Co když je vertikál šikmý?

.........................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Přiznám se, že jsem téma, o kterém dnes píšu, trochu "zneužil" k vysvětlení úplných základů a také úplně základních funkcí, kterými programy na numerické modelování elektromagnetických polí disponují. Související témata k článku na mém webu rovněž naleznete. Témata se týkají vlivu země a zemní roviny na vyzařování vertikálu.

Experiment

Pro experiment lze použít nejrůznější antény. Velice vhodné však pro experiment jsou tzv. neuzemněné vertikální antény, které vycházejí při své konstrukci z vertikálního dipólu, např. mnou často popisovaný geniálně zkrácený Hy-Gain se dvěma klobouky, přibližně půlvlnný GAP Titan DX nebo AV-620, AV-640, apod. Ostatně, klidně lze použít i vertikální dipól. Druh vertikální antény tedy není až tak podstatný.

Základní funkce programů NEC, které pracují s momentovou metodou a využívají principu tzv. zrcadlení od zemní roviny

Jednotlivé programy se liší např. v tom, jakým algoritmem modelují vliv zemní roviny, jak pracují např. s modelem zemních radiálů nebo s modelem nadzemních radiálů, které jsou nízko. To však není až tak podstatné, pokud začínáme antény pomocí těchto programů modelovat, navrhovat a optimalizovat a chceme vystačit pouze s jednoduchými modely antén a s vlastnostmi země, které nastavujeme pomocí jednoduchých parametrů. Všechny programy však mají toto společné:

1. umožňují modelovat anténu ve volném prostoru (free space)
2. umožňují modelovat anténu nad dokonale vodivou zemí (perfect ground)
3. umožňují modelovat anténu nad reálnou zemí (real ground)

U mnoha příkladů na tomto webu jsem použil vyzařovací diagramy, které byly výsledkem modelování podle bodu 3., tj. antény instalované nad reálnou zemí. A měl jsem proto důvody, které jsem u konkrétních příkladů vždy uváděl. Hlavní důvody však vždy byly dva. Jednak jsem si vlastnosti takto modelované antény ověřoval v provozu a jednak jsem si vytvářel vlastní, mnohem složitější reálný model zemí na svých QTH, které používám ke zkouškám antén. Jednoduchý model však pro výpočet polí momentovou metodou pracuje se dvěma parametry - s vodivostí země a s její dielektrickou konstantou. V tabulkách k programům najdete, jak pro první kroky a pro konkrétní vlastnosti země hodnoty těchto parametrů volit.

Programy však mají tři základní režimy, které lze k modelování použít. A k tomu jsem "zneužil" tento článek.

