Vertikální antény II.  

Tento článek jsem napsal na přání mnoha HAMů, se kterými jsem v poslední době vedl diskuzi o vertikálních anténách. Vertikální anténa je oblíbenou anténou nejen u začátečníků, ale i u zkušených hamů. Přestože jde o jednoduchou anténu, byl jsem požádán, abych napsal, jaká jsou její úskalí, jaké jsou nejčastější chyby při návrhu nebo realizaci takové antény, jak lze realizovat vícepásmové antény, atd. Témat je to mnoho a rozhodl jsem se postupně napsat o problematice vertikálních antén více (několik) článků. Podotýkám, že problematika je známá mnoho desítek let a lze se o všem dočíst v mnoha klasických knihách. Zmínil bych zde zejména unikátní Termanovu knihu, kterou bolševik přeložil, upravil a vydal jako Smireninovu Radiotechnickou příručku, která byla přeložena do češtiny v roce 1955. Jde o vynikající knihu, kterou doporučuji mít, číst a prostudovat. Přestože nám kniha odpoví na mnoho otázek, soudobé metody studia vertikální antény jsou mnohem jednodušší. Je snadné naučit se dělat s nějakým, třeba i nejjednodušším programem typu NEC, resp. MININEC a různé geometrické situace nebo návrhy si jednoduše namodelovat, odpovědět si na otázky výsledkem ryze inženýrské metody a ve věcech mít jasno.

(poznámka The Numerical Electromagnetics Code - NEC -  has been developed at the Lawrence Livermore Laboratory, Livermore, California, under the sponsorship of the Naval Ocean Systems Center and the Air Force Weapons Laboratory. It is an advanced version of the Antenna Modeling Program (AMP) developed in the early 1970's by MBAssociates for the Naval Research Laboratory, Naval Ship Engineering Center, U.S. Army ECOM/Communications Systems, U.S. Army Strategic Communications Command, and Rome Air Development Center under Office of Naval Research Contract N00014-71-C-0187. The present version of NEC is the result of efforts by G. J. Burke and A. J. Poggio of Lawrence Livermore Laboratory)  - podrobnější dokumenty lze najít v Internetu nebo stáhnout zde.

Nicméně, v tomto článku, tak, jak jsem slíbil, zopakuji základní principy, ve kterých musíme mít při návrhu vertikálních antén jasno.

Zisk vertikálních antén

Zejména ve firemních prospektech uvidíte různá čísla o tom, jaký zisk má vertikální anténa a autoři takových článků se předhánějí v "marketingu". Prosím, pokud jste se dostali až sem, přečtěte minimálně ještě další odstavec! Pokud je vertikální anténa na zemi, tj. ve výšce h=0m, má zpravidla zisk, který je závislý na délce zářiče a je uveden v grafu:

Z grafu je zřejmé, že u hodně krátkých vertikálů je zisk o mnoho dB menší než u půjvlnného zářiče. U čtvrtvlnného vertikálu je zisk asi -1.75 dBi. Všimněte si, že u dlouhých vertikálů (např. 1,25 - 1,5 lambda) je zisk asi 5 dBi. To by bylo super: Uvedená hodnota zisku je skutečně pravdivá, ale, jak jsem v úvodu řekl, čtěte minimálně další odstavec. Tento zisk je v praxi nevyužitelný, protože anténa září pánu Bohu do oken, dále píšu "do pryč" tedy tam, kde takové vyzařování pro pozemní DX komunikaci nikdy nevyužijeme. I když se slušným ziskem, hi.

Vyzařování vertikální antény

Pro DX komunikaci potřebujeme, aby vertikální anténa vyzařovala v nízkých úhlech, např. s elevací 15 až 25 stupňů. Vertikální antény, které jsou na zemi, tj. v h=0m vyzařují s těmito úhly:

Z obrázku vidíte, že nejnižší vyzařovací úhel má anténa o délce asi 0.625 lambda (tj. 5/8 lambda). Proto se tato délka stala velice oblíbenou, ale není to jediný důvod. Druhým důvodem je, že se tento vertikál dá snadno přizpůsobit k napáječi s impedancí 50 Ohm.

