Návrh a konstrukce mé oblíbené 5 pásmové smyčkové antény VV beam

Popsaná anténa se skutečně stala mojí oblíbenou krátkovlnnou anténou pro horní pásma. Měl bych tedy alespoň napsat proč a také, kdy a jak vznikla.

1. Pro krátké vlny preferuji dvouprvkové směrové antény. Neexistuje žádné efektivnější řešení, kdy získáte přidáním jediného prvku zisk 4 dBd.
2. Pokud se mi dařilo u nějakého typu antény získat vynikající parametry na mnoha pásmech, potom musím hovořit o anténě typu QUAD.

Základní parametry (zisk Gi a předozadní poměr F/B je uváděn pro návrhovou výšku stožárku H = 7 metrů)

Pracovní pásma:                            10m, 12m, 15m, 17m a 20m
Výška stožáru:                              H = 7 metrů - viz poznámky
Zisk Gi (H=7)                                 cca 11 až 12 dBi (asi 5 dBd)
Předozadní poměr F/B (H=7)           jmenovitě cca 15.5 až 20 dB, i více po pečlivém nastavení
Impedance napáječe Zo                  50 Ohm
Konektor                                       SO-239
Symetrizace                                  proudový balun
přizpůsobení a šířka pásma - viz diagramy
průměr trubky stožáru max.            76 mm
průměr trubky ráhna                       40 mm
délka ráhna max.                           1 650 mm
rozpětí max.                                  méně než 9 m
materiál prvků                                Cu lano
materiál nosných prutů                   laminát, délka 7 m, průměr v patě 35 mm
hmotnost antény (orientační) max.  8 kg

Stručná charakteristika antény   

Dvouprvková plnorozměrná pětipásmová anténa s celovlnnými smyčkami pro každé pásmo v geometrické konfiguraci VV. Anténa je navržena a konstruována pro nízké stožáry výšky 7 metrů nebo pro montáž na střechy nízkých domů. Anténa má extrémně krátké hliníkové ráhno, laminátové nosníky prvků, je dobře přizpůsobená ke koaxiálnímu napáječi 50 Ohmů. Anténa je směrová, s maximem vyzařování na nízkých úhlech směrem k horizontu. Anténa je určená pro DX komunikaci.

Elektrické schéma antény

Anténa má na každém pásmu dva prvky, uzavřené smyčky ve tvaru písmene V. Proto jsem ji nazval VV beam. Schéma antény pro jedno pásmo vypadá takto:

V čem jsou tzv. "vychytávky"? Zde uvedu ty nejdůležitější zásady. Geometrie V prvku je důležitá. Jde o hodně široké V. Hlavním důvodem je, aby se na vyzařování s velice vysokou účinností podílel vždy horní vodorovný vodič smyčky, proto je V široké. Nesmí být však moc široké. Toto druhé omezení je vyvoláno potřebou nízkých ztrát vlivem izolačního svodu napínacího lanka. Proto uvedu další tři zásady, které jsem uplatnil:

1. Horní vodič je kratší než jedna polovina vlnové délky na každém pásmu. Potom se nám kmitna napětí přestěhuje na do šikmé části zářiče (i reflektoru). V tomto místě nesmí být izolátor. Zkracovat příliš také není dobře, zkracujeme si nejdůležitější část zářiče. Správná délka je taková, kde má anténa optimum s ohledem na účinnost vyzařování horního drátu a dielektrické svody skrz izolátorek mimo kmitnu napětí. Je to úloha přímo určená pro optimalizační scénář NEC programu a numerického řešení.

2. F/B je třeba optimalizovat a ladit. Ladění se dělá maličkou reaktancí na reflektoru.
3. VSWR je třeba optimalizovat a ladit na pracovním kmitočtu. Ladění se dělá maličkou reaktancí na zářiči.
4. Oba předchozí parametry se nastavují pod ráhnem, tedy nepohybujeme se mezi prvky.
5. Anténa je navržena tak, aby měla vyrovnané parametry na všech pásmech od 20m do 10m. Tomu odpovídá délka ráhna jen 1650 mm a prvky jsou vzdálené jen 1.6 metru. Průměr ráhna z AlMgSi slitiny je 40mm.

