Někde v úvodním slovu ke svému webu jsem napsal, že se věnuji modifikacím antén, které skutečně vysílají. Také jsem napsal, že mám rád antény jednoduché. A ty jednoduché se snažím zkracovat tak, aby se to při praktickém provozu nepoznalo, to znamená, že rozdíly ve vyzařovacích diagramech a v účinnostech takových antén nesmí být znatelné. Snad nejjednodušší anténou je anténa typu dlouhý drát. Budeme ji zde nazývat anténou longwire, tj. LW. V literatuře se zpravidla za nejkratší anténu LW považuje anténa půlvlnná (v tzv. rezonanci fundamental), která skutečně vysílá. Klasici pak za anténu LW považují anténu, která je dlouhá několik násobků půlvln.

Jde o rezonanční anténu se vším všudy. Čtenářům, kteří si chtějí o chování této antény udělat detailnější představu, doporučuji přečíst nejprve můj základní článek o drátových anténách, který je zde, případně úvodní články k anténám, ve kterých je napsáno, že vyzařuje vodič libovolné délky, kterým teče proud, že účinky různých vyzařujících vodičů se mohou sčítat nebo rušit a také je v jednom článku práno o fiktivní veličině vyzařovací odpor.

V dalších úvahách začneme s porovnáním vlastností různých půlvlnných antén. Zejména půlvlnného dipólu a půlvlnné na konci napájené antény. Pro úvahy jsem vybral antény, které jsem měl možnost prakticky zkoušet ve svém QTH. Vybral jsem pro experimenty pásmo 40m, konkrétně kmitočet 7.076 kHz, protože na tomto kmitočtu rád porovnávám výsledky antén provozem JT65A a výšku 14 metrů (0.33 x lambda), protože to je výška na stožáru, který je dole vybaven solidním zemním systémem, dokonce i slušnou sadou zakopaných radiálů, které mají na uvedeném kmitočtu délku jednu čtvrtinu vlny.

Před tím, než provedu srovnání konkrétních antén, uvedu zde ještě jednu kategorizaci antén. Jde o rozdělení do dvou základních kategorií na antény uzemněné, namalované nahoře a na antény neuzemněné, namalované pod nimi. Mezi uzemněnými anténami zleva vidíte čtvrtvlnný vertikál, pětiosminový vertikál, zkrácené vertikály a šikmý, dole napájený zářič. Mezi neuzemněnými (galvanicky izolovanými) anténami vidíte zleva vertikální dipól v rezonanci fundamental (půlvlnný), celovlnný vertikální dipól, šikmý dipól, horizontální dipól a dipól dlouhý 1.5 x lambda. A u všech typů antén je vidět jejich tzv. "zrcadlový" obraz, který se často používá pro jednoduché modelování vyzařování. Tento způsob modelování je uznávanou metodou, protože dává poměrně přesnou shodu se skutečností, ale o tom dnešní článek není.

V tomto úvodním slovu, ještě před tím, než začnu psát kacířské myšlenky, se ještě zmíním o ztrátách ve čtyřpólech. Ztráty ve čtyřpólech jsem popsal v tomto článku. Je tam diagram, ve kterém i pro ten nejjednodušší čtyřpól (L článek) zjistíme, že tento čtyřpól má ze známých jednoduchých čtyřpólů (L, T, PI články) ztráty nejmenší, že ztráty se zvyšují se zvyšujícím se transformačním poměrem a také jsou vyšší při velmi malých a velkých fázových úhlech. Píšu tady o tom proto, protože půlvlnný dipól napájený uprostřed lze snadno přizpůsobit ke koaxiálnímu napáječi a dodatečné "match loss" nám nevznikají, pokud dipól skutečně dostříháme do rezonance. Nicméně, pokud budeme chtít dipól napáje na konci, kde má impedanci několik kiloohmů, pak např. při impedanci 5 kOhmů je R1/R2 = 5000/50 = 100. Z grafu odečtený koeficient delta je asi 10. V úvodu článku je zmíněn jediný praktický vzorec. A z toho vzorce zjistíme, že Pz/Pp = delta/Q. Při indukčnosti s jakostí Q=100 pak zjistíme, že Pz = 0.1 x Pp, což znamená, že při dobrém L článku s vysokou účinností zaplatíme za napájení na konci asi 10% výkonu, který proměníme v Joulovo teplo.

