O antenă magnetică pentru 2 sau 3 benzi.

O stea2 stele3 stele4 stele5 stele (Nu există încă evaluări)
Încarc...

O antenă magnetică orientată pentru benzile joase în condițiile de minim de propagare.

YO4UQ Cristian Colonati

Condițiile din ce în ce mai grele și restrictive pentru instalarea antenelor de HF în aglomerările urbane au făcut ca să crească preocupările radioamatorilor pentru antene funcționale în spații reduse. Revistele de specialitate recente precum și postările din Internet reflectă acestă tendință prin analize, propuneri și realizări originale. Printre propunerile care au apărut în ultimul timp se remarcă atât ofertele ”home made” cât și cele industriale pentru MLA – Magnetic Loop Antenna. Câteva referințe semnificative din publicațiile anilor 2017 / 2018 precum și link-uri către site-urile unor analiști, comentatori și experimentatori de remarcabili, inclusiv și către câteva firme industriale producătoare sunt menționate în Anexa 1. Grupul de discuții https://groups.yahoo.com/neo/groups/MagLoop/info este deosebit de animat cu radioamatori din toate continentele, de la începători la avansați, care caută soluții, adaptări și oferă exemple pentru propriile realizări. Fiindcă trecem deja printr-un minim profund de propagare, care va mai dura câțiva ani, vom încerca să prezentăm o modelare, o analiză și o soluție pentru o MLA adaptată acestei situații.

Propunerea lui EA3OG – Luis A de Molino (un remarcabil specialist și colaborator al revistei URE – Radioaficionados), expusă în Anexa, a fost preluată și dezvoltată cu modelări succesive (4NEC2) pentru soluții aplicabile la oferta de materiale existente în YO. Ce ne propune Luis? O antenă MLA modelată cu EZNEC pentru banda de 40m și câteva informații privind adaptarea pentru o funcționare monoband. În prezenta expunere vom încerca să dezvoltăm configurația propusă la următoarele obiective:

  • două versiuni constructive pentru 2 respectiv 3 benzi.
  • să folosească optim oferta de țevi de cupru cu diametrele de 10, 12, 15, 18 sau 22mm, cu analiza performanțelor tehnice și economice pentru fiecare variantă constructivă.
  • să ofere o soluție pentru lucrul multiband cel puțin în două benzi 7 și 10MHz sau pentru trei benzi în 7, 10 și 14MHz.
  • o analiză și propuneri de adaptare convenabile pentru lucrul multiband.

Pentru cei interesați este deosebit de utilă consultarea materialului lui N4SPP din https://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop.htm#top-of-page  pentru care s-a atașat în format .pdf și o traducere cu ”Google translate” a acestui interesant material.

Despre configurații. Pentru o realizare comodă cu performanțele teoretice foarte aproape de cele maxime, cu materialele uzuale, configurația buclei în format octogon este convenabilă. Acestă configurație permite două aranjamente spațiale ca cele din figura alăturată. Funcție de amplasament și posibilitățile de montaj se poate alege una din cele două variante.

Varianta 1 (stânga) este convenabilă din punct de vedere al alimentării cu buclă ”faraday” sau sistem gamma (vezi N4SPP) și cu asamblarea prin lipire / sudură a segmentelor octogonului inclusiv a tăieturilor în laturile de montaj pentru alimentare și condensatorul variabil.

Varianta 2 (dreapta) este mai ușor de montat din cele două jumătăți simetrice ale octogonului (dreapta – stânga) sudate separat într-o primă etapă. În final închiderea inferioară după amplasarea unui transformator de RF toroidal, iar la partea superioară adaptarea montajului CV-ului la capetele celor două jumătăți de octogon. Credem că varianta 2 este mai simplă și mai comod de realizat, inclusiv suportul pentru susținerea ansamblului antenei.

Soluția octogonală pentru cele 2 benzi de 40m și 30m este convenabilă din punct de vedere al utilizării materialului. Țevile de cupru cu diametrele menționate de 10, 12, 15, 18 sau 22mm, din care se poate alege pentru construcție unul dintre aceste diametre, au lungimea standard de 6m. Din două astfel de țevi se pot construi laturile octogonului de 75cm fără nici o pierdere de material.

