Všeobecně

Jednoduchý dipól je natolik známá a používaná anténa, že se domnívám, že o ní bylo napsáno úplně všechno. Je to pravda? Domnívám se, že určitě ano, i když možná nebyly vždy publikovány informace uceleně v jednom stručném díle. A není rovněž pravda, že bych já opomíjel dipól, ať již na svých stránkách nebo v konstrukci svých antén nebo ve svých modelech. Já s dipólem dělám téměř všude.

Poznámka: Článek není pro pokročilelší amatéry, kteří si na dipólu prozkoumali úplně všechno ... a úplný základní úvahu o tom, co to je anténa a jak ji lze popsat pomocí několika jednoduchých parametrů, jsem psal zde.

Pár námětů, pomocí kterých chci vyvolat u začínajících radioamatérů několik úvah ...

Dipól je anténa s tzv. rozloženými parametry, proto má rozložení proudu v dipólu podobný charakter jako u dlouhých vedení. Tato skutečnost nám umožní pracovat s dipólem teoreticky a hlavně výpočty řešit určitou problematiku.

Dipól je anténa neuzemněná (vertikální antény jsou uzemněné). Proto si ujasněme, jak je to se zrcadlovým zobrazením pro uzemněné a neuzemněné antény. Alespoň do té míry, abychom s tím uměli dělat ve svých úvahách o tom, proč nám nějaká anténa v našem QTH může nebo nemůže fungovat.

Poznámka 1: Pokud je anténa umístěna nad reálnou zemí a nikoliv ve volném prostoru, energie vyzařovaná k zemi se odráží. Pole, které vyzáří taková anténa, je pak v libovolném směru dáno vektorovým součtem polí přímé a odražené vlny. Dříve, než měli konstruktéři k dispozici programy pro řešení NEC, pracovali s tzv. fiktivní anténou umístěnou pod povrchem země. Využívali úvahy o ideální (nekonečně vodivé) zemi a se zjednodušením, že proudy v odpovídajícím místě skutečné antény a fiktivní antény jsou stejné. Vertikální složky proudu při této úvaze mají stejný směr a horizontální složky opačný. Odražená vlna tedy nevzniká odrazem od země, ale vyzařováním fiktivní antény ....

Dipól je anténa rezonanční, proto bude proudové rozložení takové, že na volných (izolovaných koncích) je jeho hodnota nulová. Na rezonanční anténě se tedy vždy, je to dáno jejím principem, pracuje se stojatou vlnou. Obrázky k problematice jsem uvedl např. v článku o drátových anténách. Pozor, píšu o stojaté vlně na zářiči, případně na symetrickém vedení, kde pracujeme se stojatou vlnou. V tom článku jsem popsal, jak vypadají průběhy proudů a napětí v tzv. půlvlnné rezonanci (fundamental), v celovlnné rezonanci a jaký význam může pro dipól mít napáječ se stojatou vlnou. Prosím, nezaměňovat tuto skutečnost se stojatou vlnou na koaxiálním napáječi. Na koaxu si raději stojaté vlny moc nepěstujte. I na Internetu najdete dost nástrojů k tomu, abyste si udělali představu o tom, jak je to se ztrátami.

Poznámka: Zamysleme se nad tím,  jaký vliv může mít malý nebo nekvalitní izolátor, který použijeme u drátového dipólu, který musíme "natáhnout" mezi dva stožárky. Uvědomte si, že dobře přizpůsobený dipól pracuje v místě napájení jen s postupnou vlnou. Přemýšlejte o tom,  jaký prohřešek uděláme, když dipól vyrobený z tenkého drátu bude rezonovat např. na 3550 kHz a my ho budeme nutit pracovat na kmitočtu 3773 kHz. Chování samotného dipólu, včetně poměru stojatých vln lze snadno zkoumat teoreticky a výsledky se zpravidla shodují s naměřenou skutečností.

Dipól (v jakékoliv podobě) bývá v praxi krátkovlnného amatéra často anténou základní. Dipól je také základní anténou pro každého anténního teoretika a stal se základem pro úvahy kolem vyzařování antén. Při těchto úvahách se používá pojem elementární dipól, který se skládá z vodiče (antény), jehož délka je proti délce vlny malá. Elementární dipól má na koncích kapacity, aby se proud po celé jeho délce dal pokládat za rovnoměrně rozložený.

Poznámka: Všimněte si dvou detailů - elementární dipól není v žádném případě dipólem půlvlnným, hi.  A všimněte si tučně vytištěné poslední věty v odstavci. Hodí se to k pochopení principů, proč se např. nízké vertikální antény zkracují kapacitním kloboukem.