Pokud jsme se smířili s tím, že za transformaci impedancí zaplatíme ztrátovým výkonem vysílače, pokud se nám nebude chtít dělat anténu napájenou žebříkem uprostřed, můžeme si před těmi dalšími kacířskými úvahami konečně udělat srovnání několika antén, které mají s půlvlnnou co dočinění.

Srovnání antén, u kterých se využívá poloviny vlny

Na tomto obrázku je vyzařování půlvlnného dipólu, jehož délka je upravena tak, aby jalová složka jX=0 a je ve výšce 0.33 x lambda. Dipól je nízko a podle toho vyzařuje. Rovněž impedance odpovídá jeho výšce.

Na tomto obrázku je anténa LW, která je ve stejné výšce. Opět je v rezonanci. Její impedance není 5 kOhmů, o kterých jsem se zmínil, ale jenom asi 3.3 kOhmu, takže match loss budou o něco menší, ale nikoliv podstatně. Vyzařování je podobné. To odpovídá teorii, že pro vyzařování jsou důležité tvar a délka zářiče, samozřejmě materiál (je stejný) a proud, který zářičem teče. Pokud do takového zářiče nacpeme stejný proud při napájení uprostřed nebo při napájení na konci, pak takový zářič bude vyzařovat stejně. To je také v souladu s teorií.

Pouze pro ilustraci tady uvedu vyzařování antény Double Zeppelin. Někdo ji již uvádí za anténu směrovou. Taková anténa má proti dipólu dvojnásobnou délku, je napájená uprostřed, ale v místě napěťové kmitny, tj. na vysokém napětí. Všimněte si, že Double Zeppelin má v horizontální rovině více deformovaný diagram (pokles proti maximu je více než 10 dB),  má stejný vyzařovací úhel, jako předchozí dvě antény, a v námi uvažované výšce má jen asi o 1.5 dB  vyšší zisk:

všechny tři antény mohu srovnat v jednom diagramu:

První kacířská myšlenka

Všechny tři antény byly jednoduché a drátové. Double Zeppelin měl při dvojnásobné délce jen o 1.5 dB vyšší zisk. Již se projevila jeho směrovost a diagram měl minimum prosedlané o více než 10 dB. Jak vyzařuje zkrácený dipól? Na dalším obrázku je srovnání vyzařování půlvlnného dipólu a dipólu zkráceného na 0.3 x lambda, tj. na 60 procent své velikosti:

Jde o všeobecně známou skutečnost. Dipól, který je zkráceny na 60% své velikosti, vyzařuje téměř stejně, jako dipól půlvlnný. Jenom nemá ty hezké impedance, jako půlvlnný dipól, takže se nám tato vlastnost hodí, pokud skutečně umíme impedance transformovat s nízkými ztrátami. V praxi se toto skutečně používá. Běžná anténa G5RV funguje velice dobře na pásmu 80 metrů a je dlouhá jen 74% z délky dipólu. Někteří konstruktéři ji zkrátili ještě více, např. na 64% a také docilovali dobrých výsledků na pásmu 80m. Samozřejmě, že jsem vyzkoušel tyto modifikace a mohu potvrdit, že jsem praktický rozdíl nezjistil. Další zkracování (myšleno pod 60% původní délky v rezonanci) však znamená snižování vyzařovacího odporu a neúnosné zvyšování ztrát. Více zkracovat tedy nedoporučuji.

Proč se pro napájení antény na konci používá právě půlvlnná délka zářiče?

