inductivă cu trapuri LC paralel pentru a scurta fizic antena pe de o parte și să o lungească din punct de vedere electric pe de altă parte.  Modelul R8 introduce în plus un concept nou aici; compensarea părții imaginare (reactanța) și forțarea rezonanței la frecvențe mai mari de 18MHz cu linii terminate în gol paralele cu tronsonul principal al antenei (nu cu trapuri LC!).

Ne găsind nici o simulare a acestei antene pe internet , în 4NEC2, mi-am zis - hai să încerc o modelare și să văd ce iese. O provocare! De ce nu. Oricum aveam rezultatele măsurate de radioamatori și puteam să știu dacă modelul nu e bun și să-l optimizez până la limită.

Antena verticală R8 face parte din clasa antenelor rezonante cu undă staționară. Rezonanța se obține pentru lungimi de lambda/2 (7/10/14/17 MHz) ori între lamda și 5lambda/4 pentru 24/28/6m. Alimentarea se face la bază unde ar fi capătul dipolului. Fiind în mod normal o impedanță prea mare acolo (>450 Ohmi) se folosește o încărcare capacitivă cu 7 radiale de 1,2 m fiecare (la bază), ce reduce impedanța la doar 200 Ohmi. Astfel curentul nu va fi nul la bază ci la capetele radialelor (o schemă clasică). Ca urmare antena necesită pentru alimentare un UN:UN de 4:1 (nu de 9:1) realizat cu două ferite. Acest transformator reduce impedanța de la 200 la numai 50 de Ohmi. Pentru a mai scurta fizic antena și a păstra cu orice preț lungimea ei rezonantă, electrică, de 20m la frecvența cea mai mică, se mai adaugă la ieșirea sursei o capacitate de 22pF. Pe lângă aceasta mai apar patru încărcări inductive și două capacitive de-a lungul antenei.

Aceste încărcări au rolul de a modifica brusc impedanțele în punctele unde sunt plasate, ca urmare, se modifică lungimea electrică. Lungimea electrică pentru un rezonator în semiundă este 0.5lambda și, trebuie ca semnalul să vadă această lungime electrică pentru a rezona cu antena. Vizual lucrurile stau diferit, lungimea fizică a antenei (adică văzută de noi și măsurată cu metrul) poate fi mai mică decât lungimea electrică. Lungimea electrică depinde de mediul dielectric din jur sau de reactanțele din calea semnalului. Plasarea unei bobine determină o scădere mai abruptă a curentului la celălalt capăt lucru care s-ar întâmpla în mod normal numai după ce semnalul ar parcurge o distanță electrică ceva mai mare. Semnalul “crede” că a și parcurs-o fiind „păcălit” de bobină. Secretul costă în modificarea fazei semnalului care pe o linie filară creste linear cu (2pi/lambda)* distanța. Creșterea lineară a fazei este ca și cum metrul electric virtual ar fi întins și valoarea citită coincide cu cea indicată de metrul fizic. Plasând un element reactiv în serie, acesta modifică brusc faza semnalului și astfel semnalul crede că, ar fi (chipurile) parcurs o distanță ceva mai mare. Aici metrul electric (al semnalului) nu mai stă intins ci se pliază, valoarea indicată de metrul electric fiind diferită de a metrului fizic. Nu vreau să insist prea mult oricum într-un articol al său, Antene scurtate

(http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=991) OM Tavi-YO4BKM explică mult mai bine fenomenul.

Pentru a evita limitările 4NEC2 am folosit tronsoane de linie de aceași grosime (10mm). Un prim compromis. Asta pentru că 4NEC2 nu poate compensa erorile datorate segmentelor telescopice de grosimi diferite, asimetrice (vezi http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=1013 ). Pentru a rula mai repede simularea în faza de proiectare/optimizare am lucrat cu conductoare perfecte fără pierderi. Aici eroarea e acceptabilă dacă se urmăresc modelări bune ce vizează doar valoarea frecvențelor de rezonanță și SWR-ul la rezonanță nu și banda de trecere reală. Trapurile au un factor de calitate foarte mare (600) fiind în realitate din Cu/Ag. Am acceptat compromisul și mi-am luat adio de la simularea benzilor scrise în paranteză la început. Al II-lea compromis.

