Pár základních věcí o vertikálu ....

Na tomto webu jsem věnoval vertikálním anténám nejrozsáhlejší kapitolu, ale přesto se znovu pokouším o jakýsi souhrn vlastností, které chci vysvětlit na příkladu přibližně 10 metrů vysokého vertikálního zářiče, který je napájen v patě. A uvádím několik příkladů, jak vyřešit přizpůsobení a případně účinnost antény. Článek je vhodný pro začátečníky, kteří se seznamují ze základními pomůckami pro návrh antén, tj. s nějakým z programů NEC a umí dělat základní úlohy ve Smithově diagramu.

Vyzařování antény

Takto jednoduchá anténa se hodí na to, abyste si vyzkoušeli několik věcí:
1. Že jde o plnorozměrný, tedy nekrácený čtvrtvlnný vertikál pro pásmo 40m. V podvědomí jistě máte informace o vyzařování čtvrtvlnného vertikálu, jeho zisku, účinnosti i směrové charakteristice. Víte, že s takovým vertikálem se dovoláváte na jiné kontinenty i k protinožcům.
2. Že vertikál o výšce 10m dokážete přizpůsobit i na pásmu 80m a získáte kompromisní DX anténu, která však bude mít mnohem menší účinnost, ale i tak s ní uděláte mnoho mezikontinentálních spojení.
3. Že vertikál těchto rozměrů snadno přizpůsobíte i na vyšších pásmech. Použitelný však bude jen do výšky cca 0.625 x lambda (5/8 lambda). Při vyšších kmitočtech vám už mnoho DX radosti neudělá. Vyzařuje totiž příliš vzhůru, nikoliv k horizontu. O této skutečnosti jsem napsal před několika léty celou řadu článků a jeden z nich je např. zde. Pokud máte trpělivost a možnost přepínat např. mezi půlvlnným vertikálním dipólem a zde popsanou 10m vysokou anténou, zjistíte toto: na půlvlnný vertikální dipól nízko nad zemí slyšíte i touto dobou DX stanice z jiných kontinentů, ale na tento desetimetrový vertikál slyšíte mnohem silněji evropské stanice, nikoliv však z nejbližšího okolí, jak dělají (ty s dobrými anténami) mezikontinentální spojení. Jejich protistanice však neslyšíte. Orientační vyzařování našeho vertikálu lze velice rychle vyšetřit v jakémkoliv NEC programu, v MMANA to lze téměř na jedno kliknutí od 3 do 25 MHz a výsledek vypadá takto:

Čeho je dobré si všimnout? Sledujeme graf v pravé části, připsal jsem tam komentáře a tabulku pod ním. Na kmitočtech 3 a 8.5 MHz (samozřejmě i na 3.55 a 7.2 MHz) vyzařuje vertikál krásně směrem k horizontu. K horizontu vyzařuje i na pásmu 14 MHz. Všimněte si, že impedance je vysoká, R je větší než 1000 Ohmů a jX poblíž resonance. Na kmitočtu 19.5 MHz vidíte, že druhý lalok vyzařuje stejně silně, jako základní, kamsi pod úhlem 45°. Na kmitočtu 25 MHz už anténa září do nebe a pro DX komunikaci není příliš použitelná.

Impedance

Pokud budeme v patě, v místě napájení měřit impedance nebo pokud je budeme počítat v NEC programu, získáme s vysokou pravděpodobností tento průběh:

Zdálo by se, že vertkální zářič o výšce kolem 10 metrů je jednopásmový monobander, což ovšem může být zavádějící tvrzení. Anténu lze minimálně na 5 pásmech přizpůsobit a používat.

Jak řešit přizpůsobení ?

Pásmo 80 metrů

V pásmu 80 metrů máme několik možností, jak anténu přizpůsobit. Z hlediska návrhu je nejjednodušší nějak vypočítat (navrhnout) indukčnosti tzv. hairpin-match přizpůsobení. O hairpin-match jsem psal např. zde a v tomto článku jsem uvedl postup, jak si vypočítat konstrukci oblíbeného vertikálu HF2V. Tady zopakuji nejjednodušší metodu výpočtu pomocí kalkulátoru v MMANA (dostupný z menu a utilita se jmenuje HF components). Nastavíme sériovou kompozici match obvodu - viz zvýraznění oválkem a přečteme výsledek, tj. hodnoty indukčností L1 a L2:

Pro informaci uvádím schéma, kde jsou obě indukčnosti v patě vertikálu:

Vertikál můžeme samozřejmě také modelovat a hodnoty indukčností vypočítat numerickou metodou, která je v MMANA také jednoduše použitelná. Výsledek této metody je o něco přesnější, protože již lze nastavit, byť velice omezeně, geometrii indukčností. Postupujeme takto:

Po vložení výchozích hodnot indukčností do středu jednotlivých vodičů nastavujeme:

- cíl, že optimalizujeme jX (částečně) a SWR (maximálně)
- čím optimalizujeme - pomocí hodnot L1 a L2, které jsou zadané jako Load 1 a Load 2, nastavíme krok a nějaké výchozí hodnoty, které musí být blízko těch očekávaných. Jde o numerickou metodu, sledujeme její konvergenci. Zpravidla nám takové zacházení sebere nějaký čas, než se s tím skamarádíme, ale metoda se nám stane neocenitelným pomocníkem při různém řešení reaktancí v obvodech antén, nikoliv jen v tomto příkladě ...

