Drátové antény
Vertikální antény
Vertikál pro kempování - modifikovaný Rybakov
Logaritmicko-periodická anténa pro pásma 10m až 20m
Rotační dipól
 

Všeobecně

Přestože jsem publikoval článek o srovnání vybraných vertikálních antén před necelým týdnem a slíbil jsem rovněž vlastní seriózní článek o CFA anténách, který připravuji, rozhodl jsem se již nyní publikovat článek, který srovnává tzv. EH anténu (někteří ji považují za zvláštní druh CFA antény) s vertikální anténou. Podotýkám, že srovnávání nebylo až tak jednoduché. Rovněž připouštím, že jsem se mohl dopustit mnoha chyb a nepřesností. Proto uvádím zbytečně víc podrobností, než je možná třeba.

Co bylo předmětem srovnání?

Předmětem srovnání byly následující antény pro pásmo 20 metrů:

-  vertikální dipól o dipól o délce 10.2 m, s rezonancí (jX= 0) nastavenou přesně na 14.076 MHz (měřil jsem pod pásmem pro JT65)
-  off center napájený dipól o délce 7.21 m, který měl zkrácený spodní zářič kapacitním kloboukem (je na fotografii, byly vyrobené 2 ks, je to dobrá anténa; jeden byl zničen pravděpodobně úderem blesku a byl nahrazen jinou vertikální anténou)
-  off center napájený dipól - vertikál se dvěma klobouky a jednou indukčností (anténa slušných parametrů, kterou uvádím jako symbol konstruktérské dovednosti - vyvinula firma HyGain)
-  EH anténa o rozměrech: průměr 63 mm, délka zářičů 450 mm, celková délka 800 mm, označeno jako EH 1
-  anténa se dvěma klobouky o průměru 1400 mm a výšce 1m, rovněž napájená obdobně, jako EH antény popsané v dalším textu, označ. jako EH 2

Cíl mého konání

Radioamatéři nezbytně potřebují pro DX provoz vhodné a účinné antény. Současný trh nabízí za patřičný obnos dobré, ale často velice rozměrné antény. Použití takových antén je jednou z cest, kterou jsem šel samozřejmě i já. V článku Koncepce 2012 jsem jednu z takových koncepcí představil. Nicméně, antény v mém klasickém konceptu nejsou až tak miniaturní. Před několika léty však pánové profesor Maurice Hately a F. Kabbary představili tzv. Crossed Field Antenna (CFA). Pan Kabbary založil společnost, která vyrábí antény pro rozhlasové vysílání, využívající uvedený princip. Podrobnosti lze najít např. na http://www.crossedfieldantenna.com 
Na stránkách této firmy je mimo jiné uvedeno, že klíčové vlastnosti jejich antén jsou následující:
- zisk větší než u čtvrtvlnné vertikální antény (quarter wave)
- výška CFA antény je pouze 1 - 2 % vlnové délky
- účinnost antény je vyšší než 90%
Přestože nebylo uvedeno, vůči čemu je vztažen zisk, zda k isotropnímu zářiči nebo ke čtvrtvlnnému vertikálu na zemi (nakonec chybějící detail není pro mě až tak důležitý) a ani nebylo uvedeno nic k účinnosti. Předpokládám, že byla myšlena jako EFF = PRad/PInp, tedy jako poměr výkonu vyzářeného (někam) k výkonu dodanému (na svorky antény ?). Tady už je to pro mě důležité, protože při srovnávání vertikálů jsem jednu anténu v tabulce neuvedl. Měl jsem pro to docela pádný důvod. Věřím tomu, že anténa vyzařovala jako její NEC model, ale útlum, který jsem si vyrobil při pokusu o bezztrátové přizpůsobení byl asi -6 dB (to není málo, že?). Tomuto útlumu se také říká "match loss". Maily čtenářů mě pak přinutily během několika dnů napsat tento článek, kde se měřilo.

Poznámka 1: při experimentech s drátovými anténami a také s automatickými tunery jsem rovněž srovnával. Jeden z mých tunerů, který jsem používal, byl AMERITRON ATR-30. Tento tuner měl tzv. match loss např. 10% (a to na některých pásmech i při transformaci na impedance poblíž 50 Ohmů a jX=0). S tímto tunerem tedy nemohla mít anténa nikdy účinnost lepší než 90%. Kdo viděl rozměry bedny a provedení indukčnosti (široký postříbřený pásek) u tohoto tuneru, tak mi dá za pravdu, že to není drobná hračka.

