11 august 2013

Antene multiband
de Gheorghe Oproescu – Tavi, YO4BKM

O antenă multiband este un compromis între o mulţime de deziderate care, în urma unei analize mai mult sau mai puţin subiective, tranşează uneori şi spre această soluţie. Dar nu numai în domeniul antenelor există astfel de compromisuri. Există şi staţii de emisie-recepţie multiband care acoperă spectrul de frecvenţe de la HF la VHF sau UHF sau cu funcţionare multimod de la CW la digitale, devenind un echipament obişnuit care înglobează într-o singură carcasă module specifice radiocomunicaţiilor, tehnicii de calcul cu microprocesor, memorii, softuri de operare sau de reglare. 
Şi poate că tocmai aceste realizări tehnice fac să fie necesare antene care să acopere, într-o construcţie unitară, cât mai multe benzi de lucru din cele oferite de echipament. Firme specializate sau constructori amatori pun la dispoziţie antene care deservesc de la 2---3 benzi până la 7---10 benzi în HF, antene filare sau Yagi, antene orizontale, verticale sau înclinate. Din punct de vedere funcţional se deosebesc două categorii de antene multiband:
- antena este compusă din mai multe elemente, fiecare acordat pe câte o bandă, separate între ele cu filtre LC sau comutatoare;
- antena este construită în aşa fel încât să poată funcţiona ca antenă acordată pe mai multe frecvenţe simultan fără a se recurge la filtre sau comutări.
Este de departe vizibil că antenele din cea de a doua categorie sunt mai ieftine şi, posibil, mai puţin eficiente (se ştie că doar numai ce-i scump îngraşă) dar, dacă sunt bine înţelese şi corect dimensionate şi alimentate, astfel de antene pot avea aceleaşi performanţe privind câştigul precum antenele prevăzute cu filtre sau comutatoare. Din această categorie amintesc antena LW [4], [5], antena de tip multidipol (precum pentadipolul decris în [4], [5]), antena T2FD (antenă de bandă extrem de largă, [4]), antena Windom cu versiunile ei constructive (VS1AA, DL1BU, Lazy H, G5RV descrise în [4], [5], Fritzel FD3 sau FD4), antena DL7AB [5], etc. Cele mai multe din antenele de mai sus sunt construite pe principiul antenei Windom care este de fapt o antenă dipol alimentată asimetric, deosebirile apărând la modul de alimentare sau la valori diferite ale lungimii braţelor. De aceea am ales ca obiect de prezentare în detaliu antena Windom, lăsând pentru mai târziu antena LW care mi-a adus cele mai multe satisfacţii, e drept că pe atunci o aveam legată la un QRO cu tuburi care avea valori ridicate ale impedanţei de ieşire.
Ca orice dipol, antena Windom este realizată dintr-un conductor cu capetele izolate, în care apar noduri de curent. Se formează astfel unde staţionare cu noduri de curent la distanţe de jumătate de lungime de undă (jumătate de undă sau semiundă) între ele, între care se află ventrele de curent, distanţa dintre un nod şi un ventru fiind de un sfert de undă. Aceste forme de unde staţionare încep din nodurile localizate la cele două capete ale dipolului şi se dispun pe lungimea conductorului după o lege sinusoidală, figura 1.



La jumătatea lungimii conductorului cele două forme de unde staţionare se pot întâlni într-un nod, într-un ventru sau la orice valoare a curentului, funcţie de raportul dintre lungimea dipolului şi lungimea de undă. Pentru cunoscători până la cel mai fin detaliu arăt că undele din figura 1 sunt desenate pentru a înţelege mai uşor acest fenomen, alegând un mod de reprezentare convenţional şi foarte des folosit, în realitate formele de undă au altă alură, ceea ce nu împiedică înţelegerea corectă a fenomenului.
Orice antenă în care apar unde staţionare se numeşte antenă rezonantă, iar antena dipol este o astfel de antenă. Dacă lungimea dipolului este astfel aleasă încât să fie corelată cu un număr întreg de semiunde, antena se numeşte acordată, figura 1a. Dacă nu este acordată, formele de undă sunt precum în figura 1b.
Antena prezintă o impedanţă de radiaţie care poate fi în întregime o impedanţă activă (fără componente reactive de gen inductiv sau capacitiv care nu disipă energie de câmp electromagnetic), în care caz se numeşte rezistenţă de radiaţie şi apare dacă antena este corect acordată. Antenele neacordate, de tipul din figura 1b, au o impedanţă complexă, cu componente active şi reactive. Este evident că antena acordată va avea cea mai mare eficienţă energetică şi este de preferat. Impedanţa de radiaţie este o mărime convenţională, definită ca o impedanţă electrică ce apare în acele puncte de pe conductorul antenei unde curentul este maxim. Astfel de puncte pot exista în realitate sau nu pot exista, după cum se vede la antena mai scurtă de o semiundă din figura 1b, unde impedanţa de radiaţie are doar o semnificaţie teoretică. Practic este important de cunoscută  impedanţa în punctul unde se face alimentarea antenei, numită impedanţă de alimentare, deoarece numai aici se pune problema adaptării cu linia de alimentare sau cu emiţătorul.  Dacă antena se alimentează în punctul unde curentul este maxim, impedanţa de alimentare este egală cu impedanţa de radiaţie şi, pentru dipolul în semiundă corect acordat, devine egală cu rezistenţa de radiaţie cu valori în intervalul 70---75 Ohm. Numai că o antenă multiband are o distribuţie a formei de undă diferită de la o bandă la alta (lungimea dipolului este fixă, lungimea de undă se modifică), punctele unde curentul este maxim având poziţii şi valori diferite de la o bandă la alta, figura 2.


