Optimalizace a nastavování antény Yagi krok za krokem

V článku o nastavování tribanderu jsem popsal způsob, jakým lze optimalizovat a nastavovat základní parametry antény. Popsaný způsob předpokládá možnost měření proudů v prvcích antény. V tomto článku jsem zvolil způsob odlišný, který předpokládá, že neexistuje možnost měřit proudy v prvcích a máme pouze možnost měřit impedanci na svorkách antény. Tento popsaný způsob je však podobnou metodou. Místo měření proudů se uvažuje s vlivem vlastní a vzájemných impedancí, které, stejně, jako v minulém případě porovnáváme s modelem antény NEC.

Předpoklady

Abychom mohli zde popsaný způsob použít pro nastavování antény yagi se třemi prvky, je nezbytné:
a) umět přesně měřit impedance na svorkách antény ve výšce instalace H, pro kterou optimalizujeme
b) umět ztotožnit u dipólu hodnoty modelovaných a skutečně naměřených impedancí v rezonanci a v několika bodech, pokud nám z jakéhokoliv důvodu modelované impedance u dipólu nesedí s měřenými hodnotami, nemá smysl v metodě dále pokračovat
c) mít možnost měřit a nastavovat v dané výšce celou anténu, jen dipól, jen dipól s direktorem a jen dipól s reflektorem

Příklad

¨V následujícím textu je uveden krok za krokem postup optimalizace a nastavování základní části tribanderu pro pásmo 28 MHz. Opakováním postupu lze samozřejmě nastavit tribander na dalších dvou pásmech.

Cíle

Cílem je nastavit anténu yagi se třemi prvky na nejlepší poměr F/B při akceptovatelném poměru stojatých vln (VSWR). Graficky to můžeme znázornit např. následujícím obrázkem. Já jsem však takové cíle nekladl. VSWR mi stačí do VSWR = 1.4 a Ga 10 dBi ....snahou je F/B na hodnotě kolem 23 dB:

Konstanty

Optimalizovaná anténa v našem příkladu pracuje s těmito konstantami:
a) délka ráhna je 4.2 m (osová vzdálenost mezi reflektorem a direktorem), vzdálenost reflektoru od dipólu je 2.2 metru
b) průměr prvků u ráhna je 30 mm
c) impedance na svorkách v místě napájení se požaduje Z=50 Ohmů, přičemž po optimalizaci může být R kolem 40 Ohmů při dobrém F/B a VSWR nepřesahujícím hodnotu 1.4
d) výška montáže H=10 metrů

Rozměry, proměnné, kterými se nastavují parametry

Jediné parametry, které lze měnit, jsou rozpětí (délky) jednotlivých prvků.

Postupy

V prvním kroku potřebujeme znát délky prvků pro nejlepší, teoreticky dosažitelné parametry F/B a zisku G v dané výšce H. Použijeme jednoduchý model antény, jehož rozměry odpovídají konstantám (rozměrům ráhna), které jsem uvedl. Dipól DE je přibližně půlvlnný, reflektor o pár procent delší a direktor kratší. V programu MMANA zapneme numerickou optimalizaci, zadáme rozměr Y u tří elementů, nastavíme kritéria Gain a F/B podle obrázku a spustíme optimalizaci "čudlikem" start.

Program chviličku pracuje, ve sloupci "Value" se objeví vypočtené hodnoty. Během výpočtu se můžeme dívat, jak se nám modelují vyzařovací diagramy, než nám vypadne teoretický výsledek:

Vypočítali jsme si přenádherné hodnoty G = 13.35 dBi a F/B je téměř 25 dB. Takových hodnot bychom dosáhli při poměrně nízké impedanci na svorkách, navíc s velikou hodnotou kapacitní reaktance. Z = 8 -j 314, což se nám nehodí. Takže tuto "teoretickou" anténu budeme v dalších krocích optimalizovat na přijatelný kompromis.

