Některé drátové antény se nám jeví jako antény velice jednoduché, proto nás lákají k realizaci. Také se o nich vede mnoho diskuzí, více či méně odborných. A často se srovnávají jejich vlastnosti, jak už to bývá, někdy dost ledabyle. Létají údaje o tom, že Zeppelinka má pěkný zisk proti dipólu (několik decibelů), už se nehovoří o tom, kterým směrem a ani o tom, jak velké jsou např. tzv. "match loss", tj. ztráty při jejím přizpůsobení. Naskytla se mi však jedinečná příležitost, kterou mi umožnil můj známý, který pracuje v reklamě. Jeho firma dodává  a montuje vlajkové stožáry od polského výrobce. Krásné, hliníkové, segmentové. Jeden si dám na zahradu, abych mohl dělat s drátovkami. Firma také vyrábí celou řadu příslušenství, jako jsou sklopné patky apod. Podrobné informace o cenově dostupných stožárkách, které by se hodily ke konstrukci drátových antén, najdete např. zde:  http://maszty.com.pl/segmentowe/standard/

Nicméně, mnoho úskalí nás může potkat u zdánlivě jednoduchých drátových antén a o tom je také tento článek. Musím však upozornit čtenáře na to, že i já jsem se dopustil při experimentu trestuhodné ledabylosti. Upozornil mě na ní Jarda, ok5us. Proto, pokud budete tento článek číst, čtěte také diskuzi na konci.

Porovnávané antény

Srovnával jsem G5RV, která byla dlouhá přesně 1,5 x lambda. Tuto délku jsem si měřením zářiče bez žebříčku pomocí VNA přesně nastavil. Anténa byla předem pootočena proti dalším anténám asi o 50°tak, aby maximálně vyzařovala ve stejném směru. Druhou anténou byl dipól pro 20 m. Opět nastavený ve výšce h=12m na jX=0. A třetí anténou byla Double Zeppelin. Naladěný opět do rezonance, tj. na délku 1 x lambda, ale po transformaci čtvrtvlnným žebříčkem. Antény byly instalované jako mírné INV-V. To bylo dané tímto: kamarád neměl ve skladu 9 stožárů pro realizaci celkem tří antén. Takže byly použity nejvyšší 12 metrové stožárky na uchycení středních bodů a krajní body byly zavěšené na nižších stožárcích. Stožáry byly montované na patkách se čtvercovou základnou, tj. nebyly zabetonované. Dipól s balunem byl připojen koaxiálním kabelem RG-58 přímo k přepínači u rádia. Použitý proudový balun krásně potlačoval různá rušení, která nás občas u dipólů mohou otravovat, pokud jsme se symetrií v háji. A to občas jsme - máme nestejné výšky ramen, máme u delších ramen jedno rameno nad stavebním objektem apod. A to všechno je občas při příjmu, zejména delších antén slyšet, zatímco ty zkrácené nám sice ztrátují, jak se traduje také někdy na Internetu (a je to pravda, jenom je třeba vědět, jak moc ztrátují), ale často jsou více tiché. Na druhém výstupu z přepínače byl automatický tuner a za ním byl balun na malý výkon, ale s dobrou symetrií a další přepínač, symetrický, který přepínal žebříky.

Úskalí a problémy

1. Výška je základním problémem. Základní vlastností většiny drátových antén je, že nutíme vyzařovat vodorovný zářič. Aby to bylo vhodné pro DX provoz, potřebuje taková anténa montáž v odpovídající výšce. Z uvedeného odkazu vidíte, že nejvyšší stožárky, které, mimochodem, váží několik desítek kg, mají již v patě průměr 100 mm a dělají se do výšky 12m. Můj patrový domek, ve kterém bydlím, má špičku komína ve výšce asi 9 metrů. A to je pro drátovou anténu málo, pokud ji nestavíme jen pro místní pokec v pásmu 80 metrů po republice a k nejbližším sousedům. Na to však jsou ty stožárky přece jenom dost drahé. Takže drátová anténa s horizontálním zářičem potřebuje výšku. Proto jsem srovnání dělal jen na pásmu 20 metrů, neboť na pásmu 40 m nebo 80 metrů by to nemělo žádný smysl.

