Din punct de vedere electric orice antena este analizata comparativ cu dipolul de lungime jumatate de unda. Acesta poate fi plasat orizontal, cand prezinta polarizare orizontala, sau vertical, cand prezinta polarizare verticala. Conventional, tipul polarizarii este dat de sensul campului electric produs de antena, care impreuna cu campul magnetic formeaza campul electromagnetic al undelor care pleaca din antena. Cand dipolul jumatate de unda este situat vertical la nivelul pamantului, o jumatate a dipolului poate lipsi fiind inlocuita de imaginea lui din pamant. Rezulta astfel antena verticala, elementul monopol lambda /4.
Elementul radiant vertical, se gaseste la nivelul pamantului si este alimentat la baza printr-un fir al fiderului, iar celalalt fir al fiderului este conectat la pamant. Antena se alimenteaza in curent, deoarece in punctul de alimentare are o impedanta joasa, jumatate din cea a dipolului lambda/2, aproximativ 35 ohmi. Pentru ca antena verticala sa functioneze eficient, pamantul trebuie sa aiba proprietati electromagnetice (conductivitate) foarte bune, deoarece acesta impreuna cu elementul lambda/4, formeaza un sistem radiant prin care circula curentul de radiofrecventa. Pentru a imbunatati proprietatile electromagnetice ale solului, in pamant se ingroapa o retea de conductoare radiale, oricate ca numar, orice lungime, plasate sub antena.
Pozitionarea antenei la nivelul solului poate constitui un dezavantaj datorita obstacolelor din jur care ar putea sa-i ingradeasca radiatia. Antena poate fi insa inaltata de la nivelul solului, pe acoperis sau pe un catarg astfel ca noua pozitie sa-i confere o mai mare deschidere. In aceasta situatie planul pamantului este inlocuit cu un plan format dintr-un sistem de radiale, mai multe la numar, in principiu de lungime lambda/4.
Caracteristica de radiatie a antenei este omnidirectionala in plan orizontal (H-plane) si prezinta lobi cu unghi de plecare mic in plan vertical (E-plane).Deoarece unghiul pe care il face lobul principal cu directia de propagare este mic, se realizeaza legaturi la distanta mare prin reflexii atmosferice.
De asemenea antena are avantajul ca este mai scurta, jumatate din lungimea antenei dipol lambda/2, este intinsa in sus, putand fi amplasata in spatii restranse si se monteaza relativ usor. Acest tip de antena se foloseste intr-un domeniu larg de frecvente, de la radiodifuziune pana la telefonia mobila, la statii radio portabile, mobile sau fixe.
Antena poate fi construita pe mai multe benzi de radioamatori, poate avea si un castig, ceea ce inseamna ca ar putea fi interesanta pentru orice radioamator. Dar sa analizam cit putem folosi din toate aceste avantaje, cu ce compromisuri, deoarece oferta comerciantilor de antene verticale, este foarte diversa si imbietoare. Pe piata se gasesc, pentru aceeasi banda de frecvante, antene verticale de dimensiuni diferite, de la antene foarte mici la antene verticale lungi, foarte complexe. Toate au adaptarea perfecta la fiderul de alimentare si suporta puteri relativ mari, fara sa stim insa unde se consuma aceasta putere, cat este de eficienta antena.
Pentru a le studia, in primul rand, este bine de stiut care este randamentul acestei antene, adica raportul dintre puterea radiata (Pr) si puterea la bornele antenei (Pa), parametru de care in general nu se prea pomeneste.
Randamentul= Pr:Pa x 1oo
Randamentul poate avea limite cuprinse intre 0-100% si ne arata cat din puterea aplicata la bornele antenei se transforma in putere radiata, fara a indica insa, unde se consuma restul de putere.