Z popsaného geometrického uspořádání nám plynou další dvě výhody:

I. Pokud má být vyzařování antény srovnatelné na 20 metrovém pásmu s monobanderem ve výšce 12 metrů, potom tato anténa vyžaduje výšku stožáru jen H = 7 metrů. A to ji určuje k montáži na střechu malých domů nebo na 7 metrový levný a nekotvený vlajkový stožár.

Montáž na stožár - geometrie (v měřítku)

Vyzařování

Pro ilustraci zde uvedu výpočty vyzařování na 28 MHz. Na tomto pásmu má již anténa díky kompromisní délce ráhna nejhorší poměr F/B. Použité metody výpočtu nad reálnou zemí v programu s enginem NEC-2 a MININEC uvádím. NEC-2 generuje diagramy s hezčím F/B, MININEC pesimistické průběhy, tj. mnohem horší hodnoty, než lze v praxi nastavit. Často ho kvůli tomu preferuji. Zde uvádím oba diagramy, nahoře NEC-2, dole MININEC:

Všimněte si nepatrných rozdílů u výsledků obou jednoduchých modelů. Stejný zisk, stejný tvar diagramů a mohu potvrdit, že i stejné impedance. Tak to prostě vždy je, když modelujeme správně navržený a konvergující model antény.

Vyzařování na všech pásmech - diagram pro H = 7 m

Jednotlivá pásma jsou rozlišena barevně. Všimněte si krásného vyzařování na pásmu 20m, diagram je opravdu bez horních laloků, vyrovnaných parametrů na všech pásmech a nepatrně se zhoršujícího  F/B na dvou horních pásmech 12m a 10m - viz tabulka v diagramu, vypočteno vždy stejnou metodou.

Schéma konstrukce

Anténa je konstruována na AL ráhně s délkou jen 1.65m. Elementy jsou zkonstruovány z Cu lanka. Nosná konstrukce je vyrobena z laminátových 7 metrových teleskopů (celkem 4 ks). Teleskopy jsou předepjaty dielektrickým lanem v horní části. Na teleskopech jsou ovinuty prvky pro pásmo 20m tak, že vodorovná horní část prvků je dlouhá o něco méně, než 9m - důvod viz předchozí text. Tento rozměr je důležitý. Podrobná konstrukce bude publikována v samostatném článku s fotografiemi všech důležitých detailů. Zde uvádím alespoň schématickou skicu:

Přizpůsobení

 

Na napájecím konektoru je na jmenovitém pracovním kmitočtu jmenovitá hodnota impedance Z = 50 Ohmů a přizpůsobení vyjádřené poměrem VSWR je s hodnotou lepší než VSWR = 1.2 Průběhy VSWR pro jednotlivá pásma a ladění na kmitočty digimódů jsou uvedeny v následujících diagramech. Pouze na pásmu 20m je pro VSWR menší než 1.5 šířka pásma BW asi 100 kHz, na všech dalších pásmech je BW vyšší.

Související články

O nastavování QUADů
QUAD ok1ufc
QUAD podle DK7ZB, modifikace ok1ufc

Závěr

Jedná se o poměrně kompaktní anténu, kterou lze snadno nastavit. Anténa má vynikající vlastnosti monobanderů, jednoduchou konstrukci a několik hezky vyřešených mechanických detailů. V předchozích létech jsem zkonstruoval složitější celokovový QUAD pro stejná pásma (viz odkaz v předchozím odstavci) s vynikajícími parametry. Anténa byla navržena a optimalizována pro běžně používané výšky stožárů (15 až 20m). Potřeboval jsem však anténu, která by měla vynikající parametry již při výšce stožáru H = 7 metrů. Proti fyzice a vlastnostem země však nelze jít. Proto byla změněna geometrie na VV konfiguraci tak, aby se významným způsobem na vyzařování podílel horní horizontální vodič elementů - viz zásady a principy na začátku článku.

