Cristian Colonati YO4UQ

În intervenţiile anterioare au fost prezentate părţile teoretice şi programele de proiectare pentru bucla principală, rezonantă, a antenelor magnetice folosite în emisiunile radioamatorilor. Pentru ca puterea furnizată de echipamentul radio, transceiver, să fie utilizată cu succes de către bucla principală a antenei magnetice în calitate de element radiant, aceasta din urmă trebuie să fie alimentată corespunzător.

Alimentarea antenei trebuie să asigure transferul de putere la un randament cât mai mare prin adaptarea corespunzătoare cu linia de transmisie, cablul coaxial de 50 ohmi sau alt sistem, asigurând un raport de unde staţionare (SWR) cât mai mic. La antenele magnetice se poate atinge uşor (cu puţină atenţie) un SWR de 1:1,1 sau chiar mai bun pe o plajă  de frecvenţe relativ extinsă.

Istoria alimentării şi adaptării antenelor magnetice o găsim pentru prima dată în articolul din publicaţia radioamatorilor germani “cq-DL” din numărul 2/1983 al lui DL2FA Hans Wurtz. Prin bunăvoinţa şi efortul lui Nicky DL5MHR, un distins prieten şi activ colaborator al radioamatorilor din Romania, am primit paginile acestui articol pe care le pun la dispoziţie şi pentru a confirma prioritatea acestor soluţii în evoluţia tehnică a funcţionării antenelor magnetice.

Voi încerca să structurez expunerea în două secţiuni:

1.       Sisteme clasice pentru alimentarea şi adaptarea antenelor magnetice.

2.       Propuneri de soluţii şi experimentări pentru alte variante de alimentare.

Deoarece numai o mică parte din aceste variante au fost experimentate de autorul acestor rânduri există încă un câmp larg de testări şi măsurători pentru cei interesaţi de aceste soluţii. Fiindcă nişte imagini fac mai mult decât 1000 de cuvinte, expunerea va fi însoţită de mai multe schiţe şi fotografii.

1.       Sistemele clasice de alimentare şi adaptare.

Vom începe chiar cu propunerile lui Hans DL2FA expuse sintetic în figura alăturată pe care le vom şi detalia în continuare.

Captura de ecran a fost luata din http://www.scribd.com/doc/142849435/TT-1999 , Radcom February 1999 realizata de G3VA Pat Hawker în Technical Topics unde găsiţi şi un interesant comentariu despre adaptarea antenelor magnetice şi unele verificări făcute cu ajutorul programelor de simulare.

Cuplaje inductive nesimetric şi simetric cu balun 1:1 pentru coaxial de 50 ohmi (din cq-DL)

                Trei exemple concrete de cuplaje inductive nesimetrice cu bară, tresă de coaxial şi ţeavă de cupru.

                Cuplaje capacitive simetrice cu balun 1:1 şi nesimetrice folosite în unele aplicaţii militare.

Sunt mai dificil de realizat în condiţii de amator din cauza construcţiei speciale a condensatoarelor variabile şi a nevoilor de telecomandă pentru reglaje. Rafinarea propunerilor iniţiale au condus la unele variante similare prezentate anexat. Cu ajutorul condesatoarelor variabile se realizează  atât acordul cât şi încărcarea antenei. (din cq-DL)

                Foarte utilizate şi uşor de aplicat sunt cuplajele galvanice simetric cu balun 1:1 dar în mod special cel nesimetric denumit în mod uzual cuplaj Γ (gamma). Cuplajul nesimetric este unul din cele mai utilizate de către radioamatori din cauza găsirii cu uşurinţă, prin câteva încercări succesive, a punctului de impedanţă optimă de 50 ohmi pentru conectarea cablului coxaial la bucla principală. Sunt date şi dimensiunile orientative pentru realizarea cuplajului gamma. Tresa coaxialului se conectează în punctul de masă (tensiune de RF nulă) al buclei principale, vis-a-vis de condensatorul variabil de acord. Firul cald al coaxialului merge până la distanţa aproximativă de X=L=1/10 din perimetrul buclei principale faţă de punctul de masă. Conexiunea se face de regulă în interiorul buclei principale cu o bară (ţeavă) mai subţire de cât cea din care este construită antena (ex: Φ16 faţă de Φ22). Distanţa recomandată între buclă şi ţeava de conexiune gamma este de Y=d=1/200 din lungimea medie de undă la care va fi utilizată antena. Conexiunea la bucla principlă se face cu o clemă “călăreţ” între ţeava Γ şi bucla principală din acelaşi material ca al celor două elemente. Există şi variante mai simple care vor fi prezentate în fotografie. Varianta mai simplă se realizează cu un conector SO239 (mamă) montat pe o plăcuţă izolantă şi ansamblul amplasat la baza antenei în punctul de tensiune nulă de RF al buclei principale. Masa conectorului SO239 se lipeşte cu un cordon scurt la punctul de nul RF pe o bridă (colier) din acelaşi material cu ţeava antenei iar din punctul cald al SO239 se pleacă cu tresa de cupru unui cablu coaxial de orice natură RG58, RG59, RG213 etc., de lungime recomandată de cca. 1/200 din λ mediu, până la o bridă (colier) care se poate deplasa şi apoi fixa prin strângere pe bucla principală. Cu câteva testări succesive ale punctului de fixare al bridei se găseşte poziţia optimă pentru un SWR minim care poate ajunge chiar sub 1:1,1. La antenele folosite multiband punctul de conexiune optimă pentru adaptarea Γ se fixează pentru o frecvenţă medie. La trecerea de la o bandă la alta raportul de unde staţionare se va modifica dar nu în mod semnificativ astfel încât să fie nevoie de repoziţionarea punctului de conexiune.

