Anténa T2FD, popis, vlastnosti, modelování

Rovněž aperiodická anténa T2FD je opředena mnoha mýty a rozděluje hamy na tři skupiny. Jedni ji zatracují a přirovnávají k umělé zátěži. Druhá a netvrdil bych, že méně početná skupina, si ji chválí a využívá ji celkem úspěšně. Třetí skupina prezentuje to, co si o anténě někde přečetla nebo co odpovídá jejich zkušenostem a mentalitě. Článek jsem zaměřil na některé skutečné vlastnosti a přiměřeně přesné modelování antény T2FD.

Pozn.: Anténou T2FD jsem se zabýval v létech 2009 až 2010. V létech 2011 a 2012 jsem je měl ve výrobním programu své dílny. Z té doby zbyl na webu původní manuál pro montáž. Jejich výrobu jsem ukončil, protože jsem měl problémy s obstaráním vhodných rezistorů a feritových jader. Tehdejší anténa měla HF transformátor s poměrem X = 1:9, což není optimální, ale který byl poplatný tenkrát dostupnému feritovému materiálu. Tenkrát jsem však anténu optimalizoval, ale nedokázal ji vyrobit v rozumné sérii. V letošním roce mě kontaktovalo několik hamů s poptávkou výroby a také s názorem, jak anténa funguje. O tom je dnešní článek a také letošní maličká limitovaná série antén, které jdou právě do výroby.

Nejčastější provedení

Název antény vznikl z následujícího schématu instalace a provedení:

Název vyjadřuje Tilted (nakloněný) Terminated (myšleno rezistorem zakončený - viz černý šikmý obdélník) Folded (složený) Dipole (dipól).

Napájení antény

Anténa T2FD v moderním provedení bývá napájena pomocí koaxiálního kabelu s charakteristickou impedancí Z0=50 Ohmů. V místě napájení zářiče musí být anténa vystrojena transformátorem, který transformuje impedanci na konci napáječe na dostatečně vysokou hodnotu, která nám zabezpečí aperiodicitu, tj. dobré přizpůsobení, v širokém rozsahu kmitočtů. Významnou roli při návrhu hraje hodnota rezistoru R.

Horizontální montáž

Přestože jsem anténu vyzkoušel v různých konfiguracích, zaujala mě především jako horizontálně instalovaná. Při horizontální montáži má anténa bidirektivní vyzařovací diagram. Např. dále popisovaná anténa vyzařuje takto. Obrázek znázorňuje anténu dlouhou 25 metrů nad reálnou zemí, ve výšce 15 metrů. Modrá čára je čára vyzařovacího diagramu, znázorněna jako mírně zvednutá nad horizont.

Vlastnosti antény

1. Průběh VSWR

Dobře navržená anténa má velmi příznivý průběh VSWR ve velkém rozsahu kmitočtů. Např. hodnoty VSWR  menší než 3 lze realizovat v kmitočtovém pásmu od 1.5 MHz do 30 MHz. Uvádím reálný příklad průběhu VSWR, instalace ve výšce 15 metrů:

2. Vyzařování a účinnost

Anténa T2FD má extrémně nízkou účinnost na nejnižších kmitočtech. Popsaná anténa délky 25 metrů je sice na pásmu 160m dobře přizpůsobená, ale její zisk na 160 metrech se pohybuje kolem -30 dBi. Díky tomu je na tomto pásmu nepoužitelná. Rovněž na pásmu 80 metrů bude méně účinná, než jiné druhy antén. Na pásmech 40m, 30m, 20m a 17m má anténa hezké vyzařovací diagramy. Od pásma 15 m včetně je již vyzařování roztříštěno do mnoha laloků. Vyzařovací diagramy uvádím zde.

Návrh antény

Anténa má několik důležitých rozměrů:
1. délka antény L by se měla rovnat alespoň 1/3 vlnové délky (wl) na nejnižším kmitočtu.
2. rozteč vodičů dipólu B by měla být v rozsahu od 0.006 x wl do 0.01 x wl. Hodnota B = 0.01 x wl je považována za klasiku.

Pro vyrovnaný průběh VSWR by měly být optimalizovány tyto parametry:
3. hodnota rezistoru R, včetně parazitní indukčnosti (není až tak kritická) a parazitní kapacity (velice kritická)
4. hodnota transformačního poměru X u HF transformátoru

Postup návrhu

Nejlépe se anténa navrhuje v některém z programů, které pracují s enginem NEC-2.

