O LPDA anténě se všeobecně tvrdí, že to je anténa širokopásmová. Na závěr tohoto článku uvidíte, že to je pravda. Nicméně, uvedu zde i několik dalších skutečností a zopakujeme si všeobecně známé věci, které bychom si měli uvědomit, pokud zvažujeme pořízení nebo konstrukci směrové antény pro pásma od 14 MHz do 30 MHz. Některá fakta platí i pro nižší kmitočty, ale na těchto pásmech nemám možnost experimentovat se směrovkami. Proto je k tématu přizpůsobení úvod o něco širší, než je jindy obvyklé. O zisku, F/B, vyzařování a dalších detailech mojí LPDA antény píšu zde.

Průměr a délka dipólu v rezonanci

Je všeobecně známou věcí, že geometrické rozměry dipólu mají vliv na jeho rezonanci. Za rezonanci budeme považovat stav, kdy komplexní složka impedance jX=0. Skutečnost budeme ověřovat experimentálně vždy na stejném místě, ve stejné výšce a na stejném kmitočtu. Experiment provedeme tak, že budeme delší dipól zkracovat postupně tak, abychom naměřili nejprve jX > 0 (např. jX=50 Ohmů pro delší dipóly) a po několika krocích zkracování se dostali k hodnotám jX<0 (např. jX=35 Ohmů pro zkrácené dipóly). Ze dvou hodnot nejblíž kolem hodnoty jX=0 Ohm pak vypočteme geometrickou délku dipólu pro použitý kmitočet, danou výšku nad zemí a použitý průměr drátu. V následujících grafech jsou zobrazeny průběhy rezonančních délek (m) pro různé průměry drátu (mm) pro dva kmitočty (14.15 MHz a 28.2 MHz):

Z grafů vidíme, že v rezonančních délkách pro tenký hladký drát (AL, průměr 1,6 mm) a trubku (AL, vnější průměr 20 mm) je značný rozdíl, a to až 20 cm na kmitočtu v pásmu 14 MHz a 8 cm v pásmu 28 MHz. Jde tedy o změnu významnou a také o všeobecně známou skutečnost, ale při návrhu antén bychom ji neměli podceňovat. I když je publikována celá řada empirických vzorců, jak lze přepočítat geometrické rozměry prvku, vyplatí se provést několik experimentů. Pokud používáme prvky z teleskopicky zasunutých trubek, je dobré mít v "tubingu" a v geometrii vztažené k délce vlny jasno. A je také důležité, abychom si správně nastavili program, který pro modelování používáme. Grafy jsem zde uvedl také proto, abychom si v hlavě srovnali, zda tyto reálné výsledky měření souhlasí s našimi zkušenostmi (nebo představami).

Vliv výšky dipólu na rezonanci

V literatuře se často uvádí grafické znázornění reálné složky impedance R v ohmech v závislosti na výšce dipólu. Pro představu uvádím raději jiný graf, který má obdobný průběh - graf geometrické délky dipólu v rezonanci (tj. pro jX=0) v závislosti na výšce nad zemí. Použitý kmitočet f = 14.15 MHz, dipól vyroben z trubky o průměru 20mm a průběh vypadá takto:

Překvapilo vás, že se délky liší (na 14 MHz) o více než 30 cm? Bohužel, taková je u dipólu skutečnost a výška nad zemí nám bude vždy nějak ovlivňovat konstrukci našich antén. Po mnoha experimentech jsem začal používat pro návrh antén kombinaci dvou metod - nejpřesnější modelování antény v programu MININEC a měření proudů v anténních prvcích. U dipólu to je jednoduché, tam připojíme ke svorkám anténní analyzátor. U složitějších systémů, jako je LPDA nebo u antén s pasivními prvky to až tak jednoduché není. Pokud ztotožníme průběhy proudů s modelem antény, zpravidla to okamžitě poznáme na tom, že nám také sedí impedance antény v místě napájení a předpokládáme, že anténa bude vyzařovat dle diagramů vypočtených programem NEC. Až doposud se mi nepodařilo tuto hypotézu rozbít a popsaný postup používám k nastavování antén. Pokud nastavujeme v jiné výšce Hx a provedeme nastavení průběhu proudů v pasivních prvcích jejich geometrií, pak se nám bude anténa chovat dle modelu i v návrhové výšce H. A to je výhodné.

Pozn.: pokud pro některého z hamů řeším situaci, že mu nesedí impedance s návrhem, vždy kontroluji kromě chyb výšku (průběh výšky) a geometrii. Platí to pro každou anténu, nejen pro dipóly, ale i pro smyčky.