V článku o drátových anténách jsem uvedl několik obrázků, na kterých jsou namalovány průběhy napětí a proudů. Tady opět opakuji a uvádím důležitá fakta. Aby zářič této délky vyzařoval, musíme docílit, aby skrz ten drát tekl proud. A to poměrně velký proud. Protože je jasné, že na koncích toho drátu nemá proud kam téci, bude tam proudové minimum. Ale může tam být napěťová kmitna. A to jsme u dalšího základního teoretického poznatku - u skutečnosti, že anténním zářiči takové antény je stojatá vlna. Se stojatou vlnou umíme samozřejmě pracovat i na nízkoztrátovém symetrickém napáječi. Nikoliv však na koaxiálním napáječi (z důvodu ztrát) a nikoliv na výstupu z vysílače. Jde nám tedy o to, abychom na půlvlnné anténě našli místo, kde jí lze napájet napáječem s postupnou vlnou. Takové místo je uprostřed (půlvlnný dipól se tam běžně napájí a jeho jalová složka jX se úpravou jeho délky nastavuje na jX=0). Takové místo je i mimo střed a lze ho najít i na konci. Jenom ten způsob napájení a transformace impedancí nebudou tak jednoduché.

Aby vyzařoval LW délky 0.5 x lambda jako dipól stejné délky, musí jím téci stejný proud a musí být ve stejné výšce. Moje anténa byla ve výšce 14m. Impedance jsem transformoval nahoře automatickým tunerem, od kterého vedl dolů koaxiální kabel. Plášť koaxu byl dole uzemněn na zemní systém stožáru. Schéma napájení je toto. Na obrázku jsou vidět proudy, které tečou zářičem a proudy, které tečou pláštěm koaxiálu do země:

Proudy jsou malé. Je zřejmé, že jsou mnohem menší, než např. proudy uprostřed zářiče. Tento způsob napájení lze samozřejmě použít, nicméně, uzemnění je nezbytné a jedná se o anténu uzemněnou, tak, jak jsem uvedl v úvodní kategorizaci. V jiném článku - zde, jsem rovněž popsal odlišné napájení na konci napájené antény. Je tam uvedeno toto známé schéma:

Na schématu je vidět paralelní rezonanční obvod (musí být přesně laděný). Vlevo je malý kousek zářiče (je tam uvedeno, že je dlouhý 0.05 x lambda). V literatuře je označován za "protiváhu" - counterpoise. Co to znamená? Jak to funguje? Velice jednoduše. Tato uvedená protiváha tvoří kapacitu k plášti koaxiálního kabelu, právě z toho důvodu, aby po plášti mohl téci proud až do země. Když spojíme konec paralelního obvodu s pláštěm koaxiálu, bude to fungovat podobně. Pokud potřebujeme, aby nám taková anténa fungovala např. v letadle (nebo na skalnatém kopci), kde nemáme kam zakopat uzemnění nebo zřídit systém radiálů, musíme zrealizovat kapacitu přímo proti zemi, např. takto:

Na letadle nám tvoří kapacitu proti zemi vlastní letoun včetně křídel. Všechny kovové díly letounu jsou samozřejmě pospojované (rovněž z jiných důvodů). Pokud máme papírák nebo balón nebo jsme vylezli na skálu, pak nám kapacitu se zemí tvoří nezapojený vodič symetrického vedení, kterým půlvlnný zářič napájíme. Jen a jen tímto způsobem docílíme toho, aby se z tzv. uzemněné antény stala anténa neuzemněná. Teď je možná namístě konstatovat, že ať děláme, co děláme, po plášti na konci napájené půlvlnné antény nám vždy potečou plášťové proudy nebo ji zkonstruujeme jako izolovanou, pak tedy doplníme druhý zářič a vyrobíme Double Zeppelin s dvojnásobnou délkou (blbě se to s napáječem spouští z letadla) nebo vyrobíme Single Zeppelin se symetrickým vedením na konci. Nebo vyrobíme dostatečnou kapacitu proti zemi jinak (třeba dost velkým rozpětím křídel plechového letadla). V literatuře nás učí, že proudy, které tečou pláštěm koaxiálního napáječe, jsou špatná věc, protože tečou také skrz uzemnění vysílače nebo skrz kapacitu spínaného zdroje do nulového vodiče rozvodné sítě. Víme, že když jsou malé, nevadí. U půlvlnné antény jsou nejmenší. A to je důvod, proč ji tak často používáme. Prostě jsme nezvládli zrealizovat pro uzemněnou anténu dobré uzemnění. Na místě je otázka, zda má smysl se honit za lepším uzemněním u půlvlnné LW (chcete-li end-fed) antény. V roce 2013 jsem vyrobil toto monstrum. Pořád stejná výška, stejný stožár, jenom jsem ten tuner uzemňoval 7 různě dlouhými vodiči k zemním dílům stožáru. Schéma je následující:

