O radioamatérských prázdninách 2012

Úvod

Prázdniny už jsou za námi, a tak zde uvedu pár vět k experimentům s anténami a pár vět k tomu, co můžete očekávat v našem e-shopu v následujícím období.
Prázdniny jsem věnoval zkouškám a měření antén a také příjmu a vysílání na vyšších pásmech od 20 do 10 metrů. Zejména zkoušení, nastavení a měření antén považuji za důležité. Nemyslím, že se tady budu věnovat problematice měření impedance antén na napájecích svorkách. Toho bylo napsáno již dost a sortiment relativně levných přístrojů je rovněž dostupný. Bohužel, vlastnosti, které naměříme u antény na jejích svorkách, nám ještě nic neříká o jejím vyzařování. V dílně ok1ufc (airwire) jsou antény vyvíjeny tak, aby nejenom měly na svorkách správnou impedanci, ale také, aby vyzařovaly a byly účinné. Pro návrh a vývoj antén existuje celá řada různých metod, ale mě se osvědčila nejvíc metoda modelování v NEC

(poznámka The Numerical Electromagnetics Code - NEC -  has been developed at the Lawrence Livermore Laboratory, Livermore, California, under the sponsorship of the Naval Ocean Systems Center and the Air Force Weapons Laboratory. It is an advanced version of the Antenna Modeling Program (AMP) developed in the early 1970's by MBAssociates for the Naval Research Laboratory, Naval Ship Engineering Center, U.S. Army ECOM/Communications Systems, U.S. Army Strategic Communications Command, and Rome Air Development Center under Office of Naval Research Contract N00014-71-C-0187. The present version of NEC is the result of efforts by G. J. Burke and A. J. Poggio of Lawrence Livermore Laboratory)  - podrobnější dokumenty lze najít v Internetu nebo stáhnout zde.

nebo v MININEC (zdrojový kód byl napsán v Basic a později přepsán v jazyce C++) a v ověřování matematického modelu v praxi. Přitom tvrdím, že není podstatné, v jakém programu byl návrh antény proveden, pokud byl proveden dobře. Nechci zde rovněž vychvalovat jeden program na úkor druhého a mohu říci, že jsem použitelných výsledků docílil jak v 4NEC2, tak v MMANA programech. Také musím říci, že prostředky (tj. peníze a čas), které jsem mohl vložit do vývoje některých antén jsou omezené a proto jsem  hledal nějakou rychlejší cestu, která mě dovede k cíli. Takže, měl bych napsat, co dělám a nedělám. Nedělám zmenšené modely antén na vyšších kmitočtech. Směrové krátkovlnné antény dělám od kmitočtu 14.05 MHz do 28.2 MHz, prototypy pro měření jsou vyrobené v reálných velikostech a od finálních verzí se liší pouze tím, že některé rozměry jsou nastavitelné nebo mají větší rozsah regulace. Finální výrobky mají mnohem méně nastavovacích prvků nebo některé chybí. Rozsah stavitelných prvků je dán předpokládanou výškou montované antény a okolním terénem. A antény nastavuji tak, jak uvádím níže.

Princip nastavování

Anténu považuji za nastavenou, pokud na svorkách určených k napájení (chcete-li  dipól, driven element) naměřím v návrhové výšce impedance, které odpovídají modelu v NEC. Jednoduše řečeno, ale není to až tak snadno proveditelné. Mnoho z vás se nad tím usměje, určitě jste si vyzkoušeli modely antén, které se lišily od reality. Nicméně, já tvrdím, že velmi dobré modely, které obsahují všechna ráhna, okolní předměty, sousední antény, jsou udělané s přesným "tubingem", že tyto modely sedí s realitou. Není však až tak jednoduché anténu podle takového modelu v reálu nastavit. Já to dělám tak, že velice pečlivě a přesně měřím geometrické rozteče prvků na ráhnu. Co nejpřesněji to jde. A pomocí délky prvků nastavuji co nejpřesněji hodnoty proudu, respektive jejich poměry, které tam mají být. Na to mám unikátní měřič anténních proudů, který mi umožňuje v současné době na 9 miniaturních bezdrátových snímačích měřit proudy v anténním vodiči (dipól, director, reflector, log-periodic dipol, ráhno LPDA, napájecí žebřík, atd.). Ukázka z obrazovky takového měření je zde:

Z menu se nastaví konfigurace HW. Program nastavuje na TRXu CW, kmitočet a výstupní výkon. (TRX slouží jako  generátor). Běžně se měří s výkony 1 až 20 Wattů. Vysílač se zaklíčuje pomocí tlačítka start. Program zkalibruje svoje konstanty tak, že na snímači Master senzor je nastaveno 100% proudu. Měření je poměrové. Na ostatních senzorech jsou změřeny poměry proudů ve vztahu k master senzoru. To, co je vidět na obrázku je z měření LPDA antény, master senzor byl na prvku, kterým měl téci největší proud, ostatní senzory byly u ráhna na dalších prvcích, senzory 7 a 8 pouze "někde ležely". Takže senzory 1 až 6 naměřily poměry proudů vůči master senzoru. Pokud poměry proudů odpovídají modelu NEC, obvykle na svorkách antény naměřím analyzátorem jmenovité hodnoty impedancí a považuji anténu za shodnou s modelem. Konstrukci měřiče a miniaturních snímacích senzorů  anténních proudů se chystám také popsat, jakmile budu mít trochu času. Toto nastavování má mnoho výhod. Novou anténu lze nastavovat podle modelu, který odpovídá reálné výšce antény. Já počítám proudy a impedance zpravidla také pro výšku 4.5 metru. Ve třímetrové výšce stojím a ve výši rukou mám senzory, svorky, konektory. Je to pohodlné, nepotřebuji montážní plošinu. Vyzkoušel jsem, že za to, co nastavím v této výšce správně, mohu dát ruku do ohně i ve výšce 14 nebo 15 metrů. A právě pro tyto výšky navrhuji směrové antény pro DX komunikaci. Všechny hodnoty jsou samozřejmě ve výšce 4.5 a 14 nebo 15 metrů jiné.

Než budu pokračovat dál, uvedu pro názornost a jako úvod do problematiky příklady, které odpovídají jednopásmové tří elementové yagi anténě pro pásmo 20m. Pokud je anténa navržená podle modelu, má ve výšce 14m vlastnosti podle následujícího obrázku:

tj. má zisk 12.72 dBi, vynikající F/B = 22.85 dB a reálnou složku impedance asi 22 Ohmů. Nádherný diagram, že? SWR pro 50 Ohmů by bylo 2.2, což už leckdo považuje za fuj. Samozřejmě lze takovou anténu snadno přizpůsobit balunem 2:1 nebo jiným transformačním členem. Také lze takovou anténu "nastavit" délkami prvků tak, aby měla na svorkách impedanci 50 Ohmů. Na dalším obrázku ukážu, jak si tímto "nastavením" dobře "zhoníme" jinak skvělé parametry:

Zisk takto naladěné, podle mě silně zhoněné antény klesne na 11.3 dBi, ale F/B je již jenom 10.19 dB! Diagram je fuj. Ale máme skvělé SWR=1. Pánové hamové, co já už viděl zhoněných, ale s ohledem na SWR dobře nastavených antén. Když už jsem u toho nastavování, ukážu ještě pár dalších věcí. Jednak, co to udělá, když anténu optimalizovanou pro výšku h=14 metrů dáme do výšky 15 metrů, tedy když ji dáme jen o pouhý jeden metr výš:

Vidíte, že pokles zisku není až tak velký. Impedance je také OK. Vyzařovací úhel se nám snížil. To vše je OK, ale obrázek jsem sem dal proto, aby bylo zřejmé, že F/B se zhoršil o 3 dB, je 18.35 dB.

Jak to vypadá s proudy v prvcích? Anténa otimalizovaná pro výšku 14 metrů a impedanci 22 Ohmů musí mít tento průběh proudů (nad prvky  je graficky znázorněn průběh proudů):

Anténa, která je nastavená tak, aby SWR=1 pro 50 Ohm má tento průběh proudů:

Z uvedených obrázků je snad zřejmé, proč jsem považoval měření proudů v anténních prvcích za důležité. Je vidět, že průběh proudů, resp. jejich poměry, jsou pro konkrétní anténu a její nastavení charakteristické.

Znovu opakuji závěr: pokud poměry proudů odpovídají modelu antény a impedance na svorkách antény má hodnoty shodné s modelem v dané výšce, pravděpodobně máme anténu, která vyzařuje jako model!

Poznámky a komentáře k tomuto způsobu nastavování

1) Překvapilo mě, jaké kompromisy museli udělat výrobci u těch kterých antén. A jako námět k přemýšlení, aniž bych uváděl jména výrobců uvádím, jak asi musí vypadat vyzařovací diagramy nebo zisk, či předozadní poměr, když se podíváme, jakým způsobem výrobce anténu přizpůsobil k napáječi. Ale jistě jste slyšeli od některých hamů, proč mají nejraději monobander.
2) Trapovaný tribander považuji za dobrou kompromisní anténu. Také ho mám, mám ho rád a z nostalgických důvodů, jako vzpomínku na konstruktéra a firmu ECO antenne ho nehodlám prodat. Slyšel jsem však od mnoha hamů, jak tuto anténu, či jiné trapované yagi zatracují. Viděl jsem ale také složité systémy více netrapovaných yagi antén včetně jejich kompromisního designu polohy prvků. Po měření proudů v neaktivních prvcích jsem si na některé antény udělal názor. A myslím, že je opět a oprávněně hamové zatracují, hi....Inu, konstatování, že anténa nemá trapy, je stále, tedy i v dnešní době, levný obchodní trik.

