Jak a proč vznikla anténa ok1ufc MLA-V-MINI 80 ...

Magnetická anténa (magnetic loop antenna, MLA) patří mezi velice oblíbené a velice rozšířené antény. Z pohledu kategorizace krátkovlnných antén, které se často používá, jde o anténu:

- úzkopásmovou
- s nízkým vyzařovacím odporem
- neuzemněnou
a často konstruovanou jako symetrická anténa.

Z pohledu uvedené kategorizace plyne několik výhod a několik potíží, se kterými se musíme při konstrukci vypořádat. Úzkopásmové antény mívají zpravidla mnohem vyšší zisk, než širokopásmové antény stejných rozměrů. To je obrovské lákadlo, ale nevýhodou je, že musíme vyřešit snadné a rychlé ladění téměř po každém spojení. Nízký vyzařovací odpor nás nutí k tomu, aby ztrátové odpory byly alespoň s vyzařovacím odporem srovnatelné. Nevýhodou je, že hrají roli materiály vodičů, průřezy vodičů (trubky velkých průměrů, lana), ale i další faktory. U neuzemněné a symetrické antény musíme řešit věci u takových antén obvyklé, tj. přechod ze symetrické soustavy na nesymetrickou a zamezení průtoku proudů do staniční země (po koaxiálu, případně vyzařování koaxiálu). Není toho málo, s čím vším se potýkáme, a proto rozdíly ve výsledcích MLA antén jsou obrovské, pokud určitý problém zanedbáme nebo dobře nevyřešíme. Možná proto někteří hamové nazývají MLA anténu nehezkým termínem "zoufalcova smyčka".

Související články

Anténě MLA jsem věnoval v minulosti tento článek. Měl jsem kdysi cíl a snažil jsem se překonat pomocí MLA smyček stávající a nově vyvíjené vertikální antény. Proto jsem se v minulosti věnoval experimentům s relativně obrovskými smyčkami z trubek velikých průřezů. Kromě vertikálů jsem své antény MLA porovnával také s jinými MLA anténami. Opět s jediným cílem - subjektivně si ukázat, jak se chová průměrná a mizerná MLA smyčka. Ono je zrádné to, že leckdy uděláte spojení i na docela mizernou anténu a tak je dobré vědět, jak se chovají ty lepší antény. To, co mi kromě poznámek z minulých experimentů zůstalo, je:
- skutečnost, že dobré MLA antény fungují
- skutečnost, že je lze po poměrně krátké praxi modelovat v programech MMANA
- skutečnost, že několik principů nelze nikdy opomenout, opomenete-li je, vyrobíte si mizerné MLA smyčky

Anténa ok1ufc MLA-V-MINI 80

Anténa ok1ufc MLA-V-MINI 80 je jedna z mých experimentálních antén, která vypadá nějak takto:

Čím se anténa vyznačuje a proč jsem si jí na shrnutí výsledků svých experimentů vybral? Těch příčin je více, všechny postupně vysvětlím a zdůvodním. Zatím si shrňme, co vidíme:
a) Anténa je přenosná, ale není miniaturní. Jedná se o smyčku z tlustého měděného lana. Tvar "V" je zjevný, pod tíhou lana se ohýbají laminátové teleskopy a lano je díky své hmotnosti prověšené.
b) Každý z teleskopů je dlouhý asi 310 cm a rozpětí mezi stožárky nahoře je téměř 4.5 metru. Délka smyčky je něco přes 10 m.'
c) Ladicí kondenzátor a přizpůsobovací obvody se nám skrývají v malém transportním kufříku a je vpravo dole vidět konektor pro připojení souosého kabelu k TCVRu.

Schéma antény Schéma antény je vidět na obrázku vpravo. Ze schématu a z fotografie je zřejmé, že jak proudové napájení, tak ladění smyčky je situováno do spodního vrcholu V (spodního vrcholu trojúhelníka). Anténu lze ladit a používat v pásmu 80 metrů a 40 metrů.

Vyzařování Anténa v uvedené konfiguraci a ve výšce nízko nad zemí vyzařuje tak, jak uvádí obrázek vpravo (h = 3 metry). Na mnoha dalších obrázcích provedeme porovnání, jak vyzařují jiné referenční antény. Vybral jsem referenční MLA kruh o průměru 2 metry. Jedna 2m anténa je realizována z leštěné AL trubky o průměru 40 mm, druhá je z Cu trubky o průměru 16 mm. Dalšími referenčními anténami jsou MLA smyčka se 2 závity, průměr závitů je 330 mm, trubka Cu, průměr 16 mm. Poslední referenční anténou je celkem slušný vertikál pro pásmo 80m, ale zkrácený na 6 metrů. Schémata referenčních MLA antén jsou níže.