Pot apare situaţii când punctul de alimentare coincide, pe unele benzi, cu un nod de curent, în care caz impedanţa de alimentare pe banda respectivă devine foarte mare, de ordinul miilor sau zecilor de mii de Ohm. Se vede în figurile 1a şi 2 că, dacă un dipol în semiundă în raport cu o anumită frecvenţă pe care o numesc fundamentală este alimentat la jumătatea sa, va avea impedanţa de alimentare de natură activă egală cu rezistenţa de radiaţie pe când, alimentat pe orice armonică în raport cu fundamentala, indiferent dacă este pară sau nu, pe lungimea sa se vor forma semiunde într-un număr par (se formează câte două semiunde pe fiecare armonică, spre deosebire de fundamnetală pentru care antena are lungimea cât o semiundă) cu nod de curent la jumătate, rezultând o rezistenţă de alimentare de valoare foarte mare [3]. Acest lucru face ca antena dipol să nu poată fi utilizată pe nicio armonică dacă este alimentată la mijloc. Observând însă că pentru fundamentală şi armonice există puncte pe lungimea antenei unde curentul nu are noduri pe nicio bandă, vezi figura 2, alimentarea în aceste puncte se va face la valori reduse ale rezistenţei de radiaţie. Acesta este principiul constructiv al antenei Windom cu variantele sale. O analiză detaliată a acesteia prin modelare folosind relaţiile oferite de [1] şi [3] duce la următoarele precizări:
- Rezistenţa de radiaţie a antenei, deşi definită în puncte de curent maxim, are valori diferite funcţie de armonică (respectiv numărul de unde cuprins pe lungimea antenei), figura 3.



Pentru fundamentală (adică în lungul dipolului se formează numai o semiundă) rezisenţa de radiaţie este de 73 Ohm, pe armonica a doua (două semiunde=1 undă) este de 200 Ohm, pe armonica a treia (trei semiunde=1,5 unde) este de 105 Ohm, pe armonica a patra (patru semiunde=2 unde) este de  260 Ohm etc. aşa că, alimentând dipolul în aceste puncte, nu vom mai întâlni clasica valoare de 73 Ohm. Întrucât rezistenţa de alimentare depinde de rezistenţa de radiaţie şi de punctul ales pentru alimentare, o antenă Windom nu va putea folosi acelaşi transformator de impedanţe pe armonice.
- Frecvenţele din benzile de unde scurte pentru radioamatori  sunt armonice pare (2, 4, 6, 8) ale fundamentalei, făcând ca rezistenţa de radiaţie să aibe valori uniform crescătoare de la o bandă la alta, respectiv 73 Ohm pe fundamentală şi 200, 260, 295, 321 Ohm pe armonice. Aceste valori sunt valabile pentru o antenă depărtată de orice vecinătate bună conducătoare de electricitate încât să nu sufere efectul cuplajelor mutuale cu acestea.
- Reactanţa de radiaţie (componenta pasivă) se anulează la frecvenţe având valorile fundamentalei şi armonicelor, ceea ce arată că antena este acordată. În realitate, funcţie de grosimea conductorului antenei, lungimea sa trebuie scurtată faţă de lungimea unei semiunde cu valori arătate în [3], [4], [5]. Descriind în continuare o antenă acordată, componenta reactivă nu va mai fi prezentată în graficele ce vor urma.
- Rezistenţa de radiaţie a unei antene Windom amplasată în condiţii concrete va fi alcătuită din rezistenţa proprie antenei, dependentă de lungimea dipolului exprimat în lungimi de undă (figura 3 curba albastră) din care se scade componenta activă a impedanţei mutuale în raport cu solul, care depinde de înălţimea relativă faţă de sol H exprimată în lungimi de undă, figura 4.


