Florin Cretu YO8CRZ

Mi-am propus in acest articol o scurta discutie despre antene de receptie si prezentarea uneia din antenele de receptie pe care o folosesc cu rezultate bune.

Este de notorietate astazi faptul ca, in benzile joase de unde scurte, nu se poate ajunge la performante notabile fara a folosi o antena dedicata pentru receptie. Acesta este motivul principal pentru care unele dintre transceiverele moderne de varf au o intrare separata pentru o antena de receptie.

De ce este necesara o antena separata pentru receptie? Simplu spus, pentru ca, daca la o antena de emisie criteriul principal este eficienta, la receptie ceea ce conteaza este directivitatea. Directivitatea permite imbunatatirea in mod considerabil a raportului semnal/zgomot si implicit a inteligibilitatii semnalului. Lipsa de eficienta la receptie nu este un criteriu esential, pentru ca poate fi compensata (pana la o limita) cu ajutorul unui preamplificator. Este posibila obtinerea unor antene de receptie de mici dimensiuni care sa aiba o caracteristica directiva, fapt extrem de util pentru evitarea unor "interferatori" si maximizarea raportului semnal zgomot pe o directie data. Castigul celor mai multe antene pentru receptie este negativ, uzual luand valori de la -6dBi la -50dBi. Nu este mai putin adevarat ca si intre antenele de emisie de eficienta mare, exista antene care asigura un zgomt mai redus la receptie dacat altele. Este cazul antenelor tip loop/quad, fata de antenele verticale pentru benzile joase montate in locatii urbane.

Discutia despre antene de receptie in lumea radioamatorilor este destul de veche si rezultatele obtinute cu aceste antene au fost de multe ori contradictorii. Antene care functionau bine intr-o anume situatie au dat rezultate mediocre in alte situatii. Rezultatele diferite pot fi explicate fie prin conditiile de sol diferite, fie prin alte conditii specifice asupra carora voi reveni mai traziu.

Pentru benzile joase (160m sau 80m), cu exeptia sistemelor de antene fazate, nu exista probabil antena mai buna pentru receptie decat antena Beverage. Cu ani in urma, am avut ocazia sa testez o asemena antena impreuna cu Costi Balan YO8BAM (SK) pe malul lacului Ciric/Iasi. Se intampla prin 1982-83, spre sfarsitul verii, cand student fiind avem mult timp liber la dispozitie. Auzisem despre performantele miraculoase la receptie ale acestei antene din "folclorul" local. Informatiile despre acest tip de antena si in special modul de realizare a transformatorului de adaptare erau insa prea putin cunoscute la noi in acea vreme (pentru cei mai noi pare greu de crezut, asa e ?...). Cartile de antene pentru radioamatori in limba romana, pe care le aveam la acea data, nu pomeneau nimic despre acest tip de antena. In cele din urma am gasit, in una din revistele estice de profil (Amaterske Radio?) la care era abonat radioclubul YO8KAE, un articol pe aceasta tema. Articolul descria atat modul de realizare a antenei cat si a transformatorului de adaptare. Am primit un tor de ferita de la profesorul meu de "Materiale Electrotehnice" si o rola consistenta de sarma de CuEm-0.8 de la un alt radioamator, asa incat nu ramanea decat sa transpunem proiectul in realitate. Costi a luat transceiverul FT-250 de la radioclub pentru un test in tabara pentru elevi de la lacul Ciric, desi, dat fiind anotimpul, avea indoieli cat de concludent va fi experimentul. Ca antena de emisie era folosit un Inverted V, iar antena de receptie un Beverage. Beverage-ul avea cca. 150-200m lungime, instalat in conditii foarte departe de ideale, la cca 1-2m de sol, mai mult in zigzag decat in linie dreapta pentru ca am folosit copacii din padure ca suporti pentru antena. De notat ca, fiind in afara orasului, chiar si antena Inv V era mult mai silentioasa dacat in amplasamentul obisnuit al YO8KAE de la Casa Studentilor.

Prima senzatie cand am incercat Beverage-ul, a fost ca antena nu functioneaza corect. Zgomotul benzii era aproape inexistent, iar semnalele receptionate din banda erau cu mult mai slabe decat cele de pe Inv V. Propagarea la DX era foarte proasta, insa am hotarat sa continuam testul a doua zi in zori, cand speram sa auzim ceva statii de peste Atlantic (era totusi, asa cum spunea articolul din revista, o antena pentru DX...). Intr-adevar, a doua zi, la rasaritul soarelui, am reusit sa auzim cateva statii VE destul de confortabil, in timp ce pe antena Inv V nu se auzea dacat zgomot. Diferenta era pur si simplu socanta si asta cu o antena montata in padure, in conditii departe de o instalare ideala si intr-un anotimp complet nepotrivit! Incercarea de a lucra statiile VE (folosind inverted-ul pentru emisie) a esuat, insa satisfactia experimentului reusit la receptie a fost deosebita.

Aceasta a fost prima si singura mea experianta cu o antena de receptie Beverage si poate, in timp, impresiile s-au idealizat (da, au trecut aproape 30 de ani...). Un lucru este insa cert in lumea radioamatorilor pasionati de benzile joase, antena Beverage ramane un etalon in materie, in raport cu care sunt judecate toate celelalte antene de receptie.