Rozložení proudu v dipólové anténě lze měnit jejím tzv. zatížením. V programech pro modelování jsou skutečně uváděny L, C a R dvojpóly jako LOADS... . Dáme-li do antény indukčnost, zmenšíme maxima proudů v části antény, které obsahují indukčnost. Při vhodné indukčnosti potlačíme téměř zcela jednu půlvlnu proudu. Dáme-li do obvodu kapacitu (nebo několik kondenzátorů), můžeme docílit např. toho, že se nám podaří v drátu vyloučit minima proudů mimo minim na koncích vodičů a proud bude mít stejnou fázi po celé délce antény.

Poznámka: Úmyslně nemaluji k tomuto článečku obrázky. Pokud vás článek neodradil a čtete až tady, tak si, prosím, uvědomte, jaké vyzařovací diagramy jste v dobré klasické literatuře (třeba Rothammel) viděli u dipólů, které měly délku v násobcích vlnových délek. Určitě jste viděli laloky. Ty na takové anténě skutečně jsou. Nejen vlastními výpočty a modelováním, ale také studiem klasické literatury se o nich dočtete. Inu, i dlouhý dipól pracuje se stojatou vlnou, různými úseky antény teče různě veliký proud, často rozdílným směrem. Vyzařování antény je vektorová záležitost zmíněných anténních drátů a proudů. Když pochopíme významy indukčností a kapacit (obecně zátěží, LOADS), pochopíme současně jeden mýtus a jednu skutečnost. Tem mýtus je o tom, že trapy, indukčnosti a kapacity představují u antény pouze ztráty. A ta skutečnost je o tom, že indukčnosti a kapacity nám výrazně ovlivňují směrovost. Asi víte, kam mířím. Viděl jsem hodně antén s mizernou účinností, ale mnohem více antén s naprosto nevhodnou směrovostí. A v tom byl často u hamů zakopaný pes, když jim z různých důvodů antény prostě "nechodily".

Dipóly lze naladit do rezonance. Rezonance je na kmitočtu, kde je jX=0. Někdo to dělá tak, že dipól nainstaluje do instalované polohy, změří R a jX analyzátorem a provede geometrickou úpravu délky. Jiný to dělá tak, že dipól o něco zkrátí mezi závěsnými body, ale použije krátký žebříček uprostřed. Délkou takového žebříčku lze také nastavit jX=0. Já jsem takové řešení použil např. u trapovaných rotačních dipólů, viz článek zde. Je třeba si uvědomit, že impedance dipólu je závislá také na výšce antény nad zemí. Nejen proto jsem psal v úvodu o teorii tzv. fiktivních antén a o  zrcadlení od těchto fiktivních antén a nikoliv od země, atd. Průběhy impedancí dipólu v závislosti na výšce jsou známé. A také se s nimi umí docela obstojně vypořádat při výpočtu programy pro modelování v NEC. Nezapomeňme však, že jedním parametrem je vlastní impedance antény, ale že také existuje tzv. vzájemná impedance antény. Pokud se této problematice budeme alespoň okrajově věnovat, pochopíme, proč nám někdy zamotaly hlavu např. paralelně řazené antény.

Dipóly lze řadit různě. Zajímavé jsou rovněž tzv. logaritmicko-periodické řady dipólů, tzv. LPDA antény, u kterých se dociluje směrovosti rovněž pomocí principu vzájemné indukčnosti napájených zářičů.

Vraťme se o tři odstavce zpět. Pokud tušíme, že náš dipól má pro dané použití zbytečně velkou šířku pásma, můžeme ho zkrátit kapacitou na konci. Porovnával jsem účinnost zkrácených a nezkrácených dipólů, např. vertikálních zde. Zkracované antény určitě nejsou špatné.

Dipól si začínající ham obvykle představuje jako anténu napájenou uprostřed. Dipól je však možné napájet mimo střed nebo dokonce na svém konci. Ale už to není tak jednoduché a často musíme řešit mnoho dalších fyzikálních problémů.

Dipól napájený uprostřed je symetrický a je ho dobré napájet symetricky. Také jsme si tímto zadělali na problém a musíme umět vyřešit přechod z nesymetrického výstupu zařízení na symetrický dipól. Rovněž to nemusí být vždy zcela triviální. V lepším případě se nám může stát, že při experimentech objevíme T anténu nebo L anténu. V horším případě TVI.

