Cum niciodata nu stii daca unde dai apar si fisurile, asa si cu antenele; daca nu ma pasiona domeniul NVIS, nu imi puneam niciodata problema unghiului de radiatie altfel decat empiric.
Evident, prima sursa de cercetare a radioamatorului roman este sfatul. Iar acesta este puternic subiectiv si "parazitat" de pareri.
A urmat apoi etapa cautarilor pe internet.
Cum cautarea pe internet este supusa unei anumite curbe de invatare, mi-a luat ceva timp pana sa descopar "apa calda", care, in cazul meu, a fost regretatul L. B. Cebik, W4RNL.
Din pacate, nu am apucat mai mult de doi ani de citit analizele excelente prin care a adus antenele la nivelul de intelegere al radioamatorului incepator.
Poate ca cea mai valoroasa lectie a sa a fost aceea ca, in ceea ce priveste antena, niciodata nu trebuie sa credem pe cuvant ce "se spune" si ca putem sa verificam imediat o simpla parere folosind analiza numerica.
Ca "ne-inginer" pot sa marturisesc faptul ca modelarea numerica a antenelor nu este la fel de simpla ca solicitarea unei pareri dar ofera satisfactia unor raspunsuri mult mai sigure ca parerea primita! Cu atat mai mult cu cat, de multe ori, parerile respective fac iute trimitere la un parametru care nici macar nu apartine antenei, respectiv Raportul de Unde Stationare (RUS/SWR) care este un parametru electric.
Din experienta de pana acum, nu prea costisitoare, din fericire, am aflat ca mai exista cel putin doi parametri de urmarit la constructia sau achizitia unei antene:
-Castigul G (exprimat ca dBi fata de izotrop sau dBd fata de dipol).
-Raportul fata/spate F/B, exprimat tot in dB, care ne arata cum se realizeaza atenuarea semnalelor pe directiile nedorite.
Este evident ca radioamatorul care aloca pe o antena o cantitate destul de mare de HSU (Ham spending units-bani ascunsi de sotie) va dori sa obtina de la respectiva antena tot ce este mai bun...
Si incepe o cautare asiduua a celei mai bune antene pentru banii respectivi.
Din pacate, rareori am auzit sa fie analizata pozitionarea antenei pe inaltime! Este regretabil ca, radioamatorul care este dispus sa cheltuie aproximativ 500-1500 EUR pentru un sistem de antena si inca vreo 350-500 pe un sistem de rotire nu este dispus sa "cheltuie" cateva ore pe rularea unor simulari cu un program freeware pentru a analiza ce se intampla cu antena!
Va spuneam mai inainte ca am facut in trecut unele simulari urmarind obtinerea unui castig al antenei la un unghi cuprins intre 75-90 grade fata de orizontala pentru exploatarea fenomenului NVIS...
Am constatat ca, pentru a obtine acest unghi de radiatie, este necesara pozitionarea antenei dipol la o inaltime cuprinsa intre 0,15 si 0,25 din lungimea de unda. Nici mai mult, nici mai putin, ceea ce sugereaza ca acest parametru prezinta suficienta importanta incat sa merite inclus in proiectul de realizare al antenei.
Plecand de la aceste observatii, am fost curios sa aflu ce rezulta din simularea functionarii antenei YAGI la diferite inaltimi fata de sol.
Inainte de a proceda la efectuarea modelarilor, trebuie sa stabilim cu ce "material" lucram...
Pentru antena directiva am folosit un model de YAGI de 3 elemente, full size. Cea mai atractiva banda pentru legaturi DX mi se pare cea de 20m, asa ca am luat in considerare frecventa de 14.050 MHz, aflata in zona de banda pentru moduri digitale si CW.
Pentru o mai buna exemplificare a fenomenelor, am folosit ca referinta un dipol clasic, 2 x 5,17 m.