Ce anume asigura performantele de exceptie la receptie? Performantele deosebite sunt date de caracteristica puternic directiva a acestei antene si de faptul ca intregul castig este concentrat sub un unghi favorabil pentru DX. Semnalele care vin de pe alte directii, fie semnale utile sau zgomot, sunt puternic atenuate.

Realizarea unei antene Beverage nu este insa scopul acestui articol. Pentru radioamatorii care locuiesc in zone urbane, terenul necesar instalarii unei asemenea antene este imposibil de gasit. Chiar daca o asemnea antena nu este accesibila pentru locatiile urbane, sunt insa posibile un numar de solutii de compromis, poate nu la fel de bune ca un Beverage, insa in mod cert mult mai bune decat o antena tipica de emisie.

Probabil ca multi din cititori sunt familiarizati sau macar au auzit de antene precum K9AY, Ewe, Flag, Pennant sau antenele loop ecranate. Cu exceptia antenei loop ecranate, celelalte antene sunt antene aperiodice, nerezonante, de banda larga, terminate rezistiv. Antena Ewe a fost publicata in QST 2/1995, si QST 1/96, unii radioamatori au laudat-o, altii au criticat-o ca ineficienta. Mult mai tarziu, cand a fost intens simulata pe calculator, a devenit evident ca performantele acesteia sunt strict dependente de teren. Antenele gen Penant sau Flag (QST 07/00) au aparut mai tarziu, in incercarea de a crea o antena a carei performante sa nu depinda de conductivitatea solului. Antena K9AY (QST 09/97), este ceva mai complexa, necesita mai mult spatiu pentru instalare si este posibila realizarea ei, combinand de fapt mai multe antene in asa fel, incat sa se obtina directii de receptie comutabile. Sau altfel spus, directivitate rotitoare.

Despre evaluarea calitativa a antenelor de receptie si cifrele de merit

Exista deseori tentatia de a evalua o antena la receptie doar prin prisma castigului, fara a considera si directivitatea acesteia, ceea ce este o mare eroare. Iata in continuare cateva metode folosite pentru evaluarea antenelor la receptie.

Coeficientul G/T. Probabil cea mai cunoscuta metoda folosita pentru evaluarea antenelor de receptie incepand de la banda VHF si pana in domeniul microundelor, este temperatura de zgomot a antenei si coeficientul G/T. Metoda este larg folosita in cercurile profesionale pentru comunicatiile prin satelit, dar si de radioamatorii pasionati de EME. Metoda este folosita atat pentru caracterizarea unui sistem complet de receptie cat si pentru caracterizarea antenelor. Pentru ca, in acest caz, antena este orientata catre cer, antena "vede" practic temperatura de zgomot a cerului, in timp ce spatele si partial lateralele antenei vad pamantul, cu o temparatura de zgomot mult mai mare. Cu cat antena are un castig frontal mai mare si o atenuare a lateralelor si spatelui mai mare, cu atat temperatura de zgomot a antenei este mai redusa. Evident, aceasta permite decelara unor semnale slabe, fiind de dorit o antena cu temperatura de zgomot cat mai redusa. De notat ca, este foarte posibil ca doua antene cu castig identic, sa aiba temperaturi de zgomot diferite, datorita atenuarii diferite a lobilor paraziti. Pentru o evaluare mai exacta a antenelor folosite in acest domeniu de frecventa, se foloseste coeficientul G/T. Aceasta este de fapt o cifra de merit, obtinuta din raportul castigului maxim, G, la temperatura de zgomot, T. De notat ca temperatura de zgomot este transformata in acest caz in marime logaritmica, pentru ca in final raportul G/T sa rezulte in dB (K) .

Daca pentru domeniul VHF/UHF/Microunde modul de evaluare este clar si de multa vreme stabilit, pentru antenele de receptie destinate undelor scurte, nu exista o metoda unitara. Desi exista doua metode care apar mentionate destul de des in literatura pentru radioamatori, folosirea acestora ramane destul de redusa. Cred ca este utila descrierea lor, pentru ca ele permit clasificarea antenelor de receptie de unde scurte, din punctul de vedere al performantei la receptie.

Metoda DMF (Directivity Merit Figure), a fost introdusa pentru prima data de John Devoldere ON4UN in anii '90, in editia a treia cartii "Low Band Dxing". In esenta, este raportul castigului maxim fata, la castigul mediu spate. Pentru zona spate este folosita doar zona cuprinsa intre 120 si 240 grade (azimut), cu elevatie cuprinsa intre 10 si 80 grade. Metoda este destul de laborioasa, necesitand prelucrarea unui numar mare de puncte de masura pentru zona spate. Datele folosite sunt obtinute prin simulare cu programe din clasa NEC si integrate cu ajutorul unui alt program creat special pentru acest lucru.

Metoda RDF (Receiving Directivity Factor) a fost promovata de Tom Rauch W8JI. Este tot o cifra de merit, care insa este obtinuta prin luarea in considerare castigului gobal (radiatie in intreaga emisfera). Practic RDF este raportul castigului fata (la elevatia de interes), la castigul global (0-360 grade azimut si 0-90 grade elevatie). Valorile necesare sunt mult mai usor de obtinut, pentru ca un program precum EZNEC calculeaza automat valoarea castigului mediu a antenei, iar 4NEC2 calculeaza chiar direct valoarea RDF.

