Fázování vertikálů 4

další info >>>>

Obsah

Fázování vertikálů, část čtvrtá, vertikály fázované pomocí symetrického vedení a kapacit C1 a C2 a pomocí LC fázovače

Všeobecně

O tom, jakého výsledku chceme fázováním vertikálů dosáhnout, jsem psal v prvním článku o fázování vertikálů. Tento článek popisuje jednoduché řešení podle ok1ufc, logickou úvahu o tom, jak vzniklo a příklad realizace fázovaných vertikálů na pásmu 40 metrů. Řešení je porovnáno se známou metodou fázování podle OK1ZN, kterou jsem viděl popsanou ve sborníku Holice 2002. Pro porovnání jsou použité stejné vertikály, stejná konfigurace i stejné zemní systémy.

Referenční vertikál

U všech logických úvah, které jsem v sérii souvisejících článků o fázování vertikálů uvedl, byl pro srovnávání použit tzv. referenční vertikál. Za ten byl považován čtvrtvlnný zářič (délky asi 10m, jX=0)) z trubky AL o průměru 40 mm, napájený v patě (způsob použitý např. u antény Compact 80/40/30 - viz foto na konci). Pro účely fázování vertikálů pomocí žebříčku PCV-570-84 a kapacit C1 a C2 je za referenční vertikál považovaný rovněž čtvrtvlnný vertikální zářič ze stejné trubky, také napájený v patě, ale žebříčkem dlouhým asi 5m, vedeným nízko nad zemí. Oba referenční vertikály vyzařují přibližně stejně.

Schéma referenčního vertikálu

Referenční vertikál napájený žebříčkem má v místě napájení impedanci asi 90 Ohmů. Žebříček PCV-570-84 transformuje impedanci směrem k vyšším hodnotám a sériový kondenzátor nám kompenzuje jalovou složku.

Vyzařování referenčního vertikálu

Referenční vertikál vyzařuje téměř stejně, jako vertikál napájený v patě. Match loss ztráty nejsou významné. Pokud je sériovou kapacitou v místě napájení provedena kompenzace jalové induktivní složky žebříčku na jX=0, má vertikál v místě napájení impedanci Z = asi 90 Ohmů. Tuto hodnotu musíme brát s rezervou, zahrnuje ztráty zemního systému radiálů, které jsem použil ve všech početních úvahách o fázování vertikálů stejné, aby bylo možné porovnávat výsledky.

Pozor - nezaměňovat impedanci v místě napájení s vyzařovacím odporem antény! Toto bývá častá chyba různých "odborníků" na antény, byla několikrát publikována i v zahraničních časopisech a je to ta největší pí?ovina, kterou jsem viděl. Vyzařovací odpor obou referenčních vertikálů je stejný!!!

Srovnání referenčních vertikálů

Oba vertikály vyzařují přibližně stejně. Zisk vertikálu napájeného žebříčkem je o tzv. match loss ztráty nižší (cca 0.3 dB) a vyzařování žebříčku.

Prosté paralelní spojení dvou vertikálů

Paralelně lze spojit dva vertikály napájené žebříčkem. Jejich vzdálenost může být 10 metrů (2 x délka žebříčku). Jedinou sériovou kapacitou lze vykompenzovat induktivní charakter napáječe. Také nám při paralelním spojení klesne impedance v místě napájení:

Impedance spadla k hodnotě 50 Ohmů, vyzařování takto spojené soustavy je bidirektivní (ale jen málo) a zisk v hlavním směru vyzařování je jen asi o 1.5 dB vyšší proti jednomu vertikálu. Jalovou složku soustavy snadno kompenzujeme kapacitou v místě napájení, a to pomocí kapacit C1 a C2. Jemným laděním obou kapacit lze soustavu snadno fázovat. Lze ji fázovat dokonce tak, že se nám může zadařit optimální fázování obou zadních laloků!

Schéma fázované soustavy

Kondenzátory C1 a C2 spolu s fázovacím vedením k vertikálům jsou schopné optimálně fázovat soustavu dvou vertikálů.

Výsledky optimalizace

Pomocí popsané metody lze docílit minimalizace nejnižšího zadního laloku při jednom nastavení, či minimalizace obou zadních laloků na nejlepší F/B. Oba výsledky modelované v MMANA uvádím zde:

Červená čára nám ukazuje krásné minimum na nejnižších úhlech zezadu. Prakticky ji nikdy nedocílíme např. nastavováním při příjmu, protože prakticky neznáme, pod jakým úhlem dopadají na soustavu vzdálené signály z nežádoucího směru. Dokážeme však ty nežádoucí signály prostým laděním 2 prvků potlačit.

