Poslední aktualizace  2022 

Long Wire

Úvod

Anténa typu dlouhý drát bývá považována za nejjednodušší krátkovlnnou anténu. Zda je to pravda, uvidíme dále. Jedná se o anténu starou. Patentovat si jí nechal Josef Fuchs, OE1JF v roce 1927. Jednalo se o anténu tvořenou jedním vodičem, který tvořil anténní zářič. Víme, že elektromagnetické pole vzniká kolem každého vodiče, kterým prochází elektrický proud. Také víme, že když je anténa dlouhá přesně jako jedna polovina vlnové délky, tak bez ohledu na to, v jakém bodě do antény vysokofrekvenční energii dodáváme, tak taková vyzařující anténa má průběh proudů ve vodiči, který lze znázornit červenou přerušovanou čarou v grafu. Takovému proudu odpovídá průběh napětí, který je znázorněn čarou modrou. Anténní zářič (anténní drát) je zobrazen černou tlustou čarou.

Pan Fuchs téměř před sto léty neměl žádný koaxiální napáječ a svou anténu napájel obvodem dle následujícího schématu. Vysokou výstupní impedanci elektronky navázal pomocí paralelních rezonančních obvodů na anténní zářič. Do antény tekl malý proud a stejný proud musel téci i do společné země jeho antény a jeho stanice. Vysílalo to.

V dnešní době známe všechny způsoby, jak napájet půlvlnnou drátovou anténu. Umíme ji napájet uprostřed a říkáme takové anténě půlvlnný dipól. Někdy ji také označujeme jako CENTER FED dipól (ve středu napájený dipól). Umíme takovou anténu napájet mimo střed. Potom ji označujeme jako OFF CENTER FED dipól (OCF, konstrukčně je známé provedení FD4). A můžeme takovou anténu napájet na konci. Na konci napájená anténa bývá často označovaná jako END FED (EF), místo slova dipól se používá označení Long Wire (dlouhý drát). Pokud je EF přibližně půlvnná, bývá označována jako EF HALF WAVE (EF HW).

Co se stane, když EF anténa není přesně půlvlnná?

Na následujících dvou obrázcích je znázorněn průběh proudů a napětí u EF antén, které jsou kratší nebo delší než jedna polovina vlny. A z obrázků je vidět, že v místě napájení není nulová hodnota proudu, ale konkrétní hodnota proudu, která odpovídá konkrétní délce vysílané vlny a poloze bodu na zářiči. Na koncovém izolátoru je samozřejmě proud nulový, pokud je izolátor dobrý a nepropouští nám proud do anténní podpěry (stožáru).

Pro ilustraci jsem na každém z obrázků nakreslil jiný obvod, kterým konkrétní impedanci v bodě napájení přizpůsobíme konkrétnímu napáječi antény.

Dvě základní úlohy

Vyzařuje každý vodič, kterým protéká proud. Tím jsou dané dvě další základní úlohy, které potřebujeme vyřešit.
První úlohou je vyřešit směrovost vyzařování. Pouze s anténou, která vyzařuje správným směrem a pod správným úhlem (vzhledem k zemskému povrchu) uděláme očekávané spojení.
Druhou úlohou je, jak do našeho konkrétního anténního zářiče dostat maximální proud.
Zde nastává okamžik, kdy je nezbytně nutné použít vhodný počítačový program, který je schopen vypočítat vzdálené elektromagnetické pole, které naše anténa vytvoří a je současně schopen stanovit hodnoty napětí a proudů v různých bodech antény.
Výpočtem proudů a znázorněním jejich velikosti například programem MMANA obdržíme tyto průběhy proudů kolem anténního zářiče, který je půlvlnný na kmitočtu 7 MHz:

Několik poznámek k END FED LW anténě:

Vyzařování antény EF HW v různé výšce

Pro horizontálně instalovanou anténu EF HW byla doporučována minimální výška instalace rovná 1/2 vlnové délky (1/2 WL). Vyzařovací diagram odpovídá červené křivce na níže uvedeném diagramu. Anténa se vyznačuje mírnou směrovostí (rozdíl v zisku je cca 10 dB) a maximum vyzařování je pod středním vyzařovacím úhlem. Pokud uvažujeme o jednoduché anténě, realizované s pomocí nízkých podpěr (stožárky 10 m), dojde k poklesu zisku a maximum vyzařování je kolmo vzhůru. Není to úplně ideální pro DX spojení, ale řešíme anténu jednoduchou a kompromisní a o tomto kompromisu víme.

