Řešení antény MLA 80 v EZNEC

O řešení MLA antén pomocí programů na řešení elektromagnetického pole numerickými metodami (NEC a MININEC) jsem napsal na tomto webu několik článků. Tentokrát se vracím k tématu s tím, že:

1. Chci ukázat, že MLA anténu poměrně velikých rozměrů (rám z trubek o rozměrech cca 6 x 2.5 metru, tj. obvod 17 metrů = 0.2 x lambda) lze vyřešit v demoverzi EZNEC s přesností takovou, že ve výsledku přibližně odpovídá vypočtená hodnota ladicí kapacity a převod transformátoru skutečné anténě.

2. Chci tu ukázat postup výpočtu krok za krokem v programu EZNEC, jehož NEC-2 engine je dostatečně přesný.

Vstupní data

Použitý kondenzátor je od OK1TN, sekce jsou zapojené do série, výsledná kapacita je asi 130 pF, jeho popis a foto bylo uvedeno u jiné MLA antény zde. Jeho sériový ztrátový odpor jsem stanovil z měření u dříve popsané antény a odhadl jeho velikost na 200 miliOhmů.

1. Anténa je modelována i realizována z trubek o průměru 32mm ve výšce od 3 m (spodní okraj) do 5.5 metru (horní trubka).
2. Anténa je laděna uvedeným kondenzátorem, ale je třeba výpočtem stanovit jeho kapacitu na kmitočtu 3576 kHz.
3. U antény předpokládáme rovnoměrné rozložení proudu v zářiči. Nesmí být proto delší než cca 1/4 lambda. Naše anténa je o něco kratší (díky obdélníku) než 17 metrů, tedy méně než 0.2 lambda.
4. Napájení a ladění bude vedle sebe, a to na spodní trubce. Kondenzátor bude laděn modelářským servem a transformátor bude mít pevný transformační poměr, který odpovídá impedanci antény. Jeho hodnota (převod a indukčnost) bude vypočtena pomocí Smithova diagramu.

Schéma antény

Schéma je okopírováno z obrazovky programu EZNEC demoverze. Delší trubky mají po 7 segmentech, svislé po 3 segmentech. V zeleném čtverečku na spodní trubce je ladicí kondenzátor, vedle v kolečku je napájecí transformátor. Kondenzátor je vzduchový, od OK1TN a trafo je na velikém toroidu, kterým bylo možné prostrčit AL trubku o průměru 32 a do mezery vinout vazební vinutí.

Program EZNEC

Program EZNEC využívá enginu NEC-2. Jsou nastaveny tyto vlastnosti na úvodní obrazovce (tučný text), důležitá data jsou: frequency, wires, sources, loads, ground type, ground descrip, wire loss, units....

Krok 1 - stanovení hodnoty R na svorkách antény

Spustíme program tlačítkem SWR tak, že nastavíme rozsah např. od 2 do 5 MHz. Vypočteme průběh VSWR a podíváme se, jaká je hodnota impedance poblíž rezonance:

Na průběhu vidíme při Z=50 Ohmů nepatrný pokles VSWR, ale hlavně odečteme, že R je kolem tohoto bodu cca 0.92. Tuto hodnotu následně zadáme do programu jako Alt SWR Z0 (druhý řádek v menu odspodu).

Krok č. 2 Nastavíme rezonanci antény pomocí kondenzátoru. Z menu u loads nastavíme zadávání hodnot RLC:

Kroky opakujeme, protože hodnotu C je nutné stanovit numericky, s přesností na desetinu pF tak, aby VSWR bylo na požadovaném kmitočtu nejmenší. Po několika krocích získáme tento průběh:

Anténu však přizpůsobujeme transformátorem. Jeho indukčnost (na mém jádře kolem 3 mikroH) musí být kompenzována kapacitním charakterem antény. Při vyladění bude na kmitočtu 3.576 MHz VSWR=1. Anténa však bude vyladěná do místa, kde je zelené kolečko programu EZNEC, tj. na hodnotu Z=0.8866-j0.5474 Ohmů. Přizpůsobení z tohoto bodu je řešené ve Smithově diagramu:

Z diagramu vidíme, že oblouček končí u kružnice VSWR=1.1 a to je asi tak nejlepší hodnota VSWR, které budeme dosahovat s uvedeným poměrem trafa, rozladěním antény a indukčností trafa. Dále bychom mohli přesně spočítat match loss ztráty, atd.

Vyzařování

Popsaná anténa by měla mít některé vlastnosti srovnatelné s dobrým vertikálem. Výpočtem ověříme, zda to tak je. Vypočteme vyzařovací diagramy v elevaci i azimutu.

Antény pro vážný DXing na pásmu 80m jsou už někdy docela monstra. MLA anténa může být pro někoho, kdo nemá příliš místa, řešením. Vždyť tato popsaná je po instalaci vysoká jen 5.5 metru, dlouhá jen 6 metrů, jednoduché konstrukce z trubek o průměru 32 mm. A vyzáří několik stovek Wattů, než se kondenzátor rozzáří jako neon. Šířka pásma je však jen 5 kHz a anténu je nutno kondenzátorem vždy dálkově doladit. Anténu budu ve svém QTH instalovat na delší dobu. Po instalaci uvedu srovnání s laminát. vertikálem a nějaké fotky.

Poznámky

1. Výpočet jsem si s nepatrně jinými parametry země udělal s jiným segmentováním také pomocí 4NEC2. Jak jinak, pokud neuděláme sami příliš mnoho chyb nebo nezměníme zásadně podmínky, musíme obdržet podobné výsledky. Pro informaci uvedu bez dalších komentářů kopie obrazovek, ať si každý porovná sám. Schéma antény, její rozměry, způsob napájení jsou stále tytéž:

Všimněte si, že šířka pásma stanovená tímto způsobem je nepatrně větší. Je vyšší i impedance v bodě napájení (je 1.05 Ohmu proti 0.886 Ohmu)

Ano, vlastnosti země byly odlišné, odpovídá to názoru. Vyzařovací diagram se nepatrně liší v zisku. Ty rozdíly vlastností země udělají na rozdílu asi 1 dB:

Tvary vyzařovacích diagramů jsou ovšem stejné. Dokonce i "prosedlání" křivky v oblasti azimutových úhlů je necelých 5 dB, stejně, jako v minulém řešení.
Tvar 3D diagramu s označením zisku v jednotlivých směrech je zde:

Myslím, že řešení MLA antén pomocí NEC programů je rychlé, efektní a o anténě se dozvíme celou řadu informací, které by nás při experimentování stály spoustu času nebo by nás dovedly k velkému zklamání. U MLA antén záleží na mnoha detailech, ale věnujeme-li se jim, fungují srovnatelně s jinými DX anténami při mnohem menších rozměrech, ale také při mnohem menší šířce pásma.

2. Abych nemusel anténu stále dolaďovat ručně pomocí ladicí kapacity, zkouším dolaďování posouváním feritového jádra. To funguje rovněž krásně. Mým cílem je zkonstruovat teplotní kompenzátor, abych opravdu nemusel anténu dolaďovat při změně teploty. Myslím, že se to podaří.