                Unul din dezavantajele cuplajului Γ nesimetric, dezavantaj semnalat la toate tipurile de antene alimentate astfel, este apariţia unei componente importante a curentului de mod comun, cel care se întoarce la masă prin curenţii de efect pelicular la exteriorul tresei cablului coaxial şi care produce efecte supărătoare nedorite. O excelentă analiză a efectului curentului de mod comun cu explicaţii şi referinţe la aproape toate capitolele referitoare la antene o găsiţi în cartea lui Florin Creţu YO8CRZ – VA7CRZ menţionată în bibliografie.

Ultimul model de alimentare pentru antenele magnetice, din categoria celor clasic semnalate, este cel realizat cu o buclă ecranată, cuplaj inductiv Faraday. Este un cuplaj foarte des utilizat de către radioamatori fiind simplu de realizat şi care presupune şi unele avantaje. Dimensunile link-ului sunt cele clasice pentru cuplajele inductive, adică d ≈ D/5 şi se poate realiza direct din cablul coaxial de alimentare de 50 ohmi (RG58, RG8, RG213, ...). Montajul se poate face la baza antenei în punctul de nul RF atât în variantă cu mufă de conexiuni SO239 cât şi direct cu link-ul de coaxial plasat în planul buclei principale. Varianta iniţială prezentată de Hans DL2FA în care tresa de coaxial este lipită la bucla principală nu se mai practică. Au apărut variante rafinate de bucle Faraday care sunt prezentate în cele patru figuri imediat anexate. Bucla Faraday (link-ul) este total independentă de bucla principlă şi se poate amplasa practic oriunde în planul buclei principale.

Amplasarea optimă este pe diametrul virtual care leagă CV de punctul de nul RF al buclei principale în apropierea punctului de nul.  Prin reglajul fin al distanţei între bucla principală şi link se realizează practic adaptarea antenei magnetice. O confirmare practică, prin măsurători, pentru aceast aspect al adaptării fine se poate consulta în articolul http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=894 iar de asemeni o puternică demonstraţie teoretică este prezentată de către KP4MD – Carol, cu ajutorul programului de simulare 4NEC2 în articolul http://www.qsl.net/kp4md/magloop.htm unde se confirmă:

“It was noted that the coupling loop diameter, wire radius and loop separation distance all influenced the calculated input impedance. For any specified coupling loop wire radius, only one specific combination of coupling loop diameter and separation from the main loop yielded the non-reactive 50 ohm impedance match.”

                Cuplajele inductive directe, cuplajul Γ nesimetric şi cuplajele inductive Faraday au fost toate testate practic şi precizez că au funcţionat corect. Cu privire la buclele Farady cu secţionare se pot face câteva comentarii tehnice interesante. Toată lumea ştie că antenele sunt simetrice din punct de vedere emisie şi recepţie. Buclele link cu secţionare urmăresc ameliorarea recepţiei. În lucrarea colegului nostru Florin YO8CRZ – “RADIOTEHNICĂ Teoretică şi Practică” în capitolul 4.3 pag.74 se descrie pe larg funcţionarea antenei loop ecranată din punct de vedere recepţie. Această antenă permite atenuarea considerabilă a unor semnale perturbatoare generate în apropiere. Similar cu antena magnetică ecranată (aşa cum este link-ul) are o caracteristică de radiaţie care prezintă un nul de radiaţie foarte pronunţat pe axa care trece prin centrul buclei.

