První srovnávací měření na drátových anténách

Jednoduché drátové antény jsou v krátkovlnné amatérské praxi velice rozšířené, velice oblíbené a k jejich napájení se používají snad všechny známé způsoby. Tento článek se zabývá měřením proudů v nízko instalovaném anténním vodiči délky kolem 80 metrů.

Konfigurace

Anténa byla natažena mezi komíny dvou domků. Nikoliv zcela symetricky, protože komín (pravá strana domku) nebyl na "správném" místě a anténní vodič šel blízko nad střechou. Měřen byl proud ve dvou konfiguracích antén:

a) Napájení žebříčkem o délce cca 20 metrů uprostřed. Taková anténa se nazývá Double Zeppelin. Žebříček transformoval vysokou impedanci v místě napájení anténního drátu na nízkou impedanci tuneru. Použitý tuner byl podle schématu Z-match (Supermatch). Další článek o zapojení tuneru je také tady. Schéma této antény je zde:

b) napájení na konci pomocí paralelního rezonančního obvodu vinutého na toroidu T200-2, laděného pomocí kondenzátoru s kapacitou asi 130 pF. Kondenzátor byl popsán např. u MLA antény nebo u feritové antény. Jedná se tedy o klasickou END FED LW anténu. Její schéma by odpovídalo prvnímu obrázku v tomto článku, s jedinou výjimkou - nebyla použita protiváha a zemní konec LC obvodu bul spojen s pláštěm koaxiálu. Další související článek, který je důležitý pro pochopení principu, jsem napsal zde.

Naladění

Obě antény bylo možné naladit tak, že na pracovním kmitočtu 3.572 MHz bylo po naladění VSWR = 1. Před ladicími čtyřpóly - v prvním případě na vstupu do tuneru Supermatch (Z match) byl zapojen Wattmetr Daiwa na rozsahu 15 Wattů a na vysílači byl nastaven výkon 10 Wattů, který byl během prvního i druhého měření stejný.

Měření

K měření byly použité dvě proudové sondy. Obě sondy byly před měřením kalibrované na pracovním kmitočtu proudem tekoucím do umělé zátěže tak, aby ukazovaly stejně. Sondy jsou bezdrátové a byly tažené pomocí tenké silonové niti od středu antény po anténním vodiči. Poloha podél vodiče byla odměřována otáčkami navíjecího bubnu niti. Proud byl odečítán bezdrátově a ke každému odečtu proudu byl proveden současně odečet polohy sondy.

Výsledek

Výsledek byl, bohužel, překvapující:

Modrá čára odpovídá magnitudě proudu ve středu napájené antény typu Double Zeppelin, napájené přes žebříček typu PCV-570-84 a manuální tuner s oddělovacím transformátorem schématu Z-match (Supermatch). Přizpůsobení určitě nebylo bezestrátové - viz popis tuneru. Žebříček pod anténou nešel zcela symetricky. V  místě jeho připojení byla výška jen 8 metrů nad zemí. žebříček byl však dlouhý 21 metrů ....

Červená čára odpovídá magnitudě proudu na konci napájené antény typu LW, která byla laděná do rezonance paralelním rezonančním obvodem, jehož indukčnost byla vytvořena vinutím na železoprachovém jádře T200-2 a kondenzátorem C=130 pF velké konstrukce a s velkými mezerami:

U rezonančního obvodu nebyla použita žádná protiváha. Proto byl studený konec (u kterého bylo vinuto vazební vinutí) spojen s koaxiálním napáječem. Rezonanční vinutí bylo nastaveno tak, aby anténu bylo možné vyladit poblíž plné kapacity kondenzátoru (to bylo asi na 120 pF). Vazební vinutí mělo v tomto případě 4 závity. Je tedy jasné, že jako protiváha antény slouží plášť koaxiálního kabelu. Ten byl dlouhý asi 8 metrů (od komína do hamovny). TRX typu Icom 706 MK2 G byl nastaven na režim RTTY, výkon 10 Wattů a byl klíčován při měření PTT tlačítkem. Zemní svorka TRX nebyla spojena a TRX byl spojen na přepínači antén se staniční zemí. Ta je propojená pláštěm koaxiálů se zemním systémem vertikálů. Anténa LW tedy v tomto případě nebyla zapojena ani jako symetricky napájená (to nejde) a ani jako izolovaná od země. Proudy mohly téci přes napájecí zdroj do rozvodné sítě nn a přes koaxiály do společné země vertikálů. V tom byl hlavní rozdíl mezi oběma anténními systémy. Ještě musím napsat, že anténní vodič byl stále stejný - Cu lano. LW byl realizován tak, že se na centrálním izolátoru odpojil žebříček a svorky ramen byly propájeny.

