Analiza programelor de proiectare pentru antenele magnetice.

                                    YO4UQ – Cristian Colonati

De ce antene magnetice?

Antenele magnetice se numesc aşa deoarece energia în câmpul radiant apropiat este înmagazinată majoritar în componenta magnetică (H) şi foarte puţin în cea electrică (E). Pentru “Magnetic LOOP”, din cauza unui curent mare de radio frecvenţă care trebuie să circule printr-o buclă de rezistenţă foarte mică, pentru a se obţine o eficienţă de radiaţie rezonabilă, conductorul buclei este realizat din ţeavă (tub) de cupru sau de aluminiu pentru a evita pierderile disipative.

O explicaţie extrem de clară şi intuitivă este făcută de către Florin YO8CRZ – VA7CRZ în lucrarea sa “RADIOTEHNICA – Teoretică şi practică” cap.1.6 pag.11 şi 17, citez selectiv:

…” Relaţia de amplitudine dintre câmpul electric şi cel magnetic se schimbă cu distanţa faţă de sursă (antenă) şi în plus depinde şi de natura sursei”… adică electrică (E) sau magnetică (H)…

…” Oriunde de-a lungul undei electromagnetice ce se propagă într-un mediu omogen, raportul între componenta electrică şi cea magnetică este constant. Cu două excepţii: în imediata apropiere a unei antene, în aşa numita zonă de câmp reactiv sau la traversarea unui mediu cu altă impedanţă”…

…” În zona de câmp reactiv apropiat antenele de tip Magnetic Loop favorizează componenta magnetică a câmpului”….

…” Cum rezistenţa de radiaţie a unei antene atât de scurte este foarte redusă (<1ohm), curentul în buclă atinge valori considerabile şi de aici caracterul preponderent magnetic”…

Antenele Magnetic Loop sunt foarte bine documentate teoretic. Principalele programe de proiectare disponibile pe Internet, elaborate şi publicate în decursul anilor la momente diferite, răspund într-o mai mare sau mai mică măsură calculului parametrilor de funcţionare depinzând de includerea în algoritmi a informaţiilor primare privind: materialul, forma geometrică, numărul de spire şi spaţierea acestora. Fiecare autor s-a concentrat pe varianta de proiectare / execuţie pe care a considerat-o prioritară din punctul său de vedere în momentul elaborării. Vom încerca să facem o analiză a acestor programe şi să oferim pentru radioamatorii YO suportul teoretic şi un program de proiectare care să acopere în cea mai mare parte variantele posibile de realizare. Urmărim prin această intervenţie să lăsăm la alegerea fiecăruia varianta pe care o consideră optimă din punct de vedere funcţional şi economic.

  1. Scurtă istorie şi câteva referinţe locale.

Până a ajunge la comparaţii tehnice cred că este bine să prezentăm un scurt istoric al evoluţiei antenei magnetice pentru radioamatori.

  • Prima aplicaţie practică a unei antene magnetice la nivelul radioamatorilor s-a realizat în 1968 de către “staff”-ul tehnic al ARRL care a construit o buclă octogonală pentru banda de 80m având ca inspiraţie un proiect al unei antene militare folosită în Vietnam. Rezultatele acestui experiment nu au fost concludente din cauza unui nivel prea mare al rezistenţei de pierderi şi în consecinţă o eficienţă scăzută.
  • În 1983 DL2FA Hans Wurtz concepe, experimenteză şi publică rezultatele în cq-DL 2, 3, 4, 5/1983 pentru sistemele de alimentare pentru antenele magnetice mult mai eficiente decât precedentele. Pune de fapt bazele teoretice cu care vor lucra în continuare radioamatorii americani.
  • O tratare completă, o prezentare documentată în folosul radioamatorilor, însoţită de formule dimensionale şi calculul parametrilor de funcţionare este făcută de W5QJR – Ted Hart şi publicată în QST iunie 1986. Ted Hart scoate şi o carte: ” Small High Efficiency Antenna – THE LOOP” în care sunt date toate detaliile cunoscute la accea vreme incusiv elementele constructive. Antena descrisă este o buclă octogonală cu un diametru de cca 1m (perimetrul 3m) cu acord continuu în benzile de 14 la 28MHz. Această antenă a primit premiul 2 în concursul ARRL din 1985 (QST februarie 1985) la secţiunea pentru sisteme radiante de înaltă eficienţă.
  • În luna septembrie a aceluiaşi an 1986 în Radio Rivista din Italia apare traducerea articolului din QST realizată de către I1ZCT – Rosel.
  • Din acest moment radioamatorii declanşează o adevărată ofensivă de studii şi experimentări privind antenele magnetice. Aşi menţiona suita de articole realizată de I1ARZ în numerele 1, 2, 3, 4 şi 5 ale Radio Rivista din anul 1988 cu explicaţii detaliate privind funcţionarea şi construcţia antenelor magnetice. Deja apăruse şi o importantă bibliografie precum şi primele oferte comerciale în Anglia şi SUA. Puţin mai târziu şi în Germania cunoscuta paletă de antene AMA.
  • Prima semnalare semnificativă în YO este realizată în revista “Radioamator YO” din decembrie 1990 făcută de editorul revistei de atunci YO3JW – Pit. Pit descrie detaliat realizările practice ale antenelor magnetice făcute de DL6RAL din cq-DL 5/90 şi DL5FXS din cq-DL 7/87 precum şi semnalarea comercială pentru “ISO-LOOP HF” din SUA. Cam atât despre scurta istorie a MagLOOP.

