Florin Crețu YO8CRZ

Toate versiunile de antene verticale încercate au fost montate pe sol și au fost mai scurte de lambda/4. O antenă verticală scurtă are însă o rezistență de radiație redusă și necesită un câmp de radiale corect executat pentru a reduce pierderile totale. Când spațiul disponibil este redus, construcția unui câmp de radiale cu o rezistență de pierdere redusă este dificilă. Am folosit 6-8 radiale îngropate, cu lungime de cca. 8-10m. Pe perioada iernii obișnuiam să suplimentez numărul de radiale cu încă 4-6 bucăți de diverse lungimi. Din cauza configurației grădinii, aceste radiale nu pot fi în linie dreaptă.

Deși am lucrat cu această antenă în 80m un număr de DX-uri interesante, am știut că antena ar trebui să meargă mai bine. Am avut confirmarea făcând câteva teste comparative cu un alt radioamator aflat la 20-25Km distanță. Acesta are o antenă verticală cu aproximativ aceeași lungime, însă montată pe acoperiș la circa 10m de sol, cu două radiale acordate. Am considerat această antenă ca referință. În mod constant, pentru circuite scurte de până la 2000Km au fost cca. 5-6dB diferență în favoarea antenei montate pe acoperiș și cca. 11dB pentru circuite peste 3000Km. Testele în sine, nu au făcut decât să confirme ceea ce știam deja: pierderile în câmpul meu de radiale erau inadmisibil de mari.

Într-adevăr, cu 6-12 radiale și acelea dispuse pe sol fără nici o simetrie, prea scurte și cu lungimi inegale, nu ne putem aștepta la performanțe foarte bune. A aspira la 100-120 de radiale cu lungime de min. ¼ lambda, este însă complet nerealist într-un oraș mare.

Ce se poate face însă? Montarea unei noi antene pe acoperiș nu întră în discuție pentru mine, din motive variate. Trebuie să mă mulțumesc cu o antenă verticală pe sol. Eficiența radialelor poate fi însă îmbunătățită, dacă sunt folosite radiale elevate față de sol. Chiar și doar două radiale elevate sunt superioare ca performanță față de câteva radiale pe sol așa cum aveam eu. Din păcate însă, lungimea radialelor elevate în linie dreaptă este de aproape 40m, fiind neestetică și prohibitivă.

O soluție mai bună în acest caz este o contragreutatea pliată (en. Folded Counterpoise- FCP). Despre contragreutatea pliată am scris anterior în ambele volume al cărții Radiotehnica. Avantajul major este un spațiu de instalare redus, cu o lungime totală de doar cca. 10m pentru banda de 80m. Mai mult, contragreutatea pliată se poate monta chiar și pe un gard din lemn (evident, nu și pe un gard metalic!) și performanțele sunt superioare față de un câmp de radiale cu densitate redusă pe sol.

Piesa esențială este un transformator special pentru alimentarea a antenei, cu raport de 1:1. Prin modul de alimentare, contragreutatea nu este și nu poate fi la potențialul solului. Legarea directă a tresei cablului coaxial la contragreutate nu este posibilă, deoarece contragreutatea ar fi scurtcircuitată la masă prin tresa coaxialului. În aceste condiții ar apare un curent foarte mare pe tresă, care reprezintă putere pierdută, iar tresa coaxialului radiază împreună cu întregul lanț de emisie până în casă...

Soluția este să se folosească un transformator de izolare galvanică de 1:1, care să permită “flotarea” tensiunii de la punctul de alimentare a antenei. Cum combinația antenă-contragreutate poate fi asimilată în acest caz cu un circuit rezonant cu un Q de cca.20, e de așteptat o creștere a tensiunii pe „capătul cald” al contragreutății în raport cu solul de cca. 20 ori față de tensiunea de excitație, datorită fenomenului de rezonanță.

Atenție: contragreutatea pliată nu este rezonantă și nu prezintă o impedanța redusă la punctul de alimentare. Funcție de putere, se poate ajunge la o tensiune de câțiva KV în raport cu solul, deși tensiunea pe secundarul transformatorului (excitația) rămâne cea corespunzătoare unei impedanțe relativ reduse. Contragreutatea pliată este construită în așa fel încât câmpul electromagnetic creat se auto-anulează prin schimbarea succesivă a direcției de parcurs a curentului. În consecință nu participă la radiația în câmp depărtat (componenta câmpului polarizată orizontal ce este datorată contragreutății, reprezintă sub 1% din puterea radiată de radiantul vertical).

