Mihai Mateescu YO3CTK

Atunci cind decid achizitionarea unei antene Yagi, majoritatea radioamatorilor studiaza un singur parametru: cistigul. Mult mai rar, directivitatea in plan orizontal si/sau raportul fata/spate. Apoi, desigur, pretul. Si cam atit. Exista insa un alt parametru care de multe ori este hotaritor pentru modul in care antena functioneaza in lumea reala, si care este foarte putin sau deloc luat in seama: directivitatea in plan vertical.

Directivitatea in plan vertical este determinata atit de natura antenei (asa cum se poate observa din graficele de mai sus, prezentate cu titlu de exemplu), de inaltimea de montaj a antenei fata de sol (se presupune montarea pentru polarizare orizontala, asa cum sint folosite antenele Yagi pentru HF), de caracteristicile de conductivitate a solului (mai departe in articol se presupune un sol mediu), cit si de neregularitatile solului in cimpul apropiat al antenei. Acest din urma fenomen este determinat de faptul ca forma si intensitatea cimpului indepartat (de radiatie) al antenei este data de reflectiile la sol in imediata apropiere a antenei (sute de metri/kilometri, depinzind de lungimea de unda).

Din studiul caracteristicii de directivitate prezentata mai sus se poate observa cum “cistigul aparent” variaza substantial pentru diferite unghiuri de elevatie. Acest fenomen este important deoarece unghiul de sosire a undelor depinde atit de distanta de propagare (distante scurte, medii sau lungi), de frecventa, de zona corespondentului (EU, NA, SA, OC etc), de momentul zilei (banda abia deschisa, complet deschisa, pe cale de a se inchide), cit si de momentul din ciclul solar (la minim, la maxim sau intre). Mai jos este prezentata cu titlu de exemplu o statistica, pentru calea de propagare intre W1 si Europa, pentru diferite benzi de unde scurte. Prima coloana reprezinta diferitele unghiuri de plecare (elevatie) iar coloanele urmatoare procentul din total timp in care propagarea se petrece la aceste elevatii, pentru diferite benzi de frecvente. Datele sint agregate pentru un intreg ciclu solar de 11 ani. Se observa ca propagarea in banda de 20m, spre exemplu, este dominata de elevatii sub 10 grade pentru aceasta cale de propagare. Foarte putine antene reale, cu polarizare orizontala, asigura un cistig aparent corespunzator la elevatii mici si foarte mici. Teoretic, pentru elevatia zero deasupra unui sol ideal cistigul trebuie sa fie zero. Este fenomenul binecunoscut radioamatorilor cu experienta, care sustin ca antenele verticale (cu polarizare verticala) par sa se comporte mai bine la DX decit antenele orizontale (cu polarizare orizontala). Intervin considerente de cistig si zgomot, insa aceasta este o alta discutie.

Daca ne uitam la caracteristica generica de directivitate in plan vertical a unei antene Yagi si la tabelul de mai sus observam unele cerinte contradictorii: o singura antena, montata la o singura inaltime, nu poate asigura un cistig aparent suficient pentru toate elevatiile care apar in cursul unui ciclu solar, nici macar pentru toate elevatiile care apar in cursul unei singure zile. Mai mult, este posibil ca antena respectiva sa prezinte minime de directivitate in plan vertical tocmai pentru unele elevatii care apar cu frecventa mare. De aceea amplasamentele foarte bine echipate folosesc antene Yagi suprapuse (stack-uri), in numar de 2, 3 sau chiar 4 antene Yagi monoband, montate la diferite inaltimi, de obicei cu pas de lambda/2. Pentru banda de 20m, spre exemplu, cel mai frecvent se monteza cite un Yagi la 30ft (10m), apoi la 60ft (20m), apoi la 90ft (30m) si chiar la 120ft (40m). Principalul avantaj nu este atit cistigul suplimentar obtinut, cit mai ales acoperirea corespunzatoare a unei game mari de elevatii posibile. Toate antenele se alimenteaza in mod normal in faza, existind uneori si posibilitatea alimentarii in antifaza. Aceste stack-uri sint prevazute cu sisteme complexe de comutare si adaptare a impedantelor si sint rotative. Cei care beneficiaza de asemenea sisteme spun ca de obicei banda se deschide la DX cu antena cea mai de sus, iar pe masura ce propagarea creste antenele mai joase devin mai eficiente. Propagarea continentala este asigurata de antenele joase.

A se vedea si: http://www.k1ttt.net/120_2.html ; http://www.arraysolutions.com/Products/stackmatch.htm

Toate aceste fenomene se pot studia cu ajutorul programului HFTA care vine in pachetul software livrat impreuna cu ARRL Antenna Book. Iata ecranul de inceput:

Se alege banda de frecvente de interes, tipul antenei/antenelor utilizate, fisierul cu elevatii. Este de mentionat ca este livrat un set de fisiere de elevatii pentru YO catre principalele directii de propagare: Asia, Africa, Europa, JA, Oceania, America de Nord si de Sud. Se alege cel de interes pentru analiza. In ceea ce priveste fisierul cu caracteristicile terenului, se alege fie cel plat (FLAT) fie trebuie confectionat cite un fisier pentru directiile de interes mentionate mai sus, asa cum se va arata in articol. In orice caz fisierul FLAT este util ca element de comparatie.