NOTĂ IMPORTANTĂ – La aceste dimensiuni antena magnetică funcționează corespunzător numai în benzile de 7 și 10MHz. Condiția pentru ca un MLA să funcționeze ca antenă magnetică este ca perimetrul ei să îndeplinească relația 1/8λ < p <1/4λ, iar acest lucru este valabil pentru soluția propusă 5,25m<p=6m<10,5m și respectiv 3,75m<6m<7,5m.      În acestă situație pentru acoperirea în condiții de MLA a celor trei benzi 7, 10 și 14MHz este necesară micșorarea perimetrului cu laturile octogonului la 65cm adică 8×0,65=5,2m cu o minimă pierdere de material 2,625m < p=5,2m < 5,25m. Varianta pentru 3 benzi rămâne valabilă și pentru banda de 7MHz cu performanțe de radiație ușor diminuate din cauza scăderii suprafeței antenei.

Despre materiale și SDV-uri. Materialele se pot procura de la magazinele de instalații ca de la https://www.romstal.ro/teava-cupru-pentru-incalzire-si-instalatii-sanitare-c2966.html ; o listă cu principalele materiale și SDV-uri este prezentată în tabelul alăturat cu principalele caracteristici dimensionale și prețuri la 15 februarie 2019.

Celelalte materiale auxiliare și SDV-uri se pot enumera în continuare:

  • Aliaj de sudură pentru îmbinare țevi și fitinguri de cupru 250gr cu 64 de lei (se poate lipi  și cu fludor).
  • Pastă decapantă 100gr 27,50 lei.
  • Pistol de lipit cu gaze + îndemânare (hi!) – arzător ROFLAME PIEZO 1800 – 225 lei.
  • Butelie de gaze C200 SUPERGAS pentru lipituri moi  11,25 lei.

Grosimea peretelui  țevilor nu are nici o importanță electrică deoarece MLA funcționează cu un curent de RF pelicular pe o adâncime de numai 0,02 la 0,03mm.

La funcționarea în aer liber este necesară protejarea suprafeței țevilor antenei cu un strat de lac incolor pentru exterior. Oxidarea superficială a cuprului (înegrire) afectează major randamentul și crește pierderile. Dacă nu aveți îndemânarea necesară și nu vreți costuri suplimentare cu materialele auxiliare și scule, pentru efectuarea sudurilor apelați șa un instalator specialist în rețele de cupru.

Variante de modelare MLA.  Cu ajutorul programului de modelare antene 4NEC2 s-au realizat versiuni pentru toate variantele constructive ale antenelor MLA propuse atât din punctul de vedere al acoperirii celor 2 sau 3 benzi, cu poziționare V1 sau V2, cât și pentru cele 5 variante ale diametrelor de țeavă de cupru din oferta comercială. O sinteză a parametrilor electrici și de radiație care se pot obține este prezentată în tabelele asociate. Toate fișierele *.nec cu parametrii dimensionali, executabile cu programul 4NEC2, sunt oferite într-un fișier .zip anexat acestei expuneri. Schițele dimensionale cu care au fost introduși parametrii de calcul în programul 4NEC2 sunt oferite (pentru cei interesați) în continuare. (V1 și V2). Codificarea antenelor are următoarea semificație: MLA-SL-2B înseamnă Magnetic Loop Antenna – Sursa pe Latura – 2 Benzi iar MLA-SV-3B este un MLA – Sursa pe Vârf – 3 Benzi. În schițele de realizare alăturate sunt specificate cotele spațiale (x,y,z) ale fiecărui punct care intră în fereastra Geometry a programului 4NEC2 pentru definirea structurii constructive a antenei. Sunt specificate inclusiv Tag-urile și numărul de segmente pe fiecare latură.

Înainte de a intra în modelarea propriu zisă cu 4NEC2 s-a folosit programul de calcul realizat de autorul acestor rânduri cu ajutorul pachetului Excel,  utilizând formulele de calcul care guvernează fenomenele EM ale antenelor MLA, cu care s-a realizat o evaluare și determinarea principalilor parametrii electrici de funcționare. Articolul detaliat privind aceste aspecte se poate consulta la https://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=920  de unde se poate descărca. Programul de calcul SOFT_MagLOOP_2007_V2019 este atașat și în Anexa1. Rezultatele calculelor pentru cele două tipuri de antene MLA, pentru două benzi și pentru trei benzi, sunt sintetizate în următoarele două tablouri. Calculele au fost efectuate pentru toate diametrele de țeavă de cupru uzuală existentă în comerț și pentru frecvențele de 7 și 10MHz, respectiv pentru 7,10 și 14MHz. În liniile colorate cu galben din tabele se poate urmării evoluția principalilor parametrilor electrici și de funcționare interesanți pentru o eventuală realizare. Remarcăm creșterea randamentului odată cu mărirea diametrului de țeavă prin scăderea rezistenței de pierderi. Capacitatea de acord C este capacitatea condensatorului variabil necesar. Pentru varianta MLA de trei benzi se poate remarca necesitatea ca valoarea reziduală a capacității condensatorului variabil pentru banda de 14MHz să fie la nivelul capacităților reziduale ale condensatoarelor variabile cu vid adică mai mică de 10pF. Atențiune și la distanța între plăci rotor / stator din cauza tensiunilor mari care apar la puterea de 100watt. O execuție mecanică cât mai atentă este foarte importantă. Vom da în final și câteva sfaturi. Nu este lipsit de interes să consultați și expunerile recomandate în Anexa 1.

