 |
|
|
Despre unghiul optim de radiaţie al antenelor pentru DX
Urmare a recentului
meu articol "Un decibel, doi sau…trei ", la rubrica comentarii, YO4BKM-Tavi
a pus următoarea întrebare : “Cum este
posibil ca o antenă dipol, pentru o anumită lungime de undă (20
m în cazul de faţă), aflată la aceeaşi înălţime
deasupra solului (8 m sau 0,4 lungimi de undă respectiv 10 m sau 0,5
lungimi de undă), să aibă unghiuri diferite pentru DX, respectiv
de 3, 5 şi 10 grade la aceeaşi înălţime?” Cred că
întrebarea e interesantă, care necesită o
explicaţie mai detaliată, fiind convins că nedumerirea de mai
sus nu este singulară. În acest caz am încercat să înţeleg de
unde provine neînțelegerea şi am ajuns la concluzia că este
încă o dată vorba de un stereotip datorat poate unor cărţi
mai vechi pe care mulţi radioamatori le au in bibliotecile personale…. Iată ce am
spus în articol: Tabela arată
câştigul antenei la unghiurile de 3, 5 si 10 grade, pentru o
înălţime faţă de sol de 8m si 10m. Câştigul maxim care
este la 30-40 grade, nu a fost prezentat în tabel, pentru că nu este
relevant la DX în banda de 20m ! Mai jos este
prezentată diagrama tipică de radiaţie în plan vertical, a unei
antene dipol aflată la 0.5 lambda deasupra solului, pe care au fost
precizate şi câştigurile antenei la 3, 5, 10 si 30 grade.
Câştigul maxim este de +6.8dBi, la cca. 30 grade, în timp ce
câştigul la 3 grade este de -8.2dBi. Iată mai jos
modelul de propagare aşa cum a fost explicat în trecut : În acest model,
singura putere radiată care contează este puterea la unghiul la care
radiaţia antenei este maximă. Este corect ?
….NU ! Pierderile la
fiecare reflexie sunt importante și depind atât de unghiul de incidenţă
cât şi de natura suprafeţei pe care se face reflexia. Fiecare trecere
prin startul D se face cu pierderi care depind de frecvenţă. De
exemplu: 8dB la 3.5MHz, 2.5dB la 14MHz şi sub 1dB la 30MHz. Pierderile în
acest strat depind de activitatea solara. O singură reflexie/refracţie
pe ionosferă implică două treceri prin stratul D! Fiecare
reflexie/refracţie pe ionosferă se face cu pierderi de putere de la 1
la 10dB. Fiecare reflexie pe sol/apă, se face cu pierderi ce depind de
unghiul de incidenţă, de natura suprafeţei şi de
polarizerea semnalului. Valorile pot fi de la 1-2dB (apă sărată)
la 6-12dB (gheaţă sau deşert). La acestea se adugă
pierderile de dipsersie cu distanța.
E adevărat că antena la emisie poate avea câştig negativ la unghiuri atât de joase, însă chiar şi aşa ajunge cu mult mai multă putere în antenă la recepţie decât în situaţia cu reflexii multiple. O precizare se impune aici : nu este vorba de fapt de reflexii, ci de o refracţie foarte puternică. Să presupunem că în acest caz unghiul cerut este de 3 grade. Conform tabelei prezentate anterior, câştigul util al antenei la 3 grade este de -8dBi (antena la 10m de sol în banda de 20m). Un alt lucru care este complet ignorat în modelul eronat prezentat la început, este efectul frecvenţei critice F0. Aceasta este frecvenţa maximă la care un semnal emis la verticală, nu mai este reflectat de ionosferă. Pentru frecvenţe mai mari dacât frecvenţa critica F0, semnalul penetrează ionosfera şi se pierde în spaţiul cosmic. Ionosfera reflectă însă semnale şi peste frecvenţa F0, dacă incidenţa este sub un unghi oarecare. Cu cât unghiul este mai mic, cu atât este mai mare frecvenţa maximă la care se mai produce încă refelexia. Aceasta este denumită frecvanţa maxim utilizabila MUF. Pentru un circuit radio la distanţă, se poate defini o frecvenţă maxim utilizabilă funcţie de unghiul α necesar pentru acel circuit. MUF depinde deci de frecvenţa critică F0 şi unghiul de incidenţă. La frecvenţe egale cu MUF, nivelul pierderilor de reflexie atinge însă până la 90% (10dB atenuare). În practică se preferă operarea pe o frecvenţă mai joasă cu cca. 20% decât MUF, pentru care pierderile de reflexie/refracţie sunt sub 2dB.
