L.B. CEBIK, W4RNL

(preluat de pe site-ul www.cebik.com si tradus de YO9FMB, Adrian, cu acordul autorului)

(Aceasta discutie despre antenele verticale a fost initial pregatita pentru Simpozionul FDIM, Dayton 1999)
 
 

10 intrebari pe care ai vrut intotdeauna sa le pui verticalei tale, dar ti-a fost frica.
 
 

Antenele orizontale sunt simple.Verticalele, pe de alta parte, sunt complexe, salbaticiuni misterioase in jurul carora se tes povesti de groaza, mituri si o gramada de informatii gresite.Traim in teroarea inspaimantatorului ground plane nestiind daca avem nevoie de unul, sau daca avem, daca va lucra sau nu.Ne e frica sa-l incarcam pentru ca nu stim unde sa plasam bobina sau unde sa "atarnam o palarie".
Verticalele arata destul de inocent.Ca un schelet cu un singur os, ele stau drepte, intr-o postura cu adevarat militara.Dar noaptea, cand vantul urla, avem cosmaruri in care verticalele se zbat si se indoaie in forme ciudate, inabusind puterea de comunicare a pretioaselor noastre aparate RF.
Cartile abunda de materiale despre antenele verticale.Oricum, majoritatea par a fi exercitii de magie neagra. Adesea arata mai putin ca si cum autorul ar fi stapanit antena verticala ci mai degraba ca si cum verticala l-ar fi stapanit pe autor.Ati observat vreodata respectul cu care se apropie de acest subiect amatorii verticalelor ? Mistica verticalelor este suficienta spre a ameti pe oricine.
As vrea sa fi exagerat subiectul, dar, vai, n-a fost asa.Dintre toate antenele, verticalele starnesc cel mai mare numar de dispute si cea mai disperata intrebare : cum vor lucra ?
Sincer vorbind, nu pot raspunde la aceasta intrebare, si asta doar deoarece cuprinde tot ceea ce trebuie stiut despre verticale.Oricum putem trece in revista un numar de 10 mici intrebari care ne-ar putea ajuta sa nu ne dam batuti in fata lor. Odata ce am aruncat o privire asupra acestor 10 intrebari, sper ca mitul dezinformarii despre verticale se va destrama ca un nor de ploaie si ne va lasa sa continuam sa umplem golurile care le-am lasat in urma.Fiindca telul meu este sa aduc verticalele inapoi pe pamant, si in acelasi timp, sa le scot la suprafata din adancimile intunecoase.Tinta mea este sa fac antena verticala la fel de obisnuita ca si antena orizontala.
Ca in cazul oricarui mister, il vom clarifica punand intrebarile corecte.Cele pe care le-am pus nu sunt singurele care s-ar putea pune si modul de abordare nu este singurul pe care puteam sa-l folosim.Oricum, intrebarile care urmeaza sunt cele bune si ne pot conduce doar la ceva mai multa claritate decat inainte.

1. Ce determina o antena sa fie o antena verticala ?

2. De ce ne mai deranjam sa folosim verticale ?

3. De ce sunt verticalele atat de greu de inteles fata de antenele orizontale ?

4. De ce este contragreutate un cuvant atat de urat?

5. Ce face o verticala sa fie monopol sau dipol ?

6. Ce este “ground plane” ?

7. Cum putem face o verticala scurta sa lucreze bine ?

8. Cum putem face verticalele directive ?

9. Cum putem face "verticale" din fire in mare parte orizontale ?

10. Cat de buna este o verticala ?

Daca munca asta nu a fost suficienta pentru o incursiune in lumea antenelor verticale, atunci am pierdut sensul cuvantului munca.

1. Ce determina o antena sa fie o antena verticala ?

Antenele nu sunt inerent si prin ele insele nici verticale nici orizontale.Tehnica studierii unei antene prin ea insasi este de a o plasa in spatiu liber fara nici un obiect in campul ei, in nici o directie.Daca nu e un punct sau o sfera,antena va avea planuri de radiatie identificabile.Numele traditionale ale planurilor de radiatie sunt planul E (asociat cu campul electric al antenei) si planul H (asociat cu campul magnetic al antenei).Sa privim la fig. 1.Pentru antena Yagi-o antena "foarte planara"- planul E este in linie cu elementii.Planul H face un unghi drept cu acestia.Se pot folosi sageti pentru indicarea directiei campurilor pentru ca:

a. antena este foarte directionala si

b. fiindca elementele definesc un plan major.
 

Desi vom reveni asupra campului magnetic al antenei sau asupra planului H inainte de a termina, sa ne concentram asupra planului E sau campul electric al antenei.Acest camp este in primul rand responsabil pentru comunicatia la distanta mare (desi un camp nu poate exista fara prezenta celuilalt in antena).
O antena simpla ca dipolul are mai multe planuri E posibile.In fig. 2 de mai jos, partea din stanga arata forma unuia dintre ele in timp ce se intretaie cu planul elementului.Partea din dreapta priveste catre element dinspre capat si arata un numar nedefinit de sectiuni traversate sau imagini ale planurilor E realizabile – toate identice.
Asadar, daca vom inclina progresiv figura din stanga in sus se va transforma in figura de mai jos si vice versa.
 

Pentru a observa mai bine fenomenul, iata o reprezentare 3D a acestuia in fig.3.
 

Antena este reprezentata exagerat de mare pentru a se observa mai bine orientarea sa fata de modelul campului.Oricum, aceste campuri sunt reprezentate la distanta arbitrar de mare de antena astfel incat daca as fi reprezentat antena la scara ar fi fost aproape invizibila.
Modelul familiar in forma de gogoasa se poate materializa doar in spatiu liber.Daca plasam orice obiect de o marime semnificativa oriunde in interiorul campului, o parte din radiatie se va reflecta din el sau refracta in jurul lui, distorsionand modelul si “rupand” cel putin o bucatica din gogoasa.
Cu toate antenele folosite-exceptand in spatiul cosmic, probabil-traim intr-o lume a reflexiilor si refractiilor si a modelelor distorsionate.De fapt am invatat sa ne folosim de distorsiuni spre a ne face antenele sa-si indeplineasca mai bine misiunea de a plasa campurile de radiatie acolo unde avem nevoie de ele.
Deocamdata, ne vom preocupa doar de campurile din planul E al antenelor.Daca consideram doar planul E, atunci vom intelege de ce numim antenele polarizate vertical sau orizontal – sau, pe scurt, verticale si orizontale.Tot ce avem de facut este sa le aducem la nivelul solului, ca in fig. 4.Acum avem un plan de referinta, numit suprafata pamantului, fata de care vom compara campurile E ale unei antene.Daca aceste planuri sunt paralele cu suprafata pamantului, antena este orizontal polarizata.Daca campurile fac un unghi drept cu planul pamantului, atunci, ele sunt vertical polarizate.

 
 

Schema este atat de simpla incat veti crede ca nimeni nu poate face vreo confuzie.Oricum, antenele in sine ne dau cateodata prilejul sa facem confuzii.In lumea reala, rareori o antena este pur vertical sau pur orizontal polarizata.In schimb, chiar si antenele pe care la consideram ca apartinand strict uneia din categorii au ceva ceva radiatie remanenta din campul E de polaritate opusa celei dominante.FIG. 5 va arata doua exemple.