Toto provedeme v druhém kroku, který budeme případně opakovat pro mírně odlišné hodnoty kritérií. Oblíbené hodnoty si musíme jemným nastavováním sami najít. Příklad nastavení uvádím na dalším obrázku. Váhy kritérií jsou nastaveny: Gain = 0%, F/B=50%, jX=60%, VSWR = 20%, ostatní kritéria jsou s nulovou váhou. Viz obrázek. Osobně bych s ohledem na výsledek ještě v dalším kroku snížil jX a VSWR nebo zvýšil F/B, ale budiž tento krok finálním:

Po druhém kroku optimalizace obdržíme tento výsledek, který se budeme snažit na skutečné anténě nastavit:

Po tomto jednoduchém modelování vidíme, že bychom měli v praxi docílit G = 12.91 dBi, F/B = 23 dB a VSWR = 1.1 na kmitočtu 28.120 MHz. Pro jistotu si zkontrolujeme průběh VSWR kolem pracovního kmitočtu a vyzařování:

Vypočtené parametry jsou pro 3 prvkovou anténu navrhovaných rozměrů typické.

Krok č. 3 (důležité)

Reálnou anténu potřebujeme nastavit podle té modelované. To lze dělat různě. To, co nám určitě nebude fungovat, zejména nikoliv na poprvé, je postup, kdy si přečteme rozměry modelované antény a nastavíme podle toho anténu skutečnou. Skutečnou anténu musíme nastavit podle té modelované tak, aby nám seděly důležité elektrické parametry. Nejlépe proudy v prvcích. Jenže pokud je nemáme čím měřit, použijeme metodu odlišnou, která využívá vlivu vlastních a vzájemných impedancí. Zde je nutný předpoklad, že tyto impedance musíme umět měřit s dostatečnou přesností, a to ve výšce instalace. Nebude nám to fungovat, pokud budou v blízkosti antény vodivé předměty či jiné rezonující zářiče. Potom totiž nejsme schopni stanovit ani vlastní impedanci dipólu, natož zjistit vlivy vzájemných impedancí.

V tomto kroku tedy budeme v následujících konfiguracích (jen dipól, dipól a direktor, dipól a reflektor, celá anténa), viz malé obrázky

stanovovat a následně podle stanovených hodnot nastavovat rozpětí prvků na skutečné anténě.

a) nastavení rozpětí dipólu DE a stanovení vlastní impedance dipólu na rezonančním kmitočtu Model optimalizované kompromisní antény si pečlivě uložíme, protože ho budeme ještě mnohokrát potřebovat. V modelu smažeme reflektor a direktor. Ponecháme pouze dipól a zjistíme jeho rezonanční frekvenci v dané výšce montáže. Viz obrázek vpravo. Ve výšce 10 metrů náš tlustý dipól musí rezonovat na kmitočtu 28.713 MHz a na této frekvenci by měl mít jX=0 a R asi 77 Ohmů. Skutečný dipól nastavíme rozpětím v dané výšce na hodnotu jX=0 a pokud naměříme např. R= 70 Ohmů nebo 80 Ohmů, můžeme být spokojeni.
b) nastavení rozpětí direktoru D V modelu antény smažeme reflektor a zjistíme si rezonanční kmitočet sestavy dipólu a direktoru. Ten by měl být 28.610 MHz. U skutečné antény nastavíme analyzátor tak, aby měřil impedanci na kmitočtu 28.610 MHz a jen změnou rozpětí direktoru nastavíme na svorkách dipólu při tomto kmitočtu jX = 0. Hodnota impedance nám vlivem vzájemných impedancí na svorkách klesne a měla by v dané výšce být asi 45 Ohmů. Délku direktoru zafixujeme a direktor demontujeme.
c) nastavení rozpětí reflektoru R V modelu antény smažeme direktor a ponecháme jen DE a R. Rezonanci na svorkách bychom měli najít na kmitočtu 27.204 MHz a hodnota impedance by měla být nepatrně vyšší, než 50 Ohmů. U skutečné antény přidáme reflektor, anténní analyzátor nastavíme tak, aby měřil impedanci na svorkách antény při kmitočtu 27.204 MHz a jen změnou rozpětí reflektoru nastavíme rezonanci na tomto kmitočtu. Impedance by měla být vyšší, než 50 Ohmů.

d) anténa yagi

Na skutečné anténě přidáme chybějící direktor a provedeme měření impedance na svorkách. Pokud jsme pracovali pečlivě, měli bychom na kmitočtu f = 28.12 MHz naměřit hodnotu impedance kolem 45 Ohmů a VSWR by mělo být maximálně VSWR=1.2. Lze předpokládat, že anténa bude vyzařovat podle diagramu, který byl uveden jako první obrázek, tj. bude kromě slušného VSWR dosahovat hodnoty F/B = 23 dB a odpovídajícího zisku.