În aceste condiții, aplicând un factor de siguranță, transformatorul de izolare trebuie să asigure o rigiditate dielectrica de cca. 10KV, ceea ce implică o construcție specială și foarte îngrijită.

Notă: Un transformator de impedanță asigură o transformare de impedanță între primar și secundar, egală cu pătratul raportului numărului de spire din cele două înfășurări. Astfel, un transformator cu raportul înfășurărilor 1:2 asigură o transformare de impedanță de 1:4. Atât partea rezistivă a impedanței cât și cea reactivă suferă același raport de transformare. Astfel, dacă impedanța complexă în primarul transformatorului de mai sus este de 25-j25, în secundar, impedanța măsurată va fi de 100-j100 (sau 25 Ohm pur rezistiv este transformat în 100 Ohm). Tipul impedanței din secundar (inductiv sau capacitiv) este păstrat.

Transformatoarele de bandă largă clasice, ce folosesc ferite cu permeabilitate mare (µi ~800) gen material 43 nu funcționează în acest caz, datorită pierderilor prea mari. Întreaga putere este transferată prin miez și încălzirea devine excesivă. Soluția a fost să se folosească un material cu permeabilitate mult mai mică ce are implicit și pierderi mult reduse, cu secțiune suficient de mare pentru a permite obținerea unei inductanțe semnificative a înfășurării la frecvența de lucru (reactanța de minimum 10 ori impedanța de operare). Acest transformator, executat pe un tor cu pulbere feroasă cu permitivitate redusă, va avea însă inevitabil un flux de scăpări ridicat. Fluxul de scăpări determină apariția în secundar a unei inductanțe parazite, (inductanța de scăpare) care va afecta frecvența de rezonanță a antenei. Inductanța de scăpare apare pentru că fluxul primar și cel secundar nu se pot anula reciproc neavând aceeași mărime. Evident că reactanța (inductanța) parazită din secundar creată de acest flux de scăpare ridicat, poate fi absorbită în reactanța antenei, mai ales la o antenă scurtă care prin definiție are o reactanță capacitivă.

Transformatorul se poate achiziționa de la Balun Design LLC (USA), Model 1142s sau se poate construi, așa cum este arătat în cartea Radiotehnica II. Acest transformator are pierderi de putere foarte reduse și poate funcționa în regim continuu cu o putere de 1KW și o putere de vârf cu 3dB mai mare. Numărul de spire diferă funcție de banda de operare.

Transformatorul acesta poate fi folosit doar în această aplicație, inductanța de scăpare ridicată făcându-l neutilizabil în alte aplicații uzuale.

Această soluție constructivă a fost obținută în urma a numeroase teste și este indicat să fie construit folosind doar materialele indicate. Torul cu pulbere feroasă și tubul de teflon se pot obține de la Amidon. Având toate materialele necesare, construcția nu trebuie să ia mai mult de 1-2 ore.

În fig. 1 sunt arătate materialele necesare, iar în fig. 2 este arătat transformatorul asamblat de mine.

Fig. 1

Fig. 2

Antena în sine este cea descrisă în carte, folosind un pilon telescopic din fibră de sticlă produs de Spiderbeam, cu lungimea de 12m. Acest tip de pilon, are marele avantaj că este foarte ușor și că poate fi demontat pe durata verii...

În decursul exploatării am efectuat însă unele mici schimbări la versiunea prezentată în carte. Am constatat că bobina plasată sus (aproape de capacitatea terminală) prezintă o rezistență mare la vânt, motiv pentru care am eliminat-o. În plus, se pare că o parte a inductanței era anulată de proximitatea capacității terminale, motiv pentru care inductanța efectivă era mai redusă decât cea calculată. Pentru a restabili frecvența de rezonanță am crescut însă lungimea contragreutății pliate cu 10 cm la fiecare capăt. Am eliminat cele două spițe orizontale din același motiv al rezistenței la vânt, însă am crescut numărul de spițe oblice de la capacitatea terminală la 3, acestea fiind ancorate cu fir de nailon pentru a îmbunătăți rezistența la vânt. Tot pentru reducerea rezistenței la vânt, am eliminat izolatorii de la capetele oblice ale capacității terminale. Lungimea tijei metalice din vârf a fost crescută la 1m lungime.

