Secção Técnica Temática de trabalhos da A.R.L.A.

Artigos de natureza técnica ou histórica

Antenas Direccionais para Recepção

A Antena de Quadro K9AY

[  Carlos Goçalves  - Janeiro de 2004 ]

Há alguns, anos, surgiu a ideia de conceber uma antena para as bandas 530-1700 kHz e dos 1,8 MHz/160 m e 3,5 MHz/80 m que fosse exterior e simultaneamente direccional mediante ajuste à distância, mas sem que isso implicasse rotação.

 

Carlos Gonçalves -  Lisboa, 14 de Janeiro de 2004.

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Não sendo, afinal, nada de novo o que o radioamador norte-americano Gary Breed (K9AY) concebeu, a sua versão de uma antena de quadro cujo  perímetro é algo inferior a metade do comprimento de onda baseia-se, sim, numa outra antena de quadro patenteada há muitas décadas pelo Dr. H.H. Beverage, mais conhecido no meio como autor da antena Beverage, uma antena de onda completa ou um fio longo especial.  A percursora da K9AY era um quadro de onda completa e destinava-se à recepção de sinais de TV.

Após a divulgação da ideia de Gary Breed, a K9AY identifica-se no meio DXista como sendo uma antena de quadro com um perímetro típico mínimo de 25 m em que um dos extremos do condutor é ligado ao transformador de alimentação e o outro a uma TRV-Terminação Resistiva Variável, se me é permitida a expressão, aliás, já utilizada nos dois artigos precedentes sobre as antenas “U” invertido e Bandeira.    A TRV tem, felizmente, outras excepcionais aplicações em antenas para recepção em que a predominância da onda de solo, por oposição à onda  reflectida, é relevante.

As formas típicas de uma K9AY são a triangular ou vela e rectangular, esta última menos utilizada mas igualmente passível de realização.

Com o desenvolvimento da K9AY simples, particularmente na sua versão triangular, cedo se concluiu que seria mais útil utilizar dois quadros suportados pelo mesmo mastro ou apoio, pelo que, actualmente, a K9AY típica consta de um mínimo de dois quadros de P=25 m com a respectiva caixa de alimentação e comando e inversão dos contactos em cada quadro.  Uma K9AY dupla permite a recepção de quatro direcções diferentes.   Alguns, poucos, utilizam a versão ainda mais complexa de quatro quadros para aumentar o leque de azimutes disponíveis, tendo presente que um quadro serve duas direcções, bastando para tal a utilização de um relé de comutação de contactos para a ligação da TRV e do transformador de alimentação.

Apesar da sua forma, a K9AY engloba-se na família das antenas verticais encurtadas em que a fase da corrente é controlada pelos elementos horizontais do quadro, que actuam como linhas de transmissão para os elementos verticais  ( inclinados, no caso da versão triangular ou em vela ).

Tal foi dito recentemente sobre a antena Bandeira, estas antenas funcionam melhor quando a velocidade de propagação do sinal ao longo dos elementos horizontais coincide com a velocidade de propagação da onda no espaço à volta da antena, e quando o plano de terra sob a antena é o adequado, quer recorrendo-se simplesmente ao solo como potencial zero ou a um plano de terra artificial, vulgo “ radiais. ”.

Em termos práticos, para “abrir” a sensibilidade da K9AY a uma determinada direcção, não basta orientar o quadro de modo a que a porção do elemento ligado ao transformador fique virada para o azimute pretendido.  Ao posicionar-se o quadro para favorecer determinada direcção, reduz-se a sensibilidade da antena na direcção oposta.  É aqui que entra a TRV.  Um exemplo prático elucida melhor que uma explicação mais pormenorizada, assim :

Nos 270 kHz, contam-se entre muitos outros  o rádio-farol açoriano FLO, nas Flores, a uns 271º de azimute relativamente a Lisboa; em 270 kHz, funciona a Česky Rozhlas, emissor de Uherské Hradišté, Rep. Checa, com 750 kW de potência, a uns 60º de azimute relativamente a Lisboa.   Comparar as potências dos rádio-faróis com a dos emissores de radiodifusão, mormente destes emissores em OL,  é, perdoar-me-ão o dito popular, “comparar alhos com bugalhos”: são raros os rádio-faróis com 2 ou 3 kW!  Pois ajustando a TRV de uma  K9AY ou mesmo de uma antena “U” invertido, para mencionar algumas das antenas que tenho à minha disposição, é perfeitamente viável receber uma das estações por abafamento total ou parcial do sinal da outra, e o “ fenómeno ” sucede também, dependendo das circunstâncias, entre emissoras a 90º.