Půlvlnný dipól má impedance srovnatelné s vlnovým odporem koaxiálních napáječů. Proto se k nim snadno přizpůsobuje. Celovlnné dipóly však mají impedance vysoké. Krátké dipóly zase nízké. A je jen na nás, jak zvládneme přizpůsobení s maličkými ztrátami. Naučme se přizpůsobení řešit pomocí klasických prostředků v moderním pojetí (Smithův diagram) a naučme se pochopit, na čem jsou závislé ztráty přizpůsobovacích čtyřpólů (na jakosti Q indukčností, na transformačním poměru, na typu čtyřpólů a na tom, jak jsou ve čtyřpólu "rozložené" parametry.

Poznámka : Z literatury víme, že při stejném transformačním poměru má z jednoduchých čtyřpólů nejmenší ztráty L článek. Viz např. citace a diagramy zde. A také si uvědomme, že menších ztrát již docílíme jen pomocí kaskádně řazených čtyřpólů nebo např. pomocí přizpůsobovacích vedení s rozloženými parametry. Toto je skutečně pravda.

Někdy se nám stane, že bychom pro příjem potřebovali anténu tichoučkou. Pokud uděláme opatření, aby nám na koncích dipólu neřádily výboje koróny a také, aby neřádily na jiných ostrých hranách, třeba na svorkách, šroubech, bude symetrický dipól anténou tichou. A pokud umíme vyrobit solidní symetrický napáječ, nebude mezi dipólem napájeným koaxiálem a dipólem napájeným žebříčkem žádný rozdíl. Přesto si někdy všimneme skutečnosti, že skládaný dipól nebo celovlnná smyčka mohou být antény znatelně tišší než dipól z tenkých drátů.

Skládané dipóly se také osvědčily. Např. na pásmu 80 metrů lze docílit obdivuhodné širokopásmovosti u této antény. Skládaný dipól lze vyrobit snadno rovněž zkrácený a po určité délce napáječe se stojatou vlnou dokonce dobře přizpůsobený. Zkrácený dipól však nemá v místě ramen pouze reálnou hodnotu impedance. Jalová složka je však kompenzována symetrickým napáječem.

Dipól napájený mimo střed se nazývá OFF CENTER DIPOLE (OCD), dipól napájený na konci END-FED, celovlnný dipól napájený žebříčkem s výrazným transformačním poměrem se nazývá DOUBLE ZEPPELIN, půlvlnný dipól napájený přibližně čtvrtvlnným žebříčkem na konci se nazývá SINGLE ZEPPELIN, paralelně spojené dipóly jsou označovány jako FAN dipóly, úspěšné mnohopásmové dipóly s transformačním žebříčkem jsou označovány podle autora jako G5RV. Trapované vícepásmové dipóly jsou známé jako W3DZZ, dipóly různých elektrických délek, napájené symetricky žebříčky jsou často označované jako DOUBLET, prosím, neberte mě za slovo, o přesná označení dipólů jsem se zajímal méně než o jejich fyzikální principy, s hamy jsem se nakonec o konkrétním dipólu a jeho provedení nějak domluvil. Slovo "doublet" osobně až tak rád nepoužívám, protože jsem takto označenou viděl kdysi jakousi dipólovou přijímací anténu z roku 1938, kterou vyrobila firma RCA. Myslím, že byla napájená krouceným symetrickým dvoudrátem. Opravdu nevím....

Dipól se zdá být natolik jednoduchou anténou, proto se stal i anténou vděčnou pro celou řadu začínajících hamů. Naším cílem by však mělo být tuto anténu nejen dostatečně zvládnout, ale naučit se ji různě optimalizovat, využívat pro více pásem a případně překonat jinými druhy antén. A problémů k řešení je stále dost. Jednou nám vadí malá šířka pásma (např. v pásmu 80 metrů). Na jiných pásmech máme šířku zbytečně velkou a mohli bychom realizovat anténu úzkopásmovější, která bude mít stejný zisk a mnohem menší rozměry. V jiných případech potřebujeme anténu extrémně širokopásmovou a s dobrým přizpůsobením. Jindy zase můžeme potřebovat anténu jednoduchou, ale snadno přeladitelnou. Toto všechno jde dělat s dipólem. A pokud je rádio naše hobby, mohu vám říci, že tohle všechno a mnohem více toho bylo našimi předky objeveno, precizně vypočítáno a praxí vyzkoušeno. O dipólu je snad vše známé a my, pokud experimentujeme, tak pouze překonáváme sami sebe a vstřebáváme to, co již naši předci kdysi vymysleli. Ale to je dobře. Rádio, naše hobby, a to někdy i včetně jednoduchého dipólu nám slouží k poznávání a sebevzdělávání.

