Cristian Colonati YO4UQ

                Abstract.

                În ciclul de articole dedicate antenelor magnetice pentru benzile de US ale radioamatorilor se încearcă o descriere pentru principalele caracteristici funcţionale şi performanţe ale antenelor magnetice: „pattern”-ul şi lobii de radiaţie, directivitatea, polarizarea, amplasarea şi ambientul, unele comparaţii cu antenele electrice dipol şi verticale, recepţia şi raportul S/N, efectul solului asupra performanţelor. În condiţiile citadine de astăzi şi ale restricţiilor de instalare antena magnetică poate fi o soluţie excelentă pentru continuarea activităţiilor de hobby şi experimentări.

                “Pattern”-ul antenei magnetice.

Pentru o antenă magnetică aşezată în plan vertical directivitatea se manifestă în planul buclei de-a lungul axei X şi este complet simetrică în raport cu axa Y (vezi figura). Lobii de radiaţie sunt egali în cele două părţi, pozitivă sau negtivă ale axei X şi din acest motiv antena nu are poziţiile de faţă sau spate. Atenuarea maximă se manifestă în lungul axei Y pe direcţia perpendiculară pe planul buclei. În figură se observă bucla principală a antenei precum şi mai mic link-ul inductiv de alimentare aşezat tot în planul buclei. O rotaţie de numai 180 de grade în jurul axei  Z asigură acoperirea întregului orizont de 360 grade. Eventualele semnale perturbatoare pot fi atenuate atunci când planul antenei va fi perpendicular pe direcţia semnalului perturbator.

                O „secţiune” prin lobii de radiaţie în plan orizontal ne arată o figură în forma cifrei 8 în care planul buclei este perpendicular pe sol. De asemeni o „secţiune” în planul buclei arată uniformitatea câmpului în raport cu spira activă.

La o amplasare orizontală a „buclei” la o înălţime h=(1÷2)xD faţa de sol radiaţia este omnidirecţională. 

După cum vom vedea în continuare din expunere, această amplasare are influenţă asupra polarizării şi din acestă cauză creşte influenţa solului şi a calităţii acestuia asupra eficienţei de radiaţie.

                Vom încerca să prezentăm parametrii funcţionali calitativi ai antenelor magnetice şi să facem câteva comparaţii cu antenele filare dipol şi verticale simple. Antena magnetică este analizată din ce în ce mai amănuţit cu programele de simulare 4NEC2 iar comunitatea de radioamatori aduce permanent date noi privind funcţionarea şi soluţiile tehnice de realizare practică. Menţionăm încă de la început două site-uri interesante care se ocupă de aceste două aspecte.

Primul aprţine lui KP4MD dr. Carol Milazzo (YL) http://www.qsl.net/kp4md/ care aduce modelarea cu programul 4NEC2 pentru o antenă magnetică universală http://www.qsl.net/kp4md/magloop.htm . Fişierele de simulare se pot descărca din:

1.  Vertical Magnetic Loop Antenna NEC file using GH command
2. Horizontal Magnetic Loop Antenna NEC file using GH command 

care importate se pot deschide cu programul de simulare 4NEC2 pentru determinarea parametrilor de funcţionare. Carol ne mai descrie cu detalii şi o antenă magnetică portabilă pentru benzile de 14 – 28 MHz. Secţiuni prin lobii de radiaţie, „pattern”-ul acestei antene cu montaj vertical, sunt prezentate alăturat.

                Un site interesant pentru o varietate de realizări practice ale unor antene magnetice fixe sau portabile este prezentat de către http://www.alexloop.com/ PY1AHD Alex. Internetul este puternic documentat cu aspectele teoretice şi nenumărate realizări practice ale „Magnetic LOOP”, de la cele industriale la multiple variante constructive ale radioamatorilor.

Polarizarea radiaţiei antenei magnetice.

