Antene Verticale

ing. Ilie Mihaescu – YO3CO

Introducere

Tratarea subiectului antene verticale este deosebit de dificilă, avându-se în vedere marea diversitate de tipuri de antene construite şi experimentate în folosul scopului urmărit. Toate antenele au o prezentare calitativă cu un suport matematic bine organizat, dar de o complexitate ce înlătură pe amator şi nu totdeauna comprehensibil pentru tehnicieni.

Nu ne vom aventura în prezentarea fenomenelor fizice de radiaţie a câmpului electromagnetic prin evaluări cantitative matematice, ci vom reda numai aspectele calitative ce pot fi puse în evidenţă prin măsurători electrice facile.

Constructorul amator, căci el ne este interlocutorul, trebuie să aibă în vedere la o antenă câţiva parametri esenţiali, şi anume: impedanţa antenei, frecvenţa de lucru, diagrama de radiaţie, câştigul şi puterea radiată admisă. La acestea, se adaugă dimensiunile antenei, materialul din care este construită şi complexitatea procesului mecanic de realizare.

Cunoscând în mare câte ceva din aceşti parametri ne dăm seama cât necesită construcţia unei antene care să aibă calităţile electrice dorite şi în acelaşi timp dacă dimensiunile ei nu depăşesc spaţiul disponibil de amplasare.

Dimensiunile fizice ale antenelor sunt dependente direct de lungimea de undă pe care trebuie să lucreze, mărime legată direct de frecvenţă. Aici apare avantajul construcţiei antenelor pentru VHF şi UHF care au dimensiuni mici în comparaţie cu antenele pentru unde scurte.

Cele mai folosite antene în VHF şi UHF sunt antenele verticale pentru simplul considerent că ocupă un spaţiu foarte redus şi au diagramă de directivitate omnidirecţională. Acestea devin calităţi deosebite pentru zonele urbane unde nu se pot monta antene ce ocupă spaţiu mai mare.

Antenele verticale pot avea diverse dimensiuni, care de fapt sunt fracţiuni ale lungimii de undă pe care se lucrează şi cum banda de 2m (144…146MHz) este foarte folosită în România vom face câteva aprecieri asupra antenelor verticale. Aprecierile sunt la fel de valabile şi pentru cei ce lucrează în „rezervaţia” CB.

Energia radiată de o antenă este dependentă de rezistenţa de radiaţie a antenei şi de curentul aplicat la baza antenei

 

W = I²R_aLa o antenă λ/4 rezistenţa Ra are valoarea de aproximativ 35Ohm?şi capătă valori din ce în ce mai mici dacă această lungime scade. După modul cum este fixată antena se ţine cont şi de rezistenţa terenului pe care o montăm cu Rt şi care, evident, va absorbi o parte din energia aplicată antenei şi deci, randamentul scade foarte mult:

 

η = R_a/R_a + R_tLa o antenă fixată pe caroseria unui autoturism, Rt are valori foarte mari fiindcă cuplajul se face capacitiv şi randamentul este foarte mic. Se estimează că în CB se pierd 5dB, adică puterea radiată este de numai 0,3 din puterea aplicată de la emiţător.

 

Dar la antenele verticale rezistenţa de radiaţie nu apare pur rezistivă, ci sub forma unei impedanţe ce are şi un factor reactiv. S-a constatat experimental că o antenă λ/4 prezintă o reactanţă capacitivă ca rezultat a unei capacităţi de 15pF. De aici vine necesitatea adaptării cablului coaxial la antenă prin intermdiul unei bobine adică a unei inductanţe care compensează (la rezonanţă) efectele capacităţii. Aminteam că antenele verticale au diagrama de radiaţie omnidirecţională sub forma unui tor. Dacă reuşim să alungim acest tor în plan orizontal, reuşim ca antena să aibă şi un oarecare câştig. Pe noi nu ne interesează să radiem energie în plan vertical fiindcă acolo nu avem corespondent.

Din diagrama din figura 1 se observă că antena λ/4 are câştig G = 0, iar optimă este antena 5/8λ?care are un câştig de 3dB.

Aceste diagrame de radiaţie ne conduc să stabilim distribuţia câmpului electromagnetic pe o antenă (figura 2).

Deci legătura între cablul coaxial, de cele mai multe ori cu impedanţa caracteristică de 50Ohm, impune folosirea unui element de adaptare care poate avea diverse aspecte, de la circuitele LC şi până la linii şi cabluri, aşa cum este ilustrat în figura 3. Aici, în figura 3f este ilustrată şi celebra deja antenă pentru VHF numită J – Antena din cauza similitudinii aspectului cu litera din alfabet. De fapt, acea linie este un λ/4 în scurt care permite adaptarea cablului asimetric la antena verticală.

Antena J denumită iniţial SLIM JIM (slim = subţire) a fost patentată în Anglia în anul 1924. Interesant este că această antenă permite o bună adaptare şi se montează de multe ori şi în poziţie orizontală pentru recepţia programelor TV.

Referirile de până acum au fost făcute la antenele simple verticale, dar trebuie să avem în vedere şi antenele combinate tot cu poziţionare verticală, acestea şi unele construcţii practice de antene într-un număr viitor al revistei.

Oricare ar fi tipul de antenă ce urmează a fi folosit, rigiditatea sa mecanică este esenţială fiindcă orice deplasare înseamnă şi deplasarea diagramei de radiaţie, adică diminuarea calităţilor electrice care poate duce la dispariţia unei legături radio.