Forţat de imposibilitatea de a ridica antene pe terasa blocului de la Brăila, în anul 1996 am realizat prima mea antenă magnetică cu care am lucrat şi apoi am publicat în nr. 6/1997 al revistei noastre R&R un articol detaliat despre antene magnetice în spiritul bibliografiei existente la aceea vreme şi a propriei experienţe. Ca urmare a acestui articol îmi aduc amite cu plăcere de realizarea lui YO2RR (ex. YO2BEH) Nelu Branga pentru o antenă de mari dimensiuni pentru 80m (D=4m). De asemeni o antenă de mari dimensiuni în poziţionare orizontală (omnidirecţională) pentru benzile joase realizată din tuburi de aluminiu de irigaţii recuperate a fost realizată de Mircea – YO4ADL. A fost instalată (dar nu ştiu dacă mai există) pe terasa superioară a unui bloc cu 10 niveluri din faleza Dunării din Galaţi. Probabil mai sunt mulţi radioamatori YO pe care eu nu-i ştiu care lucrează şi acum cu antene magnetice. Printre cei ştiuţi sunt YO9BRT – Aron, YO9FNJ – Miti, YO4SCY – Victor.

În continuare în literatura mondială au apărut analize, studii, programe de calcul pentru dimensionare, evaluari cu programul de simulare 4NEC2, precum şi nenumărate realizări practice cu soluţii ingenioase şi nenumărate variante pentru măsurători, adaptare, acordul prin telecomandă, montaj, portabilitate, etc.

Aşi menţiona aici o interesantă prezentare de sinteză pentru stadiul actual de evoluţie articolul lui Frank – N4SPP http://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop.htm precum şi realizarea unor antene magnetice pentru emisiuni de mare putere realizate de Cristian Păun WV6N şi publicată în QST noiembrie 2011 pag.35. Pentru cei interesati de această realizare se poate trimite un .pdf scanat.

O parte din materialele menţionate aici sunt ataşate prezentului articol iar altele sunt numai menţionate ca bibliografie.

  1. Analiza programelor de calcul – proiectare.

Să încercăm să vedem cum răspund programele disponibile pe Internet pentru calculul parametrilor de funcţionare ai antenelor magnetice funcţie de datele de intrare.

Care sunt macro parametrii ai datelor de intrare de care trebuie să ţină seama programul de calcul?

  • Material
    • Cupru (tub, ţeavă)
    • Aluminiu (tub, ţeavă)
  • Forma geometrică
    • patrat
    • hexagon
    • octogon
    • cerc
  • Numărul de spire
    • o spiră
    • mai multe spire (de regulă 2 spire)
  • Unităţile de măsură utilizate
    • sistemul metric
    • sistemul anglo-saxon

Parametrii constructivi şi de funcţionare.

  • Frecvenţa de bază de calcul pentru care se doreşte randamentul optim şi o acoperire corespunzătoare a unui număr de benzi.
  • Perimetrul buclei (p) sau diametrul acesteia (D).
  • Diametrul tubului (ţevii) din care este construită bucla (d).
  • Pasul între spire pentru antenele multispiră.
  • Puterea pentru care se constrieşte antena din care rezultă prin calcul tensiunea limită de conturnare (străpungere) şi implicit distanţa între plăcile rotor – stator ale condensatorului variabil de acord.

Programele disponibile pe Internet.