Como funciona a TRV e onde é ligada.   O que referi no apontamento sobre a “U” invertido é válido para a K9AY : utilizando um potenciómetro, varia-se a rejeição ( relação frente/costas ) , devendo o valor mínimo ser de uns 50-60 Ω entre o plano de terra, seja natural ou artificial ( ou até de ambos em paralelo cf. se explicará adiante ) e um extremo do fio que forma o quadro  ( recordo que o outro extremo do fio é ligado ao transformador de impedância ).  Ao variar-se a frequência, o valor da RV também varia.  Prático?  Absolutamente nada, pelo que a TRV deve ser comandada junto do rx, à distância... salvo se convencermos alguém a ficar sentado junto da antena para regular a TRV sempre que se lhe peça!...  Uma outra alternativa indicada para os que precisam de um exercício físico qualquer será o de andar num vai e vem entre a casa e a antena...

 

Os tipos de TRV mais comuns, práticos e fiáveis assentam, pois,  nos sistemas de uma célula fotoeléctrica ( LDR¹ ) que recebe luz de uma lâmpada ou de um LED² de alto brilho, ou um “ vactrol ”, nome comercial para uma cápsula em que já estão inseridos uma LDR e um LED.  

¹) Light Dependent Resistor ( resistência dependente da fonte de luz, vulgo célula fotoeléctrica )

²) Light Emitting Diode ( díodo emissor de luz )

Pessoalmente, utilizo um “vactrol” VTL4C4, que permite uma resistência mínima de uns 75 Ω @ 40 mA mediante comando pelo referido potenciómetro.  A resistência mínima de 300 Ω ( ou mesmo 470 Ω ) destina-se a proteger o LED, dado utilizar-se a tensão contínua de 12 V para a TRV e o relé de comutação TRV / transformador, ou dois relés, no caso de uma K9AY dupla, ou seja, de dois quadros, para permitir a exploração N/S/E/W.

A antena é, por conseguinte, comandada junto do receptor mediante uma caixa contendo :

-     o potenciómetro para regular a intensidade da corrente de 12V= injectada no LED ou lâmpada da TRV;

-     um interruptor para accionar um relé; sem tensão, um ele deixa um quadro automàticamente ligado, mas, ao ser activado, o relé desliga o primeiro quadro e liga o segundo;

-    um segundo interruptor activa o relé de comutação TRV / transformador, permitindo a “inversão” do quadro seleccionado.

E é assim que uma K9AY dupla permite cobrir quatro azimutes.

Pessoalmente, utilizo cabo de vários condutores e simples fichas macho/fêmea tipo DIN ( há, decididamente, melhores alternativas ! ) para os relés, entre a caixa de comando e a caixa da antena, recebendo a primeira alimentação por fonte estabilizada, mas é perfeitamente razoável recorrer a uma simples pilha de 9 V, tensão suficiente para activar os relés ( do tipo duplo-inversor ).

O transformador de impedância para alimentar a antena consta de um toro de ferrite Amidon FT-114-43 com 31 espiras no primário e 10 espiras no secundário, em função das características da ferrite, da f mínima=500 kHz e da Z=450Ω.   As ferrites toroidais FT-114 têm um diâmetro ext. de 1,14”, sendo o material “43” composto de níquel e zinco e detendo uma μ=850.

Como se viu, a K9AY depende de um plano de terra visto ser um antena concebida para aproveitar a componente magnética do campo radioeléctrico, predominante em OL e OM.  Assim sendo, o terminal da célula da TRV tem que ser ligado a uma boa terra.  Alguns há que, a par de uma vareta de terra, utilizam radiais, enterrados ou à superfície, mas a minha experiência revelou que o primordial é dispor-se de um plano de terra, que não tem que ser necessàriamente natural.   Ao dispor-se de radiais judiciosamente colocados sob a antena, obtém-se um plano de terra dito artificial independente da humidade do solo, que varia constantemente ao longo do ano e que, por tal razão,  levou muitos utilizadores a chegar ao ponto de regar frequentemente a vareta ou varetas enterradas e, nalguns casos, a rodear aquelas por uma generosa porção de um material que, para alguns leitores, poderá soar a anedota... areia para gatos, dada a propriedade de absorção de humidade, logo, de a manterem durante determinado período.