Z obrázku rovněž vidíte, že vertikál s délkou zářiče, která je větší než 0,75 lambda září "do pryč" a vyzařování s vyššími délkami zářičů již nikdy nemá nízký úhel, který by se dal použít pro pozemní komunikaci. Přestože má takový vertikál zisk o mnoho dB vyšší než vertikál pětiosminový nebo čtvrtvlnný.

Pro informaci uvádím, že čtvrtvlnný vertikál má proti půlvnnému zisk cca -1.75 dBi a vyzařuje pod úhlem asi 26 - 27 stupňů. Zmíním praktický příklad o tom, jak jsem uvedl na trh jednu z nejjednodušších a musím přiznat, že i nejprodávanějších antén (to mě překvapilo a nečekal jsem to) - můj modifikovaný vertikál Rybakov. Je popsán zde. Úspěch této antény spočívá v tom, že v pásmu 40metrů je zářič kratší než lambda/4 (ale delší než lambda/8), ale v pásmu 10m není delší než 5/8 lambda. Proto na pásmu 10m nezáří "do pryč" a na 40m je ještě přiměřeně účinný. Pokud jste registrovali, že jsem označoval postupně několik verzí této antény, pak jste si všimli správně. Byl několikrát optimalizován zářič, indukčnost a laminátový teleskop. Pro mě byly důležité zejména poslední experimenty, kdy jsem použil kompozitový (částečně vodivý) teleskop, kde kompozitním materiálem na teleskopu byla uhlíková vlákna. Výsledkem byla anténa s hezkým diagramem, zajímavým průběhem SWR (s částečnou aperiodicitou, tedy s celkem snadným přizpůsobením na všech pásmech) a s účinností, která nebyla až tak špatná. Řekl bych, že ta anténa leckoho překvapila, ale to bylo tím, že nebyla dlouhá - ti, co nevěděli, ví, proč to bylo důležité. Když byla anténa na zemi, vyzařovala, tam, kam má.

Vyzařovací diagramy vertikálů

Tady uvedu vyzařovací diagramy vertikálů různých délek. Pokud si všimnete, že čtvrtvlnný vertikál má impedanci (složku R) kolem 50 Ohmů, je to tím, že v sérii s jeho vyzařovacím odporem je ztrátový odpor země o velikosti asi 15 Ohmů. Pokud na pláži u moře naměříte asi 40 Ohmů, je to tím, že zemní odpor je jen 5 Ohmů...

Tento vertikál je krátký jen lambda/16  zisk je mizerný Ga=-11.5 dBi, elevační úhel vysoký, prostě krátký vertikál k DX moc upotřebitelný není.

Vertikál dlouhý kolem lambda/8 začíná být k něčemu použitelný ...

Čtvrtvlnný vertikál je základní "klasikou", často využívanou mnoha konstruktéry; Ga=-1.75 dB viz text, elev: 26°- 27° ...

Delší vertikál, např. 0.375 lambda lze rovněž použít, ale k přizpůsobení již potřebujete tuner

I tento vertikál je použitelný. Všimněte si, že má délku lambda/2. Impedance je vysoká, ale s reálnou složkou. Zisk Ga je 0 dBi, elevační úhel asi 19.5°. Jedná se o klasickou půlvlnnou anténu, kterou znají i CB-čkáři. Otázkou je, zda dokážou využít jejích vlastností. V patě je kmitna napětí a někdy dá práci v takové impedanci izolovat vysoké napětí a přizpůsobit anténu k napáječi. Pozor na to, nic není zadarmo!

Rovněž tato anténa má vynikající zisk. Proti lambda/4 je to o více než 2 dB. Z uvedených diagramů je zde docíleno nejmenšího elevačního úhlu,
pouhých 15.6°. Nebudu vás déle napínat, jde o vyzařování antény 5/8 lambda. Impedance je uvedena bez přizpůsobovacích prvků.

Toto je také 5/8 lambda. Uveden je "teoretický" diagram, kterého lze docílit nad ideální zemí. Tento diagram je často uváděn v literatuře a rádi ho uvádějí prodejci antén. Vyčtete z něho, že anténa má dva laloky - s nízkým a vysokým úhlem ....a pouze "teoretickou" hodnotu zisku Ga, hi. Raději se držme praxe a skutečnosti.