Pe site-ul autorului, http://www.w8ji.com/receiving.htm se afla foarte multe date interesante in aseasta privinta. Valoarea RDF variaza de la 5dB pentru o antena verticala, la 15dB pentru un Beverage de 500m. Valori cu putin mai mari se pot obtine cu sisteme de antene fazate.

Atat metoda DMF, cat si RDF, au limite in aplicare si folosirea acestora trebuie facuta cu grija pentru a nu "cadea in capcane". Se poate astfel arata ca un inverted V, plasat la mica inaltime de sol si care are castigul maxim practic la verticala, poate obtine un scor RDF absolut onorabil, insa aceasta nu este in nici un caz o antena de receptie rezonabila pentru DX, ci mai degraba pentru NVIS. RDF este util in special atunci cand se compara antene ce functioneaza in conditii de zgomot uniform distribuit (de ex. zgomotul atmosferic). Din pacate RDF nu ia in considerare unghiul sub care antena are castigul maxim. Cand insa zgomotul dominant provine de la surse mai mult sau mai putin concentrate, DMF este evident mult mai util, intrucat este bazat pe raportul fata/spate al antenei.

Mai exista si alte metode de evaluare a antenelor de receptie, cum ar fi cea dezvoltata pentru antene Beverage de catre Victor Misek-W1WCR si care e prezentata in "The Beverage Antenna Handbook". Acesta a introdus coeficientul CFBR (Conic Front to Back Ratio). In esenta se evaluaza castigul antenei intr-un con (cu varful de 90 grade spre centrul antenei) pe directia fata, raportat la un con in directia opusa. Metoda permite optimizarea lungimii antenelor de acest gen, pentru performante maxime.

Ca si in cazul antenelor pentru VHF/Microunde, doua antene cu castig egal pot avea comportari foarte diferite la receptie. Altfel spus, castigul antenei nu spune totul, pentru ca in final, ceea ce conteaza, este de fapt raportul semnal/zgomot.

Antena "Diamond"

In decursul timpului am incercat diverse antene de receptie de dimensiuni mai mult sau mai putin reduse. Iata in continuare o antena pe care o folosesc in timpul iernii, care mi-a permis sa lucrez un numar de DX-uri, ce erau dificil sau chiar imposibil de auzit pe antena de emisie.

Antena "Diamond" este o antena din categoria aperiodica, care are o buna caracteristica directiva, este usor de construit si instalat, ce poate fi realizata si in varianta rotativa folosind un mic rotor TV. Aceasta antena a fost descrisa pentru prima data intr-un articol aparut in revista QST 7/00.

Este alimentata la un capat si terminata cu o rezistenta de cca 750 de ohmi la celalalt capat. Valoarea acestei rezistente a fost optimizata pentru dimensiunile antenei realizate de mine. Impedanta este deci de cca. 750 ohmi, fiind necesar un transformator de impedanta de banda larga, cu raportul 1:16 (1:4 raportul infasurarilor). Deoarece aceasta antena are un castig redus, am folosit un amplificator montat chiar pe antena. Dimensiunea antenei realizate de mine nu este critica, fiind realizata pe suporti din teava de PVC cu lungimea de 3m pe orizontala si aceasi dimensiune pe verticala. La acestea se adauga inca un suport, tot din teava PVC, pentru a ridica antena la cel putin 1.5-2m de sol. Nu se folosesc, sub nici o forma, suporti metalici. Evident ca, daca se maresc dimensiunile, castigul antenei creste.

Orice nou proiect de antena incepe prin simularea ei, in prealabil, pentru a invata cat mai mult despre comportamentul ei, sensibilitatea la obiectele din, precum si modalitatile prin care performantele pot fi optimizate. Pentru simulare am folosit, ca de obicei, programul 4NEC2. Simularea ne da informatii pretioase referitoare la castigul care se poate astepta de la aceasta antena, ca si caracteristica de directivitate ce se poate obtine.

Evident, dupa simulare, urmeaza executia practica, reglajul si validarea modelului simulat.

Sa mentionam un parametru important la o antena de receptie: apertura efectiva a antenei- A_e. In esenta, este vorba despre suprafata din care antena extrage semnalul dorit. Daca consideram ca densitatea de putere a campului electromagnetic se masoara in W/m², atunci puterea furnizata la bornele antenei este P_a=W*A_e. Cu cat este mai mare apertura efectiva, cu atat mai mare este puterea furnizata la bornele antenei.

Apertura efectiva a antenei depinde de castigul acesteia. In cazul antenei prezentate, apertura efectiva are o valoare redusa. De notat ca, doua antene cu aceeasi dimensiune fizica pot avea aperturi efective diferite, din cauza ca au castig diferit.

Dimensiunea antenei de receptie poate fi scazuta considerabil si, chiar daca eficienta acesteia este puternic afectata, pana la un punct, pierderea de semnal se poate compensa cu ajutorul unui preamplificator. Odata insa ce semnalele captate de antena scad sub nivelul zgomotului ambiant, chiar si un amplificator (ipotetic) cu zgomot nul nu mai ajuta!