Am folosit coliere metalice din inox (tot de la Spiderbeam) pentru a rigidiza segmenții din fibră de sticlă telescopici, pentru că altfel la prima ploaie sau vânt mai intens segmenții pot culisa înapoi...

Banda operațională de frecvență a antenei, este de cca. 150kHz pentru un SWR de 2.66:1, iar pentru 2:1 este de cca. 100kHz. Dacă antena este acordată pentru porțiunea de SSB a benzii de 80 m, evident nu va putea fi folosită pentru porțiunea de CW. În această situație am recurs la comutarea unei inductanțe în serie cu punctul de alimentare a antenei, pentru a modifica frecvența de acord. Astfel, frecvența de lucru a antenei se poate comuta cu un releu fie pe porțiunea de CW, fie pentru SSB.

Fig.3 (Desenul nu e la scară)

Reglajul antenei nu este complicat însă necesită măcar o experiență minimală în lucrul cu antene.

Se începe prin ajustarea lungimii conductorului de cupru pe elementul vertical. Acest conductor este depus spiralat pe lungimea suportului din fibră de sticlă, aproximativ 1 spiră pe segment, cu excepția ultimului segment care are 4-5 spire. Spirele de la capătul inferior se pot desface (sau adăuga) pentru a aduce frecvența de rezonanță la 3770kHz, eventual pentru mici retușuri se mai poate ajusta și lungimea contragreutății pliate.

Pentru elementul rezonant vertical am folosit conductor de cupru de 1mm izolat cu PVC. Am folosit trei conductori în paralel pentru primii 5m, doi conductori în paralel până la 9m și pentru restul doar un singur conductor. Aceasta deoarece la baza antenei este curentul maxim, fiind mai redus la vârf. E bine să nu încărcăm cu o greutate inutilă (și crește și rezistența la vânt) pilonul din fibră de sticlă. Pentru rigidizarea conductorului pe pilon se folosesc bride de PVC sau polietilenă. Trebuie menționat că frecvența de rezonanță depinde de tipul solului de sub antenă, așa încât sunt de așteptat unele diferențe de la o instalare la alta. Folosind un analizor de antenă de gen MFJ259B/269 antena este foarte simplu de acordat.

Fig. 4



Fig. 5



Fig. 6

Schema echivalentă este arătată în fig. 4. Bobina de lungire (electrică) a antenei L1, se dimensionează astfel ca frecvența de rezonanță să coboare de la 3770 la 3550kHz. Aceste frecvențe de rezonanță sunt măsurate pe vreme uscată.

Bobina L1 are 11 spire, pe o carcasă de PVC cu diametrul de 75mm, cu sârmă de Cu de 3mm, izolată cu PVC. Acest tip de sârmă este în mod normal folosită pentru instalații electrice de joasă tensiune. Izolația de plastic reduce în oarecare măsură Q-ul bobinei, însă o protejează la oxidare care ar reduce Q-ul considerabil în mai puțin de un an. Funcție de condițiile de instalare concrete se mai pot adăuga sau scoate câteva spire pentru a se obține frecvența de rezonanță de 3550. Mici retușuri se pot face și lungind sau scurtând capătul inferior al contragreutății.

Am folosit pentru releul de comutare, o cutie de plastic etanșă de același tip ca si pentru trafo 1:1. Bobina a fost montată în exteriorul cutiei și nu în cutie, cu șuruburi de bronz. Această soluție permite folosirea unei inductanțe cu o dimensiune fizică corespunzătoare pentru a se putea atinge un Q>400. În plus este mai simplu să se ajusteze o inductanța externă pentru a se obține frecvența de rezonanță dorită.