Vidíte, že 5/8 lambda bylo super, 3/4 lamba není nic! - viz obrázek

Vidíte, že "dlouhé" vertikály nejsou nic. Září "do pryč". Na obrázcích jsou 1 lambda až 1.5 lambda

Základní úskalí vertikálů v h=0m, myslím, jsem popsal dostatečně. Vertikál nesmí být ani moc krátký (má malou účinnost), ani moc dlouhý (září do pryč). Znovu zdůrazňuji, že účinnost této antény ovlivňuje vodivost země. Vodivost země lze vylepšit systémem radiálů. Psal jsem o tom také v úvodním článku o vertikálech.

Paralelní čtvrtvlnné zářiče

Téma, které se týká paralelně zapojených zářičů zpracovávám v dalším samostatném článku. Mnoho hamů má nedůvěru k trapovaným vertikálům. Tato obava se stala mýtem a nemá žádné praktické opodstatnění. Trapování se používá proto, aby vertikál nebyl dlouhý a nezářil do pryč. Také přežívá názor, že trapování předstaavuje ztráty. Nikdy jsem nepřišel na to, kde se tato hypotéza vzala. Osobně se domnívám, že to jsou pouze špatné zkušenosti se špatně navrženými anténami. Vrátím se ke konstrukci s paralelními zářiči. Čeho lze a čeho nelze dosáhnout. S paralelními zářiči lze např. udělat dobrý vertikál na 30m a 40m. Lze udělat i horší vícepásmový vertikál. Horší bude na vyšších pásmech. A uvedu proč. Na vyzařování se vždy podílí proudy ve všech vodičích. Nevím, kde se vzal názor (mýtus), že vyzařuje jen jeden - ten právě čtvrtvlnný zářič. Vyzařují všechny zářiče. Stejně tak se všechny zářiče podílejí na výsledné impedanci v místě napájení. Konstruktér musí u této varianty řešit jak délku zářičů, tak vazbu - tj. vzájemnou vzdálenost zářičů. Na obrázku uvedu, jak to vypadá s proudy u vertikálu pro pásma 40m, 30m, 20m, 17m, 15m při buzení na kmitočtu 21.05 MHz (15m):

V diagramu rozložení proudů si najdete snadno proud, který teče čtvrtvlnným zářičem, ale nepřehlédnete určitě proud, který teče zářičem pro pásmo 40m. Na vyzařování se podílí proudy ve všech zářičích. A podle toho to také září.

Září to tak, jako na tomto diagramu. Zisk je pěkný: Ga = 1.28 dBi. Vyzařovací úhel se stává nepoužitelným: elev: 38° FUJ!

Takže, i když takový vertikál přizpůsobíte, nemusí vám to chodit, hi. Pozor na to!!! Je to úskalí této použité konstrukce a jako dobří konstruktéři byste měli svou anténu znát s ohledem na její vyzařování.

Ground plane

Ground plane vertikály jsou velice oblíbené. Prostě z toho důvodu, že jinou možnost nemáte a musíte s vertikálem do nějaké rozumné výšky. Současně jsou tyto antény jedny z nejnáročnějších na konstrukci. Ne, že byste nepřizpůsobili. To, předpokládám, že určitě. Ale jde o to, abyste zvládli vyzařování.

Toto je reálný diagram GP antény s jedním radiálem. Vidíte, že se tam snadno ztratí v potřebném směru a úhlu třeba 2-3 dB nebo také víc než 10 dB na zisku. Tohle jsem u vertikálů nikdy nechtěl a štvalo mě to u horizontálních drátovek, že to tak je. Toto chování je nejčastějším zklamáním mnoha HAMů.

Toto je diagram GP antény se 2 radiály. Byla postavená na ploché střeše domku. Modifikovaný Rybakov zapíchnutý na zahradě před domem se jevil lepší. K čemu došlo? Došlo k nesprávnému sklonu použitých radiálů. Vertikál zářil s elevačním úhlem vyšším než 53°.

Toto je diagram stejné GP antény po úpravě sklonu radiálů. Už to vyzařuje tak, jak má.