Proudy jsem měřil dole. Byly maličké. Dalo se to snadno namodelovat v MMANA i v EZNEC. Jinde jsem to nezkoušel. Vyzařovat by to mělo takto nějak:

Z diagramu je vidět, že ho těch 7 uzemněných vodičů zdeformovalo (prosedlalo), protože přeci jenom skrz ně proud teče až do země, tedy vyzařují. Porovnání s dipólem je zde, rozdíly nejsou podstatné:

Budu pouze suše konstatovat, že rozdělením proudů do více vodičů si toho moc nevyřešíme, ale k deformaci vyzařování přeci jenom došlo. A dojde vždy, pokud máme hamovnu vysoko a vodiči, které vedou do země teče u uzemněných antén proud do země. Každý drát, kterým teče proud, vyzařuje.

Máme další možnosti. Pokud jsme si dali práci a zakopali jsme si do země zemní systém, např. dva radiály, můžeme zkusit natáhnout šikmou anténu.

Na detaily nemusím upozorňovat. Dipól nám v dané konfiguraci vyzařuje nejlépe. Půlvlnný šikmý zářič nejhůře. Pokud máme jen jeden stožár a chceme zachovat maximální výšku, pak raději zvolíme délku zářiče delší, např. 5/8 lambda, klidně 0.75 x lambda. Musíme si uvědomit, že tento anténní systém je uzemněný a do země tečou značné proudy:

Všimněte si podobnosti s anténou v úvodním obrázku, který jsem převzal z literatury, nahoře vpravo. Zde budu pouze konstatovat, že v některých případech je půlvlnná anténa horší než anténa delší. Snad ještě doplním informaci, jak lze tento zářič přizpůsobit:

Prosím, teď tady napíšu velice kacířské konstatování. Vy, co mým úvahám nevěříte, raději nečtěte dále a konstruujte si antény, jak umíte. Všimněte si, že ten šikmý drát, který je dlouhý asi 0.73 x lambda, má v místě napájení impedanci R=52 Ohmů a jX=0, tedy je to přizpůsobeno přímo ke koaxiálnímu kabelu. Podotýkám, že v zemi jsou dva čtvrtvlnné radiály. Podobný obrázek antény je uveden např. u vynikajícího automatického anténního tuneru Icom AH4. Osobně tvrdím, že profesionální konstruktéři automatických tunerů vědí, co konstruují a znají vyzařování antén. V českých zemích je však rozšířen mýtus, že správná na konci napájená anténa musí být půlvlnná. Není to pravda. Viděli jste, že šikmá, u země napájená anténa se dvěma radiály vyzařuje lépe a v některých případech nevyžaduje ani ten tuner (se ztrátami) k ladění.

Na konci napájenou anténu jsme se naučili prodlužovat. Jenže co dělat, když pozemek není dost velký a stožár není dost vysoký? Je třeba zkracovat, ale tak, aby účinnost příliš neklesala a rovněž aby se nám nešířily proudy po plášti koaxiálu do energetické rozvodné sítě.

Zkracované na konci napájené antény

První kacířská myšlenka spočívala v tom, že jsem vám ukázal, že půlvlnný dipól, který zkrátíme na 60% své délky vyzařuje ve stejné výšce téměř stejně, jako dipól nezkrácený. Tedy pokud je vyroben ze stejného materiálu, tedy z mědi. Obrázek uvažoval ztráty ve vodiči, nikoliv ztráty přizpůsobením. Tunery však nejsou dnešním tématem, ale vhodné přizpůsobení pro zkrácený dipól existuje, uvedl jsem alespoň jeden příklad a tím je anténa G5RV napájená napáječem se stojatou vlnou a přizpůsobená automatickým tunerem.