Jak vyzařuje anténa na kmitočtech odlišných od rezonance? Navržená anténa rezonuje jako půlvlnná poblíž kmitočtu 7 MHz (vlnová délka 40 metrů). Modelováním zjistíme, že taková anténa vyzařuje velmi slušně i na kmitočtech odlišných. Na obrázku vpravo jsou nakreslené vyzařovací diagramy pro kmitočty 5, 6, 7 (polovina vlny), 8 a 9 MHz. Rozdíly v tvaru diagramu i v hodnotách vyzařování (v zisku) jsou malé. Znatelné rozdíly jsou v reálné složce impedance a na to musíme brát zřetel při řešení dvou úloh, které se týkají napájení antény LW (či též označované EF). První úloha se týká transformace impedancí Tuner nebo transformátor (transformační balun) musí být schopen transformovat výstupní impedanci moderního TCVRu na hodnoty dané LW anténou. Druhá úloha se týká vyřešení protiváhy nebo účinného anténního zemního systému, který musí umožnit protékání proudu, který dodáváme do antény. Musíme si vždy uvědomit, že pokud takový proud protéká vodičem konkrétní délky a konkrétní výšky nad zemí, že takový vodič rovněž vyzařuje a má podstatný vliv na vyzařování antény. Společné zemní proudy Pokud protiváhu antény neřešíme, očekávejme jen jediný výsledek: proud, který má téci do protiváhy nebo do anténního zemního systému, poteče jako proud po plášti kabelu. Takovým proudům se říká "společné zemní proudy" a jsou příčinou mnoha problémů a mnoha nezdarů při realizaci EF (LW) antén.

Vodorovná nebo šikmá instalace?

Pokud za základní výhodu LW, resp. EF antény považujeme jednoduchost její v napájení na jejím konci, uvažujme ještě o další výhodě - LW lze instalovat pouze s jednou vysokou podpěrou (např. s jedním stožárkem výšky 10-12m) a instalovat anténu jako šikmou. Jde o kompromis, který nám opět sníží zisk antény a způsobí směrovost. Vše je zjevné z níže uvedeného diagramu. Při šikmé montáži však získáme jednu zásadní výhodu - možnost vytvoření anténního zemního systému v místě nízké podpěry (konce LW, který je blízko země). To může hrát rozhodující roli, která se týká úlohy řešení velikosti společných zemních proudů. Propojovací vodič mezi anténním tunerem a zemním systémem může být krátký, tj. nepříliš vyzařující. Zemní systém může být tvořen sadou radiálů v zemi, které nebudou vyzařovat vůbec a zajistí nám nízký odpor uzemnění.

Poznámka: Šikmé provedení LW (END FED) antény se zemním systémem pod nízkou podpěrou se stalo mou oblíbenou volbou.

Ještě jeden vyzařovací diagram EF antény v pásmu 40m:

Vícepásmová anténa?

Pokud jsme schopni vyřešit zemní systém LW antény, proč ne? Můj zemní systém krátké a šíkmé LW celkem slušně zvládá s anténní proudy na všech pásmech, včetně 80m, Délku zářiče jsem však volil tak, aby na 40 metrech nedošlo ke zbytečnému zkrácení proti polovině vlny a na 30 metrech mi zbytečně nenarostla hodnota proudu do zemního systému. Znázorněno na diagramech dole. Směle jsem tuto anténu srovnával na 80 metrech s vertikálem GAP TITAN DX a ve směru maximálního vyzařování nebyla horší.
Na vyšších pásmech je vyzařovací diagram členitý a poplatný dlouhému zářiči. S tím nic nenadělám, ale tvrdím, že i když anténu snadno přizpůsobím na všech KV pásmech, že se jedná o anténu vícepásmovou, nikoliv všepásmovou.

Jaké impedance lze očekávat u antény END FED v místě napájení?

Tuhle otázku mi položilo mnoho čtenářů mých stránek. Než odpovím, popíšu zde několik skutečností, ze kterých bude zřejmé, proč odpověď není jednoduchá.

Příklad 1: Jaký vliv má přítomnost cizích předmětů poblíž bodu napájení KV antény?
Zajímají mě předměty následujících vlastností: člověk, box s elektronickými přístroji, ráhno antény, atd. Všechny tyto předměty se velice obtížně modelují, ale v praxi se mi osvědčilo používat jejich velice jednoduchý ekvivalent - vodič kolmý na anténní zářič (nebo jiný element antény, obecně prvek), délky 1/2 lambda (WL). Půlvlnný vodič výborně vyzařuje (vytváří elektromagnetické pole). Kolmý je proto, aby byla minimalizována induktivní vazba s anténním prvkem. Pokud takový vodič instalujeme pod body prvků, ve kterých naměříme maximální proud, obvykle zjistíme, že nám vlastnosti vyzařování a ani impedanční vlastnosti při středovém napájení neovlivní. Nebo ovlivní naprosto minimálně, pokud takový vodič spojíme přes malou kapacitu přímo s anténním zářičem. Na obrázku dole je grafické znázornění výsledku propojení zářiče ve středu napájené antény s kolmým vodičem pro tři velikosti kapacit: 1 pF, 10 pF a 100 pF. Anténa vyzařuje ve všech případech téměř stejně a impedanční přizpůsobení se změnilo nepatrně.