De ce este utilă și necesară modelarea în continuare cu ajutorul programului 4NEC2? Vom putea în acest fel să determinăm impedanța de intrare a acestei antene, să alegem modul de adaptare (cu transformator de RF la care determinăm k raportul de transformare, cu sistem Gamma sau cu buclă Faraday) precum și alte elemente interesante ca: randamente, radiația efectivă, diagramele de radiație 3D, evoluția impedanței și reactanțelor funcție de frecvență ș.a. În conformitate cu obiectivul propus de a proiecta o antenă compactă pentru banda de 7MHz în condițiile începutului ciclului solar 25 și a minimului de propagare în benzile superioare vă prezentăm în sinteză rezultatele modelării pentru cele mai bune performanțe ale variantelor de antene MLA cu țeavă de cupru de 22mm, alimentare pe latură sau alimentare la vârf pentru 2 benzi respectiv 3 benzi. Toate fișierele pentru celelalte variante de modelare pentru dimensiunile de țeavă de 10, 12, 15, 18, 22mm și variante de amplasare a alimentării pe latură sau vârf sunt postate în Anexa 1. Au fost folosite cotele spațiale din schițele 1, 2, 3 și 4.

Un exemplu de capturi de ecran pentru cea mai performantă variantă de antenă MLA octogonală pentru banda de 40m / 7,1MHz modelată și optimizată cu programul 4NEC2 este prezentată în continuare. În prima planșă sunt prezentate rezultatele modelării și optimizării pentru un |Xin| minim.

În planșele care urmează sunt prezentate taburile de introducerea datelor în programul 4NEC2 din schițele inițiale în Geometry, în tabul Symbol pentru a selecta valoarea R a razei unui diametru de țeavă de cupru, înălțimea H de montaj al celui mai de jos punct al antenei față de sol, de la care se calculează celelalte puncte ale structurii pe verticală. C este valoarea de rezonanță a antenei la frecvența aleasă optimizată pentru o reactanță minimă. Optimizarea se face lansând din fereastra Main > Calculate > Start Optimizer (F12) pentru parametrul C specificat în tabul Symbol cu o valoare oarecare. În tabul Source and Load s-au specificat sursa și calitatea materialului structurii de radiație. Ultimul tab răspunde la frecvența de lucru și calitatea solului. Pentru modelările noastre am luat sol real / mediu.

Ultima diagramă ne prezintă comportarea impedanței, reactanțelor și a fazei la rezonanță.

Adaptarea cu transformator de RF. Deoarece reactanțele MLA la rezonanță, optimizate cu 4NEC2, sunt neglijabile, raportul de unde staționare SWR este dat de SWR=R0/Rs=50/Rs  unde Rs<<50. Astfel pentru varianta preferată funcționării în 7MHz MLA-SV-2B impedanța de sarcină este Z=0,35+j0,1 iar SWR-ul dat de program este de SWR=143. Raportul pentru spirele transformatorului de RF este dat de k=( R0/Rs)½=(50/0,35)½=(143)½=12 . Văzut din spre TRx 12 spire la 1 spiră bucla antenei 12:1 pentru frecvența de 7,1MHz. Impedanța de sarcină la frecvența de 10,1MHz pentru aceeași antenă este de Z=0,85+j0,08 ceea ce conduce la un SWR de 58,5. Raportul de transformare devine k=(50/0,85)½=(58,8)½=8 deci 8:1. Un compromis mediu cu un raport k=10:1 aduce SWR-urile în limite acceptabile pentru ambele benzi. În 7MHz SWR=1:1,4 iar în 10MHz SWR=1:1,7. Dacă există acces la MLA se poate realiza o comutare de spire între cele două benzi de la 12 la 8 pentru o funcționare perfectă. Pentru realizarea practică a transformatorului de RF recomandăm să citiți indicațiile lui Sorin YO7CKQ postate în Anexa 1. Pentru a putea vehicula puteri mai mari de 100 watt (dacă și tensiunea de conturnare a CV-ului de acord permite) recomandăm tor-urile de ferită FT240-43 sau FT240-61. Un material detaliat privind adaptarea cu transformatoare de RF găsiți în anexă la YO4UQ – Alimentarea antenei magnetice cu ajutorul transformatorului cu ferită.pdf. Pentru alte sisteme de adaptare, la fel de bune dar puțin mai laborioase de executat și montat la găsiți consultând excelentul material al lui N4SPP anexat. N4SPP face și o prezentare a unor adaptări cu transformator de RF la paginile 24-29. Un material despre adaptare cu buclă Faraday este prezentat de autor la https://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=894 cu care lucrez în acest moment.