Depois de várias experiências, optei por quatro simples radiais a determinada distância das porções semi-horizontais dos quadros. 

A minha primeira K9AY ( experimental ) era de quadro único e sem inversor, com os cantos 1 m acima do solo e o transformador / TRV a 50 cm acima daquele.   Sucede que o desempenho melhorou ao reduzir a primeira distância para apenas 70 cm.  Porém, ter uma antena destas junto ao solo pode desencadear protestos familiares, para além dos inconvenientes para o próprio utilizador!...  Houve, claro, que libertar aquele espaço, até porque se pretendia uma K9AY de dois quadros.  A única alternativa vislumbrada corresponderia, de imediato, a críticas negativas por parte dos que asseguram que o funcionamento só é conseguido se a antena estiver junto ao solo, visto ser dependente de uma boa terra, caso contrário, a TRV não funciona...  Pois essa outra estranha alternativa funciona, e bem, há perto de dois anos, e consta de uma K9AY dupla com os radiais a 2,60 do solo: é preciso um escadote para atingir a caixa de comando, fixada ao mastro, a uns 50 cm acima do terminal dos radiais!   O único inconveniente de uma  K9AY elevada é a sua susceptibilidade de captar um pouco mais de ruído local, mormente em zonas urbanas, mas, convenhamos, deixou de ser um estorvo!  

Os quadros poderão ser suspensos ou montados em mastro, que poderá ser metálico mas não ligado à terra, e os vértices poderão estar a 1 cm um do outro, se o fio escolhido for isolado.

Desempenho da K9AY. 

Apesar do seu perímetro e do cálculo do transformador, ela cobre perfeitamente desde os 153 kHz, mesmo sem amplificação de RF extra, daí o exemplo de captação e anulação de sinal interferente na faixa mencionada, mas a minha K9AY foi particularmente concebida para a faixa 500-1700 kHz, onde as prestações são muito boas, mesmo com o pré-amplificador Wellbrook desligado.

A antena tão-pouco “morre” ao passarmos para a HF, onde ainda tem um comportamento bastante aceitável, sendo por isso que muitos utilizadores decidiram passar a utilizá-la em detrimento de outras já montadas.  Pessoalmente, ainda noto algumas características direccionais nos 12 MHz/25 m, quiçá porque se trata de um comprimento de onda igual ao perímetro da quadro.  Em HF ou OC, a mudança de quadro e mesmo o ajuste da TRV actuam mais para atenuar  o ruído local do que para “apontar” a antena à emissora pretendida.

Aumento de sensibilidade da K9AY.  Por experiência pessoal, comprovei o aumento da sensibilidade em LF/OL se cada quadro, em vez de apenas 25 m, tiver 2x25 m em série, conforme sugerido pela firma britânica Wellbrook Communications ( www.wellbrook.uk.com, sales@wellbrook.uk.com , end. postal The Farthings, Beulah, Llanwrtyd Wells, Powys, País de Gales,  LD5 4YD ), única a vender, já prontas, as caixas para uma K9AY dupla, restando ao utilizador a construção dos quadros e a instalação dos respectivos cabos, de comando e co-axial.  O preço, porém, desencoraja  muitos...

Volto aos elementos mais delicados do circuito da caixa selectora ou caixa de antena - a TRV e o transformador.    Sobre a primeira, mencionei um determinado componente que dá pelo nome comercial de “vactrol”. 

Parece ser escusado tentar encontrar, na nossa  praça, alguma casa de componentes electrónicos que conheça tal “palavrão”, pelo que a triste alternativa é a encomenda ao estrangeiro, e.g. à firma norte-americana Farnell Components ( www.farnell.com ), cujo departamento para Portugal funciona em Barcelona ( tel 0800 83 40 25, fax 0800 40 18 ); infelizmente, certos componentes são vendidos em determinada quantidade, como os “vactrol”, mas é possível conseguir um número muito reduzido, caso o armazém europeu da Farnell ( na Grã-Bretanha ) disponha deles, tendo sido esta situação com que, por sorte, deparei ao comprar uma meia dúzia de VTL5C4,

Relativamente aos transformadores, a melhor hipótese continua  a ser também a encomenda ao estrangeiro, realçando-se aqui as variadíssimas ferrites da  firma norte-americana Amidon, mas a Mini-Circuits Europe ( www.minicircuits.com ) vende um minúsculo transformador 9:1 susceptível de equipar a K9AY e outras – o modelo T9-1.   Actualmente a Amidon ( www.amidon-inductive.com )  já não vende directamente, estando a comercialização estar a cargo da CWS Bytemart ( www.cwsbytemark.com ).   A Misek Antenna Research  ( http://exax.net/index.html ) também fornece ferrites.