Pokud zkrátíme naší LW (lze ji tak ještě nazývat, když už bude mít jen 0.3 x lambda?), raději na konci napájenou krátkou drátovou rezonanční anténu na délku 0.3 x lambda, tj nebude dlouhá přes 20 metrů, ale jen kolem 12.5 metru, bude mít na konci impedanci: R=820 jX= -1300. To nám impedance klesla, že? A ta jalovina.... Ve Smithově diagramu vidíte, že takto krátká anténa je přizpůsobena symetrickým vedením - žebříčkem PCV-570-84 na hodnotu VSWR=1. Prosím, vnímejte, že Smithův diagram jsem si normoval na R=100 Ohmů uprostřed. Za vedením musí být použit ještě balun s transformačním poměrem 1:2 a pracuje to bez tuneru. Já tam nemám žádný balun, ale dálkově ovládaný tuner. Celý systém je izolovaný od země. Ani já nemám rád proudy, které tečou po plášti kabelu a tak si nezbytnou kapacitu vůči zemi vyrábím nezapojeným koncem symetrického vedení.
 

Na tomto obrázku ještě ukážu, jak je to s proudy v anténě. Vidíte, že na nezapojeném konci vedení je kmitna napětí. Na druhém vodiči je však kmitna někde uprostřed vedení. V místě napájení je pouze impedance  R=100 Ohmů a jX=0. Není třeba, aby do země tekl po plášti kabelu jakýkoliv proud. Kapacita pláště kabelu a symetrického vedení se samozřejmě projeví. Jenže v tomto zapojení stačí maličký proudový balun na výstupu tuneru a proudové sondy jsou v klidu.

Jak to vyzařuje? Uvádím porovnání s půlvlnným dipólem. Vidíte, že to vyzařuje stejně.

Uvedu ještě vyzařovací diagram této zkrácené antény s číselnými hodnotami, abyste viděli přizpůsobení:

Závěr

Má smysl psát závěr? Osobně si myslím, že to smysl nemá. Přesto jsem v tomto článku psal o kacířství, a to hned v několika případech. Občas mi zavolají hamové. Nebo napíšou mail. A řeší otázku půlvlnných rezonančních antén. Nebo otázku, že jejich nový automatický tuner už není schopen přesně vyladit půlvlnnou end-fed anténu. Jen tyhle dvě uvedené věci nám popisují celou řadu nevyřešených problému, tedy spíš několik nevyjasněných příčin.