Závěry

I z této jednoduché popularizace jedné z nejjednodušších antén, vertikální antény, lze udělat několik závěrů:

1. Příliš krátké vertikály vyzařují s mizernou účinností. O tom, jak je to s rozměry, šířkou pásma a účinností vertikálu, si přečtěte zde.
2. Příliš dlouhé vertikály září do pryč !
3. Účinnost vertikálu závisí na použité zemi.
4. Anténu s jedním radiálem raději nepoužijeme, sice vyladíme, ale nikam se nedovoláme.
5. Zářiče pro různá pásma lze napájet paralelně. Na vyšších pásmech nám však s mohutným ziskem (viz první diagramy) vyzařují i ty dlouhé zářiče. Často taková anténa září do pryč a nikam se s ní nedovoláme.
6. GP je sice hezká anténa, ale její vlastnosti nám určují radiály!  Včetně jejího vyzařování. Pozor na to. Stačí chybička, skvěle vyladíte, ale září to do pryč.
7. Dobře se přizpůsobují vertikály o délce 0.25 lambda, 5/8 lambda, ale lze přizpůsobit i jiné délky.

Čtvrtvlnný vertikál je jednoduchou základní anténou pro DX komunikaci. V průběhu uplynulého roku jsem pracoval na pásmech od 10m do 40m s mnoha DX stanicemi, kde byla oboustranná spojení realizována pomocí čtvrtvlnných vertikálních antén. Čtvrtvlnné vertikály lze za určitých podmínek řadit paralelně, ale pozor na to. Na nejvyšším kmitočtu září i nejdelší zářič!
Dobré jsou i půlvlnné vertikály. Rovněž u těchto konstrukcí lze budit jedním dipólem více zářičů. Návrh takové antény není až tak jednoduchý.
Trapovaný vertikál je osvědčená klasika a často mistrovský kousek.
Vlastnosti Ground plane antény nám určují radiály. Musíme si uvědomit, že jeden radiál nestačí. U pětipásmové antény může vzniknout potřeba instalace 10 až 20 ks radiálů. Zvažte, zda můžete kolem stožárku realizovat takový počet závěsných bodů - radiály musí mít správný sklon a je dobré, když budou kolem stožárku rovnoměrně rozložené.

Dodatek ze dne 30.10.2013

Občas se také vyskytne moje značka v nějaké diskuzi na webu. To také považuji za důležitou zpětnou vazbu, pokud se o takové skutečnosti dozvím. Ověřuji si tím nejen, že hamové moje články čtou, ale také, že o problematice přemýšlejí. A toho jsem chtěl vlastně docílit. Nikdy jsem na svých stránkách nepublikoval stavební návody. Jednak si myslím, že jich je na webu a v literatuře dost. Většinou mi šlo o principy, mýty (spíš přijít na jejich příčiny) a systematické chyby, které často hamům zavřou cestu k úspěchu. Všichni víme, že takové věci jsou. A právě diskuze a pochopení podstaty věci a příčin našich omylů nás posouvá dál k úspěchům. Pro příklad zde uvedu jeden mýtus o kterém jsem věděl, že existuje, ale příčinu jsem zjistil až z diskuze na webu. Kdo četl pečlivě moje články, tak si všiml, že jsem tento věnoval vertikálům s paralelními zářiči a v několika dalších jsem zmínil prohřešek vůči směrovosti u takové antény. A na webu jsem se dočetl toto (cituji doslova):

"Hmm, v Blansku už zrušili fyziku....
Pokud se dobře pamatuju, tak proud v jaémkoliv obvodu- a tím je i anténa- jde vždy cestou nejnižšího odporu- a tím je u týhle antény ten zářič, kterej je v rezonanci. Ostatní představujou pro přivedenou frekvenci podstatně větší odpor, než ten rezonanční. Takže se bneuplatní. To není mýtu, to je prostá fyzika."

