Cristian Moldovanu YO4DFT

Datele existente despre realizarea practică a acestui tip de antenă sunt foarte puține, din nefericire. Singurele surse de documentare identificate privind realizarea practică o reprezintă materialele publicate de John Kaufmann - W1FV, Fred Hopengarten - K1VR și  André Klingeberg – DF9OX.

Parcurgând documentația din anii 1998 a primilor doi enumerați, am remarcat un detaliu surprinzător. Conform autorilor, pentru modelul realizat în banda de 160 m, la o frecvență de rezonanță a antenei de 1830 kHz, frecvența de rezonanță măsurată a Reflectorului este de 1900 kHz ! Această informație, pentru mine cel puțin, răstoarnă tot ce cunoșteam despre antenele tip Yagi.

În ceea ce mă privește, ideea realizării acestui tip de antenă a apărut în urmă cu câțiva ani, când am devenit proprietarul unui teren în marginea Constanței, la aproximativ 800 de metri de prima, sau ultima clădire a orașului.

(The FVR Spitfire Array, John Kaufmann - W1FV, Fred Hopengarten - K1VR , Dayton 98-1, pagina 11)

Încercând să descifrez misterul, am identificat un alt document al autorilor intitulat Frequently Asked Questions (FAQ's) - The FVR Spitfire datat 17 septembrie 2003, unde am găsit următoarea precizare:

*              Tell me again why you picked 1.9 and 2.0 MHz for the resonant frequencies of the director and reflector respectively?

                That's what I determined by trial and error from computer modeling.

…….

However, you should use the MFJ-259 to feed each parasitic element from the corner and adjust the horizontal segment lengths to achieve the exact resonant frequencies given above. 

În ceea ce privește realizarea antenei și în alte benzi, autorii au specificat clar aceeași idee, a frecvenței de rezonanță „atipice” pentru Reflector (spre exemplu, 3.60 MHz – CW și 3.85 MHz - SSB).

Folosind tabelul cu dimensiuni oferit de autori pentru realizarea antenei în benzile 160/80/40 metri, am ales modelul pentru 7000 khz și l-am transpus în modelare teoretică cu MMANA-GAL.

Surpriza cea mai mare pe care am avut-o a fost că frecvențele de rezonanță proprii ale Reflectorului și Directorului rezultate din modelarea MMANA au fost 6817 kHz respectiv 7638 kHz.

Am să explic pe scurt pașii urmați în modelarea antenei cu MMANA, pași care au fost apoi urmați și în realizarea practică.

1.     Am introdus elementul Vibrator (12.50 m), alimentat la bază, cu scurtare prin condensator, apoi am optimizat valoarea acestuia pentru rezonanță la 7000 kHz.

2.     Am introdus elementul Director (13,81 +6,01 metri) exact la cotele indicate în tabelul autorilor

3.     Am mutat sursa de la Vibrator în colțul realizat de îmbinarea elementului înclinat cu cel orizontal, aferent Directorului.

4.     Am folosit funcția Plots/Resonance pentru a afla frecvența de rezonanță proprie a Directorului.

5.     Am lungit elementul orizontal pentru a ajunge la valoarea indicată pentru Reflector, după care am folosit funcția Plots/Resonance pentru a afla frecvența de rezonanță proprie a Reflectorului.

După cum se poate observa, aflarea frecvențelor de rezonanță a Reflectorului și Directorului s-a făcut considerând că există un singur element care poate influența măsurătoarea, și anume Vibratorul. Această metodă a fost folosită și în spiritul celor recomandate de autori în Frequently Asked Questions

  ... when you tune up each parasitic element, you must prevent the other elements from interacting and corrupting the measurement.  Therefore, you should open circuit the driven element from ground and remove the other parasitic elements completely by temporarily lowering them. 

După completarea elementelor în modelul teoretic MMANA și optimizarea valorii condensatorului variabil pentru rezonanță la 7000 kHz, rezultatele obținute au fost următoarele:

R=79,33 ohmi, Ga=4.1dBi la elevație de 32,8 grade, F/B = 19,95dB pentru semnale cu elevație de 20 grade.

Considerații privind câștigul și atenuarea față/spate

Teoretic, pe direcția de radiație și la elevații sub 30 de grade, antena este net superioară unei verticale cu 3-4 dB.

