Všeobecně

Tento článek obsahuje základní informace o konstrukci pětipásmové dvouprvkové antény QUAD. První limitovaná série nebyla v letošním roce spuštěna, protože se přihlásil pouze jediný zájemce. Pokud máte zájem, pište, mailujte. Termín uzávěrky objednávek není zatím stanoven.

Inspirací k vlastní konstrukci byl článek od KC6T (QST April 1992) - lze stáhnout pdf zde. Nešlo mi o pouhé kopírování zdařilé konstrukce, ale o námět. Publikovaná konstrukce se odkazuje na model antény v EZNEC, který byl správný, byť velice zjednodušený. Osobně používám mnohem důslednější a rozsáhlejší modelování antén. Nicméně, quad KC6T je zdařilou konstrukcí. Převzal jsem některé myšlenky a v tomto článku chci také zdůvodnit, co mě k tomu vedlo.
Elektricky by mi vyhovoval quad s kratičkým ráhnem. Na trhu je jich dostatek. Nicméně, vadilo mi ovlivňování paramterů antény vlivem tvarové nestability smyček (ve větru, námraze), které často znemožní využít teoreticky dosažitelných parametrů. Přestože umím několika metodami takovou anténu nastavit, není to zrovna jednoduchá a příjemná práce, která ostatně hodně hamů odradila od pořízení takové antény. Proto jsem zvolil konstrukci s ráhnem. Na konstrukci KC6T se mi líbilo využití kovových trubek pro nosnou konstrukci. Na rozdíl od KC6T volím koncepci, označovanou také jako X-shapes vertical, tj. se svislou a vodorovnou sadou rozpěr (spreaders). Získávám tím dvě výhody - o něco (jen nepatrně) lepší elektrické parametry a zásadní mechanickou výhodu. Svislé vzpěry lze udělat celokovové a vodivě spojené s ráhnem. Vodorovné trubky musí být rozdělené pomocí izolátorů. Podrobnosti o konstrukci jsou uvedené v následujícím textu.

Základní parametry (zisk Gi, předozadní poměr F/B je uváděn pro návrhovou výšku montáže H)

Pracovní pásma:                           10m, 12m, 15m, 17m a 20m
Výška montáže nad terénem:         H=15 až 20 metrů - viz poznámky
Zisk Gi (H=15)                               cca 12 až 13 dBi (asi 5.2 dBd)
Předozadní poměr F/B                    jmenovitě cca 20 dB, i více po pečlivém nastavení
Impedance napáječe Zo                  50 Ohm
Konektory                                     SO-239
Symetrizace                                  standardní baluny nebo speciální transformátory
přizpůsobení a šířka pásma - viz diagramy
průměr trubky stožáru max.            76 mm
délka ráhna max.                           2 300 mm - viz obrázek v textu
rozpětí max.                                  méně než 8 m
hmotnost (orientační) max.             20 kg

Pozn.: Anténu lze z hlediska zákl. parametrů F/B a G srovnávat s tříprvkovým krátkým monobanderem, navrženým pro Zo=25 Ohm. Viz příklad uvedený v prvním diagramu dokumentu z prázdninových aktivit - zde.

Vyzařovací diagramy pro každé pásmo (po nastavení)

Pořadí pásem 10, 12, 15, 17, 20 metrů.

Abychom dosáhli optimálních parametrů zde popisované antény, je vždy nezbytné provést její nastavení. Pro tento účel byl vyvinut unikátní postup a unikátní konstrukční provedení nastavovacích prvků. Postup je uveden v samostatné kapitole (ladění na nejlepší F/B). Rozdíl v diagramech při ladění na Gmax a max. F/B je vidět zde:

