Úvodní článek k vlastnostem krátkovlnných antén

.........................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Tento článek je o základních vlastnostech antén.

Co to je anténa?

Anténa je technické zařízení, které mění elektrickou energii na energii elektromagnetického pole. Nebo také naopak.

Princip Hertzovo antén spočívá v tom, že elektromagnetické pole vzniká kolem každého vodiče, kterým prochází proud. Vidíte, že zde nehovořím ani o délce vodiče, ani o jeho vztahu k vlnové délce (tedy o čtvrtvlně, půlvlně), o ničem takovém. Omezím se na konstatování, že ne každé uspořádání vodičů vyzařuje účinně. Pole vzniklá průchodem proudu ve vodičích se mohou sčítat nebo rušit. Pro další základní úvahy o krátkovlnných anténách si v tomto článku uvědomíme, které parametry budou antény dostatečně charakterizovat.:

1. Účinnost

U antény se účinnost vyjadřuje jako u jakéhokoliv jiného stroje jako poměr vyzářeného a přivedeného výkonu. Matematicky např. takto (omlouvám se, teď, když tento článek píšu, tak nemám u sebe na notebooku žádný editor na matematické výrazy a musím improvizovat):

n (éta) = Pv / Pinp, kde n = účinnost, je menší než 1, Pv je vyzářený výkon, Pinp je přivedený výkon

Přivedený výkon můžeme vyjádřit jako součet vyzářeného výkonu a ztrátového výkonu. Tedy Pinp = Pv + Pz. Potom lze účinnost vyjádřit také tímto poměrem:

n (éta)= Pv / (Pv+Pz), kde Pz je ztrátový výkon.

Pro vyzářený výkon platí Pv =  Rv * I², pro ztrátový výkon platí Pz = Rz * I² ; tento výraz vychází z náhradního schématu antény, které předpokládá, že vyzařovací odpor antény a ztrátové odpory jsou v sérii. Potom pro účinnost antény platí, že:

n (éta) = Rv / (Rv + Rz), v této rovnici je Rv tzv. vyzařovací odpor antény a Rz je součet všech ztrátových odporů antény. O vyzařovacím odporu píšu více tady.

Příklad: čtvrtvlnný vertikál bez radiálů je instalován na uzemňovací tyč. Po montáži naměříme reálnou složku impedance 52 Ohmů. Víme, že čtvrtvlnný vertikál má vyzařovací odpor asi 37 Ohmů. Jakou lze předpokládat účinnost takové antény?
n (éta) = 37 / (37 + 15) = 0.71
Vidíme, že se na ztrátovém odporu takové antény ztratí jen asi 30 % elektrické energie, která se nevyzáří, ale přemění v teplo na ztrátových odporech. Já tady tvrdím, že to není až tak špatná účinnost antény, přestože by mohla být lepší, hi. Pokud by ztrátové odpory země byly vyšší, např. 80 Ohmů, pak by účinnost této antény byla jen asi 38 %.

Pozn.1: Právě čtenáři mě upozornili na některé rádoby odborné články o anténách (publikované v češtině), kde se autor snažil popsat různé jevy, které lze na anténách pozorovat, ale nedokázal důsledně rozlišit, zda ten daný jev způsobila mizerná účinnost nebo jiná vlastnost, např. směrovost!

Pozn. 2: O vyzařovacím odporu a o vyzařování antén budu ještě psát v dalších článcích.

2. Směrovost

Směrovost je schopnost antén vyzařovat v požadovaném směru.Tuto vlastnost posuzujeme podle směrového vyzařovacího diagramu v horizontální a ve vertikální rovině. O měření  diagramu v horizontální rovině píšu také zde. Právě z rádoby odborných článků o anténách je zřejmé, že často jsou mizerné vlastnosti antény přisouzeny neprávem její účinnosti, nikoliv její mizerné směrovosti. Mizerné směrovosti můžeme docílit snadno např. u vertikálních antén typu ground plane. O tom jsem psal několik článků o vertikálech.

3. Šířka vyzařovacího úhlu

Šířka vyzařovacího úhlu je úhel (THA), viz obrázek 1:

v němž se vyzářená energie sníží na polovinu při srovnání se směrem maximálního vyzářeného výkonu. Někdy je v zahraniční literatuře tento úhel označován jako half-power beam width (HP) a body ve kterých intenzita klesne na polovinu jsou označovány jako pravý a levý (right, left) half-power point. V diagramu jsou označené mimo úhel (THA) také směr max. vyzářeného výkonu a kružnice -3dB, která znázorňuje pokles E/Emax = 0.7 - viz vzorec napsaný rukou v rámečku pod diagramem. V teorii antén se také pracuje s větším úhlem vyzařování, který se měří mezi prvními minimy. Ten se označuje jako Beam width between first nulls (BWFN).