Puterea de radiofrecventa la bornele antenei se consuma pe impedanta in punctul de alimentare al antenei, care la rezonanta, este o rezistenta (Rr) compusa din:
-rezistenta de radiatie a mediului (Rm)
-rezistenta conductorului elementului radiant al antenei (Re)
-rezistenta planului de masa (pamantului) (Rp)
Rr=Rm+Re+Rp
Rezistenta de radiatie a mediului are o valoare egala cu 35ohmi, rezistenta conductorului elementului radiant se poate neglija, dar rezistenta planului de masa poate avea o valoare comparabila cu rezistenta de radiatie a mediului. Considerind cazul in care rezistenta planului de masa, este de doar 15 ohmi, rezulta rezistenta la rezonanta (Rr) a antenei este:
Rr=35+0+15=50 ohmi,
adica o adaptare perfecta cu impedanta cablului coaxial, cu impedanta de iesire a sursei, deci un transfer maxim de putere de la emitator in sistemul de antena. In aceast caz randamentul este:
Randamentul= I^2xRm:I^2xRrx100
Deoarece curentul de radiofrecventa I, este acelasi, rezulta:
Randamentul= Rm:Rrx100, adica 35:5o x 1oo=7o%
Chiar daca adaptarea este perfecta, fara unde stationare, randamentul ne arata ca 3o% din puterea de alimentare a antenei nu este radiata, ea se consuma in planul de masa sau incalzeste pamantul! La valori mai mari ale rezistentei planului de masa, randamentul scade si mai mult si in plus apar si probleme de adaptare cu sursa. Aceasta neadaptare conduce la o situatie si mai defavorabila deoarece o parte din puterea emitatorului este reflectata, nu se consuma si incarca inutil cablul de alimentare al antenei. Deci, inainte sa pretindem ca antena sa aiba castig, este bine sa avem cel mai bun randament si apoi o buna adaptare. De aceea se impune micsorarea in primul rand a rezistentei planului de masa, (pamantului), prin folosirea a cat mai multe radiale sau a unei retele de conductoare ingropate in pamant, in cazul antenelor verticale la nivelul solului.
Daca antena este dimensionata pentru benzile inferioare de radioamatori, sa zicem 8o m, lungimea radiantului ei ar trebui sa fie 2o m iar planul de masa sa aiba de asemenea o raza de 2o m. Antenele verticale la aceste dimensiuni sunt greu de realizat de amatori in benzile joase, de aceea se procedeaza la scurtarea fizica a radiantului prin inserierea unei bobine acordate.
Dar cat de mult putem micsora lungimea radiantului si cu ce consecinte? Daca scurtam progresiv lungimea radiantului, rezistenta de radiatie scade rapid iar pierderile introduse de bobina pentru realizarea acordului pe frecventa (lungire electrica), cresc. In aceasta situatie ponderea rezistentei de radiatie (Rm) din rezistenta totala in punctul de alimentare al antenei la rezonanta (Rr), este mult mai mica, deci randamentul scade si mai mult, ajungind sub 5o%. Astfel, o antena mult scurtata nu va avea niciodata un randament bun, fiind folosita doar in anumite situatii de compromis.
Pierderile in planul de masa (Rp), am vazut ca pot fi reduse folosind un sistem de radiale din conductoare de lungime uzual lambda/4. Dar cat de multe radiale sunt necesare pentru a crea un plan de masa bun? Practic se considera ca patru radiale rezonante (lambda/4), la o antena verticala amplasata la o inaltime de lambda/2, face ca antena sa prezinte pierderi mai mici decit atunci cand este amplasata la nivelul solului si are 1oo de radiale ingropate in pamint! Se obtine astfel un randament mai bun al antenelor verticale ridicate de la sol, cu plan de masa artificial, format din radiale. Daca in benzile joase ridicarea antenei la inaltimea lambda/2 este greu de realizat (de fapt aceasta cerinta se impune si la antenele orizontale), in benzile superioare si ultrascurte nu exista o problema de acest fel. La o inaltime mai mica de lamda/2 a antenei, se impun mai multe radiale pentru a obtine acelasi efect.
Rezulta ca putem construi o antena verticala si in benzile inferioare de radioamatori, amplasata la o inaltime rezonabila, cu 6-8 elemente radiale care sa aiba pierderi mici in planul de masa, adica randament bun si avantajul unei bune deschideri datorita amplasarii ei deasupra obstacolelor din jur.