Postup při rychlém modelování

Při návrhu této soustavy potřebujeme znát celou řadu věcí. Jednak, zda ji lze vůbec optimalizovat podle F/B. Vždy zkouším, zda docílím při reálném nastavení obou diagramů z předchozího obrázku. To vůbec nemusí být pravidlem a ani zřejmou věcí, pokud si to nevyřešíme. Pokud má však soustava k optimalizaci alespoň základní předpoklady, podaří se nám dosíci minimalizace jednoho nebo optimalizace obou zadních laloků. Program MMANA je pro rychlou orientaci v této možnosti vhodný.

Krok č. 1 (po namodelování a ověření soustavy) - Nastavení úhlů v zadním směru vyzařování. Pokud minimalizujeme první (nejnižší) zadní lalok, nastavíme úhel malý, např. 10° a pokud oba laloky, nastavíme 80°nebo 90°, a to tady v tomto menu:

Krok č. 2 - Nastavení co optimalizujeme a čím to optimalizujeme

Optimalizujeme F/B a děláme to pomocí reaktancí C1 a C2 - viz schéma. Výsledné hodnoty jsou v oválcích vpravo. Protože pracujeme s funkcí více proměnných, výsledek kontrolujeme naším okem na vyzařovacím diagramu, nejsou to zrovna nejlepší předpoklady pro konvergenci takového numerického řešení do toho potřebného lokálního maxima (hledáme maximum F/B u dost složité funkce numerickou metodou). Proto považuji za důležité uvést několik základních věcí. Tou první je trpělivost. Metoda nemusí napoprvé konvergovat. Zejména, když řešíme soustavu na úplně jiném pásmu, úplně s jinou geometrií a jiným zemním systémem. Proto je dobré metodu se nejdříve naučit prakticky zvládnout v podmínkách, kde konverguje slušně. Jedině takto získáme určitý cvik, jak omezit např. maximální hodnoty kapacit C1 a C2 (v příkladu jsem to udělal na 120 pF, protože moje kondíky stejně větší kapacitu nemají). Důležitý je také krok, se kterým kapacitu měníme. Já jsem nastavil hodnotu 0.1 pF. Zkušenost mi říká, že s tímto krokem moje hledané optimum program tak snadno nepřejede, atd.

Vliv kapacit C1 a C2 (ladění soustavy) na vyzařovací diagramy soustavy

Závěr Na obrázku vpravo uvádím znovu výsledek optimalizace, ten na papíře a zdůrazním hlavní parametry. Nejsou podstatné ani absolutní hodnoty zisku či F/B. Ty jste pochopili již z předchozích článků a předpokladů. Nepoužil jsem pro modelování žádnou "perfect" ground. Opravdu reálnou zem. Tomu odpovídá zisk. Nevytahuji zde ani ohromující hodnoty F/B, tak, jak to dělají někteří autoři. Víme, jak to s těmi laloky je. Ale zdůrazňuji zde, že popsanou metodou se dá minimalizovat spodní zadní lalok nebo oba zadní laloky (tomu odpovídá obrázek vpravo). Optimalizace vertikálů má různá úskalí. Proto znovu odkazuji na práce ON4UN, W1MK, ON6WU, K2BT, W7EL a popisuji rovněž svou metodu, která má také své úskalí. Právě o těch úskalích, stejně tak o tom, jak jsem to dělal prakticky, u anténní soustavy, budou další články k problematice fázování vertikálů. V rámci objektivity uvádím ještě srovnání s prostým LC fázovačem. Je na obrázku dole.

LC fázovač, pro který byl stejnou metodou vypočten diagram vyzařování umožňoval měnit fázi a magnitudu do jednoho z vertikálů. Není však možné nastavovat fázi a magnitudu nezávisle. Nejlepší výsledek není až tak špatný! Lalok 1 je sice o 3 dB větší než u metody s fázovacím žebříčkem, ale lalok 2 je potlačen o cca 4 až 5 dB proti druhé metodě. Ruku na srdce - budou nás rušit více slabé stanice z opačného směru nebo otravné stanice, které perou vysoké výkony do nízkých NVIS antén?
Jednoduchý fázovač vypadá jako ten na schématu vpravo. Výsledku v našem příkladu fázování pro pásmo 40 metrů dosáhl s hodnotami L=1.12 mikroHenry a C= 288 pF. Princip fázovače popsal OK1ZN ve Sborníku Holice 2002 na straně 32, obr. 10 a vyzařovací diagram (výsledek) byl uveden na obr. 11. Tak hezkého výsledku fázování se mi sice nikdy nepovedlo docílit ani numerickým modelováním a nikdy ani v praxi, ale popsaný princip funguje. Pro napájení vertikálů lze použít koaxiálních kabelů délky lambda/4, pokud je fázovač mezi vertikály, hodnota VSWR před fázovačem byla asi VSWR =1.8, což je hodnota taková, která nám vrásky ze ztráty na koaxu vlivem VSWR dělat nebude, ale pro koncový stupeň můžeme impedanci přizpůsobit L článkem nebo aut. tunerem.
Osobně jsem prostý LC fázovač nezavrhl a finální závěr si dovolím udělat po preciznějších zkouškách různých metod fázování 2 vertikálů v roce 2016.