Cristian Colonati YO4UQ

MOTTO:  Poezioară pentru nepoţei,

Nu contează că eşti mic

Dacă te pricepi un pic,

Nu contează înălţimea

Ci contează isteţimea!

                Motto-ul nu se referă la persoane ci la “antena magnetică” care chiar dacă este mică, din punct de vedere al dimensiunilor, posedă o serie de proprietăţi care o fac deosebită. În literatura noastră tehnică promovată de-a lungul anilor în YO s-a vorbit destul de puţin documentat despre “curentul de mod comun” şi efectele nocive ale acestuia atât la recepţie cât şi la emisie. De asemeni în literatura noastră s-a spus şi foarte puţin despre evaluarea cantitativă, măsurarea curentului de mod comun.

                O descriere exthaustivă şi pe înţelesul tuturor a fenomenului şi consecinţelor sale atât la recepţie cât şi la emisie este făcută de către YO8CRZ – Florin în cartea sa “RADIOTEHNICĂ – Teoretică şi Practică” (partea III-a cap.2.2, pag.292 la 315). O sinteză remarcabilă din care se pot extrage soluţii pentru ameliorarea funcţionării unei staţii de radioamator.

                Analizând cu atenţie aceste capitole şi cunoscând impactul negativ pe care îl au unii dintre distinşii noştrii colegi de hobby din YO cu vecinii, din cauza perturbaţiilor de RF, considerăm că este util să aducem la cunoştinţă elemente care pot să contribuie în continuare la ameliorarea funcţionării staţiilor de emisie recepţie. Preocupările pentru funcţionarea unor antene magnetice, în spaţiile limitate de care dispunem în citadin, au determinat experimentarea şi aplicarea soluţiilor propuse pentru măsurarea şi diminuarea curentului de mod comun şi pentru acest tip de antene.

                Scurte afirmaţii.

·         În mod natural antenele magnetice de HF sunt antene de bandă îngustă, de regulă de la câţiva kHz la zeci de kHz, constituind filtre native de RF atât la recepţie, cu un bun raport S/N, cât şi la emisie prin eliminarea armonicelor.

·         Sunt două moduri uzuale de alimentare pentru antenele magnetice şi anume: alimentarea nesimetrică Γ (gamma), care ca orice alimentare nesimetrică a unei antene este generatoare de curenţi de mod comun în cablul coaxial de alimentare şi alimentarea prin buclă Faraday, care este o alimentare prin cuplaj inductiv şi care este mult mai puţin nocivă din pdv al generării curenţilor de mod comun.

http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=952

·         Funcţionarea, fără perturbaţii locale cu antenele magnetice instalate pe balcon, a determinat interesul pentru analiza fenomenului şi măsurători ale curentului de mod comun pentru acest tip de antene.

·         Pentru cei mai puţin avizaţi, referinţe teoretice cu privire la curenţii de mod comun, aşa numitul “common mode”, se pot găsi în toate “Antenna BOOK “ sau “Hand BOOK” precum şi explicaţii detaliate în [1].

Propuneri de analiză.

                În prezenta expunere ne vom axa în principal pe soluţiile de măsurare a curentului de mod comun precum şi altor curenţi de RF nedoriţi. Vom vedea aparatura extrem de simplă cu care se pot măsura curenţii de mod comun dar şi scurgerile de RF prin reţeaua de alimentare fără filtre, care radiază, scurgerile în conductorii de masă, precum şi cei din contragreutăţile de λ/4 montate pentru anularea tensiunilor de RF de pe şasiul emiţătorului (pământul virtual). Se poate astfel determina şi gradul de diminuare a curenţilor de mod comun după instalarea balun-urilor de curent, simetrizări, decuplări, conectări la masă. Va fi posibilă orice măsurătoare de curent de RF care apare pe un conductor.