Dar si radialele au o lungime considerabila in benzile joase, fapt de loc de neglijat. Pot fi scurtate fizic cu ajutorul bobinelor si acordate pe frecventa de lucru sau eventual directionate spre in jos, cu un unghi de maxim 45 grade, fapt care nu are un efect negativ asupra performantelor de radiatie. Practic numarul radialelor variaza intre 3 si 8 si sunt acordate pe fiecare din benzile de lucru ale antenei.(Cel putin un radial acordat pe o banda).
In situatia in care antena este construita pe mai multe benzi, intregul sistem, radiant si radiatoare, trebuie sa rezoneze pe mai multe frecvente. Deoarece antenele oscileaza si pe armonicele frecventei de baza, ele se pot construi de lungimi multiplu de lungime lambda/4.
Daca dimensiunule antenelor sunt de lungime multiplu par de lambda/4 ( 2x lambda/4, 4x lambda/4, 6x lambda/4), atunci impedanta la baza in punctul de alimentare este mare (curentul este zero iar tensiunea maxima) si nu pot fi folosite cablurile coaxiale. Datorita problemelor de adaptare la cablul coaxial de 50ohmi, aceste tipuri de antene se folosesc rar.
Daca dimensiunile antenelor sunt de lungime multiplu impar de lambda/4 (3x lambda/4, 5x lambda/4, 7x lambda/4), punctul de alimentare la baza, se afla intotdeauna intr-un nod de curent maxim si tensiune minima, situatie in care impedanta antenei in punctul de alimentare are o valoare mica, convenabila utilizarii cablurilor coaxiale.
Printr-un aranjament, in care alegem elementul de lungime lambda/4 corespunzator benzii de 3,5MHz (dimensiunea cea mai mare), el va rezona si in benzile de 1oMHz (3 x lamda/4), 18MHz (5 x lambda/4) si 24MHz (7 x lambda/4).La fel, daca consideram o antena lambda/4 in unde ultrascurte dimensionata pentru banda de 144MHz ea va rezona si pe 432MHz pe armonica a treia (3 x lambda/4).
O evolutie in proiectarea antenelor verticale , o constituie utilizarea monopolului radiant de lungime lambda/8, de fapt al multiplilor acestuia, in special 5 x lambda/8. Acest element, in comparatie cu predecesorul lambda/4, are la baza o impedanta ceva mai mare datorita faptului ca in acest punct, curentul are o valoare mai mica iar tensiunea o valoare mai mare. Rezulta o impedanta putin mai mare de 35 ohmi.
Aceast lucru face ca randamentul antenei sa fie mai bun si adaptarea la valoarea impedantei cablului coaxial de 50 ohmi, sa se faca mai usor. Si aceasta antena rezoneaza pe armonicele frecventei de baza, mai mult, se pot folosi lungimi ale monopolului lambda/8 de multipli pari si impari cu precizarea ca lungimile multiplii pari au impedanta in punctul de alimentare identica cu cea a elementului lambda/4 (35 ohmi).
Astfel, o antena multiband de unde scurte, folosind monopolul labda/8, ar putea avea dimensiunile:
In banda de 3,5MHz lungimea de lambda/8 (1o m), in 7 MHz va rezulta lungimea 2xlambda/8, in 14MHz va rezulta 4xlambda/8 si in 28MHz va rezulta lungimea 8xlambda/8. In unde ultrascurte pe 144MHz, pe 432MHz si pe 1296MHz se construiesc antene multiband cu lungimi multipli de 5xlamda/8 atit pari cit si impari de ordin superior (3-8x5lamda/8), deoarece dimensiunile sunt mult mai rezonabile.
Cistigul antenei verticale reprezinta un parametru de baza ce trebuie analizat dupa randament.La antenele de emisie castigul este definit ca raportul dintre puterea radiata de antena verticala si puterea radiata de o antena izotropa pentru a produce la aceeasi distanta aceeasi intensitate a cimpului electromagnetic. Uneori antena de referinta este considerata dipolul de lungime lambda/2, fapt care nu modifica datele problemei, se tine seama de faptul ca o antena lambda /2 are un cistig de 2.15dB fata de antena izotropa care practic nu exista.
