Popis návrhu třípásmového dvouelementového minibeamu 10/15/20

V tomto článku chci ukázat, že třípásmový minibeam nemusí být až taková tragédie, a to ani z pohledu realizovatelnosti, účinnosti, zisku, F/B poměru či přizpůsobení. Proto jsou malé yagi antény mezi hamy stále oblíbené. Měl jsem možnost vidět a vyzkoušet si preferovanou MA5B od Cushcraft (má 2 elementy a dipól 12/17m). Líbila se. Také jsem měl možnost vidět technicky zajímavou G4MH a rozšířenou drátěnou HEXABEAM na laminátových tyčích. Mým favoritem je MA5B, ale o tom tento článek není. Chtěl jsem si vyzkoušet a ukázat, že návrh třípásmového a dvouelementového minibeamu lze udělat jen a pouze s free verzí programu MMANA a prototyp lze vyrobit ze snadno dostupného materiálu. Abych dosáhl výsledků, od začátku jsem dodržoval pár důležitých zásad a o tom je tento článek.

Návrh antény využívá numerických optimalizačních možností programu MMANA. Pro návrháře začátečníka nejsou až tak důležité pro vlastní návrh antény, spíš pro dotvoření představy o jejích vlastnostech.

Jak začít?

U dvouprvkového trapovaného tribanderu se musíme smířit s mnoha kompromisy. Uvažuji o výšce montáže H jen ve 12m. Moje úvahy jsou následující:
a) Pro pásmo 10m bude anténa v plných rozměrech, ale nebude optimalizovaná na maximální zisk nebo F/B. Mým cílem bude její přijatelné přizpůsobení ke svorkové impedanci 50 Ohmů.
b) Pro pásmo 20m se budu snažit o její zkrácení, ale při zachování dobrých parametrů zisku, F/B a přizpůsobení. Proto chci oželet větší šířku pásma a anténu navrhnout pro práci kolem kmitočtů pro digimódy.
c) Pro pásmo 20m se anténu pokusíme navrhnout jako přijatelně přizpůsobenou a oželím nejlepší F/B, to už bych nepřizpůsobil k impedanci 50 Ohmů.
d) Na pásmu 15m bych chtěl docílit obdobných vlastností, kterých dosahuje např. hexabeam.

Stanovení základních rozměrů

Trapy

Měl bych začít psát o vlastnostech trapů. Těm však chci věnovat samostatný článek, alespoň v rozsahu, jaký jsem věnoval balunům. Zde uvedu jen základní parametry. Trapy jsem vinul vodičem Rudolf Pack GmbH o průměru 1.6 mm na plastovou kostru.

Hodnoty L a C uvádím v této tabulce:

Optimalizace geometrických rozměrů

1. Stanovení rozteče L INT mezi dipólem (driven element) a reflektorem jsem provedl tak, že jsem na všech třech pásmech (10/15/20) pro krok 10cm hodnoty L INT v rozsahu od 1.3m (lambda/8 na 10m) do 3m (více než lambda/8 na 20m)  optimalizoval rozměry obou prvků pro dosažení nejlepšího poměru F/B, zkoumal hodnoty impedancí a hledal kompromis. Ten jsem zvolil na hodnotě L INT = 2 m, je to o něco více než lambda/8 na 15m a méně (necelá 0.1 lambda) na 20m. S takovou vzdáleností lze ještě realizovat na 20m ve výšce 12m F/B lepší než 10 dB. Základní zjednodušené schéma pro toto modelování je:

a výsledkem je pouze nalezení kompromisní hodnoty L INT.

Poznámka: Kdo má zkušenosti s návrhem trapovaných tribanderů, určitě by L INT nalezl intuitivně. Kdo má menší zkušenosti. Kdo nemá dokonalé zkušenosti, snadno udělá chybičku a navrhne L INT na zbytečně velkou hodnotu. Sice mu bezpečně bude fungovat pásmo 20m, ale nedocílí potřebných parametrů F/B na 15m a 10m. Jiným řešením je "okopírovat" tento parametr z obdobně fungujících antén. Většinou však nevíme, o jaký kompromis se konstruktér snažil. Často používaná hodnota L INT u známých konstrukcí je L INT kolem 2 metrů.