1. Nastavení země

Použijeme Ground Type: Real/High Accuracy a další nastavení. Anténu lze velice dobře řešit v programu EZNEC. Ukážu krok za krokem následující postup, který se dobře shoduje s realitou:

Poznámka: Zvolil jsem úmyslně SW EZNEC Demo, který poskytuje autor Roy W. Levallen na vyzkoušení v demoverzi zdarma. Pro běžnou práci velice doporučuji pořídit si placenou verzi, která stojí asi 100 USD. Demoverze umožňuje pracovat jen s 20 segmenty, ale i s tímto omezením lze anténu vyřešit. Samozřejmě máme možnost použít pro NEC-2 engine SW 4NEC2, který je sice zcela zdarma, ale ne vždy je jeho obsluha "lidsky přátelská". Osobně používám běžně oba programy, přesto preferuji pro některé práce EZNEC.

2. Nastavení drátů (wires)

Protože u antény hraje roli nejenom zářič, ale i jeho terminace (odpor R), napáječ (Transmission Line) a HF transformátor, uvádím nastavení geometrie, segmentace a zadání materiálu a tloušťky izolace. Hodnota Diel C= 4 odpovídá materiálu PVC:

2. Nastavení terminace R, parazitních kapacit a indukčností

3. Nastavení napáječe z RG 58, poměru X u HF transformátoru

4. Výpočet vlastností

Po zadání dat můžeme počítat vlastnosti antény, nejen vyzařovací diagramy, ale díky enginu NEC-2 i poměrně přesně hodnoty impedancí, průběhy VSWR, atd. Můžeme také modelovat a optimalizovat potřebné parametry HF transformátoru. Optimalizace nás povede k vyšším poměrům X, ale zpět nás bude srážet ekvivalentní indukčnost trafa. Pro konkrétní transformační poměr zjistíme, že je velice důležitá hodnota terminace dipólu (odpor R). Také zjistíme, že u odporu nás zpět nebude až tak srážet požadavek na bezindukční provedení. Zjistíme, že vinutý odpor moc nefunguje, protože má jeho odporové vinutí opravdu "obrovskou" indukčnost v sérii s odporem. Jenže také zjistíme, že paralelní (nebo sériově-paralelní) řazení odporů opět nefunguje a tak se nám stane, že výsledek se nedostaví, protože taková terminace má velkou kapacitu mezi čely řady rezistorů. Anténa T2FD dává konstruktérům tak velký prostor v manipulaci s několika parametry, který vede k tomu, že jedni budou anténu chválit, druzí ji odsoudí, protože se jim nepovedlo těch pár parametrů vhodně zvolit a nastavit a třetí ji odsoudí rovnou, aniž by ji vyzkoušeli. Abychom byli v té první skupině, uvádím pro lepší orientaci na anténě ještě její schéma:

a také soubor pro EZNEC ke stažení zde: T2FD_H15_KOAX_transf.EZ

Soubor obsahuje v tomto článku popsaný jednoduchý model antény se všemi prvky, tj. s napáječem, transformátorem, parazitními indukčnostmi a kapacitou. Modelu přesně odpovídají vlastnosti antény, která má rozpětí cca 25 metrů, používá transformátoru s poměrem N1/N2 = 1/4 (tedy s transformací impedancí Z1/Z2 = 1/16, chcete-li 50/800 Ohmů a s terminací antény R = 1000 Ohmů, jehož parazitní kapacita je dána geometrií chladiče a použitého rezistoru vyrobeného technologií "tlustého filmu" v pouzdře TO-220.

Závěr

 

Vlastnosti antény, tj. její průběh impedancí na svorkách v rozsahu od 1.5 MHz do 30 MHz, její vyzařování a další důležité vlastnosti byly dostatečně popsány, včetně rozhodujících vlastností použitých součástek. Průběh VSWR u modelované antény v celém rozsahu kmitočtů nepřekročil hodnotu VSWR = 2, viz tabulka vpravo a to je v poměrně slušné shodě s EZNEC modelem (demo verze, nízká segmentace). Anténu lze postavit tak, abyste opravdu nepotřebovali tuner.
Praxe Na pásmu 80 m se anténa jeví jako hodně tichá, přijímané signály jsou slyšet s výborným odstupem S/N. Rozhodně to ale s ohledem na použitou výšku není anténa vhodná pro DX komunikaci, protože je málo účinná. Navíc musíte na pásmu 80 m dávat pozor, abyste nezničili rezistory R. Já jsem použil celkem 4 ks rezistorů, které by měly s chladičem rozptýlit výkon kolem 140 Wattů. Moje anténa měla chladič rezistorů. Bez chladiče snesou film rezistory jen 8 Wattů, ale i tak jsem "dával pozor". Kdybych však provozem JT65 s touto anténou T2FD neudělal hezká spojení z amerického kontinentu, tvrdil bych, že vyzařuje jako umělá zátěž. Na pásmech od 40 m do 17 m nás anténa překvapí poměrně čistými, ale také silnými signály zámořských DX stanic. Výška instalace je důležitá, stejně, jako směrování antény. Směrovost je zjevná, ale oba hlavní směry snadno poznáte. Navíc se na těchto pásmech ztrácí na terminaci antény jen maličký výkon a na svorkách můžeme přiložit na výkonu. Měření teploty pomocí bezdotykového teploměru však nemám provedené (budu měřit v parném létě). Na vyšších pásmech (15, 12, 10 m) mi vadí nepříjemná minima, která anténa ve vyzařovacím diagramu má. Hlavních směrů je na mě už moc :-) a laloky se mi zdají úzké. Já s tím neumím až tak dělat, ale to je dávno známá vlastnost delších drátových antén s ohledem vůči délce vlny. U antény T2FD laloky určitě poznáte, ze směrů, které jsou potlačené o 20 - 30 dB toho fakt málo uslyšíte :-).