 

Antene verticale – Aplicatii practice

Prezentam anterior câteva caracteristici ale antenelor verticale cu lungimea în fracţiuni de lungimi de undă. Interesant era câştigul fiecărui tip de antenă verticală. În literatura de specialitate, antena verticală cu dimensiunea de un sfert din lungimea de undă este cunoscută şi sub denumirea de antenă verticală Marconi şi toate calităţile celorlalte antene verticale sunt comparate cu antena λ/4.

Antena λ/4 este o parte a dipolului λ/2, unde un segment λ/4 este considerat pământul (figura 4) sau segmente de conductor electric ce substituie rolul pământului (terenului) şi care frecvent se numesc contragreutăţi; de aici vine şi denumirea Ground Plane.

Diagramele de radiaţie în plan orizontal şi vertical ale antenei λ/4 sunt prezentate în figura 5. Antena λ/4 este formată dintr-un conductor cu această lungime şi la bază are conectat cablul coaxial pentru alimentare.

Problema adaptării electrice a cablului la antenă este destul de complexă şi de aceea va fi tratată separat într-un serial de articole.

Ca o concretizare a celor tratate până acum, vom prezenta câteva tipuri de antene verticale frecvent folosite şi care sunt şi mai simplu de realizat. O antenă λ/4 pentru 145MHz, de o construcţie mecanică interesantă a fost prezentată în QST de W1FB (figura 6).

Antena are tija verticală şi cele 4 contragreutăţi fixate pe un material izolant de bună calitate. În acest material sunt implantate şuruburi în care se înfiletează cele 5 elemente conform desenului. Cele 4 contragreutăţi sunt legate electric între ele. Elementele au lungimea de 50,8cm. Ca adaptarea cu un cablu de 50Ohm?să se realizeze, se utilizează linia din figura 7.

Antena are ca suport un stâlp din PVC. Desigur, mai sunt şi alte moduri de a construi antene λ/4 pentru VHF, dar în această bandă câştigul cel mai mare îl au antenele 5/8λ, aşa că vom prezenta câteva dintre acestea.

Antenele 5/8λ?din figura 8 şi figura 9 au fost prezentate de F3XY în revista HP pe baza unei documentaţii profesionale germane. Studiind articolul respectiv am construit şi utilizez în traficul curent din 144…146MHz antena din figura 8. Antena din figura 8 este recomandată pentru staţii fixe, iar antena din figura 9 se montează pe autoturisme. Ambele antene sunt adaptabile la cablu de 50Ohm?şi sunt alimentate prin mufe SO239. Se construiesc dintr-un conductor oţelit cu diametrul de 3,5-5mm. Fiecare antenă are la bază o bobină din 2 spire cu diametrul de 50mm şi lungimea de 12mm. Cu aceste bobine se face adaptarea cu cablul coaxial. Revenind la antena din figura 8, construcţia ei începe prin confecţionarea suportului. Personal, am făcut acest suport dintr-o tablă de alamă groasă de 3mm, lungă de 15cm şi lată de 6cm. La distanţa de 3cm, de la un capăt al tablei, se perforează şi se fixează mufa SO239, iar la 5cm pe aceeaşi linie se dă o gaură egală cu diametrul sârmei din care se va face antena. În jurul mufei se mai dau trei găuri la 120° prin care vor fi prinse cu şuruburi de 4mm contragreutăţ ile. La aproximativ 7cm tabla suport se îndoaie conform desenului la 90 de grade.

Lungimea sârmei din care se confecţionează antena va fi de aproximativ 160cm. La un capăt sârma se filetează şi cu două piuliţe va fi fixată pe suport în lăcaşul pregătit. Evident se fac întâi cele două spire şi se decupează conform desenului. Din centrul mufei se ia un fir (de preferat liţat, cu diametrul cât al firului antenei) care se va fixa pe bobina antenei. În jurul mufei se fixează cele trei contragreutăţi cu lungimea de 48cm fiecare. Partea verticală a suportului din tablă (de aproximativ 8cm) se fixează cu şuruburi de pilonul de susţinere a antenei.

După ce antena a fost confecţionată se ridică la aproximativ 1,5m de sol şi i se injectează semnal de la un emiţător. Frecvenţa semnalului va fi de aproximativ 145MHz. Între emiţător şi antenă se intercalează un SWR-metru. Se plimbă legătura între mufă şi spira antenei până ce unda reflectată are valoarea minimă. Când am adaptat în felul acesta antena, practic nu mai sesizăm unda reflectată, deci acordul se face foarte bine. Poziţia firului pe bobină, unde SWR are valoarea minimă, va fi fixată prin sudură cu cositor. Cablul de legătură are impedanţa de 50 Ohm.

Varianta antenei din figura 9 este pentru montarea pe autoturism unde mufa se prinde de caroserie, iar antena se rigidizează pe suportul central al mufei. De această dată acordul se face cu un fir care face legătura cu antena şi o parte a bobinei. Tot pentru echipamentele mobile din banda de 2m este şi antena din figura 10 care este tot un 5/8λ. Aici antena este construită din sârmă oţelită cu diametrul de 5mm şi care are la bază 4 spire cu diametrul exterior de 32mm.

Această antenă se fixează de caroseria maşinii printr-un izolator şi nu mai are nevoie de acord electric cu cablul de alimentare. {i în figura 11 este dată o antenă verticală 5/8λ?în banda de 2m pentru fixarea pe caroseria unui autoturism. Aici acordul antenei se face cu bucăţi de cablu de 50 Ohm?a căror dimensiuni sunt indicate pe figură.

Am prezentat câteva antene pentru banda de 2m, dar construţiile pot fi orientative şi pentu CB, evident cu multiplicarea corespunzătoare a cotelor.