2. Stanovení rozměrů pro pásmo 10m jsem provedl podle tohoto schématu. Volil jsem trubky AL o vnějším průměru 28 mm. To proto, že jsem chtěl, aby anténa byla širokopásmová, s plošším průběhem VSWR a dostatečně mechanicky tuhá. Měl jsem však ještě dva důvody - na výrobu balunů používám plastovou trubku s vnějším průměrem 32 mm. Tento rozměr je pro plastové trubky obvyklý a dovnitř lze zasunout AL trubka o uvedeném průměru. Pro plastovou trubku uvedených rozměrů se však vyrábějí potrubní spojky, na které lze vinout trapy a se spojkama lze po trubce posouvat. Tím lze snadno ladit geometrii antény.

Pro L INT = 2m pro průměr 28mm mi vyhovovaly rozměry L DE = 4.3 m a L R = 5.0 m. Oba prvky byly proti optimálnímu výpočtu zkráceny, protože L DE je prodloužena při návrhu o celkem 250 mm napájecího žebříčku k balunu a délku L R lze prodloužit vodičem k trapu pro 10m.

3. Celkové schéma antény je na tomto obrázku

Na obrázku vidíte všechny důležité díly antény, kterými se nastavuje její geometrie.

a) Základem jsou prvky v nekrácených rozměrech pro 10m band.
b) Modře jsou označené rezonanční délky pro pásmo 15 mterů. Trapy 15m jsou popsány modře.
c) Oranžově jsou označené rezonanční délky pro pásmo 20m. Na reflektoru je tato rezonanční délka ještě prodloužena indukčností L R 20m o hodnotě cca 1.2 - 1.5 mikroHenry. V mém případě přesně L = 1.4 mikroH. Touto indukčností se snadno ladí ještě přijatelné F/B a VSWR na 20m.

Poznámky: Ono se u této antény obecně všechno snadno ladí. Na 10 m je dost široká a obvykle není třeba ladit nic. Na pásmu 15m se snadno ladí pomocí modrých vodičů. Proti AL trubkám, které mají mnohem větší kapacitu, je ladění s tenoučkými dráty málo citlivé na délku a s trapy lze snadno posouvat z jedné polohy do jiné. Lze tak snadno nastavit potřebné F/B i VSWR. Plastové trubky jsou dlouhé u DE 1m a u R 0.88 metru. Rozpětí DE je jen 6.3 metru a rozpětí R je 6.76 m.

Vyzařování

V diagramech je uvedeno vyzařování na základních pracovních kmitočtech:

Všimněte si, že diagramy jsou docela hezké, žádná trága. Uvedu ještě srovnání vyzařování s jinými typy antén. Na pásmu 20m jsem srovnával s dvouprvkovým optimalizovaným monobanderem a s oblíbeným hexabeamem:

Všimněte si, že monobander, který je podstatně větší, má stejný zisk, ale lepší F/B. Toho jsem docílil tím, že jsem použil pro konstrukci podstatné části trubku velkého průměru a pro konstrukci koncové části tenkého vodiče. Zisk je stejný a je to taková moje hříčka s pravdou a mýty o zkracování = ztrátování. Ano, "zaztrátoval jsem si", trapy mají indukčnosti, ale také jsem pomocí tenkých a dobře vodivých lanek (malá kapacita) délku prodlužoval. Proto se mi zisk "vrátil" na hodnotu robustního monobanderu. Klesla však šířka pásma a kvůli přizpůsobení jsem musel jít do kompromisu s F/B. Všimněte si, že hexabeam má nepatrně menší zisk, ale dobrý F/B. Je to také dáno tím, že zářič hexabeamu je přeci jenom proti dalším srovnávaným anténám výš.

Ještě uvedu srovnání vyzařování na hexabeamu a mého minibeamu na 15m a výsledky není třeba komentovat. Minibeam jsem optimalizoval pro pásmo 15m. a principy, které jsem použil, jsem už popsal.