Antena de mai sus este dipol orizontal.Ca pur orizontal, asa cum ne place sa consideram dipolul, el detine totusi o mica componenta verticala in mare parte cauzata de reflexiile solului in interactiune cu elementul.Valoarea acesteia este nesemnificativa si nu are nici un efect asupra modelului general de radiatie al antenei.Campul polarizat orizontal nu se distinge de campul total al antenei.
Antena de mai jos este “half-square”, care are o puternica componenta orizontala combinata cu radiatia predominanta verticala.Remanenta are un efect mic, dar determinant asupra modelului general al antenei, asa cum este evidentiat printr-o usoara denivelare in modelul desenat : campul total si cel vertical polarizat al antenei nu este absolut coincident.
Asa ca, atunci cand numim o antena verticala ce spunem de fapt ? Pur si simplu aratam ca orientarea dominanta a campurilor electrice ale antenei fac un unghi drept cu suprafata pamantului.Nimic mai mult, nimic mai putin.

2. De ce ne mai deranjam sa folosim verticale ?

Exista mitul conform caruia, inerent, verticalele sunt inferioare orizontalelor.Cu consecventa, ele sunt intotdeauna ultima optiune, poate atunci cand suntem confruntati cu folosirea unei verticale sau cu a nu folosi deloc o antena.Desi intr-un fel am putea gasi aceasta afirmatie indreptatita, in fapt nu este nici pe jumatate adevarat sau mai degraba nici macar o optime de adevar nu exista in aceasta.

Verticalele isi gasesc cea mai buna utilizare in cateva cazuri bine definite.Sa vedem asadar cateva scenarii de acest fel :

1. De la benzile inferioare de unde scurte pana la VLF, componenta unda de suprafata a radiatiei unei antene este importanta.Din benzile inferioare in sus, unda de suprafata este prea slaba si se pierde prea repede.In radiodifuziunea AM, unda de suprafata poate acoperi o raza de 50 de mile cu o putere modesta (relativ la puterile folosite in radiodifuziune).In VLF, folosind suficienta putere, o unda de suprafata poate inconjura lumea.Undele de suprafata sunt mai eficiente atunci cand sunt polarizate vertical.Iata de ce, antenele de radiodifuziune sunt verticale-pentru a mari puterea de penetrare a propagarii prin unde de suprafata.
2. Antenele mobile din HF pana la UHF sunt verticale din doua motive majore.In primul rand , obiectele in miscare cum sunt masinile sau barcile, nu au suficient spatiu pentru a adaposti antene orizontale.In al doilea rand, antenele verticale tind sa fie omnidirectionale.Pentru comunicatii locale, unde un vehicul poate trece prin multe schimbari de orientare, antena verticala poate furniza un semnal mai puternic si mai constant catre aparatele aflate pe receptie.
3. Propagarea de tip skywave (reflexii pe diferitele paturi ale atmosferei) determina schimbari de polaritate ale undei de-a lungul traseului parcurs, aceasta ducand la eliminarea in mare masura (dar nu total) a diferentelor de polarizare dintre antenele verticale si cele orizontale.Totusi, anumite operatii cer ca antenele sa fie capabile sa transmita si sa receptioneze simultan in toate directiile si la fel de bine.Fiindca antenele verticale sunt omnidirectionale (nu neaparat si ariile de antene verticale), ele sunt adesea cele mai potrivite pentru aceste cazuri.
4. In razboiul dintre antenele verticale si cele orizontale, cele mai multe dintre antenele polarizate orizontal nu au un unghi de plecare al radiatiei maxime suficient de mic ca sa fie potrivit propagarii pe distante mari pana cand aceste antene nu sunt amplasate la o inaltime de cel putin ? lambda.Peste aceasta inaltime antena orizontala este arareori o alegere proasta, dar sub aceasta inaltime comunicatiile la mare distanta vor avea cu siguranta de suferit.Antenele polarizate vertical la nivelul solului sau in apropierea acestuia (ca si cele montate la distanta mai mare deasupra solului) au inerent un unghi mic de plecare al undelor care reprezinta radiatia maxima.

Fiecare instalare are datele ei aparte care determina inaltimea maxima a antenei.Daca 1/2  lambda in 40 m inseamna 20m, 40m pentru banda de 80m si 80 m in banda de 160 m, atingerea unui unghi mic de plecare a undelor radiate este adesea imposibil pentru antenele orizontale.De aceea antena verticala este singura care poate fi aleasa pentru a ne face auziti cat mai departe.
5. Anumite spatii restranse nu permit instalarea de antene orizontale si de aceea o antena verticala cu dimensiuni cat mai compacte pe orizontala este cea mai indicata.

3. De ce sunt verticalele atat de greu de inteles fata de antenele orizontale ?

Numai daca antena verticala este foarte sus deasupra solului –probabil o lungime de unda intre pamant si capatul de jos al antenei-aceasta va interactiona cu pamantul in moduri mai complexe decat interactiunile simple aparute in cazul antenelor orizontale.De aceea, exista un numar de termeni pe care trebuie sa-i stapanim pentru a putea aprecia corect ce se intampla cu o verticala.

Putem ilustra aceasta complexitate printr-o simpla demonstratie. Fig. 6 arata o serie de modele de elevatie de-a lungul axei principale a radiatiei unui dipol orizontal situat la 1/2 lambda deasupra solului.Radiatia antenei orizontale este dependenta de calitatea solului mai mult la o anumita distanta de antena –regiunea numita uneori Fresnel, situata la cateva lungimi de unda de antena.Aici calitatea solului poate afecta reflectia radiatiei in combinarea ei cu radiatia directa spre a forma unda principala.De notat ca de la solul perfect si pana la cel foarte prost, variatiile tariei semnalului sunt relativ mici si foarte regulate.
 

Fig. 7 reprezinta un dipol vertical care porneste de la 3m deasupra solului si are o lungime de 1/2 lambda.Daca am putea avea un sol perfect, antena ar avea un castig semnificativ.Apa sarata (neilustrata in desen deaoarece ar aduce lacrimi in ochii majoritatii utilizatorilor de verticale) este un model de sol(daca se poate spune asa---hi!) aproape perfect pentru antenele verticale.Totusi, deasupra solurilor tipice, taria semnalului reflectat de ionosfera (skywave signal) este redusa considerabil fata de ideal.De notat deasemenea ca schimbarile nu sunt chiar asa de regulate ca la antenele orizontale.Solul sarac produce un semnal skywave ceva mai puternic decat al solului presupus ca fiind cel mai bun.Acest fenomen nu apare la orice inaltime am monta verticala.
Deoarece verticalele sunt atat de interactive cu solul trebuie sa luam cunostinta de comportarea si particularitatile acestuia.De exemplu, in benzile inferioare de unde scurte, radiofrecventa penetreaza solul mult mai adanc decat in benzile superioare.Deoarece solurile sunt foarte adesea stratificate, fiecare strat avand proprietati conductive diferite, nu vom putea fi capabili sa prezicem sau sa modelam cu precizie performanta unei antene verticale pentru banda de 80 m, desi aceeasi antena in 20 m s-ar putea sa fie foarte previzibila.Deasemenea, anumite soluri-ca cele din zonele desertice cu nisipuri sarate-pot suferi schimbari ale proprietatilor in functie de vreme-devenind mai conductive pentru o perioada dupa o furtuna; performanta unei verticale se poate schimba de la o zi la alta.
Chiar daca unele tipuri de verticale – acelea pe care le clasificam de regula ca auto-continute (SCV-self contained verticals)– sunt dependente in cea mai mare parte doar de solurile din regiunea Fresnel, monopolii verticali care folosesc solul ca reflector sunt si ei dependenti de solurile aflate imediat sub antena.De aceea, nu trebuie sa ne preocupam doar de proprietatile generale ale solului, ci, la fel de bine, trebuie sa fim capabili sa distingem intre solurile locale si cele situate la distanta asa cum sunt schitate sumar in fig. 8.
 

