Všeobecně

Mnoho článků jsem věnoval různým principům, které se nám projevují na vyzařování antény. Vliv zemních radiálů na účinnost antény jsem popsal např. zde. O vlivu paralelně zapojených zářičů jsem psal zde. Ve svém druhém článku o vertikálech jsem popsal závislost vyzařování na délce zářiče obecně. A o potřebě nízkého vyzařovacího úhlu na možnost pracovat DX provozem jsem psal také zde. Pokusím se ve třech větách zopakovat hlavní závěry:
- antény s paralelními zářiči mají zpravidla vyšší vyzařovací úhel a jsou pro DX komunikaci méně vhodné než jiné konstrukce, za určitých podmínek je lze použít
- pokud vyrobíme novou anténu s vyzařovacím úhlem o jeden stupeň nižším, než vyzařovala ta předchozí, určitě si toho při DX provozu všimneme
- celé dílo si můžeme pošahat nevhodnou konstrukcí země, ale o tom byly všechny moje předchozí články; konstrukce radiálů má zásadní vliv na směrovost

Existuje nějaká levná a jednoduchá možnost, jak optimalizovat, tedy snížit vyzařovací úhel? Existuje a je mezi hamy známá. Naposledy jsem si o optimalizované vertikální anténě přečetl hezký článek od OM3CA v časopise Radioamatér č. 6/2013. Touto cestou chci Ladislavu OM3CA poděkovat za článek a poděkovat za hezkou konstrukci prototypu, který popsal s mnoha konstrukčními detaily. A nyní napíšu, co mě konkrétně zaujalo.

Princip snížení vyzařovacího úhlu

Když jsem psal svůj druhý článek, uvedl jsem v něm charakteristiku zisku a vyzařovacího úhlu v závislosti na délce vlny. Z výsledků je zřejmé, že při nepatrném zvyšování výšky nad jednu čtvrtinu lambda a při současné kompenzaci jalové složky kondenzátorem v sérii, nám klesá vyzařovací úhel. Tato závislost má své optimum. Lze ho modelovat v NEC programech. Postupujeme tak, že nastavíme dvě kritéria. Prvním je optimalizace na nízký vyzařovací úhel, druhým je kompenzace jalové složky na jX=0 (nebo přizpůsobení na VSWR). A proměnnými jsou délka zářiče a velikost kapacity. Způsob napájení a hodnoty prvků, které použil OM3CA jsou hodnotami optimalizovanými. Měl jsem možnost porovnat délky zářičů a velikost kapacity se svým experimentem na dvou kmitočtech, ale o tom píšu dále.

Schéma takto optimalizované antény

Tabulka srovnání čtvrtvlnné a optimalizované antény

Na dvou kmitočtech jsem porovnal základní vlastnosti čtvrtvlnné a optimalizované antény:

Podmínky experimentu byly následující. Použil jsem montáž ve svém QTH (tam, kde stojí teď můj vertikál COMPACT OK1UFC 80/40/30). Platí: H=0, počet radiálů pro pásmo 40 metrů byl 26. Paralelně bylo ještě několik radiálů pro pásma 30m a 17m. Radiály byly zakopané v zemi. Zářiče pro experiment byly vyrobené z Cu lana na laminát tyči. Použité kapacity: elektronicky přepínaná dálkově ovládaná dekáda ze slídových kondenzátorů (možnost nastavení od cca 20 pF do 2 nF s krokem 2 pF).

Ladislava OM3CA osobně neznám. Co mě však zaujalo, byly hodnoty kapacit a délek, které jsem použil já a on. Na pásmu 7 MHz ok1ufc: 169 pF/ om3ca: 160 pF; na pásmu 21 MHz ok1ufc: 60 pF/ om3ca: 50 pF. Obdobně zajímavé je rovněž srovnání délek zářičů. OM3CA použil pro svou anténu stejný způsob napájení. Pro tento způsob napájení lze skutečně nalézt minimum vyzařovacího úhlu. Bohužel, nemám ho zatím možnost měřit (na pracovišti se pracuje), musím se spokojit s modelováním. Podle modelů by se měl vyzařovací úhel snížit proti čtvrtvlnné anténě minimálně o jeden stupeň. Při experimentech pro mě bylo neuvěřitelné, že snížení vyzařovacího úhlu o jeden jediný stupeň má na DX provoz vliv. Jsem po tomto a dalších podobných experimentech přesvědčen, že to zásadní vliv má. Přesvědčily mě o tom nejen mé, ale také zkušenosti Ladislava OM3CA a dalších stanic, které používají vertikály, z DX provozu.

Srovnání vyzařování

Uvádím modelovanou charakteristiku pro pásmo 15 metrů. Vizuální rozdíly v charakteristikách jsou malé. Zisk v maximu vyzařování se liší jen o 1.3 dB. Vypočtené elevační úhly se však liší na všech pásmech od 40m do 6 metrů o 1° proti čtvrtvlnné anténě.