Průběhy VSWR a rozložení proudů v prvcích

Vlevo je rozložení proudů ve vodičích na pásmu 10m, vpravo je rozložení na pásmu 20m. U antény této konstrukce se zásadně nenastavuje na pracovních kmitočtech VSWR = 1. To bychom šli s F/B do pryč. Při správném nastavení se výpočtová hodnota VSWR pohybuje od cca 1.2 do 1.5. Změřené hodnoty pro navržené F/B jsou příznivější (to je dáno skutečnými vlastnostmi země a jejím modelem MININEC) a pohybují se od 1.08 do max 1.4.

Co s tím?

Přestože si o sobě myslím, že mám asi 35 leté zkušenosti s navrhováním antén, nedokázal bych bez modelování a numerické optimalizace rozhodujících geometrických délek jen na základě zkušeností kvantifikovat jednotlivé parametry, jako je šířka pásma pro přizpůsobení lepší než VSWR = 1.5, zisk a předozadní poměr F/B na jednotlivých kmitočtech. Proto první prototyp měl lepší parametry, než jsem pro H =12m předpokládal. Dokonce i výška H = 12m byla poměrně bezpečná. Šel jsem tedy do druhého, ještě odvážnějšího řešení. Navrhl jsem trapovaný dvouprvkový minibeam pro výšku instalace H jen H=10 metrů, s rozpětím reflektoru/driven elementu jen 5.2 m/4.3 metru a vzdáleností mezi prvky L INT = 1.95 metru (ráhno 2.0 m).

Schéma finální antény se základními rozměry

Mechanické provedení prototypu

Trapy jsou opět nasunuté na plastové trubce o průměru 32 mm, oba dva jsou těsně za sebou (délka jen asi 200 mm), indukčnost pro pásmo 20m byla vynechána. Ladicí kapacitní konce délek 1.1m, 1.04m, 0.54m a 0.52 metru jsou vyrobeny z hliníkové trubky o průměru 10mm. Jsou připojené Cu jumperem s kabelovými očky M4 přímo na svorky trapů. Jejich ladění však není až tak necitlivé, jako u předchozí varianty antény a na rozměrech záleží!

Konstrukční detaily, které jsem použil při ověřování prototypu
 

Vyzařování

Protože jsem snížil výšku montáže o 2 metry a současně zmenšil podstatně rozpětí antény, zhoršilo se vyzařování hlavně na pásmu 20m. I tak nás stále ještě anténa překvapí svými vlastnostmi. Pro informaci uvádím její vyzařování (modré křivky) s předchozí variantou (červené křivky) na všech pásmech:

Přizpůsobení

Minibeam v této verzi je již na hraně s kompromisem mezi F/B a přizpůsobením. Uvádím zde průběhy VSWR pro všechna pásma:

Obrázky jsem ponechal veliké, abych vás mohl upozornit na důležité detaily, všimněte si jich:

1. V pásmu 10m je průběh VSWR plochý. Anténa je nezkrácená a vyrobená z trubek o průměru 28 mm.
2. V pásmu 15m je minimum VSWR na kmitočtu cca 21.15 MHz. Tato hodnota je správná. Anténa je zkracovaná, optimalizovaná pro dobrý zisk i F/B a těchto parametrů dosáhne na kmitočtu 21.076 MHz. Bohužel, kompromisem je, že VSWR = 1.5. Tato hodnota mému vysílači nevadí. Pokud bych však naladil anténu tak, aby VSWR bylo např. VSWR = 1.1 na 21.076, což samozřejmě lze, anténa by měla mnohem horší F/B.
3. Ještě markantnější je situace na pásmu 20m. Průběh VSWR je plochý na horním konci pásma, ale vyzařování tam není dobré. Na začátku pásma jde VSWR velice strmě nahoru. To je dáno geometrií antény. Proto opět kompromis. Na kmitočtu 14.076 MHz je VSWR = 1.5 a ještě přijatelný zisk. Přesto je zisk o celé 3 dB menší proti předchozí variantě montované o 2m výš.

