Protiváhy vertikálů

O anténách

Kontakt

Protiváhy vertikálů

Všeobecně

Tento článek je jen další úvahou, která se týká vlastností země a systému radiálů nebo protiváhy u vertikální antény. Pro úvahy byla použita čtvrtvlnná vertikální anténa pro pásmo 40 m.

Popis srovnávaných antén

Pro srovnání použijeme čtvrtvlnný vertikál s 32 zakopanými čtvrtvlnnými radiály a antény s nadzemními radiály v následujících konfiguracích:
- s jedním radiálem, výška cca 0,5 metru nad zemí
- dva radiály ve svislé rovině se zářičem, výška 0,5 m nad zemí
- protiváha v horizontální rovině, cca 0,5 m nad zemí
- meandrovitá protiváha ve svislé rovině, pata antény je rovněž 0,5 m nad zemí

Schémata antén

Schémata posledních 3 antén jsou na těchto obrázcích:

Vyzařování antén

Podle MININEC modelu vyzařují všechny antény podobně. Anténa s jedním radiálem však nemá zcela symetrický vyzařovací diagram, ale s ohledem na malou výšku nad zemí (jen 0,5 m) je minimum nevýrazné. Diagram vypadá takto. Elevační úhel se zvýšil, F/B je do 3 dB:

Ostatní tři antény vyzařují podobně a vyzařovací diagramy jsou v následujícím obrázku:

Vliv země

Vodivost země má vliv na vyzařování všech antén. Ať již uzemněných nebo izolovaných. V literatuře se často uvádí vliv nízké vodivosti země na účinnost antény. Takové vlivy jsem rovněž popsal např. v tomto článku. Programy NEC a MININEC vliv země na vyzařování antény více či méně přesně umí řešit. Pro amatérskou praxi používám algoritmy NEC-2, ale pro většinu srovnávacích úvah mám již zažité řešení pomocí MININEC v MMANA. Při takových úvahách používám srovnání mezi "perfect ground" a "real ground". Ve vyzařovacím diagramu to vypadá pro naše popisované antény takto:

Z diagramu je vidět, že všechny antény, které by byly vybavené nadzemními radiály nebo jedním z popsaných systémů protiváhy by vyzařovaly na nízkých úhlech (5°) až o 13 dB!!! lépe a ve směru maximálního vyzařování asi o 5 dB lépe. Dovolím si upozornit, že k podobným závěrům dospějeme analogickou úvahou také u vertikálních dipólů.

Poznámka:
Stejnou metodu výpočtu vyzařovacích diagramů ve vertikální rovině a se stejně nastavenou zemí používám několik let. A to proto, že existuje mnoho algoritmů, které tyto výpočty vyzařování zpřesňují. Výsledky se však u jednotlivých metod nezanedbatelně liší, a to např. takto - viz obrázek vpravo. Nezapomeňme, co jsem napsal výše. Zemní systém má určitý, dobře známý vliv na účinnost antény. Má však zásadní vliv na vyzařovací diagram antény, na nízkých úhlech, který se bude nacházet někde mezi čárami perfect ground a real ground. Přesnější modelování pomocí speciálních algoritmů nám jakoby více "připlácne" vyzařovací diagram k více vodivé zemi A to platí jak pro antény uzemněné, tak pro antény izolované (nadzemní), pro vertikální dipóly, atd.

Praktický závěr a poznámky

V tomto článku jsem chtěl dospět k tomu, že čtvrtvlnné vertikály, které jsou montovány se dvěma rezonujícími radiály nebo s protiváhou stočenou do vodorovné spirály nebo s meandrovitou protiváhou vyzařují přibližně stejně. Základní vlastnosti jsou vypočtené v této tabulce. Zleva doprava je uvedeno f, R, jX, VSWR, Ga, F/B, elev., real ground, h a polarizace:

Na spodním řádku jsou uvedené vlastnosti vertikálu s 32 radiály.

Poznámky:

1. Laděné protiváhy mohou mít zásadní vliv na směrovost antény - prosím, vždy si to uvědomujme a nepodceňujme tuto skutečnost. Diagramy uvedené v článku jsou hezké. Musíme si uvědomit, že platí pouze pokud je splněno několik podmínek. Tou nejdůležitější je symetrie protiváhy vůči zemi. Když si uvědomíme, jak nehomogenním vodičem země je, tak dokážeme také usuzovat, jaké zvlnění nám to do vyzařovacích diagramů může zanést. "Homogenizace" a zlepšení parametrů země však lze provést jen "vylepšením" pomocí zakopaných radiálů. To však nelze vždy realizovat. Takto vylepšená zem pomáhá nejen vertikálům, ale i izolovaným anténám s laděnými nadzemními radiály, ale i vertikálním dipólům a podařilo se mi to měřením prokázat i u směrovky v nízké výšce nad zemí. V blízkosti země nám však i těžká nesymetrie "vyrobená" jen jedním radiálem zvedla vyzařovací úhel jen o 3 stupně a F/B "rozhodila" jen o 3 dB! Proto věřím tomu, že vodiče protivah, ve kterých tečou proudy oběma směry tak, aby se vyzařování těchto protivah rušilo, budou fungovat a v nízkých výškách nebudou příliš ovlivňovat vyzařování svislého zářiče. Jsem si vědom skutečnosti, že ve vysokých výškách to platit nebude. Na nesymetrii jsou velice háklivé antény typu Ground Plane instalované ve výškách. Nejde o sklon radiálů, kterým lze doladit impedanci v bodě napájení. Jde o nesymetrii závěsných bodů, která nám naruší směrovost antény a vyrobí minima větší než 10 dB. Viz např. tento článek.

2. Výška nad zemí a vyzařování protiváhy. V této úvaze jsem se věnoval protiváhám, jejichž vyzařování je zásadním způsobem omezeno použitím těchto metod - vodiče jsou napájené symetricky (2 radiály) nebo nejsou použité přímé vodiče, ale tvarované např. do spirály, C tvar, který používá např. GAP Titan nebo do meandru. Proud proudí v takových vodičích i opačným směrem a vyzařování protiváhy se ruší. Vodiče protiváhy jsou nízko nad zemí. Horizontální vodiče nízko nad zemí, je všeobecně známo, že vodiče nízko nad zemí vyzařují špatně. Popsané protiváhy nemají za úkol vyzařovat, ale vertikální anténu elektricky zkrátit, tak, jako zkracují radiály v zemi čtvrtvlnnou anténu z poloviny vlnové délky svislého dipólu na čtvrtinu vlnové délky vertikálu.

3. Vliv stavebních objektů, porostů a plotů. Ve stísněném prostoru, tj. na malých zahradách, mezi stavebními objekty, ploty a dalším porostem musíme být při konstrukci zemního systému velice důvtipní a pečliví. V tomto článku jsem proto uvedl jen dva nebo tři jednoduché principy řešení protiváhy (counterpoise). Jejich provedení nepovažuji za konečné. Pouze se mi jeví jako vhodné, protože NEC modely nepředvídají zásadní problém, nebo jsou již delší dobu používané (např. 3 protiváhy používá GAP Eagle, zkonstruoval jsem balkónový vertikál rovněž se 3 protiváhami, C protiváhu používá GAP Titan na 40 m...). Systém s jedním a dvěma radiály jsem provozně zkoušel u antény Compact 80/40/30, kde jsem pro tento účel zrealizoval novou patku bez zemního systému radiálů. Se systémy se 2 radiály jsem experimentoval poblíž zahradních plotů, obdobně, jako s konstrukcemi tvaru meandrů. Popsané systémy protivah jsou frekvenčně závislé a musí být laděné na pracovní frekvenci. Je však pravdou, že i jednoduché protiváhy antén umožňují provést instalaci vertikální antény nízko nad zemí, vypořádat se s nesymetrií země a často docílit i lepších výsledků, než při realizaci systému GP s podstatnou nesymetrií systému radiálů vůči zemnímu systému. V praxi jsem viděl několik antén GP, které rozhodně nedávaly dobré výsledky, protože konstruktér nebyl schopen vyloučit vliv stavebního objektu (např. střechy paneláku, kde se domníval, že reprezentuje zemní rovinu, ale ve skutečnosti to byla jen těžce nesymetrická špatně laděná protiváha) nebo nebyl schopen vytvořit symetrickou konstrukci radiálů, protože to závěsné body neumožnily. Výsledkem samozřejmě byly prohřešky ve směrovosti, které se sváděly na vlastnost QTH. Nebyla to však pravda, protože jiná anténa v daném QTH by vyzařovala lépe. Příčinou byla nevhodná volba (např. GP, vertkální smyčka) a nevhodná konstrukce antény (včetně polarizace).

4. Úvahu jsem zveřejnil jako první článek k tématickému celku, který chci věnovat DX anténám instalovaným ve stísněných prostorách menších zahrad. Na tuto úvahu se budu rovněž odvolávat např. při srovnávání vertikálních dipólů systému GAP. Např. anténa GAP Titan používá v původním provedení na pásmu 40 m protiváhu typu C (podle mého značení v tomto článku). Antény GAP považuji za velice zdařilé antény, které posunuly možnosti hamů, kteří mají limitovaný prostor montáže k DX komunikaci.