|
další info
>>>> |
O anténách |
|
|
|
Kontakt |
 |
|
|
Proč jsou některé čtvrtvlnné
vertikály delší než 1/4 vlnové délky? |
|
Úvod Tento článek vysvětluje některé důvody, které vedou
konstruktéra antény k tomu, že volí délku zářiče čtvrtvlnné antény o něco
větší, než 0.25 wl. Článek je určen začátečníkům, kteří se seznamují s
možnostmi anténního analyzátoru a základních softwarových pomůcek, jako je
program MMANA a Smithův diagram. Princip je vysvětlen na vertikální anténě
pro pásmo 40 metrů a na konci je aplikace metody pro zkrácený vertikál na
80 metrů.
Vlastnosti čtvrtvlnného vertikálu
Čtvrtvlnný vertikál je jednou z nejmenších antén, která se ještě hodí pro
DX provoz. V porovnání s jinými anténami má nízký vyzařovací úhel (to je
dobré) a malý
zisk (proto se ho snažíme nepromrhat). Jedná se o anténu uzemněnou, pokud
je konstruován se zemními radiály. Z pohledu účinnosti jsou však zajímavé
neuzemněné antény s nadzemními protiváhami). Abychom vertikál mohli pro DX provoz
vůbec použít a aby anténa fungovala, musíme dodržet poměrně mnoho zásad. O
těch se dočtete v mnoha dalších článcích na mém webu. Přesto zde zopakuji
několik skutečností, které mají na vlastnosti antény vliv.
Impedance čtvrtvlnného vertikálu je asi 37 Ohmů, pokud ho zrealizujeme
nad dokonale vodivou zemí nebo s velkým množstvím zakopaných radiálů.
Pokud naměříme v rezonanci větší reálnou složku impedance, např. 50 Ohmů,
máme vertikál sice dobře přizpůsobený, ale pracuje nám s účinností asi
kolem 50 %, tj. s další zbytečnou ztrátou asi 3 dB. Abychom účinnost
zvýšili, zakopeme do země další radiály a impedance nám klesne. Nebo
použijeme nadzemní radiály a impedance nám opět klesne. Totéž zjistíme,
pokud vertikál pro pásma nízkých kmitočtů zkrátíme pomocí kapacitních
kloubouků a/nebo indukčností. Pokud však zvyšujeme délku vertikálu nad 0.25 x
lambda, zjistíme, že roste nejen jalová složka impedance, ale rovněž
reálná složka impedance - příklad viz následující tabulka. Průběh
impedancí v závislosti na výšce vertikálu

V tabulce uvádím s přiměřeným krokem vlnové délky od 0.245 wl do 0.275 wl
R a jX u různě dlouhých vertikálů s nadzemní protiváhou. Všimněte si, že u
krátkého vertikálu 0.245 wl je R jen asi 36 Ohmů a jX = -10 Ohmů - viz
sloupce zleva. Zisk a vyzařování antény se nemění a uvedu ho dále.
Všimněte si také, že u délky nad 0.275 wl je již R větší než 50 Ohmů, ale
jalová složka má induktivní charakter a hodnotu téměř 100 Ohmů. Dále si
všimněte úplně prvního řádku, kde jsem označil výšku 0.273 wl červeně.
Je to důležitá hodnota, při které má anténa R=50 Ohmů. Na dalším obrázku
ukazuji jednoduché schéma, ze kterého je zřejmé, jak snadno se kompenzuje
jalová složka antény, reálná složka nám zůstává - viz Smithovy diagramy a
vertikál máme opravdu dokonale a bezeztrátově přizpůsobený. Schéma
vertikálu s nadzemními radiály

Vertikál s přesně nastavenou výškou tak, aby R = 50 Ohmů
lze snadno přizpůsobit sériovou kapacitou - viz Smithův diagram a vyzařuje
stejně, jako čtvrtvlnný vertikál - viz far field vyzařovací diagram
vpravo. Všimněte si, že VSWR = 1.0
|