Prima problemă este legată de faptul că producătorul nu specifică câte trapuri folosește în BT1 (primul tub). Cele două trapuri (LC derivație) au fost optimizate prin simulări. S-au determinat pozițile și valorile optime pentru bobine și capacități (L4=0,9uH (de jos) și L1(1,8 uH) de sus). Capacitățile C4 respectiv C1 rezultă prin calcul din condiția de rezonanță pe 21 respectiv 24 MHz. Lungimea tubului BT1 s-a determinat la fel prin optimizare (0,8m). Probabil că, capacitățiile trebuie să reziste la tensiuni mari. La simulare asta nu e o problemă deci nu s-au calculat tensiunile între armături. La puteri de 1500W sunt sigur tensiuni foarte mari deci bănuiesc că producătorul se folosește de capacitatea parazită dintre bobină și peretele exterior al tubului. Obține astfel un condensator HV.

A doua problemă este legată de faptul că două tronsoane STUB unul ceva mai lung trece respectiv cel[lalt se apropie cu vârful de  radiale. Distanța fiind prea mică între trei segmente (nu doar unul) simulatorul probabil că va ceda (proximity failure). Acest STUB mai lung în mod normal este pentru reglarea rezonanței la 21 MHz. Pentru compensarea acestei probleme s-au folosit două trapuri 21/18 în BT1 mai sus. Producătorul declară că BT1 are două trapuri pentru 17/20m (18/14MHz). Datorită anomaliei de trecere a trebuit să merg pe varianta 21/18 nu pe 18/14. Dacă nu făceam acest artificiu pierdeam rezonanța la 21MHz deci un STUB nu funcționa 100% corect. Compromisul m-a forțat să imping trapul LC de 14MHz în BT2. Al III-lea compromis!

Compromisul să zicem că e acceptabil (cam ca un nod în gât) și că-l putem înghiții fără să ne înecăm cu el. Dar numai cu un pahar mare de apă!

Distribuirea ne-conformă cu realitatea a inductanțelor va afecta în mod sigur benzile de lucru și SWR-ul. Oricum astea sunt ca o fată prea frumoasă la care renunți din cauza resurselor tale limitate. Îți spui că oricum nu ar fi fost o bună gospodină.

Ultimul punct sensibil la acord este cel din vârful antenei. Frecvența cea mai gravă (joasă) a acestui  flaut fermecat se va ajusta de la ultimul segment (Reglaj 7MHz).

Simulare și optimizare

Simularea e o fază în care simți că te-ai apropiat un pic de lumea reală. Este cumva primul rezultat dintr-o serie de tentative nereușite din faza de modelare ce îți confirmă așteptările. Dacă nu ai niște referințe și nu simți cum funcționează antena reală ești pe cale să descoperi un fel de antenă minune. Având idee cam ce ar trebui să rezulte poți să vezi unde ai greșit, unde mai trebuie ajustat sau recalculat. Încet încet cu șurubelnița virtuală începi să-ți ajustezi modelul după chipul și asemănarea realității crude. Dacă nu seamănă, înapoi la planșetă. E cam ca într-un sistem cu reacție unde realitatea te îndrumă încet încet. S-au ca la fizică unde era mai ușor să rezolvi problema dacă știai rezultatul dinainte.

Soluția corectă e în zona de stabilitate. Simulatorul nu știe când rezultatul este cel corect, dar tu, trebuie să știi un lucru. Atunci când te apropii de el, rezultatele grafice gen SWR vs frecvență etc nu mai sunt sensibile la anumite schimbări cum ar fi resegmentarea sau schimbarea pasului de frecvență. Când observi lucrul acesta e ca și cum ai auzi un BIP la un DIP-metru. Aici se oprește faza de modelare adică faza în care modelul este bine definit și imită relativ bine realitatea.

