O programa EZNEC Pro/2+ v. 7.0, encontra-se disponível sem qualquer custo desde o final do ano 2021, altura em que o seu autor, Roy W. Lewallen (W7EL), decidiu reformar-se. O programa foi desenvolvido desde 1995 e melhorado incansavelmente durante mais de 25 anos. O trabalho do Roy constitui uma ferramenta valiosa para todos os que pretendam estudar, desenhar, simular e testar modelos de antenas para as suas actividades. As antenas Yagi, dipolo, vertical, quad, loop, phased array, W8JK, ZL Special, inverted L, beverage e quadrifilar helix podem ser modeladas com a aplicação, seleccionando ainda um conjunto alargado de solos com diversas condutividades e constantes dieléctricas.
Tratando-se de uma aplicação que se refere a matérias de alguma complexidade, tentamos elaborar a presente introdução como rampa de lançamento para quem pretende adquirir conhecimentos preliminares na concepção de alguns tipos de antenas mais usadas. As particularidades e a previsibilidade das características dos diversos ambientes e disposições de instalação do dispositivo radiante também serão abordados.
Consideramos recomendável possuir os seguintes skills:
• Dominar as operações básicas ao nível do utilizador do sistema operativo Windows
• Estar familiarizado com o sistema de coordenadas de 3 eixos ortonormais (x, y, z)
• Identificar facilmente eixos de rotação de elementos e ângulos entre diversos segmentos
• Entender os diagramas de radiação 2D e 3D
• Conhecer o modo como a escala logarítmica é usada para cálculos com dB (decibeis)
Para instalar o programa, bastará aceder à página situada no URL seguinte: https://www.eznec.com.
Dar um clique sobre o link Download EZNEC Pro/2+ v. 7,0. Os passos para a instalação não deverão causar qualquer problema. Depois de concluir a operação de instalação, iniciaremos com algo simples: uma antena vertical de ¼ de onda pousada sobre o solo.
A nossa vertical será concebida para a banda dos 40 metros, escolhendo, por exemplo, 7040 kHz como frequência central. Depois de introduzir no écran principal da aplicação o valor da frequência em MHz, verificamos que o campo Wavelength (comprimento de onda) devolve o valor calculado de 42,8275 metros, conforme aparece na Figura 1.
Para facilitar os cálculos utilizaremos comprimentos de onda (wl) como unidade na tabela de definição dos elementos que compõem as diversas antenas.
A tabela fica acessível através da tecla “Wires” e possibilita a introdução da definição do elemento, usando as 3 coordenadas X, Y e Z, conforme podemos observar na tabela 1. Podemos reparar que o programa assume que a base da antena fica ligada ao plano de terra através das coordenadas (X, Y, Z) com o valor (0, 0, 0), como também confirma o conteúdo “Ground” que aparece na coluna “Conn” do extremo End1 do elemento vertical.
O elemento vertical será composto de 20 segmentos e a fonte ficará ligada ao segmento que se encontra mais próximo do solo. Como ponto de partida, vamos usar um comprimento de 0,24 comprimentos de onda e um diâmetro de 10 mm para o elemento vertical da antena.
A fonte será definida na respectiva tabela “Sources”. As colunas “Amplitude” e “Type”servem para fixarmos o valor de corrente de 1 Ampere no ponto de ligação, valor arbitrário escolhido por nós, sendo especificada uma desfasagem de 0º na coluna “Phase”.
A partir deste momento já será possível extrairmos algumas informações da aplicação:
Podemos, por exemplo, visualizar o aspecto da nossa antena (figura 2), analisar o andamento do SWR numa banda limitada por 2 frequências escolhidas (figura 3) e observar o diagrama de radiação previsível para um solo comum* (figura 4).
Confirmamos a impedância de cerca de 36 Ohm para uma vertical de um quarto de onda (também conhecida por Antena Marconi). De acordo com o programa, conseguimos obter um SWR de 1,01 para uma frequência central de 7040 kHz, resultado muito aceitável.
A linha verde do diagrama de radiação indica o ângulo de disparo previsível de 26º em relação à horizontal para esta configuração de antena vertical. Os ângulos de meia potência (-3dB) são de 9º (mínimo) e de 53,1º (máximo), sendo a abertura angular Beamwidth de 44,1º (linhas roxas).
Verificamos que existe uma desadaptação entre a saída de um transceptor de 50 Ohm e a antena Marconi que irá inevitavelmente aumentar o valor do SWR e diminuir a transferência de potência para a antena se não usarmos nenhum sistema de adaptação de impedância.