Poznámka: Naučme se tedy dipólu porozumět  natolik, abychom ho uměli navrhovat, zkracovat, prodlužovat, vzájemně spojovat s jinými dipóly a vědět o všech důsledcích našich zásahů do směrovosti, hodnot vyzařovacích odporů, do hodnoty impedance i do hodnot vzájemné impedance. Možná nás to bude inspirovat ve snaze překonat na KV dipól buď výkonnější nebo menší anténou.

Srovnání dipólu s vertikálem (jen vyzařování)

Jak jsem již psal, dipól je jednoduchou anténou. Ale stačí ho jen tak nějak natáhnout, dostříhat délku na dobré přizpůsobení a očekávat skvělý výsledek? Bohužel, nemusí tomu tak být ani u dipólu. V literatuře jsem viděl srovnání dobrého dipólu s dobrým čtvrtvlnným vertikálem zasazeným do dobré země. A vychválení takového dipólu, dokonce i s poukázáním, že takový dipól při  malých úhlech lépe vyzařuje. A bylo to podloženo výpočtem v NEC s hezkými grafy, které leckdo tupě kopíroval i s tím textem. Vertikály mohou být dobré, horší a špatné. Ty dobré mají dobrou účinnost danou systémem radiálů a současně dobrou směrovost. Ty horší mají horší účinnost, ale dobrou směrovost. A ty špatné mají zpravidla špatnou směrovost. O tom píšu v několika článcích a také zde: http://www.ok1ufc.cz/vertikaly_zem.htm... U dipólu má rozhodující vliv na jeho směrovost jeho výška. V následující tabulce srovnám a okomentuji několik příkladů instalace dipólu s čtvrtvlnným vertikálem, vše na pásmu 7 MHz:
 

1. Na obrázku vpravo je srovnání čtvrtvlnného vertikálu vyrobeného z trubky o průměru 40 mm a vysokého 10 m s půlvlnným dipólem montovaným ve výšce H=10m Pro vyzařovací úhly pod 15°je vertikál lepší. Bohužel. Takovou skutečnost vám autoři srovnání, kteří ukazují, jaký má zisk dipól proti vertikálu občas zatajují. A přitom je to důležitý parametr.
2. Při výšce H=15m (a to už jsou dva pořádné stožáry) vyzařuje čtvrtvlnný vertikál a dipól při nízkých úhlech stejně.
3. Při výšce dipólu H=21 metrů (přibližně polovina vlny) již vyzařuje dipól na nízkých úhlech stejně. Ve vyzařovacích úhlech, které však nejsou vhodné pro DX (cca 26°) vyzařuje dipól se ziskem až 6.5 dB vyšším.
4. Při výšce o 4 metry vyšší než v předchozím případě (H=25m) rozdíl v zisku dipólu proti vertikálu ještě roste. Ale dipól nám začíná vyzařovat do nebe. A to jen o 5 dB méně, než do hlavních laloků.
5. Na obrázku dole máte srovnání pro vyzařování v různých výškách H od 6 do 40 m (lambda) s vertikálem

Co jsem tím srovnáním chtěl říci? Půlvlnný dipól i čtvrtvlnný vertikál jsou dobré antény. A vyzařují tak, jak to odpovídá jejich montáži vůči zemi. Na modelech, které odpovídají realitě (a to jsem prokázal již dříve celou řadou srovnání v mých článcích na tomto webu) jsem ukázal, za jakých podmínek jsem volil z jednoduchých antén pro DX komunikaci vertikál a za jakých podmínek bych volil dipól. A také jsem chtěl říci, že vyzařování dipólu se mi na 7 MHz líbilo ve výšce H= 0.5 x lambda, instalovat dva 15m stožáry pro dipól mi nedávalo smysl, když stačí jeden 10m vertikál a chová se stejně. A výška 25 m, tedy jen nepatrně větší, než 0.5 x lambda se mi taky nelíbila, protože nezávodím a při DX komunikaci mě budou otravovat místní stanice s NVIS anténami....V příkladu šlo o tu nejjednodušší rozvahu, kterou jsem kolem směrovosti těch dvou nejjednodušších antén udělal. A takové rozvahy je třeba udělat vždy, jinak se budeme divit, jaké věci se dějí mezi nebem a zemí, než pochopíme skutečné příčiny úspěchu (nebo neúspěchu) byť jednoduché antény.

