Antenă pentru spaţii reduse in benzile inferioare 160, 80, 40 m
Helically wound - Antena spirală
Cristian Colonati YO4UQ
Pentru a se ajunge la rezonanţă antenele verticale scurtate utilizează o inductanţă. O antenă bobinată helicoidal, în spirală, pe toată lungimea ei poate asigura inductanţa necesară.
Aşa numita "helically wound" care este de fapt o antenă în λ/4 scurtată poate fi formată ca o spirală bobinată pe un suport izolator, un cilindru lung. Diametrul bobinajului trebuie să fie mic faţă de λ pentru a evita ca antena să radieze în modul axial. Diametrele recomandate pentru benzile de HF sunt în intervalul 25mm la 25cm funcţie de soluţiile practice de construcţie adoptate şi spaţiul disponibil.
Suportul izolator poate fi un tub de PVC, o undiţă de fibră, un bambus sau chiar un băţ de lemn, acestea din urmă tratate cu lac sau bandă izolatoare. De regulă se va utiliza un suport cât mai lung funcţie de spaţiul disponibil. O recomandare este de a menţine lungimea suportului mai mare de 0,05λ pentru o antenă care se doreşte a fi electric de lungime λ/4.
În 160m ≥ 8m, în 80m ≥ 4m iar în 40m ≥ 2m.
O antenă verticală λ/4 "bobinată helicoidal" este folosită similar ca o antenă verticală "full size". Funcţionează bine cu un sistem de radiale la bază (4 sau mai multe). Se obţin de asemnea bune rezultate cu 4 radiale, de asemenea bobinate, aduse la rezonanţă pe frecvenţa de operare.
Distribuţiile de tensiune şi curent sunt mult mai liniare decât la antenele scurtate, încărcate cu bobină la bază, centru sau vârf, de unde şi eficienţa crescută a acesteia. Ca antenă monobandă, este utilizată în mod special în benzile de 160m, 80m şi 40m. Vom remarca în realizarea practică unele abateri de la aceste reguli, dar în situaţii concrete compromisurile şi adaptările la teren sunt necesare.
Informaţii generale despre realizarea antenei
Nu există o formulă pentru determinarea numărului de spire necesar pentru obţinerea rezonanţei pentru acestă antenă. O relaţie între lungimea firului necesar pentru rezonanţă şi un λ/4 electric pentru frecvenţa dorită depinde de mai mulţi factori. Unii dintre aceştia sunt lungimea firului, diametrul spirelor şi proprietăţile dielectrice ale materialului de suport, pentru a enumera numai câteva.
Experienţa a arătat drept convenabilă o lungime a firului de aproximativ o jumătate de lungime de undă λ/2, bobinată pe suportul izolant cu un pas constant (un spaţiu egal între spire) care asigură rezonanţa sistemului ca o construcţie λ/4.
Astfel pentru o antenă ăn banda de 160m este necesar un fir de aproximativ 79m iar pentru 80m o lungime de cca. 42m. Nu există reguli privind privind tipul sau grosimea firului cu care se realizează bobinajul. O secţiune convenabilă, funcţie de puterea Tx-ului, este de preferat pentrua minimiza pierderile prin efect Joule (I2R). Pentru puteri la emisie de până la 1kW se utilizează conductor de 1 - 1,5 mm diametru. Se poate utiliza conductor de Al sau Cu, blanc sau flexibil, izolat în vinil sau email. Cel mai important lucru este de a realiza bobinajul egal spiralat pentru a maximiza eficienţa antenei.
Un segment de antenă telescopică de la aparatele de radio casnice sau un disc de metal se montează în vârful antenei, punctul de înaltă impedanţă al verticalei. Diametrul discului de cca. 15cm sau lungimea segmentului telescopic de 30cm. Acestă soluţie este necesară pentru a reduce Q-ul antenei şi a preveni efectul corona la tensiunea înaltă ce se produce la vârful antenei. Se montează înainte de a începe acordul şi reglajul acesteia. Figura din Antenna BOOK sintetizează structura antenei.
Despre acord şi adaptare
Odată ce antena este bobinată ea va fi montată pe locul de funcţionare cu sistemul de pământ artificial sau contragreutate instalat.
Rezonanţa - Firul elementului radiant şi pământul artificial sau contrgreutatea se conectează la un SO239 (mama), la borna centrală respectiv la masa bornei.