Programele elaborate de radioamatori pe care le vom analiza şi comenta sunt disponibile on-line pe Internet. Ele au fost elaborate în decursul timpului şi au evoluat sau nu funcţie de studiile şi noutăţile apărute pe parcurs. Analiza şi scopul acestei prezentări este de a aduce completările necesare la zi pentru un program performant de calcul care să ofere posibilitatea de alegere a unei soluţii optime din punct de vedere tehnic şi economic pentru eventualii doritori YO de utilizarea unei astfel de antene.

Au fost alese cele mai reprezentative programe de calcul elaborate de radioamatori astfel:

  • OH7SV – Matti Hohtola
  • AA5TB – Steve Yates
  • 66pacific – site asociat ARRL
  • DG0KW – Klaus Warsow
  • KI6GD – Glenn Sperry
  • G4FGQ – R.J. Edwards

pentru o comparaţie cu parametrii luaţi în calcul de programul elaborat de către autorul acestei prezentări.

În tabelul alăturat se vede cum sunt luaţi în consideraţie macro parametrii.

Call

Material

Forma geometrica

Nr. spire

U/M

Soft

Cu

Al

?

patrat

hexa

octo

cerc

mono

multi

metric

anglo

OH7SV

*

*

*

*

Excel

AA5TB

*

*

*

*

Excel

66pacif

*

*

*

*

*

*

?

DG0KW

*

*

*

*

*

*

*

?

KI6GD

*

*

*

*

*

*

*

*

?

G4FGQ

*

*

*

*

*

*

*

DOS

YO4UQ

*

*

*

*

*

*

*

*

*

Excel

Notă: Pentru materialul neprecizat explicit bănuim că este vorba totuşi de cupru.

Probabil deja aţi observat că programele de calcul existente nu acoperă toată paleta de macro parametrii constructivi sau au fost elaborate cu mai mult timp in urmă fără a mai avea posibilitatea sau intenţia de aducere la zi.

Ca o conscinţă a acestui lucru şi datorită preocupărilor mele pentru acest model de antenă, am realizat pe baza documentaţiilor recente, un program de calcul (proiectare) acoperitor pentru cele mai multe din situaţiile întâlnite în practica curentă.

Materialul şi programele au fost publicate în http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=920 prin grija lui N2YO Ciprian.

Aşi încerca să fac o scurtă trecere în revistă a fiecărui program cu calităţile dar şi cu semnalarea unor limitări. Asta nu înseamnă că programul nu este bun dar trebuie interpretat şi folosit în limitele pentru care a fost conceput la vreme lui.

  1. OH7SVhttp://www.saunalahti.fi/hohtola/ham/magnetic-loop-for-80m/magnetic-loop-for-80m.htm

Se pare cel mai corect program de proiectare pentru antene magnetice monospiră care ţine seama în mod explicit de capacităţile Crez, Cd şi Ca (rezonanţă, distribuită şi de acord) care intervin în calcul. Aşa cum se vede nu rezolvă problema decât pentru forma circulară şi nu ţine seama de material. Este realizat în Excel.

Oferă accesul la formule, algoritmii de calcul, numai pentru vizualizare, nu se pot schimba.

  1. Un material excelent documentat de care au beneficiat din plin radioamatorii de peste ocean şi care a fost menţionat de o mare parte din constructorii radioamatori de antene magnetice. El a fost conceput în unităţi de măsură ango-saxone cu o conversie într-o coloană separată pentru unităţi metrice dar utilizarea lui pentru noi europenii obişnuiţi cu sistemul metric este incomodă. Deoarece nu a realizat o interpretare explicită pentru capacităţile ce intervin în funcţionare Crez şi Ca, Larry D Wolfgang WR1B, face o analiză a programului din acest punct de vedere în articolul “Magnetic Loop Antennas QST july 2013” unde propune o interpretare corectă. De asemeni se referă numai la antena circulară monospiră şi la material cupru. Introduce forţat o rezistenţă de pierderi suplimentară, aşa zisă de contact, prin apreciere fără o justificare obiectivă. Program este elaborat în Excel.

    Câmpurile cu rezultate sunt protejate prin parolă. Autorul permite accesul la cele trei foi de calcul specificate în subsolul WorkBOOK: Main, Formulas şi Calc1 cu ajutorul parolei care este “aa5tb”. Formulele devin accesibile pentru analiză. În foaia e calcul Calc1 se generează, pornind de la datele de intrare, un tablou complet de parametrii rezultaţi din calcul funcţie de frecvenţă înte 1 şi 30 MHz cu pas de 1MHz.

    Dacă vă “jucaţi” cu foile Excel modificând formulele şi aţi stricat “jucăria” ştergeţi fişierul deteriorat şi încărcaţi din nou fişierul original protejat.

