Vliv vyzařovacího úhlu antény na report při spojení na velké vzdálenosti

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

Experiment, který zde popisuji, je prvním experimentem z poslední série pokusů v letošním roce (2014). Důvodem realizace byly jednak osobní provozní zkušenosti z roku 2013, kdy jsem zrealizoval několik zajímavých spojení na velké vzdálenosti s jednoduchými anténami, které vyzařovaly na nízkém úhlu a kdy mě překvapily silné signály, resp. extrémně dobré oboustranné reporty. Zkušenost jsem potřeboval zopakovat. Připravil jsem tedy pracoviště, naplánoval několik datumů zkoušek. První datum byl stanoven na sobotu 13. září 2014 ráno.

Provoz a zařízení

Dále experiment pokračoval až do jeho ukončení cyklickým poslechem na čtyřech anténách. V tabulce jsou zachycené reporty stanice VK3AWG tak, jak jsem je slyšel tohoto dne:

Anténa číslo 1 byla půlvlnný dipól zkonstruovaný z hliníkových trubek a naladěný ve výšce h = 10m (vlajkový stožár) do rezonance na kmitočtu 14.076 MHz.
Anténa č. 2 a anténa č. 3 byly stejné antény - zkonstruované podle Hy Gain monobanderu. Anténa č. 2 byla použita k vysílání a její výška montáže byla h =7m. Anténa č. 3 byla ve výšce jen 0.3 metru nad terénem (tj. za zástavbou domů) a anténa č. 4. Byl můj GAP Titan DX na zahradě.
 

Všimněte si obou předchozích tabulek, zejména tabulky s červeným pruhem poslední relace spojení. Vidíte v ní minimálně 2 řádky s reporty silných signálů, např. SV5BYP ze čtverce KM46, report -02 dB. To bylo pro dipól typické. Silné signály evropských stanic a slaboučké signály DX stanic. Montáž antény je ve výšce 1/2 x lambda a v takové výšce skutečně začíná minimální výška použitelnosti pro DX práci. Upozorním rovněž na to, že tato anténa (dipól) měla ze všech antén největší geometrickou délku. Všechny ostatní antény byly zkrácené, hi. Antény č. 2 a 3 byly o 50% kratší! A proto jejich hlavní rozměry uvádím tady - obrázek vpravo. Rovněž GAP Titan DX je na 20m nevýznamně zkrácený vertikální dipól.

Na obrázku vlevo uvádím vyzařování prvních tří antén podle jednoduchého modelu MININEC. Pokud bychom hodnotili antény pouze podle jejich zisku (což považuji za rozšířený mýtus mezi radioamatéry), potom má dipól zisk někde mezi 6 dBi až 7 dBi a při výšce h=10m ho dociluje někde na elevačním úhlu 35° (modrá čára) Anténa č. 3 ve výšce h = 0.3 m má zisk jen kolem 2dBi, tedy o 5 dBi méně než dipól, ale dosahuje ho již na úhlu kolem 20°. Anténa č. 2 (stejná jako č. 3) byla instalována ve výšce 7m a zisk má opět pravděpodobně o 5 dBi menší než dipól. V uvedené výšce již navíc tato anténa začíná zářit horním lalokem a nemělo by smysl výšku dále zvyšovat. Maximálního zisku však dosahuje na úhlu kolem 10°. Všimněte si také důležitého bodu na diagramu na elevaci kolem 10°. Na tomto úhlu by měly všechny tři antény vyzařovat přibližně stejně, ale modely vůbec nemusí být v tomto parametru přesné. Všimněte si také, že na úhlech pod 10° se již v grafickém zobrazení vyzařovacích diagramů dá již obtížně mezi anténami rozlišovat. Proto jsem neočekával příliš dramatické rozdíly v reportech.

Uvedený experiment bych chtěl ještě několikrát zopakovat. Pokus jsem zopakoval hned následující týden, viz poznámka níž.  Přestože jsem podobných pokusů již v roce 2013 udělal několik (tenkrát na pásmu 15m a jako horizontální anténu jsem používal vynikající směrovku). Letos jsem si musel vystačit jen s dipólem. Přesto jsem přesvědčen a o tom je moje hypotéza, že zásadní vliv na dosažený výsledek měla velikost vyzařovacího úhlu ve vertikální rovině (nikoliv zisk antény), a to pro použitou vzdálenost OK - VK šlo o vyzařování na úhlech mezi 2° až 5° ...

Tuto teorii nikomu nenutím. Měl jsem však radost, že se mi ji podařilo prokázat i po uplynutí jednoho roku předem připraveným a naplánovaným experimentem. V loňském roce jsem podmínky a výsledky spojení pečlivěji nedokumentoval. Používal jsem pro srovnání jiné antény a jiné vzdálenosti QRB (cíleně tenkrát OK - JA). V literatuře a na Internetu se mi rovněž nepodařilo najít seriózní reference, o které bych se mohl opřít a tvrdit, do jaké míry má smysl honit se za nízkým vyzařovacím úhlem a vědět navíc, za jakou hodnotou pro ten který kmitočet a QRB. Výsledky tohoto experimentu jsem uveřejnil hned dnes po jeho provedení, 13.9.2014 Důvodem je, že jsem ani nečekal, že se mi podaří demonstrovat rozdíly v reportech větší než několik dB. Rozdíly mezi dosaženými -06dB u nejlepší antény, mezi průměrnými -12dB a -23dB u horizontální antény ve výšce 1/2 vlnové délky mě doslova šokovaly.