               Aşa cum spune şi Florin YO8CRZ o construcţie de antenă de recepţie ecranată trebuie să îndeplinească condiţii de simetrie electrică deosebite. Nu pot spune însă că am constatat o îmbunătăţire substanţială a recepţiei la variantele buclelor link Faraday secţionate, realizate de mine, probabil din imperfecţiunile de simetrie constructive. A mai fost testată şi o buclă de adaptare rigidă semnalată de radioamatorii italieni care este prezentată în cele ce urmează. Această buclă din ţeavă subţire de cupru este recomandată pentru antenele din benzile joase 3,5, 7 şi eventual 10MHz care au diametre mari şi elimină eventualele deformări ale buclelor realizate din cablu coaxial.

Detalii pentru bucla de adaptare Faraday rigidă.

                Bucla este realizată din ţeavă de cupru de diametru mai mic decât bucla principală. De exemplu pentru o buclă principală din ţeavă de cupru de 22mm bucla link este de de 10mm, 15mm sau maxim 19mm astfel încât în interiorul buclei din ţeavă să intre cablul coaxial până la GAP unde se fac lipiturile.

X = Mufa de conexiune SO239

Z2 = Conexiunea la masă a cablului coaxial de 50 ohmi. Poate fi făcută şi la şuruburile mufei coaxiale.

L = Bucla principală (Cu 22mm)

B = Gaură prin care intră segmentul de cablu coaxial de 50 ohmi în interiorul buclei de adaptare.

C = Cablu coaxial de 50 ohmi (practic oricare RG58, RG213, RG8... etc. care să încapă în diametrul interior al ţevii).

S = Bucla mică din ţeavă de cupru adaptată coaxialului care intră în ea de 10, 15 sau 19mm diametru.

G şi P = Prindere şi adaptare mecanică pe suport izolat ca bucla să se poată mişca în sus şi în jos în planul buclei principale. Detaliile mecanice sunt la imaginaţia şi posibilităţile constructorului. Eu am folsit suport cilindric din lemn (codă de mătură) şi semi inele de plastic folosite la fixarea pe traseu a ţevilor de încălzire din Cu sau Pexal. Semi inelele de plastic asigură deplasarea uşoară buclei pe “coada de mătură”.

A = Punctul în care se lipeşte inima coaxialului la secţiunea din stânga buclei link.

Z1 = Punctul în care se lipeşte tresa coaxialului la partea din dreapta buclei link.

T = Partea punctată este un manşon de izolare contra apei şi murdăriilor la spaţiul superior al buclei link (GAP) şi se poate realiza cu tub termocontractabil.

d = Diametrul buclei de adaptare din ţeavă de Cu 15mm sau 19mm trebuie să fie de 1/5 sau 1/4,5 din D, din diametrul buclei principale.

GAP = Intervalul superior, tăietura din ţeavă, nu este critic, poate fi de 1,5 – 2cm.

                Această buclă a fost realizată şi de YO9FNJ – Miti pentru antena lui cu diamertul de 2m pentru banda de 7 MHz şi are d = 40cm sau perimetrul p = 1,2m.

2.       În partea a doua a acestei expuneri vom încerca să prezentăm variante mai puţin clasice de alimentare a antenelor magnetice. Menţionez că nu am experimentat aceste metode din motive de lipsa unor materiale adecvate şi a spaţiului şi timpului disponibil. Cine are disponibilitatea pentru testări şi măsurători este rugat să comunice eventualele rezultate. Sunt de remarcat următoarele situaţii semnificative:

-          Alimentare Γ simetrică cu cablu panglică sau scăriţă, la care punctele de atac pe bucla principală vor fi diferite faţă de varianta cu cablu coaxial şi balun.

-          Alimentare şi adaptare în „ac de păr” similar cu o adptare β.

-          Alimentare şi adaptare gamma Γ spirală.

-          Alimentare şi adaptare cu ajutorul transformatoarelor cu ferită.

Alimentarea simetrică pentru o antenă octogonală cu cablu panglică sau scăriţă

Alimentarea unei antene magnetice cu un model de adaptare beta “ac de păr”

Alimentarea şi adaptarea unei antene magnetice cu o spirală gamma Γ.

Menţionez că nu există informaţii privind lungimea conductorului şi a numărului de spire.

Cuplajul cu ajutorul transformatorului cu ferită.

Acesta constă dintr-un transformator toroidal care cuprinde un miez de ferită, o înfășurare primară (desingur bucla principală), precum și un număr de înfășurări de sârma izolată pe circuitul secundar. Coaxial se conectează la acesta din urmă. Ca și în cazul celorlalte metode de cuplare, ferita este instalată pe bucla principală la punctul opus condensatorului de acord. Această metodă de cuplare are doar două variabile simple: tipul de material ferită, precum și numărul de înfășurări secundare.

Evident, cu miez de ferită care trebuie să fie suficient de mare pentru a se potrivi peste tubul din care este făcută bucla principală (și articulațiilor cotului în cazul antenelor octogonale, dacă este cazul), precum și pentru  a putea găzdui numărul necesar de înfășurări secundare. Atenţie la calitatea miezului pentru frecvenţa la care se foloseşte.

