Jak lze nastavovat QUAD s využitím principů vzájemných impedancí prvků

Všeobecně

Pro nastavování quadu také známe několik metod, které nás dovedou k cíli. Ani u této antény nás však zpravidla nedovede k cíli bezhlavé "štelování" všech možných prvků na nejlepší VSWR. Na příkladu jednopásmového dvouelementového quadu ukážu jeho postup nastavování.

Princip metody

Zde popsaná metoda využívá principu tzv. vzájemné impedance prvků. O tom, co to je za veličinu, píšu v tomto článku. A také tam uvádím, že exaktní výpočet je složitý. Nicméně, jednoduchý na pochopení je princip vzájemné impedance a jednoduché je jeho praktické uplatnění při nastavování antény, která se klasicky nastavuje obtížně a často nás nedovedou k cíli ani empirické metody, které jsou uváděné v literatuře jako zaručeně dobré.

Pro naše praktické použití  na quadu (nebo jiné vhodné anténě) nám stačí vědět, že impedance, kterou naměříme dostatečně přesnou metodou (např. dobrým analyzátorem) na svorkách zářiče quadu bude rozdílná v okamžiku měření na dobře nastaveném quadu a rozdílná v okamžiku, kdy u quadu rozpojíme reflektor. Je to dáno tím, že v prvním případě měříme vlastní a vzájemnou impedanci zářiče a ve druhém případě měříme vlastní impedanci (při rozpojeném reflektoru). Pro ilustraci zde uvedu proudy, které tečou prvky quadu, když je quad zapojený a také průběhy proudů při rozpojeném reflektoru a rozpojeném zářiči (jednotlivé případy zleva doprava):

Podmínkou použití této metody je, aby u antény (nebo anténní soustavy) po rozpojení klesly proudy v rozpojeném prvku na zanedbatelnou úroveň.

Postup při nastavování

Předpokládejme, že známe jmenovitou hodnotu impedance celého quadu na jeho pracovní frekvenci a v jeho jmenovité výšce instalace.
Poznámky: Pro uvedený (zapojený) quad je f=21.076 MHz, Z= 100 Ohm, H=15m. Vlastní rezonance zářiče je 22.120 MHz a vlastní rezonance reflektoru je 21.117 MHz  (obě stanovené při rozpojeném druhém prvku). Všimněte si, že vlastní a vzájemné impedance nejsou stejné. Kdyby měly být, asi bych o tom nepsal, hi.

Principu vzájemné impedance využijeme takto:

1) Rozpojíme reflektor a změříme analyzátorem vlastní rezonanci zářiče, tj. stanovíme R při jX=0 a kmitočet, kde zářič rezonuje. Pokud nám rezonanční kmitočet nesedí, upravíme ho změnou délky zářiče (nikoliv roztečí mezi prvky).
2) Rozpojíme zářič a změříme analyzátorem vlastní rezonanci reflektoru, tj. opět stanovíme R při jX=0 a kmitočet, kdy reflektor rezonuje při rozpojeném zářiči. Pokud rezonance nesedí, opět ji upravíme změnou délky vodiče reflektoru.

Na následujících obrázcích uvádím hodnoty impedancí zářiče a reflektoru při rozpojeném druhém prvku. A také vyzařovací diagramy obou smyček. První je zářič, druhý je reflektor:

Všimněte si, že vyzařování obou smyček je podobné.

Rezonanční kmitočet zářiče je 22.120 MHz. Leží tedy nad pracovním kmitočtem soustavy obou prvků. V rezonanci má smyčka impedanci přibližně R = 110 Ohmů.
Rezonanční kmitočet reflektoru leží u této antény rovněž nepatrně nad kmitočtem soustavy, f= 21.117 MHz. V rezonanci má smyčka impedanci přibližně R = 116 Ohmů.

Teoretické vyzařování quadu je uvedené na obrázku níže. Quad byl navržen na kmitočet 21.076 MHz a výšku montáže H=15 metrů. Hodnota vzájemné impedance dvouprvkové antény v místě napájení je Z = 98 + j2 Ohmů.

Prakticky dosažitelné výsledky

Uvedenou metodou, při které využíváme vlivu vzájemné impedance prvků se nejlépe přiblížíme k teoretickému vyzařovacímu diagramu. Pokud následně uplatníme metodu nastavování na nejlepší F/B, může se nám podařit nalézt minimum, ale vylezou nám postranní laloky. Na diagramu dole je modře znázorněné nastavení na F/B. Různé příklady neoptimálního nastavení uvádím zde:

Závěr

Metoda nastavování, která využívá vlivu vzájemných impedancí, patří rovněž mezi metody známé před druhou světovou válkou. Pro quad je velice jednoduchá. Co pro její aplikaci potřebujeme? Potřebujeme mít zvládnutou metodu přesného měření impedancí drátových smyček. A potřebujeme znát hodnoty jejich vlastních impedancí při ostatních smyčkách rozpojených. V tomto případě jsme použili reálné hodnoty impedancí na rezonančním kmitočtu prvků. Tyto parametry lze získat z přesného modelu antény v NEC nebo odměřením na referenčním prototypu, montovaném do navrhované výšky.

Poznámky:
1) Popisovaný quad byl navržen na jmenovitou impedanci v místě napájení Z= 100 Ohmů, jX=0 při rezonanci na kmitočtu 21.076 MHz, H=15 metrů
2) Quad byl navržen pro použití s balunem 1:2
3) Quad lze přizpůsobit tzv. GAMA match přizpůsobením. Postup nastavování quadu je stejný, jako uvedený. Tj. nastaví se samostatně obě smyčky. Potom se překontroluje měřením impedance v místě napájení. Reálná složka impedance se přizpůsobí nastavením odbočky GAMA matche a induktivní složka se vykompenzuje sériovou kapacitou GAMA matche. Zásadně se tedy neprovádí nějaké chaotické "štelování", protože takový postup nás většinou přiblíží k rotačnímu dipólu.