Poznámky

1. Předpokladem je, že anténu, kterou chceme nastavovat touto metodou, instalujeme v dostatečné výšce, pro náš případ jsem volil hodnotu H = přibližně lambda. V okolí antény nemáme žádné parazitní prvky, plechovou střechu a jiné rezonanční antény.

2. Pokud je anténa vícepásmová, např. trapovaný tribander, opakujeme uvedený postup pro každé pásmo. Postupujeme od nejvyššího pásma. V modelu při optimalizaci přidáváme prvky postupně, tj. k optimalizované anténě pro 28 MHz přidáme střední díl s oběma trapy a děláme pásmo 21 MHz. Po této optimalizaci přidáme konce prvků a teprve potom děláme pásmo 14 MHz. U skutečné antény však pracujeme s kompletními prvky, ale s předem nastavenými trapy (analyzátorem) na rezonanční kmitočty.

3. Předpokladem použití této metody také je, že umíme modelovat dipól v NEC nebo MININEC tak, aby nám přibližně seděly impedance na svorkách v instalované výšce. Pokud se anténám věnujeme a máme vhodným způsobem odhadnutou alespoň dielektrickou konstantu a vodivost země, je to dobré. Pokud se hodnoty přece jenom liší a jsme si jisti, že impedance umíme měřit spolehlivě a přesně, můžeme si částečně pomoci materiálovými konstantami, které jsou označované v programech NEC např. USER WIRE, USER PIPE. Lze jimi sice jen částečně, ale poměrně dobře kompenzovat ztrátové odpory blízkosti země.

4. Uvedeným postupem jsem v minulosti nastavoval prototyp trapovaného tribanderu jednoduché konstrukce. Tribander je jednoduché konstrukce s následujícími rozměry: délka ráhna je 4.2 metru, systém pro 28 MHz není zkráceny a odpovídá tomuto příkladu. Na konci každého prvku je sklolaminátová trubka (délky jsou kolem půl metru). Na každém konci trubky je trap vyrobený z koaxiálního kabelu nebo tzv. twin wire trap. Trapy (včetně fotografie) jsem na žádost čtenářů popsal již v článku o tribanderu 14-21-28 v poznámce na konci článku. Rezonanční kmitočty trapů jsou nastaveny na 28.2 a 21.1 MHz. Konce prvků jsou vyrobené z trubek AL o průměru 16 mm. Vodič mezi trapy je z měděného lana, které tvoří jeden pozvolný závit kolem laminátové trubky mezi trapy. Rozpětí prvků po nastavení byly 7.23, 6.9 a 6.39 metru. Anténa byla nastavována pro výšky montáže 14 m a 10 metrů. Na jaře 2016 bude provedena opětovná montáž a nové nastavení podle tohoto postupu na všech pásmech. Fotografie antény a trapů budou po montáži publikovány. Vlastnosti antény byly porovnávány s tribanderem ECO a s 8 prvkovou LPDA anténou. Na pracovních kmitočtech byly rozdíly obtížně zjistitelné. U tribanderu ECO byla handicapem skutečnost, že jsem nenastavoval nijak pásmo 28 MHz a pravděpodobně také fakt, že konstruktér se snažil o širokopásmovější kompromis, kterého docílil na úkor F/B. Anténa s konstantami zde uvedenými a s použitými trapy je po nastavení s dominujícím kritériem F/B anténou úzkopásmovou, ovšem nastavení F/B je při příjmu a také při provozu long path poznat :-)

Související témata

Na tomto webu je uvedeno mnoho souvisejících témat. Zejména se jedná o pojem a definici vlastních a vzájemných impedancí antén či prvků a o dříve uvedené příklady nastavování směrových antén s jejich využitím. Neméně důležitá jsou témata o tom, jak je závislá impedance rezonujícího dipólu na jeho výšce montáže. Stejně tak jsou důležitá témata o kategorizaci antén. Tato anténa je anténou symetrickou a neuzemněnou. Řešení symetrizace je také důležité.