Na závěr článku uvedu proto velice důležitou referenci, seriózní článek od pana Utlaut W. F.:

 

Článek je z roku 1960 a seriózním způsobem popisuje provedení a výsledky precizně provedeného experimentu, který se týká účinku vyzařovacího úhlu antény na šíření HF signálu na veliké vzdálenosti. Článek je ke stažení na: http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/65D/jresv65Dn2p167_A1b.pdf a zde si dovolím alespoň doslovnou citaci některých závěrů - viz skanovaná citace textu úplně vpravo, kde autor uvedl, že signály vysílané a přijímané s nízkými vyzařovacími úhly (do 2°) byly až o 10 dB silnější než s anténami s úhlem 15° ...
Poznámka z 21.9.2014: Experiment jsem zopakoval ještě o týden později se zařízením ve stejné konfiguraci.Téměř stejné číselné výsledky nemá smysl znovu publikovat, reporty byly na všech anténách obdobné, postup při spojení stejný a potvrzení spojení téměř stejné ... od VK3AWG jsem obdržel -07, od ZL3HAM -06, dával jsem v obou případech -06. Protistanicí, vůči které jsem porovnával stejné typy antén, byla ZL3HAM, viz QSL vpravo. Oba experimenty se lišily pouze časem (o týden), byly provedené ve stejnou denní dobu, na stejném pásmu, lišily se lokalizací protistanice (VK/ZL), malým rozdílem v QRB a zřejmě nepodstatným rozdílem ve vybavení obou stanic (vč. antén o přibližně stejném zisku). Jsou to jen náhody? ...
Poznámka z 29.10.2014 Experimenty jsem prováděl až do konce měsíce října. Vybíral jsem si stanice z Argentiny, Indonésie, Aljašky a Japonska. Opět nepatrné rozdíly v naměřených hodnotách. Stanice z Japonska mě slyšela na tribander s reportem -04, odeslal jsem také -04.   Na konci října jsem experimenty s všesměrovými zkrácenými zářiči, které vyzařovaly na nízkých úhlech ukončil. Očekávám, že sluneční aktivita v tomto cyklu poleví a odrazy od ionosféry očekávám slabší.   Proto jsem provedl přípravu ke zkouškám a měření vyzařování na druhém prototypu mé nové antény Vertical Portable Beam OK1UFC, kterou popisuji zde.   Na reportech není rozdíl až tak markantní. Respektive, nejsem schopen z reportů dělat jakýkoliv soud, pokud jsou reporty -3 nebo -6. Oba považuji za report silných signálů, kdy při této hodnotě mohu s klidem redukovat výkon např. z 50 Wattů na 10 Wattů a rozdíly několika dB mohou být a asi i jsou dané rozdílnými podmínkami. Ale uvidí se, až budu mít obě antény ve stejný čas blízko sebe. VPB vyzařuje pod stejným úhlem, jako vertikály. Např. při pokusech z 8. listopadu 2014 jsme si s Johnem vyměnili reporty -03 (oboustranně), signály byly opravdu silné, stabilní, realizace QSO na první zavolání....
Závěr Přestože jsem se snažil alespoň o určitou objektivitu zkoušek v rámci mých možností, rozhodně jsem přesvědčen, že pro úspěšnou DX činnost na velké vzdálenosti mají vliv dva faktory. Prvním z nich je dobrá účinnost vyzařování na nízkých úhlech (Effect of Antenna Radiation Angles Upon HF Radio signals propagated over Long Distancies) a druhým je účinné potlačení vyšších postranních laloků antény (Effective suppression of upper sidelobes in the vertical plane). Nejen, že nám horní postranní laloky často určují vypočtený zisk antény, který nikdy nevyužijeme, ale způsobují nám rušení blízkými stanicemi, se kterými nechceme dělat spojení a způsobují přehlcování i extrémně odolných moderních přijímačů. A ta moje rádia rozhodně nejsou "contestová", z ohledem na odolnost, řekl bych, že jsou snad průměrná. Ale jsou citlivá. Rovněž po vlastní několikaleté zkušenosti a více než ročním specifickém zaměření na příjem signálů dopadajících pod nízkými úhly rovněž odmítám teorii, že nám např. 50% signálů nebo většina signálů dopadá na anténu pod úhly vysokými, např. 10°, 20° nebo vyššími. To je odvážné tvrzení. Já jsem nikdy neměl tak dobrou anténu, např. velkou směrovku, ale nízko, aby byla schopna slabé signály od horizontu přijímat. Experimenty, které jsem tu popsal, jsou o tom, že jsem však byl schopen přijímat slabé signály, které byly na jiné antény nedetekovatelné. Signály, které pravděpodobně dopadaly od horizontu na mojí anténu. Na anténu s nepatrným ziskem, s dobrým vyzařováním k horizontu, ale s účinným potlačením záření (příjmu) z vyšších úhlů. Pro ilustraci zde uvedu bez dalších komentářů dvě srovnání - vynikající antény JungleJob a antény VPB a také srovnání nízko instalované MLA antény pro 80 m a dobře provedeného jen 12m vysokého vertikálu pro stejné pásmo: Uvedené experimenty vzbudily mnoho ohlasů. Proto jsem doplnil informace o historicky starší předcházející pokusy na této samostatné stránce.