První příčinou je, že anténa napájená mimo střed nebo na konci patří v každém případě do kategorie uzemněných antén. Na rozdíl od dipólů nebo antény Double Zeppelin. A u uzemněných antén prostě musí někudy téci do země proud. Velice často musí téci po plášti kabelu. A aby tekl po plášti snadno, konstruktéři end-fed antén, kteří to pochopili, tak ten plášť spojují s koncem paralelního rezonančního obvodu, kterým anténu přizpůsobují. Nebo tam dělají krátkou protiváhu, tzv. counterpoise. Nebo tam mají pořádnou kapacitu proti zemi, např. drak a křídla letounu. V domě, ve kterém bydlíme, tak máme často omezené možnosti při konstrukci antén. A hledáme řešení. Když uděláme anténu kratší nebo delší, než je její rezonance v násobcích fundamental, neumíme se zbavit plášťových proudů. Mimochodem, zjistili jste, že vám nepomohl ani zaručeně dobrý balun. Dokonce i transformátor (s moderními ferity lze zkonstruovat skutečně dobrý oddělovací transformátor pro vysoké výkony, širokopásmový a s malou kapacitou, vyzkoušel jsem si takovou konstrukci, ale ani o tom není tento článek). A proudy tam opět tečou. Místo, aby se sáhlo ke konstrukci izolované antény (takovou je např. Single Zeppelin), sáhlo se k jednoduché úvaze. Napájet anténu na vysoké impedanci maličkým proudem. Anténa sice není od země izolovaná, je pořád nějak muzemněná, ale koaxiálním napáječem tečou jen maličké proudy. Takové proudy, které nám nevadí. A dokonce zjistíme, že i uzemnění může být mizerné a nějak to funguje. Vyřešeno však nemáme. Tunerem musíme transformovat vysoké poměry R1/R2. Tedy transformujeme poměr, ve kterém jsou nejvyšší ztráty match loss. Jenže víte, že ztráty jsou sprosté slovo, špatná věc. To skutečně jsou. A v článku o ztrátách jste zjistili, že kromě parametru delta, který je závislý na transformačním poměru, jsou ty ztráty závislé také na jakosti Q u indukčnosti a kondenzátor je namáhán vysokým napětím. Také již víte, že nejmenší match loss má ze čtyřpólů L článek. Nemám nic proti tomu, abyste vyrobili obrovskou nízkoztrátovou indukčnost a použili vakuový konďour dokonale dimenzovaný na vysoké napětí. Jakost induktoru Q dokážete stanovit a ztráty podle tajemného vzorce s číslem 287 vypočítat a budou možná menší, než 10% což budete považovat za docela "gud"...a opravdu to není špatné. pro velké výkony se to dá tunerem jak almara vyřešit. Jenže pro jiné rozměry zářiče vám tam pořád ty zasrané proudy potečou, protože jste je pro zářič pracující s polovinou vlny omezili, ale při jiných délkách budou vyšší. A skončili jste u antény, jejíž nejkratší délka je lambda/2 a delší antény jsou v násobcích fundamental. Musí vás tedy zákonitě naštvat, když někomu funguje stejně dobře anténa podstatně kratší. Za podstatně kratší považuji jednoduchou anténu (tedy pořád jen drát) zkrácenou na 0.3 x lambda. Ta totiž vyzařuje tak, že si rozdílů nevšimnete. Tvrdit toto v OK zemích, může být považováno za kacířství. Nechávám však na každém, aby si rozmyslel, do jaké míry zůstane u dogmat "zkracuji - ztrátuji". Tohle dogma je samozřejmě pravdivé. Bohudík, rovněž je pravdou, že když zkracuji rozumně, tak se to prakticky nepozná. Rozumně zkracovat je od slov "rozumět problematice". Nebo je to kacířství?

Druhé příčině, tj. skutečnosti, že tuner není schopen vyladit půlvlnnou anténu, té se směji. Vím, jak to je s match loss L článku, když ladí vysoký poměr R1/R2. Také vím, že kdekdo, kdo jen s pomocí programu, který nám inteligentně řeší přizpůsobení ve Smithově diagramu, čas od času řeší přizpůsobení, tak si "rozsvítí odpovídající křivku Qmax (X/R)". Je to ukázáno třeba v příkladu č. 7 a 8 tohoto článku, který jsem tu uvedl před rokem a  použije vícestupňovou kaskádní transformaci impedancí tak, aby nepřekročil ztráty. Dobrým způsobem kaskádní transformace je však použití symetrického vedení vhodné délky. Na mnoha stránkách svého webu, také na této stránce jsem tuto metodu použil. Mám rád automatické tunery a dálkově ovládané tunery. Jsou to vynikající a maličké přístroje, nikoliv almary, byť s krásnými rolery a vakuovými kapacitory, proti kterým nic nemám a skutečně je považuji za "hezký kus nábytku". Je však třeba umět s nimi dělat. Nejjednodušší cestou je, že si vzpomeneme na kaskádní způsob, kterým provedeme transformaci impedancí a automatickým tunerům tu jejich činnost usnadníme. Já jim to usnadňuji dost. Často používám tak dlouhé žebříčky PCV-570-84, až tunery ladí jen s maličkými indukčnostmi  (nebo bez nich). Považujete i tohle za kacířství?

Happy New Year 2014 and VY 73 Míra

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 26.10.2014