Funcţie de unghiul de incidenţă, se produce o multiplicare a MUF cu coeficienţii listaţi mai jos.
Rezultă că la un unghi de 10 grade, frecvenţa maximă utilizabilă –MUF, este de 5.76 ori mai mare decât frecvenţa critică F0. Aceasta însemnă că la o frecvenţă oarecare (> F0) , este foarte probabil ca o bună parte din energia radiata de antenă să nici nu mai fie reflectată înapoi pe Pământ, pierzându-se în spaţiul cosmic. Doar energia radiată sub un unghi mai mic decât α este reflectată/refractată înapoi spre Pământ. Aceasta se întâlneşte frecvent seara pe benzile superioare, cand MUF scade rapid, staţiile relativ apropiate (care necesită unghiuri mai mari) dispar, în timp ce staţii aflate la mare distanţă şi care necesită unghiuri foarte joase mai sunt încă audibile. Altfel spus, la acea oră şi pentru frecvenţa dată, ionosfera nu mai produce reflexii decât la unghiuri reduse. Se poate defini deci şi un unghi maxim utilizabil α0 pentru o frecvenţă dată : α0= arcsin [F0 / Fb]
unde F0 este frecvenţa critică, iar Fb este frecvenţa bezii care ne interesează. Exemplu : să presupunem F0=6MHz, iar Fb=14MHz rezultă α0=25.40 Toata puterea radiată peste acest unghi este putere pierduta… în spaţiul cosmic… Frecvenţa critică F0 poate fi aflată în timp real din diverse surse disponibile pe internet. Iată o asemenea sursă care prezintă o hartă globală cu frecvenţele critice pentru stratul F2, reactualizată la fiecare 5 minute: http://www.spacew.com/www/fof2.html Folosind liniile de contur, se poate determina care este frecvenţa critică pentru o anume locaţie de pe glob. Pentru un circuit radio ce se întinde pe multe fusuri orare, este necesar să avem totdeauna în vedere frecvenţa critică cea mai joasă întalnită de-a lungul circuitului.
Unghiul maxim utilizabil α0 are în mod evident şi implicaţii asupra mărimii zonei de tăcere. Cu cât acest unghi este mai mic, cu atât zona de tăcere este mai mare. Este un fapt obişnuit ca atunci când propagarea este pe cale să se “închidă”, zona de tăcere să acopere practic întregul continent. Figura de mai jos ilustrează cele spuse anterior.
Propagarea este foarte complexă pentru că implică atât reflexii pe ionosferă, aflată în permanentă schimbare, cât şi pe Pământ. Pentru unele circuite radio către staţii rare, circuitul în sine poate fi extrem de dificil dacă refelexiile necesare se produc pe suprafeţe cu pierdere, sau trece prin zone polare cu absorbţie ridicată. In unele situaţii este efectiv nevoie de şansă ca propagarea către o anumită direcţie să se deschidă. Aceasta necesită o înălţime optimă a ionosferei pentru acea destinaţie, pierderi reduse în ionosfera şi activitate geomagnetica redusă. Uneori e necesar să aşteptăm ani pentru a avea o a doua şansă. Dar asta este exact ceea ce face ca DX-ul sa fie mai pasionant, şi momentul când acesta în sfârşit ne copie indicativul să fie simţit ca o victorie !
Iată un alt stereotip care trebuie depăşit : nu antena controlează unghiul necesar de radiaţie către o anume destinaţie ci inălţimea ionosferei. Dacă antena are câştigul maxim la acel unghi, cu atât mai bine. Unghiul necesar de radiaţie diferă funcţie de înălţimea ionosferei şi evident de distanţa până la corespondent. În general pentru o destinaţie dată există o soluţie unică ce implică un numar de reflexii minim, ceea ce determină şi unghiul optim de radiaţie. Dacă există soluţii multiple şi dacă semnalul ajunge pe două căi diferite, cu putere aproximativ egală, există posibilitatea să se producă efectul de fading. Aceasta pentru că faza semnalelor reflectate/refractate de ionosferă se schimbă în mod continuu, putându-se produce fie creşterea, fie scăderea intensităţii semnalului recepţionat, funcţie de relaţia de fază între semnalele ajunse pe căi diferite. În calculul unui circuit radio la mare distanţă, ceea ce contează este câştigul antenei la unghiul necesar pentru acel circuit. Evident în aceste condiţii, câştigul maxim al antenei (disponibil la un alt unghi) este nerelevant. Încă un amanunt important: antenele sunt dispozitive reciproce, au acelaşi câştig şi la emisie şi la recepţie. Diagrama de radiaţie la emisie şi caracteristica directivă la recepţie sunt identice. Radiamatorii nu au în general mijloce de a schimba unghiul de radiaţie în plan vertical, cu excepţia deţinătorilor de stack-uri cu două sau mai multe antene plasate la înălţimi din ce în ce mai mari pe un pilon, eventual folosind un turn telescopic. Diagrama de radiaţie pentru o antenă polarizată orizontal se schimbă cu înălţimea faţă de sol. Prin selecţia individuală a acestor antene se poate selecta antena cu unghiul de radiaţie optim pentru circuitul DX dat. Posibil să mă înşel (şi m-aş bucura să mă înşel) însă în YO nu cred că există asemenea antene. Evident lucrurile stau cu totul altfel pentru unele aplicaţiile profesionale unde posibilitatea de a putea modifica unghiului de radiaţie în plan vertical este obligatorie în unde scurte.