DX are semnificatia legaturii radio cu statii aflate pe alte continente; asadar, vorbim de unghiurile necesare pentru legaturi radio cu continentul american si cu Asia+Pacific. Din programele de modelare a propagarii rezulta un unghi cuprins intre 1-25 grade fata de orizontala (1-14 grade pentru Asia si 2-25 pentru cele doua Americi).
Am stabilit arbitrar cateva inaltimi la care sa fac aceste simulari, incercand sa urmaresc situatiile tipice intalnite in realitate.
Avem urmatoarele situatii generice pe care le intalnim cel mai des in YO, anume:
-Locuitorul in mediu concentrat urban, a carui antena este amplasata pe un bloc de locuinte de 8-10 etaje;
-Locuitorul in mediu urban, a carui antena este amplasata pe un bloc de 4-5 etaje;
-Locuitorul in mediu non-urban, care locuieste la casa si care isi poate amplasa antena pe un pilon cat vrea sau cat poate (HI) de inalt.
Asadar, inaltimile de simulare sunt:
-40-45m;
-20-25m;
-5-15m.
Pentru simulare am folosit programul MMANA-GAL, setand sol real si definind antena ca fiind construita din teava de aluminiu de grosime de 30 mm telescopata cu sectiune de 25 mm. Nu intru in detalii, modelul este unul care poate fi realizat in mod real si nu doar imaginar (HI).
Geometric, antena se prezinta astfel:
Fig. 1 – Geometria antenei
Simuland antena in spatiul liber, obtinem urmatoarea diagrama:
Fig.2 – Diagrama de radiatie in spatiul liber (YAGI vs Dipol)
Pentru inaltimi cuprinse intre 3-5 metri, antena este situata in gama de 0,15 – 0,25 din lungimea de unda.
Hai sa vedem cum radiaza la 5 metri, acolo unde este (inca) puternic influentata de apropierea de sol:
Fig.3 – YAGI 3el la 5 m fata de sol
Se observa ca, in plan vertical, antena prezinta un castig puternic ( 8,2 dbi) pentru unghi de aproximativ 60 grade fata de orizontala. Pentru unghiurile din ipoteza, castigul este egal sau mai mic cu 0 db. La 7 grade avem 0 dBi, sub acest unghi antena prezentand atenuare.
In plan orizontal, raportul F/S este de aproximativ 11,5 dBm cu mentiunea ca, pe aceeasi elevatie dar e spatele antenei avem o atenuare de aproximativ 11dB. La modul absolut, pe sectorul in plan vertical de 2-25 grade obtinem un raport F/S de aproximativ 20 db.
Comparativ, dipolul inaltat la 5m prezinta un castig exagerat pe directia verticala, prezentand patru lobi de radiatie, fiind complet inadecvata pentru DX ca urmare a unghiurilor mari fata de orizontala:
Fig. 4 – Dipol la 5 m fata de sol
In mod previzibil, ridicand antena pe pilon, obtinem o coborare a unghiului de radiatie:
Fig.5 – YAGI 3 el la 7 m fata de sol
Fig.6 – Dipol la 7 m fata de sol
La 10 m fata de sol, deja antena prezinta la 25 grade fata de orizontala un castig de 11, 5 dBi iar raportul F/S este de peste 24 dB!
Fig.7 – YAGI 3 el la 10 m fata de sol
Deja incepe sa devina interesant! Totusi, prezenta unui castig de peste 9dB la unghiuri de peste 25 grade are semnificatia unor semnale destul de puternice de la statiile situate la extremitatile continentului nostru, care pot masca semnale slabe provenite de la mare distanta.
De asemeni, castigul la 3-10 grade este destul de mic, cuprins intre 0-7 dBi, adica cu – in medie – un grad S (6dB) sub semnalele, inca, locale!
O concluzie preliminara, pentru cei care locuiesc la casa si au posibilitatea instalarii unui pilon: incercati sa investiti intr-un pilon de aproximativ 10m pentru a profita de antena nou instalata!