2. Vyzařování je také základním problémem

Všechny antény mají v pásmu 20 m a ve výšce 12 metrů již výraznou směrovou charakteristiku. Každá jinou.
A. Dipól má typickou, oválnou a rozdíl mezi minimem a maximem dělá více než 10 dB.
B. Double Zeppelin má v hlavním směru vyzařování o něco větší zisk. Neberte mě za slovo, pokud napíšu, že o 3 dB. Opravdu to není podstané. Ale je třeba dodat, že minimum už nemá potlačené o 10 dB, ale o 20 dB.
C. Anténa G5RV má již více laloků a na pásmu 20 metrů má více minim. Ta nepříjemná nám potlačí signál až o 30 dB.

3. Impedance jsou u dvou antén také problémem

A. Dipól ve výšce h = 12 m a v provedení INV-V měl při jX=0 impedanci (reálnou složku R) nepatrně pod 50 Ohmů. Nemá cenu dále komentovat.
B. Zářič antény G5RV měl při rezonanci R něco přes 100 Ohmů. To je také známá věc. Nemá smysl, abych se zde rozepisoval o různých teoriích transformace pomocí dvojlinky a koaxiálního kabelu. Já u G5RV transformuji nízkoztrátovým žebříčkem typu PCV-570-84 a dobrým automatickým tunerem. A všude tvrdím, že anténa G5RV je anténa s napáječem, který při stojaté vlně je schopen pracovat s minimální ztrátou a rovněž tuner pracuje v oblasti malých ztrát. A to je pravda.
C. Anténa Double-Zeppelin je anténa celovlnná, tedy s extrémně vysokou impedancí v místě napájení. Proto se musí používat tzv. kaskádní transformace, na prvním stupni žebříčkem, např. PCV-570-84 a na druhém stupni dobrým tunerem, který se již tolik nenadře. Že se nadře, to by mi nevadilo, ale jeho ztráty jsou, bohužel, závislé na transformačním poměru. O ztrátách ve čtyřpólech píšu zde. A tak se trochu bojím, aby pracně získaný zisk neztratil kvůli transformaci impedancí a s vědomím, že v minimu vyzařování mi to signál nezesílí.

Modely všech antén

Modeloval jsem jen vyzařování. Vyzařovací diagramy vypadají takto:

Černá křivka odpovídá dipólu. Štíhlejší modrá "osmička" odpovídá ziskovému Double-Zeppelinu. Všimněte si zisku v maximu a výraznějšího minima. Červená křivka odpovídá lalokům zářiče G5RV.

Jak jsem porovnával?

Neměl jsem tři různá rádia, která bych kalibroval. Snažil jsem se zaznamenat po sobě tři reporty stejné stanice a její grid lokátor. Z grid lokátoru jsem si vypočítal azimut (směr přijímané stanice). Anténa G5RV byla pootočená o vypočtený úhel (asi 55°) proti předchozím anténám. To proto, aby vyzařovací diagramy si v maximu alespoň přibližně odpovídaly. Stanice, které byly monitorovány, pracovaly provozem JT65A a údaje jsem opisoval z programu WSJTX. V okně programu to vypadalo např. takto:

O čem vypovídá příklad tabulky? Takže si všimněte těchto detailů:
1. Do vyzařovacích diagramů jsem zakreslil směr tohoto použitého příkladu. Je to ta tlustá červená šipka od středu diagramu směrem k UN8PC. Signál UN8PC byl v daném okamžiku dost stabilní a udržel se tak po mnoho relací.
2. U antény G5RV jsem se trefil do minima, takže se stanice UN8PC již jevila jako slabá.
3. U dipólu jsem se trefil někam na začátek třídecibelového poklesu.
4. Ve stejném bodě by měla mít anténa Double-Zeppelin stejný zisk a dávat stejnou sílu signálu. Ale nedávala. Že by match-loss? Ztráty transformací? Je to možné ...

K čemu jsem dospěl?

1. Že jsem prostě smolař. Rozlišitelný zisk měla anténa Double-Zeppelín proti dipólu jen v úzkém rozsahu azimutů, tj. v rozsahu asi tak plus mínus 15° od pomyslného maxima vyzařování. A já měl prostě smůlu, že z takového směru zrovna vysílala jen jedna stanice ... Ale tohle se mi stalo v praxi vícekrát. Pokud má anténa nějaká výrazná minima a nemohu s ní otáčet, tak zrovna můj DX vysílá odjinud.

