|
Všeobecně
Směrové Yagi antény pro jedno pásmo patří mezi oblíbené a jednoduché
antény. V tomto článku ukážu porovnání jednoduchých optimalizovaných
antén, navržených pro kmitočet 50.313 MHz. Vyzařování antén (vzdálené
elektromagnetické pole - Far Field Total) a impedance antén na
svorkách bude porovnána s hodnotami rotačního dipólu a s vynikající 4 prvkovou
směrovkou, kterou navrhl Martin,
DK7ZB.
Optimalizace antén
Všechny popsané antény byly optimalizované s ohledem na různá
kritéria. Přestože neznám přesné optimalizační postupy a kritéria,
která používá Martin, DK7ZB, lze z jeho webu stáhnout
soubor pro EZNEC pro vynikající anténu, která je označená jako:
4-Element-50-Ohm-V-Yagi with 2,20m-Boom.
Popis antény je
uveden zde. Z parametrů antény lze
usuzovat na to, že anténa byla optimalizována na dosažení výborného
poměru F/B, zisku, impedance na svorkách (50 Ohm) a délky ráhna 2.2
metru. Tuto anténu jsem vybral jako anténu referenční. Druhou
referenční anténou je o téměř metr kratší 3 prvková optimalizovaná
směrovka yagi s rovným trubkovým dipólem a se jmenovitou impedancí 25
Ohmů.
Ostatní antény byly optimalizované tak, aby nebyla překročena
maximální délka ráhna (viz tabulka níže, tj. 1 metr pro tříprvkovou
anténu a 0.75 metru pro dvouprvkovou anténu), aby byl dosažen poměr
stojatých vln (VSWR) menší, než VSWR = 1.5, aby byl průběh VSWR plochý
v rozmezí frekvencí od 50 do 51 MHz a aby při těchto předem přijatých
kompromisech bylo docíleno dobrého poměru F/B a zisku.
Rozměr ráhna a počet prvků je rozhodující pro docílení zisku a F/B.
Proto byly všechny antény porovnané ve stejném algoritmu NEC a za
stejných podmínek. Výsledky jsou zobrazené v jediném diagramu.
Všechny antény byly modelované pomocí SW EZNEC Pro/2+ za
použití shodných vstupních dat:
- výška antény nad zemí H = 7 m (toto je dáno výškou instalace
mé antény)
- použití modelu Real Ground / High Accuracy u všech antén (pro
tento model země jsem uložil rovněž model antény podle DK7ZB)
- nominální impedance na svorkách Z = 50 Ohm s výjimkou standardní 3
prvkové antény s délkou ráhna 1370 mm, kterou jsem konstruoval dříve
jen pro Z = 25 Ohmů
- rozdílná délka ráhna:
| |
|
Boom (mm) |
|
1. |
Dipól |
0 |
|
2. |
4-Element-50-Ohm-V-Yagi with
2,20m-Boom podle DK7ZB |
2 200 |
|
3. |
3 element standard Yagi
25 Ohm |
1 370 |
|
4. |
3 element short Yagi 50 Ohm |
990 |
|
5. |
2 element short Yagi 50 Ohm |
750 |
Průběhy VSWR na svorkách
antény Obr. 1: VSWR
4-Element-50-Ohm-V-Yagi with 2,20m-Boom podle DK7ZB:
Obr.2: VSWR 3 element standard Yagi 25 Ohm:
Obr. 3: VSWR 3 element short Yagi 50 Ohm:
Obr.4: VSWR 2 element short Yagi 50 Ohm:
|
Obr. 5: Vyzařování antén (Total
Far Field)
Vyzařování popsaných antén je zobrazeno
pro:
- stejné podmínky montáže (H = 7m);
- stejný způsob modelování;
- stejný model země
(real ground / high accuracy);
- stejný úhel elevace pro diagram total far field
- společné zobrazení charakteristik v
diagramu vpravo.
Počty prvků a délky ráhen jsou přímo
uvedené v obrázku.
Z grafů je vidět, jaký vliv má na
vyzařování počet prvků / délka
ráhna. |
 |
| |
|
Popisy a schémata antén (obr. 6.
až obr. 10.)
Soubory EZNEC
|
Přizpůsobení antény s impedancí Z =
25 Ohmů
Antény s impedancí Z = 25 Ohmů na
svorkách jsou přizpůsobeny k napáječi s charakteristickou
impedancí Z0 = 50 Ohm pomocí čtvrtvlnného úseku vedení o
charakteristické impedanci 37.5 Ohmů.
Vedení s charakteristickou impedancí Z
= 37.5 Ohmů je tvořeno 2 paralelně zapojenými koaxiálními kabely,
každý s charakteristickou impedancí Z0 = 75 Ohmů.
Princip transformace je zřejmý z
obrázku vpravo.
Konstrukční poznámky - antény se
zářičem z Cu lanka
1. Antény s drátovým V zářičem
(dvou a tříprvková anténa) používají stejný rozměr reflektoru pro oba typy antén (Al trubka, průměr 30 mm, délka 2820
mm).