Příklad 2: Stejný vodič přestěhujeme ke kraji antény. Tak, aby byl stále kolmý. Výsledek je diametrálně odlišný. Pouze přítomnost vodiče nám svou kapacitou změnila jalovou složku impedance jX z hodnoty jX = - 900 Ohmů na hodnotu jX = 330 Ohmů (viz modrý a červený řádek tabulky). Pokud vodič spojíme přes zdánlivě "bezvýznamnou" kapacitu 1 pF se zářičem (tak, jako jsme to dělali u dipólu), velikost impedance se v bodě napájení opět zásadně změní.

Tento jev zná každý, kdo experimentoval s půlvlnnými, na konci napájenými anténami. Prostě to nešlo řádně vyladit nebo jen s velkými obtížemi. Osobně za základní nevýhodu END FED antény považuju právě tuhle její vlastnost. Tato vlastnost je také příčinou, proč technici, kteří milují exaktní vyjádření stavu věcí, používají zdánlivě vágní označení, že v místě napájení EF HW je impedance vysoká.

Poznámky:

1. Pokud používáme automatický nebo dálkově ovládaný anténní tuner pro tento druh antény, nijak nám náchylnost na přítomnost čehokoliv nemusí vadit. Já používám tuner Icom, typ AH-4.
2. U tuneru AH-4 je v manuálu poznámka, že tuner není schopen vyladit půlvlnné antény. To je asi pravda. Jenže jsem také zjistil, že u šikmé instalace LW s nízkou podpěrou v místě napájení a s jednoduchým zemním systémem se třemi radiály už přítomnost nízké podpěry, zemního systému a tuneru způsobila to, že ten LW už nebyl půlvlnný, ale rozladěný vlivem přítomných předmětů.
3. Snažil jsem se ladit EF HW antény pomocí ručních LC členů. Šlo to jen o antén zatlumených (například průchodem zdí). U dobrých antén se mi cokoliv ladit v blízkosti bodu napájení EF antény nedařilo a tak jsem toho po několika neúspěšných pokusech nechal.

Jak vyřešit přizpůsobení LW?

Přibližné hodnoty LC tuneru nám z hodnot impedancí modelované antény vyřeší kalkulátory, které jsou součástí programů NEC. Nezapomínejme však na to, že proměnnými, které se při řešení uplatní, jsou parametry uzemnění, tvar a délka vodičů, kterými je propojen anténní tuner se zemí a všechny kapacity předmětů poblíž bodu napájení.

Pokud náš progrma NEC nemá vestavěn kalkulátor pro výpočet přizpůsobení, řešíme úlohu ve Smithově diagramu, který je v různých provedeních k dispozici na Internetu. Já používám ergonomický SW od prof. F. Dellspergera, momentálně instalovaná verze je V4.1, následující 2 obrázky:

Další pomůcky, které budeme při realizaci antény Long Wire (End Fed) potřebovat

Úskalí, která budeme muset překonat, spočívají v eliminaci tzv. společných zemních proudů. U LW (EF) antén musíme počítat s tím, že společné zemní proudy tečou po napáječi vždy. Musíme uplatnit tyto dvě metody, kterými jim zabráníme, aby škodily:
- návrh účinné protiváhy nebo dobrého zemního systému u šikmé LW antény;
- návrh dobrého balunu (ve funkci linkového izolátoru), který bude vždy na koaxiálu poblíž tuneru;
- případně instalaci druhého linkového izolátoru ve vhodném místě na koaxiálním vedení.

Abychom věděli, o jak velkých společných zemních proudech je řeč, bude nezbytné použít k indikaci a měření společných zemních proudů vhodnou sondu. Já používám už řadu let několik druhů sond. Některé jsou napájené z baterií, umístěné v malém pouzdře s mikropočítačem a komunikačním modulem. Jsou schopné měřit a přenášet naměřené hodnoty po LAN síti do PC. Nejjednodušší sonda, která splní svůj účel může vypadat takto:

Jde o sondu vyrobenou z toroidního jádra, skrz které lze prostrčit okonektorovaný kabel. Vinutí sondy je zakončeno rezistorem a připojeno krátkým koaxiálním kabelem ke kapesnímu digitálnímu osciloskopu, který je napájen z vestavěné baterie. Na osciloskopu vidím průběh napětí, jehož amplituda odpovídá velikosti proudu, který teče po plášti kabelu, například mezi enténní zemí a staniční zemí. Na fotografii vpravo dole vidíte, že jsem indikoval společné zemní proudy kmitočtu 18.1 MHz a jejich velikost je dána hodnotou špička-špička (pkpk: 354 mV). I takto jednoduchá sonda nám umožní pracovat s anténním zemním systémem tak, aby byl pro společné zemní proudy dostatečně vodivý, pracovat s vhodnými typy balunů a linkových izolátorů a nalézat na koaxiálním napáječi místa, kam budeme linkové izolátory vkládat, aby nám něškodily v hamovně.

