Popis vertikálu pro pásma 80/40/30 metrů

Tento článek je deníkem vývoje dalšího prototypu vertikálu pro pásma 80/40/30 metrů. Postupně zde budu popisovat vývoj v pořadí již třetí série vertikálů pro pásma 80 - 30 metrů. Myslím, že mnoho radosti nadělal vertikál Compact 80/40/30, který jsem popsal tady. Je jednoduchý, nepříliš vysoký a překvapil svými vlastnostmi. Novější Compact 2015 byl lepší, ale nepatrný rozdíl v jeho vlastnostech nebyl dostatečným přínosem k náhradě původní antény. Možná to byl důvod, proč jsem vývoj antény pro tato 3 pásma neukončil.

Proč vertikál pro pásma 80/40/30 ?

Jednoduchá odpověď spočívá ve skutečnosti, že pro pásma 20 až 10 metrů mám dostatečný výběr mezi osvědčenými a vyvinutými anténami. Od poněkud rozměrné směrové LPDA antény, která s dobrým průběhem VSWR pokrývá všechny kmitočty od 14.000 MHz do 29.500 MHz, přes maličkou, ale účinnou BB hexabeam, až po několik vertikálů, které mi spolehlivě pokrývají tato pásma. Samozřejmě existují vertikály, které pokrývají všechna pásma od 80 metrů výše. Přesto k nim mám výhradu a považuji je na pásmech 80m a 40m za antény kompromisní, přestože jsem s nimi na těchto pásmech pracoval se všemi kontinenty. Prostě vznikla potřeba mít pro pásma 80/40/30 metrů anténu účinnější a vhodnou pro DX provoz. Pokud bych však měl řešit vertikál jen pro pásmo 80 m, vycházel bych z těchto experimentů.

Na otázku, proč se držím vertikálu, je také jednoduchá odpověď. Části pásem, kde se jezdí digitální druhy provozu, jsou v dnešní době přeplněné a začíná to platit i o segmentu JT9. Místní (kontinentální) spojení mě opravdu nezajímají. Proto volím antény, které je dostatečně potlačují. Vertikál s nadzemními radiály se mi pro tyto účely velmi osvědčil. Nejenže už prakticky nepoužívám pro tato pásma horizontální antény, ale potichu opouštím i osvědčené L antény. A vertikál je při dodržení několika zásad anténou, která dobře poslouchá a snadno se na ní dovolává. Nicméně, L antény nezatracuji, stejně tak, jako např. slopery. Sloper bych pravděpodobně volil, pokud bych řešil jen anténu pro pásmo 80 metrů k trvalé instalaci u domu, a to např. v této konfiguraci.

Popis antény

Na tomto místě bych měl uvést podrobný popis antény. V tomto, bohužel, dnes zklamu. Popíšu pouze důležité součásti první verze prototypu a principy, které jsem při konstrukci použil. Za několik týdnů však zde zveřejním úplný popis doplněný fotodokumentací. Mám několik důvodů. První prototyp jsem realizoval na odřeném laminátovém teleskopu délky 12.5 metru. Pro finální verzi jsem však objednal od OK5IM zcela nový a hezký teleskop včetně vhodné paty, která umožní jednoduchou montáž na krátký kolík v zemi nebo na sloupek plotu.

Následující popis se týká pouze toho, co zdá se teď být u vyvíjené antény naprosto jasné:

Přibližná výška antény: H = 12.6 m
Konstrukce zářiče: měděné lano navinuté na laminátovém teleskopu výšky 12.5 m, instalovaného na nízkou zabetonovanou trubku pomocí standardní patky od výrobce OK5IM. Jirka již několik let vyrábí celou řadu standardních součástí pro konstrukci antén. Tyto součásti jsou běžně dostupné a nemá smysl ztrácet čas jejich vývojem.
Protiváha: Nadzemní protiváha meandrovitého tvaru, viz další text.
Napájení: Koaxiálním kabelem o charakteristické impedanci (pro starší čtenáře - vlnový odpor, wellen wiederstand, ...) Z=50 Ohmů
Přizpůsobení pro tři pásma: Reálná složka impedance je přizpůsobena HF transformátorem nebo speciálním balunem. Na tomto prvku trvám, protože je schopen s maličkými ztrátami přenést vysoké výkony (trvale 1500 Wattů - zkoušeno), umožňuje realizovat naprosto od země a zemních vodičů izolovanou vertikální anténu, která má extrémně nízkou úroveň hluku při příjmu a umožňuje transformovat impedance.


