Adaptarea Antenelor Nesimetrice

Adaptarea Antenelor Nesimetrice

Balun reprezinta acronimul pentru BALanced to UNbalanced, ce defineste un circuit cu un anumit comportament la introducerea sa intr-o linie de transmisie. La modul general, majoritatea circuitelor de radiofrecventa presupun medii de transfer si sarcini prin si spre care energia de radiofrecventa se transmite prin doua fire. In aceasta categorie sunt incluse liniile coaxiale si simetrice, sarcinile (rezistive sau cu reactanta capacitiva ori inductiva precum si antenele de orice fel, inclusiv cele care functioneaza avand ca referinta solul.

Necesitatea acestor dispozitive a aparut din doua ratiuni principale:

-Radiatia parazitica pe exteriorul liniilor de transmisie coaxiale;

-Adaptarea de impedanta intre antena si linia de transmisie.

Radiatia parazitica pe exteriorul liniei coaxiale este produsa de caracteristica curentilor de radiofrecventa de a se stabili la suprafata conductorului, cu atat mai superficial cu cat frecventa este mai ridicata. Astfel, pe un cablu coaxial, avem un circuit stabilit pe trei conductoare si nu doar pe doua, asa cum am fi tentati sa credem. Este evident ca cele doua circuite sunt pe firul central si pe camasa cablului coaxial. Bun, dar unde este al treilea? Pe exteriorul camasii coaxialului, circuit diferit de cel stabilit pe interior. Acest al treilea circuit produce un dezechilibru al curentului de RF al curentului cu care se alimenteaza antena provocand o radiatie parazita a liniei coaxiale. Acest fenomen este de nedorit intrucat altereaza indicatiile SWR-metrelor de la iesirea TRX-ului dar reprezinta si o pierdere, o fractiune de energie care nu este radiata de antena si nu serveste la realizarea legaturii radio. Este, deci, de dorit inlaturarea acestui fenomen.

Adaptarea de impendata caracteristica a antenei este necesara pentru a realiza transferul maxim de energie dintre TRX si antena, exprimat ca randament de transmisie. Evident, energia care nu este transferata catre antena reprezinta o pierdere, fiind evidenta necesitatea reducerii ei. Antenele, in special cele mai scurte decat frecventa de emisie, tind sa prezinte impedante crescute; adaptarea se poate face prin doua metode: circuit acordat sau transformator de banda larga. In trecut, metoda cea mai comoda si ieftina era utilizarea unui circuit acordat. In prezent, ca

urmare a noilor materiale feromagnetice, a devenit mai ieftina adaptarea cu transformatoare de banda larga, impropriu incluse in categoria balun-urilor.

Balun-urile sunt de doua tipuri: de curent si de tensiune.

S-a scris mult despre aceste dispozitive, cantitatea uriasa de informatie existenta fiind de natura sa aduca confuzia in randul radioamatorilor mai putin familiarizati cu aspectele pur teoretice. incerc, in cele ce urmeaza, sa fac o legatura intre antena pe care urmeaza sa o utilizam si tipul potrivit de balun. Deseori am intalnit o serie de preconceptii despre balun-uri. De multe ori ele sunt privite ca un 'panaceu' pentru cresterea randamentului unui sistem TRX-linie de transmisie-antena. Deseori insa, se intampla ca radioamatorul sa nu aleaga corect tipul potrivit de balun, ajungand la concluzia gresita ca antena sau linia de transmisie nu sunt bune.

In cele ce urmeaza, trebuie sa retineti ca orice referire la tensiune sau curent are in vedere referinta ideala a solului.

Balun-urile de curent.

Balun-urile de curent servesc la mentinerea curentilor egali pe fiecare din conductorii liniei de transmisie; respectand Legea lui Ohm, tensiunea pe cele doua linii variaza in raport de sarcina si fata de referinta 'pamant'. Aceste balun-uri se folosesc ori de cate ori dorim sa realizam o separare intre cele doua echipamente conectate la linia de transmisie. Balun -urile de curent sunt dispozitive cu care putem alimenta atat liniile de alimentare (cu RF) simetrice cat si pe cele asimetrice. Pot fi utilizate atat pentru inversarea fazei semnalului cat si ca adaptoare simetric-asimetric sau asimetric-asimetric.