1. Výrobce neměl dokonale zvládnutou výrobu HF transformátorů. Proto použil nepříliš optimálně stanovenou hodnotu transformačního poměru X. Pokud použijeme např. balun 1:9, ale minimalizujeme parazitní indukčnosti a optimalizujeme hodnotu R (nebo opráskneme ze zaručeně dobrého návodu), zpravidla získáme průběh VSWR, se kterým si však vestavěný automatický tuner poradí. Je to však nejjednodušší cesta pro většinu výrobců:

2. Nemáme vhodné jádro a vyrobíme podle návodu balun s velkou indukčností vinutí. Zpravidla nedocílíme vyrovnaného průběhu VSWR:

3. Nepodaří se nám zvládnout parazitní sériovou indukčnost rezistoru R:

4. Nepodaří se nám zvládnout parazitní kapacity terminátoru R. Toto bývá obvyklá chyba začátečníků. Snaží se vyrobit "superanténu" pro vysoký výkon. Spojují velké množství malých rezistorů sérioparalelně, s vysokými parazitními kapacitami.

5. Průběh VSWR u řešení podle publikovaného návodu antény. I s takovou anténou si však automat. tuner někdy poradí.

6. Reálný průběh optimalizované antény. Pokud vynecháme okraj s extrémně nízkou účinností antény, docílíme na krátkých vlnnách pro VSWR menší než 2 téměř 30 MHz šířky pásma. Taková anténa nevyžaduje použití tuneru.

Výpočet v MININEC enginu programu MMANA

Pro docílení vyšší přesnosti jsem hned na začátku zvolil metodu NEC-2, Real Ground a High Accuracy. Pro srovnání však uvedu i výpočet jednoduchého modelu v programu MMANA. Všimněte si, že MININEC není tak přesný a dokonce nám dává lepší výsledky výpočtu VSWR:

Obdobně jsem vypočítal také hodnoty G (dBi) a F/B. Graf je níže. Všimněte si, že zisk, který je v pásmu 160m téměř -30 dB, strmě stoupá. Na pásmu 80m se obě metody výpočtu shodnou na hodnotách kolem -8 dBi. Nad 5 MHz jsou již hodnoty pozitivní. Všimněte si anomální resonance kolem 21 MHz. Občas se divíme, proč se nám širokopásmová anténa na nějaké frekvenci divně chová ....

Pokud bychom neměli žádný jiný nástroj k dispozici, tak nám rovněž MININEC poskytne dobrou službu.
Poznámka: Data pro grafy byla vypočtena v programu MMANA, uložena jako CSV soubor a zobrazena v grafu MS Excelu.

Praktické měření

Po provedení několika měření impedancí jsem se rozhodl zkonstruovat složitější HF transformátor s kompenzací některých reaktancí. Je schopen přenášet výkony maximálně do 200 Wattů. Celkem 4 rezistory vyrobená technologií thick film a pouzdřené do pouzdra TO-220 by měly být schopné přeměnit v teplo až 140 Wattů výkonu. Jenže je mám na chladiči s mnohem menší tepelnou vodivostí, než by bylo v pásmu 80m třeba. A tak je anténa zatižitelná maximálně 100 Watty na 80 metrech. Odhaduji, že se ztratí 90 Wattů na teplo. Na pásmu 7 MHz již v pohodě můžeme na svorky přivést 200 Wattů. Po kompenzaci HF trafa vypadá průběh VSWR takto (měřeno AA-200 na konci koaxiálu, přesně tak, jak jsem uvedl v modelu NEC-2):