Provedení protiváhy

V průběhu letošního vývoje jsem opět zvažoval několik možností. V každém případě jsem uvažoval o protiváze tvořené jediným radiálem. Tato varianta by mi vyhovovala v maximální míře pro kompenzaci hlavně urbanistických vlastností mého QTH. Vertikální anténa s jedním radiálem vyzařuje např. takto:

Směrovost antény však lze velmi snadno kompenzovat protiváhou ve tvaru meandru:

Pro uvedená pásma je dobré, aby vzdálenost vodičů meandru byla alespoň 20 cm. Lepší účinnost mají antény s širším meandrem, antény s úzkým meandrem byly však méně hlučné:

Shrnutí k počtu a provedení protivah

U jednopásmové antény je jedna protiváha naprosto dostatečná. Takto vyhotovenou anténu by bylo možné charakterizovat jako nesymetrický, jednopásmový, neuzemněný vertikální dipól. Dobrých vlastností lze dosáhnout i při úzké protiváze (zkoušeny právě ty 4 metry).

U vícepásmových antén je nutné volit kompromisy. Uvažoval jsem o těchto:

a) Použít jedinou protiváhu, navrženou pro nejdelší vlnovou délku a pro vyšší pásma ji zkracovat sériovou kapacitou. Pásma by se musela přepínat. Takové řešení však nebylo možné s ohledem na jakost Q antény, tj. průběhy impedancí. Jedinou kapacitou prostě nebylo možné anténu spolehlivě naladit na všech pásmech.
b) Použít tři samostatné protiváhy. Protiváhy musí být od sebe přiměřeně oddělené. I pro ně platí vliv vzájemných impedancí. Takové vyhotovení může být prostorově náročné, přesto bych ho byl schopen i na nevelkém pozemku, který mám, realizovat. A to v rohu plotu na konci zahrady.
c) Použít tři elektricky ve vhodných místech oddělené (pomocí reaktancí) protiváhy. Takové protiváhy budou částečně závislé, ale řešení nám dává volbu nastavovat na každém pásmu samostatně hodnoty impedancí, aniž bychom museli cokoliv přepínat. Nevýhodou řešení je poměrně pracný návrh geometrických rozměrů protivah, které pracují v extrémně nízkých výškách nad zemí. Exaktně a dokonce s použitím freeware SW to však řešit lze, viz výsledné diagramy průběhů impedancí a VSWR (koeficientu odrazu) v odstavci o přizpůsobení.

Jak teoreticky řešit vyzařování?

Jde o velice jednoduchou anténu, jejíž NEC model lze snadno zrealizovat v jakémkoliv programu. Je jedno, v jakém programu budeme řešit její směrové vlastnosti. Zde uvádím ukázku směrových diagramů z Mininec (MMANA):

a zde jedno z uvažovaných řešení z NEC-2:

Řešení impedančních vlastností antény a jejího přizpůsobení

Zde pravděpodobně mnoho čtenářů zklamu. Zapomeňte na MININEC. Zvolil jsem si sice vizuálně jednoduchou anténu, bohužel, pro dost dlouhé vlny a na realizaci protiváhy jsem si nechal trochu místa v prostoru od cca 30 cm do 2 metrů nad zemí. Prvním algoritmem, který je k dispozici zadarmo, je aplikace této metody, uvádím včetně hodnoty komplexní dielektrické konstanty:

Metodu umožňuje aplikovat např. program 4NEC2.

Přizpůsobení

Propaguji DX provoz a digimódy, miluji digimódy a snažím se využít také této výhody z toho plynoucí:
- mohu si dovolit úzkopásmovější antény, protože mají při stejných rozměrech  výrazně vyšší zisk než antény jiné
Aby se dařilo, musím věnovat při vývoji antény péči a pozornost celé řadě geometrických rozměrů a správně počítat impedance. Přizpůsobení prvního prototypu zde popisované antény vypadá v modelu i v realitě takto - obrázek vlevo:

V horním diagramu je průběh reaktancí. Svislé žluté čáry odpovídají kmitočtům 3.576 MHz, 7.076 MHz a 10.120 MHz. Na těchto kmitočtech má anténa rezonanci.

Průběh VSWR (impedance napáječe Z=50 Ohm, použití HF transformátoru) je na obrázku vpravo. Nahoře (horní graf vpravo) je průběh VSWR, pod ním průběh koeficientu odrazu, žlutá čára je na pracovním kmitočtu v pásmu 40m, tam bylo VSWR nejhorší, cca VSWR = 1.35. Anténa je tedy nastavená přesně do úzkých pracovních segmentů pásem a v těchto segmentech je velice dobře přizpůsobená.