Logaritmicko-periodické antény

Logaritmickou anténu (přesně log-periodic dipole array) vlastní výroby jsem uvedl prvně na trh v letošním roce. Princip fungování je znám poměrně dlouho. Myslím, že anténu patentoval autor rok poté, co jsem se narodil (1958). V poslední době se na trhu objevilo několik výrobců těchto antén. Myslím, že trh nabízí dobře fungující dlouhé antény LPDA, ale jsou to monstra. Potřeboval jsem vyvinout a vyrobit anténu středních, raději menších rozměrů. A potřeboval jsem ty antény "optimalizovat". Jako první jsem uvedl na trh 8 elementovou anténu dlouhou jen 5.2 metru. Je popsána i s několika fotografiemi na stránce zde. Myslím, že první vyrobené antény byly úspěšné. Ve druhé sérii jsem optimalizoval prvky, jejichž délka činí téměř 58 metrů! Později však vznikly v mojí dílně další dva typy LPDA antén. Všechny jsou stručně shrnuty v tabulce zde:

Označení LPDA 5/6 znamená, že anténa má 5 prvků a délku ráhna 6m. Série MK1 a MK2 byla rozšířena o sérii MK3 a označena nově jako LPDA 8/6. Důvod byl prostý. Anténa o délce 5.2 metrů by mi vyhovovala s ohledem na zisk, F/B i přizpůsobení. Každé ráno je však vyrobeno ze dvou jeklů, které výrobce vyrábí v 6 m délkách a z každého jeklu se asi 80 cm odváželo do sběru. Proto byla tato anténa překonstruována rovněž na délku ráhna 6m metrů. Má o něco lepší vlastnosti než LPDA 8/5 MK2. Proběhly také finální zkoušky antény s pouhými 5 prvky. (Zkoušely se také jen 4 prvky, ale neúspěšně, tato anténa není dobrá). Pětiprvková LPDA má souhrnnou délku prvků necelých 36 metrů, tedy o 20 metrů méně, než osmiprvková. V předchozí tabulce nejsou až tak viditelné rozdíly mezi jednotlivými typy. Proto uvádím zisk a F/B v dalších tabulkách samostatně:

Je vidět, že 5 prvková LPDA nedopadla až tak zle. Jak to vypadá v praxi?

Praktický provoz a praktické zkoušky

Protože anténa LPDA 5/6 není zejména na pásmu 14 MHz nijak vynikající, byl jsem velice zvědavý na první zkoušky. Pásmo 20 metrů fungovalo o prázdninách 2012 skvěle a téměř každý den. Pro zkoušku jsem zvolil provoz JT-65, protože umožňuje dělat DX spojení malými výkony a  na velké vzdálenosti. Moje QTH má nejhorší vlastnosti v azimutu od 70° do 110°, tedy ve směru ZL a VK. Při běžných podmínkách je třeba, aby se dala spojení dělat "téměř každý den" a dlouhou cestou. O prázdninách jsem slyšel dlouhou cestou mnoho VK a ZL stanic. Pro ilustraci uvádím ty, co jsem udělal (jen VK a ZL, vše long path, azimut 240):

A byl jsem spokojený. Po dovolené, tj. od 13.7.2012 do 1.9.2012 jsem ve volném čase (chvilku ráno, chvilku večer) udělal asi 300 QSO se slušnými reporty. Snažil jsem se nevolat evropské stanice. Překvapilo mě často i prosté vybavení protistanic, které lze považovat za DX, např. 3D2MP s  FT-450 a dipólem pro 20m:

ale rovněž množství stanic, co mi QSO potvrdily přes e-qsl. Potvrzená prázdninová spojení lze stáhnout zde. Mnoho DX stanic má i na eqsl celkem hezké lístky, uvádím alespoň tři náhodně vybrané:

Závěry

1) Směrové antény, které byly modelovány pomocí NEC (MININEC), nastaveny délkami prvků na vypočtené poměry proudů a zkontrolované měřením impedance v místě napájení fungují.
2) V pásmech od 20 m do 10 m teď nejsou až tak špatné podmínky, aby nešla dělat spojení s průměrným vybavením.
3) DX spojení v pásmech 10 m až 20 m lze běžně dělat i s kratšími LPDA anténami, které mají délku 5 až 6 metrů a alespoň 5 prvků. (A samozřejmě i s 2 až 3 elementovými tribandery).
4) Zpravidla lepších výsledků dosáhneme s dobře nastavenou jednodušší anténou než s nenastaveným monstrem nebo s monstrem, které pracuje v jiné než navržené výšce.

Zájemci, kteří máte zájem o finální výrobky, prosím, kontaktujte nás mailem.
   

73's Věra & Míra, ok1ufc

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 03.04.2016