Hai sa vedem cum se comporta, in aceeasi pozitie, o antena de 4 elementi:
Fig.8 – YAGI 4 el, la 10 m fata de sol
Comparativ, un dipol la 10 m inaltime va prezenta urmatoarea diagrama de radiatie:
Fig.9 – Dipol la 10m inaltime
In ceea ce priveste antenele YAGI, observam ca, intre 40 si 50 grade, la inaltimea de 10m (λ/4), ambele prezinta castig asemanator iar la 25 grade, diferenta de castig intre antena cu 3 elementi si cea cu 4 elementi este de 0,8 db.
Raportul F/S este si el mai bun la antena cu 3 elementi, cu 5,5 dB (aproape un grad S) mai mult!
Schimbam antena sau incercam sa "stoarcem" si ultima picatura inainte de a analiza un upgrade?
10 m inaltime reprezinta 1/2 din lungimea de unda la 14 MHz; stim ca, in cazul unui dipol, unghiul optim pentru DX il obtinem la aceasta inaltime.
Oare ce se intampla daca mai ridicam antena?
Fig.10 – YAGI 3el la 11 m fata de sol
Fig.11 – Dipol la 11m fata de sol
Ei bine, la 11 m fata de sol se obtine cea mai frumoasa si compacta forma pentru lobul principal de radiatie!
Antena prezinta un castig mai mare de 6 db (peste un grad S) pe arcul curpins intre 7 si 48 grade fata de orizontala, fara sa prezinte castig pe elevatiile care aduc zgomot solar sau statii prea apropiate!
Antena dipol mai castiga si ea aproape 1db fata de inaltimea precedenta, mentinand unghiul de elevatie de aproximativ 25 grade si fara o accentuare a castigului pe unghiurile mari.
Urcand antena, la 15 metri, observam cum YAGI incepe sa prezinte mai multi lobi de radiatie:
Fig.12 – YAGI 3el la 15 m fata de sol
Fig.13 – Dipol la 15m fata de sol
Dipolul la 15 metri inaltime incepe sa se comporte "nepotrivit"... Desi prezinta castig de 7,6 dbi pe unghiul de 20 grade, faptul ca are un castig de peste 5 db pe sectorul +/- 20 grade fata de verticala o transforma intr-o antena extrem de zgomotoasa ziua! Diferenta de numai 2 db intre cele doua unghiuri o fac sa devina o adevarata sursa de frustrare pentru semnalele slabe!
Comparativ, YAGi cu 3 el prezinta o diferenta de 7db intre 20 grade si cea mai accentuata directie favorizata pe verticala (elevatie 65 grade).
Fig.14 – YAGI 3el la 20 m fata de sol
Fig.15 – Dipol la 20m fata de sol
Fig.16 – YAGI 3 el la 25 m fata de sol
Fig.17 – Dipol la 25 m fata de sol
Fig.18 – YAGI 3el la 40 m fata de sol
Fig.19 – Dipol la 40 m fata de sol
Fig.20 – YAGI 3 el la 42 m fata de sol
Fig.21 – Dipol la 42 m fata de sol
Observam ca, dupa ce inaltimea antenei depaseste cei 11-15 m, castigul in plan vertical se imparte intre mai multi lobi.
Pe masura ce creste inaltimea se mareste si numarul lobilor secundari; la 20 m antena prezinta un lob centrat pe elevatia de 15 grade, cu 12, 5 (aproximativ ) dbi iar la 50 grade, aproape 9 dbi.
La 45 m, deja exista 4 lobi de radiatie, castigul la 5 grade fiind aproximativ acelasi cu cel la 20 grade. Sesizam o pronuntata atenuare intre 10 si 17 grade (aproximativ) ceea ce se poate traduce intr-o atenuare a unor semnale provenite din zonele medii ale continentelor DX. La 55 grade, castigul antenei este de aproximativ 10 db, ceea ce se poate traduce in zgomot in timpul zilei.