Raportul față/spate este bun doar la elevații mici, valoarea mica a acestuia la unghiuri mari reprezentând un inconvenient deoarece semnalele stațiile relative apropiate (în cazul nostru Europa și fosta URSS) vor fi în continuare semnificative ca valoare.

O soluție ar fi aplatizarea diagramei. În biblioteca de exemple a MMANA GAL, folderul de antene directive HF, găsim o variant de FVR denumita 3 EL GP80. După scalarea modelului la banda de 40 metri și optimizarea condensatorului variabil, observăm că diagrama de radiație prezintă valori de câștig mai mici la unghiuri mari, adică exact ce ne dorim.

Diferențele semnificative dintre cele două modele sunt următoarele:

-       Lungimea monopolului este de 11,83 metri față de 12,5 metri

-       Punctele de ancorare ale elementelor înclinate ale Directorului și Reflectorului se află la distanța de 9,06 / 8,81  metri față de 10,55 metri

-       Înălțimea față de sol a elementelor orizontale ale Directorului și Reflectorului este de doar 1 metru față de 3 metri 

-       Distanța între monopol și capătul superior al Directorului/Reflectorului este de 1 metru, față de 0,23 metri.

Pentru a verifica ce parametru influențează forma diagramei în sensul dorit de noi, am reluat simulările MMANA (păstrând frecvențele de rezonanță obținute anterior) obținând urmâtoarele concluzii:

-       Mărirea distanței punctelor de ancorare de la 10.55 metri la 12 metri conduce la creșterea câștigului la elevații între 50-70 grade cu cel puțin 1 dB. Micșorarea distanței punctelor de ancorare de la 10.5 la 9.5 metri conduce la scăderea câștigului la elevații între 50-70 grade cu cel puțin 1 dB.

-       Reducerea înălțimii elementelor orizontale de la 3 la 2 metri conduce la creșterea câștigului la unghiuri mari cu aproximativ 0,5 dB.

-       Mărirea distanței dintre monopol și extremitățile superioare ale Directorului / Reflectorului de la 0.23 metri la 1 metru conduce la scăderea câștigului la elevații între 50-70 grade cu cel puțin 1,5-2 dB.

Ca o ultimă simulare, vom folosi un model cu cotele 9,7m, 3m și 1m pe care îl vom compara cu originalul publicat de W1FV și K1VR.

-       Diagrama obținută este mult mai neprietenoasă

-       Câștigul maxim a scăzut cu aproximativ 0,7 dB.

-       Câștigul la elevații între 50-70 grade scade cu cel puțin 2-4 dB.

-       Raportul față/spate la elevații între 50-70 grade este peste 12 dB (minim 2 puncte S).

Concluziile pe scurt

Misterul frecvenței de rezonanță a Reflectorului mai mare decât a Vibratorului rămâne nerezolvat. Ar fi interesant dacă simulări cu aceleași dimensiuni dar cu alte soft-uri dau dreptate părinților antenei sau ne vor contrazice pe toți. Sau, dacă în ceea ce mă privește, raționamentele mele sunt greșite și dacă da, unde.

Analiza experienței lui DF9OX care a încercat pe parcursul a 3 ani realizarea unei antene FVR în 80 de metri, pare să indice o eroare de măsură întâmplată în anul 1998 la modelul în 160 de metri, sau o particularitate necunoscută mie a măsurătorilor în această bandă.

Pe scurt, DF9OX a constatat după realizarea antenei conform dimensiunilor indicate pentru 80 m – CW, că în zona 3510 kHz rezultatele erau dezastruoase, în schimb antena performa la 3630 Khz. Explicația ar putea fi că el a realizat un Reflector (măsurat) pe 3600 Khz, un Director pe 3850 Khz iar prin reacordarea vibratorului frecvența optimă de lucru a rezultat a fi la 3630 kHz, în respectul a ceea ce știm despre antenele tip Yagi.

Misterul totuși persistă, deoarece DF9OX spune că în tentativa lui de a aduce antena să lucreze în zona de CW,  a abandonat MFJ-ul și prin tăieri și adăugiri repetate, folosindu-se de S-metru și SWR-metru, a acordat FVR-ul în zona 3500-3560 iar la final, dimensiunea Reflectorului nu diferea foarte mult față de cea inițială, iar cea a Directorului era cu 1 metru mai scurtă.  

În ceea ce privește performanțele teoretice posibile, acestea sunt în tabelul de mai jos.