Přizpůsobení

Potřeboval jsem dosáhnout zisku a parametrů, které by odpovídaly anténě s větší délkou ráhna a s vyšší impedancí smyček. Nicméně, potřeboval jsem mít provedení kompaktní antény s maximální délkou ráhna něco málo přes 2 m. Parametrů jsem docílil tím, že jsem zvýšil účinnost antény na úkor její širokopásmovosti - viz diagram na 14 050 kHz. U popisu vertikálů uvádím hypotézu o tom, jaké vztahy platí mezi širokopásmovostí, účinností (ziskem) a rozměry, v případě zájmu čtěte zde. Pro přizpůsobení jsem nepoužil gama-match jako KC6T, ale jiný, zcela unikátní způsob přizpůsobení a ladění, který lze realizovat jednoduše pouze u X-shaped vertikální konstrukce rozpěr (spreaders). Přizpůsobení lze snadno nastavit pro výšky antény do 20m a střednímu nastavení ladicích prvků odpovídá výška montáže 15 metrů.

Typické hodnoty impedancí na svorkách antény pro jmenovitý kmitočet v každém pásmu je vidět ve Smith. diagramu zde:

Detail středu kruhového diagramu se zakreslením kružnic VSWR je vpravo (největší kružnice je pro VSWR=1.3 a druhá největší je pro VSWR=1.2)

Průběhy VSWR podle kmitočtu a šířky pásma jsou zřejmé z dalších diagramů (platí pro nastavení na kmitočty 14 050, 18 120, 21 050, 24 920 a 28 200 kHz), anténu lze jednoduše ladit kamkoliv v každém pásmu:

Konstrukční schéma antény

Jedná se o anténu typu X-shaped cubical QUAD s vertikální rozpěrou (spreader). Schéma uspořádání antény (pro jedno pásmo) je zde:

Na výše uvedeném obrázku prvně vidíte polohu ladicích tyčí (tuning rods).

Ráhno (boom) je vyrobeno z hliníkové slitiny. Je svařované. Lze montovat ke stožáru s trubkou o maximálním průměru 76 mm pomocí 2 třmenů.
Maximální délka ráhna je asi 2 300 mm, rozteč mezi osami vnějších vzpěr je 2 200 mm:

Do ráhna se montují  rozpěry smyček zasunutím. Na dalším obrázku je zasunuta svislá vzpěra zářiče (driven element). Barevně jsou zakresleny nízkoztrátové transformátory, které zabezpečují symetrizaci, koaxiální kabely (namalovány jen WARC) a skříňka přepínače nebo tzv. combineru (má horší parametry než switch), který umožňuje paralelní spojování smyček. Původní funkční vzorek byl osazen levnými baluny série 2, ale jsou ověřovány pro tento účel vyvinuté speciální nízkoztrátové transformátory. Takové řešení má o něco lepší parametry než tzv. gamma-match, ale hlavně jsem získal desetiny dB díky lepší symetrii než u gamma-matche nebo balunů a na pásmu 28 MHz bylo možno dokompenzovat o něco vyšší rezistanci smyčky (typicky 58, maximálně 60 Ohmů). U této antény si opravdu hraju s kompenzací ztrát odrazem.

Konstrukční detaily

Nemá zde smysl popisovat všechny, ale jen ty důležité. Ráhno je robustní, hliníkové, svařené technologiemi, které se používají u konstrukce letadel. Na dotaz, který jsem obdržel k dříve vyvinuté logaritmicko-periodické anténě odpovídám, že použitou technologií svařování se struktura materiálu nemění (ověřeno v metalurgické laboratoři), konkrétní technologie se používá např. u konstrukce motorových loží. Musí odolávat mechanicky až do teplot -56°C. Má to výhody - boom je mechanicky pevný, kompaktní a hezký.