2. Direktor (3 el. anténa) je délky 2200 mm, Al trubka
o průměru 20 mm.
3. Zářič tvoří 2 kusy Cu lanko, průměr D = 1.6 mm,
PVC izolace nebo Rupalit (smaltované lanko).
Dielektrická konstanta izolace, případně použití smaltovaného lana
Rupalit, rozhoduje o hodnotě rezonančního kmitočtu antény, resp. o
kmitočtu, kde je minimum VSWR. Proto jsou v popisech antén uvedena
rozmezí poloh balunů.
4. Přibližná délka lana je uvedena v
obou obrázcích s popisem antén. Lano je ukončeno svorkou průměr 4 mm u
balunu. Na druhém konci je lano ukončeno v plastovém
izolátoru. V oku tohoto izolátoru se nastavuje délka lana tak, aby
lanko zářiče bylo mírně napnuté.
|
 |
|
5. Délka lana je určená polohou balunu
na ráhně (souřadnice x). Použitý balun - linkový izolátor na
zamezení průtoku společných plášťových proudů do staniční země
tcvru (poměr 1:1) je v trubkovém pouzdře.
Jemné nastavení nejlepšího VSWR se provádí posunováním
balunu v objímce trubky balunu, posouvá se podél ráhna (souřadnice
x). Současně se však musí změnit délka lana v
oku izolátoru tak, aby lano zářiče bylo napnuté. Tímto
způsobem se mění délka zářiče. Abych se v délkách orientoval, mám
na ramenech zářičů nadělané značky poblíž izolátorů u reflektoru.
6. Pokud musím zkrátit zářič o několik cm, přebytek drátu ramen
při finálním nastavování odstřihnu.
7. Reflektor je vyrobený z Al trubky o průměru 30 mm,
která spolehlivě snáší zatížení rameny V zářičů s malými izolátory
a umožňuje jejich přiměřené mechanické napnutí. Délka
izolačního lanka (použil jsem dielektrickou strunu ze sekačky
na trávu) od konce reflektoru k oku zářiče je 230 mm.
8. Pro konstrukci antény potřebujeme miniaturní izolátor (2 ks).
Staré zásoby však docházejí. Ale existují alternativní řešení.
Např. použití knoflíku (bylo v minulosti publikováno a u drátěných
směrovek aplikováno), vyrobení izolátoru ze sklolaminátu
(kuprextitu) nebo vyrobení malého izolátoru na 3D tiskárně. |
O kompromisech a
jednoduchosti antén Obě
antény se zářičem z Cu lana jsou kompromisní. Kompromisů bylo použito
víc, než dost, ale ty zásadní, které zhoršily F/B byly:
- maximální stanovený limit délky ráhna; jenže delší ráhno se mi
nehodí (mám dvě delší referenční antény se 3 a 4 prvky);
- jednoduchá montáž drátěného zářiče, resp. zavěšení jeho ramene mezi
svorku balunu a konec reflektoru; délka izolačního lanka se ukázala
pro tvar F/B jako kritická, ale stanovení délky zářiče posunováním
krabičky s balunem se ukázalo jako jednoduché a účinné.
Závěr
Dlouho jsem váhal, zda
jednopásmové krátkovlnné antény Yagi zařadím do kapitoly mezi
jednoduché antény. Jenže jsou tyto antény opravdu jednoduché.
Konstrukce Martina, DK7ZB jsou známé, vděčné a opakovatelné. Jsou
dobré a rozšířené. Znovu zdůrazňuji, že přestože nezávodím a preferuji
mnohopásmové antény, stejně jsem se v životě použití monobanderů
nevyhnul. Naposledy to bylo, když jsem slyšel aktivity na pásmu 50
MHz, a to se svým všepásmovým vertikálem. Na pásmu 50 MHz je skvěle
vyladěn, ale je vysoký a jeho vyzařování je nepoužitelné. Díky tomu
vznikl tento článek, dvě krátké antény yagi s drátěnými V zářiči a
jejich srovnání s rotačním dipólem, s tříprvkovou standardní směrovkou
a se 4 prvkovou vynikající směrovkou DK7ZB.
Dodatky
10. srpna 2023:
Dotaz: Zda jsem neprováděl modelování antény
4-Element-50-Ohm-V-Yagi with 2,20m-Boom
v MMANA?
Odpověď: Provedl jsem jen letmé porovnání výsledků pro výšku instalace
h = 7 m. Můžete diagram porovnat s obr. 7 Vyzařovací diagram EZNEC
(Real Ground, High Accuracy) a MININEC použitý v MMANA zde:
Jednoduchý model antény pro MMANA lze stáhnout zde:
MMANA\50MHz_4Y_DK7ZB_mmana_orig.maa; všimněte si, že vypočtený
zisk G = 14.13 dBi je na druhém místě za desetinnou tečkou (tedy na
setinách dB) shodný.
|