Cand un subiect ca solul este plasat in acelasi context cu antenele, obstacolul major in intelegerea antenelor verticale il reprezinta adevarurile partiale care tind sa treaca drept universal valabile. Iata aici cateva, fara prea multe comentarii.

1. Verticalele au nevoie intotdeauna de “planul solului” (ground plane).Gresit.
2. Verticalele sunt omnidirectionale.Nu toate sunt.
3. Verticalele sunt intotdeauna mai slabe ca orizontalele.Nu intotdeauna si depinde catre ce unghiuri de elevatie privesti.De altfel, cea mai puternica receptie poate fi si cea mai zgomotoasa.
4. O verticala scurta este intotdeauna ultima pe care s-o alegi.Foarte gresit.
5. Daca nu poti avea un “ground plane” suficient de mare e mai bine sa adaugi mult sulfat de cupru in solul din curte.Numai daca vrei sa omori iarba.
6. Verticalele sunt periculoase pentru oamenii din jurul ei.De fapt, asta poate fi adevarat numai daca instalam fara grija antena, fara sa dam atentie sigurantei celor din jur.Putem pierde o ora intreaga discutand diferenta dintre expunerea la radiofrecventa (care de obicei nu e o problema, in special la niveluri QRP) si contactul cu radiofrecventa (si inevitabila arsura RF).Ultima este cea care reprezinta pericolul principal pentru cei aflati in zona, dar pentru a preveni contactul cu antena exista o multime de tehnici, de la ingradirea acesteia pana la inaltarea ei suficient de mult.
7. Fiecare verticala are nevoie de contragreutate.De ce ? Sa discutam un pic si despre acest termen.

        4.   De ce este contragreutate un cuvant atat de urat ?

 

Termenul contragreutate vine din contextul sistemelor mecanice.Inseamna o forta care contrabalanseaza,
obicei o greutate la capatul celalalt al unui punct de sprijin.El s-a strecurat in lumea antenelor ca un termen care acopera ignoranta cu sunete impresionante.Daca un ghem de fire pare a fi necesar pentru a face o antena sa lucreze, dar nu exista un nume oficial pentru acea parte a antenei, atunci a fost poreclita contragreutate.Acest nume a fost rezervat de obicei, dar nu intotdeauna, pentru acele parti ale ale antenei care nu par sa contribuie la radiatie.
Nu exista nimic in lumea antenelor care sa corespunda aspectului de greutate “moarta” care caracterizeaza conceptul de contragreutate.Fiecare parte a antenei contribuie la modelul campului acesteia la distanta mare (exceptand acele parti special concepute pentru a anula radiatia).Asadar, nu exista ceva cu rol de simpla contragreutate in componenta unei antene.Trebuie sa facem tot ce se poate pentru a elimina acest termen din limbajul antenelor.
 
 


 

Fig. 9 ilustreaza trei recente aplicatii ale termenului in literatura radioamatoriceasca.
Cazul A implica un fir care merge pe o lungime data de la firul de masa al tunerului antenei la pamant.Totusi, intreaga lungime a firului de la pamant pana la capatul cel mai inalt reprezinta antena, cu punctul de alimentare la antena tunner.
Cazul B trateaza firul cel mai de jos al verticalei de lungime  1/4 lambda ca si contragreutate, desi, in pozitia sa verticala, el constituie cealalta jumatate a dipolului vertical obisnuit.
Al treilea caz (C) este o adaptare moderna a unei foarte vechi scheme care foloseste un al doilea fir la sau aproape de nivelul solului, sub un fir orizontal, parand sa dezvolte o relatie misterioasa intre firul superior si pamant.De fapt, performantele antenei orizontale raman neschimbate si firul devine o piedica pentru oricine suficient de neglijent pentru a se indrepta spre ea.In cel mai bun caz ea poate servi ca reflector parazitic, stricand modelul de radiatie al acesteia.
In fiecare caz, asa-zisa contragreutate, poate fi analizata (si modelata) ca parte a antenei.De aceea, hai sa lasam acest termen la o parte ca pe unul care nu ne mai trebuie si sa-l inlocuim cu termenii specifici care identifica corect partile antenelor.

5. Ce determina o verticala sa fie monopol sau dipol ?

Intrucat am pierdut o buna parte din timp clarificand anumite idei care stateau in calea intelegerii verticalelor, hai sa facem si un progres in adevaratul sens al cuvantului.Una dintre cele mai confuze probleme in care ne putem baga este de a afla cand o verticala este monopol si cand este dipol.
Chestiunea nu e prea dificila daca firul antenei este 1/4  lambda sau mai scurt.Un fir de o lungime de sfert de unda, alimentat la capatul sau, in spatiu liber, reprezinta o situatie imposibila care nu are nici o asemanare cu antena reala, ca aceea pe care noi o putem infige in pamant.Ea are intotdeauna nevoie de o forma de completare-ca pamantul real sau simulat-astfel incat sa putem incarca antena la sau aproape la maximum de curent.
Problema care ne incurca mintile este atunci cand elementul antenei verticale este mai lung de 1/4  lambda.Putem in fapt avea monopoli verticali cu lungimi intre 1/4  pana la 5/8 lambda.Putem deasemenea avea dipoli verticali care se intind de la scurti (1/3 la 3/8 lambda) pana la standard de 1/2  lambda lungime si chiar peste.
Modul in care putem afla care e monopol si care dipol consta in analizarea modului cum este antena alimentata si unde.Ca pozitii avem aproximativ doua alegeri.Putem alimenta antena la capatul inferior sau la mijloc.(Capatul superior este teoretic valabil ca punct de alimentare, dar cu exceptia catorva tipuri de antene sloper aproape verticale).
Ca metode de alimentare avem iarasi doua posibilitati.Se poate alimenta antena la punctul de curent maxim sau undeva in apropierea lui.Putem de asemenea alimenta antena in punctul de maxim de tensiune.Suntem obisnuiti sa adaptam o sursa de impedanta mica, tensiune mica si curent mare la punctul de impedanta joasa al antenei.Ne gandim la aceste puncte ca la baza unui monopol vertical sau centrul ori aproape centrul unui dipol.Alimentarea in tensiune presupune folosirea unui circuit de adaptare cu Q ridicat cuplat la amplificatorul final si antena atasata la sau aproape la capatul “cald” al circuitului.
 


 

Uneori este mai usor sa realizezi antena analizand alimentarea de jos in sus mai degraba decat invers.In exemplul de mai sus (fig. 10), punctul de alimentare se gaseste la 1/4  lambda de capatul radialului.Daca restul antenei este de asemenea 1/4  lambda, atunci alimentarea este similara cu aceea a dipolului, cu o impedanta mai mica atunci cand RF dinspre radiale se auto-anuleaza.Daca portiunea verticala este mai lunga de 1/4  lambda, atunci antena lucreaza ca un dipol asimetric (off center feeded dipol).Punctul de alimentare ramane unul in curent, dar trebuie avut grija de simetrizarea antenei.Desi partea verticala a antenei, cand este separata de radiale devine un monopol asimetric, echilibrul (simetrizarea) se reface cand radialele sunt reconectate si se poate alimenta in curent.