Nicméně, radioamatéři by malou a účinnou anténu, zejména pro DX provoz na krátkých vlnách potřebovali, ale klasická fyzika si postavila hlavu. V článku o vertikálech jsem uvedl vztah (nikoliv vzorec, pouze závislost), který platí u antén mezi účinností, rozměry a šířkou pásma. A snažil jsem se ho dokázat praktickými příklady. Jenže pan profesor Hately a pan Kabbary přišli s tím, že uvedli skutečnost, že lze vytvořit magnetické pole i bez toho, aby vodičem protékal proud. Jako důkaz použili záporné řešení tzv. čtvrté Maxwellovy rovnice a prokázali, že mezi dvěma deskami kondenzátoru, do něhož je zavedeno vysokofrekvenční napětí vzniká magnetické pole. Pro případ EH antény bych použil pro vysvětlení tento obrázek:

Válcové elektrody kondenzátoru nejsou ničím spojené, je mezi nimi elektrické pole a mezi deskami je znázorněno magnetické pole. Prosím, nediskutujte se mnou o tomto obrázku, protože sám neumím bez vodičů, kterými protéká proud, takový kondenzátor napájet. Jde jen o teorii. V praxi však můžeme použít následujícího schématu:

Na obrázku vidíte vlevo svorky antény, tj. je tím myšlen PL konektor 50 OHm, přizpůsobovací PI nebo jiný článek, ladicí a fázovací indukčnost antény a vlastní EH anténu, tj. kondenzátor s válcovými elektrodami. Pokud by tento kondenzátor vytvořil opravdu magnetické pole, které by bylo v anténě navíc, tj. větší, než vytvořené pole, které vzniká průchodem proudu ve vodičích, měla by mít tato anténa větší zisk, možná i větší, než čtvrtvlnný vertikál.

Ještě uvedu další schémata:

Na tomto obrázku jsem se pokusil ukázat na jiném tvaru desek kondenzátoru jiný princip. Jde o klasický princip zkrácené dipólové, chcete-li Hertzovy antény. Desky kondenzátoru jsou paralelně k indukčnosti. Při zmenšování vzdálenosti desek a doladění indukčnosti do rezonance by mohl nastat tzv. K-H (Hately Kabbary) efekt a vzniknout další magnetické pole, nejenom to, které vzniká průchodem proudu a měl by mi začít narůstat zisk u zkracované antény. Nebo se mýlím?

Uvedu ještě tento obrázek:

Podle klasického NEC modelování si umím poradit poměrně přesně se zkrácenými vertikály, umím na nich odměřit proudy, které tečou vodiči, když na to přijde, tak i fázové poměry. Umím rovněž něco dělat s impedancemi a jejich přizpůsobením. Umím něco dělat i s tzv. match loss v rámci svých možností (tj. umím udělat indukčnost s konkrétní jakostí Q, kondenzátor s nízkými ztrátami, umím si poradit s celou řadou ztrátových odporů. Nicméně, pokud je ztrátový odpor R v sérii s indukčností, kde nám však na průchodu proudu z hlediska vytváření magnetického pole nezáleží, nemusel by tento odpor až tak při vyzařovací účinnosti antény vadit, že? Nebo se opět někde mýlím?