FVR 1998              Modelul indicat de W1FV și K1VR

3el GP40               Modelul scalat după cel existent în biblioteca MMANA

FVR modificat      Modelul FVR 1998 modificat conform celor expuse mai sus

Monopole              Monopolul folosit la realizarea FVR, dar folosit ca omnidirecțională, fără Reflector și Director

M 6900/7500        Modelul teoretic al antenei realizate de mine și prezentat în continuare

Diagramă comparativă radiație

FVR 1998                              Roșu

3el GP40                               Albastru

Monopole                              Verde

M 6900/7500                        Negru

Abordarea practică

Trecând la realizarea practică am început prin a crea un model MMANA cât mai fidel conditiilor existente în viitoarea locație a antenei și a materialelor folosite. Primul pas a fost modelarea monopolului ce urma să fie folosit, adică un pilon telescopic de la o fostă stație militară, prelungit cu elemenți de aluminiu pentru a realiza o lungime a acestuia de 13,33 metri. Această lungime nu a rezultat din vreun calcul, este de fapt lungimea monopolului pe care am putut să îl realizez cu materialele avute.

Din lipsa unui sistem sau a unei piese izolatoare, am preferat ca pilonul telescopic să fie montat pe o țeavă din oțel galvanizat, înfiptă în pământ aproximativ 80 cm. Drept urmare, alimentarea Vibratorului s-a făcut cu un Gamma-match cu un spacing de 60 cm și o lungime de 4,5 metri. Elementele orizontale, prinse cu bride metalice de pilon, au fost confecționate din cornier și țeavă pătrată de aluminium (45x45 și 15x15), iar elementul vertical din cablu multifilar de cupru cu secțiunea de 10 mmp izolat cu PVC. Condensatorul variabil este de 200 pF maxim, cu distanță de 2 mm între plăci și cu sistem de demultiplicare pentru ușurința acordului.

La realizarea gamma-match-ului am avut în vedere faptul că impedanța monopolului va scade în momentul adăugării Directorului și Reflectorului. În fapt, am încercat mai multe dimensiuni (lungime și spacing) urmărind să obțin la final o impedanță a antenei la rezonanță de 50 ohmi.

În ceea ce privește alegerea frecvențelor de rezonanță pentru Reflector și Director (6900 și 7500 kHz), aceasta am făcut-o după mai multe simulări, urmărind obținerea unor valori satisfăcătoare pentru:

-       Câștigul maxim al antenei

-       Câștigul antenei la unghiuri mici de radiație

-       Raport FB la unghiuri medii

-       Banda de trecere pentru SWR mai mic de 1,5

-       Impedanța la rezonanță cât mai apropiată de 50 ohmi

-       Liniaritate cât mai bună a Ga și FB în zona 7030-7100 kHz.

Ca o particularitate, baza electrică a Vibratorului a fost aleasă la înălțimea de 1,8 metri față de sol, punct din care au plecat și cele 4 contragreutăți.

Vibratorul a fost ancorat în 2 puncte, cu câte 3 ancore fiecare, realizate din șnur sintetic de 4mm diametru. În vârful vibratorului a mai fost montat un element de fibră de sticlă de aproximativ 1 metru, pentru ancorarea elementelor înclinate ale Reflectorului și Directorului. Pentru o mai bună stabilitate mecanică a vârfului, din același punct, am mai întins 2 ancore la 90 de grade față de Reflector și Director, ancore realizate din șnur textil  de 1,5 mm diametru (sfoară pentru zidari).

Conductorul folosit pentru Director și Reflector este din cupru multifilar cu secțiunea de 1,5 mmp izolat cu PVC.

Pentru elementele orizontale ale Reflectorului și Directorului am folosit ca puncte de ancorare gardul (2 metri înălțime) din elemente de prefabricate de beton care împrejmuiește proprietatea. Practic am întins o frânghie sintetică din cea folosită la ancore între gardurile terenului pe direcția Est – Vest, tangentă la pilonul telescopic folosit și ancorată suplimentar de acesta pentru păstrarea nivelului orizontal.

Elementele înclinate aferente Directorului și Reflectorului (lungi de 14,86 metri) sunt ancorate de vârful elementului de fibră de sticlă cu șnur sintetic, astfel încât distanța lateral față de pilon să fie de aproximativ 0,5 metri iar capătul superior să fie la 13,00 metri înălțime față de sol.

