V předchozích článcích k tématu modelování antén, resp. k věrohodnosti jednoduchých modelů jsem ukázal, že existuje shoda u dobrého, leč jednoduchého modelu antény s naměřeným výsledkem. Ukázal jsem také, že to platí i u středně složitých antén, jako je pětipásmový dvouelementový QUAD. A platnost byla prokázána i u antény, která příliš nesplňuje ideální požadavky metody NEC, tj. u antény s rozdílně tlustými, případně šikmými prvky (Jungle Job). Proto nepovažujte za troufalost či dokonce drzost, když budu srovnávat jednoduchý model 8 prvkové logaritmicko-periodické antény se skutečností.

Schéma antény

Tuto anténu jsem vyrobil v několika malých sériích.

Úvod do problematiky

Mým cílem bylo dodávat anténu, která bude nejenom vyzařovat tak, jak bylo vypočteno ve vyzařovacích diagramech. Potřeboval jsem nabídnout hamům anténu, kterou když smontují podle manuálu a nainstalují ji na stožár, tak obdrží anténu přizpůsobenou. Kdo se věnoval teorii a praxi LPDA antén, tak se setkal s pojmem tzv. anomálních rezonancí. S těmi se každý konstruktér musí vypořádat. Existuje více metod, které vedou k cíli a které konstruktéři přede mnou použili:

- lze vhodně volit parametry TAU a SIGMA - vyrobíte monstrum, např. 12 až 20 elementové, delší než 10 metrů, které bude spolehlivě fungovat; taková monstra se běžně vyrábějí a prodávají

- lze použít transformační vedení s vysokou impedancí. Antény s drátovým transformačním vedením jsou rozšířené a nějak fungují, ale již u drátových antén jsem psal, proč dělám z jednoho kusu drátu zářič i žebřík; u 12-ti dipólů na takové anténě musíme použít 24 svorek (nebo i více) na fázovacím vedení a budeme se trápit se ztrátami. Symetrické vedení nám navíc nejde volným prostorem, ale je kolem ráhna. To je nejlepší cesta, aby na takovém vedení byly různé impedanční skoky. S ohledem na impedanci takového vedení zpravidla musíme použít balunu pro vysoké výkony k transformaci impedancí (obvykle 1:4). Nicméně, kontrukce takové antény je řešitelná.

- použiji u všech antén k částečné kompenzaci zkratovací pahýl; to oprvadu funguje.

Můžete ovšem použít úplně odlišnou metodu a zcela odlišnou konstrukci LPDA - použít anténu odvážně navrženou, např. ta moje byla s parametry TAU=0.87 a SIGMA=0.05. Taková anténa má pro DX komunikaci ještě přijatelné parametry. Jedná se o anténu střední velikosti o délce 5.2 metru. U této antény byla konstrukčně vyřešena tato problematika:

- transformační symetrické vedení je dokonalé, nízkoztrátové, s přesně definovanou impedancí, která je několika unikátními konstručními detaily vyrovnaná.

- transformační vedení tvoří mechanicky pevné ráhno. Moje ráhno je svařované konstrukce se zavařenými pouzdry.

- prvky jsou v posledních sériích nenastavitelné, s pevnou délkou prvků, dlouhé prvky jsou vyvazované

- ke kompenzaci anomálních rezonancí je použit zkratovaný pahýl. Ještě série MK2 byla dodávána s více pahýly. Volba délky pahýlu byla jediná metoda k nastavení parametrů antény. Poslední série MK4 je dodávána s jediným, z výroby nastaveným pahýlem.

Modelování

Vypočítat vyzařování takové antény není problém a zvládne ho většina modelů. Vypočtené a naměřené charakteristiky jsem publikoval dříve. Nejsou však pro dnešní cvičení důležité. Snad stojí za zmínku teoretický model, který se dělá bez fázovacích vedení. U teoretického modelu se napájí každý dipól vlastním zdrojem (s definovaným proudem a fáz. posunem). Teoretický model slouží k výpočtu teoretických vyzařovacích charakteristik. Získáme tak vědomí o tom, čeho lze s anténou maximálně dosáhnout. Pro reálnou anténu potřebujeme model, který nám vypočte celou řadu skutečných charakteristik, které takovou anténu popisují. V našem případě chceme, aby model spočítal skutečné vyzařovací diagramy a také přesně průběh impedancí. Kdo znáte program MMANA s MININEC enginem, tak víte, že v demoverzích nejsou žádné kolonky na zadávání hranatých vodičů (jeklů), nejsou tam žádné kolonky na zadávání oxidovaných kysličníkových povrchů na hliníku AL 6063, nejsou tam žádné algoritmy na výpočty symetrických vedení z jeklů, prostě nic....Použití preprocessingu pro všechny tyto parametry je nezbytné.

Výpočet anomálních rezonancí a průběhu VSWR

Nicméně, ukážu, že to jde i v tom nejjednodušším, co je zcela zadarmo, tj. metodou MININEC v programu MMANA lze anomální rezonance vypočítat. Použil jsem svého preprocesingu na všechny detaily antény, tj. na reálný průměr prvků, reálné rozměry ráhna z jeklů, reálnou impedanci pahýlu vyrobeného z žebříčku PCV-570-84 a reálných dalších geometrických parametrů (vyvazovací stožárky, přesahy v pouzdrech, průhyb prvků). Očekával jsem, aby v bodech, kde bude vypočtené VSWR=2, tak bude naměřené také VSWR=2 a nikoliv např. 3. Také jsem očekával, že když bude vypočtená anomální rezonance na kmitočtu 19 MHz, tak nebude naměřená na 21 MHz a ani na 18.15 MHz. To už je troufalost, že? Je. Jak to dopadlo?

Vypočteno:

Naměřeno (ve více případech, nikoliv jen mnou):

Nějaký závěr

Dobrý jednoduchý model, který respektoval geometrii všech komponentů, zejména ráhna (jekl, nikoliv trubka), stožárků a koaxiálního napáječe se naprosto shoduje v hodnotách anomálních rezonancí (cca 19 a 25 MHz) i v maximálních hodnotách VSWR, kdy vypočteno bylo na 19 MHz VSWR=2.6, změřeno bylo VSWR=2.0 až 2.5, podle výšky montáže a zasvinění elektromagnetické zóny a na 25 MHz bylo VSWR=1.8 (vypočtené) a VSWR=1.6-1.8 (změřené).

Osobně se domnívám, že tohle je "vyšší dívčí" v modelování antén. Přesný konstrukční model byl v PC propojen složitější referenční vazbou na jednoduchý drátěný model, který byl optimalizován metodou MININEC. A bylo prokázáno měřením, že vypočtené a naměřené výsledky se shodují.

Občas odpovídám na dotazy, jak správně navrhovat fázovací vedení antém, které pracují na obdobném principu (nejen LPDA, ale např. HB9CV). Bohužel, nemám k dispozici nějaké empirické algebraické vzorce na výpočet, i když, myslím, by se daly někde najít. Odkazuji však na metodu NEC (MININEC) a modelování antény. Tudy vede cesta k cíli.

Poznámky

1. U popisované antény byla prokázána shoda měřením u vyzařovacích diagramů, u magnitud proudů v prvcích i v průběhu impedancí na napájecích svorkách.  Průběh VSWR a nalezení anomálních rezonancí je již jen praktická a grafická demonstrace výsledku.

73's Míra, ok1ufc

© 2013 Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 12.01.2014