4. Součinitel směrovosti D

Součinitel směrovosti D (directivity) udává, kolikrát je třeba zvýšit výkon vysílače aby intenzita v místě příjmu byla stejná, jako když přepneme ze směrové antény na všesměrovou.

5. Zisk antény G

Zisk antény G je dán součinem její směrovosti a účinnosti:

G = n (éta) * D (dir)

Tento parametr je velice vhodný k popisu vlastností antény s ohledem na její ztráty a směrovost. Pokud obdržíme výsledky z programů pro návrh antén metodami NEC, vždy je ve výsledcích nějakou formou zisk uveden. Jak jsem již zmínil, zavádějící a rádoby odborné články se poznají velice často podle toho, že si definici zisku antény neuvědomují a mizerné vlastnosti antén často přisuzují mizerné účinnosti, přičemž prohřešek je ve skutečnosti ve směrovosti antény.

6. Činitel zpětného příjmu (F/B)

Činitel zpětného příjmu je poměr napětí na svorkách antény ve směru hlavního laloku k napětí při příjmu ve směru maxima největšího postranního laloku v zadní části diagramu.

Pozn. 1: Směr maximálního záření největšího zadního laloku nemusí být totožný se směrem hlavního laloku.
Pozn. 2: Správné nemusí být ano označení "předozadní poměr" neboť anténa nemusí mít minimální vyzařování v opačném směru hlavního laloku.
Pozn. 3: Činitel zpětného příjmu (F/B) si začneme zásadně uvědomovat v okamžiku, kdy se budeme zabývat vlastnostmi antény důležitými pro příjem slabých signálů.

7. Vstupní impedance antény

Poměr napětí k proudu na svorkách antény se nazývá vstupní impedance antény. Pro maximální přenos výkonu v koaxiálním napájecím vedení se snažíme minimalizovat ztráty odrazem. Proto se snažíme o to, aby vstupní impedance antény byla přizpůsobena ke koaxiálnímu vedení. Pro zajištění této podmínky je třeba, aby vstupní impedance byla reálná a bez reaktance.

Pozn. 1: Existují pro radioamatéry solidní a volně dostupné programy pro výpočet ztrát běžně používaných koaxiálních vedení vlivem stojaté vlny.
Pozn. 2: Symetrický napáječ typu žebříček (ladder line) lze za určitých podmínek použít k napájení antény jako vedení se stojatou vlnou, aniž bychom si extrémně zvýšili ztráty ve vedení vlivem stojatého vlnění.

Velice častým a zavádějícím mýtem v česky publikovaných článcích jsou informace o popisu různých transformačních experimentů, např. s baluny 1:9, kterými se přizpůsobuje impedance koaxiálního napáječe k anténě se žebříčkem (dvojlinkou).

Protože má anténa jalovou složku impedance jX nulovou jen v rezonanci, je třeba takovou anténu přizpůsobit v místě napájení koaxiálním kabelem. K tomu se používají na krátkých vlnách čtyřpóly vyrobené z reaktancí L, C, úseků vedení či transformátorů. O této problematice najdete na tomto webu několik článků. Jeden z článků je o použití Smithova diagramu v radioamatérské praxi a jsou tam uvedené i příklady.

8. Frekvenční charakteristika antény

Frekvenčních charakteristik je hned několik a jsou to např. průběhy impedance R, jX v závislosti na frekvenci, průběh VSWR v závislosti na frekvenci, průběh zisku a F/B v závislosti na frekvenci.

9. Další charakteristiky antény

Anténu charakterizuje celá řada dalších vlastností, např.:
- použitelná šířka pásma pro VSWR < 2
- účinná výška antény
- char. impedance napájecího vedení
- maximální přípustný výkon na svorkách, atd.

Závěr

Tento článek snad nevyžaduje závěr. Dal jsem ho na svůj web jako úvodní, a to před články, kde popisuji něco z mála metod o tom, jaké přijmout zásady, čeho se vyvarovat, proč modelovat v NEC a jak výsledky své práce ověřovat. Myslím, že v rádoby odborných článcích bylo již mýtů o anténách publikováno dost a často i se zaručenými netechnickými důkazy, že právě tak, jak je popsáno, je to správně vyřešeno. Bez ohledu na to, zda častou příčinou neúspěchu antény je prohřešek ve směrovosti a nebo v účinnosti antény.

Poznámka: Opravdu dobrá kniha ke studiu antén je Stutzman, Warren: Antenna theory and design.