Cu ajutorul analizorului de antene MFJ259B se măsoară frecvenţa de rezonanţă a antenei. Măsurătoarea este indirectă MFJ259B măsoră frecvenţa pentru care reactanţa X din Z=R±jX devine egală cu zero X=0. In acelaşi timp se vede şi R pentru frecvenţa de rezonanţă.
Altă soluţie este măsurarea frecvenţei de rezonanţă cu un grid-dip-metru sensibil prin cuplarea la ultimele căteva spire ale radiatorului. În cele mai multe cazuri frecvenţa de rezonanţă nu pică în banda dorită şi atunci una din soluţii poate fi adăugarea sau scoterea de spire din elementul radiant şi repetarea măsurătorilor. Mai există şi o altă soluţie pe care o vom prezenta în expunerea realizării practice.
Adaptarea - Este imposibil de a previziona valoarea impedanţei la intrarea unei antene verticale de tipul "helically wound". Această valoare depinde de lungimea şi diametrul suportului izolant, de sistemul de pământ artificial utilizat şi de diametrul discului sau lungimea "stubului" din vârful elementului radiant.
Rezistenţa de radiaţie a acestei antene este foarte mică. Ea se situeză cel mai des în intervalul 3 - 10 ohmi. Vom vedea cât a ieşit acestă valoare la realizarea practică şi cum a fost făcută adaptarea. Literatura de specialitate recomandă adaptarea cu filtru FTJ, de tip L sau Π dimensionate corespunzător. În condiţii particulare se poate realiza o adaptare prin "balun", atunci când impedanţa măsurată la intrarea antenei, cu sistemul de pământ artificial (contragreutate) instalat, are o valoare corespunzătoare. Vom vedea că o astfel de soluţie a fost posibil a fi aplicată în realizarea practică.
Realizarea practică
Orientarea în realizarea practică a acestei antene a fost utilizarea materialelor deja existente (în "magazia" radioamatorului) şi minimizarea investiţiilor suplimentare.
1. Suportul izolant
Aveam cumpărată anterior o undiţă de culoare neagră (se zice a fi din fibră de carbon dar eu nu am constatat acest lucru) lăcuită la suprafaţă, formată din 7 segmente de câte un metru. Diametrul la bază de 35mm, diametrul la vârf la penultimul segment 7mm. Ultimul segment a fost eliminat şi înlocuit, prin introducerea prin interior, a unui segment de antenă telescopică de cca. 35cm din recuperare de la un aparat de radio (casnic) portabil. Diametrul mediu al construcţiei de 6 segmente (6m lungime) este de (35+7)/2=21 mm. Valoarea va fi folosită la determinarea pasului de bobinaj.
După bobinarea sârmei, porţiunea de bază a antenei a fost protejată cu două segmente de ţeavă de scurgere PVC dură pentru instalaţii, de culoare gri, prima de 1m şi Φ50 iar a doua, în continuarea primei, de 2m şi Φ40.
S-a creat astfel un solid de egală rezistenţă la vântul care bate la etajul 7 al unui bloc şi s-a protejat bobinajul pe porţiunea în care stă rezemată de marginea balconului până la scoaterea definitivă a antenei în afara lui. Îmbinările au fost consolidate cu bandă izolatoare adezivă de bună calitate.
Ca variantă mai ieftină şi la fel de bună este cea construită cu tuburi de PVC folosite la instalaţiile electrice interioare, cu diametre care să permită introducerea segmentelor unul în celălalt pentru crearea unui suport lung de cca. 6m.
2. Sârma
S-a utilizat sârmă de bobinaj, existentă în "gospodărie", de cupru de 1,1mm diametru, izolată cu email. Se recomandă sârma cu conductor masiv de 1 - 1,5 mm care se bobinează mai uşor. Sârma liţată este mai greu de controlat la bobinarea cu pas constant pe suportul izolant. Poate fi utilizată sârmă izolată cu email sau cu material plastic.
Modul de bobinare este indirect. Se caută în bucătărie un "făcăleţ" cu dimetrul mediu apropiat de cel al suportului în lungime cca.1 - 1,5m şi se bobinează spiră lângă spiră cei 42m, (λ/2) pentru banda de 80m, iar apoi spirala se transferă prin vârful antenei şi se aranjează cu grije începând de la bază către vârf, fixând din loc în loc cu bandă izolatoare adezivă, pentru o aşezare uniformă cu pas constant şi cât mai lipită de suport. Antena având o lungime destul de mare verificaţi dacă de acolo de unde o realizaţi mai puteţi ieşi cu ea pe balcon sau în locul de instalare. Se face pe hol sau în diagonala unei camere mari, aşezată pe suporţi la îndemână: scaune, fotolii, etc.... fără să scoteţi mobila afară! Hi Hi!