Chtěl jsem říci, že je celkem jedno, jakou metodou (metoda je cesta, která vede k cíli) budete anténu řešit. Abyste svou anténu znali, vždy budete muset vyřešit celkové vyzařované pole antény. A moderní programy za nás skládají jednotlivé složky pole, které vytvářejí elementární dipóly, s ohledem na rozložení proudu v anténě, fázi i polarizační rovinu docela slušně, hi.

Srovnání vertikálního dipólu s vertikálem

Vertikální dipóly mají v radioamatérské praxi určitý význam. Poměrně oblíbené jsou půlvlnné antény, ale zajímavé jsou antény zkrácené. V tabulce je několik případů zkrácení. Zkrácená vertikální část je nahrazena horizontálními vodiči.
 

1. Na obrázku vlevo je vyzařovací diagram čtvrtvlnného vertikálu a zkráceného vertikálního dipólu (asi na 60%, tj. na 0.3 x lambda) Všimněte si, že na nízkých úhlech vyzařují obě antény se stejným ziskem.
2. Srovnání vertikálu a zkráceného vertikálu Protože bylo u dipólu v předchozím případě efektivní jeho zkracování, bylo téměř bez negativního dopadu do jeho vyzařování, uvádím zde rovněž srovnání čtvrtvlnného a zkráceného vertikálu. Na nízkých úhlech se jeho vlastnosti téměř nezměnily. Vertikál byl opět zkrácen z 10 m na cca 6 metrů. (pásmo 7 MHz, zkrácení o 60%)
3. Srovnání vertikálu a hodně zkráceného vertikálního dipólu Všimněte si, že tak zkrácený dipól (asi na 30%) délky již velice mohutně vyzařuje horizontálními vodiči. Na nízkých úhlech je horší než vertikál (ale ne o moc) a do nebe září jako NVIS anténa. Je to logické, vždyť jsme si vlastně vyrobili anténu horizontální v malé výšce (do 10m pro 7 MHz). Srovnejte si vyzařování s předchozími příklady.
4. V uvedených případech jde o poměrně přesné srovnávání parametrů, tj. vyzařování na malých úhlech. Diference hodnot jsou maličké, ale i tak jsou v provozu postřehnutelné rozdíly. V článku o zemním systému vertikálů jsem ukázal, jak lze např. zjistit, že anténa vyzařuje zbytečně do vysokých úhlů (slyšíte dobře EU stanice s NVIS). Typicky byste to v příkladech z této tabulky zjistili hlavně u příkladu č. 3. Protože diference na nízkých úhlech jsou malé, uvádím srovnání číselných hodnot v tabulce:
Určitě budu o dipólech i vertikálech ještě psát, i když mě to nebaví. Jsou i jiné jednoduché a zajímavé antény. HAM rádio je o návrzích antén i o experimentálním a ověřování. Mnoho hamů často vyhledává nebo se vrací k některým jednoduchým anténám. I když takový návrat, pokud ho učiníme bezhlavě nám nemusí přinést kýžený výsledek. Srovnání paralelně řazených dipólů (jen z hlediska vyzařování, nikoliv impedancí) 1. Základní nevýhoda paralelních dipólů - viz obrázek vpravo V různé výšce vyzařují na jednotlivých pásmech různě. Na obrázku je dipól namontován v cca polovině vlny pro pásmo 20 m a vyzařování je typické. Září to pod vyšším úhlem, než druhý dipól pro 15 m, který je ve výšce asi 0.66 x lambda. Druhý dipól (15m) již září pod nižšími úhly, ale má také nepříjemný směr vyzařování vzhůru. Tím nechci říci, že paralelní dipóly jsou špatné antény. Mají zásadní výhodu v tom, že je při vhodné konstrukci lze jednoduše přizpůsobit a vyzáří nám zpravidla i ty největší výkony. To se může hodit roztržitým operátorům např. v contestu, když si zapomenou přepnout přepínač. Zejména pro milovníky příjmu slabých signálů je však dobré vědět, jak vlastně vyzařují. 2. Vyzařování LPDA antény - viz obrázek vpravo Logaritmicko-periodicky řazené pole dipólů patří mezi širokopásmové a dobře přizpůsobené antény. Mimo hlavních laloků má taková anténa rovněž postranní laloky, jak je vidět z obrázku.

Závěr nepíšu. V této části článku jsem srovnával jen vyzařování dipólu a neřešil jsem impedance v místě napájení. Jak jste si všimli, na výšce nejsou závislé jen impedance, ale i vyzařovací diagramy. A mnoho hamů si občas spojuje dipóly pro různá pásma paralelně ... . Asi víte, kam mířím a před čím varuji. Proto prosím, nezatracujte modelování v NEC.

73's Věra & Míra, ok1ufc

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 12.01.2014