2. Že kolem dokola azimutu existuje asi jedna třetina kruhu, kde mi dávala Double-Zeppelin anténa horší reporty. Kdybych byl drzý, napsal bych, že to je polovina směrů, odkud mi Double-Zeppelin prostě nechodí podle představ.

3. Dopálilo mě, že jak G5RV, tak Double-Zeppelin mi s automatickým tunerem LDG dávaly horší signály tam, kde neměly. A to jsem ten tuner použil úmyslně, abych ho stačil přepnout během té jedné minuty, kdy protistanice nevysílala. Při silnějších signálech jsem si prostě rozdílů nevšiml, ale zato slabé stanice by mi hodně rychle "zmizely" a byly by nedekódovatelné. Závěry zde konstatuji takové, jaké byly. Jsem vůl, protože jsem neodhadl, že match-loss ztráty na automatickém nesymetrickém tuneru a balunu až za ním prostě nebyly zanedbatelné a tak budu muset realizovat ještě jeden výlet na louku se symetrickým tunerem a s balunem před tunerem. A se všemi krámy, kterých bylo plné auto.

4. Že pro většinu drátových antén jsou hezké (a dostupné) stožárky pořád nízké.

5. Že mód JT65 a JT9 se mi pro tohle a pro podobná testování osvědčil, jednak stanice vysílají v minutovém taktu, takže mohu jejich vysílání předvídat a jednak je přeci jenom odečtený report více objektivní a jemněji odečtený, než číslo z S-metru.

6. Občas používám i jiných metod (skimmery). Bohužel, ne vždy se mi daří zajistit opakovatelnost měření. Prostě i se skmimmery cvičí QRM, či snad jejich AGC?

O související tématice srovnávání jednoduchých antén pojednává také článek, ve kterém jsem srovnával G5RV a vertikál Compact 80/40/30.

Druhé měření

Nesrovnalosti mezi předpokládaným výsledkem dipólu a Double Zeppelin byly důvodem pro opakování experimentu, již jen se 2 anténami ve stejné výšce h=12m, na stejné louce, se stejnými stožáry a s anténami ve stejném směru.

Anténa č. 1: půlvlnný dipól v montáži mírné INV-V, jX=0 na kmitočtu 14.081 MHz
Anténa č. 2: Double Zeppelin délky cca 1,5 lambda, jX=0 měřeno VNA na kmitočtu 14.067 MHz; po transformaci žebříkem bylo na svorkách změřeno R=36, jX=28 Ohmů. Kompenzace byla provedena pouze otočným kondenzátorem (paralelně na svorkách) na hodnotu R=49 a jX=0.

Zjištěné výsledky ze srovnání na příjmu:

V přibližném maximu vyzařování byl zjišten rozdíl cca 1 dB na reportech ve prospěch Double Zeppelin. Toto zjištění přijímám, jde o průměrnou hodnotu z více příjmů, při pokusu jsem zřejmě neměl žádnou stanici přesně v maximálním směru. Také je si třeba uvědomit, že tenký koaxiál nemá u dipólu při délce 15 m významný útlum.

V minimu vyzařování byl dipól v průměru o 5 dB lepší. Předpokládaný 6 dB rozdíl se mi nepodařilo prokázat, ale opět výsledek přijímám.

Během zkoušky jsem zapsal celkem 67 spojení. Jen u 12 spojení byl report u Double Zeppelin lepší. Se stejným reportem bylo dekódováno 9 spojení. Ve 46 případech byl report z půlvlnného dipólu alespoň o 1dB lepší.

Diskuze

Jsem rád, pokud článečky vyvolají diskuzi. Pokud jste dočetli až sem, přečtěte si zajímavý mail, kterým reagoval Jarda, ok5us:

Míro,

Jak to tedy dopadne když budu srovnávat 40m lambda/4 vertikálku s Beverage tak 400m dlouhým?
Vertikálka má obvykle tak -105 dBm šum, může mít tak 0 dBi zisk, protože má 4 radiály metr a půl nad zemí.

