Antenă directivă filară cu două elemente pentru banda de 14MHz.

YO4UQ – Cristian Colonati

În numărul 8 din august 2016 al revistei britanice RadCom (RSBG) la pag.60, radioamatorul G0JMI – Mike Parkin ne aduce în atenție o antenă directivă filară cu 2 elemente proiectată în anii ’70 de către VK2ABQ – Fred Caton.

Oare din ce motiv i se acordă astăzi o atenție deosebită acestei realizări de către importanta publicație RadCom?

În epoca atât de ofertantă tehnologic a antenelor de tip ”optibeam” și a altor realizări industriale remarcabile în materie de antene, RadCom ne aduce în atenție o posibilă variantă de realizare cu forțe proprii, cu mijloace modeste și costuri rezonabile a unui astfel de echipament.

În zilele noastre, având la dispoziție mijloacele moderne, performante, pentru analiza și simularea antenelor, programul 4NEC2, să încercăm să verificăm cât de validă și funcțională este propunerea lui VK2ABQ făcută cu aproape cu 50 de ani în urmă.

Pentru edificarea cititorului cu elementele funcționale și constuctive ale acestei antene, de la care a pornit prezenta evaluare, articolul din RadCom al lui G0JMI este atașat prezentului material.

De la început menționăm că evaluarea a fost făcută pentru o singură bandă (14MHz) care rămâne interesantă în perioada imediat viitoare de minim a activității solare, ciclul solar 25.

În versiunea originală antena a fost construită de VK2ABQ pentru trei benzi 14, 21 și 28MHz. Principalele elemente dimensionale numai pentru banda de 14MHz, extrase din articolul

pentru versiunea originală sunt următoarele:

Formula de calcul propusă pentru lungimea conductorului este: 𝑊[𝑚] = 75,64/𝑓[𝑀𝐻𝑧] În articol sunt date de asemenea dimensiunile originale pentru partea de dipol activ

(radiantul fără pliurile laterale) și lungimea totală a firului care reprezintă reflectorul - Dipolul Rad=5,12m la care se vor adăuga pliurile laterale - Reflectorul lungime totală Ref=10,96m - Se mai spune că reflectorul este cu cca 10% mai lung decât radiatorul în total, iar cel

puțin segmentul central al reflectorului, paralel cu radiatorul, respectă acestă cerință. Ținând cont de aceste elemente, după câteva calcule simple, au fost stabilite datele

dimensionale de intrare pentru procesul de simulare și optimizare ale acestei antene cu ajutorul progamului 4NEC2, de fapt reproiectarea antenei cu mijloace moderne. Încă de la început sunt prezentate într-un tabel datele inițiale de intrare în 4NEC2 cât și rezultatele optimizării.

Segment Parametru Initial [m] Obs Optimizat [m]

Tag1 - 2,51 Dipol radiant 2,51

Tag3 - 2,51 Dipol radiant 2,51

Tag5 - 0,1 Sursa 0,1

Total dipol 5,12 5,12

Tag2 R optimizabil 2,52 Lateral 2,41

Tag4 R optimizabil 2,52 Lateral 2,41

Total radiator 10,16 9,94

GAP - 0,02 + 0,02 Izolatori 0,02 + 0,02

Tag7 - 5,62 Reflector 5,62

Tag6 L optimizabil 2,67 Lateral 2,28

Tag8 L optimizabil 2,67 Lateral 2,28

Total reflector - 10,96 10,18

În construcția geometrică pentru 4NEC2 s-a avut în vedere și distanța de 2cm (Gap 0,02m) unde sunt izolatorii care asigură continuitatea mecanică a conductorului, legătura între radiator și reflector. Au fost respectate de principiu datele dimensionale inițiale, de acum 50 de ani, care vor intra în procesul de optimizare cu 4NEC2. În articol se menționează că ajustarea pentru un Za=50 ohmi se poate face din lungimea reflectorului. În programul de optimizare au fost alese lungimile tag-urilor 2 și 4 de la radiator (parametrul R) și tag-urile 6 și 8 de la reflector (parametrul L) adică lateralele poligonului.

Așa se vede de sus cu 4NEC2 o captură de ecran cu dimensiunile inițiale.

Pentru a realiza o prezentare ”top-down” și a nu ține încordată curiozitatea cititorului vom prezenta de la început rezultatele finale ale optimizării care, după cum vedeți, sunt elocvente.