                Un alt parametru interesant care are influenţă asupra eficienţei şi caracteristicilor de funcţionare este polarizarea. Radiaţia în zona de câmp radiant depărtat este zona în care lobii de radiaţie sunt complet formaţi iar polarizarea este bine definită. Componentele E şi H ale câmpului sunt în fază iar raportul lor rămâne constant, impedanţa undei este de 377 ohmi în vid sau aer. Prin definiţie polarizarea este dată de componenta electrică a câmpului E. Într-un sistem de reprezentare cartezian (x, y, z) dacă vectorul E este perpendicular pe planul (x,y) în direcţia verticală z atunci polarizarea este verticală. Dacă vectorul E este în planul (x,y) polarizarea este orizonatală.

În figurile alăturate sunt prezentate poziţiile câmpurilor electric E şi magnetic H (B) în polarizarea verticală şi în cea orizontală. Imediat alăturat sunt prezentate şi poziţiile buclei magnetice, verticală şi orizontală, în consonanţă cu câmpurile magnetic şi electric generate de de ea.

Polarizare verticală                                                                          Polarizare orizontală

Antenă magnetică verticală, polarizare verticală                 Antenă magnetică orizontală, polarizare orizontală

Amplasarea antenei magnetice.

Pentru antena magnetică care este o buclă circulară sau poligonală convexă închisă, dacă este aşezată în poziţie verticală polarizarea determinată de vectorul E este verticală. O aşezare a planului buclei paralel cu solul conduce la o polarizare orizontală.

Polarizarea verticală, adică poziţia în plan vertical pentru antena magnetică, este avantajoasă din cauza pierderilor minime în sol chiar dacă instalarea se face relativ aproape de nivelul acestuia. Din practica realizatorilor de „MagLOOP” o înălţare de 1 ÷ 2 ori diametrul antenei peste nivelul solului este practic satisfacătoare. Pentru a diminua pierderile în sol condensatorul de acord este bine să fie amplasat în partea superioră a antenei. La acest mod de amplasare se câştigă factorul de directivitate precum şi nulurile laterale pentru diminuarea eventualelor interferenţe. Dacă se poate, este recomandat un sistem de rotire simplu de numai 180 grade pentru a putea acoperi toate punctele cardinale. Antena magnetică este foarte uşoară şi nu impune sisteme de rotire complicate şi puternice ca cele pentru antenele Yagi directive.

La o amplasare orizontală antena magnetică devine omnidirecţională. În acest caz pierderile în sol devin semificative şi este recomandabil un montaj la o înălţime de cel puţin λ/2 din lungimea de undă cea mai mare pentru care funcţionează antena.

                După acestă scurtă introducere, care  a avut scopul de a prezenta o succintă privire asupra caracteristicilor principale de radiaţie pentru antenele magnetice, să încercăm să detaliem unele aspecte de funcţionare.

                Cracteristici de radiaţie, câştig şi comparaţii.

                O antenă magnetică de tip buclă, spiră circulară sau poligonală convexă, are două moduri de radiaţie: un mod magnetic şi un mod electric ca al unui dipol electric pliat, puternic scurtat. O antenă magnetică are lobii de radiaţie de forma unei gogoaşe care presupune un câştig tipic de 1,5dBi la un sol mediu. Unele documentaţii menţionează posibilitatea de creştere a câştigului de până la 5dBi când sunt instalate câteva radiale (4 ÷ 16) la care lungimea fiecăruia să fie de numai de 2 ori diametrul antenei. Din păcate în condiţiile citadine nu este posibil aşa ceva şi nici nu sunt disponibile verificări şi confirmări serioase în acest sens.

Aproape toate documentaţiile consemneză faptul că antenele magnetice nu au nevoie de radiale.

                Bucla magnetică are un avantaj semnificativ faţă de alte antene datorită modului specific al lobilor de radiaţie. Dacă este aşezată în plan vertical secţiunea orizontală în lobul de radiaţie are forma cifrei 8 iar lobul are un maxim la toate unghiurile, orizontal şi vertical, de la ambele orizonturi şi până la zenit. Fiindcă “bucla” radiază atât la unghiurile joase cât şi la cele înalte o singură buclă poate înlocui atât un dipol orizontal cât şi unul vertical.