Vamos agora desenhar uma antena vertical para a banda dos 30 metros.
Os parâmetros para esta nova antena foram determinados após a realização de algumas tentativas para obtermos o melhor resultado. O comprimento do elemento vertical deverá medir cerca de 0,2378 comprimentos de onda (wl), terá os mesmos 20 segmentos e um diâmetro de 10mm. O diagrama de radiação vertical será exactamente o mesmo e o andamento do SWR na nova banda será o que apresentamos na figura 5.
Verificamos que temos os esperados 36 Ohm de impedância e, neste caso, uma frequência central de 10130 kHz para um SWR de 1,007, sendo este valor sempre inferior a 1,1 para toda a extensão da banda dos 30 metros.
Iremos de seguida dimensionar uma antena vertical de meia onda para a banda de 20 metros, situada sobre um solo de características comuns (ver nota* anterior). Neste caso, escolheremos o elemento vertical com 40 segmentos e usaremos o primeiro elemento, junto ao solo, como elemento de ligação da baixada como nos 2 exemplos anteriores.
Teremos assim a seguinte definição do elemento da antena, conforme apresentado na tabela 4.
Depois de testar alguns valores, escolhemos o de 0,465 (wl) para o comprimento do elemento. Aproveitamos para traçar o andamento do SWR para a totalidade da banda dos 20 metros.
Obtemos o valor de SWR de 1,017 para a frequência central de 14180 kHz. Neste caso, a impedância da antena é de cerca de 1600 Ohm, facto que exije a utilização de uma adaptação de cerca de 6:1. Esta situação era previsível já que estamos a alimentar um dipolo de meia onda no seu extremo (antena HWEF – Half Wave End Fed), ponto de alimentação no qual a impedância é elevada. O programa está preparado para a necessidade de definir um valor de impedância diferente de 50 Ohm. Para o efeito, define-se o parâmetro “Alt SWR Z0” para o novo valor, neste caso 1600 Ohm.
Considerando que a antena HWEF é muito utilizada nas actividades no exterior e nas actividades SOTA, POTA e WWFF em diversas configurações, achámos natural analisar outras formas de fixação do fio de antena para várias inclinações do elemento vertical.
Para um ângulo de 30º relativamente à vertical no sentido das coordenadas negativas do eixo X (figura 7), obtivémos o diagrama de radiação da figura 8.
O ângulo de disparo atinje os 28º e a largura entre os 2 ângulos de meia potência (-3dB) é de 74,3º.
Se aumentarmos o ângulo de inclinação do elemento vertical para 45º, verificamos a nova situação apresentada na figura 10.
O ângulo de disparo sobe para 61º e a abertura entre os ângulos de meia potência (-3dB) aumenta substancialmente.
Se ainda incrementarmos o ângulo do elemento radiante para 60º (figura 11), observamos uma nova alteração conforme mostra a figura 12. Neste último caso, verificamos que o ganho obtido atinje os 3,41 dBi e o ângulo de disparo passa para 74º, sendo uma configuração interessante para comunicação NVIS (Near Vertical Incidence Skywave). A abertura entre as linhas de meia potência (-3dB) sobe para um ângulo de 91,4º.
Esta configuração de antena é normalmente a que se consegue quando utilizamos uma cana de pesca para levantar o extremo oposto ao que se encontra ligado ao transceptor. Se usarmos uma cana de 7 metros para uma antena preparada para a banda dos 30 metros, teremos precisamente um ângulo de cerca de 60º em relação à vertical, pelo que poderemos esperar um diagrama de radiação próximo daquele que acabámos de apresentar: longe da situação que pretendemos para contactos DX!
Das diversas simulações anteriormente realizadas concluimos que a disposição do elemento vertical tem grande influência, tanto no diagrama de radiação, como no ângulo de disparo da antena.
Se a este factor adicionarmos o papel da constituição do solo e dos obstáculos circundantes, apercebemo-nos que é necessário ter algum cuidado na escolha do local de instalação da nossa antena para que possamos obter os melhores resultados durante as nossas activações.
Depois de ter efectuado esta análise, tivemos curiosidade em verificar o que acontece quando modificamos a nossa antena HWEF para que a mesma seja disposta como um L invertido, tomando como vértice o ponto médio da antena, onde a impedância é mínima e a corrente máxima.
Para transformar a nossa vertical num L invertido, podemos utilizar a ferramenta de rotação de elementos, escolhendo o ponto de rotação (meia altura da vertical), depois de criar a antena com 2 elementos de 20 segmentos. Teremos que definir os seguintes elementos apresentados na tabela 5.