În faza de simulare modelul rezultat e bun și parametrii antenei vor fi sensibili numai la modificările lungimilor sau distanțelor dintre linii (la parametrii geometrici ai antenei). Acum e momentul să determini unde sunt punctele sensibile din care poți controla rezonanțele antenei. Aici sunt indicate de producător. E mai simplu. Mai rămâne să verifici dacă se și verifică. Dacă da, atunci pasul următor e să determini cum se influențează reciproc. Vezi ce efect are un punct de acord asupra parametrilor antenei. E ca și cum ai prinde un acord la o ghitară. Punctele calde sunt determinate de poziționarea degetelor pe griful ghitarei. Acordul corect este determinat de o combinație între punctele în care apasă degetele pe grif. Un acord bun se notează sau se ține bine minte.

Metoda mea preferată este să folosesc programul de optimizare al 4NEC-ului. Aleg un paramentru și-l optimizez. Notez apoi valoarea parametrilor rămași. De exemplu aleg să optimizez lungimea unui tronson sau valoarea unei bobine pentru o bandă. După optimizare notez valoarea SWR-ului pentru celelalte benzi. După ce optimizez fiecare tronson în parte aleg câte doi sau trei parametrii. Încet încet îmi apare clar în minte un fel de relație, ca o hartă, ce-mi permite să înțeleg cum va răspunde antena la intervențiile mele. Am privit întotdeauna programul de optimizare ca pe o unealtă nicidecum nu ca pe un sistem autonom pe care îl pornești și tu te culci. Optimizarea o face la final tot operatorul nu calculatorul. Într-un cuvânt, calculculatorul te asistă, doar te ajută. Atenție! Calculatorul știe și poate,  mai degrabă să te și încurce. În faza de optimizare trebuie să te ții cu dinții de ceea ce înțelegi și să te ferești de zona în care nu mai înțelegi aproape nimic.

Faze din procesul de simulare/optimizare/modelare.

Rezultatele modelării antenei Cushcraft R8 sub formă tabelară (Cs=22pF)

FF = far field

NF = near field

Se vede că rezonanțele se apropie valoric de frecvențele la care, în mod normal, SWR-ul este minim. Cineva poate observa că adaptarea antenei pe criteriul SWR-ului mai degrabă acționează în favoarea stației nu în favoarea antenei (a radiației). Antena va radia eficient la rezonanță, dar va incasa eficient energia de la generator pentru un SWR minim. Nu e chiar același lucru!

Rindul al III-lea din tabel a fost marcat cu roșu pentru că nu sunt mulțumit de concordanța dintre model și realitate. Soluția identificată pentru evitarea constrângerii din 4NEC2 la trecerea STUB-urilor lungi printre radialele din mijloc anulează avantajul oferit de acestea în banda de 20m adică o bandă mai largă și o eficiență de radiație mai bună. Personal cred că antena R8 se comportă mai bine și are o eficiență mai bună de 38% în 14MHz. În benzile de 40 și 30 m cred că rezultatul e satisfăcător pentru că antena e exagerat de scurtă în aceste benzi și STUB-urile nu ajută deloc aici.

În coloana 5 se văd câștigurile. Ca echivalență în lungimi electrice în 7MHz antena are un câștig prost echivalent cu a unui radiator în sfert de undă.  Acesta e prețul scurtării exagerate. Puterea se duce pe bobine, capacități și pământ (ori pe apa Sâmbetei). Numai 27% este radiată efectiv la distan’e mari. La o înălțime de 6m de sol la lungimea ei fizică de 8-9m în loc de 20m cred că radiază destul de bine. Dacă facem o aproximare de bun simț și considerăm că un dipol radiază uniform pe toată lungimea sa atunci de la 20m la 8m avem o scurtare cu 60%. Asta înseamnă conform calculului super grosolan că ar trebui să am o eficiență de radiație a părții rămase de 40%. Dacă mai punem și pierderile în pământ și în bobine putem accepta că 27-30% e o margine realistă.