                Vom trata următoarele soluţii de măsurare:

·         Cu un osciloscop

·         Cu o sondă de RF, măsurătoare calitativă

·         Cu o schemă de detecţie fără calibrare, măsurătoare calitativă

·         Cu o schemă de detecţie calibrată, măsurătoare cantitativă

Încercăm să dăm toate detaliile de realizare pentru echipamentul de măsură de către orice radioamator, fie el chiar începător, cu care să poată evalua calitativ şi/sau cantitativ curenţii “vagabonzi” şi să încerce să elimine efectele nocive ale acestora.

                Construcţia traductorului de bază.

-         
Traductorul de bază, care face prelevarea semnalului de măsurat, este construit dintr-un transformator de RF realizat cu un tor de pulberi sau cu o ferită split. Principiul de captură a semnalului de RF este prezentat în figura alăturată.

-          Pentru TOR se utilizează T157-6 sau T150-2 cu pulbere de fier. Torul este ales ca prin gaura lui de 24mm să treacă conectorul PL239 al cablului coaxial de măsurat care are diametrul de 18mm şi să încapă şi bobinajul de 10 spire (0,6mm) izolate PVC sau teflon. Materialul #6 adică tor galben este optim în frecvenţele 2 ÷ 40MHz.

-          Pentru ferita split (clamp) este practic utilizabilă orice ferită folosită pentru RFI. Ferita split este de tipul RFI FLF130 cu gaura de 13mm pentru a lăsa loc de bobinajul celor 10 spire. Prospectul feritelor split de tip FLF este anexat. Ele sunt folosite cu succes şi pentru şocul de atenuare a curentului de mod comun model W2DU. YO8CRZ foloseste o ferită Fair-Rite 0443164151.

-          Bobina este realizată din 10 spire cu sârma de 0,6 izolată cu PVC sau teflon.

-          Rezistenţa pe care se culege tensiuea de RF generată de transformatorul de curent este între 50 şi 100 de ohmi la putere de 1 watt. Literatura spune că rezistenţa de 100 ohmi asigură o mai bună linearitate în frecvenţă la schemele de măsură cu etalonare (cantitative).

Cum lucrează?

-          Traductorul, un transformator de curent, are în primar un singur conductor (1 spiră) prin care trece curentul de RF de măsurat. În secundar sunt bobinate 10 spire. Raportul de transformare pentru curentul de RF este de 1:10. Un exemplu pentru un curent în primar Ipef = 1A = 1000mA avem în secundar Isef = 0,1A = 100mA. Curentul secundar (ca orice transformator de curent) se închide pe o rezistenţă R, în cazul nostru de R = 100 ohmi şi la bornele căreia se dezvoltă o tensiune de RF Urf = 0,1 x 100 = 10Vef sau ≈ 14Vvv. La orice variaţie a curentului din primar se modifică şi tensiunea Urf.

Cum se măsoară?

-          Se vor prezenta următoarele categorii de măsurători:

a.       Măsurătoare directă în RF.

b.      Măsurători cu sondă de RF.

c.       Alte scheme de măsură cu detecţia (redresarea) semnalului de RF, cu sau fără etalonare.

a.       Pentru categoria măsurătorii directe a tensiunii de RF generată pe rezistenţă s-a folosit un osciloscop care acoperea frecvenţele interesante pentru benzile de radioamatori (tks Lucian YO3AXI pentru punerea la dispoziţie a osciloscopului).

Schema de măsură şi rezultatele obţinute se pot vedea în schema alăturată. Este utilă o sumară descriere şi un comentariu. S-a acordat antena magnetică de cu D=1,1m care acoperă benzile 14 la 21 MHz în banda de 18MHz şi s-a reglat bucla Faraday pentru cel mai bun raport de unde staţionare de 1:1,03. Se vede şi în captura de ecran ataşată unde parametrii de acord au ajuns la |Z|=50,03 ohmi, Rs=50ohmi iar |Xs|=1,41. În aceste condiţii s-a setat puterea din transceiverului FT450 la 50 watt ştiind că în acel moment prin cablul coaxial va circula un curent de 1A. Cu traductorul cu ferita split montat pe coaxial şi osciloscopul conectat cu sonda la rezistenţa de 100 de ohmi s-a citit amplitudinea tensiunii de RF pe ecran. Calculele sunt prezentate chiar în schema de măsură ataşată. S-a determinat curentul de mod comun la valoarea de Icm=212mA adică 21,2%. Pentru acest tip de măsurătoare, la o antenă magnetică care este extrem de aproape de sistemul de măsură la 2 ÷ 3m pe un cablu coaxial de cca. 5m există suspiciunea unor curenţi de RF induşi direct pe tresă şi pe sondele de măsură. Din acestă cauză măsurătoarea s-ar putea să fie uşor eronată. La o antenă magnetică situată la distanţă sau alte tipuri de antene amplasate
corespunzător măsurătoarea este valabilă.