 

Schita din fig. 11 arata magnitudinea curentului de-a lungul fiecaruia din cele 4 radiale pentru un monopol in 1/4  lambda, la sol.Curentul in radiale la punctul de intalnire este 0,25 din valoarea totala de 1 a sursei.De notat varfurile de curent in radiale in apropierea jonctiunii elementelor.
Cazul din mijlocul fig. 10 este suficient de clar prin sine insusi.Antena este alimentata in curent pentru lungimi cuprinse intre 1/3 lambda si aproape 3/4  lambda.Deoarece antena este echilibrata aproape de un maxim de curent la centrul ei, ea nu necesita un plan de radiale pentru echilibrare.


 

In modelul schitat in fig. 12, antena in 1/2  lambda a fost plasata pe un sistem de 4 radiale, fiecare lung de 1/4  lambda.Curbele magnitudinii de curent releva ca in fiecare radial, curentul nu depaseste niciodata 10% din curentul maxim care strabate antena, si varfurile de curent in jur de 50% de-a lungul fiecarui element radial.
Diferenta de castig dintre acest mic model si antena situata la circa 0,66m deasupra sistemului de radiale este mai mica de 0,25 dB fata de aceeasi antena in aceeasi pozitie, dar fara un sistem de radiale.
Ultimul caz din fig. 10 are multe asemanari cu primul fiindca punctul de alimentare este la baza.Totusi, circuitul de adaptare face antena sa fie alimentata in tensiune si maximum de curent se intalneste aproximativ la centrul antenei.Pentru a lucra adecvat antena nu necesita radiale,dar are nevoie de o buna priza de impamantare RF (ground RF return) la amplificatorul de putere.Daca intindem si niste radiale o facem nu pentru corectarea caracteristicilor de radiatie ci pentru a impiedica intoarcerea de RF pe circuitul de adaptare din PA.Desigur, link-ul pentru sistemul de adaptare de impedanta joasa poate fi inlocuit printr-o priza pe bobina principala.



Folosind o antena de 1/2  lambda in aceeasi pozitie deasupra solului ca cea din fig. 12, modelul prezinta acelasi castig ca si versiunea alimentata la centru.Fiind alimentata la capatul inferior, antena prezinta o impedanta ridicata in punctul de alimentare : in jur de 1400 ohmi rezistenta si 4000 de ohmi reactanta.Dar, inainte de a parasi verticala noastra de 1/2  lambda, sa mai incercam un experiment.
Comparati curbele magnitudinii curentului din fig. 13 si din fig. 14 de mai jos.Forma este mai importanta decat valoarea absoluta a maximului aratat.


 

In figura 14, elementul a fost plasat deasupra a 4 radiale.Rezultatul a fost similar celui de la antena 1/2  lambda alimentata la centru si plasata deasupra aceluiasi set de radiale.Diferenta de castig mai mica de 0,1 dB si regiunea maximului de curent ramane centrul elementului.Impedanta sursei este ridicata si curentul in radiale atinge in jur de 10% din valoarea atinsa in centrul elementului vertical.
Acest exercitiu nu are ca scop sa arate ca radialele nu ajuta cand utilizam numai 4.Totusi, aceasta arata ca elementul 1/2  lambda ramane acelasi chiar daca il plasam si alimentam deasupra unui sistem de radiale.
 
 
 

4. Ce este “ground plane” ?

Una din cele mai durabile folosiri gresite a unui termen referitor la antene este sintagma “ground plane”.Nu putem scapa de el (la fel de simplu cum putem stopa folosirea termenului “contragreutate”).Oricum, putem face tot posibilul sa eliminam cateva din concluziile gresite care abunda.

Sa vorbim intai despre cuvantul “plane” din aceasta expresie.Dupa cum apare in fig. 15, planul tipic consta dintr-un aranjament simetric de “spite” (n.t. : radiale) intinse dintr-o parte a punctului de alimentare, cand cealalta parte este un element vertical.Pentru antena obisnuita in 1/4 lambda planul de radiale se intinde tot pe 1/4  lambda lungime.Aproape orice numar de radiale poate fi utilizat atata vreme cat le aranjam simetric.
Jumatatea inferioara a fig. 15 arata ce rol joaca planul : sa inlocuiasca jumatatea inferioara a unui dipol vertical cu o structura care a.)permite ansamblului sa fie rezonant pe frecventa dorita;
b.)permite ca alimentarea in punctul de jonctiune cu elementul sa fie in curent si c.)elimina radiatia parazita.

Se poate folosi un numar impar de radiale pentru realizarea “planului”, dar cel putin trei sunt necesare pentru pastrarea modelului dorit de radiatie circulara.
De notat ca aceasta descriere a planului nu face nici o referire la “ground”.De fapt, o verticala de tip “ground plane” nu are nevoie de pamant (ground) pentru a lucra ireprosabil.
Exista totusi destule intrebari privind planul de radiale al unui monopol vertical.Sa ne oprim , pe rand, asupra lor.

1. De cate radiale am nevoie pentru a atinge maximum de performanta cu verticala mea ?Raspunsul la aceasta intrebare depinde de distanta dintre antena si pamant.Cu cat e mai aproape de sol—sau chiar la nivelul acestuia--- cu atat mai multe radiale sunt necesare.

 

 


 
 
 

Oricum, nu mult deasupra pamantului, continuand sa folosim multe radiale riscam sa deterioram performantele antenei.Dupa cum observam in fig. 16, la inaltimea de 10’(3,048m; in jur de 0,07 wl la 7 Mhz) de la baza verticalei si planului radial, performanta nu e crescuta dubland numarul de radiale la 32 de la un set initial de 4.Cand aceste radiale se intind pe pamant, performanta creste continuu cu fiecare dublare a numarului de radiale.Si va continua sa se imbunatateasca pana la folosirea a circa 120 de radiale.(Deoarece sunt cateva semne de intrebare despre acuratetea valorilor absolute produse de NEC (n.t. : programul de “modelare” a antenelor) pentru planurile antenelor situate in apropierea solului, dar nu in ceea ce priveste acuratetea generala a indicatiilor oferite de acesta, graficul ia in calcul castigul la lucrul cu 32 de radiale ca referinta in ambele cazuri, aratand cel mai mic castig cu numai cateva radiale.0 dB este un punct arbitrar de referinta.
La castigul reprezentat in grafic, putem adauga deasemenea date privind impedanta la punctul de alimentare
pe masura ce schimbam numarul de radiale.Pentru antena inaltata, impedanta sursei se schimba cu mai putin de 1 Ohm indiferent cate radiale folosim.Cu radialele la suprafata solului impedanta se schimba considerabil, cu o variatie a componentei rezistive de 24 de Ohmi si o variatie a reactantei de 65 de Ohmi.Iata de unde si concluzia ca, pentru radialele intinse la nivelul solului un numar de cel putin 30 pana la maximum 120 sunt ideale, in timp ce pentru o antena inaltata pe un turn sau pe un acoperis numarul suficient este de 4 pana la 8 radiale.

2. Ce se intampla daca inclinam radialele fata de antena ?Fig. 17 arata cateva grade de inclinare pe care le-am putea folosi.

 

 
 


 
 
 

Problema radialelor inclinate implica o verticala elevata, deoarece este greu sa inclini, de exemplu, 160 m de radiale la un unghi de 45 de grade in aproape orice fel de pamant (hi).Raspunsul implica doua aspecte ale performantei antenei : castigul si impedanta in punctul de alimentare.Fiecare raspuns este partial dependent de inaltimea la care se situeaza ansamblul antenei.