Abych docílil takto použitelného průběhu VSWR, musel jsem použít mimo HF transformátoru dva reaktanční prvky v obvodu protiváhy. Jak jsem již dříve uvedl, zářič začíná ve výšce H=2.5 metrů nad zemí a končí ve výšce 12.5 metrů nad zemí. Má tedy pro všechna tři pásma stejnou délku a neobsahuje žádný reaktanční prvek. Rezonanci lze nastavit v obvodu protiváhy pro každé pásmo samostatně, přesně a dostatečně jemně. Nicméně, možností konstrukčního provedení reaktancí je víc, zkouším dvě zapojení a jedno z nich zde budu po ukončení zkoušky publikovat. Tyto zkoušky mi budou chvíli trvat, protože to, co neumím, tak je simulace klimatických podmínek, zejména deště. Bohužel, poslední dobou se mi zdá, že je poměrně sucho a tak jsem čekal na první déšť. Dočkal jsem se až 22.4.2015 večer a hned jsem vyhledával první vhodnou DX stanici v pásmu 40 metrů. Na pásmu pracovalo několik evropských stanic, ale ZL4AD byl poměrně silný. Spojení jsem realizoval s 10 Watty, obdržel jsem report -05, dával jsem report -09. Brianovi jsem QSO potvrdil spojení takto, bohužel, neznám provedení jeho antény:

Poznámky:

1. Meandrové protiváhy realizuji na tyčích pro ohradníky. Rozteč vodičů je podle typu tyče kolem 20 - 22 cm. To je OK a je to ověřeno. Snažím se však tyto protiváhy realizovat z estetických a praktických důvodů na hranicích pozemku v blízkosti plotu. Na takovou konfiguraci poměrně úzkopásmové antény má déšť vliv a já potřebuji znát limity takového provedení.

2. První prototyp bylo možné slušně nastavit na požadovaný kmitočet na každém pásmu jen stříháním 3 konců vodičů. HF trafo T1 a zátěže LOAD 1 a LOAD 2 se u antény nenastavovaly, nastavení bylo provedeno na dílně.

Schéma prvního třípásmového prototypu

 