Em seguida, podemos visualizar na figura 13 o aspecto da antena para confirmar a correcta definição dos elementos e o diagrama de radiação vertical obtido nesta nova configuração (figura 14).
O diagrama de radiação sugere também uma utilização desta antena para transmissão NVIS (Near Vertical Incidence Skywave), já que o ângulo de disparo é de 118º em relação ao plano paralelo à direção da ponta mais afastada do elemento horizontal.
Por outro lado, a impedância da antena que apresentamos na figura 15 sobe para o valor de 2 600 Ohm, sendo o SWR de 1,008 para uma frequência de 14110 kHz. Observamos ainda que o valor do SWR permanece inferior a 1.5 em toda a banda dos 20 metros.
Se transformarmos a nossa antena em L invertido numa antena em V invertido (figura 16), rodando os 2 elementos para a direcção apontada pelo eixo X no sentido positivo, voltamos a ter uma nova situação especial para o diagrama de radiação, que apresentamos na figura 17.
O ganho da antena atinge os 5,26 dBi e o ângulo de disparo é de 92º.
Por fim, achámos indispensável incluir a análise de uma antena vertical situada sobre um plano de água salgada (o mar) e comparar com terrenos de características diversas. Para simular esta antena, escolhemos desta vez a banda dos 15m.
Através da visualização de um video do Roy, conseguimos obter uma tabela de tipos de solo com as respectivas propriedades relevantes para prever a dependência do diagrama de radiação e do ângulo de disparo para diversas combinações dos 2 parâmetros fundamentais: a condutividade em S/m (Siemens por metro) e a constante dieléctrica relativa εr (adimensional).
Verificamos que estas 2 grandezas variam de maneira substancial, provocando um achatamento do diagrama de radiação à medida que estamos na presença de um solo com maior condutividade e com uma constante dieléctrica relativa mais expressiva. O ângulo de disparo decrementa em concordância com o aumento destes 2 parâmetros. Parece-nos evidente que um medidor de condutividade e de constante dieléctrica relativa do solo não fazem parte do kit que normalmente a activador SOTA, POTA ou WWFF possui.
É assim necessário avaliar qualitativamente o estado do solo tendo em conta a classificação identificada pelo Roy e a humidade que poderá estar presente.
É interessante notar o efeito pronunciado que a água salgada tem sobre o diagrama de radiação: a curva mantém-se praticamente horizontal sobre a quase totalidade da extensão da base do diagrama e os lóbulos apontam para um ângulo de disparo muito baixo (11º).
Esta característica confirma os excelentes resultados de transmissão e escuta que se conseguem obter entre os navios e as estações costeiras. O ângulo de disparo baixo é fundamental para conseguir uma zona de salto (skip zone) máxima, e, consequentemente, um maior alcance do nosso sinal de emissão.
Existe ainda outro aspecto importante acerca da concepção de antenas que está relacionado com a utilização, ou não, de uma baixada entre o transceptor e a tomada da antena.
Algumas antenas verticais comerciais encontram-se dimensionadas para usar uma baixada coaxial que também é fornecida como parte integrante do sistema radiante. Com efeito, a utilização de um cabo coaxial, linha assimétrica de transporte de energia RF, tem o inconveniente de permitir a radiação através da parte exterior da malha do cabo.
Este fenómeno dá origem a uma corrente RF pelicular que pode ser contrariada com um CMC (Common Mode Choke). Quando não se utiliza este dispositivo, o diagrama de radiação real pode ser muito diferente do sugerido pela aplicação.
O CMC é facilmente construido pelo amador com uma pequena quantidade de cabo coaxial, um toroide e 2 fichas coaxiais (SO239 ou BNC). Um exemplo de CMC é apresentado na figura 19, com um adaptador BNC-BNC para permitir inserir este dispositivo entre a antena e a baixada coaxial.
Na figura 20, podemos observar os detalhes de construção recorrendo a um toroide FT-140 de tipo 43 da Amidon e cerca de 8 espiras de cabo coaxial RG-174, equipamento dimensionado para uma potência até 10W.
A compreensão do funcionamento básico das antenas que utilizamos nas nossas actividades permite-nos escolher a melhor forma de colocar o elemento radiante, garantindo uma comunicação com estações longínquas, com um perfeito conhecimento de causa e de um modo previsível.
Nota do editor: os textos e imagens publicados neste portal são da autoria dos respetivos autores e encontram-se protegidos pelas leis e direitos nacionais e internacionais da propriedade intelectual. A sua reprodução, sem o consentimento prévio dos autores e do editor da publicação, é estritamente proibida.