 
 
 

Fig. 18 raspunde in parte in privinta castigului unei verticale cu 4 radiale la doua inaltimi diferite : 1 wl si 0,2 wl.Antena mai inalta arata o crestere progresiva a castigului (desi lenta) pe masura ce unghiul facut de radiale cu un ipotetic plan paralel cu pamantul continua sa creasca.Cand este inclinat, planul nu mai este un sistem simetric pur neradiant.Radiatia polarizata orizontal este echilibrata si auto-anulata.Radiatia polarizata vertical – care creste semnificativ pe masura ce se inclina radialele—se adauga radiatiei sectiunii verticale.Pe scurt, o verticala cu radiale inclinate, pozitionata pe acoperis, este de fapt o forma a dipolului vertical.
0,2 wl(lungime de unda) pentru punctul de alimentare al verticalei este aproape cea mai joasa pozitie pentru acest test de “modelare”, pentru ca, la inaltimi mici, radialele se apropie de sol.Oricum, apropierea capetelor radialelor de pamant in pante mai abrupte produce un castig mai mic decat inclinarea acestora la 30 de grade pentru care se inregistreaza castigul maxim.
Nu doar castigul se schimba in functie de gradul de inclinare al radialelor, dar acelasi lucru se intampla si cu unghiul de plecare al radiatiei maxime si, desigur, cu impedanta punctului de alimentare.
Tabelul urmator face aceste lucruri mai usor de inteles.
 

Radial              TO              Feedpoint Z
Slopes            angle           (Resistance)
degrees         degrees             Ohms

Height:  1 wl
 0                      26                   21.3
30                     27                   41.3
45                     28                   49.7
60                     28                   55.9
Height:  0.2 wl
 0                     15                   19.4
30                    17                   43.1
45                    18                   56.3
60                    18                   68.6
 

Este evidenta o crestere mai rapida a impedantei pe masura ce inclinarea radialelor creste pentru antena ale carei radiale se apropie mai mult de sol.La o inclinare de 60 de grade, versiunea pentru banda de 40 m a antenei verticale cu baza la 0,2 lambda de sol are varfurile radialelor la 2’(0,6096 m) de sol cu o semnificativa radiatie verticala datorata partii inferioare a antenei.
La fel de evident este mica dar bine definita crestere a unghiului de plecare pe masura ce radialele se apropie de pozitia in care antena devine dipol vertical.Acest fenomen apare deoarece cresterea radiatiei polarizate vertical de la radiale vine dintr-o pozitie mai joasa si aceasta parte a radiatiei are un unghi de plecare mai mare.Unghiul de elevatie al radiatiei maxime este dat de cele doua unghiuri.

3. Ce influenta are inaltimea bazei antenei asupra performantei acesteia ?Putem face un singur test de modelare pentru aceasta intrebare, asa incat raspunsul va fi partial.Totusi, rezultatul scoate in evidenta o fateta interesanta a antenei verticale.Am plasat antene verticale pentru 40 m la o inaltime a bazei de 10,20 si 30 de picioare(3,048m,6,096m si 9,144m).(Inaltimea bazei se refera la cea mai joasa extensie a firului sau firelor antenei.)Am folosit un monopol vertical cu un sistem de 8 radiale si un dipol vertical full-size.Desigur, capatul superior al dipolului a fost cu mult mai inalt (cu 1/4  lambda).Radialele modelului au fost plasate la un unghi de 90 de grade fata de elementul vertical.



 
 

Fig. 19 arata configuratia de baza testata, iar rezultatele la cateva categorii de performanta apar in tabelul de mai jos.

Base Height     Gain    T-O Angle       Feedpoint Resistance
        feet            dBi        degrees                     Ohms

A.  Vertical Dipole

  10                    0.22           16                           79.5
  20                    0.34           15                           70.8
  30                    0.28           14                           68.5

B.  Vertical Monopole with Radial Plane

  10                   0.20            22                          26.0
  20                   0.27            18                          21.8
  30                   0.18            16                          19.8
 

Nu exista o diferenta semnificativa intre aceste antene in privinta castigului.Diferenta maxima de castig este de doar 0,16 dB.Dipolul vertical dezvolta un unghi mai mic de radiatie la fiecare din inaltimile date, fiindca punctul de alimentare este in fiecare din aceste cazuri mai inalt cu 1/4 lambda decat cele ale monopolilor testati.Ca si in cazul celorlalte modele testate, cu cat este baza antenei mai sus fata de sol, cu atat mai mica este impedanta acesteia.Valoarea joasa a rezistentei la punctul de alimentare poate surprinde pe unii, intrucat am spus ca rezistenta de rezonanta la punctul de alimentare este 36 de ohmi.Nu este asa.Peste aproximativ 20’(6,096m) inaltime, rezistenta in punctul de alimentare variaza periodic pentru aceasta antena intre 20 si 22 de Ohmi.Antena modelata e compusa dintr-un tub de aluminiu cu diametrul de 2” (5,08cm)si radiale de aluminiu de 0,25”(~6mm).
Mai semnificativ este varful castigului pentru fiecare tip de antena la o inaltime a bazei de 20’(6,096 m).De fapt, varful apare pentru monopoli la o inaltime ceva mai mica de 20’(6,096 m) si scade mai rapid cand antena e plasata cu 10’(3,048 m) mai sus.De ce castigul are acest comportament devine clar din fig. 20.


 

Modelul unei antene verticale la o inaltime mica dezvolta un singur lob de radiatie.De notat ca antena este relativ insensibila la radiatia care soseste sub unghiuri mari de radiatie.Pe masura ce crestem inaltimea unei verticale, un al doilea lob cu un unghi mai mare se dezvolta.Acest lob atinge un maxim la circa 60 de grade—prea mult pentru a receptiona aproape orice cu exceptia zgomotului atmosferic.
Cei care folosesc antene verticale fiindca au ales asa si nu fortati de spatiul restrans avut la dispozitie, le aleg adesea stiind ca nu pot atinge castigul unei antene cu polarizare orizontala.Totusi, raportul semnal/zgomot este adesea imbunatatit, deoarece parazitii atmosferici sositi la sub unghiuri mari de elevatie sunt redusi.Unele din aceste avantaje la receptie dispar atunci cand plasam antena prea sus si al doilea lob de radiatie se dezvolta la maxim.
Exista si o alta fateta a comportamentului antenei verticale si care iese in evidenta in special in zonele urbane, suburbane si cele impadurite.Nu pot proba aceasta cu un model, ci doar prin experientele multor utilizatori de verticale printre care ma numar si eu.Fenomenul este asa numita “vegetatie mancatoare de radiofrecventa”.In campiile imense ale Americii, o verticala montata pe sol isi gaseste cel mai bun amplasament, cu nimic altceva decat campurile intinse pe mai multe lungimi de unda in toate directiile.In amplasamentele inghesuite, prezenta structurilor masive—naturale sau construite de om—par sa impiedice verticalele montate pe sol sa isi atinga adevaratul potential.De aceea, amplasamentul inalt pentru un monopol vertical—de exemplu un acoperis—devine o alegere mai buna.Amplasamentul mai inalt este in special potrivit pentru monopolii verticali multi-band produsi de cele mai multe companii comerciale.
Un al doilea motiv pentru inaltarea antenei este prezenta surselor de zgomote apropiate (diferitele scule si alte masinarii care produc RF din scantei).Mare parte din acest zgomot este polarizat vertical , si se propaga in apropierea solului ca o unda de suprafata.Inaltarea antenei poate adesea, dar nu intotdeauna, sa reduca nivelul zgomotului din aceste surse.Intrucat sursele de zgomot pot fi foarte complexe, tactica nu este universal valabila, dar merita incercata in zonele urbane zgomotoase.

