Ing. Mihai Stocec YO3AYX

1 Introducere

O problemă de analiză şi sinteză, prezentă spre rezolvare în toate configuraţiile de staţii emisie-recepţie, este cea referitoare la condiţiile optime de transfer al puterii între transceiver şi antenă, în ambele sensuri.

Circuitul de antenă al unui transceiver este compus din următoarele blocuri:

·         Antena

·         Fiderul de antenă

·         Cirduitul de adaptare(sau transmatch, ca denumire)

Acest ansamblu de blocuri are o manifestare diferită faţă de transferul de putere, funcţie de modul de interconectare şi proiectare. Astfel că, în timp ce antena are parametrii electrici ca fiind daţi, impedanţa de intrare, radiaţia, coeficientul de unde staţionare, consideraţi ficşi pentru o bandă îngustă de frecvenţă, alţi parametri, ca lungimea fiderului, circuitul de adaptare(transmatch-ul) şi modul de interconectare, pot influenţa transferul de putere între antenă şi staţie.

Articolul analizează diversele configuraţii cu scopul de a avea un tablou sinoptic cu aceşti parametri şi care să ajute la alegerea soluţiei optime.

2 Configuraţii ale circuitului de antenă

In fig. 1 sunt prezentate trei configuraţii comune în practica radioamatorilor:

·         Fig. 1a – configuraţie fără circuit de adaptare

·         Fig. 1b – circuit de adaptare montat la intrarea în staţie

·         Fig. 1c – circuit de adaptare montat la intrarea în antenă

Dacă staţia radio şi antena au poziţiile fixe, modul de conectare a transmatch-ului diferă, ceea ce face şi diferenţa între aceste situaţii, studiul axându-se asupra acestor configuraţii.

3. Parametrii electrici ai circuitului de antenă

Pentru caracterizarea acestor configuraţii, se va analiza atenuarea suferită de semnal, de la bornele staţiei până la punctul de alimentare al antenei. Pentru început se fixează datele problemei, astfel:

Descrierea funcţionării circuitului de antenă în cele două configuraţii în situaţia când staţia este în emisie:

Configuraţia din Fig. 1a

Semnalul de la borna de ieşire a staţiei parcurge traseul:

Staţíe radio – Fider antenă – Antenă

Semnalul de emisie este aplicat direct fiderului de antenă, fără circuit de adaptare. Configuraţia este utilizată când se lucrează cu o singură antenă, acordată pe frecvenţa de lucru, cu impedanţa apropiată de 50 Ω.

Configuraţia din Fig. 1b

Semnalul de la borna de ieşire a staţiei parcurge traseul:

Staţíe radio – Transmatch – Fider antenă– Antenă

Semnalul de emisie este aplicat circuitului de adaptare, transmatch-ul, montat la borna de ieşire a staţiei. Fiderul face conexiunea între transmatch şi antenă. Configuraţia este folosită la lucrul cu mai multe antene şi condiţiile locale nu permit montatea transmatch-ului la bornele antenei.

Configuraţia din Fig. 1c

Semnalul de la borna de ieşire a staţiei parcurge traseul:

Staţíe radio – Fider antenă  – Transmatch– Antenă

Semnalul de emisie este aplicat fiderului care are montat transmatch-ul la punctul de alimentare al antenei. Configuraţia este folosită la lucrul cu mai multe antene şi condiţiile locale permit montatea transmatch-ului la bornele antenei.

Despre Transmatch

Transmatch-ul adaptează impedanţa de la intrare, oricare ar fi aceasta, la valoarea nominală 50 Ω astfel că

între transmatch şi staţie nu sunt reflexii. Transmatch-ul introduce o atenuare de lucru, A_T, care este funcţie de Q-ul componentelor. Cu  cât Q-ul este mai mare, cu atât pierderile sunt mai mici. In această analiză vom considera că această atenuare este mică astfel încât efectul reţelei de adaptare este doar un defazaj între intrare şi ieşire.

Despre fider

Fiderul este caracterizat de impedanţa caracteristică, de frecvenţa de lucru şi de lungime. In tabelul Tab.1 sunt prezentate date privind atenuarea lineică pentru câteva tipuri uzuale de cabluri utilizate la alimentarea antenelor în gama undelor scurte.

Tab. 1

Tabelul exemplifică atenuarea cablurilor coaxiale pentru diverse lungimi uzuale şi la diferite frecvenţe.

4. Circuitul de antenă

Pentru analiza circuitului de antenă, am reprezentat sub formă de blocuri funcţionale componentele electrice în trei configuraţii, şi anume:

·         Fig. 2a – conectare staţie radio la antenă prin intermediul unui fider

·         Fig. 2b – conectare staţie radio la antenă cu transmatch lângă staţie

·         Fig. 2c – conectare staţie radio la antenă cu transmatch montat la bornele antenei

Circuitul de antenă este caracterizat, în cazul acestei analize, de următoarele mărimi de calcul raportate la impedanţa nominală, 50 Ω, şi anume:

·         , impedanţa caracteristică a circuitului de antenă

·         , impedanţa antenei

·         puterea absorbită de la staţie

·         puterea disipată în fider

·         puterea disipată în transmatch

·         puterea utilă disipată în antenă

·         curentul prin antenă

·         putere directă, se propagă de la emiţător la antenă

·         putere reflectată, se propagă de la antenă spre emiţător

Circuitul de antenă este caracterizat de randament, adică este raportul între puterea utilă livrată în sarcină, P_A, şi puterea absorbită de la emiţător, P_E, din care o parte se disipă pe fider datorită pierderilor.