Rozpěry smyček (spreaders) jsou dvou typů. Svislé jsou hliníkové a vodivě spojené s ráhnem. Toto provedení nemá žádný negativní vliv na vyzařovací diagramy. Vodorovné rozpěry jsou hliníkové, dělené, jednotlivé díly jsou vzájemně izolované pomocí speciálních izolátorů (vlastní výroby a konstrukce, s dlouhou povrchovou trajektorií). Tato použitá konstrukce mi zabezpečila mnohem vyšší tvarovou stabilitu, než bylo možné docílit s laminátovými tyčemi. Schémata rozpěr jsou zde:

Ladicí tyče jsou montovány ve vodorovných rozpěrách a slouží k přesnému, jemnému a poměrně nezávislému ladění dvou parametrů na každém pásmu. Princip ladění je vidět ze schématu zde:

Tento obrázek byl použit u prvního prototypu. Měl tři nezávislé ladicí prvky. Ladicími tyčemi na reflektoru se ladí předozadní poměr F/B. Ladění je poměrně ostré a na hodnotě AGC lze měřit znatelný "dip". Ladicími tyčemi napájené smyčky lze snadno a dobře ladit reaktanci jX v místě napájení. Prototyp měl ještě možnost ladit rezistanci změnou polohy smyček. Toto se ukázalo jako zbytečné, upustil jsem od tohoto prvku a zkonstruoval ráhno s pevně nastavenou roztečí. Limitovaná série bude mít pouze dva ladicí prvky. Toto řešení je moje původní, elegantní a jednoduché.

Ladicí tyče jsou umístěny na smyčkách v kmitnách napětí, na rozpěrách v izolátorech. Další ilustrační obrázek je tady:

Reflektor a zářič (driven element)

Smyčky jsou vyrobené z předepnutého měděného lana. Ochrana lana je provedena izolací. Na koncích lan jsou lanová oka. Schéma lan je zakresleno tady:

Reflektor je pro každé pásmo vyroben ze dvou lan. Driven element je vyroben ze tří lan. U lan mi jde rovněž o dlouhodobou stabilitu vlastností. Protože jsem naháněl desetiny dB na F/B, zvolil jsem celoměděnou konstrukci. To jsem si mohl dovolit jen u tuhé konstrukce s antény s kovovými rozpěrami. Konce lan jsou ošetřeny rovněž unikátním gelem ze dvou složek. První složka se vyznačuje neobyčejnou vzlínavostí a pomocí vzdušné vlhkosti se na povrchu rychle "vytvrdí" a utěsní lano v izolaci. Druhá složka je trvale plastická a slouží jen k ochraně první složky na povrchu.

Postup ladění

K ladění si neodpustím stručný úvod. Kdo někdy ladil QUAD, tak ví, že to je "porod". QUAD je anténa, která vám dá své jen při pečlivém naladění. Pokud nechcete ladit, slevte na parametrech a pořiďte si logaritmicko-periodickou anténu. Cílem tohoto projektu bylo, abych ukázal, že i QUAD lze ladit snadno, rychle a pouze s pomocí anténního analyzátoru a přijímače, ze kterého vyvedete AGC na veliký a přehledný měřák. Pokud naladíte QUAD na největší zisk, nedocílíte nejlepšího F/B a diagramy byly již uvedeny.

Pokud naladíte popisovaný QUAD mimo rezonanci, bude mít diagramy, které odpovídají těmto obrázkům (100 kHz a 50 kHz nad rezonancí):

Všimněte si, že obrázek vpravo má proti obrázku vlevo přibližně 10 dB pokles (dip). K6CT ladil anténu na dip pomocí sériového variabilního kondenzátoru v reflektoru. Uvažoval jsem o tomto způsobu, ale nelíbily se mi tyto věci - potřeba robustního kondenzátoru a velký rozměr, který zvyšoval aerodynamický odpor antény. Proto jsem vyvinul tuning rods (adjustment rods, ladicí tyčky), které jsou malé a mají vysoký rozsah ladění. Pokud ladíme kapacitou, má smyčka větší obvod, pokud ladíme tyčkou, má menší obvod.