4. Ce determina planul de radiale al monopolului sa se comporte ca un plan de pamant (ground plane) ?Un plan de pamant este, asadar, simpla completare a unui monopol, in fapt transformandu-l pe acesta intr-un dipol cu o jumatate inferioara care radiaza putin sau deloc.Dupa cum am aratat prin numeroase exemple, un efect al al contactului cu solul este valoarea ridicata a impedantei la punctul de alimentare, pe care multi analisti au interpretat-o traditional ca fiind suma impedantei naturale a antenei si a ceva numit “pierderi in sol”.

4. Cum putem face o verticala scurta sa lucreze bine ?

cu inductanta la baza, cu inductanta la mijloc, cu capacitate terminala si hibrid cu inductanta si capacitate terminala.Vom sari peste hibrid, intrucat este destinat in special lucrului in mobil, unde antena este super-scurtata.

Metodele de incarcare ne pun in fata unei dileme.Cea mai buna metoda din punct de vedere electric este cea mai dificil de implementat mecanic.Folosirea inductantelor este metoda cea mai directa, dar cea a capacitatii terminale ridica probleme mecanice dificile.De aceea, sa aruncam o privire rapida la cateva aspecte ale verticalei scurte cu capacitate terminala.
Pentru a examina variatele scheme de incarcare, am ales pentru test un monopol cu plan radial, full-size in 40m, plasat la 0,1’(0,03 m) deasupra solului si folosind 16 radiale.Am redus apoi inaltimea la jumatate fara sa schimb sistemul de radiale.Apoi am introdus diferite metode de incarcare.Incarcarea la baza necesita 282,2 Ohmi sau 6,28 microHenry.Folosirea inductantei la mijloc necesita 456 Ohmi sau 10,15 microHenry.Am presupus pentru test un Q de 300 ca fiind o valoare ce poate fi atinsa.Capacitatea terminala consta din 4 spite cu diametrul de 0,25"(~6 mm) fiecare lunga de 9,1’(2,77 m).In tabelul de mai jos, castigul este prezentat luand ca referinta (0dB) monopolul full-size.

Antenna              Relative             TO Angle             Resonant Source
                            Gain dB              degrees                Impedance Ohms

Full-size                 0.00                      26                              38.8
Base-loaded         -3.03                     28                              18.5
Mid-el. load         -1.52                     28                               21.3
Hat-loaded           -0.47                     27                               24.7
 

Tabelul nu contine nici o surpriza, relativ la prejudecatile pe care tindem sa le avem despre antenele verticale.Totusi, diferenta in ceea ce priveste castigul intre monopolii incarcati la baza si cei incarcati la mijloc arata de departe mai putine diferente in cistig sau in celelalte privinte pentru a exista vreo diferenta in folosirea lor.
Ceea ce produce diferenta de castig intre antenele incarcate la baza si monopolii incarcati la mijloc este apropierea sistemului de incarcare de pamant si de planul de radiale.Cuplajul inductiv intre parti sau elementul pricipal si radiale difera mult de la un caz la altul.Este de aceea bine pentru verticalele tip “bici” folosite in mobil sa se plaseze bobinele cat mai sus posibil.

Castigul mai ridicat si impedanta sursei modelului cu capacitate terminala relativ la alte forme de incarcare este aparent clar.Ce este mai putin bine inteles este ca o capacitate terminala poate fi compusa din orice numar de spite si ca aceste spite pot fi folosite ca atare sau cu varfurile unite de un fir.Fig. 23 arata rezultatele unui studiu pe care l-am realizat cu un monopol rezonant la 3 Mhz si capacitati terminale de ambele tipuri.

Fig. 24 arata raportul de unde stationare in banda de 40m pentru antenele din ultimul tabel prezentat.Fiecare curba are ca referinta punctul de rezonanta al antenei, care este la 7,15 Mhz.Desigur, antena full-size are cea mai larga curba a SWR-ului, urmata indeaproape de cea a modelului cu capacitate terminala.
Fiecare monopol vertical cu plan radial aflat aproape de sol sau chiar pe sol poate oferi surprize, inclusiv surpriza de a functiona bine.Cel mai rau caz, modelul cu incarcare la baza, este mai slab cu doar 3 dB fata de monopolul full-size, ceea ce inseamna doar jumatate dintr-un punct S.
Intilnim surprize similare si in cazul dipolului vertical scurtat.Putem inca obtine o suficient de buna performanta de la un dipol cu o lungime de 25% din lungimea normal necesara.Secretul este sa minimalizam pierderile in incarcarea sistemului si in conexiunile adiacente.

Fig. 25 arata cateva metode de incarcare a unui dipol vertical.Fata de modelele deja cunoscute apare si asa-numitul sistem Moxon scurtat cu radiale si reactanta.Toate aceste sisteme sunt utilizabile.
Sistemele din partea superioara a desenului reprezinta antene cu dubla capacitate terminala, fiecare la cate un capat al dipolului,care ramane alimentat la centru.Scurtarea in mod egal a elementelor la ambele capete si folosirea de capacitati terminale cu orice numar de radiale este o incercare si o tehnica reala si pentru dipolii verticali precum si pentru cei orizontali.
Ca experiment, am proiectat un dipol vertical pentru 7 Mhz, cu lungime cam 1/4  din cea normala:17,5’(5,3 m) lungime din aluminiu de 1,25 “(3 cm) diametru.Baza antenei a fost aleasa la 4,5‘(1,37 m) deasupra solului, cu capatul superior la 22’(6,7 m).Apoi, am imaginat 4 tipuri diferite de a incarca antena:

1. Inductor la centru : 1201 Ohmi sau 27,3 microHenry, cu rezistor de 4 Ohmi inseriat pe bobina pentru Q=300.
2. 2 inductori plasati aproximativ la jumatatea dintre punctul de alimentare central si capete, fiecare de 1096 Ohmi sau 24,9 microHenry, cu un rezistor de 3,65 Ohmi pentru un Q=300.
3. Capacitati terminale compuse din 4 spite, fiecare de 9,35’(2,84 m) lungime si un fir de perimetru, toate din aluminiu si un diametru al capacitatii terminale de 0,125”(3 mm).
4. Fire “double-Tee” din aluminiu, de 0,125”(3 mm) diametru fiecare fir avand 46,6‘(14,2 m) lungime.

Antenna              Relative             TO Angle             Feedpoint Z
                            Gain dB              degrees              R +/- jX Ohms

Center load          -2.3                        26                   11.6 - j 0.1
Mid-el. load         -2.1                        26                   18.0 + j 0.1
4-spoke hat          -0.3                        27                   28.2 - j 0.3
Double-Tee           0.0                        27                   26.9 + j 0.4
 

Versiunile de antena cu inductori au castigul semnificativ mai slab decat versiunile cu capacitate terminala.Aceasta se datoreaza pierderilor in inductori.Impedanta antenei cu inductor la centru (center load) va fi in jur de 7,5 Ohmi, in timp ce a versiunii “mid-element” va fi in jur de 18 Ohmi.Impedantele mai inalte in punctul de alimentare din figura de mai jos reflecta pierderile in inductori.
 