Ce ne spune un program de predicţie a propagarii, bazat pe VOACAP? Programele de predicţie a propagarii folosesc modele ionosferice, care calculează în mod automat unghiul optim pentru emisie si recepţie. Modelul ionosferic determină înălţimea ionosferei funcţie de numărul mediu de pete solare sau de intensitatea fluxului solar. Cel mai popular program de predicţie este VOACAP, care foloseşte un model ionosferic empiric, bazat pe observaţii desfăsurate pe parcursul a câtorva decenii. Există modele ionosferice mai noi, care folosesc date în timp real referitoare la activitatea solară şi geomagnetică. Cel mai nou model ionosferic este disponibil la: http://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/models/iri/
Studiu de caz pentru un circuit radio Iași/ Insula Amsterdam Iată o exemplificare practică, cu o expediție DX recentă, ce arată şi unghiurile necesare la emisie şi recepție pentru un circuit radio cu FT5ZM (cca. 10600Km). Pentru aceasta am folosit o simulare a propagării făcută cu programul WinCAP Wizard, care în materie de predicție a propagării este programul meu favorit. Acest program folosește de fapt nucleul VOACAP, însă interfața grafică cu utilizatorul este cu mult mai ușor de folosit. Fiind un circuit la mare distanţă, am folosit pentru predicţie Metoda 30 (Menu/Options/Miscellanious).
Iată şi unghiurile necesare la celălat capăt al circuitului.
Unghiul necesar la emisie pentru un circuit Iaşi- Insula Amsterdam în banda de 10m, variază de la 3 la 15 grade, pe durata de timp pentru care semnalul are o intensitate rezonabilă.
Iată şi statistica furnizată de Clublog, pentru staţiile YO care au lucrat FT5ZM în banda de 10m. Am folosit această bandă pentru exemplificare pentru că numarul de QSO-uri (391) este suficient de mare pentru a avea o statistică orara cu acurateţe rezonabilă.
Interesant este că în statistica Clublog apar unul sau mai multe QSO-uri la ora 02 UTC (4 ora locală). Aş fi curios dacă cineva a reuşit întradevar să lucreze expediţia la asemenea oră în banda de 10m…. probabil este o greşeală. Dincolo însă de această mică curiozitate, se poate remarca corelaţia foarte bună a predicţiei cu propagarea reală. Se mai poate observa că : unghiul optim pentru emisie (TAngle) şi recepţie (RAngle)diferă. Diferenţele nu sunt însă majore. Se mai poate vedea, studiind cele două diagrame, că unghiurile necesare la cele două capete ale circuitului radio sunt diferite ! Dacă unghiul necesar este de 10 grade, câştigul antenei dipol (din exemplul anterior) la acest unghi este de +1.5dBi. Acesta este de fapt câştgul antenei care intră în calculul pierderilor de cale şi nu câştigul maxim la 30 grade care nu are nici o relevanţă aici. Aşa calculeaza de fapt SNR-ul indicat şi programul VOACAP. Parametrii avuţi în vedere la calcularea SNR-ului sunt : puterea emiţătorului, câştigul antenei de emisie şi recepţie la unghiul cerut pentru acel circuit, pierderile totale de reflexie/refracţie de-a lungul întregului circuit radio, precum şi dispersia semnalului cu distanţa. O alta modalitate de a vedea care este unghiul necesar de radiaţie pentru un circuit radio dat, este cu ajutorul programului HFTA creat de Dean Straw-N6BV, care foloseste nişte baze de date determinate statistic.