Bilanţul energetic al circuitului este următorul:

                        (1)

Având în vedere că pierderile pe transmatch sunt mici, se poate neglija efectul acestora în expresia randamentului, în final, bilanţul de putere devenind:

                                   (2)

Iar expresia randamentului devine:

                                    (3)

unde  reprezintă puterea disipată în fider, atât prin efect rezistiv cât şi datorită reflexiilor în cazul neadaptării.

Se poate considera că, pe fider, se propagă în sensuri diferite două unde, una directă şi una reflectată, compunerea lor rezultând în undele staţionare.

Având în vedere că, pe fider se produc unde staţionare, o modalitate de a exprima randamentul este ca expresia acestuia să se raporteze la mărimi scalare care pot fi uşor măsurate, cum este coeficientul de reflexie sau raportul de unde staţionare. Pentru unda directă şi unda reflectată (exprimate prin puteri) avem următoarele definiţii:

                       (4)

                        (5)

Raportul între cele două puteri se defineşte  prin expresia coeficientului de reflexie, care este o mărime complexă, şi este dată de:

                          (6)

In antenă se dezvoltă puterea activă, directă, dată de:

                                                               (7)

Atenuarea pe fider, fără, reflexii sunt exprimate de relaţia (3)

                                                                                                        (8)

Dacă apar şi reflexii, atunci, atenuarea pe fider are o componentă care este funcţie de . In această situaţie, puterea la intrarea antenei este:

                 (9)

Cu aceste notaţii şi definiţii, expresia randamentului devine:

                                                            (10)

La adaptare,  şi                                    (11)

Cu această notaţie, randamentul capătă expresia

(12)

Deoarece coeficientul de reflexie este mai greu de măsurat, se exprimă randamentul cu ajutorul raportului de unde staţionare care poate fi uşor de măsurat cu ajutorul unui VSWR, astfel:

de unde                                                                                      (13)

                                                                                                        (14)

şi, în final, se obţine expresia randamentului care va fi folosită la evaluarea configuratiilor circuitului de antenă:

                                                            (15)

5 Evaluare configuraţii ale circuitului de antenă

Folosind expresiile din capitolul precedent, s-au făcut evaluări asupra tipurilor de cablu uzuale RG58 şi RG213, în gama de frecvenţe 1.8 MHz ÷ 54 MHz şi pentru valori ale raportului de unde staţionare, σ= 1÷10.

S-au efectuat calculele pentru lungimi de fider 12.5 m ÷ 100 m.

Atenuarea lineică a fiderului a fost prelevată din cataloage de producător, cu extrapolare pentru frecvenţele de lucru uzuale în practica radioamatorilor.

A fost ales ca parametru de analiză, randamentul circuitului de antenă, η, care cuprinde atât pierderile de atenuare în fider, cât şi pierderile datorită dezadaptării.

Pentru exemplificare pe un caz concret, s-au extras valorile randamentului în situaţia unui fider de 25 m.                                                                                                                                 

O analiză interesantă este aceea de a evidenţia efectul dezadaptării comparativ cu atenuarea intrinsecă a fiderului.

Pentru a obţine aceste rezultate, s-a extras din valoarea totală a randamentului pierderea datorată doar fiderului. Rezultatele sunt prezentate în tabelele următoare.

Analizând valorile obţinute, se constată că până la σ=3, pierderea de randament este de maxim 10% comparativ cu pierderea prin efect Joule.

Ca un corolar, diferenţa de randament pentru cele două situaţii de montat circuitul de adaptare, la staţie sau la bornele antenei, este de maxim 10% pentru σ<3.

Forţând un pic raţionamentul, dacă se construieşte o antenă acordată în mijlocul benzii de lucru, circuitul de antenă montat la staţie este responsabil de o pierdere de randament de cel mult 10%.

Sau altfel spus, montajul adaptorului la bornele antenei nu aduce un avantaj substanţial câtă vreme σ<3.

4 Bibliografie

·         Antene si Propagare – Vol.1 Prof Universitar Edmond Nicolau, Ed Ditactica, 1963

·         Analiza si Sinteza Circuitelor Electrice – Prof. dr. docent Gheorghe Cartianu, Editura Didactica, 1971

·         Manualul inginerului electronist – Vol. 1 Prof Universitar Edmond Nicolau şi alţii Editura tehnică 1987

Decembrie 2024

Ing. Mihai Stocec YO3AYX

Articol aparut la 20-12-2024

404