Přizpůsobení

Při experimentech jsem antény neladil na VSWR = 1. Při zemním systému v mém QTH mi, bohužel, pracují s dobrým VSWR čtvrtvlnné vertikály. Vyšší optimalizované vertikály mají v mém QTH minimum VSWR na hodnotách kolem 1.4 až 1.5 a doladění na VSWR = 1 je již mimo optimální vyzařovací úhel. Já jsem ladil délky zářičů na požadovanou hodnotu jX (bez kondenzátoru je nenulová) a kapacitní dekádou jsem "nacvakal" jX=0. VSWR potom vyšlo tak, jak vyšlo .... Průběh VSWR na pásmu 40 m uvádím pro informaci zde:

Závěr

Ladislavu OM3CA musím pogratulovat. Použil anténu, která má jednoduchým způsobem optimalizovaný vyzařovací úhel a zkouškami prototypu zjistil, že je vhodná pro DX provoz. Pro mě to znamená, tak, jak jsem psal v článcích, na které se v úvodu odkazuji, že rozdíl v zisku na nízkých úhlech vyzařování může být až několik dB proti čtvrtvlnným anténám a mnohem více proti anténám s paralelními zářiči.

Opět jsem se přesvědčil, že mýtem mezi hamy se stalo používání pasivních prvků, tj. indukčností a kapacit spolu s tím, že na prvním místě je účinnost antény. Já tvrdím, že na prvním místě v konstrukci antén je potřeba vyvarovat se prohřešků ve směrovosti a s rozmyslem efektivně využívat pasivních prvků. Anténa, kterou popsal OM3CA je příkladem pečlivé práce a vhodné volby základních konstrukčních konstant (optimální délky zářiče).

Další možnosti nastavení

V předchozím textu jsem napsal, že anténa je optimalizovaná z hlediska vyzařovacího úhlu. Je to skutečně pravda? V diagramu v článku 2 o vertikálech je vidět, že zisk se zvětšující se délkou zářiče dále roste a elevační úhel klesá až k délce 0.625 x lambda. To je skutečnost. Při dalším prodlužování zářiče již převáží vyzařování horním lalokem a veškerá energie půjde do nebe. Uvádím zde na správnou míru, co bylo myšleno optimalizací čtvrtvlnné antény. Optimalizací byla myšlena konstrukce, kterou lze při transformačním poměru balunu 1:1 přizpůsobit s dobrým VSWR k napáječi s vlnovou impedancí 50 Ohmů. Nebo 75 Ohmů, na takové impedanci je vyzařovací úhel ještě příznivější. Anténu podle OM3CA však můžeme nastavit v mnoha pásmech (mimo 40m, tam bude zářič krátký) na hodnoty mnohem vyšší, než je 0.28 x lambda. Abychom vyšší impedanci přizpůsobili, musíme použít balun s transformačním poměrem vyšším, než 1:1. Takké můžeme do paty vertikálu instalovat dálkově ovládaný automatický tuner, kterým budeme ladit anténu do rezonance. Těmito metodami lze docílit dalšího snížení vyzařovacího úhlu. Uvádím tabulku pro kmitočet 21.076 MHz, ze které je zřejmá délka zářiče, hodnota kondenzátoru a hodnota reálné složky impedance při rezonanci:

Opět jsme neobjevili nic nového. V horních řádcích tabulky se délka antény blíží polovině vlny. Ale maximum vyzařování nám kleslo o neuvěřitelných 5°. A to je hodně znát. Všiml jsem si, že v roce 2013 používalo několik expedičních stanic půlvlnné vertikály na pásmu 20 m a signály byly silné i od protinožců (např. ZL7LC).

Zářiče s délkou kolem 5/8 lambda

Tuhle část jsem do článku doplnil na přání OM3CA. V úvahu přichází pásma nad 20m. Řešení je jednoduché. Pro přizpůsobení je dobré použít balun s transformačním poměrem jiným než 1:1 (dále vysvětlím, proč). Vhodným balunem bude balun s transformačním poměrem 1:4, který bude doplněn o samostatné vinutí pro poměr přibližně 1:2 a oba dva transformační poměry budou vyvedeny na samostatné svorky. Zářiče o délce 6/8 (tj. 0.625 x lamba) musí být vybaveny v patě indukčností. Bude tedy nutné dálkově přepínat jeden konec indukčnosti ke správné odbočce na balunu. V tabulce uvádím důležité konstrukční hodnoty, tj. velikost indukčnosti, délu zářiče, dále vypočtené maximum vyzařování (elevační úhel) a VSWR, obrázky zleva doprava a shora dolů č. 1 až 5):

V tabulce je uvedené také pásmo 20m, na tomto pásmu je však délka zářiče neúnosně dlouhá (13 metrů). Pro vyšší pásma lze však zářič o délce 0.625 x lambda použít. Všimněte si, že maximální vyzařování se nám přestěhovalo někam na hodnotu kolem 16° na všech pásmech. To by bylo excelentní pro DX provoz! Řešení však má svá úskalí. Pohybujeme se v oblasti délky zářiče, kdy již horní lalok začíná být významný. Překročíme-li délku zářiče, začne anténa vyzařovat do nebe (viz obrázek č. 5). Problematiku vysvětlím na pásmu 15m, jak se vyzařování liší pro různé délky kolem 0.625 x lambda:

Na obrázku nahoře vlevo (č. 1) je zobrazeno vyzařování krátkého zářiče (jenom 0.6 x lambda, tj. cca 8.5 metru), který je přizpůsoben indukčností a balunem s poměrem 1:4. Vidíte, že elevační úhel je vyšší, než minimální a má hodnotu asi 16.6°. Na obrázku vpravo (č. 2) je délka zářiče o něco delší, stejně tak, jako na obrázku vlevo dole (č.3). Zářič je však nutné přizpůsobit balunem 1:2.