Vyzařování kruhových referenčních smyček je podobné anténě tvaru "V":

Drobné detaily ve vyzařování jsou však lépe vidět ze standardních vyzařovacích diagramů:

Z početního řešení vyplývá, že MLA-V smyčka s obvodem kolem 15 metrů překonává o cca 3 dB referenční kruh o průměru 2 metry (obvod je však poloviční, asi 6.3 metrů). Naše MLA-V-MINI o obvodu kolem 10 metrů se však velice přibližuje vyzařování 2 metrového kruhu. Malá smyčka o průměru 330 mm, se dvěma závity má teoreticky o 16 dB horší zisk. Toto je, bohužel skutečnost. Dobré MLA smyčka mají vysokou účinnost, pokud se jejich délka blíží k 0.25 x lambda. Smyčky malé mají mizernou účinnost a maličký zisk.

Ještě uvedu samostatně vyzařování jednoduchého kruhu o průměru 2000 mm a 1000 mm, vyrobených ze stejných materiálů, aby byl vliv délky obvodu při ideálním tvaru smyčky zjevný. Rozdíl v zisku je asi 10 dB!

Zajímavé je také srovnání s velmi zkráceným (jen 6 metrů), ale solidním vertikálem:

a porovnání 8 metrového vertikálu (přibližně by vyzařováním odpovídal GAP Chalenger) s MLA-V a s MLA o průměru 330 mm se 2 závity:

Malá MLA smyčka má teoreticky o téměř neuvěřitelných 26 dB menší zisk při záření směrem k horizontu. A přesto nějak vysílá. Právem nese označení "zoufalcova smyčka".....jenže jak nazvat tradiční anténu, která vysílá s podobnými výsledky?

Poznámka: Povrchový jev (skin effect) se uplatňuje. A tak např. Cu lano o průměru 6 mm může mít součet povrchů jako Cu trubka o průměru přes 20 mm. Ošizení materiálu zvyšuje extrémně rychle ztrátové odpory a při nízkém vyzařovacím odporu letí účinnost a zisk rychle dolů.

Vyzařování MLA-V v pásmu 80 metrů (uvádím V a H samostatně)

V pásmu 40 metrů lze smyčka použitým kondenzátorem, viz dále, samozřejmě vyladit. Ovšem nebudeme ji již nazývat MLA anténou. Polarizace již není ve výšce 10 metrů vertikální. Smyčka je prostě dlouhá ....

Ladicí kondenzátor

Pro malé MLA smyčky je nezbytné použít kvalitní kondenzátor s vysokou jakostí Q a s vysokou elektrickou pevností. Pokud má kondenzátor nízkou jakost Q, rapidně klesá zisk antény. Pokud nemá kondenzátor dostatečnou elektrickou pevnost, nebude možné použít anténu pro vysílání. Vhodné jsou kondenzátory variabilní vakuové. Mají vysokou jakost i elektrickou pevnost. Ještě použitelné jsou kondenzátory vzduchové, konstruované bez třecích kontaktů. Mojí zkušenost, kterou lze rovněž modelovat, bych shrnul takto:
a) vzduchový C se dvěma statory sníží zisk na nízkých úhlech u dvoumetrové smyčky o cca 1 - 3 dB proti vakuovému kondenzátoru Jennings (5-750 pF, 5 kV)
b) vzduchový C s třecím kontaktem sníží zisk u malých smyček (s vyzařovacím odporem kolem 0.1 Ohmu o 10 - 20 dB !!! a u větších smyček (s vyzařovacím odporem nad 1Ohm) o 3 - 6 dB. Příklad modelování u referenční smyčky to dokazuje.

 

Vakuové kondenzátory Nevýhodou vakuového kondenzátoru je skutečnost, že se jedná o drahý a křehký výrobek. Přepravou snadno dojde k vyosení systému a ztrátě elektrické pevnosti. U dvou stejných výrobků, vybraných ze stejné série na jmenovité napětí 5 kV,  měl jeden kus elektrickou pevnost necelých 6 kV a druhý spolehlivě 11.3 kV. Vakuové variabilní kondenzátory seženeme s vysokým poměrem Cmax/Cmin a s vysokou elektrickou pevností.

Vzduchové kondenzátory

Osvědčil se mi symetrický vzduchový kondenzátor se dvěma rotory a statory od OK1TN. Docílil jsem s ním rozsah ladění od cca 10 pF do 130 pF. To není velký poměr, ale i tak se mi s tímto kondenzátorem podařilo vyrobit dvoupásmovou anténu MLA (pro 80 a 40 metrů) s ještě přijatelnou účinností. Tak vznikla anténa ok1ufc MLA-V-MINI.