Tot din coloana 5, dar pentru frecvența de 7 MHz vedem că câștigul este de 1dBi. Un radiator cu lungimea electrică de lambda/2 are cam 2,2 dBi. Deci avem un dipol radiant în 10MHz ceva mai prost. E normal. Ra’ionamentul poate continua astfel până la 24 MHz unde ceva se întâmplă cu câștigul ce crește brusc la 3,3dBi. Ca echivalență ar fi un radiator cu lungimea electrică de 2lambda. Radiația devine comparabilă cu cea a unui radiator cu lungimea de 5lambda/4 la frecvența de 50MHz unde Cushcraft R8 este un performer. Mai jos se vede diagrama de radiație la frecvența unde eficiența de radiație este maximă 75%. Unghiul de radiație este mare, favorizând propagarea pe stratul E sporadic. Pentru celelalte benzi unghiul de radiație este mic, favorizând propagarea prin reflexii ionosferice și DX-urile.

Dar cum este posibil acest câștig la un tub vertical? Că doar nu e YAGI!

Câștigul apare prin modificarea lungimii electrice a antenei la frecvențele de rezonanță de la lambda/2 la 5lambda/4. Pentru asta ar fi nevoie de niște supape electrice ce să se închidă sau să se deschidă în funcție de frecvență. Aerul aici este curentul prin antenă!

Exact ca la un flaut!

Se va vedea cum lucrează aceste supape din perspectiva distribuției curentului de-a lungul antenei.

Fig. 1 Distribuția curentului (magnitude-amplitudinea maximă) de-a lungul antenei funcție de frecvență

Testul adevărului sau înapoi la argument

Tabelul adevărului – Antena CUSHCRAFT R8 Simulare vs. măsurare

Cushcraft R8 are conform producătorului un unghi de radiație mediu de 16 grade cu planul orizontal. Un astfel de unhi nu rezultă din simulări. M-am gândit la un moment dat să simulez îndoirea cu 10 grade a radialelor de la bază ce fiind mai lungi se curbează sub acțiunea greutății lor. Simularea nu a condus la schimbări majore. Un unghi mai mare nu ar mai fi conform cu realitatea. Un unghi de 16 grade ar fi mai bun pentru DX decât unul de 24-26 de grade. Fiind greu de verificat va trebui să-i credem pe cuvânt pe cei de la Cushcraft.

Personal sunt mulțumit de rezultate, într-o primă etapă, cred că pot fi luate în serios. Totuși antena aceasta este destul de sofisticată și nu se lasă cu una cu două. Mai e loc de studiu. Mai are destule secrete și multe fenomene fizice mai fine ce scapă modelului. Sursele sunt disponibile pe pagina personală la adresa http://qsl.net/yo5ouc/antennas.html  .

În domeniu, trăim două mari schimbări conceptuale: SDR-ul și modelările numerice pe calculator. Ce va urma? Habar nu am, dar vreau să fiu parte la astea două așa cum cei ce au trăit era superheterodinei și a tuburilor au fost.

Tot din testul adevărului face parte și auto-evaluarea comparativă cu realizările altora. Sau în engleză state of the art. Evaluarea comparativă te ajută să te poziționezi în raport cu ceilalți și să eviți euforia.

R8 vs. R7  

O realizare simil. este simularea antenei CUSHCRAFT R7 (http://www.qsl.net/kp4md/modeling.htm). Deși nu are linii de tip STUB folosind radialele capacitive și încărcări inductiv/cap (trapuri rezonante LC derivație) pentru a forța rezonanțe pe șapte benzi. Personal consider că e un concept cât se poate de clasic. Antena a fost modelată de  Dr. Carol F. Milazzo, KP4MD (YL!).