A napsal to člověk, který toho v amatérském vysílání hodně dokázal, kterého si vážím, protože je mimo jiné dobrým konstruktérem a popularizaci našeho hobby si rovněž odpracoval. Píšu tady o tom proto, že pokud četl moje články, tak jsem obdržel špatnou známku, protože problém - princip nepochopil a já bych si měl z toho odnést, že nejsem dobrý pedagog. A nebo je nečetl a já jsem v tom případě dostal vynikající zpětnou vazbu, že jsem zajímavým tématem přispěl k popularizaci principů a objasnil jeden mýtus. Nicméně, když jsem tady tuto diskuzi zmínil, musím napsat i mou odpověď (tady je doslovná citace):

"Franto, Kirchhoffovy zákony (fyzika) platí i v anténních obvodech. Tvůj omyl je v představě relativně malé a velké impedance zářiče v místě napájení. Spočti si na jednom kmitočtu impedanci každého ze zářičů v místě napájení a budeš mít jasno. Jsi dobrý technik, pro Tebe by nebyl problém vyrobit si několik proudových sond. Já je používám dávno. A také zjistíš, že NEC programy nelžou. Bohužel, paralelní zářiče se při vyzařování uplatní, protože to není tak, že by ten v rezonanci měl impedanci nejnižší a ty ostatní zanedbatelně vysokou. Proto září a některé září i tam, kam nechceš, jako např. vertikály vyšší než 0.75 x lambda. Září skutečně se ziskem a září vysoko do nebe... Zdravím, 73, Míra"

A možná bych měl věc vysvětlit. Nějak jednoduše. Pochopitelnými a srozumitelnými argumenty. Předně Frantovi vytknu pojem odpor. Franta to určitě ode mne snese, hi.... Použijme slovo impedance. Nebudeme alespoň zaměňovat např. s její reálnou hodnotou a nebo dokonce s parametrem, kterému se říká vyzařovací odpor antény. Tem mýtus spočívá v tom, že Franta se domnívá, že anténa je obvod s extrémně vysokou jakostí a má na svorkách nízkou hodnotu jen v rezonanci a mimo rezonanci hodnotu podstatně větší. Podívejme se na dva různé zářiče pro pásma 30 a 40 metrů, tedy na průběhy jejich impedancí. Konkrétně se podívejme na hodnoty reálné i jalové složky každého zářiče na obou frekvencích. První příklad:

a druhý příklad:

V grafech jde o průběhy impedancí dvou rozdílných konstrukcí antény s paralelními zářiči pro nekonfliktní pásma (tedy tam, kde to funguje). Vybral jsem pro demonstraci  záměrně antény s rozdílnou hodnotou reálné složky impedance v rezonanci. Obrázky jsou pro vás určitě známé.  Znáte je také z anténních analyzátorů a vypadnou vám i z těch nejjednodušších NEC programů. Uvedl jsem je proto, že z těch grafů není zřejmé, že druhý zářič má impedanci zanedbatelně vysokou. To prostě není pravda a realita je taková. Zářič má impedanci takovou, která odpovídá jeho parametrům. Pokud se tedy učilo, že ostatní zářiče mají impedanci zanedbatelně vysokou, tak tady tvrdím, že to není pravda, je to nepřijatelné zjednodušení a může jít o fatální omyl. No a ty Kirchhoffovy zákony a Ohmův zákon, které měl Franta na mysli, ty samozřejmě platí. Rozdíl mého tvrzení je v tom, že nic není zanedbatelné, tedy ani impedance zářičů mimo rezonanci, zářiči teče proud a vyzařují. Jak zářiče vyzařují, o tom jsem psal. U této konkrétní antény se nám zvedne vyzařovací úhel v maximu paprsku asi o 2 stupně:

Není to mnoho. To je pravda. Úmyslně jsem vybral nekonfliktní pásma. Ale všimněte si, že jsem opatrný, abych řekl, že to nevadí nebo že se to neuplatní.  Mám pro takové tvrzení důvod. Honím se za DXy, které dělám ionosférickým šířením a nevím, co je mnoho a co je akorát. Jenom vím, že když jsem úplnou náhodou docílil snížení elevačního úhlu o pouhých 1.5°, tak se mi pravděpodobně otevřely zcela nové možnosti DXování, které mě fascinovaly a které jsem před tím nepoznal. I o tom jsou moje článečky. Ale hlavně se snažím mimo popularizace faktů vyvolat u čtenářů určitou míru kritického myšlení, které je při každé tvůrčí činnosti nezbytné. Takže, čtenáři, díky a ti, které neznám, nebojte se mi napsat, pokud je něco nejasné nebo máte jiný názor....

73's Věra & Míra, ok1ufc

Návrat nahoru

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