În cutia de comutare se află un releu, ce scurtcircuitează bobina pentru situația când se operează la capătul DX pentru SSB. Relul este comandat din casă, prin intermediul unui cablu de tip CAT5-E, cu izolație pentru utilizare la exterior. Releul trebuie să poată suporta la contacte un curent de peste 10A și să aibă o tensiune de străpungere între bobină și contacte mai mare de 2.5KV (T9AS1D12-12 TE Connectivity, 832A-1A-S-12VDC-VDE Song Chuan). Am folosit platbandă de cupru de 12mm lățime pentru cablarea internă (obținută prin tăierea cu foarfecul dintr-o placă de cupru cu grosime de 0.3mm). Din fotografie se observă că pentru contactele externe, am folosit șuruburi din bronz de 6mm, cu piulițe fluture. Este important să se asigure o suprafață de contact mare pentru a reduce densitatea de curent. Nu se folosesc șuruburi din oțel obișnuit (magnetic) pentru a trece curenți mari de RF, pentru că introduc pierderi mari (eventual se pot încălzi până la punctul în care peretele de plastic al cutiei se topește). Se pot folosi și șuruburi din oțel inox care este foarte puțin magnetic.

În Fig. 5 cutia de plastic din stânga este cea pentru releu iar cea din dreapta pentru transformatorul FCP. Fig. 6 arată relul de comutare, ce are în paralel cu bobina de comandă o diodă și un condensator de 0.1uF. Pe cablul de comandă este plasat un tor de ferită FT240-43 pe care am bobinat 10 spire cu cablul CAT5-E pentru a bloca circulația curentului de mod comun până în casă.

Alimentarea antenei se face cu un cablu coaxial gen RG213, ce este lăsat pe sol, (sau îngropat la mică adâncime, pentru șuntarea curentului de mod comun).

În mod normal, trebuia să aplic la punctul de alimentare un număr de ferite pe exteriorul coaxialului, pentru a atenua circulația curentului de mod comun pe exteriorul coaxialului. O voi face poate în viitor, însă deocamdată nu am remarcat efecte adverse datorită lipsei unui șoc RF. Trafo de izolare galvanică se pare că asigură o izolare foarte bună. Ca o diferență față de Fig. 3, am plasat cutia transformatorului și cea a releului sub contragreutate, pentru a ține coaxialul cât mai departe de FCP.

Am montat contragreutatea pe un gard de lemn, folosind izolatori din plastic (PVC-UV) cumpărați pe ebay, făcuți pentru construcția gardurilor electrice. Evident, se pot improviza și din alte materiale, însă având în vedere tensiunile mari care apar pe contragreutate e necesară o izolație foarte bună, iar conductorul trebuie ținut cât mai departe de suprafața de lemn (mai ales când lemnul este ud!).

În mod normal, pentru execuția contragreutății pliate se folosește un conductor din cupru blanc sau multifilar neizolat. Aveam pregătit pentru aceasta o cantitate de fir multifilar de 1.6mm din bronz fosforos însă XYL-ul s-a plâns ca e prea vizibil în grădină așa că în final am folosit conductor multifilar izolat cu PVC de culoare maro deschis.... Problema este că atunci când plouă, pe plastic se acumulează mult mai multă apă decât pe conductorul metalic neizolat. Aceasta, cumulat cu schimbarea proprietăților solului ud față de cel uscat, determină o reducere a frecvenței de rezonanță de cca. 60-70kHz. Cu un conductor metalic neizolat pentru contragreutate, această variație se reduce cu cca. 25kHz, restul până la 70kHz putând fi atribuit în cea mai mare parte solului. Evident că această schimbare a frecvenței de rezonanță, este resimțită de operator prin schimbarea SWR-ului la frecvența pe care operează. Ridicând mai mult de la sol contragreutatea, nu se reduce doar efectul solului asupra frecvenței de rezonanță dar se reduc și pierderile. O decuplare aproape completă a contragreutății de sol nu se poate face însă decât prin ridicarea contragreutății față de sol la minim 0.15-0.2 lambda (solul în afara zonei de câmp reactiv), ceea ce ar implica însă montarea antenei pe acoperiș...

Antena prezentată aici folosește încărcarea capacitivă terminală, care este cea mai eficientă formă de încărcare a antenelor. Înafară de reducerea frecvenței de rezonanță, încărcarea capacitivă terminală determină și modificarea distribuției curentului în elementul radiant. Aceasta are implicații asupra impedanței la punctul de alimentare (partea rezistivă crește), precum și ridicarea centrului aparent de radiație de la sol, cu efecte favorabile mai ales când antena este plasată între case. În general antenele verticale montate pe sol, sunt foarte sensibile la tipul de sol, inclusiv existența unor straturi de sol cu proprietăți electrice diferite, sau chiar existența (sau nu) a unei pânze freatice. Doar un câmp extensiv de radiale poate estompa diferențele și face funcționarea unei asemenea antene ceva mai puțin dependentă de sol.