Limita practica pana la care se poate scadea castigul antenei este de cca -55dBi. O asemenea antena este insa extrem de sensibila la curentii de mod comun si trebuie luate precautii serioase pentru a nu-i degrada performantele.

Amplificatorul folosit trebuie sa indeplineasca cateva cerinte de baza: atit zgomot mic, cit si intermodulatii de ordinul doi si trei cat mai bune. Se prefera, in general, pentru astfel de amplificatoare structurile echilibrate (gen Push-Pull), care asigura o crestere substantiala a punctului de interceptie de ordinul doi, IP2. Cresterea IP3 este mai putin spectaculoasa (3dB), insa este cat se poate de utila. Am construit in decursul timpului un numar de amplificatoare Norton, simple sau Push-Pull, care sunt ideale pentru aplicatii de acest gen, insa castigul care se obtine de la aceste amplificatoare (dependent de raportul infasurarilor in trafo folosit) este doar de 9 pana la 14dB. Aceasta este insa insuficent pentru o antena a carei castig este atat de redus, ca cea prezentata.

De aceasta data, am recurs la o metoda simpla si rapida, am comandat pe internet de la Clifton Laboratories, amplificatorul in kit Z10046A.

http://www.cliftonlaboratories.com/z10046a_high_gain_amplifier.htm

Este un amplificator care foloseste 4 amplificatoare GaLi-74 produse de MiniCircuits, montate paralel/Push-Pull. Placa de cablaj are 90x65mm.

In mai putin de doua ore am montat kitul si am fost gata de probe. A trebuit sa execut o schimbare pe placa de cablaj, pentru a functiona ca amplificator cu intrare simetrica, pentru ca, prin constructie, un capat al trafo de intrare era conectat la masa. Am masurat amplificatorul si performantele obtinute sint urmatoarele: IP2=+90dBm, IP3=+44dBm, NF=3.7dB, G=24dB/3.5MHz. Se alimenteaza la 12V/350mA. A trebuit sa adaug un circuit de tip Bias T, pentru a putea alimenta amplificatorul prin cablul coaxial. Socul RF folosit (toroidal) pentru acest circuit este vizibil in imaginea cu amplificatorul in cutie. Din fotografie lipseste un releu rapid de protectie pe care l-am adaugat ulterior, pentru a sunta intrarile la masa in timpul emisiei. Antena de emisie poate induce suficienta putere in cea de receptie pentru a distruge amplificatorul.... Circuitul de alimentare cu 12V este deconectat in timpul emisiei in mod automat.

Am folosit o cutie de plastic etansa (rezistenta la UV), pentru a proteja amplificatorul de ploaie si praf. Pentru ca amplificatorul este plasat in cutia de protectie chiar la punctul de alimentare a antenei, nu este indicata folosirea unei cutii metalice. Aceasta pentru ca, datorita capacitatilor parazite suplimentare ce apar fata de cutia metalica, se degradeaza izolarea de mod comun. Consecinta este o posibila crestere a zgomotului de mod comun injectat in antena si care este condus pe exteriorul tresei cablului coaxial.

Pentru ca impedanta antenei este de cca. 750 ohmi, e necesar un trafo de adaptare, pentru a aduce impedanta cat mai aproape de 50 de ohmi. Am folosit un trafo cu raportul infasurarilor de 1:4 (raportul impedantelor 1:16). Trafo este realizat, dupa cum se vede in figura, pe un miez de ferita de tip 43 cu doua gauri. Primarul are 8 spire iar secundarul 2 spire.

Pentru ca este o piesa foarte importanta, iata cateva date suplimentare despre acest transformator. Transformatorul de impedanta are, in afara de adaptarea impedantelor, si un important rol in reducerea zgomotului ce patrunde in antena prin mod comun. Transformatorul pe care l-am folosit este realizat pe un miez de ferita cu doua gauri de tip BN-43-3312. Este acelasi tip de miez pe care-l folosesc pentru finalul meu de emisie cu IRF510.

Avand in vedere diversitatea miezurilor de ferita existente in "arsenalul" radioamatorilor, iata cateva criterii importante ce trebuie urmarite la realizarea acestuit tip de transformator de banda larga: numarul de spire se alege astfel incat inductanta infasurarii sa prezinte, la frecventa minima de lucru, o reactanta de 4-5 ori mai mare decat impedanta pe care este terminata. Altfel spus, reactanta infasurarii terminate pe 50 ohmi va trebui sa fie de 200-250 ohmi. Este preferabila folosirea unei ferite cu permeabilitate magnetica mare, pentru a reduce in acest fel numarul de spire necesare. Cu cat mai putine spire, cu atat mai redusa este capacitatea parazita intre primar si secundar. O capacitate redusa intre primar si secundar este esentiala pentru cresterea izolarii de mod comun. Miezul cu doua gauri pe care l-am folosit, asigura inductanta specifica pe spira mai mare decat in cazul unui simplu tor de ferita, realizat din acelasi material.