Když jsem začal s EH anténou experimentovat, bylo mnoho HAMů dále než já. A byly na internetu reporty ze stavby CFA antén v Egyptě. Vynikajících výsledků dosáhli radioamatéři z Kuby. Experimentoval jsem s nimi zejména při spojeních ROS (ale ten už s ohledem na velkou šířku pásma nejezdím),  dále v módu OLIVIA 8/250 (8 tónů, BW 250 Hz). Spojení to byla úžasná, protistanice vždy snižovaly výkon až na jednotky mW. Např. při navázání jsme použili 10W výkonu a protistanice snižovala na 1W, 0.1W, 10 mW a 1 mW. Pamatuji si, když se mi na PC objevil přijatý text od kubánské stanice, abych políbil svou anténu a s poznámkou o výkonu 1 miliwatt na svorkách. To však nyní není podstatné. Podstatné je, že když jsem se při normálních anténách (LPDA směrovka, tribander a vertikál) dostal k realizaci mezikontinentálních DX spojení, tak jsem z toho měl samozřejmě radost, ale věděl jsem, že cesta dalšího vývoje musí jít dvěma směry. K digitálním druhům provozu, které umí dekódovat -30 dB pod úrovní přijímaného bordelu (u módu THOR, SW FL digi a vyladěném sweet pointu u mého rádia bez DSP jsem již blízko této vysněné hodnoty) a k účinným malým anténám (s monstry LPDA či Yagi to umím). Po experimentech se stanicemi CO (a také ZL) jsem si prošel www stránky HAMů a hledal konstrukce jejich antén. Našel jsem např.: http://co6hk.arredemo.org/index.php?m=06&y=09&d=22&entry=entry090622-090000, kde jsou mimo jiné publikovány i další antény EH jiných konstrukcí. Domovská stránka je: http://co6hk.arredemo.org a anténa, která mě zaujala má následující schéma:

Na schématu (v originálu jsou i fotky) je vidět, že CO6HK napájí kondenzátor ze zdroje přes indukčnost, kterou přepíná. Anténa je tedy 3 pásmová a hodila by se mi do mého konceptu. Nicméně, u dalších antén používá pro napájení klasického schématu:

Mezi válcovými elektrodami jsou v sérii indukčnosti fázovací (nahoře) rezonanční a přizpůsobovací. V původním zdroji jsou uvedené všechny rozměry i fotografie. Mohu konstatovat, že anténu lze tímto schématem přiměřeně přizpůsobit, ale tzv. match loss ztráty a také ztráty odrazem (ne úplně dokonalým přizpůsobením) jsou zase o něco větší....

Vlastní experimenty

V této kapitole si neodpustím jednu věc, kterou považuji za mýtus. Zařekl jsem se, že nikdy nebudu posuzovat anténu prezentacemi DX spojení. Přestože jsem toto udělal u směrovky LPDA i u vertikálů, lituji toho. Lituji toho proto, že takové posouzení považuji za nerelevantní a určitým způsobem i sugestivní. Sám jsem udělal tisíce DX spojení a vím, že velmi často měly protistanice pouze průměrná vybavení. Vím však, jakou mám představu o vyzařovacím diagramu, zisku, případně účinnosti antény pro DX provoz. Klasické antény umím modelovat a modelování ztotožnit s realitou (už jsem o tom psal a ještě budu psát). U EH antény však potřebuji dokázat, že je lepší než ty dva off center napájené dipóly. Jeden z nich (7.2 m dlouhý, s jedním kloboukem) je např. na obrázku tady a všechny jsou popsané i s diagramy zde.

Potřeboval jsem srovnávat, tedy provést srovnávací měření. Nejsem tak dobře vybaven, abych mohl mít na přijímací straně přesný a selektivní přístroj, který by mi změřil sílu pole. Ten jsem si musel vyrobit. Srovnával jsem příjem testované antény s příjmem na anténu pro 14 MHz se dvěma klobouky, off center napájením. Tato anténa měla délku 5.2 m. Srovnávalo se tak, že se z přijímače, který byl bez DSP a který byl osazen mf filtrem o šířce 250 Hz vyvedlo napětí S -metru. Přístroj S - metru se osadil ručkovým přístrojem, na kterém se daly odečítat hodnoty od - 3dB přes 0 dB uprostřed až po +3 dB na plné výchylce. Kalibraci jsem si udělal pomocí vypůjčeného signálního generátoru Rohde Schwarz, na kterém se daly nastavovat úrovně v desetinách dB. Mezi touto referenční a měřenou anténou se přepínalo. Protože jsem očekával po předchozích zkušenostech rozdíly větší než těch 6 dB, které jsem uměl odečíst na rozprostřené stupnici, zařadil jsem ještě do obvodu referenční antény atenuátor, jehož původ neznám, ale jehož funkci jsem si generátorem ověřil. Je tady na obrázku:

Na tomto atenuátoru lze "rychle nacvakat" útlum tak, abych měl S-metr v rozprostřeném pásmu. Metodou lze odměřit hodnoty rozdílu v dB a odhadnout zlomky dB (např. 0.5 dB) na S metru. Myslím, že to pro praxi stačí. Měl bych ještě říci, v jaké geometrii se měřilo:

Body zaměřené pomocí geodetické GPS byly od sebe vzdálené asi 300 metrů a převýšení mezi nimi bylo 87 metrů. Ve Fresnelově zóně poblíž antén byly jen držáky antén a budovy. Na svahu však bylo několik listnatých a jehličnatých stromů, které nebránily v přímém výhledu na druhou anténu.  Vysílalo se na vertikální dipól (vlevo), jehož montáž byla svislá. Referenční přijímací anténa a testované antény byly tedy ve svazku elevačního úhlu, který má asi 16° a v nulovém úhlu jsou zmíněné stromy. S přijímací testovanou anténou bylo možné naklápět (naklápělo se na maximum signálu), referenční vertikál se 2 klobouky byl vždy svislý. Vysílalo se vždy s dostatečnou úrovní při klidném pásmu, aby příspěvek rušivými signály byl zanedbatelný.

Za pokus stojí také ověření tzv. reciprocity antén. Experiment byl proveden ve stejné geodetické konfiguraci. Jako vysílací antény byly použity (na levém QTH) postupně off center dipól se 2 klobouky, EH 1 a EH 2. Antény byly montovány svisle podle olovnice. Na pravém QTH byl pouze 10.2 m dlouhý dipól, na který se přijímalo. Ten byl v šikmé poloze, která odpovídala maximu příjmu proti OCF.

Popis EH antény

K testům jsem měl připravenou anténu se 2 klobouky o průměru 1400 mm, které byly vzdálené od sebe 1000 mm. Tato anténa je označena jako EH 2. Tuto anténu jsem použil proto, že jsem uměl vyrobit její model v NEC a uměl jsem stanovit tzv. útlum přizpůsobením (match loss). Očekával jsem, že se již u takto krátké antény (0.05 lambda) projeví H-K efekt (Hately-Kabbary), tj. vznikne magnetické pole, které nebude odpovídat proudu ve vodiči mezi klobouky. A že se tento efekt projeví na zisku ve směru měření. Jsem si vědom toho, že to není pravá CFA anténa, na jejímž návrhu a výrobě pracuji a výsledky budu publikovat. Schéma antény a diagram je uveden např. u porovnávání vertikálů zde.

Jako EH anténu jsem použil návod z internetu. Je jich tam celá řada. Mě se líbily návrhy CO6HK, který na ně vysílá. Pomohl mi také přítel Ruda, OK1HB, kterému velice děkuji. Rudovo anténa se mi jevila jako lepší, zejména také z toho důvodu, že ji Ruda vyrobil přesně podle návodu, náležitě vyzkoušel, výsledky a konstrukci publikoval a daroval mi ji. Tady také uvedu, proč nerad srovnávám jakost antény podle právě udělaných DXů. Když jsem si tuto anténu přinesl domů, tak jsem ji přizpůsobil a udělal první spojení s nějakou finskou stanicí. Anténu jsem měl samozřejmě v hamovně, tj. v 1. patře rodinného domku. Pak jsem anténu nainstaloval za špagát do výšky asi 7 metrů a udělal jsem stanici UA0... z Vladivostoku. Ale to je totéž, jako když jsem na nepoužitelnou směrovku (nízká montáž) udělal první spojení KH7 na SSB. Myslím, že uvádět DX spojení jako kritérium u antény je zavádějící. Nicméně, měl bych anténu EH 1 popsat. Kondenzátor je vyroben z pocínovaného plechu, průměr je asi 63 mm a délka každé elektrody je 190 mm. Délka "dipólu", tj. vzdálenost mezi vnějšími kraji elektrod je 450 mm a délka celé antény je asi 800 mm. Anténa vypadá takto:

Anténa je klasické EH konstrukce se 2 fázovacími cívkami, jednou rezonanční cívkou, jednou transformační cívkou a dvěma kondenzátory. Protože již tato anténa byla vyzkoušená, měla za sebou také moje DX spojení, použil jsem ji pro toto srovnávací měření. Další detaily jsou:

Anténa při přípravě k provozu nízko nad zemí

Detail fázovacích indukčností mezi elektrodami

Detail ladicích kapacit a detail rezonanční indukčnosti (vpravo)

Provedení této antény bylo relativně transparentní, jednotlivé spoje byly pájené. Pro mě měla tato anténa význam, že se u ní dal, podobně, jako u jiných antén, rozumně a kvalifikovaně odhadnout, tj. částečně odměřit a částečně dopočítat match loss, tj. útlum přizpůsobením.