Funcţie de lungimea şi diametrul suportului, cu un calcul elementar, se determină pasul de bobinaj astfel:
Unde:
L= 42 m lungimea sârmei λ/2 (42000 mm)
h= 6 m înălţimea suportului (6000 mm)
d= 21 mm diametrul mediu al suportului sau diametrul efectiv pentru un suport cilindric
sinα= 6000/42000 =0,14286
cosα= 0,98975 din cosα= (1 - 0,142862)1/2
b= 42 x cosα= 41,569m = 41569 mm
Lungimea proiecţiei unei spire este lungime cercului de bază al suportului
s= π x d = 3,14 x 21 = 66 mm
Numărul de spire
N= Lung. bazei / Lung. unei spire = b/s =41569/66 =630 spire
Pasul
p= h/N = 6000/630 = 9,5 mm distanţă masurată între centrele sârmei, se ţine seamă de grosimea izolaţiei la sârma izolată cu PVC.
După aranjarea cât mai strânsă a sârmei pe suport se poate fixa din loc în loc sau chiar pe toată lungimea cu bandă sau lac izolant.
Suportul cu antena bobinată se aşează înclinată (sau la verticală daca aveţi loc) pe balcon (sau în locul de montaj) la cca. 60 - 45 grade ancorată provizoriu cu cordelină izolată.
Capătul superior al sârmei se curăţă şi se lipeşte cu cositor de segmentul de antenă extensibilă sau discul din vârf. La bază firul cald prelungit pe câţiva cm cu un flexibil se lipeşte la centrul unui conector SO239.
3. Contragreutatea
Toate recomandările converg către un pământ artificial realizat cu radiale (4 sau mai multe). Acest lucru nu este posibil la bloc şi în special la etajul 7.
S-a realizat o singură contragreutate de λ/4 de 21m din sârmă de Cu flexibilă de 1mm conectată cu papuc la masa mufei SO239. Contragreutatea s-a depărtat de balcon cu un prelungitor de lemn de cca 4m şi a fost lăsată să cadă vertical până la aproape etajul 1.
4. Determinări şi măsurători. Rezonanţa şi adaptarea
După cum spune şi teoria, parametrii electrici ai antenei spirale nu pot fi determinaţi prin calcul, iar condiţiile concrete de realizare şi amplasare influenţează semnificativ aceşti parametrii. Măsurătorile au fost făcute cu analizorul MFJ-259B.
Rezonanţa, măsurată conform schemei alăturate, cu antena şi cotragreutatea montate pe poziţie, s-a obţinut la frecvenţa de 3044 kHz pentru un Z=R±jX=60±j0 când s-a obţinut X=0.
Cum frecvenţa obţinută prin constucţie şi amplasare era prea mică ea trebuia să fie crescută pentru a fi adusă în banda de 3500 - 3700 kHz.
Conform formulei cunoscute F=1/(2π√LC) soluţia a fost micşorarea capacităţii naturale a ansamblului prin introducerea în serie cu elementul activ a unui condensator variabil. CV-ul a fost unul de recepţie de model mai vechi cu 2x(25÷550)pF secţiuni conectate în paralel ceeace a făcut 50÷1100pF.
Cu MFJ-259B conectat şi fixat pe frecvenţa de 3650 kHz prin acordul CV-ului în serie cu elementul activ s-a obţinut rezonanţa şi rezistenţa de radiaţie a antenei la acestă frecvenţă.
Prin acordul succesiv la rezonanţă al CV-ului s-au măsurat impedanţele antenei în punctele caracteristice ale benzii de 3,5 MHz. Rezultatele sunt următoarele:
| Frecvenţa | R | jX |
| 3450 | 25 | 5 |
| 3500 | 20 | 1 |
| 3550 | 17 | 0 |
| 3600 | 14 | 0 |
| 3650 | 13 | 0 |
| 3700 | 13 | 0 |
| 3750 | 13 | 0 |
| 3800 | 14 | 0 |
O constatare simplă a relevat faptul că raportul între impedanţa cablului coaxial de alimentare şi cea de la intrarea antenai este aproape în toată banda de 4:1 (52:4=13) ceeace sugerează utilizarea unui balun coborâtor de impedanţă de 4 la 1. Lucru care de fapt s-a şi întâmplat! Despre descrierea adaptării cu balun sunt rezentate detalii în Addenda 1.