                În captura de ecran afişată se văd şi ceilalţi parametrii interesanţi, adică o lărgime de bandă de 98kHz şi un factor de calitate de 185 şi pierderi de retur de -35dB.

b.      Pentru măsurători cu detecţia semnalului se pot folosi sondele de RF – radio frecvenţă. Sondele pot fi industriale, realizate pentru diferite game de frecvenţe şi cu erori de măsură controlate, de regulă sub 5%, dar ele pot fi foarte bine făcute şi în regim de amator, în scopul de a determina aspectul calitativ al existenţei curentului de mod comun la suprafaţa cablului coaxial sau curenţi “vagabonzi” pe alte conductoare din configuraţia staţiei.

Liviu - YO5QCD ne propune o schemă foarte simplă la care ataşează şi PCB-ul pentru realizarea unei sonde de RF pentru măsurători calitative.

http://www.qsl.net/yo5qcd/fieldmeter.htm.

În nota autorului se spune: acesta nu este un voltmetru de radiofrecventa. Indicaţiile sunt imprecise şi depind destul de puternic de frecvenţă. Montajul este însă foarte util pentru a semnala prezenţa şi nivelul relativ al radiofrecvenţei atunci când dorim să obţinem un minim sau un maxim acţionand diverse relglaje. Prezentăm numai schema restul detaliilor sunt în site.

                Pentru cei interesaţi se găsesc pe Internet o sumedenie de scheme pentru sonde de RF, mai simple sau mai complicate. Le puteţi găsi pe toate dând o căutare cu “RF probe” şi selectând “imagini”.

https://www.google.ro/search?q=schematics+RF+probe&newwindow=1&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=os2GU6mHN4Wv7Qadm4GwCg&ved=0CEAQsAQ&biw=1920&bih=850&dpr=1

c.       O schemă cu detecţia semnalului fără calibrare este prezentată de către G3SEK (acum GM3SEK). Schema foarte simplă este destinată măsurătorilor calitative pentru determinarea existenţei curenţilor de RF pe diverse conductoare din staţie. Evident că se poate pune în evidenţă şi curentul de mod comun existent pe cablul coaxial care alimentează antena.

-         
Traductorul este un transformator de curent realizat cu o ferită split bobinată cu 10 spire închisă pe o rezistenţă de 47 ÷ 50 ohmi.

-          Detecţia cu diodă Schottky BAT85 pentru asigurarea sensibilităţii la niveluri mici de tensiune. Pot fi utilizate şi diode de RF cu germaniu.

-          Reglajul sensibilităţii la µA-metrul de 100µA se poate realiza cu un potenţiometru “nasture” de 50 ÷ 100kohmi sau chiar cu o rezistenţă fixă de valoare potrivită astfel încât să nu stricaţi µA-metrul dacă se măsoară curenţi primari de până la 1A (1A≈70kΩ, 0,5A≈35kΩ, 0,1A≈7kΩ, 50mA≈3,5kΩ).

A doua schemă cu detecţia semnalului de RF şi calibrare propusă de G3SEK este prezentată în continuare. G3SEK face mai mute comentarii privind această schemă.

-          Traductorul este un acelaşi model de ferită split pe care sunt bobinate 10 spire terminate pe o sarcină de 50ohmi formată din două rezistenţe de 100ohmi/0,5w în paralel.