Poznámka: Pokud nám společné zemní proudy škodí tak, že nám pronikají do PC skrz USB propojení TCVRu a PC, potom jsme něco na anténě neudělali správně nebo vůbec. Nejhorší důsledek společných zemních proudů je však skutečnost, že tyto nám škodí nejen při vysílání, ale hlavně při příjmu. Každá anténa je reciproční. To znamená, že když při vysílání vyrábí společné zemní proudy, které tečou po napáječi do staniční země TCVRu, pak to také znamená, že pomocí stejných vodičů nám teče rušení do přijímače. Taková anténa se nám nejeví jako tichá a obvykle se nehodí pro příjem slabých signálů. Antény typu EF a také OCF jsou touto vlastností proslulé a kvůli nevyřešenému zemnímu anténnímu systému (nebo vhodné protiváhy) je zatratil nejeden ham.

Co všechno lze na anténě typu LW pošahat?

Je toho dost, ale téměř vždy to souvisí s okolím antény a s použitým anténním zemním systémem. Takže několik příkladů:

1. Příklad: Anténa nevyzařuje správným směrem. Skutečnost si lze ověřit například s pomocí tzv. reverse beacon. Pokud pominu okolnost, že pozemek nám neumožnil anténu instalovat ve správném směru vyzařování, můžeme zjistit celou řadu příčin. Doporučuji modelovat všechny kroky, kterými chceme anténu upravovat. Jako kuriózní příklad uvedu propojení zemního systému antény se zemním systémem hromosvodu. Pro vysokofrekvenční proudy platí poněkud jiné hodnoty uzemnění, než ty které naměříme nějakou metodou na kmitočtu 50 Hz. A tak se stalo to, že po spojení zemních systémů antény a hromosvodu celkem slušně vysílal i hromosvod. Jenže se změnil vyzařovací diagram a modelováním bylo zjištěno, že takto:

2. Příklad: Anténa byla sice šikmá (ale nepříliš), s uzemněním, ale koaxiální napáječ vedl kamsi do hamovny ve druhém patře. Příčinou byla nemožnost spojit anténní tuner se zemním systémem pomocí krátkého vodiče. Takže tekly společné zemní proudy a kromě antény vysílal zejména napáječ a zemnicí drát. Vyzařovací diagram odpovídal křivce číslo 3 na obrázku dole. Sice zásadně lepší, než společné uzemnění s hromosvodem, ale k předpokládanému a plánovanému vyzařování to mělo daleko.

Takže, na anténě Long Wire, ať se nám jeví jako jednoduchá, se toho dá pošahat opravdu hodně. Bez výsledků jakéhokoliv řešení (to zase příště) uvedu další časté příčiny: nevhodný prostup anténního vodiče skrz zeď a vodivé předměty poblíž bodu napájení (obecně poblíž bodu s vysokým napětím), či nevhodné koncové izolátory.

LW v provedení multiband

Obecně, LW v provedení multiband má zásadní problém - nejvyšší impedance je na nejnižším půlvlnném pásmu. Např. s délkou zářiče (po uplatnění zkracovacího součinitele) 41.3 metru jsem pomocí orientačního měření a bez vlivu mé přítomnosti odhadoval impedanci o velikosti cca 8 kOhmů. Jenže při násobcích základního kmitočtu impedance zásadně klesala (kromě toho, že se bod rezonance posouval, pásma nejsou harmonická). Vysvětloval jsem si to tím, že odrazem od volného konce antény (bod B s koncovým izolátorem) se uplatňuje v místě napájení pro každý násobek základního kmitočtu stále více a více vln. A tomu by i odpovídala naměřená impedance na kmitočtu 28 MHz, kterou jsem odhadoval na hodnotu cca 1 kOhmu. Díky této skutečnosti příliš nefandím napájení EF antény pomocí transformátoru, ale upřednostňuji tuner. Samozřejmě lze udělt i v řešení s transformátorem opatření, např. přepínat odbočky (transformační poměr), řadit do anténního drátu pasivní prvky (indukčnosti), konstruovat anténu pro konkrétní výšku nad zemí a konkrétní vodivost půdy ... To vše lze, jen to postrádá punc jednoduchosti.