Intre cele doua versiuni cu capacitate terminala nu este mare diferenta cu exceptia unor particularitati de instalare, poate.Dupa cum observam in fig.26, diferenta de castig reflecta o usoara ovalizare a modelului obtinut pentru versiunea “double-tee” catre capatul firelor.(O usoara indepartare de modelul circular de radiatie apare deasemenea in cazul monopolului “single-Tee” plasat in apropierea solului.Un monopol in 1/4 lambda deasupra unui plan de 16 radiale la nivelul solului, arata aproape acelasi castig si acelasi unghi de plecare ca acesti dipoli verticali.)Desigur, pe langa cele descrise, mai pot aparea si alte versiuni.Cele de mai sus demonstreaza doar fezabilitatea tehnicii.

4. Cum putem face verticalele directionale ?

Doua tehnici mai des intalnite pentru creearea ariilor de verticale implica lucrul in faza al elementilor ansamblului sau folosirea elementilor parazitici.Fig. 27 arata pe larg diferentele in performanta anticipata.Elementele in faza pot produce un nul mai profund in spatele sistemului, depasind adesea 30 dB relativ la maximum de castig obtinut in fata antenei.Totusi, nulul ariei fazate se extinde doar asupra a circa 60 de grade deasupra orizontului.Raportul fata-spate al aranjamentului parazitic depaseste cu aproximativ 10-12 dB.Ca o compensatie la un raport fata-spate mai slab, construirea ariei parazitice se realizeaza mai usor, in timp ce tehnicile de fazare necesita calcule laborioase si o constructie atenta.
O arie de doua elemente produce un lob frontal mai larg.Chiar si cu tehnicile de inversare a beamului, mare parte din orizont ramane in afara lobilor principali.Cea mai simpla tehnica pentru a acoperi intregul orizont cu elementi verticali este de a folosi 3, dispusi in triunghi, si de a-i comuta.Sa examinam pe scurt variantele full-size si pe cea scurtata ale ariilor de dipoli verticali pentru a vedea ce se intampla.

Fig. 28 ne arata trei dipoli verticali cu bazele la 10’(3,048 m) deasupra solului.Pentru 40 m, dipolii sunt lungi de 65,9’(20,08 m), iar pentru 30 m sunt de 46,3’(14,112 m).Triunghiul pentru 40 m are latura de 22’(6,7 m), iar a celui de 30 m este de 15,5’(4,72 m).De la fiecare dipol pleaca un segment (stub) de coaxial de 50 Ohmi (RG-213, VF=0,66) care se extinde catre cutia de jonctiuni.Stub-ul pentru 40 m este lung de 16,4’(4,99 m), iar pentru cel de 30 m are 11,7’(3,56 m).
Pentru fiecare directie un stub este conectat la coaxialul care vine de la aparatura.Celelalte doua stub-uri sunt astfel taiate spre a forma reactante inductive care lungesc electric elementii pentru o marime optima a reflectorului.O vedere asupra cutiei de jonctiuni apare in fig. 29.
 

Rezultatul este o arie comutabila in trei directii care poate acoperi intregul orizont , dupa cum se poate observa in fig. 30.
 

Castigul ariei este cu circa 3dB mai mare decat al unui singur dipol vertical la aceeasi inaltime.Sistemul de reflector dual aduce un raport fata-spate in jur de 12dB.Desi aria este relativ simplu de construit exista totusi problema gasirii unor suporti inalti pentru dipolii verticali.
Putem deasemenea realiza o arie din dipoli scurtati, cu capacitati terminale, folosind in principiu aceeasi distanta de 22’(6,705 m) intre elementi ca si la aria de dipoli full-size.Elementii pot fi fixati dupa cum se arata in fig. 31.

Impedanta in punctul de alimentare pentru elementul director va fi in jur de 25 Ohmi.Micsorand putin lungimea verticalei (sau a capacitatii terminale), impedanta devine reactiv-capacitiva.Daca introducem un “hairpin” (segment de linie de transmisie) sau o bobina peste punctul de alimentare, realizam o adaptare beta (beta-match) pentru a aduce impedanta la aceea de 50 Ohmi a cablului coaxial.

Castigul ariei scurtate este cu circa 2,5 pana la 3dB peste acela al unui singur dipol vertical scurtat, si mai bun cu aproximativ 12dB la raportul fata-spate.Desi aria scurtata nu poate atinge castigul ariei verticale full-size, merita a fi folosita pentru directivitatea sa.
 

9.Cum putem realiza verticale din fire in mare parte orizontale ?

Radiatie polarizata vertical poate fi generata nu doar de elemente verticale.Putem construi antene polarizate vertical din loop-uri, generic cunoscute ca SCV-uri ( self-contained vertically polarized large wire loops).Fig. 33 ne arata cateva dintre acestea.

Fiecare dintre aceste versiuni ale SCV produc un model de radiatie bidirectional, pornind de la oval larg pentru delta-loop pana la forma de aluna data de loop-urile in forma de dreptunghi sau jumatate patrat.Toate antenele au punctul de alimentare la 1/4  lambda de la centrul laturii de sus sau de la varf (delta), ceea ce accentueaza la maxim radiatia polarizata vertical.Firul de conectare dintre punctul de alimentare si cel situat exact vis-a-vis actioneaza ca o linie de fazare, avand lungimea de 1/2 lambda, si in care faza curentului se inverseaza.Tensiunea si curentul in punctul opus celui de alimentare este egal ca marime si opus ca faza, creeand o pereche de verticale in sfert de lungime de unda care lucreaza in faza.Radiatia este perpendiculara pe planul ariei.Antenele nu necesita ground plane sau un tratament special al solului de sub ele.
Daca spatiul permite, constructorul poate dezvolta versiunea dubla pentru cateva dintre SCV- urile prezentate, marind astfel castigul si imbunatatind directivitatea, dupa cum se arata in figura 34.Tabelul de mai jos da cateva indicatii generale asupra performantelor relative ale catorva din configuratiile descrise la frecventa de 7Mhz si o inaltime de 50’(15,24 m).

Antenna              Gain          Front-Side           TO Angle              Feed Z
Name                   dBi            Ratio dB              degrees              Z = R Ohms

Equi. Delta          1.5                - 3                         18                        135
R.-A. Delta          1.9               - 5                         20                         60
Dbl R-A Delta     3.7               -12                        20                         40
Sq. Quad              1.6               -4                          18                        145
Dia. Quad            1.5               -4                          16                        135
Rect. (MS)           3.0              -12                        17                         15
Dbl MS                3.3              -12                        17                         80
Open DMS          4.5              -25                        16                         30
Half Square         3.4              -15                        18                         65
Bobtail                 5.0              -28                        18                         40
 
 

In figurile de mai sus nu toate antenele sunt plasate la inaltimea optima.Fiecare tip de SCV are o inaltime optima la care ar trebui plasata.Sub aceasta, interactiunile cu solul reduc semnificativ castigul, deasupra acesteia, castigul lobului cu unghi de plecare mic (si favorabil dx-ului) scade, pe masura ce un al doilea lob cu unghi ridicat de plecare se formeaza.Cand urmarim sa profitam de pe urma unghiului mic de plecare dezvoltat de SCV, datorita rejectarii QRM si QRN sosite sub unghi mare, lobul secundar dezvoltat reduce performanta dorita.
Doua precautii sunt absolut necesare in cazul SCV daca vrem sa obtinem de la ele rezultatele optime.In primul rand, sa nu aveti asteptari exagerate din partea lor.Sunt capabile de castig si directivitate fata de un monopol sau un dipol vertical.Totusi, castigul este mai mic decat cel al unui dipol orizontal plasat la cel putin 1/2 lambda deasupra solului.In schimb, deoarece dezvolta un singur lob, cu un unghi mic de plecare al undelor, utilizatorii acestui tip de antena se pot astepta nu neaparat la un semnal mai puternic la receptie, ci la un raport semnal/zgomot mai bun in cazul statiilor DX.
In al doilea rand, proiectati-le cu grija.Proiectarea si constructia la intamplare pot aduce mari dezamagiri.In afara de inaltimea optima, fiecare SCV are o forma optima pentru castig maxim.In anumite cazuri, raportul dintre latura verticala si cea orizontala poate varia in functie de frecventa.
 