No BEV bude mít tak -6 dBi zisk ale šum je obvykle -125dBm. Tak jak vidím šum na panadaptoru.

Signály na BEV mají vždy S/N tak jak to napíše WSJTX1.3 o 10dB lepší.
To používám Flexa 5K s dvouma RX a dvě instance-ma WSTJX napojenýho přes dva virtuální VACy. Žádné pochybnosti, zda se za 2minuty nezměnily condx.


A přesto se na vertikálku dovolám líp.

Je to sarkasticky přehnané, jen pro ilustraci, že S1/N1 report minus S2/N2 report není rovno G1 minus G2, když N1 není rovno N2.

Nebylo by nutné znát i šum těch antén bez signálu, třeba z nějakého software audio analyzátoru? Já vidím šum v dBm na panadaptoru RX1 a RX2 a nemusím čekat až se to demoduluje. Skoro se dá říct, že před-detekční S-N je rovné po-detekčnímu S-N. Nemusí ale být.
...

73, de Jarda, ok5us

Jardovi jsem samozřejmě odpověděl obratem, protože jeho připomínka byla zásadní a upozornil mě na to, že míra nejistoty, se kterou jsem dělal srovnání pomocí reportů S1/N1 minus S2/N2, resp. G1-G2 neodpovídá těmto reportům, pokud se N1 nerovná N2. Moje odpověď měla tento význam:

Samozřejmě, že šum obou antén by bylo velice důležité nějak porovnat. Proto byly pro srovnání vybrány principielně a rozměrově podobné antény, navíc montované v podobných výškách. G5RV jsem měl stejně vysoko, jako dipól, nebo Double Zeppelin. Dělám to jen proto, abych zatím ukázal, že i s prostými prostředky lze zjistit rozdíly ve směrovosti a že by se neměly podceňovat chyby ve směrovosti. Bohužel, musím přiznat, že takové srovnání může být zavádějící, protože přeci jenom jsou antény rozdílné v délkách, a to od 1/2 lambda přes 1x lambda až po 1.5 x lambda. Tyto délky se projevily významně na lalocích a já musím připustit, že budou mít i vliv na šumové vlastnosti antén, které možná zásadně ovlivňují míru nejistoty popsaného srovnání.

Jsem přesvědčený o tom, že šum antény závisí rovněž na její směrovosti, tedy že si nějak při dalších vlastních pokusech dokážu, jaká je u různých druhů antén korelace jednak úrovní a jednak charakteru šumu k jejich směrovosti. Tady by bylo více RX na SDR systému k nezaplacení. Myslím, že pro srovnávání antén by dokonce byla lepší metoda měření předdetekčního S/N, ale nevěřím, že u dobrého SDR najdu rozdíl. A tak mi nezbývá teď souhlasit, že S1/N1 - S2/N2 není G1-G2. Určitě ne u velmi rozdílných antén.

Uvedená srovnání by mě zajímala u směrovek a vertikálů. Směrovka má obvykle hezký diagram v H rovině a vyšší postranní laloky ve V rovině. Vertikál je všesměrový v H rovině a je-li dobrý, má úzké laloky ve V rovině. Šumy se však dostávají do antény všemi laloky (a nejen tudy, leckde např. napájecím systémem antény) a mají u tak rozdílných antén velmi odlišný charakter. Podobně jako u srovnání vertikálu a Beverage, kde to Jarda nazval sarkasticky přehnané.

Musel jsem připustit, že šumové chování antén na krátkých vlnách nemohu opomíjet, protože skutečně rozdíl reportů S/N neodpovídá rozdílu zisků G. Takže takto vznikl námět na experimentování, kterému se určitě budu věnovat a budu se snažit měřením stanovit kromě rozdílů S/N i rozdíly v N. Potom bude zjištěný rozdíl zisků G zatížen opravdu podstatně menší mírou nejistoty. Jde o krátké vlny, kde opravdu šumové vlastnosti antén nelze zanedbat, proto i uvedený srovnávací test může být zatížen takovou systematickou chybou, kterou nejde zanedbat.

Jardo, ještě jednou díky !

73's Věra & Míra, ok1ufc

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 16.05.2014