Este prezentata selectia parametrilor pentru comparatia intre un stack de 2 antene a cite 5 elemente, situate la inaltimile de 50ft (15m) si 25ft (7.5m) si o antena singulara cu 2 elemente, situata la inaltimea de 70ft (24m), deasupra terenului plat.

Dupa executarea comenzii Compute! sint afisate rezultatele in forma grafica:

Din graficul de mai sus se pot observa unele lucruri interesante:

1. Nici una din antene nu asigura un cistig aparent satisfacator la elevatii foarte mici, care sint destul de frecvente pentru directia de propagare YO-US in banda de 15m.
2. Stack-ul de doua antene Yagi asigura o acoperire mai buna a unei game mai largi de elevatii decit antena singura aflata la o inaltime mai mare.
3. Cifra de merit care este calculata permite o comparatie facila intre antene
4. Prin variatia parametrilor, in special a inaltimilor de montaj, se pot lua decizii cu privire la configuratia unui sistem viitor, inca din faza de proiectare

Analiza se poate complica suplimentar prin luarea in consideratie a topografiei reale a terenului deasupra caruia sint instalate antenele, asa cum se arata mai jos.

Exemplu: Situatia de la YR7M

In acest moment amplasamentul YR7M este echipat cu sisteme de antene monoband pentru fiecare banda de concurs:

160m: dipol Inverted V la 22m
80m: 4-square
40m: Yagi 2 el la 24m
20m: Yagi 4 el la 18m
15m: Stack 5/5 el la 15/7.5m
10m: Stack 5/5 el la 15/10m

In plus exista un tribander la 24m cu echivalentul a cite 2 el pe benzile de 20/15/10m.

Amplasarea pe teren a sistemelor descrise mai sus este urmatoarea (patratul rosu este 4-square):

In vederea studierii efectului terenului real asupra caracteristicilor antenelor, a fost nevoie de construit fisierul .PRO utilizat de HFTA. Exista doua metode: prin utilizarea unei harti topografice a regiunii sau prin utilizarea informatiilor furnizate de Google Earth. Eu am folosit a doua metoda. Se construieste cite un fisier pentru fiecare directie de interes. Se merge pina la distante de peste 1km de la punctul zero pentru ca fisierul sa fie utilizabil inclusiv pentru banda de 40m. Sint suficiente 10-15 puncte de determinare a inaltimii fata de nivelul marii (ASL) distantate in mod egal, desi programul accepta pina la 150 de puncte. Fisierul este unul simplu text, cu cite o linie pentru fiecare punct de determinare, cu sintaxa: distanta(ft) [spatiu] ASL(ft) [enter]. Fisierul se editeaza folosind NotePad si se denumeste cu extensia .PRO.

A. Se determina cu precizie pozitia geografica a punctului zero (grade, minute, secunde si fractiuni de secunda). Se “infige o pioneza” pe imagine si se citeste ASL pentru acest punct. Se creeaza linia zero in fisierul .PRO

B. Folosind programul Range/Bearing, se introduce pozitia punctului zero in casuta Position1, se introduce distanta si azimutul in casuta Range/Bearing (ex. 500ft, 315grade) si se calculeaza coordonatele geografice ale punctului 1, care se gasesc in casuta Position2. Se “infige o pioneza” in punctul 1 in Google Earth cu comanda Add Placement unde se introduc coordonatele de mai sus. Se citeste ASL pentru acest punct. Se creeaza linia 1 in fisierul .PRO

C. Se repeta B de cite ori este necesar. O data ce linia de azimut dorita este conturata de circa 10 puncte, se merge cu cursorul mai departe pentru a vedea daca in limita utila (1-2km) se gaseste cumva vreun virf. Daca da, se insereaza acest loc in fisierul .PRO

Se obtine ceva similar imaginilor de mai jos:

Fisierul rezultat este similar cu cel de mai jos:

YR7M-50.PRO
0 1284
200 1286
500 1287
1000 1292
1500 1295
2000 1304
2500 1327
3000 1346
3500 1366
4000 1377
4500 1404
5000 1447
5900 1520

Aceste fisiere se insereaza in folder-ul corespunzator ca sa fie regasite de HFTA.

Acum se poate face analiza tinind cont de terenul real:

Sint aceleasi doua antene precum cele analizate mai sus. Se poate observa clar diferenta cauzata de terenul real.

Iata si situatia stack-ului de 10m:

Deasemenea se poate analiza functionarea separata sau impreuna a antenelor din stack. Se observa foarte clar lipsa receptiei pentru semnale care vin sub elevatia de 4grade. Motivul este existenta relativ aproape a unui deal, care se vede si pe Google Earth si pe profilul terenului. YR7M este amplasat intr-o vale intre dealuri. Pe profil se vede cum terenul coboara pina la nivelul riului, apoi urca brusc spre culme. Aceasta situatie este data si nu a putut fi evitata. Este figurata si pozitia verticala a antenei:

Concluzie

A fost prezentata o metoda de analiza a influentei terenului asupra performantelor antenelor Yagi cu polarizare orizontala, in unde scurte. Metoda foloseste exclusiv software si informatii aflate in domeniul public sau accesibile cu usurinta. Se recomanda folosirea atit pentru analizarea instalatiilor existente, explicind astfel unele comportamente aparent anormale ale sistemelor de antene, cit si pentru proiectarea instalatiilor noi.

Mihai Mateescu YO3CTK

Articol aparut la 24-4-2008

13804