Postupně zde zveřejním ještě tyto články k anténě:

a) fotografie finální konstrukce s detaily
b) podrobné výsledky měření impedancí, proudů a směrových charakteristik
c) podrobný, ale velice jednoduchý nastavovací postup s geometrickými délkami vodičů

Nízká montáž VV beam

Montáž na nízký stožárek je velice lákavá. VV beam se chová velice slušně i při nízké montáži. Prakticky přichází v úvahu zahradní stožárek vysoký jen dva metry. Lze se pod ním pohybovat, sekat trávu, apod. Anténa má stále ještě přijatelné parametry:

Výška stožáru:                              H = 2 m
Zisk Gi (H=7)                                 cca 9 až 9.5 dBi (asi 4.5 dBd)
Předozadní poměr F/B (H=7)           jmenovitě cca 13 až 17 dB, těmito parametry spolehlivě překonává minibeamy ve výšce h= 10m
Maximum vyzařování                      38°až 33°

Závěry k nízké montáži

Anténa v provedení VV beam nás i při nízké montáži překvapí velice zajímavými hodnotami F/B a stále ještě poměrně vysokým ziskem. Přijímané signály v porovnání s vertikálem se jeví jako silné a čisté. Čtvrtvlnový vertikál má podobný vyzařovací úhel, o víc než 6 dB menší zisk (to již lze na síle přijímaného signálu poznat). VV beam má dobrou směrovost, díky které, na rozdíl od vertikálu, potlačuje signály z úhlu většího než 270°. Proto se přijímané signály jeví jako čisté.

Porovnání s oblíbenou drátěnou směrovkou hexabeam
 

Drátěná směrovka hexabeam je mezi hamy velice oblíbená. Pro ilustraci uvádím její schéma na obrázku vpravo. Pro srovnání s VV beamem jsem zvolil také jen verzi pro 5 pásem. Na dalších třech diagramech je srovnání vyzařování hexabeamu montovaného v H=7 m (červená čára) s VVbeamem na stožárku H=7 m (modrá tmavá čára) a v H=2 m (modrá světlá čára). V diagramech jsou postupně odshora pásma 20m/15m/10m:

Základní geometrické rozměry - délky vodičů prvků pro jednotlivá pásma

Pro konstrukci jsem použil Cu lano 20 x 0.355 s tenkým ochranným lakem na povrchu (průřez cca 2 mm², obvod povrchu cca 22.3 mm, to odpovídá měděné trubce o průměru 7mm).

Pro pásmo 20m jsem použil zbytečně dlouhý zářič (stejný jako reflektor), který jsem zkracoval sériovou kapacitou, cca 70 pF, viz poznámka v tabulce). Toto nemá praktický význam, pouze jsem si potřeboval vyzkoušet přepínání směrů pomocí relé.

Invertovaná pyramida

Dalším lákadlem je zkrácení ráhna na téměř nulovou hodnotu, tedy přiblížení spodních konců V-ček k sobě. Klesá nám zisk, protože se na vyzařování méně podílejí spodní vodiče. Klesá nám také impedance, přesto lze takovou anténu ještě dobře přizpůsobit.

Schéma a průběh proudů:

Oba prvky jsem vzájemně nepropojoval, opět se jedná o beam s pasivním reflektorem. DE je napájen vedením od přepínače, reflektor je jemně dolaďován na F/B pomocí prodlužovacího jumperu. Tuto variantu jsem vyrobil zatím pouze pro pásmo 20m, opět z Cu lana 20 x 0.355. Délky prvků jsou: DE = 20.23 m, R = 21.14 m. První výsledky jsou zajímavé. Momentálně však nemám kde zkoušet, na stožárku je VV beam a až dodělám měření a fotografie, doplním i tuto zajímavou INV P o zářiče na další pásma a uvedu vyzařovací diagramy. Jak jsem již psal, anténa má proti VV beamu přibližně poloviční impedance, lze ji nastavit na slušný F/B a je třeba navrhnout konstrukci tak, aby vzdálenost vodorovných horních vodičů DE a R byla větší než u VV, a to cca 1.8 metru. U větších L INT se mi nedařilo docílit dobrého F/B.