Závěr

Bohužel výsledek nedokážu pořádně vysvětlit a ani přesně stanovit příčiny. Dva výsledky však považuji za tristní.

Tím prvním je velký rozdíl v nesymetrii proudů u antény Double Zeppelin. Rozdíl je stejný, i když jsou svorky napáječe na tuneru prohozeny. Dělá ho tedy okolí antény, tj. připouštím různou vodivost půdy. Rovněž na pravé straně (schéma - u domku vpravo) jsou pod anténním vodičem drobné stavby (altány s okapy, střechy byly vlhké).

Druhým tristním výsledkem je však vyzařování antény podle schématu LW. V diagramu magnitud je posunut střed (také viz detail pod tímto odstavcem). To znamená, že část levého ramene byla "doplněna" indukčností nevalné jakosti na toroidu. Tomu by ostatně na levé straně odpovídal i strmý nárůst proudu, který by odpovídal zkrácené anténě. Tuto velikost proudu (nebo její část) pravděpodobně mohu považovat za tzv. common mode currents, které od tohoto anténního systému tečou do společné staniční země, v mém případě pravděpodobně do zakopaných radiálů přes koaxy k vertikálům, které jsou na přepínači antén propojené. Ani jedna z uvedených věcí by mi nevadila, kdybych nenaměřil tak malé proudy. Vždyť víme, že vyzařování antény je na nich závislé. I kdybych připustil velikou, naprosto nepravděpodobnou chybu měření, i kdybych připustil, že červený proud je jen poloviční proti modrému v pravém rameni, tak jsem u END FED napájené soustavy právě promrhal nejméně 3 dB. Možná tohle bude zajímat jen magory, jako jsem já, kteří chtějí svou anténu optimalizovat nebo si uvědomit, kde ty ztráty mohou vznikat. Proudová sonda mi také prozradila, jak je ve skutečnosti dlouhá délka vlny, vyjádřená geometrickou délkou anténního drátu :-)

Pozn. Později jsem zjistil, že nároky na izolační schopnost v kmitnách napětí jsou u každé rezonanční antény vysoké. Různé proudy jsem naměřil u suchých a mokrých izolátorů. U antén, které jsou napájené na konci (end-fed), jsem vždy naměřil v zářiči menší proudy. Energie se ztrácí přes tuner, kapacitní vazbu k okolí, atd. Související článek o izolátorech je zde.

Poznámky:

1. Ztráty transformačních čtyřpólů, zejména, pokud pracují s velkým transformačním poměrem a s nevhodným fázovým úhlem se určitě vyplatí řešit.
2. U anténních soustav, které jsou vůči zemi neizolované a nesymetrické, vždy se vyplatí nezapomenout na nutnost řešit, kudy a jak se šíří tzv. common mode currents. A také, jaká je jejich velikost. Je to problematika opravdu kruciální, mající vliv na účinnost antény i její vyzařování. Často však také na to, že se nám tyto proudy mohou stát natolik otravnými, že nám šifruje klíč, jak jsem se dočetl v literatuře. Totéž platí u přechodu ze symetrické napájecí soustavy na nesymetrickou.
3. U půlvlnných antén (nebo v násobcích fundamental) se vyplatí teoreticky řešit jejich napájení v místě napěťové kmitny. Možná se i někdy podivíme, jak je dlouhá polovina vlny, vyjádřená geometrickou délkou vodiče.