                Pentru benzile inferioare antena asigură o acoperire atât locală cât şi regională, suplinind cu succes verticalele în λ/4 pentru contactele DX. Energia radiată de antenele magnetice este polarizată vertical către orizont şi polarizată orizontal către zenit. Se poate spune că antena are proprietăţi specifice ale radiaţiei atât la emisie cât şi la recepţie atât pentru distanţe lungi cât şi pentru distanţe medii şi scurte. Se obţine un unghi mic de radiaţie / recepţie pentru polarizarea verticală şi răspunde la o incidenţă oblică de propagare pentru polarizarea orizontală. Vom folosi în continuare pentru antena magnetică denumirea generică de „buclă”.

                În contrast cu aceasta un monopol vertical este utilizat numai pentru unghiuri mici de propagare polarizate vertical deoarece are un răspuns slab la radiaţiile care depăşesc 45 grade. „Bucla” poate fi folosită pentru comunicaţiile la mare distanţă prin radiaţia la unghiuri mici şi propagarea ionosferică în unul sau mai multe „skip”-uri şi pentru distanţe scurte prin unda directă şi de suprafaţă.

                În contrast cu „bucla” un dipol orizontal λ/2 sau un „beam” care cuprinde elemente dipol, situate la o înălţime egală cu o fracţiune mică din lungimea de undă au o directivitate aproape direct în sus (bună pentru NVIS) iar radiaţia la unghiuri mici, la nivelul orizontului se apropie de zero. Printre cele mai populare antene de acest gen, aproape omniprezente şi de multe ori instalate clandestin din cauza conflictelor cu vecinii, cum ar fi G5RV, dipole, inerted V, etc. sunt de fapt utilizate pentru distanţe scurte şi medii în porţiunea spectrului de HF unde este posibilă propagarea pe incidenţa oblică.

                Vom încerca să comparăm o “buclă” cu o antenă Yagi pentru 20m care trebuie ridicată la 20m faţă de sol, la cel puţin o lungime de undă, pentru a funcţiona corect şi a atinge un unghi convenabil de atac către orizont pentru realizarea unei deschideri convenabile pentru pentru legaturi DX la mare distanţă. Din păcate un turn aşa de înalt este greu sau chiar imposibil de realizat în zonele urbane din multe motive şi de altfel este şi foarte costisitor. Dacă antena Yagi este instalată la mai puţin de 10m faţă de sol ea îşi iese aproape complet din performanţe.

                Prin comparaţie o “buclă” instalată vertical are nevoie de o distanţă de 1 ÷ 2 diametre faţă de sol. De exemplu o antenă „buclă“ de 1m diametru poate fi uşor ridicată la 1,5m faţă de planşeul blocului sau terasei prin montarea pe un suport scurt deasupra acoperişului. Pentru a asigura rezultate excelente este necesar a fi îndepărtată de obiectele metalice din imediata apropiere: stâlpi metalici, ancore, etc. precum şi o orientare liberă de obstacole pe direcţia de radiaţie.

                Este un lucru bine ştiut că o antenă bună pentru lucrul la DX trebuie să emită majoritatea puterii la un unghi mic de radiaţie. Acest lucru poate fi realizat de o „buclă” verticală corect instalată sau de un “beam” pe un turn de înălţime corespunzătoare. Dsigur o antenă “beam” corect instalată are avantajul unui câştig mai mare ca o “buclă” dar aceasta din urmă ne poate ajuta la recepţia unor semnale slabe din cauza unui raport foarte bun semnal / zgomot (S/N) asigurat de caracterul magnetic şi o lărgime de bandă (BW) foarte îngustă.

                O excelentă prezentare pentru aspectele lobilor de radiaţie generaţi de antenele dipol şi Yagi instalate la diverse înălţimi faţă de sol (0,5; 0,75 ; 1 ; 1,5 şi 2λ) este făcută de către Florin YO8CRZ în cartea sa [1] la paginile 28 ÷ 30 pentru dipoli şi 125 ÷ 127 pentru Yagi. Pentru cei care nu şi-au procurat încă cartea, încerc să prezint alăturat prin scanarea din carte figurile care sintetizează aceste aspecte.