Deoarece este un  transformator 1:N, N trebuie să fie ales astfel încât 50 / N² = Z impedanta buclei de la punctul în care transformatorul a fost instalat pe buclă (presupunand 100% a eficienței = pierderi de 0%). În schimb, odată N a fost găsit, acesta oferă raportul de impedanță corect pentru coaxial iar atunci știm şi impedanța buclei.

Ca o variantă multiband pentru adaptarea cu ajutorul torului de ferită se propune un transformator cu raport de transformare variabil prin selectarea numărului de spire în secundarul torului de ferită pentru situaţia în care antena este folosită în sistem multiband şi pentru determinarea celui mai bun raport de unde staţionare. Transformatorul poate realiza cuplajul între impedanţa foarte redusă a buclei principale şi cablul coaxial de 50 ohmi. G4FON care descrie acest sistem propune un tor FT140-43 cu cele trei poziţii ale comutatorului pentru 5, 7 şi 9 spire funcţie de frecvenţă şi SWR minim. Se pot face încercări cu diferite calităţi ale torurilor de ferită

Referinţă la http://www.g4fon.net/MagLoopTwo.htm  precum şi în site-ul lui Carol (YL) KP4MD.

                Există propuneri pentru un transformator cu raport 1:1 realizat cu o singură spiră de cablu coaxial bobinată ca secundar al transformatorului toroidal. Acestă schemă pune impedanţa liniei de alimentare de 50 ohmi în serie cu impedanţa foarte mică a buclei în punctul de alimentare. Este posibil ca acest lucru să conducă la creşterea rezistenţei de pierderi şi eventuale asimetrii. Rămâne de experimentat cu o ferită de dimensiuni şi calitate corespunzătoare.

3.       Câteva sumare concluzii:

-          Pentru uşurinţa de realizare şi posibilitatea de a testa bucle link cu diferite diametre pentru antenele în benzile superioare cu diametrul de maxim 1,5m am folosit cu prioritate bucla Farady varianta 4 (cea din stânga pozei despre buclele Faraday) montată înpreună cu un conector SO239 şi posibilitatea de a regla poziţia faţă de punctul de nul RF al buclei principale.

-          Lungimea cablului coaxial de alimentare 50 ohmi (RG58/U), odată ce s-a făcut acordul şi adaptarea, nu mai are nici o influenţă. Am testat cu diferite lungimi între 5m până la 30m.

-          Varianta cu buclă link Faraday rigidă din ţeavă subţire a fost testată de YO9FNJ şi merge foarte bine la antena de cupru 22mm cu D=2m. De asemeni am văzut o fotografie cu un cuplaj inductiv direct nesimetric la YO9BRT - Aron care de asemeni a dat satisfacţii.

-          Sunt de preferat cuplajele inductive tip Faraday în dauna celor de model gamma Γ pentru asigurarea unui cuplaj inductiv şi eliminarea curenţilor de mod comun. Această soluţie diminuează drastic eventualele interferenţe TVI, cu alte aparate casnice sau aparatura vecinilor prin eliminarea radiaţiei cablului coaxial. În cazul cuplajelor gamma Γ, dacă se doreşte, se poate suplimenta cu un blun de curent de tip W2DU realizat cu ferite splitate sau perle de ferită. YO8CRZ recomandă în lucrarea lui la pag. 329 torurile de ferită de dimensiuni mici de tipul 73. Balunul se aşează pe cablu imediat la ieşirea cuplajului gamma după conectorul PL259.

-          Cuplajele de tip inductiv sau gamma se pot face la orice configuraţie geometirică de antenă: patrat, hexagon, octogon sau cerc fiindcă dimensiunile lor aproximative depind în principla de perimetrul antenei. Rămâne de a găsi prin tatonări succesive punctul optim de adaptare.

-          La cuplajele gamma pentru multiband punctul optim de adaptare pentru frecvenţele mai mari se află mai aproape de punctul de nul de RF şi se depărtează de acesta pentru frecvenţele mai joase.

Bibliografie:

-          DL2FA – Hans Wurtz “DX-Antennen mit spiegelnden Flachen” cq-DL nr.2 / 1983 pag.64

-          YO8CRZ – Florin Creţu „RADIOTEHNICĂ Teoretică şi Practică” Ed. QIM Iaşi 2013

-          N4SPP – Frank http://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop.htm

-          KP4MD – Carol Milazzo - http://www.qsl.net/kp4md/

-          I1ARZ – Roberto Craighero – Le antenne a Loop di piccola dimensione - Radio Rivista 1,2,3,4,5 / 1988

Cristian Colonati YO4UQ

Articol aparut la 22-4-2014

9565