O modalitate simpla de verificare a transformatorului de banda larga, este terminarea infasurarii de impedanta mare pe o rezistenta cu o valoare egala cu impedanta caracteristica (~800 ohmi in acest caz) si masurarea portului de joasa impedanta cu un analizor de antena, de genul MFJ 259/269, sau si mai bine cu un VNA. Impedanta vazuta trebuie sa fie 50 ohmi pur rezistiv. Pentru cresterea rezolutiei masuratorii, se poate recurge la terminarea portului de impedanta mare cu o rezistente ce asigura un SWR de cca. 1.5-2. Se foloseste o rezistenta de 1600 ohmi, dupa care una de 400 ohmi. Se masoara SWR-ul in cele doua cazuri, dupa care se face media patratica. Daca transformatorul este bun, rezultatul trebuie sa fie in acest caz, cat mai aproape de SWR=2.

Trebuie evitate miezurile de ferita de dimensiuni foarte mici, pentru ca pot genera intermodulatii pasive. Acest trafo a fost montat in interiorul cutiei de protectie, pe peretele lateral-stanga. Doua suruburi sunt folosite pentru a conecta antena la amplifiator.

Se observa modul in care am montat amplificatorul pe suportul orizontal al antenei. Sarma folosita pentru antena este izolata cu PVC, terminata cu cose pentru prinderea cu suruburi. Pe cablul coaxial se poate vedea un soc/izolator RF. Este realizat prin bobinarea a 14 spire de cablu coaxial RG58, pe un tor FT-240-77. Se poate folosi si material tip 43, insa materialul 77 asigura performante mai bune la frecvente joase. Se observa si spatierea mare a intrarii fata de iesirea din soc, pentru a minimiza capaciatea de cuplaj parazita intrare/iesire.

Antena foloseste ca suport tuburi din PVC de exterior. Fiderul este pozat pe suportul orizontal pana la centru, dupa care este adus oblic la sol, pentru a fi in acest fel cat mai departe de partea inferioara a antenei. In mod cert nu este solutia ideala, insa nu am gasit nici o alta solutie rezonabila mai buna (deocamdata!). In mod normal, ar fi trebuit ca fiderul sa fie dus pe orizonata in exteriorul antenei pe o lungime cel putin egala cu lungimea antenei, dupa care se poate cobori perpendicular pe pamant. Ideea este de a mentine o simetrie perfecta a antenei, din punct de vedere al incarcarii celor doua jumatati (superioara si inferioara). Cablul coaxial este adus apoi in locuinta, la nivelul solului pentru a reduce la maxim in acest fel impedanta de mod comun, ca si posibilitatea tresei coaxialului de a se comporta ca o antena parazita. Pentru instalarile pretentioase, este recomandata chiar folosirea unui electrod de impamantare, acolo unde coaxialul atinge solul, dupa care se adauga inca un soc RF (Izolator RF) pe coaxial. Nu am facut asta insa din comoditate, pentru ca aceasta ar implica si sectionarea coaxialului, pentru a putea conecta ecranul (tresa) la masa. Evident, instalarea se face intr-o zona neobstructionata de cladiri sau teren.

Antena astfel realizata, prezinta o caracteristica directiva ca cea din figurile de mai jos. Antena trebuie orientata manual catre directia favorita, sau si mai bine, se foloseste un rotor telecomandat de dimensiuni mici.

Valoarea rezistentei (750 ohmi) afecteaza raportul fata/spate al antenei. Daca se schimba dimensiunile antenei, fata de cele indicate de mine, trebuie schimbata si valoarea rezistentei. O dimensiune mai mare a antenei necesita o rezistenta mai mare, care poate ajunge si la cca. 900 ohmi. In practica, am folosit valoarea rezultata din simulare ca valoare initiala de test, insa am fost interesat sa vad daca e posibil sa obtin o imbunatatire in raport cu modelul simulat. Am inlocuit rezistenta cu un potentiometru, dupa care am reglat valoarea acestuia pentru maximum de atenuare spate. Am inlocuit apoi potentiometrul cu o rezistenta neinductiva de 1W.

Pentru optimizarea raportului fata/spate, am folosit ca sursa de semnal un MFJ269 si antena verticala de emisie, insa in cazul meu, faptul ca antena verticala este prea aproape, a facut reglajul mai dificil. In mod normal, trebuia sa apelez la un alt radioamator aflat la 1km distanta, pentru a ma ajuta cu un semnal de test. Imbunatatirea raportului fata/spate obtinuta prin modificarea rezistentei de 750 ohmi, a fost de ordinul a 3-4dB, deci nu spectaculoasa. Raportul fata/spate obtinut, asa cum se poate vedea si din simulare, depinde de unghiul sub care vine semnalul. In testele in trafic, am masurat intre 15dB si 25dB, ceea ce este remarcabil pentru o asemnea antena (chiar daca e mai putin decat valoarea simulata). De remarcat ca, in practica, nulul obtinut in spatele antenei nu este la fel de pronuntat ca la o antena loop ecranata, insa este incomparabil mai larg.

Antena a fost construita pentru a fi folosita in banda de 80m, insa fiind aperiodica, este de banda larga, functionand satisfacator si in banda de 40m.

Iata in continuare rezultatul simularii acestei antene cu programul 4NEC2:

4NEC2 permite calcularea nu doar a castigului, ci si a coeficientului RDF. RDF-ul in acest caz este de 7.9dB. La prima vedere, este doar cu 3dB mai bun decat RDF-ul unei antene verticale in banda de 80m, in realitate insa, diferenta calitativa la receptie este cu mult mai mare. Intr-un fel, este o exemplificare a limitelor folosirii acestui coeficient.