Tabulka naměřených hodnot

Nebudu vás již dále napínat. Měřící metodu i srovnávané antény jsem popsal. V následující tabulce uvádím srovnání pěti různých antén. Za referenční je považován zkrácený off center fed dipól se dvěma klobouky (žlutý sloupec uprostřed). Je optimalizovám s ohledem na šířku pásma a napájecí impedanci. To, že vertikální plnorozměrný dipól je nepatrně horší, to je dané jednak jeho impedancí a jednak výškou montáže. Rozdíl nemá v provozu praktický význam, ale při návrhu ano. Chtěl jsem zde zpochybnit další mýtus, a sice, že nezkrácená anténa nutně nemusí být nejlepší, hi! Kolikrát jsem již toto od zkušených HAMů slyšel ....

   tabulka č. 1

Ve druhé tabulce jsou porovnány reciproční výsledky u tří antén. U dvojice antén s největším ziskem byl nastaven atenuátor na přijímači na hodnotu 20 dB a výkonem vysílače byla úroveň na S metru dotažena přibližně na nulu. U dalších antén bylo vysíláno se stejným výkonem, ale atenuátorem RX byl dotažen S-metr na nulu. Takto to vyšlo:

  tabulka č. 2


Reciprocita byla přibližně prokázána. V obou měřeních však jsou malé rozdíly, které mohou být dány různým úhlem vyzařování.

Závěr

Chování obou EH antén podle mého názoru spíš odpovídá parametrům, které odpovídají jejich modelům NEC. Vznik tzv. H-K efektu nemohu tímto jednoduchým experimentem prokázat ani u jedné z antén a rozhodně není zisk větší než u čtvrtvlnné antény či půlvlnného vertikálního dipólu. Je horší alespoň o 10 dB. Nevzdávám to. Dcera je matematička, absolvovala ČVUT, fakultu jaderného inženýrství a její obživou je matematika. Formuluji pro ni zadání, které se týká negativního řešení 4. Maxwellovy rovnice. Potřebuji tento matematický princip dostatečně pochopit, včetně všech podmínek. A potřebuji ho prakticky prokázat při konstrukci CFA antén pro pásma 160m, 80m, příp. 40 a 30 metrů, kde rozměry antén jsou pro HAMa stále obrovské.

Pokud jste dočetli až sem a máte vlastní praktické zkušenosti s EH anténami a zejména relevantní srovnání, měření či výsledky, o které se chcete se mnou podělit, těším se na váš mail, případně technicky zaměřené QSO.

Poznámka: Kdosi v diskuzi o těchto anténách a uvedeném principu napsal, že mu to připomíná Mikoláše Koperníka (Nikolaus Kopernikus, 1473-1543), který, jako matematik, zdůvodnil heliocentrickou soustavu. Bez Koperníka by nebyly známé Keplerovy zákony a ani gravitační teorie. A HAMové, kteří jsou často průkopníky v poznání, se přeci musí snažit zdůvodnit či vyvrátit soudobé teorie antén. Třeba na ně ta maličká a účinná krátkovlnná anténa teprve čeká.

V závěru tohoto článku se zmíním i o tom, že testovanou anténu, zejména s ohledem na její rozměry, nepovažuji až za tak špatnou. Nepatří k mým preferovaným anténám, ale to je dané tím, že nemusím vysílat kdekoliv či kdykoliv, ale rád dělám DX spojení. Dovolím si však rýpnout, že leckdy může být tato EH anténa lepší nebo srovnatelná s blbě udělanou (kvůli radiálům) vertikální anténou typu Ground Plane nebo zfušovanou a neúčinnou drátovkou. Testovaná anténa měla diagram vyrovnaný, tj. v horizont. rovině všesměrový a vyzařuje pod správným úhlem. To jí opravdu nemůže nikdo upřít.

73's Věra & Míra, ok1ufc

Návrat nahoru

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