Notiunea de cistig este legata de o anumita directie si anume de directia cea mai favorizata de radiatie a undelor, pe care o are antena in directia corespondentului.
Antenele de emisie nu radiaza uniform in toate directiile, de aceea pentru a analiza castigul, este necesar sa cunoastem directia favorizata de propagare, adica caracteristicile de radiatie in planurile E si H. Proprietatea antenelor de a radia mai multa energie intr-o anumita directie, se numeste directivitate. Antena verticala are in plan orizontal E o caracteristica omnidirectionala, deci nu putem vorbi de o anume directivitate. Dar in plan vertical H, prezinta un lob principal, aproape pependicular pe axa antenei, care ii confera un unghi mic de plecare al undelor, favorabil legaturilor la distanta si deci o directivitate favorizata. Castigul antenei creste prin ingustarea cat mai mult al acestui lob, astfel ca puterea emisa de antena sa se concentreze in directia corespondentului intr-un fascicol cat mai ingust. Acest castig nu este de regula inteles atunci cind se vorbeste de antena verticala, dar el exista in conditiile aratate.
Ingustarea lobului principal, deci cresterea castigului, se obtine prin construirea antenelor verticale de mai multe lungimi ale monopolurilor lambda/4 si lambda/8. Se construiesc de fapt sisteme verticale de antene, coliniare, fazate ale acestor monopoli elementari. Dubland numarul de monopoli lambda/4 castigul creste cu aproximativ 3dB. Rezulta ca monopolul 5xlambda/8 care echivaleaza cu 2.5 lungimi ale dipolului lambda/4, are un cistig fata de acesta de 3dB. O noua dublare insa va duce la o crestere din ce in ce mai mica a castigului. Practic, aceasta schema de obtinere a castigului este posibila pentru lungimi fizice mici ale monopolurilor, deci in benzile de radioamatori de unde scurte superioare, unde se pot obtine castiguri de 3-4dB. In benzile de 2m si 70cm se construiesc usor antene cu cistig de 8-12dB cu lungimi de 4-5m.
O alta metoda de a construi antene verticale cu castig, pe o directie in plan azimutal de data aceasta, este pozitionarea pe directia respectiva, la o distanta anume, a doua sau trei antene verticale. Principiul de functionare este asemanator antenelor Yagi polarizate vertical si conduce la obtinerea a unui cistig de 3-6dB in unde scurte. Datorita complicatiilor constructive aceste sisteme de antene sunt mai rar folosite de radioamatori.
Ca o concluzie a celor prezentate referitor la antena verticala, se pot formula cateva avantaje si dezavantaje care sa conduca la luarea unei decizii competente atunci cand dorim construirea sau achizitionarea antenei care ni se potriveste cel mai bine:
1. Este relativ simpla, usor de construit, de instalat atat la nivelul solului cat si inaltata. Necesita un spatiu restrins si eventual un singur pilon.
2. Poate fi alimentata la baza cu cablu coaxial fara circuite de adaptare suplimentare, deoarece antena prezinta o impedanata joasa, apropiata de cea a cablului.
3. Are unghiul de radiatie in plan vertical mic, favorabil legaturilor la distanta.
4. Are caracterictica de radiatie omnidirectionala in plan orizontal, deci nu necesita rotator.
5. Se poate construi pe mai multe benzi si se poate obtine un castig rezonabil la frecvente mari.
6. Este cea mai potrivita antena pentru instalatii mobile de emisie-receptie.
Dezavantaje:
1. Este mai sensibila la perturbatii electromagnetice produse de activitatile umane (aprindere la motoare, masini electrice rotative, retele de inalta tensiune), deoarece aceste perturbatii au o radiatie preponderent cu polarizare verticala.
2. Este mai puternic afectata de conductivitatea solului mai ales atunci cand nu este inaltata.
- Emil Gaz YO5DND
-