Ce mai putem afla din impedanta antenei ?

4NEC2 ne spune ca impedanta anteneiin forma complexa este de 766+j56. Cateva comentarii asupra cifrelor :

Partea reala a impedantei (766) este compusa din rezistanta de pierdere si rezistenta de radiatie a antenei. Cum rezistenta cu care am incarcat antena este de 750 ohmi (o asimilam cu o rezistenta de pierdere), rezulta o rezistenta de radiatie de aproximativ 16 ohmi. Avand in vedere raportul mare intre rezistenta de pierdere si rezistenta de radiatie, este evident ca randamentul antenei este foarte redus.

Ce ne spune partea reactiva a impedantei? In afara de faptul ca natura reactantei este inductiva, se pot trage si unele concluzii asupra Q-ului antenei. Avand in vedere ca variatia cu frecventa a reactantei (panta reactantei) este foarte redusa, in acest caz Q-ul poate fi aproximat ca raportul intre reactanta si componenta reala. Evident rezulta un Q <<1, ceea ce explica banda de frecventa foarte larga a acestei antene.

Iata cateva observatii suplimentare legate de antena Diamond:

Castigul variaza destul de putin cu inaltimea sau tipul solului (cca. 2dB), insa unghiul sub care se obtine castigul maxim este afectat de inaltime. Cu cat mai sus, cu atat castigul maxim este obtinut la un unghi mai redus.

Castigul antenei variaza la schimbarea frecventei, cu 10dB/octava. Altfel spus, la 7MHz castigul este -28dBi, iar la 1.8MHz -48dBi.

Pentru referinta, iata cum arata si simularea unei antene Beverage de 200m lungime. Simularea arata clar de ce aceasta antena functioneaza atat de bine in benzile joase.

Este suficienta aceasta antena de receptie in orice situatie?

Desi este de mare ajutor in cele mai multe situatii, in practica uneori, la lucrul la DX, folosesc si un compensator fazic de zgomot de constructie proprie. Cu ajutorul acestuia, pot combina doua antene la receptie si pot anula anumite tipuri de zgomote generate in vecinatate.

Datorez acestei combinatii, antena de receptie plus compensator fazic de zgomot, cateva din cele mai pretioase DX-uri lucrate de mine in benzile de 3.5 si 7MHz.

Elemente ce pot afecta performantele unei antene de receptie

Exista mai multe fenomene care pot afecta puternic performantele unei antene de receptie. Ignorarea acestora poate duce la compromitere totala a performantelor la receptie.

1. Zgomotul patruns prin fider prin curent de mod comun

Antenele de receptie, fiind in general antene de castig foarte redus, sunt extrem de sensibile la zgomotul ce patrunde prin curent de mod comun, condus pe fider. In revista FRR, a aparut cu ceva vreme in urma un articol destul de complet pe aceasta tema, asa incat aici nu voi aminti decat in treacat cateva elemente importante. Este discutat acolo despre impedanta de mod comun, despre modul in care apare curentul de mod comun, cum se propaga pe linia coaxiala si despre metodele de reducere.

Folosirea unui soc/izolator RF pe cablul coaxial este metoda standard de combatere a curentilor de mod comun. La receptie se pot folosi si transformatoare de separare galvanica, pentru a intrerupe traseul curentului de mod comun. Din pacate insa, in lumea reala, capacitatea parazita dintre primarul si secundarul transformatorului, limiteaza eficacitatea separarii. Si pentru ca, in general, atunci cand se discuta de impedante de mod comun, acestea sunt in general ridicate, chiar si o capacitate parazita de cativa pF conteaza mult.

Este preferabil ca antena de receptie sa fie montata cat mai departe de casa, iar fiderul sa fie ingropat (sau chiar lasat pe sol), pana la intrarea in casa. Aceasta asigura reducerea substantiala a impedantei de mod comun a cablului coaxial pe aceasta portiune si-n acelasi timp minimizeaza efectul de "captare" a semnalelor parazite de catre fider.

O mentiune despre amplificatorul folosit. Evident, pentru antenele simetrice, este preferat amplificatorul diferential. Acesta asigura, prin constructie, o buna rejectie de mod comun. Din pacate insa, rejectia de mod comun ce se obtine la frecvente ridicate, este mult mai redusa decat cea obtenabila in joasa frecventa. Ca exemplu, rejectia de mod comun obtenabila cu un amplificator Norton in Push-Pull, este de cca. 50dB-60dB@1MHz, insa scade la 20-25dB@30MHz.

O intrebare tipica legata de preamplificatoarele pentru receptie este: unde punem amplificatorul, in casa langa transceiver, sau afara pe antena?

La frecvente ridicate (>VHF) este indicata plasarea amplificatorului cat mai aproape de antena, din considerente ce tin de optimizarea factorului de zgomot in sistemul de receptie. In unde scurte insa, atenuarea introdusa de cablul coaxial este relativ redusa si la prima vedere s-ar putea spune ca, in acest caz, amplificatorul poate fi plasat in casa. In realitate insa, pericolul zgomotului ce patrunde in mod comun in antena de receptie este atat de mare, incat amplificatorul trebuie montat cat mai aproape de antena, pentru a evita contaminarea semnalului util cu zgomot de mod comun inainte de amplificare.