Aceasta din urmă este deosebit de sensibilă în intervalul 0---0,5 lungimi de undă, ceea ce face ca recomandări privind rapoartele transformatorului de impedanţă pe intervale mari ale lui H precum 8---16m, 16---22m sau 22---25m [7] să ducă la erori mari de adaptare. Astfel că folosirea unui transformator de impedanţe (balun) cu raportul de transformare fix cuprins între 4:1 la 6:1 funcţie de înălţimea de la sol, după cum recomandă diverşi autori (unii spun că nici nu mai este necesar un antena tuner, [7]), nu este o soluţie corectă şi duce la un alt compromis care reduce mult din performanţe.
Figura 5 arată rezistenţa de radiaţie a unei antene Windom cu lungimea unei semiunde a fundamentalei şi excitată pe fundamentală sau armonicele pare, în condiţii reale de amplasare, funcţie de înălţimea H faţă de sol exprimată în lungimi de undă. Dacă, de exemplu, antena este amplasată la înălţimea reală de 8m, pentru fundamentala de 3,5MHz (80m) înălţimea este de 0,1 lungimi de undă şi rezistenţa de radiaţie are cca 20 Ohm, pe când pe armonica a 8-a înălţimea devine 0,8 lungimi de undă iar rezistenţa de radiaţie este de 310 Ohm. 


Cunoscând aceste valori nu mai rămâne decât să se aleagă un punct pe antenă, depărtat de unul din capete la o distanţă w, exprimată tot în lungimi de undă, figura 2, în care rezistenţa de alimentare pe oricare bandă se află cu relaţia scrisă în figura 5. Aleg ca exemplu aceeaşi antenă de mai sus pentru care propun w=0,15 lungimi de undă ale fundamentalei (0,3 din semiunda fundamentalei sau 0,3 din lungimea dipolului), rezistenţa de alimentare pe fundamentală devenind 22 Ohm. Acest punct fiind fix pe antenă, pentru armonica 8-a distanţa este w=1,2 lungimi de undă iar rezistenţa de alimentare este 354 Ohm. Iată că legarea liniei de alimentare la antenă printr-un transformator de impedanţe cu raport de transformare fix nu realizează o adaptare corectă pe benzile de lucru. Diferite versiuni constructive ale antenei fixează punctul de alimentare în apropierea maximului de curent pe armonica cu cea mai mare impedanţă de radiaţie, pentru ca impedanţa de alimentare să nu capete valori prea mari.
Realizarea unei adaptări corecte se poate face în două moduri:
- Amplasând un adaptor de impedanţă de tip antena tuner automat sau telecomandat între cablu şi antenă, soluţie complicată şi costisitoare dar extrem de benefică;
- Folosind o linie de alimentare cu lungimea astfel dimensionată [2] încât efectul ei să se anuleze, ceea ce face ca din punct de vedere electric antena să apară ca fiind conectată direct la adaptorul de impedanţă aflat la emiţător.
O antenă multiband de tipul Windom mai oferă un avantaj: câştigul unui dipol creşte cu cât lungimea sa conţine mai multe lungimi de undă [6]. Dacă pe fundamentală câştigul este cel al unui dipol clasic, la 4 lungimi de undă (armonica 8) câştigul ajunge la 2,2 dB în raport cu dipolul în semiundă.
Menţiune: toate graficele din lucrare au fost obţinute cu softuri proprii, programând în Delphi 7 relaţiile de calcul prezentate în [3]. Unde am dispus de date suplimentare, rezultatele au fost comparate pentru verificare cu cele din [1], [4], [5], [6].

Bibliografie
[1] Orfanidis, Sophocles. Electromagnetic Waves and Antennas
Last revision date August 31, 2010. www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa
[2] Oproescu, Gheorghe YO4BKM. Dimensionarea liniilor de alimentare. Radiocomunicaţii   şi Radioamatorism Nr. 6-2012, ISSN 1222.9385
[3] Oproescu, Gheorghe YO4BKM. Antena dipol simetric.
Apărut în 2 iunie 2013 la http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=888
[4] Remete, Iosif. Antene pentru radioamatori. Editura Tehnică, Bucureşti, 1979.
[5] Rothammel, Karl. Antennenbuch. Deutscher Militärverlag, Berlin 1969.
[6] Smirenin, B.A. Manual de radiotehnică, vol. II. Editura Energetică de Stat, 1954.


Despre mine

Fotografia mea
Constanţa, Constanta, Romania

ARHIVA ARTICOLELOR

free counters Stats Copyright©Francisc Grünberg. Toate drepturile rezervate. All rights reserved