Kondenzátor není miniaturní, šířka čela je asi 75 mm, délka systému přes 120 mm, k vestavbě potřebujeme prostor asi 90 x 90 x 200 mm:

Proud v kondenzátoru se dělí mezi mnoho desek, které jsou v různé geometrické vzdálenosti. Kontakt mezi deskami a distančními kroužky je vidět z fotografie:

Díky tomuto kondenzátoru vznikla anténa MLA-V-MINI. Jde o kompromisní rozměr, kdy s kapacitou téměř 130 pF vyladím anténu na kmitočtu 3.576 kHz a smyčka stejných rozměrů lze vyladit (poblíž minimální kapacity kondenzátoru) i na pásmu 40 metrů.
 

Schéma antény MLA-V-MINI 80 Anténa je v dolním vrcholu "V" laděna do rezonance výše popsaným kondenzátorem C1 a proudově napájena pomocí vysokofrekvenčního trafa T1. Princip ladění a použití transformátoru je vysvětlen v textu dále. Kondenzátor C1 ladí smyčku na kmitočtech pásma 40m (kolem minimální kapacity) a v pásmu 80 m, na kmitočtu 3576 kHz téměř na maximální kapacitě. Primární vinutí transformátoru tvoří drát smyčky. Sekundární vinutí transformátoru je pro každé pásmo samostatné a ve dvoupásmové verzi MLA-V-MINI se musí přepínat, protože pro pásmo 80 metrů je potřebný transformační poměr 1:8 (transformace impedancí 1:64) a pro pásmo 40 metrů potřebujeme poměr 1:2, který transformuje impedance 1:4 ...Verze MLA-V (obvod cca 15 metrů) potřebuje transformační poměr 1:7

Přizpůsobení Princip přizpůsobení je zřejmý z následujících Smithových diagramů. Pokud je anténa vyladěna do rezonance, má impedanci Z = 1 + j0 a tato impedance je transformována ideálním transformátorem s převodem 1:7 na impedanci Z = 49 + j0, přičemž Q obvodu je nízké, stejně tak, jako match loss ztráty. Viz obrázek vpravo.
Reálný transformátor Reálný transformátor má vinutí s indukčností. Pokud bychom použili náhradní schéma podle obrázku vpravo, potřebovali bychom transformační poměr jen cca 1:4 a indukčnost bychom kompenzovali kapacitou C, která vychází v uvedeném případě C = 1.3 nF. Ztráty match loss již odpovídají čáře Q = 1.44...černé kruhové oblouky v diagramu. Na krátkých vlnách je transformátor legrace, vhodná jádra nám přenesou 10 x větší výkony, než potřebujeme, vinutí mohou mít malé indukčnosti a trafo má nepatrné ztráty. Pak bychom měli zvážit, zda indukčnost vinutí musíme kompenzovat samostatnou kapacitou, či zda to nepůjde vyřídit s malou kapacitní složkou MLA smyčky. A to již jsme u doporučeného způsobu transformace, čtěte níže.
Doporučený princip transformace Anténa ok1ufc používá principu transformace podle obrázku vpravo. Indukčnost použitého trafa je zkompenzována laděním smyčky na malé jX, např. Z=1 - j1 Ohmů. Transformační poměr trafa nám kopíruje čáru Q = 1 a indukčnost trafa nám přizpůsobuje transformovanou kapacitní jalovou složku na jX = 0 ... Poznámka: Tento způsob napájení se mi u MLA smyček osvědčil nejvíc. Rovněž ho používá i firma MFJ u komerčně vyráběné MLA smyčky. Při mých experimentech jsem vždy touto metodou docílil nejmenších ztrát.

Konstrukce HF trafa

Příklad použité konstrukce trafa s feritovým jádrem je vidět z následujících fotografií. Pro primární vinutí (lano MLA smyčky) je skrz jádro prostrčena laminátová trubka. Trafo je pouzdřeno do trubky jako standardní baluny, sekundární vinutí je vyvedeno na svorky M4:

Přizpůsobení prototypu

Měřeno analyzátorem AA200 (RigExpert) na konektoru kufříku s asi 1.5 metru dlouhým koaxem.

Ladění antény je až nepříjemně ostré, ale to tak, bohužel, u malých MLA smyček s vyšší účinností vždy je. Pro VSWR menší než 2 byla šířka pásma jen 15 kHz, na provoz JT9 je to dost dobré.