Cele cateva metode prezentate nu ne scutesc, insa, de abordarea la modul foarte serios a reducerii surselor de zgomot, macar din propria locuinta. Sau, altfel spus, atunci cand se poate, trebuie tratata cauza si un doar efectul.

2. Reradierea zgomotului de catre antena de emisie.

Este cazul cel mai frecvent, cand in preajma se afla o alta antena rezonanta in banda de lucru (in special una verticala). Problemele cauzate de reradiatie, insa, nu se opresc doar la injectarea de zgomot in antena de receptie: caracteristica directiva a antenei de receptie este complet denaturata. Este motivul pentru care, multi radioamatori care nu au spatiu suficient pentru a plasa antena de receptie la o distanta de cel putin cat lungimea de unda, recurg la intreruperea antenei verticale in timpul receptiei sau (si mai bine) la dezacordarea acesteia pe periada receptiei.

Iata si un exemplu concret: intre antena mea de receptie si antena verticala pentru 3.5MHz sunt cca. 25m. In momentul cand antena de receptie este orientata catre cea verticala, nivelul de zgomot creste substantial. Am injectat un semnal in antena de emisie din MFJ-269 (cca.7dBm in cazul meu) si am masurat nivelul injectat in antena de receptie, cu ajutorul SDR-ului meu cu S-metru corect calibrat: -20dBm. Daca ignoram amplificatorul de antena, rezulta deci un cuplaj intre antene in cazul meu de cca. -27dB. Pentru a nu avea probleme, as avea nevoie de inca cel putin 10dB izolare intre antene. Problema e ca nu pot insa, creste cu mult mai mult spatiul dintre cele doua antene... Dezacordand insa verticala, nivelul de zgomot la receptie scade cu cca. 4-5dB!!! Asta cred ca spune ceva depre calitatile de "colector omidirectional" de zgomot ale verticalei in benzile joase (care functioneaza insa excelent la emisie, dovada ca am lucrat fara probleme statii precum ZL8X sau 4A4A in 80m, atat in SSB cat si CW).

Cateva consideratii despre sistemele de antene fazate

La inceputul articolului mentionam faptul ca, in materie de antene de receptie, antena Beverage este, fara indoiala, antena preferata de radioamatorii care fac performanta in benzile joase. Exista insa antene de receptie ce folosesc sisteme de antene fazate, ce permit obtinerea unor performante foarte bune, inclusiv "beam steering". In plus, au avantajul folosirii unei suprafete de teren mult mai redusa decat in cazul antenelor Beverage multiple. Corect executate, aceste sisteme de antene fazate permit obtinerea de rezultate remarcabile. Sistemele de antene fazate se pot folosi si la emisie, insa trebuie spus ca realizarea corecta a acestora necesita o doza substantiala de munca si cunostiinte tehnice consistente, in special atunci cand nu se recurge la un sistem "prefabricat". Sa mai adaugam aici la cerintele constructive si folosirea unui VNA pentru determinarea corecta a impedantelor si masurarea corecta a liniilor de defazaj, eventual si un osciloscop de calitate cu cel putin doua canale (preferabil 4) pentru a putea masura amplitudinea si faza curentilor.

Pentru a obtine diagramele de radiatie dorite, este necesar un control riguros al fazei si amplitudinii semnalelor aplicate elementelor constituente ale sistemului de antene fazate. Subiectul antenelor fazate, asa cum a fost tratat din pacate in cele cateva articole aparute pe aceasta tema in literatura de radioamatori din YO, este din pacate tratat destul de...(hmmm!) incomplet.

Si ma voi referi aici la faptul ca diagrama de radiatia a unui asemenea sistem fazic este prezentata ca rezultatul unor simple calcule trigonometrice, care au prea putin legatura cu fenomenul fizic real ce se afla in spatele generarii lobilor de radiatie. Nu este luata sub nici o forma in considerare faptul ca, intre elementele sistemului fazat, exista cuplaj mutual. Consecintele cuplajului mutual sunt multiple: de la modificarea drastica a impedantei elementelor radiante ale sistemului fazat, pana la afectarea diagramei de radiatie. Calculul liniilor de defazaj/intarziere trebuie facut in lumea reala functie de impedantele cu care se lucreaza si nu impedante ideale de 50 ohmi. Consecinta este ca, o linie de defazaj care are 90 de grade pe o sarcina rezistiva de 50 ohmi, asigura o cu totul alta defazare cand sarcina reactiva este de (sa spunem) 23+j20 sau 12-j30. Evident aceasta are consecinte atat asupra fazei cat si asupra amplitudinii semnalelor aplicate antenelor din sistemul fazat.

Genul acesta de abordare eronata a sistemelor fazate de antene provine, probabil, din ARRL Handbook aparute pana prin anii '80. Desi lucrurile astea erau foarte bine cunoscute in cercurile profesionale, pana la inceputul anilor 80 notiunile de autoimpedanta sau impedanta mutuala erau pur si simplu ignorate de radioamatori. Erorile din Handbook au fost insa corectate ulterior, autorul programului de simulare a antenelor EZNEC, Roy Lewallen W7EL (alaturi de altii), avand o contributie majora in explicarea corecta a fenomenului. Din pacate insa, erorile de acest gen reapar periodic in reviste si pe internet, fara sanse prea mari sa dispara in viitorul apropiat...