|
 |
Napájení vertikálu a provedení protiváhy
Vertikál o délce téměř 0.28 lambda lze napájet
koaxiálním kabelem o vlnovém odporu (char. impedanci) 50 Ohmů.
Nicméně, koaxiální kabel nebudeme připojovat přímo minimálně ze dvou
následujících důvodů, ale použijeme co nejlepší balun, který nám
zamezí tomu, aby proudy tekly do uzemnění stanice. Pokud tuto zásadu
nedodržíme, snadno znehodnotíme vertikál natolik, že nebude použitelný
při příjmu (hluk, rušení). Druhým důvodem může být naše snaha o
docílení všesměrového diagramu. Pokud pro docílení všesměrového
diagramu použijeme dvou stejně vysokých protivah (180°proti sobě),
potom se nám snadno přihodí, že koaxiální kabel poslouží jako třetí
protiváha a díky proudům, které mohou téci po plášti do společného
bodu protiváhy nám budou deformovat vyzařovací diagram.
Poznámky:
1. Pro nejlepší účinnost vertikálu použijeme pouze jednu nadzemní
protiváhu, ale diagram bude deformován (viz další články o vertikálech
na tomto webu).
2. Pro nejlepší všesměrovost v horizontální rovině použijeme dvě
nadzemní protiváhy.
3. Pro dobrý kompromis použijeme protiváhu ve tvaru meandru (preferuji
toto řešení, viz další články o vertikálech).
4. Pro snad ještě použitelný kompromis a jednoduchost řešení použijeme
dobrý proudový balun 1:1
5. Pro slušné řešení použijeme k napájení HF oddělovací transformátor.
6. Koaxiální napáječ nikdy nepřipojujeme přímo. Přizpůsobení sice bude
dokonalé, ale hluk antény pravděpodobně také.
7. Koaxiální napáječ v místě u antény neuzemňujeme a střed nadzemní
protiváhy nespojujeme se zemí. Zem se nám svou vodivostí podílí na
zrcadlení antény, nikoliv však na vedení zemních proudů k patě antény.
K vedení proudů do paty vertikálu slouží rezonanční protiváhy.
8. Protiváhy nízko nad zemí mají vyšší kapacitu vůči zemi. Někdy mohou
být přičinou většího hluku antény. Já jsem je realizoval na izolačních
tyčích pro elektrické ohradníky jako meandrové (skládané) protiváhy.
Použití HF transformátoru
HF transformátor nám dokonale oddělí vertikál od
země i napáječe. Společné proudy po koaxiálu nám do uzemnění stanice
nepotečou. Rovněž kapacita napáječe proti zemi bude maličká a vertikál
bude při příjmu velice tichý, jako jakákoliv jiná symetrická od země
izolovaná anténa s dobrým balunem. Bohužel, řešení má jedno úskalí.
Skutečný HF transformátor nám zatíží vedení v místě napájení
induktivní jalovou složkou a jediným řešením je pečlivé měření
impedancí a zpravidla další prodloužení zářiče vertikálu, např. až na
0.3 x lambda (0.3 wl).
Na obrázku vlevo pod tímto textem vidíte, že jsem zvedal délku
vertikálu tak, že reálná složka již byla vyšší než 50 Ohmů. Indukčnost
HF transformátoru mi ji zkompenzovala na hodnotu 50 Ohmů a kompenzaci
jalové induktivní složky provedl kondenzátor. Na obrázku vpravo
vidíte, že HF transformátor byl použit u antény s R = 50 Ohmů.
Induktivní složku trafa jsem zkompenzoval paralelní kapacitou na R= 50
Ohmů a induktivní složku antény jsem zkompenzoval jako ve všech
případech, o kterých je tu řeč, sériovým kondenzátorem.
|
 |
 |
|
Průběh
VSWR kolem rezonance V diagramu vpravo je
vidět hezký průběh poměru stojatých vln u popsané antény. Minimum VSWR
je přesně 1:1. Tato vlastnost je pro anténu konstruovanou podle
zde uvedených zásad typická. V celém pásmu 40m je VSWR u popsané
antény menší než 1.5, tato vlastnost je daná použitou konstrukcí
nezkrácené antény. |
 |
Je řešení použitelné při zkrácených anténách?
V pásmu 80 metrů a 160 metrů budeme z konstrukčních důvodů
donuceni anténu zkracovat. U popsané antény pro 40 metrů jsem vzorek
realizoval měděným lanem Rupalit omotaném se strmým stoupáním na
laminátovém teleskopu 12.5 metru. Na stejném teleskopu, protože delší
nemám, jsem realizoval také vzorek pro pásmo 80 metrů, opět s
meandrovou protiváhou. V tomto případě se jedná o anténu, která je
prodloužená vlastní indukčností. Pokud budeme na teleskop indukčnost
vinout tak, aby R=50 Ohmů, naměříme jX = 892 Ohmů (v mém případě, s
protiváhami o délce 0.25 wl). Tuto induktivní složku lze snadno
vykompenzovat pomocí sériové kapacity asi 50 pF v patě antény. Viz
diagram dole. Nekompenzovaná anténa by měla VSWR větší než 300,
vykompenzovaný vertikál má VSWR = 1. |
 |
 |
Závěr
V článku jsem se snažil začínajícím hamům vysvětlit, v
čem mohou být příčiny nespokojenosti se svými vertkály (hluk, malá
účinnost, malý zisk) a uvedl jsem příklad, jak lze vertikál také
řešit, dokonale přizpůsobit, provozovat ho s dobrou účinností a těšit
se z toho, že vertikál je tichý a dobře poslouchá. A také jsem se
pokusil vysvětlit, proč někteří konstruktéři čtvrtvlnných vertikálů
navrhují o něco vyšší výšku. |
|
|
|
|
|