-          Datorită funcţionării în regim de RF cu neliniaritate şi unele pierderi inerente raportul de transformare pentru curent nu este de 1:10 în toată plaja de frecvenţe. La 14 MHz şi 1A eficace în circuitul primar s-a obţinut în secundar numai 80mA care prin sarcina de 50 ohmi a dat o tensiune de 4V eficace.

-          Detecţia este făcută cu un redresor cu dublare de tensiune format din două diode Schottky BAT85 (pot fi şi diode cu germaniu). Tensiunea obţinută la intrarea către µA-metru va fi de 2,8 ori mai mare, adică de aproape 11,2V.

-          În aceste condiţii pentru ca la un curent primar de 1A (50 watt pe o sarcină de 50 ohmi) să menţinem la aparatul de măsură unmaxim de 100µA avem nevoie de o rezistenţă serie de aproximativ 112kΩ. Schema este făcută cu un comutator care să scurtcircuiteze o parte din rezistenţa serie atunci când prin circuitul primar nu mai trece 1A ci numai 0,1A = 100mA, adică o valoare rezonabilă şi admisibilă a curentului de mod comun de numai 10% din curentul principal. În locul grupului de rezistenţe se poate monta un potenţiometru de 100 ÷ 150kΩ care se scurtcircuitează cu comutatorul şi în plus o rezistenţă adiţională R4 aleasă prin tatonări funcţie de µA-metrul folosit în cazul etalonării la cap de scală pentru un curent primar de 0,1A (5 watt pe o sarcină de 50 ohmi). După cum vom vedea etalonarea se face cu ajutorul unei sarcini artificiale.              

http://www.ifwtech.co.uk/g3sek/clamp-on/clamp-on.htm

                                                Propunere de realizare practică din partea lui G0SNO

O propunere pentru un măsurător de RF cu traductor toroidal este făcută de W8JI cu o soluţie de redresare simplă. Schema este dată alăturat unde torul este un T150-2 bobinat cu 20 de spire care se închid pe o rezistenţă de 100 de ohmi.

                Rezistenţa de 100 ohmi a dat un răspuns aproape uniform în banda 1,8 ÷ 30 MHz. Se obţin 5Vef pentru un curent primar de 1A pe rezistenţa de 100 ohmi. Raportul de transformare este de 1:20 adică se obţine în secundar pe rezistenţă un curent de numai 50mA. După detecţie se obţin cca. 7Vcc. Pentru a asigura la aparat cei 100µA avem nevoie de o rezistenţă de70kΩ sau reglajul cu un potenţiomertru nasture de 100kΩ.

                Fotografia autorului arată montajul compact, cuplat, al torului şi µA-metrului. Realizarea permite trecerea prin gaura torului coaxialului de alimentarea antenei împreună cu conectorul PL239 de Φ18mm.

http://www.w8ji.com/building_a_current_meter.htm

                În cartea sa, YO8CRZ – Florin, la pagina 309 propune o construcţie similară realizată pe o ferită split model Fair-Rite 0443164151 şi o schemă de detecţie mono alternanţă.   

                Realizarea prezentată în schemă alăturată este foarte simplă. Ea a fost descrisă în carte dar fără să i se publice schema. Măsurarea curentului de mod comun sau al oricărui alt curent “vagabond” din circuitele de RF este tradusă la ieşire într-o tensiune. Măsura tensiunii se face cu un voltmetru cu afişaj numeric de laborator fără a mai fi nevoie de un aparat propriu (µA-metru).

Etalonarea.

                Pentru calibrarea montajelor de măsură pentru curenţii de RF se realizează montajul sugerat în schema alăturată. În montaj se realizează o inserţie pe cablul coaxial care placă de la transceiver către sarcina artificială a unui montaj realizat cu două mufe mamă SO239 spate în spate, conectate pe central cu un segment de sârmă de cca. 4 ÷ 5cm iar masa mufelor care asigură continuitatea cablului coaxial se leagă cu un segment de platbandă subţire sau tablă peferabil de cupru.