  2. Se pare un site asociat ARRL care conţine multe programe şi elemente de calcul utile activităţii radioamatorilor. Printre altele şi un foarte bun program de calcul pentru antenele magnetice. Se referă, nu foarte bine precizat, la geometriile octogon şi cerc ambele monospiră. Are posibilitatea de a lucra în unităţi anglo-saxone dar şi metrice fără a putea preciza materialul. Calculează dimensiunile octogonului şi poate este singurul program care avertizează explicit asupra incadrării dimensionale pentru perimetru în intervalul ideal recomandat pentru antenele magnetice între 1/8 şi 1/4 din lungimea de undă pentru care se face calculul. Menţionează explicit când intervalul nu este corespunzător.

  3. Programul se poate descărca de pe site-ul specificat mai sus, este intuitiv şi uşor de utilizat. foloseşte unităţi metrice clasice. Este singurul program care tratează şi problema antenelor multispiră şi avertizează cu mesaj când spirele sunt prea apropiate. Se referă numai la formele patrat sau cerc dar poţi alege materialul, cupru, aluminiu sau altul din lista pusă la dispoziţie. Face o propunere dimensională pentru bucla mică de alimentare a antenei pentru 3 situaţii: în interiorul balconului, într-o amplasare semi degajată şi în spaţiul liber. Acest lucru pentru a compensa capacităţile parazite ale obiectelor înconjurătoare care influenţează adaptarea antenei. Are se pare o greşeală în algoritmii de calcul pentru eficienţa antenei care este practic la jumătate faţă de valorile calculate de toate celelelte programe şi determinate de formule precise.

  4. Un program deosebit de explicit şi prietenos. Are formele geometrice uzuale fără hexagon, accepta ambele unităţi de măsură precum şi alegerea materialului. Permite salvarea parametrilor calculaţi în format text (Notepad). Sunt calculaţi parametrii esenţiali fără comentarii. Se afişează un avertisment pentru încadrarea în limitele de 1/8 la 1/4 din lungimea de undă pentru o antenă magnetică. Aplicaţia este ermetică, nu se pot verifica sau deduce algoritmii sau formulele folosite. Nu tratează problema antenelor mutispiră.

  5. Pentru antenele magnetice este o aplicaţie elaborată în anul 2000 în ferestră DOS în care se pot alege pe rând parametrii de intrare iar la sfârşit se dă comanda de calcul. Programul se numeşte rjeloop1.exe şi acoperă toate formele geometrice inclusiv triunghiul. Calculează parametrii de funcţionare importanţi. În plus realizează o evaluare orientativă asupra eficienţei de radiaţie funcţie de înălţimea de amplasare şi tipul solului.

    G4FGQ a elaborat mai multe programe în legătură cu funcţionarea antenelor buclă astfel:

    1998 – RJELOOP1 – Parametrii de funcţionare ai antenelor magnetice monospiră cu diferite forme geometrice.

    1997 – RJELOOP2 – Parametrii de funcţionare ai antenei magnetice monospiră de fromă dreptunghiulară.

    1997 – RJELOOP3 – Analiza funcţionării la recepţie a antenelor patrate (cadru) multispiră pentru unde scurte.

    2000 – MAGLOOP4 – Parametrii de funcţionare ai antenelor magnetice de forme regulate faţă de înălţimea de amplasare şi tipul de sol.

    Am preluat în tabloul comparativ numai datele furnizate de rjeloop1.exe. Din păcate nu sunt evidenţiate formulele şi algoritmii folosiţi.

  6. Am încercat să prezint în detaliu formulele, explicaţiile şi algoritmii care au stat la baza elaborării programelor implementate cu ajutorul cunoscutului pachet de calcul Excel (MS). Acest demers încearcă să facă transparent procesul de calcul şi să ofere şi imaginea formalizată matematic pentru fenomenele fizice care au loc într-o antenă magnetică. Am încercat să prezint majoritatea variantelor şi posibilităţilor pentru datele de intrare precum şi cât mai multe valori pentru datele ce au putut fi calculate.

    În acest fel se măreşte posibilitatea de analiză şi de alegere pentru cei care doresc să evaluaze oportunuitatea realizării şi funcţionării unei astfel de antene. Cu formulele prezentate în detaliu şi cu exemplul de calcul anexat în format .pdf oricine care un calculator banal de birou poate, cu puţină răbdare şi atenţie, să facă calculul unei antene magnetice manual. Bine înţeles că este mai convenabil şi comod să se calculeze cu ajutorul foilor Excel dar este bine să se stie ce este în spatele acestor calcule automatizate, să putem înţelege, să putem reface rapid diversele variante de calcul, să putem face comparaţii între diversele soluţii.