Exista astazi programe care permit determinarea rapida a impedantei elementelor din sistemul fazat, care tin seama si de cuplajul mutual, insa aceste programe nu exclud necesitatea masurarii cu mare grija a sistemului realizat practic. Controlul defectuos al fazei si amplitudinii, duce la o diagrama de radiatie deformata si un raport fata/spate redus. In unele cazuri, se ajunge la situatia ca maximul de castig sa nu fie nici macar pe directia scontata. Realizarile pretentioase in acest domeniu, necesita, atat masurarea amplitudinii curentilor injectati in ficecare antena, cat si masurarea fazei.

Sistemele moderne de antene fazate destinate exclusiv receptiei, folosesc procesarea DSP, care permite obtinerea unor caracteristici directive adaptate necesitatilor locale. Aceste sisteme necesita controlul continuu al fazei si amplitudinii semnalelor si este posibila obtinerea asa numitului "beam forming". Se poate plasa astfel, la dorinta, un nul in lobul de radiatie, pe directia unui interferator, pentru a maximiza raportul semnal/zgomot la receptie. Aceste aplicatii folosesc exclusiv receptoare SDR.

Concluzii?

In decursul timpului, in publicatiile pentru radioamatori au aparut numeroase antene de receptie. Proba timpului a eliminat cele mai multe dintre creatiile anilor '80. In multe dintre aceste cazuri, o receptie mai silentioasa era de fapt rezultatul semnalului mai redus, injectat in receptor. Este de notorietate cat de usor puteau fi supraincarcate circuitele de intrare, la multe din receptoarele tranzistorizate ale acelor ani. Cu certitudine, multe din antenele de receptie prezentate in acei ani, cu performante fenomenale in reducerea zgomotului, ar fi putut fi inlocuite cu un simplu atenuator inseriat pe antena principala.

Intr-o versiunea initiala a articolului, prezentam si o a doua antena de receptie, de tipul "Loop" ecranata. Era vorba de detalii constructive, dar si de comportamentul in camp reactiv al acestei antene, despre impedanta de camp si sensibilitatea la diverse campuri. Am renuntat la prezentarea acestei antene, pentru a nu supraincarca un articol, care si asa (in opinia mea) este suficient de dens.

Am inceput articolul cu o poveste despre experienta mea, cu multi ani in urma, cu o antena Beverage. Voi incheia cu o alta poveste despre antene....

Cu ani in urma, citeam in revista QST 7/2000, un articol interesant despre antene in general, scris de Thomas Schiller –N6BT. La data aceea, acesta era coproprietarul firmei producatoare de antene "Force 12". Pentru cei care nu au citit sau nu au acces la articolul mentionat, iata in rezumat partea care mi s-a parut mai interesanta:

N6BT s-a deplasat in 1983 pe insula Saipan din Pacific, pentru a lucra in concursul CQWW. Nu era prima sa deplasare pe insula, insa de data aceasta a avut acces la o antena folosita de o statie de radiodifuziune. Antena de tipul cortina, consta din doi piloni de 80m inaltime si 64 de dipoli fazati agatati intre cei doi piloni. Un sistem de reflectori pasivi era folosit pentru a schimba directia lobului de radiatie intre anumite limite. Castigul antenei cortina: 21dBi. Pretul antenei la valoarea din ‘83: 300000 USD. N6BT adusese cu el pentru concurs o antena Yagi ($300?), cu un castig de cca 10dBi. Cam mare diferenta de pret pentru inca 10dB castig, ar putea spune cineva....

Era seara tarziu si banda de 15m incepea sa se inchida. Un prim test la receptie arata ca, daca pe Yagi banda era aprope inchisa, pe antena de broadcast banda suna ca in timpul zilei! Tom reuseste sa contacteze HZ1AB cu antena Yagi si primeste controlul 57, dupa care comuta apoi pe antena de radiodifuziune, pentru clasicul test A/B: 59+40! Mai bine de 50dB diferenta deci. Da, se poate pune la indoiala acuratetea S-metrului de la HZ1AB, diferenta de inaltime intre antene, unghi de radiatie,... si totusi, parca sunt prea multi decibeli diferenta.....

Pentru cei care nu stiu, unele antene de acest tip permit schimbarea intre anumite limite nu doar a azimutului, dar si a elevatiei lobului de radiatie. In banda de 15m castigul maxim este obtinut la un unghi de cca. 5 grade deasupra orizontului... Pentru cei care vor sa comande o asemnea antena, iata un exemplu...hi,hi... http://www.antenna.be/hr.html

Cum nu foarte multi dintre noi vor avea ocazia sa incerce o asemenea antena, va trebui sa ne multumim cu ceea ce avem sau putem face fiecare. Si uneori, un plus de performanta, asa cum am aratat in acest articol, se poate obtine destul de usor!

Florin Cretu

YO8CRZ

Florin Cretu YO8CRZ

Articol aparut la 10-6-2011

21310