Notă: Aducerea la rezonanţă în banda dorită a unei antene spirale se face cu un condensator variabil în serie cu elementul activ pentru creşterea frecvenţei şi cu o inductanţă (de preferat variabilă) pentru coborârea frecvenţei ansamblului, fără a mai fi nevoie de scoaterea sau adăugarea de spire.
Pentru capetele de bandă s-au măsurat valorile CV-ului care au adus ansamblul la rezonanţă. S-au obţinut valorile de 200 pF pentru 3800 kHz şi 580 pF pentru 3500 kHz adică un ecart de aproape 400 pF.
Pentru a face acordul mai uşor în diversele segmente ale benzii de 3,5 MHz s-a realizat o extensie de bandă conform schemei alăturate, care permite un acord al CV-ului pe cca. 180 grade de rotaţie. Condensatorii pot fi de tensiuni mici deoarece la baza antenei tensiunile de vârf nu depăşesc 100 Vvv.
Condensatorul variabil şi torul cu care a fost realizat balun-ul au fost montate într-o cutie de plastic mică, adaptată dimensiunilor elementelor, aşezată la baza antenei. Conectorii au fost de bună calitate SO239 (mamă) şi PL259 (tată) cu reducţia de UG175 pentru cablul coaxial RG58U. Mufă şi banană pentru contragreutate.
Deoarece în alte condiţii de realizare şi amplasare este foarte probabil ca raportul dintre impedanţa carcteristică a cablului de alimentare şi cea a antenei să nu mai fie de 4:1 şi să nu mai fie posibilă adaptarea cu ajutorul unui balun, în Addenda 2 sunt descrise detaliat calculul şi metoda de adaptare cu FTJ de tip L sau Π.
5. Rezultate, performanţe şi concluzii
Antena "helically wound" este o antenă de bandă îngustă. Măsurătorile făcute cu acestă ocazie cu antena acordată pe 3581 kHz (segmentul de comunicaţii digitale) şi adaptată corespunzător arată o bandă de trecere pentru un raport de unde staţionare de 2:1 de 30 kHz. (3596 SWR 2:1, 3581 SWR 1:1, 3566 SWR 2:1).
Antena trebuie acordată de fiecare dată când se schimbă segmentul de bandă în care se lucrează din CV-ul de la baza antenei. Adaptarea este perfectă în fiecare punct de rezonanţă.
Cu un TS-450SAT nu a fost nevoie de a folosi AT-ul propriu care a fost dezactivat.
S-a lucrat aproape în totalitate în segmenul de comunicaţii digitale al benzii de 3,5 MHz, în cele mai multe moduri, cu o putere de cca 30 Watt out (după indicaţiile de la TS-450SAT) şi s-a acoperit arealul YO, SV, OK, SP, OM, FR, 4X4, 4L1, HA, EA, I, DL, F, PA, ON, G, UA1,3,4,6, S5, OE, 9A.
La acestă putere şi cu un acord şi adaptare perfecte, fără unde staţionare, nu există TVI sau BCI la distanţe de câţiva metrii.
Din cauza benzii foarte înguste antena prezintă o bună imunitate la zgomotul electric metropolitan.
Addenda 1. Despre adaptarea cu balun (trafo de RF)
Deoarece literatura de specialitate menţionează că pentru antenele "spirale" rezistenţa de radiaţie este foarte mică, între 3 şi 10 ohmi, funcţie de construcţie şi condiţiile locale de instalare, apare în mod natural căutarea unei soluţii de adaptare între ieşirea de 50 ohmi a unui transceiver şi rezistenţa antenei.
Construcţia transformatoarelor de RF utilizate la antene se face din două motive:
- Cel mai adesea pentru simetrizare de la alimentări nebalansate (coax) la radianţi balansaţi (dipoli).
- Pentru transformarea impedanţei cablului coaxial de 50 / 75 ohmi la o valoare superioară în punctul de atac al antenei.
Cele mai uzuale rapoarte sunt: 1:1 (50:50 bal şi unbal), 1:4 (50:200 şi 75:300 unbal la bal) şi 1:9 (10:90).