Na obrázku vpravo (č.4) je pětiosminový zářič přizpůsoben k impedanci napáječe Z=50 Ohm bez transformačního balunu. Všimněte si vyzařování horního laloku. Již není jeho maximum potlačeno o 3 a více dB, jako v předchozích případech. Zářič je již delší než 5/8 lambda. Překročíme-li tuto hodnotu. Anténa nebude pro DX použitelná! Toto je zásadní úskalí konstrukce antény s délkou kolem 5/8 lambda. Mimo kompenzační indukčnosti v patě vertikálu musíme řešit vhodnou transformaci reálné složky impedance. Např. balunem nebo tunerem.

Nebezpečí spočívá v tom, že snadno překročíme délku zářiče o několik cm, indukčností vyladíme rezonanci a výsledek je zřejmý z tohoto obrázku č. 5:

Na obrázku č. 5 si všimněte, že zisk je o 1.5 dB vyšší, než v předchozích případech. Anténa však již září do nebe a maximum vyzařování má hodnotu téměř 50°!!! Jde o anténu s hrubou chybou směrovosti, která je však docela slušně přizpůsobená k napáječi o vlnové impedanci 50 Ohmů (nebo 75 Ohmů). Jak se podobnému nebezpečí vyhnout? Jednoduše. Nezkonstruovat zářič příliš dlouhý. Tedy držet se maximální hodnoty 0.625 x lambda. Já to dělám tak, že si pro tyto délky vypočítám reálnou a jalovou složku impedance pro každý kmitočet pásma a měřením pomocí VNA nastavím délky zářiče na stejné hodnoty impedancí. Pak věřím tomu, že anténa vyzařuje tak, jak má. Pokud bych neměl tuto možnost, pak bych volil raději vyšší transformační poměr balunu a přizpůsobil bych o něco kratší zářič k použitému transformačnímu poměru. To je ten první diagram č. 1 v této kapitole. Stejného principu jsem použil u antény Modifikovaný Rybakov.

Orientační hodnoty impedancí zářičů

Hodnoty impedancí zářičů 0.625 x lambda jsou závislé na použitém zemním systému. V mém QTH má zemní systém velikost ztrátového odporu přibližně 15 ohmů. Pro zářiče délky 0.625 x lambda je impedance přibližně rovna hodnotě R = 90 jX = -400 ohmů na všech pásmech. Pokud máte téměř dokonalý zemní systém, pak R = 75 a jX = -420 ohmů. Pokud je jalová složka od jX = -350 do jX = -450 ohmů, pravděpodobně bude vše v pořádku. Pokud bude jalová složka např.  jX = -600 ohmů, máte anténu kratší, pravděpodobně již bude i R > 100 či 120 ohmů a délka takového zářiče bude kolem 0.6 x lambda. Vyzařování odpovídá obr. č. 1. To je pořád dobrá hodnota. Pokud však bude jalová složka jX = -270 ohmů (0.66 lambda), případně jen jX = -150 ohmů (0.70 x lambda), buďte ve střehu. Přibližujete se k vlnové délce 0.75 x lamda a vyzařování odpovídá obr. č. 5. Je to nepoužitelné, tak jako všechny zářiče, které budou mít jX pod -300 ohmů ...

Praktický závěr

Jednoduchá a použitelná konstrukce vertikálu OM3CA mě zaujala. Zvažuji, že vyrobím zářič podobné konstrukce a stejných geometrických rozměrů, jako použil OM3CA. Použiji však jiné dálkové ovládání motoru, které mi umožní nastavovat správné délky zářičů s ohledem na kmitočet. Ladění však provedu automatickým LC tunerem nebo upravím již dříve vyvinutý dálkově ovládaný tuner Wirematch vlastní konstrukce. Ovládá se z obrazovky Windows pomocí posuvných prvků a ladění se ukládá do pamětí. Pro vertikál bych použil jen dva posuvníky pro LC a třetí bych použil k nastavování délky zářiče. Pro ilustraci uvádím vzhled ovládacích panelů prototypu, o kterém hovořím (nikdy nebyl vyroben ve více kusech):

Filosofie ovládání je taková, že v okně vpravo se ladí požadované hodnoty a ukládají do pamětí (4 banky pro každé pásmo). V okně vlevo se jen vybírají hodnoty z pamětí. Potřebné hodnoty LC nám "nacvakají" relátka. Jeden posuvník předělám pro ovládání délky zářiče....

73's Věra & Míra, ok1ufc

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 23.12.2013