Průběh impedancí u nízko instalovaného dipólu

Také tento článeček vznikl na základě konstruktivních připomínek několika čtenářů. S některými jsem si dovolil poměrně obsáhle komunikovat mailem, zjistit nejen důležité, ale také cenné zkušenosti z úplně jiné oblasti řešení antén a šíření vln. Ty cenné zkušenosti se týkají hlavně realizace DX spojení s anténami, které mají vysoké vyzařovací úhly. Vím, spíš tuším, že např. vstup do ionosférického kanálu pod vysokým úhlem a realizace šíření tzv. Pedersenovým paprskem je určitě speciální a pravděpododobně důležitý způsob mezikontinentální komunikace, kterou bych také rád zvládnul a naučil se ji opakovaně realizovat - nikoliv jen náhodně s malou pravděpodobností. Nicméně, mnoho hamů dělá DX komunikaci s anténami, které pravděpodobně mají vysoký vyzařovací úhel, a to opakovaně. Tohle se musím naučit, udělat několik experimentů a nějak popsat zásady, abych mohl tato spojení zopakovat. Nicméně, v těchto diskuzích jsem se dostal k tomu, že příliš nesedí modelování antén. A o tom jsem chtěl napsat pár řádek dneska zde. Článek nemá praktický význam pro řešení dipólů, disciplína je však důležitá jinde, ale o tom je závěr na konci.

Blízké pole

Na několika stránkách jsem napsal, že věřím modelům, které se alespoň shodují v hodnotách proudů ve vodičích. A aby se shodovaly, používám různé algoritmy, zejména různé modely zemních systémů. Případy, ve kterých hamové odmítli např. výsledky MININEC se týkaly nízko instalovaných antén. Pro řešení v extrémních, tj. malých výškách, je zejména u jednoduchých modelů země třeba vyřešit alespoň orientačně tzv. Near Field Pattern a z něho usoudit, zda lze nebo už nelze např. model MININEC použít. Na obrázku uvádím diagramy Near Field pro dipól, který rezonuje ve výšce H=10 metrů na kmitočtu 14.076 MHz. Na třech obrázcích, postupně zleva jsou blízká pole pro výšky h=5m (0.25 x wl), h=10m (0.5 x wl) a h=20m (h=1 x wl):

Je zřejmé, že intenzita E je zemí zásadně ovlivněna a je pro všechny tři uvedené výšky naprosto různá. Lze tedy očekávat, že dipól bude ve všech případech vyzařovat různě a bude mít různou impedanci. Všudypřítomná země má podstatný vliv. Všimněte si, že i když je dipól ve výšce 1 x wl, je poblíž země vidět druhá oblast s vyšší intenzitou.

Výpočet impedancí pomocí různých NEC modelů a metod

V následující tabulce jsem pro naši anténu uvedl hodnoty vypočtené MININECem a NEC2 (nejrozšířenější volně dostupné SW stroje):

a pro lepší názornost jsem hodnoty zobrazil také ve vyhlazeném grafu impedancí R+jX v závislosti na výšce. Tenkou modrou čárou je namalována hodnota R vypočtená MININECem, tlustou modrou R v NEC2:

V grafu vidíte (zleva do prava) úplně vlevo oblast, kde se zejména neshoduje reálná složka impedance R. U MININECu jde do nízkých hodnot, blízkých vyzařovacímu odporu. V této oblasti se však neshoduje ani jalová složka impedance. To je skutečnost, kterou lze napravit jedině jiným, složitým matematickým modelem země. Ale to je na jiné téma. MININEC nám v oblasti nízkých výšek H nebude přesně počítat ani hodnoty impedancí na svorkách, ani tabulku s proudy ve vodičích. Nemáme tedy žádný důvod, abychom jeho výsledky přijali pro řešení vyzařovacích diagramů antény.

Vpravo je označena zelená oblast. Impedance vypočtené oběma metodami (rovněž proudy) se nebudou příliš lišit. Hodnoty jsou rozdílné, nikoliv významně, výsledky z programů  MININEC jsou zpravidla pesimističtější a hamové, kteří publikují informace o anténách, volí pro výpočet NEC-2 engine (např. EZNEC).

Ve žluté oblasti lze obvykle za určitých podmínek pracovat jak s NEC, tak MININEC, případně po prvním návrhu udělat jednoduché korekce a model dostat do reality. Tohle většinou v levé červené oblasti jednoduše nejde.

Poznámka:

1. Existují programy i firmy, které se věnují oblasti výpočtů antén v podmínkách, které jsem zde popsal. MININEC a NEC2 jsou volně dostupné programy a metody. NEC4 je placený, stejně tak, jako většina ostatních SW. Můžete použít vlastní SW a s enginem snadno spolupracuje např. 4NEC2, který je také zadarmo (NEC4 si musíte koupit). Určité metody lze uplatnit v MININEC, např. v MMANA, ale není to až tak triviální a navíc ani legální, protože ve free verzi se nesmí dekompilovat a SW upravovat.
 

Jde jen o vliv země?

Tohle je žhavé téma. Bohužel, i tak se můžete dostat do situace, kdy vám jednoduchý model sedět prostě nebude a je jen na vás, abyste našli příčinu a nastavili korekce. Vždy, když pracujete s reálnou anténou a modelem v nízkých výškách, např. pod 0.25 x wl (0.25 vlnové délky), mají obrovský vliv vlastnosti země. Rozdíly v její vodivosti, předměty, porost, stavební objekty, parazitní vodiče, napáječe a další věci v blízkosti antény. Uvedu zde několik diagramů. Na obrázku vlevo je průběh reálné a jalové složky v rozsahu kmitočtů od 8 do 54 MHz. To proto, abychom viděli základní rezonanci (fundamental), která je v prvním průchodu červené čáry (jX) nulou. Všimněte si, že R je tam cca 50 Ohmů (není to důležité). Při druhém průchodu jX=0 vidíte celovlnnou rezonanci, R je vysoké, kmitočet cca 28 MHz. Takovou anténu bychom nazvali celovlnným dipólem. Na spodním grafu je průběh impedance a fázového úhlu. Na obrázku vpravo je rozprostřený průběh kolem kmitočtu 14 MHz. Tam už např. odečtete, že pro jX=0 je R nikoliv 50, ale přes 70 Ohmů .... Úplně vpravo jsou průběhy VSWR (nahoře a koeficientu odrazu dole). Hodnot, kterých pravděpodobně, pokud nebudeme umět namodelovat všechny vlivy dostatečně přesně, nedosáhneme:

Jak jsem již psal, toto jsou charakteristiky dipólu modelované jednoduchou metodou. Předpokladem byla homogenní zem, přísná symetrie napáječe, naprosto stejná symetrie antény vůči (kapacita) zemi a dokonalý balun. Všechny uvedené faktory vám samozřejmě v oblasti near field (tj. určitě pod 0.25 x wl) zásadně ovlivní průběhy proudů ve vodičích. Pokud potřebujete s anténou dále teoreticky pracovat v této oblasti, musíte všechny uvedené vlivy zvládnout.