    Aplicaţia face automat în aceiaşi foaie comparaţiile între antene similare ca formă şi date de intrare dar din cele două materiale diferite, cupru sau aluminiu. Foile de calcul sunt grupate în foi de calcul separate pentru antenele monospiră în cele 4 forme geometrice uzuale şi asemănător pentru antenele multispiră în 3 forme geometrice mai des utilizate. Pentru materiale diferite datele de intrare şi rezultatele se introduc şi obţin distinct la o aceiaşi formă geometrică pentru care este dedicată foaia de calcul. Pentru a fi la îndemâna doritorilor programele de calcul în Excel 2003 sau Excel 2007 sunt ataşate şi prezentului material. Se pot descărca în calculatorul propriu pentru a le putea folosi ori de câte ori este nevoie fără a mai apela la Internet.

    Foile de calcul din Excel se pot tipării imediat, fiecare se înscrie pe un format de pagină A4.

  7. TABEL – Pentru o mai bună imagine a ceea ce oferă programele existente în acest moment am luat un exemplu, aşi zice clasic, pentru o antenă de diametru 1m, cupru 22mm, pentru frecvenţa de 14MHz la o putere de 100 watt şi am realizat un tabel comparativ cu rezultatele furnizate de diversele aplicaţii.
Rezultate comparative calculate

 

OH2SV

AA5TB

66 pacific

DG0KW

KI6GD

G4FGQ

YO4UQ

L [μH]

2,434

2,435

2,26

2,448

2,692

2,45

2,448

C [pF]

53,1

53,68

57

52,8

38,8

49

52,8

Xl,Xc [Ω]

214,1

*

198

*

236,8

*

215

Cd [pF]

8,4

8,45

8

2,8

*

*

8,5

Ca [pF]

44,7

*

*

*

*

*

44,3

D [m]

0,999

*

0,999

*

1

*

*

Link [m,cm]

0,2

*

*

3 variante

*

0,17

20

Rr [Ω]

0,093

0,092705

0,083

0,091

0,093

0,091

0,091

Rp [Ω]

0,044

0,045242

0,044

0,045

0,044

0,0445

0,044

η%

67,6

67,203

65

38,66

67,6

67,16

67

dB

-1,7

*

-1,4

-4,13

*

-1,7

-1,72

Q

782

776,45

778

912,84

864,7

*

744

BW

17,9

18,031

18

15,34

16,2

8,8

18

Uef

4092

4078

3928

4434

4500

*

4136

Uvv

*

*

*

*

*

7980

5831

Aria [m2]

*

0,785

*

*

2,6

*

0,785

perim [m]

*

3,141

3,14

3,142

*

*

3,142

%din λ

*

14%

*

14,66%

15,40%

14,70%

*

mm CV

*

1,38

*

*

*

*

4,1

I [A]

*

*

19,8

*

*

27,2

19

1/4<p<1/8

*

*

Da

*

Da

*

Da

    Din tabel se observă gradul de acoperire cu rezultate precum şi unele diferenţe de valori rezultate pentru un acelaşi set de date de intrare. Ele au provenit din diferenţa de formule folosite existente la un moment dat sau din alte motive.

    În comentariile din articolul anterior care se referă “Proiectarea şi calculul antenelor magnetice” YO4AUP – Andrei recomandă spre analiză materialul “Unde amplasaţi antena magnetică”. Materialul tratează problema poluării radioelectrice şi măsuri de protecţie contra radiaţiilor de RF. Materialul este disponibil pe site-ul www.radioamator.rohttp://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=124 .

    Urmăriţi cu atenţie recomndările din acest material şi luaţi măsuri în consecinţă.

Bibliografie: Nu cred că mai este necesară fiindcă toate conexiunile cu programele sau materialele consultate au fost deja date în text. Programele de proiectare inclusiv algorimii de calcul (formulele) se pot descărca şi din http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=920

Voi asocia la acest articol paginile scanate din revista “RADIOAMATOR YO” decembrie 1990 cu prima semnalare în YO a unor antene magnetice. Sper să mai vorbim în continuare despre teoria şi practica antenelor magnetice. Dacă există propuneri pentru detalierea unor aspecte, observaţii sau corecţii ele vor fi analizate şi rezolvate în măsura posibilităţilor.

This entry was posted in HamRadio - Radioamateur. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s