Capătul inferior al elementelor înclinate sunt prevăzute cu papuci pentru șuruburi M4, cositoriți, care se vor prinde pe plăcuțe din pertinax sau sticlotextolit.

Aceste plăcuțe de sticlotextolit (aproximativ 4 x 10 cm) sunt fixate pe frânghia orizontală (h=2m, între garduri), la distanța de 10,5 metri față de Vibrator.

Pe frânghie mai sunt amplasate (pe fiecare latură față de Vibrator) încă 2 plăcuțe la distanța de 4,5 și 5,8 metri față de Vibrator.

În mod practic, pe frânghia orizontală vom avea tot timpul 2 bucați de cablu de cupru lungi de 4,7 metri, între plăcuța de colt și plăcuța de la cota 5,8. Pe plăcuțele de la cota 4,5 vom prinde câte o bucată de cablu de cupru de 1,3 metri, reprezentând adausul necesar Reflectorului față de Director.

Etape parcurse în realizarea practică

-       Realizarea prelungirii pilonului telescopic cu elemente suplimentare, montaj țeavă în pământ, realizare puncte de ancorare, realizarea celor 2 rânduri de ancore, reglaj ancore.

-       Realizarea gamm-match-ului și realizarea celor 4 contragreutăți (10,82 metri fiecare).Identificarea dimensiunilor gamma-match-ului și a valorii Cv pentru o impedanță la rezonanță de aproximativ 150 ohmi. În cazul meu am folosit un analizor home made tip VK5JST, conectat printr-un segment de măsură de jumătate de lambda.

-       Realizarea și montajul elementului Reflector, la dimensiunile din proiectare.

-       Măsurarea frecvenței de rezonanță a Reflectorului (în colțul creat de elementul înclinat și cel orizontal) prin intermediul unei linii coaxiale de jumătate de lambda și modificarea lungimii elementului orizontal pentru obținerea Frez = 6900 kHz. Față de calcul, am fost nevoit să scurtez elementul cu aproximativ 40 cm, probabil cauza fiind cămașa de PVC.

-       Stabilirea lungimii elementului orizontal (prin scurtări repetate) până la obținerea Frez=7500 kHz.

-       Montajul plăcuțelor pe frânghia orizontală, la cotele obținute anterior.

-       Montajul celui de-al doilea element parazitic (Reflector sau Director), respectând dimensiunile obținute la măsurătorile anterioare.

-       Cu 1 element pe post de Reflector (adausul de cablu de aproximativ 1,5 metri conectat) și cel de-al doilea element pe post de Director (adausul de cablu deconectat și lăsat să atârne în jos), se reglează din Cv aducerea la rezonanță a antenei obținute și se notează parametrii care ne interesează (R, Bw pentru SWR sub 1,5, etc.)

-       Se comută direcția de lucru a antenei (deconectare/conectare adaus de cablu) și se verifică dacă parametrii notați sunt identici. Dacă sunt diferențe mari, uitați-vă după ce obiecte pot influența antena, poziția acestora, etc.

-       Se verifică curenții de mod comun (de data aceasta folosind transceiverul la puterea pe care intenționăm să o folosim în trafic), pe ambele poziții de lucru ale antenei.     

Rezultate în trafic

Deși am început studiul teoretic al antenei undeva în luna iunie 2018 și realizarea practică în iulie, din motive de timp liber disponibil, primele teste au fost făcute abia în săptămâna premergătoare concursului CQ WW RTTY. Echipamentul folosit a fost FT920 + interfață moduri digitale Yaesu SCU-17 + laptop Toshiba iar alimentarea cu energie electrică de la un generator pe benzină.

Principalele concluzii:

-       În cazul stațiilor europene și a celor din Ucraina și Rusia, raportul FB a fost dezamăgitor. Partea bună a lucrurilor este că pentru o rază de 3000-5000 de kilometri poți lucra stații care se află pe ambele direcții.

-       Comutarea direcției de emisie fiind făcută manual, estimarea raportului FB a fost mai dificilă dar pot confirma o valoare de 1 - 2 puncte S-metru pentru stațiile europene.

-       În cazul DX-urilor antena își face datoria, chiar în cazuri de pile-up. Comutarea direcției conduce automat la dispariția semnalului DX.