Hodnoty indukčností se vkládají zde (a vypočtené výsledky uvidíme ve stejném místě). Musí být zaškrtnuto "use loads", jinak by program nebral ohled na vložené reaktance:

V pásmu 80 metrů lze řešit samozřejmě jak hairpin match, tak i jiné způsoby přizpůsobení rychle a jednoduše např. ve Smithově diagramu. Níže uvádím minimálně 3 druhy přizpůsobování (hairpin-match, L článek a využití L+HF transformátor):

Do Smithova diagramu vpravo jsou zakresleny: - impedance antény jako bod Z = 6 - j338 (malý zelený čtvereček vpravo), sériová indukčnost L1 = 14.43 a paralelní L2 = 0.8 mikroH, vše zobrazují zelené kružnice, L2 končí ve středu diagramu a pro informaci je zakreslena modrá kružnice, která ohraničuje VSWR = 1.2 a poblíž obvodu jsou rozsvíceny oblouky s Q = 25, pokud bychom chtěli počítat match loss ztráty. I tak vidíme, že z pohledu ztrát jde o řešení, které bycho označili "nic moc". Transformační poměr je prostě velký, transformujeme v patě a match loss ztráty hrají roli dosti zásadní. Alespoň však budeme vědět, proč např. tento 10 metrový vertikál nechodí tak dobře, jako třeba jen 7 metrů vysoká L anténa Compact, kterou jsem vyrobil a popsal zde. Pokud máme možnost přepínat, rozdíly opravdu nepřehlédneme :-)
Také můžeme vyzkoušet jiný druh přizpůsobení. Desetimetrový vertikál nám přizpůsobí i prostý L článek. Na obrázku vpravo je namalován L článek typu horní propust. Hodnoty indukčnosti a kapacity jsou: L= 11.3 mikroH a C=45 pF. Transformační poměr je veliký, Q obvodu je vysoké, ladění ostré a účinnost nevalná. Jde o ještě horší metodu přizpůsobení, než, kterou jsme použili v předchozím případě. Metoda má však jednu zásadní výhodu, pokud nám jde o možnost přepínat na vertikálu pásma. Schéma přizpůsobovacích obvodů je identické jako u pásem 10, 14, 18 MHz. Hodnoty LC jsou samozřejmě jiné.
Poslední metoda, kterou popisuji, používá ke kompenzaci kapacitní složky antény sériovou indukčnost L. Tu ostatně používá i první metoda, hairpin match. Sériová indukčnost o velikosti 15.2 mikroH nám zcela zkompenzuje jalovou složku antény. Nízká impedance však musí být transformována pomocí balunu s vhodným poměrem. Z hlediska ztrát je toto řešení lepší, než obě dvě uvedená předchozí řešení.

Pásmo 40 m

Na tomto pásmu pracuje anténa jako čtvrtvlnný vertikál. VSWR = 1.4 (i lepší, pokud máme mizerný zemní systém). Další přizpůsobení není třeba.

Pásma 20m, 17 m a 30 metrů

Na všech uvedených pásmech anténu přizpůsobíme snadno pomocí prostého L článku. Zvýšenou pozornost si vyžaduje pásmo 20 metrů. Diagram vlevo dole. Anténa zde má paralelní rezonanci (je půlvlnná), impedance v místě napájení je vysoká (přes 1000 Ohmů i při nízké výšce). Na zbývajících dvou pásmech (17 a 30 metrů) má anténa reálnou složku impedance malou (kolem 100 Ohmů), ale vysokou jalovou složku - na 10 MHz induktivní charakter, na 18 MHz kapacitní charakter. Jak je řešeno přizpůsobení je zřejmé ze Smithových diagramů dole. Poznámka: V praxi nebyl použit prostý L článek. Důvodem je, že indukčnosti byly realizovány z robustní měděné trubičky o průměru 6 mm a pro každé pásmo byla vyvedena odbočka. Takto realizovaná indukčnost není zcela přesně nastavená na požadovanou hodnotu, ale na hodnotu nepatrně nižší. Přesné ladění je provedeno 2 kondenzátory. Pokud bychom je nepoužili, nebyli bychom schopni naladit v dané přesnosti nastavení indukčností VSWR lépe, než na hodnotu cca 1.3.