Vertikální dipól ve volném prostoru

1. Kdo zná základy vektorového počtu, určitě vynechá tento odstavec. Ze základních znalostí vyzařování elementárního dipólu ví, že takový dipól vyzařuje maximálně ve směru kolmém na jeho osu a vyzařování ve směru jeho osy je nulové. Máme-li místo svislého dipólu L anténu nebo pokud je dipól šikmý, potom horizontální kousek L antény nebo horizontální složka šikmého dipólu vyzařuje část energie kolmo na osu svislé části. Takový případ vidíte na obrázku vpravo. Použil jsem model antény, která je šikmá (sklon cca 20° od vertikání osy. "Nekonečné" minimum zmizelo a vyzařování je potlačeno jen o necelých 10 dB. Někdy se to hodí, jindy to může být na závadu. Současně si všimněte, že vyzařování k horizontu je prakticky stejné. Ale to už víte z mých předchozích článků, kde jsem popularizoval zkracování antén a nějak se snažil dokázat, že přiměřené zkrácení nemá na zisk zásadní vliv. Pokud si z jakéhokoliv důvodu chceme srovnat pomocí modelování teoreticky dosažitelné parametry antén, použijeme jejich srovnání ve volném prostoru (free space).
Vertikální dipól nad perfektní zemí
2. Pokud jsme se v experimentování s anténami dostali od laických úvah nad katalogovými údaji různě seriózních výrobců, od uváděných hodnot zisků a hodnot PSV (VSWR) až k úvahám o jejich vyzařování a k úvahám o tom, proč se nám jeví nějaká anténa jako lepší a jiná jako horší, proč je jedna anténa tichá a jiná nám zahlcuje špičkový a drahý přijímač s vysokou odolností hlukem, pravděpodobně jsme se dostali k úvahám o vlivu všudypřítomné země. Prakticky jsme pravděpodobně zjistili, že anténa nám určitě vyzařuje podle očekávání v horizontální rovině, ale že je důležité věnovat pozornost jejímu vyzařování ve vertikální rovině. Ve svých úvahách jsem často psal o vyzařování antény směrem k horizontu. Ano, takové vyzařování je důležité pro DX spojení na velké vzdálenosti. A snažím se přijít na kloub, jaká hodnota vyzařování směrem k horizontu je ta správná, ta potřebná. Zda stačí, aby anténa měla na spodním laloku maximum vyzařování na 10°? Nebo zda se musím honit za hodnotami mezi 2°až 5° ? Opravdu nevím, co je potřebný kompromis. Vím pouze, že s anténami, které vyzařovaly k horizontu slušně, jsem snadno dělal DX spojení s protinožci a se směrovkami jsem dokázal demonstrovat hezká spojení tzv. dlouhou cestou (long path). 3. Všudypřítomná zem nám způsobuje skutečnost, že anténa vyzařuje tzv. horními postranními laloky (sidelobes). S ohledem na délku vlny však nemá téměř nikdo možnost takové vyzařování měřit. Lze ho však velice snadno modelovat. V programech NEC k tomu použijeme režim Perfect ground. 4. Na obrázku vpravo vidíte vyzařování vertikálního dipólu nad perfektní zemí (červená čára). Všimněte si výrazných minim. Modrá čára ukazuje vyzařování šikmého dipólu. Vidíte, že minima nejsou nekonečná, ale jsou menší než 10 dB. Proč o tom píšu? Všimněte si, jak jsem v předchozím textu napsal, že vlastně nevím, jaká je správná elevace pro konkrétní DX spojení. Vím však, že minima ve vyzařování ve svislé rovině jsou nepříjemná a mohou nám realizaci tolik touženého spojení naprosto znemožnit. Zatímco o vyzařování a směrovosti antén v horizontální rovině, myslím, nemá dostupná literatura a články na Internetu příliš dluhů, netvrdím toto o vyzařování antén ve vertikální rovině. Všiml jsem si mnoha často až zavádějících nebo dokonce nesmyslných informací o takovém vyzařování. Přitom je však pravdou, že stačí použít jen několika málo kroků a máme o tom jasno. Pokut mám zevšeobecnit, ppak snad prostým konstatováním, že sidelobes pro konkrétní výšku antény a také pro efektivní délku zářičů je třeba řešit.
Vertikální dipól nad konkrétní zemí
5. O modelování antén nad konkrétní zemí je mnoho (většina) mých článků na tomto webu. Psal jsem o dvou důvodech. Hledám potřebný kompromis ve vyzařování. Ten spočívá v tom, aby moje anténa nebyla monstrem. Příhradový stožár už jsem měl a vlastnosti směrovek jsem si vyzkoušel v praxi i jejich vlastním vývojem. S investicemi lze vyřešit ledacos. Potřebný kompromis však spočívá v tom, že vám anténa září směrem k horizontu, nikoliv do nebe a vzdálené DXy vám opravdu neutečou. Někdy však potřebujete udělat i spojení na menší vzdálenosti. Na obrázku vpravo je znázorněno vyzařování svislé a šikmé vertikální antény. Směrem k  horizontu na nejnižších úhlech vyzařují obě stejně. Šikmá anténa (nebo L anténa) má však o něco vyšší maximum elevačního úhlu na hlavním laloku (mainlobe) a má potlačena minima mezi ostatními laloky (sidelobes). To se může někdy hodit. Několik hamů má ode mne jednoduché vertikální antény, např. Compact 80/40/30m. Konkrétně tahle anténa byla navržena jako L anténa a má poměrně rozumně a cíleně potlačeno minimum směrem vzhůru. Protože si anténu pořídili hamové, kteří také rádi experimentují, tak mohu pozorovat nejenom na vlastních pokusech, jak po prvním se praktickém seznámení budují síť radiálů a zvyšují účinnost antény. A pociťují nejprve výhody potlačených minim mezi sidelobes, ale aaž do okamžiku, kdy již anténa přibrala na účinnosti a začínají samozřejmě přibývat DX stanice, ale také okamžiky, kdy již pozorují práci mnoha stanic z různých směrů na jednom kmitočtu a kdy, bohužel, také začínají pociťovat zahlcení nežádoucími silnými signály. V takovém okamžiku již výhody L antény končí a nezbývá než ji předělat na anténu s kapacitním nevyzařujícím kloboukem.
Rozdíly mezi diagramy free space a perfect ground
6. Na obrázku vpravo jsem pro úplnost uvedl pro tutéž anténu, kterou jsem použil při úvahách v tomto článku všechny tři diagramy jejího vyzařování, tedy jak vyzařuje ve volném prostoru, nad perfektní zemí a nad reálnou zemí. Všimněte si, že nejmenšího zisku anténa dosahuje ve volném prostoru. I to je dávno známá věc. Např. často slyšíte u antém pro EME stanice, že využili tzv. ground gain, tedy zisku díky zemi  u nízko instalovaných antén. Stanice si to mohou samozřejmě dovolit, pokud pracují s elevačními úhly např. 20°, když je měsíc dost vysoko nad horizontem. Jak určitě tušíte, nejvíce energie nám vyzařují laloky antény nad perfektní zemí (mainlobe and sidelobes over perfect ground). Bohužel, vyzařovací diagram má ta nepříjemná minima. A někde mezi tím nám vyzařuje anténa nad reálnou zemí.
Výška experimentální použité antény nad zemí
7. O vlivu výšky na vyzařování vertikální antény jsem opět psal v několika článcích. Vpravo na obrázku pro úplnost uvádím, jak anténa vyzařuje nad reálnou zemí těsně nad zemí, ve výšce 1 x lambda a 2 x lambda. Všimněte si zisku, sidelobes a minim v diagramu a srovnejte s předchozím textem.

Na závěr veřejně pogratuluji na webu známému hamovi Jardovi, OK1SCJ za hezká spojení DX na vertikální antény a také k hezkému digi  QRP spojení s Joe Taylorem K1JT s pěkným reportem. A také k hezké dcerce Jitušce, které je teprve několik měsíců, ale nejen, že dělá Jardovi radost, ale dovolí mu sednout k rádiu a také napsat o svých experimentech na hezkém blogu: http://ok1scj.blogspot.cz 
Jarda nejen, že donutil jednoduchou a krátkou vertikální anténu vysílat do směrů tak, jak má a k účinnosti, která je třeba, ale zjistil a prakticky dokázal, že rovněž s tak malou anténou lze dělat hezká DX spojení s nepatrnými výkony.