                Se injectează din TX 50 watt pe rezistenţa de sarcină artificială de 50 ohmi, moment în care pe centralul coaxialului circulă un curent de 1A valoare eficace. Se cuplează traductorul de RF, tor sau ferită, pe centralul coaxialului şi se reglează din potenţiometrii până când se obţine 100µA pe aparatul de măsură. Se pot reface calculele şi chiar montajele pentru rezistenţe fixe.

                Fotografiile autorului pentru realizarea personală sunt prezentate în continuare. Montajul s-a făcut după schemele lui G3SEK pe un cleşte “gigant” din material plastic, cu o ferită FLF 130, o cutiuţă de material plastic şi un µA de mici dimensiuni “bricolat” din “talciocurile” radioamatorilor.

                A fost preferată soluţia “mobilă” pentru a putea să analizăm curentul de RF în diverse puncte din lungimea cablului coaxial de alimentare precum şi alte diverse puncte pe conductorii de alimentare sau în locuri mai greu accesibile.

                             Structura de etalonare (nu zâmbiţi la sarcina artificială... merge foarte bine!)

                Scurte concluzii.

-          Expunerea detaliată, cu soluţii practice, a fost făcută pentru avertizarea radioamatorilor începători (şi nu numai) că o parte din aspectele negative ale funcţionării unei staţii de amator pot fi evitate încă de la început prin măsurători şi acţiuni simple şi economice de diminuare sau eliminare a perturbaţiilor.

-          Literatura de specialitate dar şi Internetul propun multe măsuri concrete pentru diminuarea curentului de mod comun. Pentru realizarea eficientă a acestui lucru trebuie să facem măsurători şi să determinăm “unde” şi “cu cât” trebuie, sau am reuşit, să realizăm diminuarea.

-          Semnalăm un echipament industrial pentru măsurarea curentului de mod comun MFJ854.

-          La măsurători trebuie ţinut cont de distribuţia neuniformă a curentulu de RF de mod comun pe tresa cablului coaxial de alimentarea antenei. Măsurătorile vor fi făcute în mai multe puncte în lungul cablului iar feritele de atenuare vor fi montate în primul rând în imediata apropiere a punctului de alimetare al antenei şi în punctele de maxim de curent din lungul cablului.

-          Pentru informare şi o orientare imediată asupra feritelor split utilizate curent la diminuarea curenţilor de mod comun s-au anexat prezentului material prospectele feritelor FLF (curent comercializate în YO) precum şi un scurt extras a celor de la Fair-Rite. Doritorii pot descărca bogatul catalog de ferite de la Fair-Rite pentru analiza şi performanţele diverselor compoziţii de material şi formatele dimensionale oferite.

-          Cu cât lungimea cablului coaxial este mai mare chiar şi un curent de mod comun mic poate cauza perturbaţii serioase din cauza lungimii de radiaţie.

-          Pragul de acceptabilitate recomandat pentru radioamatori este de 5% din curentul de alimentare. La 100 watt şi 2A pe centralul coaxialului un Icm ar fi de 50mA. Peste 10% adică 100mA vor creea probleme.

-          Măsurătorile făcute pe antena magnetică de D=65cm din Cu 22mm, pentru benzile de 21 la 28 MHz, alimentată cu buclă Faraday şi 14 ferite FLF 501B montate pe cablul RG58 la punctul de alimentare al antenei precum şi 10 ferite FLF 501B la ieşirea din emiţătorul FT450, cu testerul autoconstruit descris anterior au aratat un curent de mod comun mai mic de 2,5%. Această valoare confirmă eficienţa măsurătorilor în vederea combaterii efectelor negative ale curentului de mod comun şi adoptarea măsurilor de diminuarea perturbaţiilor.

-          Anexăm şi materialul în format .pdf pentru cei care doresc să-l tipărească.

Cristian Colonati YO4UQ

Articol aparut la 26-8-2014

9809