Na dalším obrázku uvádím, jak vypadají v jednom diagramu tři kmitočty v jednom pásmu:

Postup ladění prakticky a v bodech

1. Provedení kontroly všech deseti smyček (všechny R a DE). Kontrola se provádí tak, že na měřenou smyčku se nasadí dodaná sonda, která se připojí k anténnímu analyzátoru. Musí být namontované všechny smyčky. Pokud se používá balun (série 2), jsou smyčky zkratované dodanými jumpery. Pokud se používá symetrizační trafo, nesmí být připojen koaxiální kabel. Analyzátorem musí být změřen rezonanční kmitočet, který je uveden ke každé anténě v tabulce, podobné, jako na tomto obrázku. Rezonanční kmitočty musí ležet v tolerančním poli mezi f min a f max:

2. Nastavení předozadního poměru F/B. K DE se připojí koaxiální kabel s přijímačem, který má vyvedené AGC. Pomocí ladicích tyčí na reflektoru lze naladit nejlepší F/B jen těmito tyčemi. Dbáme, aby byly obě tyče vysunuté stejně. Nestejným vysunutím lze mírně kompenzovat např. vliv blízké drát. antény, ale o tom až jindy. Ladění je zřetelné. Nejlépe se ladí se zřetelným signálem od kolegy ze vzdálenosti 1 až 2 km.

3. Nastavení nejlepšího VSWR. Odpojíme přijímač. Připojíme analyzátor a ověříme rezistanci R, která bude někde mezi 45 Ohmy (14 MHz) až 60, maximálně 70 Ohmy (28 MHz). Typicky je po nastavení jX mezi 48 až 58 Ohmy. Pomocí ladicích tyček na DE naladíme na jmenovitém kmitočtu v každém pásmu jX=0 (jde to, ale stačí naladit jX od -5 do +8 Ohmů. Jde to rychle a snadno. Vidíte, že i QUAD lze ladit stejně snadno, jako dvouelementová yagi anténa. Tedy mnohem snadněji, ale o tom ještě píšu v dalším bodě.

4. Kontrola VSWR podle diagramů. Po tomto nastavení provedeme kontrolu VSWR a šířku pásma podle diagramů. Upozorním na několik skutečností. VSWR nám padá strměji, pokud jedeme od nižších kmitočtů k vyšším. To je pro tento QUAD typické a je to vidět z diagramů. Na pásmu 28 MHz nedocílíte VSWR=1 a tato hodnota tam bude při nejlepším naladění kolem VSWR=1.3 Je to dáno již vyšší hodnotou rezistance u této konstrukce quadu.

Pokud v tomto okamžiku uděláme kontrolu F/B, pravděpodobně zjistíme toto:
- F/B se nám zhoršilo asi o 3 dB (prosím nedolaďovat)
- zjistíme, že nejlepší F/B je při nejlepším VSWR (nebádal jsem, proč to tak je, až bude čas, ale je to milá zkušenost)
To, že se nám zhoršilo F/B si vysvětluji tím, že vyzařovací diagram viz předchozí diagram se třemi čárami má již vzadu lalůčky. Diagramu to odpovídá.

Jak se mění parametry s QUADu s výškou nad zemí?

Vzdálenost země má vliv na každou anténu. To je dané fyzikálními zákony. Tento QUAD lze provozovat ve výškách h od 15m do 20m. Jak je to ve vyšších výškách, jsem nezkoumal a ani nemodeloval. Pod 15 metrů to také jde, ale, bohužel, vyzařovací úhly jsou již vysoké (jako u každé směrovky). Pro DX spojení je třeba tu výšku 15m mít k dispozici. Co mě překvapilo, tak to byly maličké změny impedance R a jX s výškou. S ohledem na tuto skutečnost lze ledacos nastavit na přenosném stojánku při h=5m. Toho využijeme, pokud např. chceme ladit na druhý konec pásem nebo mimo pásma. Pak musíme ladit hrubě, tj. změnou délky měděných lan. Pro informaci uvádím zajímavé tabulky pro pásma 10m, 15m a 20metrů:

Z tabulek vidíte, že s výškou se příliš nemění impedance R a jX, ale u pásma 20m se výrazně mění F/B. To je v těchto výškách u směrovek typické a F/B je třeba nastavovat (jak u yagi, tak u quad antén. Parametry v tabulce, zleva do prava jsou: frekvence (MHz), resistance R (Ohm), reaktance jX (Ohm), VSWR, Ga (dBi) v dané výšce, F/B (dB), elevační úhel (°) a výška h (m). Červeně orámovaný řádek platí pro jmenovité nastavení v h=15metrů. Hodnoty v ostatních řádcích platí pro nastavení v h=15m.

Dodávané příslušenství

- sonda pro měření smyček anténním analyzátorem
- jumpery na zkratování balunů při nastavování
- sada ladicích tyčinek pro reflektor a driven element
- dokumentace antény

Volitelné příslušenství

- anténní přepínač
- anténní combiner (pro paralelní řazení, bez přepínání; má horší parametry)

Poznámky

Pozn. 1:

Cílem tohoto projektu bylo zkonstruovat kompaktní, snadno nastavitelnou anténu QUAD se dvěma elementy. Cílem také bylo dosáhnout zisku a předozadního poměru F/B srovnatelného s QUADy konstrukce KC6T, tedy QUADu s dobrými parametry. Z elektrického hlediska by byla vhodnější "boom-less" konstrukce, od které jsem upustil z důvodů tvarové nestability laminátových tyčí. Z konstrukčního hlediska jde o anténu "celokovovou" (mimo izolátorů). Anténa je lehké, ale pevné, svařované hliníkové konstrukce, řešené s využitím moderních technologií (svařování hliníku, speciální ferity v transformátorech, speciální chemické látky na zvýšení odolnosti vůči vodě a chemickým vlivům). Z elektrického hlediska jde o QUAD s unikátním způsobem jednoduchého ladění základních parametrů. Z hlediska konstrukčních materiálů je použita hliníková slitina, stabilizované izolanty na izolátory, elektrotechnická měď na prvky a nerezový spojovací materiál (všechny šrouby). Nikde není použita součástka pouze galvanicky pokovaná.

Pozn. 2:

Anténa je konstruována s ohledem na dosažení co nejlepších F/B a VSWR parametrů. Toho lze u QUADů (na rozdíl od krátkých yagi) dosáhnout. Musely být minimalizovány nejrůznější ztráty. Vliv mají: reaktance v sérii se smyčkami, překvapilo mě, jaký vliv má prodloužení smyčky žebříčkem.

Pozn. 3:

Při konstrukci byl zohledněn aerodynamický odpor (namáhání ve větru silou). Aby se zbytečně nezvyšovala plocha antény, nebylo použito jinak oblíbené gamma-match přizpůsobení a ani žádné jiné krabičky s reaktančními prvky na nastavování.

Pozn. 4:

Anténa byla modelována ve 2 programech MININEC. Byly modelovány:
1. veškeré kovové součásti (ráhno, vzpěry, stožár, elementy, ladicí prvky).
2. všechny rozsahy nastavení pomocí nastavovacích prvků
Na funkčním vzorku byly modely ověřovány měřením impedancí a proudů v prvcích (shoda s modelem). Prezentační schémata a obrázky byly vygenerovány pomocí programu MMANA (ten sloužil také pro ověření shody s prvním modelem). Impedance byly přenášeny z analyzátoru do programu Smith v. 3.10. V tomto software byly také řešeny úlohy kolem paralelního řazení smyček a návrhu anténního combineru. Nevěřil jsem, ověřil jsem a jde to, i když je to horší než reléový switch, který doporučuji.

První článek o QUADech jsem napsal zde.

73's Věra & Míra, ok1ufc

Návrat nahoru

© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 12.01.2014