Spre deosebire de antena YAGI, antena dipol are un mare dezavantaj, anume absenta unei atenuari pe una din perpendicularele ei. Exact atenuarea "spate" este cea care ne poate ajuta sa auzim semnalele slabe de la distanta, mai ales atunci cand dorim sa operam pe directia S-SV. Pe aceste directii, o antena YAGI, clasica si simpla, poate sa asigure atenuarea semnalelor puternice provenite dela statiile din Rusia sau Ucraina.
Daca as fi intrebat, as spune ca inaltimea optima a antenei, pentru legaturi DX, este intre 11 si 15 m. In aceasta pozitie reuseste sa concentreze intreaga energie foarte bine pe arcul de cerc cuprins intre 7-28 grade.
"Pierderea" la unghi mic este compensata, intr-o oarecare masura, de faptul ca atenuarea pe unghiuri mari este consistenta, asigurand un zgomot solar destul de mic. Nu este de neglijat acest aspect, mai ales ca in anii ce urmeaza vom asista la o intensificare a activitatii solare, care se va traduce prin zgomot.
Daca observati, optimul figurii de radiatie se obtine la o inaltime de λ/2+λ/10.
Putem face o verificare a acestei "pseudo-reguli" simuland o antena YAGI cu 3 el in banda de 10m:
Fig.22 – YAGI 3 el 10m, la inaltimea de 5,5 m.
Evident, de la o regula teoretica pana la practica este fix distanta unui stalp iar imprejurarea ca antena nu mai prezinta un lob de radiatie omogena poate fi, in fond si la urma urmei benefic pentru ca ne poate ajuta sa lucram atat statii DX cat si statii de pe acelasi continent.
Sper ca cele de mai sus sa va dea un pic de gandit si sa va ajute sa apreciati o antena si prin prisma altor criterii decat cel al SWR-ului sau al castigului, mai ales ca, anumiti producatori il prezinta cat mai mare omitand sa spuna si unde anume se duce toata acea energie radiata! Ca o mica paranteza, Legea conservarii energiei este "batuta in cuie" si ne arata ca o antena nu poate sa furnizeze un "castig" decat cu pretul unor pierderi. Nu amplifica ci repartizeaza energia pe care i-o furnizam din transceiver, in mod diferit pe anumite directii. Unde castiga si unde pierde, ne putem lamuri prin modelarea numerica...
Chiar daca rezultatele furnizate prin aceasta metoda sunt "idealizate", cred ca este foarte important sa intelegem semnificatia influentei inaltimii la care este montata antena asupra parametrilor de radiatie.
Analizand diagramele de radiatie in plan vertical ale antenelor prezentate, putem sa intelegem contributia unghiului de plecare fata de orizontala (asa numitul "take-off angle"), un parametru care depinde exclusiv de inaltimea antenei fata de sol. Importanta lui este majora in legaturile la mari distante: cu cat acest unghi este mai mic, cu atat prima reflexie de straturile ionosferice se petrece mai departe, permitand comunicatia la o distanta mai mare decat la unghiuri mai mari, evident cu observarea MuF (care are o valoare ce creste proportional odata cu scaderea unghiului de incidenta fata de planul ionosferei). In plus, atunci cand comunicatia se face prin mai multe reflexii (multi-hop), unghiul mic de plecare poate determina reducerea cu 1-2 reflectii a traseului parcurs (path). Luand in considerare ca atenuarea suferita de semnal la fiecare reflexie poate fi intre 4-8dB, este evident avantajul antenelor cu unghi mic de plecare demonstrand importanta unei bune cunosteri a relatiei intre inaltimea antenei fata de sol, frecventa pe care exploatam antena si distanta la care dorim sa realizam QSO-uri.
N.R. Articolul a fost preluat de la Radioamator.eu si a fost republicat cu permisiunea autorului. Materialul original se gaseste la aceasta adresa.
- Adrian Florescu YO3HJV
-