	První prototyp č. 1 byl zhotoven podle schématu na obrázku vlevo. Protiváhy CP1 a CP2 nejsou meandrové. Jsou orientované podle schématu. Jejich délka se pohybuje od cca 4 do 5 metrů (každá). Protiváhou CP1 se nastavuje přesně rezonance na kmitočtu 10120 kHz. Protiváhou CP 2 se nastavuje přesně rezonance na kmitočtu 7076 kHz. CP3 má tvar meandru a jejím volným koncem se nastavuje rezonance na kmitočtu 3.576 kHz. V pásmech 80/40/30 metrů lze samozřejmě nastavit libovolný kmitočet, ale anténa je úzkopásmová, tj. předem navržená a určená pro práci v úzkém pásmu kmitočtů. Proč zde píšu o prototypu č. 1? Tato anténa nemá žádný přepínač pásem a je vyžadováno vynikající přizpůsobení. Aby byly reaktance Load 1 a Load 2 snadno realizovatelné, byla jasná opakovatelnost jejich výroby bez nastavování, přesunulo se nám několik požadavků na geometrické rozměry na rozměry CP1, CP2 a CP3 (teleskop a stožár jsou u antény konstantami). Nepříjemností je, že kvůli vzájemné impedanci protivah a jejich poloze velmi nízko nad zemí se zkomplikoval návrh antény v několika věcech: - nebylo možné provést návrh v MININEC (není to až tak pravda, zkušený designer by si poradil s návrhem ve free space a s několika málo experimenty) - bylo třeba použít poměrně vysokou výšku CP1 (2.8 metru) - bylo třeba použít poměrně širokého meandru (u prototypu přesně 9m) Prototyp č. 1 ze dne 2.4.2015 však považuji za referenční, s cílem nezhoršit elektrické vlastnosti antény, nezkomplikovat konstrukci reaktancí Lo 1 a Lo 2, nezhoršit jednoduchost nastavování, ale zlepšit především tyto parametry: - výšku CP1 (ze 2.8 na max. 2m, aby nebyly třeba lézt na štafle) - šířku meandru CP3, aby byla menší prostorová náročnost antény
Poznámky:   1. Kdo zkracoval antény pomocí indukčností, tak ví, jak se u zkrácených antén snižuje šířka pásma. Toto platí samozřejmě i u meandru. Šířka meandru má vliv na šířku pásma. První prototypy řeším vždy raději s širším meandrem. Nastavování je jednodušší a jiné vlivy, např. déšť, jsou také méně významné. Šířka meandru má vliv, protože se tím mění jakost Q na daném pásmu. Meandr je přeci nad konkrétně vodivou zemí. Pokud nekonstruujeme anténu jako přepínanou, využijeme tohoto vlivu a upravíme šířku a tvar meandru pro dosažení potřebné impedance. 2. Vliv má také vzájemná impedance CP1 a CP3, nastavuje se jejich vzdáleností.
Near field
Grafické znázornění near field se zakresleným schématem antény je detailně vidět na obrázku vpravo. Všimněte si, že značná intenzita pole (V/m) je u této antény od nulových výšek a v nízkých výškách směrem k horizontu. Na obrázcích dole je pro srovnání near field pro vertikály (zleva): 1/4 lambda, 5/8 lambda a vertikál s meandrem. Obrázky jsou se stejným měřítkem. Občas jsem vyslechl v diskuzích úvahy o velikosti Fresnellovy zóny. Myslím, že bez výpočtů near field není na první pohled vše až tak jasné.
Vyzařování antény nad reálnou zemí, nad perfektní zemí a ve volném prostoru (jen 3576 kHz)   Poznámky: 1. Raději než teď učiním nějaký závěr, provedu zopakování faktů. Anténa byla navržena jako neuzemněná, od země izolovaná. To neznamená, že ke své činnosti nevyužívá zem. 2. Tím, že anténa není symetrická,  meandrovitá protiváha (nebo vodorovná protiváha), která byla použita kvůli prostorovým nárokům deformuje vyzařovací diagram. Z diagramů vidíte, že by popsaná anténa vyzařovala směrem k horizontu, tj. na elevačním úhlu např. 10° o méně než 3 dB proti stejné anténě nad perfektní zemí (modrá čára). Velmi rozšířeným mýtem, o kterém jsem mnohokrát slyšel, je, že vertikální antény, které jsou navržené a konstruované bez radiálů (z profi např. GAP Titan DX) nepotřebují ke své činnosti dobrou zem. Ty antény ji skutečně nepotřebují k tomu, aby byly např. dobře přizpůsobené. Ke vzniku vzdáleného elektromagnetického pole ji však potřebují vždy a právě rozdíl parametrů země (vodivost, dielektrická konstanta) dělá rozdíl ve vyzařování, který může být větší než 3 dB. 3. Opět v noci zapršelo. Voda na trávníku pod anténou a na nosných tyčích protiváhy neměla na naladění antény zásadní vliv a to mě potěšilo. 4. První zkušenosti s anténou jsou dobré. Podle pásem bych je shrnul asi takto: a) Na pásmu 40m se mi anténa jeví jako lepší proti modifikovanému GAP TItan DX. Přijímané signály jsou silnější, čístější. Nedokážu posoudit, jak by se anténa chovala ve srovnání se čtvrtvlnným vertikálem. V novém QTH nemám k dispozici systém zemních radiálů. Protože mám QTH v blízkosti rozvodny 110 kV, sídliště a trolejové trakce, nemohu provést ani srovnání s vertikálem, který bude uprostřed zahrady a bude mít 4 radiály na trávníku. Taková anténa v mém QTH prostě nefunguje a při příjmu přijímá značné průmyslové rušení, ve kterém zmizí slabé signály mezikontinentálních stanic JT65. Informoval jsem se u majitele mého bývalého QTH, zda již demontoval systém zemních radiálů u paty vertikálů. A měl jsem radost, že pata i vertikály stále existují. V tomto QTH přijímaly obě antény velice dobře, jenže anténa s meandrovou protiváhou funguje nad zemí s mnoha radiály také lépe, než nad suchou zemí.
b) Na pásmu 80m má anténa výrazně lepší vlastnosti než GAP Titan DX. Přijímané signály jsou čistější, silnější a stejného reportu dosáhnu u protistanic s výkonem 5 až 10 x nižším. Hezké reporty, zejména z USA, mě mile překvapily bezprostředně po instalaci prototypu. c) Nemohu sloužit se srovnáním vlastností se skutečnou čtvrtvlnnou vertikální anténou s nadzemními radiály. Nikdy jsem takovou anténu neměl. Pokud však uvažujete o jednopásmové anténě pro 80m, pořiďtě si vyšší teleskop (dají se sehnat hezké 18m) a zhotovte zářič se šroubovicí o délce jedné čtvrtiny vlny. Jako protiváhu použijte jen jeden kus širokého meandru ve výšce 2 metry nad zemí a výsledek se určitě dostaví. Ani v takovém nepodceňujte základní roli balunu. Koaxiální napáječ vám opravdu vyzařovat nesmí.