                Acum se poate face o comparatie între “pattern”-ul antenei magnetice şi lobii de radiaţie ai antenelor dipol şi Yagi şi se pot constata unele avantaje ale unei “bucle” corect instalate, fără lobi de radiaţie secundari şi

cu un unghi mic, convenabil pentru radiaţia şi legăturile la mare distanţă.

Proprietăţile antenei magnetice la recepţie.

În ambianţa tipică de zgomot electric şi paraziţi din zona urbană o „buclă” poate recepţiona mai bine decât un “beam” în benzile de US. O buclă magnetică, dacă este şi bine echilibrată, răspunde majoritar la componenta magnetică a câmpului incident chiar dacă este în acelaşi timp în apropierea unor importante componente electrice ale câmpului. Aceasta este una din proprietăţile de bază pentru care “bucla” are o recepţie liniştită importantă.

În aceste condiţii se pot recepţiona semnalele slabe dintr-un ambient zgomotos, staţii slabe care nu pot fi auzite niciodată cu o antenă dipol sau verticală decât dacă ar fi montate în afara oraşului. Datorită proprietăţii de selectivitate magnetică a „buclei” componenta E a radiaţiei câmpului electromagnetic, care este de 120π sau cu 26dB mai mare decât amplitudinea H a vectorului magnetic, este puternic rejectată. Diferenţa dintre cei doi vectori este datorată valorii de 377 ohmi a impedanţei spaţiului liber.

În altă ordine de idei se ştie că majoritatea perturbaţiilor sunt generate de componentele electrice E ale radiaţiilor electromagnetice. Antenele dipol sau verticale sunt sensibile la ambele componente E şi H ale undelor câmpului EM, pe când „bucla” este sensibilă practic numai la componenta H a câmpului şi este practic “oarbă” la vectorul E. Se oferă astfel un înalt grad de rejecţie la “spik”-urile electrice produse în gospodărie, mediul citadin şi la perturbaţiile atmosferice.

Prin urmare când utilizăm termenul de “buclă magnetică” pentru antenă aceasta înseamnă că se face o deosebire netă între componentele E şi H ale undelor EM incidente. Teoria antenelor tratează “bucla”  ca perechea magnetică a “dipolului electric” şi se numeşte în consecinţă “dipol magnetic”.

În cazul unui sol cu o bună conductivitate şi a unei polarizări verticale semnalul din câmpul radiant îndepărtat se combină cu semnalul pe care îl amplifică în unghiul de elevaţie scăzut. O “buclă” orientată vertical poate întării până la de două ori tăria semnalului în condiţiile în care se operează în apropierea unei suprafeţe de sol înalt reflectiv sau a apei sărate. Acesta este motivul pentru care “bucla” este foarte specială şi nu are dezavantajele antenelor cu lobii segmentaţi de “nuluri” în structura  de radiaţie.

                Efectul solului asupra performanţelor antenei magnetice.

                Când un dipol orizontal este plasat în apropierea solului, imaginea sa electrică din sol este în opoziţie de fază (antifază). În consecinţă, dacă înălţimea faţă de sol a unui dipol orizontal se reduce la mai puţin de 1/4λ, pierderile destul de mari în sol determină o rapidă scădere a rezistenţei de radiaţie simultan cu o rapidă creştere a rezistenţei de pierderi rezultată din disipaţia puterii într-un sol imperfect cu pierderi sporite. Acest lucru conduce la deteriorarea performanţelor pentru un dipol plasat la distanţă insuficientă faţă de sol, situaţie întâlnită destul de des la antenele radioamatorilor.

                În contrast, radiaţiile de RF determinate de curenţii din antena magnetică asociate cu imaginea acestora din sol pentru o „buclă” instalată vertical, situată deasupra solului, sunt în fază şi practic se adună. Efectul solului asupra unei „bucle” este relativ mic şi acest lucru are drept cauză componenta dominantă magnetică H a radiaţiilor EM care este maximă în imediata apropiere a “buclei”, între sol şi marginea spirei.