-       Datorită zonei relative liniștite din punct de vedere radioelectric (în afara orașului, la 800 de metri de prima rețea electrică sau locuințe) nu am putut face evaluări asupra performanțelor de reducere a zgomotului de bandă.

-       A fost necesară instalarea a două șocuri tip ugly balun pentru eliminarea curenților de mod comun care afectau calitatea semnalului la emisie in modul RTTY.

-       Datorită traseului cablului coaxial (într-o anumită zonă, desi la sol, dar prin fața antenei când este comutată pe direcția Est), curenții de mod comun sunt mai mari cu antena comutată spre Est.

-       Pentru segmentul 7030 – 7100 kHz am putut folosi transceiverul fără activarea Automatic Antena Tuner, reflectata fiind practic ne-sesizată de echipament.

-       În timpul concursului am folosit direcția VEST începând de la ora 00:00 UTC până la 12:00 UTC, apoi am comutat antena spre EST. Următoarea comutare (spre VEST) am făcut-o la ora 22:00 UTC.

-       În concursul CQWWRTTY am folosit o putere de maxim 50 watti, realizând în 22 de ore (cfm regulament, timp efectiv de lucru fără pauzele de minim 1 oră)

o    392 QSO-uri

o    60 țări DXCC

o    16 zone

Sfaturi utile

-       Atenție la conectorii folosiți, pe cât posibil folosiți conectori noi și cositoriți atât centralul cât și tresa coaxialului. Orice contact imperfect va duce automat la erori de măsură cu analizorul de antenă, chiar la imposibilitatea determinării frecvenței de rezonanță.

-       Pentru măsurătoarea cu analizorul de antenna, pregătiți-vă din timp un balun 1:1 și un segment de cablu coaxial de jumătate de lambda (Lambda/2 x Vf). Este indicat ca măsurătorile să le faceți de la distanță pentru evitarea erorilor de măsură care apar ca urmare a dezacordului provocat de existența unui corp relativ masiv lângă elementul măsurat (este vorba chiar de corpul uman).

-       Atenție la analizorul de antenă folosit. În benzile joase (160-40 metri) este posibil ca din cauza unor perturbații radio să nu puteți face măsurătorile. Eventual, împrumutați un analizor cu putere a oscilatorului intern cât mai mare. Spre exemplu, dacă aveți de ales între MFJ-225 (-5dBm) și MFJ-226 (-10dBm), alegeți MFJ-225.

-       Nu lucrați la antena, nici la elementele Director și Reflector, în perioada în care apar încărcări electrostatice în atmosferă.

-       Folosiți șocuri tip ugly balun (2 bucăți, unul lângă antenă iar al doilea lângă stație) pentru a evita intrarea radiofrecvenței în stație prin intermediul tresei coaxialului. Puteți avea surpriza că în moduri digitale, desi reflectometrul arată reflectată zero, să nu vă răspundă nimeni la CQ. Eventual, construiți-vă un aparat de măsură a curenților de mod comun pe care să îl aveți conectat tot timpul lângă stație.

-       Nu neglijați realizarea și utilizarea unor împământări cât mai serioase. Cel puțin 1 împămantare cât mai aproape de stație și încă una langă monopol (ideal, 4 țevi de minim 1 metru în pământ, oțel galvanizat, în jurul monopolului).

Intenții pentru pregătirea concursului CQ WW RTTY 2019

-       Să măsor raportul FB la distanța de 500 de metri față de antenă, folosind la emisie FT920 și în punctul de măsură vechiul FT107 cu o antenă vertical de recepție (deci neacordată). Spațiul liber din zonă îmi permite realizarea acestei măsurători și îmi poate da o indicație suplimentară asupra antenei.

-       Să refac măsurătorile pentru Reflector și Director, cu un alt analizor, în măsura în care va fi posibil să procur ceva mai bun decât ceea ce am în prezent în dotare (HM VK5JST).

-       Să confecționez un sistem cu relee (cu relee foarte solide, de genul vechilor RI13) pentru un remote al direcției de radiație.

Stația YO4DFT înainte de concursul CQ WW RTTY 2018

Bibliografie

-       https://www.yccc.org/Articles/Spitfire/spitfire.htm

-       http://www.df9ox.com/e_index.html?e_afu80mtxant_spitfire.html

Cristian Moldovanu YO4DFT

Articol aparut la 20-2-2019

4111