În mod similar sunt construite transformatoare de RF pentru coborârea impedanţei cu rapoarte tipice de 4:1 (50:12,5 sau 52:13) precum şi 16:1 (50:3,1).
După măsurătorile făcute cu MFJ-259B care au arătat la rezonanţă la baza antenei o impedanţă Z=R±jX=13+j0 adică un R=13 ohmi, soluţia de adaptare cu un balunul coborâtor de impedanţă s-a dovedit a fi corespunzătoare şi facilă. Din piesele existente s-a ales un tor de ferită cu dimensiunile Dext x Dint x H =52mm x 30mm x 18mm.
Pentru puteri normale de 100 watt se poate alege şi un tor mai mic.
Bobinajul s-a realizat cu conductor dublu, flexibil, cu un fir roşu şi un fir negru (utilizat în audio la alimentarea difuzoarelor). S-au bobinat 13 spire iar conexiunile sunt realizate conform schemei alăturate.
Cealaltă schemă coborâtoare de impedanţă de 16:1 care nu a fost nevoie de a fi aplicată este prezentată alăturat şi după cum se vede este realizată în cascadă cu două toruri cu raport de transformare de 4:1.
Addenda 2. Despre adaptarea cu FTJ.
Dacă valoarea măsurată la rezonanţă a impedanţei antenei (cu MFJ-259B) nu ar fi fost 13+j0 şi ar fi avut o altă valoare, în alte condiţii de realizare şi amplasare, adaptarea cu balun de 4:1 nu ar mai fi fost posibilă. În consecinţă este necesară realizarea unei adaptări cu filtru trece jos L sau Π care să aducă valoarea de atac de 50 ohmi la valoarea lui R de la baza antenei adusă la rezonanţă.
Pentru calculul valorilor elementelor unui asemena filtru s-a folosit programul recomandat de ARRL Antenna BOOK - TLW3B. TLW3B - în traducere Transmision Line for Windows se poate descărca sub forma sa compresată sub denumirea de xmsnlines.rar (459 kB).
Cu acest program se poate face calculul elementelor filtrelor de adaptare de tip L, Π sau T între etajul final şi linie precum şi între linie şi punctul de atac al radiantului (antenei). Este funcţional sub toate sistemele de operare de la Win95 la XP.
Pentru aplicaţia concretă de adaptare a antenei spirale calculele efectuate cu programul TLW3B pentru aceiaşi impedanţă măsurată de Z=13+j0 programul a dat următoarele rezultate pentru un filtru L şi un filtru Π.
Schemele fitrelor sunt clasice şi prezentate alăturat.
| F kHz | Cfiltru L | Lfiltru L | C1filtru PI | Lfiltru PI | C2filtru PI |
| 3500 | 1524,7 | 1,00 | 1545,0 | 1,08 | 500 |
| 3550 | 1503,3 | 0,99 | 1523,8 | 1,06 | 500 |
| 3600 | 1482,4 | 0,98 | 1503,2 | 1,05 | 500 |
| 3650 | 1462,1 | 0,96 | 1483,2 | 1,04 | 500 |
| 3700 | 1442,3 | 0,95 | 1463,7 | 1,02 | 500 |
| 3750 | 1423,1 | 0,94 | 1444,8 | 1,01 | 500 |
| 3800 | 1414,4 | 0,92 | 1426,4 | 1,00 | 500 |
În program se introduc un minim de date:
- Se alege tipul şi se dă lungimea cablului coaxial
- Frecvenţa
- Se pun valorile rezistenţei şi reactanţei măsurate cu MFJ259B la baza antenei
- Se selectează butonul Input
- Se apasă butonul Tuner
- Se introduce puterea pentru care se face calculul
- Se alege tipul de filtru L, Pi sau T
- Se apasă Draw Tuner şi se obţin valorile elementelor filtrului precum şi multe din valorile dinamice de funcţionare U, I, pierderi, atenuări ş.a.
Pentru câteva detalii teoretice despre fitrele adaptoare L, Pi sau T recomand să revedeţi capitolul 25 din ARRL Antenna BOOK Ed.20, pag. 25-6 şi 25-7. Veţi găsi acolo şi un exemplu de calcul pentru un filtru adaptor în banda de 1,8MHz de la 50 ohmi la 5 ohmi.
- Cristian Colonati YO4UQ
-
Articol aparut la
1-2-2008
21614
Inapoi la inceputul articolului
|