Balun-uri de tensiune

Balun-urile de tensiune au drept scop mentinerea constanta a tensiunii (egalizarea fortata) la iesirea lor. Drept consecinta, curentii pot si vor prezenta variatii majore. Desi se pretinde de catre producatori, un balun de tensiune nu va reusi niciodata sa inlature complet fenomenul radiatiei parazitice pe linia de transmisie coaxiala datorita faptului ca este greu de realizat o sarcina (antena) perfect simetrica!

Antene dipol rezonant

Un dipol este rezonant atunci cand dimensiunile sale sunt calculate pentru o anumita frecventa (sau banda) si este utilizat in respectiva banda sau intr-o alta banda unde frecventa este armonica impara si unde SWR este in mod 'natural' scazut. Formula de calcul (in metri) pentru fiecare din bratele dipolului este 300/F/4. Lungimea efectiva va fi usor diferita de cea rezultata prin aplicarea formulei, in functie de conditiile concrete (inaltime, tipul solului, vegetatie etc) dar nu semnificativ.

Dipolul multiband (Antena Doublet)

band este, in esenta, un dipol calculat cu aceeasi formula ca mai sus, pentru cea mai joasa frecventa din cele pe care urmeaza sa le folosim, dar alimentarea sa cu RF se realizeaza prin linie simetrica (scarita) cu izolatie aer, care pleaca perpendicular pe bratele dipolului pe o anumita lungime.

Potrivit teoriei, cu cat micsoram impedanta liniei de alimentare (simetrica!), cu atat variatia de impedanta in lucrul multiband se diminueaza. Liniile simetrice de 600 Ohm vor avea o excursie a impedantei functie de frecventa mai mare decat o linie de 300 Ohm.

De ce nu am folosi un cablu coaxial de 50 de Ohm pentru alimentarea acestui tip de antena? Simplu, pentru ca pierderile in cablu ar fi extrem de mari! La un SWR de 10:1, la fiecare 30m de cablu coaxial pierdem peste 50% din puterea livrata spre antena in timp ce pe o linie simetrica, pierderea este de maxim 10% la acelasi SWR.

Antenele tip  Windom (derivate din Long Wire)

Antenele de tip Long Wire (LW) sunt antene simple ce constau, dupa cum sugereaza si denumirea, intr-un fir cat se poate de lung. Alimentarea cu RF este la unul din capete, formand un sistem rezonant impreuna cu solul. Drept urmare, sunt antene asimetrice (nebalansate). Antenele de tip Windom, sunt, in esenta, antene de tip Long Wire (LW), diferenta fiind data de situarea punctului de alimentare intre cele doua capete.Vom aborda si antenele LW, dar mai incolo.

Dipolii Windom si antenele Dipol OCF (Off Center Fed)

Versiune a antenei Windom, dipolul Windom este, in esenta, un dipol cu brate de lungime diferita, alimentat printr-o linie simetrica. Sub rezerva realizarii unei simetrizari la locul de conectare a liniei de alimentare, se poate folosi si cablul coaxial, antena devenind astfel un dipol OCF (Off Center Feeded Dipole). Uneori mai este intalnita in lietartura sub denumirea de 'Antena Fritzel'.

Aceste antene prezinta impedanta in gama 450- 600 Ohm in frecventele in care rezoneaza. In functie de locul unde este instalata, acest tip de antena poate rezona pe mai multe frecvente armonice.

Antene verticale L/2

Unele antene cu alimentare la un capat, asimetrice, gereaza curenti pe linia de alimentare, chiar si atunci cand se folosesc balun-uri care au un SWR mic. In aceasta categorie se incadreaza 'dipolul' vertical, indiferent daca este simetric sau asimetric, mai ales atunci cand cablul coaxial 9de regula) care alimenteaza antena coboara in paralel cu elementele antenei verticale (trecand pe langa zone de tensiune maxima). Acest fenomen se poate produce in special atunci cand antenele nu au contragreutati suficient de desfasurate sau cand cablul coaxial insusi actioneaza ca o contragreutate.

In cazul acestor antene (GAP, MFJ, Cushcraft - modelele fara contragreutati sau cu contragreutati reduse), se recomanda montarea unui balun-soc RF pe cablul coaxial, la o distanta de aproximativ 8-9m de antena.