Unele concluzii. Chiar și în condiții grele de instalare a unei antene sunt soluții pentru continuarea activității.

  • Antena MLA este o antenă ușoară, compactă și economică. Poate funcționa pe balcon, terasă, în curte, într-un spațiu mic față de banda utilizată.
  • Materialele sunt ușor de procurat din comerțul cu furnituri pentru instalații (vezi Romstal ș.a.)
  • După construcție oferă posibilități extinse pentru măsurători și reglaje. Se pretează la realizarea acordului pentru un minim de SWR de la distanță http://tehnic.frr.org.ro/?page_id=1603
  • Asigură o recepție liniștită din cauza unui raport bun de semnal / zgomot într-o bandă îngustă.
  • Proiectarea și eventual realizarea este orientată pentru benzile joase 7 și 10MHz în condițiile de minim de propagare.
  • Soluția MLA este verificată cu mult succes pe realizări practice anterioare.
  • Puteți vedea log-ul de concurs pentru CQWPXRTTY 2019 lucrat cu o antenă MLA de numai 1,1m diametru cu prioritate în 7MHz. YO4UQ
  • Pentru orice mod de amplasare a antenei este necesară protecția suprafeței cu lac incolor. Stratul de oxid de cupru deteriorează substanțial conductibilitatea superficială.
  • Ca orice antenă, încercați să amplasați MLA cât mai departe de obiecte metalice masive, sârme, ancore, stâlpi.
  • Suportul de susținere să nu fie metalic. Utilizați țevi de PVC sau suspendați cu fir izolant (cordelină).
  • Pentru inovații, adaptări și alte soluții găsiți o bogată colecție de realizări pe Inernet și în grupul de discuții din Yohoo.
  • Autorul acestor rânduri vă poate veni în ajutor cu materialele postate pe www.radioamator.ro sau pe yo4uq.jimdo.com

ANEXA 1.

Referințe recente despre MLA în revistele de specialitate ale organizațiilor de radioamatori și câteva variante industriale

  • Radio REF – Alain Reiner F4HFS – no 924, 925, 926 oct/nov/dec 2018 tratează în detaliu construcția, reglajul și acordul manual / automat al unei MLA.
  • Radioaficionados – URE – Luis A del Molino EA3OG – no mai 2018 pag 27 , modelează o antenă magnetică pentru 40m cu programul EZNEC+ cu o propunere de adaptare.
  • CQDL – Hans- Ludwig Nauman Dl6FFB – no 5 / 2018 pag 38 – Loop Antennen fur 70 cm band – O ”mini” antenă magnetică dedicată VHF.
  • CQDL – Jurgen Scafer DL7PE – no 3 /2018 pag 30-33, Magnetic Loop fur SOTA – cu sisteme originale de acord și adaptare.
  • Gruplul de discuții din Internet MagLoop@yahoogroups.com 

Variante industriale

Alte link-uri interesante pentru informații practice

Fișiere 4NEC2 modelate pentru toate variantele de MLA octogonal.

MLA_SL_2B MLA_SL_3B MLA_SV_2B MLA_SV_3B

Descărcați fișierele .zip. Decompresați iar dosarele (folderele) cu fișierele .NEC executabile la mutați în folderul ”models” din C:/4nec2/models

Despre adaptare antenei MLA.

Alimentarea antenei magnetice cu ajutorul transformatorului cu ferită

YO7CKQ_Mister_Toroid

 

 

Comentariile sunt închise.