                Performanţele sunt în mod obişnuit cele mai bune când “bucla” este amplasată în apropierea solului la o distanţă faţă de marginea spirei la care “bucla” închide practic tot câmpul de inducţie. Această distanţă faţă de sol este de unul până la două diametre ale spirei. Poate să fie şi mai sus dar practic din pdv al câmpului H nu este nevoie. Totuşi dacă amplasarea se face în apropierea unor obiecte metalice sau construcţii: linii electrice, casa liftului, închiderea metalică a balcoanelor, ancore, etc. este preferabil să optăm pentru o înălţime sau o distanţă mai mare pentru a asigura un spaţiu de vedere liber pe direcţia semnalului, adică în planul “buclei”.

                În comparaţie cu antenele verticale o „buclă” situată sus pe un acoperiş (terasa blocului) poate fi în mod clar superioară din punct de vedere al diagramei de radiaţie atât în plan vertical cât şi în plan orizontal.

Diagrama de radiaţie pentru antenele verticale montate pe bloc, în apropierea planşeului, este impredictibilă din cauza multilpelor căi de curent care se creează între antenă şi căile conductive ala terasei care conduc la formarea unor lobi şi nuluri multiple. O antenă magnetică este imună la aceste probleme deoarece în planşeul de sub antenă nu se formează imaginea acesteia şi nici curenţii de retur ca în cazul antenelor verticale. Deci căile multiple de curent din sol sau planşeu sunt eliminate de către „buclă”.

                Obiectele de metal având o dimensiune mai mare decât 1/3λ şi o distanţă mai mică de 2λ faţă de „buclă” pot produce unde staţionare şi nuluri în anumite direcţii şi la anumite frecvenţe. Dacă antena este montată pe suprafaţa unui acoperiş metalic, fenomenle de difracţie de la marginea acestuia pot creea interferenţe şi nuluri ale digramei de radiaţie în unele direcţii şi la unele frecvenţe. Pentru a evita acest lucru, amplasrea cea mai convenabilă a antenei se face cât mai aproape de margine în direcţia preferată pentru emisie / recepţie. În timp ce o “buclă” plasată vertical este mult mai eficientă pe un sol “sărac” faţă de un sol conductiv, o antenă verticală are nevoie de un pământ artificial bun conductor creeat din cotragreutăţi. La antenele verticale eficienţa antenei este dependentă de planul de masă şi implicit de radiale, uneori foarte multe de ordinul sutelor.

                Din nou despre directivitate, radiaţie şi raportul semnal / zgomot.

                O antenă magnetică montată vertical are o diagramă de radiaţie bidirecţională cu recepţie maximă în planul buclei. Pentru polarizarea verticală undele au un unghi de elevaţie foarte scăzut, de regulă sub 10 grade, favorabile pentru o propagare ionosferică. Pentru unghiuri de elevaţie în jurul a 30 ÷ 40 de grade semnalele au o polarizare oblică şi nu mai răspund corespunzător la o propagre ionosferică. Între 45 şi 90 de grade „bucla” răspunde la o polarizare orizontală faţă de planul antenei şi acest lucru favorizează legăturile la distanţe scurte în jurul a 500km.

                Pentru legături la distanţe mai mici de 500km recepţia cea mai bună se realizează cu “bucla” aşezată orizontal, când planul buclei este practic perpendicular pe frontul undelor azimutale.

                Pentru distanţele care depăşesc 1000km cea mai bună orientare a palnului buclei este în direcţia semnalului. Nulurile laterale prezentate în digramele de radiaţie sunt eficiente pentru a reduce fading-ul determinat de undele de sol în semnalele care vin pe calea ionosferică când cele două propagări sunt simultane. Nulurile laterale nu mai sunt eficiente pentru distanţe medii şi scurte.