A fost păstrată înălțimea de instalare la h=10m pentru un sol real / mediu. Înălțimea de 10m este un 𝜆/2 considerată rezonabilă pentru o astfel de construcție ușoară. După cum se știe, parametrii elctrici de funcționare: SWR, directivitate, câștig, etc. variază funcție de calitatea solului și înălțimea de instalare. (vezi explicații detaliate în bibliografia din [2] pag. 125 – 127). În fereastra Geometry a meniului Edit > Input pentru opțiunea Settings > NEC editor (new) au fost introduse coordonatele spațiale (x, y, z,) ale fiecărei porțiuni din firul antenei făcând parte din radiator și reflector și alimentarea pe porțiunea dipol. Se observă parametrizarea elementelor care vor intra în optimizare R și L. În fereastra Symbols au fost introduse valorile inițiale pentru R=2,52m și L=2,67m. În tabul Source/Load – Tagul 5 s-a introdus sursa iar în Freq/Ground f=14,1MHz și un sol real / mediu. Grosimea firului a fost luată de 4mm. Cablul de antenă se găsește la Lccom în YO3.

Cu aceste valori inițiale, constructive și de ambient, se intră în evaluare și apoi în optimizare.

Din câte se observă valorile parametrilor electrici: impedanța 149-j102, SWR-ul 4,48 și radiația efectivă nu arată prea bine. Nici câștigul și raportul față-spate nu sunt deosebite. În acest context este utilă o optimizare dimensională cât și pentru un parametru interesant la o antenă directivă, câștigul.

În 4NEC2 din meniul Calculate > Start optimizer > Selecție parametrii de optimizat L și R > pentru opțiunile de SWR 100% și Gain 70% sau realizat cicluri de optimizare repetitive cu una sau cele două opțiuni până s-a ajuns la un rezultat convenabil pentru antena și situația aleasă. Rezultatele sunt prezentate alăturat și au fost salvate cu butonul Update NEC-file. Ele se regăsesc și în fereastra Symbols din meniul edit al 4NEC2.

În continuare se pot vedea graficele cu principalii parametrii electrici optimizați.

Să încercăm să-i sistemtizăm în câteva rânduri: SWR=1,04, RL=-33,56dB, Elevație=25gr, Total Gain=9,31dBi, F/B=4,18dBi, Rs=48,77ohmi, X=1,67ohmi, Z=48,9+j1,97ohmi, RadEff=81.32%.

Așa arată versiunea optimizată a antenei VK2ABQ pentru banda de 14,1MHz. Se poate prezenta și diagrama Smith pentru o mai bună orientare asupra parametrilor.

Pentru o bună verificare a proiectării antenei, 4NEC2 oferă două instrumente puternice pentru validarea lucrului:

Primul este validarea modelului matematic al antenei care primește un calificativ numeric în câmpul AGT results care se vede în captura de ecran din stânga. Valoarea 1.001 este pentru un model de antenă foarte bun care nu a generat conflicte sau inadvertențe de proiectare. (vezi și manulul 4NEC2 atașat)

Al doilea este testul de convergență care se parametrizează din Calculate > Start Optimizer > Câmpul Function cu selecție Conv-test și Start. Programul mărește numărul de segmente de calcul în ficare din ciclurile, iterațiile auto setate, și stabilește corectitudinea de calcul pentru parametrii electrici și stabilitatea modelului. De asemeni modelul și antena răspund excelent și acestui test.

În continuare este oferită o captură de ecran cu dimensiunile optimizate ale antenei VK2ABQ. Verificarea dimensională și funcțională a acestei antene cu un instrument performant de evaluare ne arată corectitudinea demersului constructiv făcut de către VK2ABQ acum 50 de ani. Să ne imaginăm testările, ajustările și eventualele măsurători laborioase făcute de realizator pentru o funcționare optimă în lipsa unor sisteme de proiectare (cel puțin orientative) performante.

Elementele dimensionale calculate ale ficărei porțiuni de fir (tag) după optimizare.

Cu atât mai importantă se dovedește contribuția radioamatorilor din întreaga lume, de la începuturi și până astăzi, la evoluția domeniului radio. Multe inițiative industriale s-au inspirat din realizările, la început modeste, ale radioamatorilor. În contextul prezentei expuneri, dacă cineva dorește să realizeze o astfel de antenă, poate chiar și varianta pentru mai multe benzi, se poate inspira constructiv din articolul din RadCom în care sunt sugerate elementele constructive. Prezenta expunere poate constitui un exemplu pentru cei interesați în scopul de a verifica propriile realizări sau eventual de a proiecta altele. Pentru suportul antenei de 10m sugerăm o posibilitate de adaptare rezonabilă de la: http://www.dx-wire.de/lng/en/fiberglass-poles/ sau o altă construcție proprie. Bibliografie și anexe: [1] RadCom August 2016 – volume 92 – pag.60 Antennas, G0JMI – Mike Parkin [2] YO8CRZ – Florin Crețu ”RADIOTEHNICĂ – Teoretică și Practică” [3] 4NEC2 – Manual de utilizare [4] Fișierele executabile 4NEC2 pentru antena VK2ABQ optimizată. [5] Cablu conductor de antenă http://www.lccom.ro/index.php/magazin-cabluri-c-101_29?osCsid=7ck4vefpaav81sm42ib7q2fkf4