Od principu "open sleeve" k transformátorové vazbě

Před nedávnem jsem napsal článek, ve kterém jsem popisoval postup při návrhu a vývoji vícepásmového vertikálu. Ve finální verzi popsaný vertikál je 7 pásmový (od 40 m do 10 m) a má vynikající vlastnosti. Při konstrukci je použitou pouze několika málo principů (základní zářič je napájený bočníkem, pro pásmo 40 m je čtvrtvlnný, pro ostatní pásma jsou použité půlvlnné zářiče, které jsou nezkracované, s výjimkou pásma 30m), řešení antény je technicky čisté. Článek vyvolal diskuzi, na některé dotazy jsem odpověděl, ale princip "open sleeve" popisuji ještě zde, pro aplikaci u horizontálních dipólů.

Princip open sleeve

Způsob buzení dalších rezonátorů antény, který je znám pod názvem open sleeve, využívá principu, který se nazývá principem vzájemných impedancí antény. Protože se jedná o jeden z nejdůležitějších principů v anténářské praxi, popsal jsem ho už dříve zde nebo zde a na několika dalších stránkách jsem uvedl příklady, jak s tím prakticky dělat např. při nastavování antén. Mimo popsaného vertikálu se princip velice často používá např. pro buzení vícepásmových směrových antén typu yagi. Takové konstrukce byly v literatuře popsané a antény pracující na podobném principu jsou běžně vyráběné. Uvedu však, v čem se liší problematika návrhu u jednoduché vertikální a horizontální antény na jednoduchém příkladu.

Horizontální dipól pro více pásem a jeho buzení open sleeve

Pro experiment jsem si vybral dvoupásmový dipól pro pásma  20 a 15 metrů. Každý zářič rezonuje na půlvlnné rezonanci (nazývá se též "fundamental", základní rezonance, při které vzniká stojaté vlnění s maximem proudu uprostřed a napěťovou kmitnou na každém konci). Zářič pro pásmo 20m měl být napájen uprostřed (přes balun) a zářič pro pásmo 15 m by měl být napájen jen vazbou open sleeve. Aby bylo na svorkách dosaženo správné hodnoty impedance a vynikajícího přizpůsobení, bylo by třeba udělat několik kompromisů.

Schéma antény

Schéma takto napájené antény je na tomto obrázku:

První kompromis jsem musel udělat v konstrukčním řešení. Pokud bych zářiř pro 15 metrů vázal v celé délce jen pomocí rozpěrek z žebříčku PCV-570-84, byla by vazba volná a nikdy bych nedosáhl svorkové impedance Z = 50 Ohmů, ale mnohem vyšší. Bylo tedy třeba vázat dipól vazbou těsnější (rozpěrky jsou s roztečí 84 mm) nebo např. použít v místech, kde protéká velký proud mnohem těsnější vazby - viz obrázek. Pokud nutně musíte použít ke konstrukci rozpěrky, které zrovna máte (můj případ), lze použít i další variantu. Těsnější vazbu druhého zářiče realizovat jedním nebo více závity kolem buzeného zářiče:

Takovou anténu lze zrealizovat tak, aby byla přizpůsobená:

Dipóly, bohužel, pokud jsou instalovány horizontálně, mohou nás vypéci svojí přirozenou vlastností, to jest velkou závislostí velikosti impedance na výšce instalace H. O průbězích impedance dipólu si můžete přečíst zde a zde nebo také v mnoha článcích, které byly publikovány v literatuře i na Internetu. Impedance horizontálního dipólu je prostě na výšce závislá. A tak zůstává otevřenou otázkou, zda dipól, který se vám zadaří pro obě pásma dobře přizpůsobit, bude také vysílat do směrů a pod úhlem tak, jak potřebujete. Např. náš dipól vychází slušně přizpůsobený v poměrně malé výšce H.

Popsaný dipól, který byl použit pro řešení přizpůsobení ve Smithově diagramu byl instalován do výšky 9m. Musel být zkrácen, aby jeho kapacitní charakter kompenzoval indukčnost HF trafa. Po zkrácení měl tyto parametry:

Indukčnost HF trafa vykompenzovala jX = -115 Ohmů a transformační poměr transformoval R přesně na hodnotu 50 Ohmů, do bodu, kde je dokonalé přizpůsobení, tj. VSWR = 1.

Jak s tím dělat v praxi?

Pro mě je nejjednodušší tato metoda (pro HF trafo):

1. Navrhne se výška závěsných bodů, která je třeba pro dosažení vhodného vyzařování.
2. Nainstalují se všechny zářiče (pro každé pásmo).
3. Udělají se všechny antény v jejich středu tak, aby šly rozpojovat a spojovat.
4. Pomocí bezdrátového VNA se změří vlastní a vzájemné impedance a antény se upraví zkrácením tak, aby šly pomocí indukčnosti trafa kompenzovat, jako v uvedeném příkladu - ustřižením se jX nastavilo na hodnotu kolem jX = -115.
5. Transformačním poměrem se dotransformuje R.

Nebo pro paralelně zapojené zářiče:

1. Navrhne se výška závěsných bodů, která je třeba pro dosažení vhodného vyzařování.
2. Nainstalují se všechny zářiče (pro každé pásmo).
3. Udělají se všechny antény v jejich středu tak, aby šly rozpojovat a spojovat.
4. Pomocí bezdrátového VNA se změří vlastní a vzájemné impedance a antény se upraví zkrácením tak, aby jX = 0 na požadovaném kmitočtu každého pásma.
5. Použijí se dva baluny. Proudový, který je připojen ke koaxiálu a transformační. Na odpovídající odbočku (podle toho, co se naměřilo) transformačního balunu se připojí dipól.

Paralelně zapojené dipóly se v praxi často používají. Jejich nevýhodou je, že máme buď hodně závěsných bodů nebo mnoho rozměrných rozpěrek nebo řešíme vlivy vzájemných impedancí. Zdálo by se, že řešení na jX = 0 (paralelní dipóly) je méně pracné. Je však méně pracné jen o jeden krok než řešení s open sleeve nebo s HF trafem. Jde o vyřešení velikosti kapacitní složky (jak zkrátit anténu) na požadovanou hodnotu ve Smithově diagramu, která právě odpovídá indukčnosti použitého HF trafa, kterou tímto kompenzujeme.

Poznámka: Pokud mě někde vzájemné impedance vypekly, pak to bylo u vícepásmové antény cobwebb. Pro pokus jsem si zvolil jednopásmovou, jednoduchou (nikoliv skládaný dipól) anténu. A vše bylo OK. A pak jsem si zvolil mnohopásmovou (6 pásem) cobwebb anténu. Samozřejmě, že jsem ji přizpůsobil. Jenže měřením proudů a analýzou jsem zjistil, že vlivem vzájemných impedancí musí být vyzařovací odpory jednotlivých zářičů ve skutečnosti mnohem nižší, než 12.5 Ohmu. Protože byla anténa přizpůsobena dobře v malé výšce, musela pracovat s mnohem menší účinností, než jsem předpokládal a projevovaly se ztrátové odpory od vlivu země.