                O antenă magnetică verticală situată la înălţimea de 0,15λ deasupra solului prezintă o excelentă acoperire către  orizont începând cu aproape 0 grade elevaţie şi acoperind astfel aproape orice distanţă. La unghiuri de elvaţie mai mari de 20 ÷ 30 de grade antena devine aproape omnidirecţională când recepţionează undele troposferice. Pentru „bucla” amplasată deasupra unui sol mediu, în comparaţie cu un sol de conductivitate perfectă (apă sărată), răspunsul la unghiuri foarte mici, mai mici decât 5 grade este în mod obişnuit diminuat cu până la 10db decât cel ralizat desupra unui sol perfect.

                Este de notat că solul de sub antenă din imediata apropiere afectează răspunsul la unghiuri verticale mari, în timp ce solul la mare distanţă de antenă are tendinţa să caracterizeze performanţele la unghiurile verticale mici.

                Este semnificativ faptul că o “buclă” realizează un raport semnal / zgomot (S/N) cu până la 10 ÷ 20dB mai mare decât al unui dipol situat în mediul urban şi o substanţială îmbunătăţire a raportului S/N când se compară cu antenele verticale în mediul poluat cu câmpuri electrice polarizate vertical. Inteligibilitatea semnalelor este dată de raportul S/N şi nu de tăria proprie a semnalului. Semnalele slabe pot fi auzite cu mai puţin zgomot cu ajutorul sistemelor AGC. Cel mai important criteriu pentru o bună recepţie este rapotul S/N şi nu câştigul sau eficienţa antenei. În benzile HF la frecveţele medii şi joase, în afara zgomotului electric provocat de oameni, funcţie de ciclul solar devine dominant zgomotul galactic şi atmosferic.

                În modul recepţie antena magnetică mai are un avantaj practic. Antena magnetică are un factor de calitate Q foarte mare ceea ce îi conferă o lărgime de bandă de frecvenţe BW foarte îngustă. Din acest motiv antena lucrează ca un filtru de bandă, ca un etaj „front-end” în faţa receptorului. Un astfel de preselector cuprins în însuşi antena asigură creşterea performanţelor la recepţie în benzile de HF aglomerate, în faţa staţiilor de radiodfuziune şi a paraziţilor atmosferici şi industriali. Perturbaţiile sau interferenţele generate de canale de emisie apropiate sunt rejectate sau substanţial atenuate. În consecinţă semnalele slabe vor pute fi auzite ceea ce ar fi fost imposibil cu alte tipuri de antene.

                Aceiaşi proprietate, a unui factor de calitate Q ridicat, realizează şi la emisie un filtru eficient atenuând în mod substanţial armonicile nedorite. Acest lucru ajută la eliminarea multor probleme de BCI şi TVI.

                Unele cuvinte despre eficienţă şi pierderi.

                Când antena se apropie de diametrul maxim admis de 1/4λ ea atinge eficienţa maximă. La acestă dimensiune se atinge şi lărgimea BW de bandă maximă cu cea mai mică tensiune pe condensatorul variabil de acord şi cu cea mai mare rezistenţă de radiaţie Rr. Ca orice antenă care radiază şi antena magnetică induce curenţi în obiectele înconjurătoare. Pierderile atribuite solului şi obiectelor sunt foarte greu de apreciat. Cu toate acestea curentul de mod comun care apare la suprafaţa cablului coaxial de alimentare poate fi determinat în mod obiectiv. Acestă măsurătoare va face probabil obiectul unei viitoare expuneri.

Bibliografie şi Anexe

1. Florin Creţu YO8CRZ – “RADIOTEHNICĂ Teoretică şi Practică” Ed. PIM Iaşi 2013

2. BERKELEY - vol II Electricitate şi Magnetism şi vol. III Unde.

3. dr. Carol Milazzo (YL) KP4MD  http://www.qsl.net/kp4md/

4. Leigh Turner VK5KLT – Magnetic Loop HF Antenna

5. DL2FA – Hans Wurtz “DX-Antennen mit spiegelnden Flachen” cq-DL nr.2, 3, 4, 5 / 1983

Anexe:

1. Materialul prezentat în format .pdf pentru a putea fi tipărit

Cristian Colonati YO4UQ

Articol aparut la 15-5-2014

10269