NB: dada a reduzida secção do fio dos enrolamentos dos minúsculos transformadores Mini-Circuits, eles são susceptíveis de causar distorção em presença de forte campo de RF, podendo mesmo ficar irremediávelmente danificados, mas oferecem um larga banda de trabalho. 

Em contrapartida e tal como também referido nos artigos precedentes, a construção caseira dos transformadores, mediante ferrites encomendadas, proporcionam sempre a vantagem de experimentação contínua e a adaptação a outras impedâncias… desde que se disponha de dados e/ou conhecimentos para a construção.

Acrescentaria ainda mais uns complementos e conselhos para os interessados nesta antena de quadro e para os experimentadores:  do meu arquivo de esboços de antenas, retiro uns pormenores diferentes para a montagem de uma K9AY em duas versões menos ortodoxas, mas já testadas por DXistas…

…esta, de perímetro bem mais amplo, destinada sobretudo a frequências abaixo dos 500 kHz, e a seguinte, em Δ invertido e de lados iguais…

Para facilitar um pouco a busca de soluções para “manter uma K9AY no ar”, eis umas sugestões para os que tencionam suportá-la num mastro.  Mesmo optando por uma versão junto ao solo, que é a mais comum, a utilização de uma simples cana de pesca telescópica simples de 6 ou 7 m e uma extensão em tubo de PVC encaixada na base e fixada a uma estaca de madeira tratada espetada no solo parece ser uma escolha simples e barata.

Para obstar a oscilações, um anel para 3 ou 4 espias fixado acima do meio do mastro ajuda a manter a estabilidade em presença de vento forte.   Optando por uma K9AY elevada, basta aumentar a extensão de PVC da base, sendo certo que os cantos dos quadros devem ser fixados a maior altura relativamente a uma versão no solo, como também os extremos dos radiais, absolutamente imprescindíveis para o funcionamento da antena em versão elevada.

Muitos DXistas optam por instalar o pré-amplificador de RF na própria caixa da antena, sendo ligado/desligado à distância.  Outros há que incluem ainda outro relé extra para ligar a TRV  ( e até o transformador ) à terra, para evitar danos quando em presença de descargas atmosféricas.  Também se poderá utilizar um relé para juntar os quadros, transformando-se o sistema numa antena para recepção omnidireccional.

Por sua vez, a Wellbrook aconselha a protecção da TRV mediante 4 díodos 1N4007 para minimizar eventuais fenómenos de intermodulação causados pelo LED da TRV:

Enquanto a já mencionada Wellbrook produz um excelente amplificador de 12-15 dB, e

a norte-americana Advanced Receiver Communications ( www.advancedreceiver.com ) tem os modelos P0.1-30/20VD,  P0.5-30/20VD e P1-30/20VD ( para cobertura até aos 30 MHz, começando nos 0,1 MHz, 0,5 MHz ou 1 MHz, cf. o modelo ) o radioamador norte-americano Larry Molitor ( W7IUV ) concebeu o seguinte modelo de pré-amplificador que já construi e utilizo com bons resultados :

 

O transformador T1 baseia-se na ferrite toroidal  T37-43 da Amidon: “37” refere-se ao diâmetro ext. ( no caso, 0,375” ), “43” é o tipo de material ( μ=850 ), níquel e zinco, usado amplamente para indutores de MF e transformadores de banda larga até aos 50 MHz, com boa atenuação de frequência 30-400 MHz.

Por Carlos Gonçalves

carlos-relvas@clix.pt

Membro do DSWC-Danish Short Wave Club International, colaborador dos boletins SWN-Short Wave News (DSWCI), DX Window (DSWCI), Ydun’s Page (Dinamamarca, OM e OL), BC-DX (Alemanha).

 

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