Fotografie antény

Prototyp jsem vyrobil tak, že držáky laminátových teleskopů jsou na víku kufříku. Uvnitř kufříku je trafo a kondenzátor. Ve zbylém místě mám ještě krátký koaxiální kabel. Lano smyčky je dost těžké. Pro transport potřebuji, aby se dala zcela oddělit smyčka s teleskopy od kufříku. Tuto variantu právě zkouším, ale fotografie zachycují verzi proletovanou, ale na kufříku už jsou vidět nezapojené dvě svorky (červená a černá) s kabelovými oky:

Postřehy ze zkoušek

Závěry nedělám. MLA-V-MINI funguje, stejně tak, jako všechny větší MLA antény, které jsem kdy vyzkoušel. Zásady, které je třeba dodržet, jsem uvedl, nejdůležitější zásady jsou: velký obvod smyčky, musí být kolem 0.2 x lambda, dobrý materiál smyčky, leštěná měděná trubka, měděné lano velkého průřezu, dobrý kondenzátor s vysokým Q i vysokou elektrickou pevností a nikde žádný třecí kontakt. Preferuji přizpůsobování trafem, protože lze docílit přizpůsobení s nejmenšími ztrátami, maličké Q do 1 je realizovatelné. A v provozu ladím přesně jen jedním kondenzátorem, což je výhoda. Nedodržením jakékoliv zásady docílíme snadno toho, že při extrémně maličkém vyzařovacím odporu antény vyletí nahoru odpory ztrátové a zisk (účinnost) spadne snadno i o 20 dB. A právě v tom se liší ty lepší MLA smyčky od těch mizerných.

19.12.2015: Cu lano antény je těžké. Ohýbá laminátové teleskopy, mezi vrcholy teleskopů není vypnuté. Náhrada lana Cu 6 mm² za Cu 2.5 mm² způsobila snížení zisku o více než 3 dB. Lze to dokázat i výpočtem, svorkový R smyčky na primáru trafa je dvojnásobný.

19.12.2015: Teleskopy s těžkým lanem už neudrží jednoduché polouzavřené příchytky trubek. Je třeba použít dvojdílných příchytek se šrouby. U prototypu bylo vyřešeno dočasně plechovou objímkou. Kufřík je lehoučký a anténu stabilně neunese. Během pokusů jsem ho musel fixovat. Anténa s teleskopy není právě kvůli hmotnosti Cu lana ani příliš vhodná pro trvalou montáž.

20.12.2015: Dlouho jsem přemýšlel, jaká anténa má srovnatelné vyzařovací vlastnosti se smyčkou MLA-V-MINI. Směrem k horizontu vyzařuje smyčka téměř stejně, jako automobilový vertikál, který popsal OM3CV (Viliam Capek) ve sborníku Tatry 2008: Mobilná anténa pre pásmo 80 metrov. Stručná charakteristika mé varianty je: výška vertikálu cca 2000 mm (trubka Cu, průměr 16), zářič je nad patní indukčností, kapacitní klobouk má průměru 400 mm, tvoří ho 8 radiálních trubek s obvodovým vodičem, patní indukčnost je vinutá na průměru 100 mm, výška 400 mm, přizpůsobení LC je v patě. Z mého pohledu se jedná o nejlepší automobilovou anténu srovnatelné velikosti pro pásmo 80 metrů, kterou jsem kdy měl. Anténa MLA-V tento vertikál ve vyzařování směrem k horizontu nepřekoná, jak jsem se naposledy dnes brzo ráno přesvědčil. Lokální stanice jsou však mnohem silnější. Modelování obou antén mi dalo tyto diagramy:

 

Uvažoval jsem v jednom okamžiku, že bych ve finální verzi MLA-V-MINI instaloval otočný kondenzátor se servomotorem do hliníkové krabice, která by byla trvale uprostřed střechy automobilu mezi hagusy a anténa by byla instalována s jednoduše odnímatelným držákem teleskopů a pro krátké pojíždění by byla pouze "polostažena" zasunutím laminátových teleskopů a zafixováním lana smyčky. Po několika testech však zůstávám věrný vertikálu s kapacitním kliboukem. Téhož dne, než se setmělo, jsem anténu s kufříkem přivázal k zábradlí na balkóně u hamovny a připojil jsem jeden z volných koaxiálních vstupů na přepínači. Zajímalo mě, co se dá na takovou anténku náhodně udělat. Než jsem šel spát, tak jsem anténu doladil a porozhlédl se po pásmu a udělal si hezké spojení s UK8AEA (Taškent, asi 4300 km). Stanice tu byla dost silná, dával jsem report -11 a kupodivu ji volalo málo EU stanic (opakovaně jsem slyšel CQ UK8AEA). S docela mizernou MLA-V-MINI šla spolehlivě udělat na první zavolání ...věřím, že bych to s mými vertikály také dokázal.