Se vede că pentru primele două benzi SWR-ul este peste 3. Benzile sunt mai înguste la frecvențele mari. Cred că R8 pe lângă R7 e ca un Audi pe lângă un Logan, mai aduce un plus conceptual și o bandă nouă (6m) unde nu că se comportă bine, se comportă foarte bine. Aici se vede cu ochiul liber că ar fi nevoie de un AT pentru R7.

Banda [m] SWR min. R7 (4NEC2) By KP4M2 SWR min. R8 (4NEC2) By YO5OUC 40 3,6:1 1,7:1 30 3:1 2:1 20 1,7:1 1,75:1 17 2,5:1 1,2:1 15 1,2:1 1,6:1 12 1,3:1 1,87:1 10 1,7:1 2,2:1 6 - 1,2:1 Media 3:1 1.7:1

Am văzut că CUSHCRAFT a scos pe piață și modelul R9, adăugând banda de 80m. Dar să nu exagerăm! Probabil că e o chestie de marketing. Ceva din seria, când antenă când NEON. Sau Flautul vesel cu pian! Dacă se vinde e OK.

R8 home-made vs. R8 - China made

Sincer cred că ar fi mult mai multe de făcut până la versiunea home-made a lui R8. Nu m-aș încumeta să-mi fac una, dar nu pentru că mă sperie acordul ci pentru că e greu să-ți faci rost de materialele necesare. Una nouă costă cam 650$. Prețul e modic dacă nu ai de gând să le faci în serie. Pentru una singură nu prea merită efortul și costurile timpul/banii. Mi-ar place să montez una industrială, să o măsor, apoi să o desfac bucățele și să o studiez. Asta mai nou se cheamă reverse-engineering.

În loc de încheiere

În opera Flautul Fermecat este vorba despre dragoste pasiune și viață. Prințul primește în dar un flaut fermecat cu condiția de ași împlinii destinul. Destinul lui era se pare legat de o prințesă cam ca toate prințesele din cam toate poveștile - frumoasă. Pentru a o salva, prințul trebuia însă să treacă de testul tăcerii urmat în final de proba apei și a focului într-o desăvârșită armonie de sunete, vibrații și senzații. Supapele acestui flaut lucrează perfect, dincolo de limită, mânuite de un maestru. Nu e doar meștereală, e mai mult. O stare ce te îndeamnă la tăcere, admirație și contemplație pentru arta adevărată.

Nici un simulator din lume nu va putea vreodată, în materie de antene modela, echivalentul unui flaut fermecat sau a unui Stradivarius. Pentru asta este nevoie de mult mai mult. De experiență, curaj,   ingeniozitate, dragoste și sacrificiu. Cam multe la un loc!

Cu toate acestea să vedem și partea plină a paharului. Simularea acestor antene este calea mai ușoară spre înțelegerea unor fenomene care, în mod normal, necesită trecerea anilor. Vizualizarea unor semnale invizibile (abstracte) devine frișca de pe tortul simulatorului 4NEC2. Înțelegerea lor, după memorare este a doua etapă pe scara cunoașterii care, devine mai la îndemână folosind și modelele numerice, iar procesul de învățare/vizualizare mult mai plăcut și mai natural. Până la creație mai rămâne doar un pas: bani,răbdare, pricepere și o soție îngăduitoare.

Sper ca pe viitor astfel de materiale să fie culese/adunate într-un tutorial de modelare și simulare a antenelor filare pentru radioamatorii din YO.

Vă doresc numai bine și spor la modelat antene, practic sau virtual în funcție de vremea de afară.

Vă mai așteptăm și la CUPA NAPOCA.

73! de YO5OUC – Nicolae Crișan (Nicu)

Nicu Crisan YO5OUC

Articol aparut la 2-5-2015

9391