În prezentul articol am încercat să desfiinţez un stereotip. Existată din păcate, în materie de antene şi propagare, o doză substanţială de folclor radioamatoricesc de proastă calitate, folclor care-şi are originea în unele cazuri în cărţi mai vechi, foarte populare la vremea lor. În documentarea pentru acest articol am redeschis câteva din aceste carţi şi fără a căuta în mod special erori, iată încă câteva exemple: Citat : « Se mai amintește faptul că la antenele cu fascicul dirijat atît mărimea unghiului de radiație în plan orizontal a lobului principal, cît şi unghiul de plecare a acestuia în plan vertical, depind de numărul elementelor pasive şi distanţa acestora faţă de elementul activ. » Există şi o afirmație corectă aici : mărimea unghiului de radiație în plan orizontal este afectată de numărul elemenților antenei directive. Afirmația eronată este că schimbând poziția elementelor pasive pe boom, se poate modifica unghiul de radiaţie în plan vertical. Este adevărat că la o antenă directivă se observă o reducere ușoară a unghiului la care se obține câştigul maxim, cu cât are mai mulți elemenți, însă este vorba de variații foarte reduse (aprox. 2 grade când se trece de la 3 la 5 elemente…). Vezi tab. 1 pag. 126 din cartea Radiotehnică Teoretică şi Practică. Citat : « Este necesară o bună adaptare a antenei pentru a se obține atît un raport de unde staţionare redus cît şi un unghi de radiaţie favorabil » Fără îndoială că o adaptare bună implică un raport de unde staţionare redus, însă adaptarea şi raportul redus de unde staţionare nu au nici un efect asupra diagramei de radiaţie a antenei (exceptând reducerea puterii radiate datorită dezadaptării). Altfel spus, unghiul la care se produce câştigul maxim este acelaşi indiferent de adaptare.
Să nu fiu greşit înțeles. Nu critic cu nimic autorii cărților cu pricina, care au făcut cu siguranţă eforturi substanţiale în anii dinainte de ’90 pentru a se documenta şi a putea edita o carte. E bine că le-am avut şi pe acelea ! Având în vedere propria experienţă, mă gândesc cu groază ce a însemnat pentru ei să redacteze o carte la maşina de scris şi să facă toate desenele pe calc, în tuş. Din fericire eu am avut acum alte mijloace… Cred însă, atunci când se poate, că cel puţin unele dintre stereotipurile care încă mai exista, trebuie sa fie corectate. Problemele legate de propagarea în unde scurte nu sunt dificil de înţeles, însă modul în care subiectul a fost tratat în cărțile noastre mai vechi este complet nesatisfăcător. Am încercat sa corectez cât de cât lipsa de informaţii în acest domeniu, prin cele 50 de pagini pe care le-am alocat acestui domeniu în cartea mea Radiotehnica. În mod paradoxal, cea mai bună tratare a propagării ionosferice, într-o publicaţie pentru radioamatori apărută la noi, am găsit-o în revista Radioamatorul 7/1958. Mulţumiri celor care au scanat şi pus la dispoziţia tuturor această publicaţie (1956-1958), de care auzisem însă nu o văzusem niciodată. Câteva concluzii legate de unghiul optim de radiaţie al unei antene pentru DX : · Unghiul optim pentru un circuit radio DX este determinat de distanţa dintre cele două staţii şi înălţimea ionosferei. · Nu avem nici un control asupra unghiului necesar pentru un anume circuit radio. · Putem însă alege tipul antenei sau putem plasa antena la o înălţime adecvată faţă de sol, pentru a obţine un câştig rezonabil la unghiurile care ne interesează. · Diagrama de radiaţie nu este afectată de SWR, însă pentru a putea radia cu eficienţă maximă antena trebuie să fie corect adaptată. · La o antenă contează doar câştigul la unghiul necesar pentru acel circuit radio, şi nu câştigul maxim obţinut la alte unghiuri. · Antenele sunt prin definiţie dispozitive reciproce. Diagrama de radiaţie la emisie este identica cu caracteristica directivă la recepţie. Altfel spus, câştigul la emisie este egal cu cel la recepţie. Celor interesaţi, le urez propagare excelentă şi DX-uri pe măsură.
Articol aparut la 3-3-2014 9921 Inapoi la inceputul articolului | |||||||||||||||||||||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
|
Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse iar dupa caz se va ridica dreptul de a posta comentarii.
| |||||
Opiniile exprimate în articole pe acest site aparţin autorilor şi nu reflectă neapărat punctul de vedere al redacţiei.
|
Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Regulamentul portalului | Contact |