Desi fiecare SCV este in sine o arie de doua elemente fazate, putem crea un beam folosind doua SCV- uri.Fig. 35 ofera ca exemplu o pereche “half-square” reversibila.Lungimea coaxialului de la reflector este aceeasi cu cea de la punctul de alimentare al elementului director pana la cutia de conexiuni.Comutand pe alimentare directa sau scurtcircuit, linia devine din linie de alimentare un segment inductiv-reactiv in scurtcircuit care lungeste electric elementul director transformandu-l in reflector.Metoda se poate aplica intr-un mod asemanator si la alte tipuri de SCV pentru a obtine un beam reversibil.
 

Figura 36 arata performanta anticipata pentru un astfel de beam cand este plasat la inaltimea optima deasupra solului.Cu un castig pe directia principala de radiatie cu circa 3dB mai mult decat un simplu “half-square”, si in cel mai rau caz 18 dB ca raport fata-spate, antena ofera un unghi excelent de plecare pentru DX pentru amatorul care are conditiile necesare instalarii.Aceasta ultima afirmatie presupune, desigur, sa poata orienta antena pe directia dorita.
Deoarece SCV-urile necesita doar sarma si cateva accesorii, ele formeaza o alternativa atractiva pentru unele amplasamente la structurile complexe din aluminiu.Pentru fiecare banda, inaltimile necesare amplasarii sunt modeste comparativ cu inaltimea necesara pentru o antena orizontala cu performante similare.Pe de alta parte, mai avem totusi nevoie de cativa copaci inalti sau alte tipuri de structuri capabile sa sustina firul.

10. Cat de “buna” este o verticala ?

Raspunsul la aceasta intrebare depinde de ce vrem sa luam in considerare ca bun.Daca ceea ce dorim este o antena pentru benzile inferioare care sa ofere un castig sporit la unghiul optim de radiatie si receptia sa ofere un raport semnal/zgomot bun, dar nu neaparat si o mai mare tarie, pentru operatiunile DX, atunci una sau alta dintre verticalele trecute in revista s-ar putea dovedi alegerea potrivita.De exemplu, beam-ul “half-square” de care am vorbit mai devreme va depasi un Yagi plasat la aceeasi inaltime de 95’(28,95 m) in lucrul la DX, desi la distante mai mici acesta va fi mai bun.Figura 37 ne arata acest lucru.
 

Yagi are un castig brut mai mare, dar mare parte din puterea radiata de el pleaca sub unghi prea mare pentru majoritatea DX-urilor, cand inaltimea antenei este in jur de 1/3 lambda.Beam-ul “half-square” plasat la aceeasi inaltime asigura un castig mai bun la un unghi mai mic de plecare.
“Instalatiile” mai modeste pot aduce mai putina performanta, dar pastrand acelasi model : contacte mai bune la distanta mare si semnale mai slabe de la statiile apropiate. Totusi, chiar si acestea trebuie atent proiectate si construite pentru a atinge maximum de performanta pe care o verticala il poate asigura.Pentru un monopol montat pe sol 4 radiale vor imbunatati semnalul, dar 30 de radiale vor aduce mai mult, iar 60 sau peste vor face antena sa lucreze la parametrii maximi.
Instalarea cere deasemenea mare atentie la imprejurimi.Verticalele montate pe sol sau in apropierea lui tind sa fie susceptibile la absorbtia semnalului de catre sol si a zgomotului produs de surse artificiale.Un teren liber pentru cel putin o lungime de unda sau chiar mai mult, este necesar pentru rezultate deosebite.
Pentru locuitorul din oras sau suburbii, o verticala montata la inaltime va fi mai buna.Un acoperis de cel putin 20’ (~6 m) sau 30’ (~9 m) inaltime poate reduce zgomotul local , in special pentru verticalele multi-band cu trapuri.Dar, daca antena este un monopol in 1/4  lambda trebuie sa se utilizeze un sistem de radiale.Personal recomand cate 4 radiale pentru fiecare banda aranjate cat mai simetric posibil.
Instalatiile urbane si suburbane plasate la inaltime trebuie sa acorde atentie la sistemul de impamantare contra fulgerelor si electricitatii statice, dar pentru majoritatea verticalelor elevate trebuie realizata izolarea RF a antenei fata de pamant.Indiferent daca circumstantele ne determina sa folosim o verticala sau decidem noi insine aceasta din alte motive, cheia unei constructii si folosiri reusite este buna intelegere a felului cum verticalele lucreaza.Scopul meu in scrierea acestor note a fost sa scot in evidenta cateva moduri neortodoxe de a gandi despre verticale.
Chiar cand le abordam cu atentie, antenele verticale raman totusi subiectul unei multimi de variabile care in mod normal vor invinge analiza precisa facuta asupra lor.Solurile care afecteaza modelul campului la distanta sunt adesea imposibil de luat in calcul pentru majoritatea instalatiilor radioamatoricesti.Anumite aspecte ale operatiilor cu antene “ground-plane” sunt in curs de reanalizare si remasurare.Intre timp, anumite fatete ale verticalelor sunt disputate vocal, ca si cum tonul ridicat ar putea face masuratorile sa iasa cum ne dorim.
Asta nu inseamna ca nu putem invata mai multe despre verticale sau ca nu le putem folosi efectiv.Gandirea clara merge mai departe evitand “ameteala” care in trecut a infectat studiul si folosirea antenelor verticale.
 
 

Soil Description                                             Conductivity              Permittivity                   Relative
                                                                           in S/m               (Dielectric Constant)          Quality

Fresh water                                                        0.001                             80
Salt water                                                            5.0                                81
Pastoral, low hills, rich soil, typical from
Dallas, TX, to Lincoln, NE                              0.0303                            20                          Very Good
Pastoral, low hills, rich soil, typical of OH
and IL                                                                  0.01                             14                              Good
Flat country, marshy, densely wooded, typical
of LA near the Mississippi River                    0.0075                           12
Pastoral, medium hills, and forestation, typical
of MD, PA, NY (exclusive of mountains and
coastline)                                                            0.006                            13
Pastoral, medium hills, and forestation, heavy
clay soils, typical of central VA                         0.005                           13                              Average
Rocky soil, steep hills, typically mountainous  0.002                         12-14                               Poor
Sandy, dry, flat, coastal                                     0.002                            10
Cities, industrial areas                                       0.001                            5                               Very Poor
Cities, heavy industrial areas, high buildings   0.001                            3                           Extremely Poor