Pentru ancorare nu se folosesc ancore metalice! Am folosit pentru această antenă verticală ancore din Kevlar de 2mm (ebay) și fir pescăresc de naylon de 1mm pentru a ancora spițele capacității terminale. Ca paranteză, avînd în vedere numărul relativ ridicat de antene pe care le am pe un spațiu redus, pentru a reduce problemele de interacțiune, nu mai folosesc actualmente nici un fel de ancore metalice. Pentru antena mea beam, pilonul rotativ este ancorat cu Phillystran (comandat de la Array Solutions), ce are o rezistență la întindere similară cu un fir de oțel la doar o fracțiune din greutate.

Acest tip de contragreutate pliată nu este un substitut pentru un câmp de radiale corect executat, ce conține minimum 30 de radiale. Pentru cei care însă din diverse motive nu-și pot permite un câmp de radiale extensiv, această contragreutate pliată poate fi o alternativă demnă de luat în considerare.

Rezultate comparative și în trafic DX

Față de antena de referință montată la 10m de sol, diferențele s-au redus substanțial, însă cu toate acestea la peste 3000Km distanță semnalul antenei cu contragreutate pliată este mai redus cu cca. 4db. Această diferență poate fi pusă în primul rând pe seama faptului că antena de referință este mai bine degajată față de sol și nu pe seama tipului de radiale folosite.

Receptoarele WebSDR aflate în toată lumea ca și rețeaua RBN (Reverse Beacon Network) sunt de mare ajutor pentru teste comparative și permit evaluarea unor diferențe relative de semnal de până la 1dB.

Antena cu contragreutate pliată mi-a permis să lucrez în banda de 80m un număr de DX-uri interesante la peste 10000Km, pe care nu le-aș fi putut lucra anterior decât cu mare dificultate: VK0, VP6, VR, T3,T8, XX, YJ, ZD7, ZD8 și altele.

De multe ori în trecut am putut recepționa semnale via Long Path pe 80m, folosind modul de lucru JT65 sau chiar CW, însă nu am reușit niciodată să lucrez mai mult de 1-2 stații pe an via LP, pe această bandă. Folosind însă această antenă am reușit ca în prezentul sezon să lucrez cca. 10 stații pe LP, utilizând exact aceeași putere ca și în trecut.

Consider că pentru o antenă ce reprezintă de fapt o soluție de compromis și care este încă perfectibilă, rezultatele sunt suficient de bune. Evident, aceasta e departe de ceea ce se poate face în condiții ideale, cu o stație cu un amplasament favorabil, dotată cu antene Beverage multiple la recepție, cu un 4 Square la emisie ce utilizează radianți cu lungime integrală și un câmp de 100 de radiale pentru fiecare element radiant…

O antenă verticală amplasată în oraș nu este foarte utilă la recepție, mai ales în banda de 80m. La recepție pe 80m folosesc o antenă cu direcție de recepție comutabilă, care-mi permite să determin direcția de sosire a semnalului. Folosesc de asemenea câteva metode de compensare fazică a zgomotului la recepție, fără de care nu aș fi în stare să recepționez mai nimic, datorită nivelului de zgomot extrem de ridicat din oraș (uneori S9+ pe vertical).

În general, o antenă verticală este utilă în primul rând pentru comunicații la mare distanță. Pentru lucrul la mică distanță, ce necesită un unghi de plecare mare, câștigul este redus. În acest caz un dipol jos este de preferat (comunicații NVIS). Sper ca cele scrise să fie de utilitate chiar și pentru cei care nu intenționează să construiască o astfel de antenă, însă sunt interesați de funcționarea antenelor în general. Din acest motiv am detaliat modul de funcționare și construcție a acestui tip de antenă. Am convingerea că o înțelegere corectă a modului de funcționare ne permite nu numai să extragem maximum de performanță de la o antenă, dar și să o putem adapta condițiilor concrete de instalare sau chiar îmbunătăți.

Florin Crețu YO8CRZ

Articol aparut la 29-3-2017

8771