Ca o paranteza, exista o serie de antene, in special log-periodic, cablul coaxial parcurge o aorecare distanta de-a lungul unor elemente pe care circula tensiuni mari de RF. In aceasta situatie particulara, balunul-soc de RF trebuie montat in locul unde cablul paraseste antena, inainte de a a incepe traseul paralel cu mast-ul.

Antene verticale L/4

Antenele in sfert de unda sunt foarte intalnite printre radioamatori. Sunt antene simplu de realizat si ofera mari satisfactii. Cu toate acestea, ele sunt dependente de un sistem de contragreutati. Atunci cand contragreutatile sunt corect realizate, impedanta acestei antene este de 36 Ohm la punctul de alimentare. De cele mai multe ori insa, contragreutatile nu sunt corect realizate. Poate parea paradoxal dar, in cazul in care antena L/4 este incorect realizata, va prezenta o impedanta de 50 de Ohm, adaptarea realizandu-se perfect cu emitatorul.

In aceasta situatie, cu toate ca SWR este de 1:1, antena nu functioneaza la randamentul sau maxim, o buna parte din energia de RF se intoarce pe linia de alimentare. Acest fenomen este cu atat mai pronuntat cu cat inaltimea la care se gaseste antena este mai mare.

Antene Loop orizontale si verticale

Antenele in bucla inchisa de lungime aproximativ egala cu o lungime de unda prezinta o impedanta redusa la frecventa de rezonanta. Spre deosebire de antenele dipol, antenele Loop manifesta scaderea de impedanta atat pe armonicile impare cat si pe cele pare.

Literatura si practica arata ca antenele Loop sunt antene de banda redusa, un SWR acceptabil putandu-se obtine doar intr-o zona restransa a unei benzi.

In utilizarea antenelor Loop putem sa ne confruntam cu una din urmatoarele situatii:

1. Antena este exploatata pe frecventa fundamentala (monobanda)

Antena Loop orizontala sau verticala, la rezonanta, prezinta o impedanta teoretica in jurul valorii de 100 Ohm. Totusi, in practica, datorita efectului solului, antena Loop orizontala va avea o impedanta ceva mai crescuta, in jurul valorii de 200 Ohm.

2. Antena este exploatata in apropierea conditiei de rezonanta

Aceasta situatie o intalnim cand dorim sa exploatam antena intr-o banda intreaga, nu numai pe un segment al benzii precum si atunci cand o exploatam si pe prima armonica para, nu numai pe frecventa fundamentala (ex: Loop pentru 3,6 MHz exploatatat si in 7,1 MHz). Antena Loop va prezenta pierderi moderate la frecventa fundamentala dar acestea vor creste pe frecventa armonica.

3. Antena este exploatata in afara frecventelor de rezonanta

Aceasta situatie survine atunci cand antena este exploatata pe frecvente in afara celor de rezonanta. Un bun exemplu ar fi operarea unei antene realizata pentru benzile 'clasice' in benzile WARC.

Antenele Long-Wire

Antena Long Wire poate fi definita ca o antena orizontala, alimentata la capat in lungime de cel putin L/2 la frecventa de lucru. Impedanta unei astfel de antene variaza intre 200-450 Ohm in functie de lungimea radiantului, inaltimea fata de sol si tipul de sol pe deasupra caruia este intinsa.

Singura cale de a stabili impedanta sa este a o masura sau de a incerca modelarea ei intr-un program de modelare numerica (NEC)

Antene Log Periodic, Romb, V Beam si alte antene de banda larga

Exista o categorie de antene a caror impedanta se schimba foarte putin in functie de frecventa de lucru. Antena Log periodic este un bun exemplu in acest sens. In mod similar se comporta si celelalte antene din titlul de mai sus.

Interesant este ca impedanta acestor antene trebuie determinata prin utilizarea programelor de modelare (NEC) sau cea furnizata de producator (daca este o antena achizitionata ).

In general, antenele comercializate sunt insotite de un balun adecvat, furnizat de producator.

Antenele aperiodice

Aceste antene sunt antene care nu prezinta rezonanta in nici una din benzile utilizate de radioamatori. Cel mai bun exemplu sunt antele BB7V sau BB6W, ambele avand aceeasi lungime a elementului radiant, de 6,4m. Modelarea acestor antene arata ca SWR este minim pentru o impedanta aflata in gama 400-500 Ohm.