Průběhy SWR u konkrétních typů směrových antén

Jak se chovají různé antény v různých výškách? Na dalších grafech uvádím průběhy čtyř antén. Jde o Jungle-Job (vynikající dvouprvková jednopásmová anténa, driven element je v plné délce, reflektor je ve tvaru V), MOXON, tříprvkovou Yagi (navržena na impedanci 25 Ohmů) a logaritmicko-periodické pole dipólů LPDA ( 8 prvků a délka ráhna 5.9 m). Úmyslně jsem zde vynechal dvě antény - vícepásmovou yagi s proloženými prvky a hex-beam. O těchto anténách napíšu jindy. A omlouvám se za stupnici SWR v grafu. Hloupý SW na malování grafů nepoznal, že jde o SWR, hi a já si toho všiml pozdě...Všechny antény nebyly měřeny ve všech výškách, měření se dělalo pro h = 5m, 7m, 10m, 12m, 15m, 20m a u LPDA a MOXON také v 25m. Yagi nebyla měřena v 5m a 7m.

Možná bych měl udělat nějaké závěry. Udělám dva nebo tři:

1. Pokud nám po montáži nesedí SWR, zpravidla jsme udělali někde v návrhu nebo při montáži chybu.
2. V grafu jsou vidět vynikající průběhy u dvou antén - Jungle Job a tříprvkové Yagi.
3. Moxon a LPDA by mohly být lepší, hi.

Průběhy reálných a jalových složek impedancí u uvedených 4 antén

Z grafů vidíme, že reálná a jalová složka impedance se u antény monoband Yagi "plazí" kolem jmenovitých hodnot. A totéž lze přiměřeně říci i o anténě Jungle Job. A také je vidět, jak se v dané situaci chová LPDA. Je to dáno principem její činnosti. Podrobnějšími rozbory bychom zjistili, že u antén LPDA mají v uvažovaném pásmu na průběh SWR v návrhové výšce vliv parametry TAU a SIGMA. Chcete-li to říci jinak, pak tedy design antény, tj. počet prvků a délka ráhna. Pokud byla pro pásmo 14-28 MHz anténa alespoň 8 prvková a ráhno dlouhé 5 metrů, bylo přizpůsobení OK. A s anténami o 4 prvcích jsem měl problémy, mimo směrového diagramu, také s přizpůsobením.

Průběh SWR u osmiprvkové antény s délkou ráhna kolem 6 metrů na kmitočtech 14 až 28 MHz

Kdo alespoň jednou nastavoval vícepásmovou anténu QUAD nebo Yagi s proloženými prvky (interlaced yagi) nebo 5 pásmový HEX-BEAM, ví, o čem je řeč. A zabere to i nějaký čas, pokud máme model NEC a aparaturu pro měření proudů. Ale existují i antény, které prostě nastavit nejdou. Tady se projeví základní výhoda LPDA antény. U popisu antény LPDA s 8 prvky a zde jsem uvedl také odkaz na program LPCAD 34. Pokud navrhneme LPDA anténu tímto programem, což není podmínkou nebo dodržíme geometrii s vyhovujícími parametry TAU a SIGMA při ručním výpočtu, který není složitý nebo pokud jednoduše okopírujeme nějakou důvěryhodnou konstrukci LPDA antény, obdržíme průběh SWR, který je uveden na grafu níže a anténa nám zcela určitě bude vyzařovat přibližně jako 2 prvková anténa Yagi. Bohudík, toto platí. Mnoha experimenty jsem to ověřil a antény, které jsem vyrobil a nesly označení MK1 (prvky šly regulovat ve velkém rozsahu) se tak chovaly. Tvrdím, že pouze tato skutečnost, tj. širokopásmovost, ještě vyhovující průběh SWR a prakticky nulové nastavování pro celý rozsah kmitočtů nás může oslnit. Určitě to však není spotřeba materiálu nebo zisk či F/B antény. Po výrobě s běžnou přesností se nám podaří docílit následujícího průběhu SWR, který naměříme:

Vidíte, že to zcela určitě není špatné přizpůsobení. A proto se LPDA antény používají v profesionálních službách po celém světě.

Průběhy impedancí u jedné z měřených VSVR ve Smithově diagramu:

Pokud LPDA optimalizujeme a využijeme všech možností napájení, tj. umíme dělat s délkou a štíhlostí prvků, s napájecím vedením a s přizpůsobovacím pahýlem, docílíme následujícího přizpůsobení:

V obou grafech je znázorněna závislost SWR na výšce. I tak vidíme, že nám SWR neuteče bůhvíkam, jako např. u úzkopásmových antén (Yagi).

Závěr

V době, kdy jsem aktualizoval tento článek, jsem měl k dispozici výsledky téměř všech měření ze série 2013 a typu MK2. Na základě této série byla provedena konstrukční úprava MK4. Prvky antény jsou pevně nastavené z výroby, stejně tak pahýl, toto platí pro všechny série včetně MK4 i MK5, vyráběné po roce 2013.

Typické průběhy VSWR a impedancí jsou uvedené zde. Jedná se o anténu dobře přizpůsobenou a s opakovatelnými výsledky, která téměř nevyžaduje nastavování.

73's Věra & Míra, ok1ufc

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 27.07.2014