Poznámka: Můj kompromis tedy spočívá v tom, že pro nejlepší dosažitelný F/B jsem oželel dobré VSWR a tento parametr jsem pevně stanovil jako VSWR=1.5 na dvou pásmech. Měřením se ukázalo, že skutečné VSWR u reálné a správně nastavené antény bylo o něco lepší a bylo cca VSWR=1.4, ale i to je, myslím, pro program MMANA a MININEC engine typické, pokud modelujeme v nepříliš nízkých výškách.

Průběhy proudů

Na následujících třech obrázcích jsou znázorněné průběhy proudů v jednotlivých prvcích. Z průběhů proudů jednak vidíte, jak se prvek podílí na vyzařování a také vidíte, které prvky se uplatňují na daném pásmu. Já měřením proudů kontroluji, zda je anténa zdravá a také, zda se chová stejně, jako její NEC model.
Poznámka: Tyto obrázky jsou ilustrativní. Pro měření antény a její nastavení pomocí proudů jsem použil tabulkovou interpretaci hodnot proudů z engine NEC-2. Takový postup mám léty ověřený.

Na pásmu 10m tečou proudy až k trapům, u trapů jsou proudy malé a je tam kmitna napětí.

Na pásmu 15 metrů tečou proudy skrz první trap až do svislých kapacitních tyčí, na jejichž konci je kmitna napětí. Anténa se ladí v pásmu 15m délkou svislých tyčí.

V pásmu 20 metrů tečou proudy skrz oba trapy až do vodorovných kapacitních tyčí. Anténa se v pásmu 20m ladí délkou vodorovných tyčí.

Závěr

Mým cílem bylo vyzkoušet několik zásad a navrhnout tribander v provedení mini pouze s free verzí programu MMANA a jeho numerickými možnostmi. Jde to. Zároveň jsem ukázal, co všechno bylo třeba při takovém návrhu udělat.

Finální anténu jsem si ponechal pro svou potřebu a pro různá srovnávací měření. Anténa nebude vyráběna pro trh a ani nabízena v e-shopu, protože na trhu jsou k dispozici dobré výrobky od firmy Cushcraft a náš český trh je pro zahájení seriózní výroby za rozumnou cenu maličký. Na místě je tedy otázka, proč jsem tohle vše dělal. Prostě chci mít na určitou věc svůj vlastní názor i svou osobní zkušenost. Nemám rád tvrzení "rádoby zkušených hamů", že to nemůže fungovat nebo že to funguje špatně, že to funguje hůř než dipól, že to má obrovské ztráty, atd. To všechno jsou mýty, které lze vyvrátit vlastním měřením, vlastní zkušeností. Samozřejmě, že dvouelementové monobandery jsou lepší. Ale jsou rozměrné. Není však pravda, že např. rotační půlvlnný dipól musí být lepší, než lehký, zkracovaný dvouprvkový tribander v provedení mini. Druhým cílem, proč jsem tohle dělal byla skutečnost, že jsem chtěl hamům ukázat na návrhu a výrobě prototypu, jak lze improvizovat s amatérsky dostupnými prostředky při bastlení, a to od jednoduchého SW, až po trubky a dráty.

Anténa není navržena zcela optimálně. Pokud bych ji musel zařadit do výrobního programu, určitě bych nešel do plnorozměrné yagi na 10m a zkrátil bych jí také indukčností poblíž konců prvků.

Zásadní nevýhoda zde popsané antény je její citlivost na nastavení ladicích tyčí. Měřením jsem zjistil, že lze nastavit pro max. VSWR=1.5 velmi hezký poměr F/B i při malé výšce montáže.

Anténa je určená pro montáž na trubkový stožár s výškou H=10m nebo na trubkový stožárek ve výšce cca 2 metry nad střechou 8m vysokého domu. Otáčení antény lze realizovat malým TV rotátorem. Pro dům s výškou střechy v 8 metrech (komín 9m) mám připravenou zajímavější anténu s podstatně lepšími parametry.