Antény T2FD, resp. W3HH

 
I. Úvod

Antény T2FD, někdy též antény TTFD začaly být používány přibližně od roku 1940. Autorství je přisuzováno W3HH (kapitán Gil L. Countryman), který anténu zveřejnil pro radioamatérské použití. Já jsem našel na internetu článek o anténě z roku 1949 (QST, lze stáhnout zde). Obecné informace jsou například na wikipedii. Anténa bývá označována jako anténa aperiodická. Anténa se vyznačuje vysokou širokopásmovostí, běžně pokryje několik krátkovlnných pásem. Často jí vidíme v provedení, že je dobře přizpůsobená např. od 2 MHz do 20 MHz, což ovšem nevypovídá o tom, že anténa v takovém rozsahu kmitočtů dobře pracuje.

II. Popisy antén

Výrobci antén ji často vydávají za anténu profesionální. Toto označení jsem až tak nepochopil, ale předpokládám, že vychází z obyvklé provozní praxe, kdy profesionální operátor je schopen anténu nainstalovat, hrubě ověřit její funkcionalitu změřením VSWR a v případě většího VSWR anténu doladit například vestavěným anténním tunerem. Neočekává se však, že by anténu optimalizoval nebo zásadně modifikoval. Na amatérském trhu je nebo bylo k dispozici několik výrobků od více výrobců:

1. Icom, typ AH 710. Manuál AH 710 lze stáhnout zde. Jde o anténu dlouhou necelých 25 metrů.
2. Diamond, typ WD330 (manuál WD330 je zde) a typ WD330S, která je označovaná jako "compact size". Manuál WD330S je rovněž ke stažení zde.
3. OK1UFC T2FD. Anténu již pro účel prodeje nevyrábím. Nicméně, po ukončení výroby první série jsem pokračoval ve vývoji s provedením T2FD MK2. Původní manuál je rovněž ke stažení zde.

Asi bych měl napsat, co mě vedlo v vývoji vlastní verze. Důvody byly dva. Nepochyboval jsem nikdy o funkcionalitách dlouhých verzí, ale nepovažoval jsem za relevantní, když výrobci o anténách psali, že se na rezistoru R ztratí asi 35 procent vf výkonu. To je velice hrubé a velice zavádějící tvrzení. Ono se na tom rezistoru někdy ztratí podstatně méně a někdy téměř všechno. Proto tohhle tvrzení nedává smysl a je důležité vědět, jak anténa vyzařuje na tom kterém pásmu. Druhým důvodem bylo uvedení na trh asi desetimetrové varianty WD330S. U této varianty bylo ještě zajímavé, že měla v části 2-18 MHz lepší průběh VSWR (1:2) než v pásmech na 16 MHz (1:3). A dále bylo zajímavých několik recenzí, které prokazovaly funkčnost antény na pásmech 80m a 40m. Proto jsem se potřeboval osobně přesvědčit, jak to doopravdy je. Zjistil jsem, že anténa kolem 10m délky má na pásmu 80 m výborný průběh VSWR, ale porovnáme-li vyzařování, je asi o 30 dB horší, než vyzařování půlvlnného dipólu. A tak jsem měl důvod jít do vlastní konstrukce antény, která je o něco delší (necelých 15m), na pásmu 80 m vyzařuje jen asi o 24 dB hůř, než půlvlnný dipól, na pásmu 40 m jen asi o 7 dB hůř. Moje anténa vypadá v poslední variantě takto:

III. Schéma T2FD antény v modifikaci ok1ufc

Anténa má na krátkých vlnách, cca od 3 MHz do 30 MHz vypočtený a naměřený průběh VSWR lepší, než 2.

IV. Schéma EZNEC

Anténu lze v EZNEC snadno modelovat. Má jednochý model a po spuštění programu na obrazovce můžeme provádět pro naše rozměry optimalizaci průběhu VSWR pro danou instalaci a počítat vyzařovací diagramy pro oblíbená pásma.
Obrazovka programu se základními okny:

V. Co se dá optimalizovat?

Ačkoliv uvádím anténu mezi anténami jednoduchými, stále je u antény mnoho proměnných, které nám ovlivňují její vlastnosti:

- montáž antény; anténu lze instalovat jako horizontální, jako vertikální (platí pro anténu WD330S, kde ještě vystačíme se stožárkem, nikolv s monstrem) nebo jako šikmou; šikmá anténa mě zaujala svým vyzařováním, které se mi pro DX experimenty na pásmech zrovna hodilo;
- velikost zakončovacího rezistoru R a velikost impedance na svorkách napájení;
- například technickou realizaci širokopásmového vf transformátoru, protože ne všechny transformační poměry se nám musí zadařit udělat tak, aby se k anténě hodily.

VI. Prototyp ok1ufc T2FD

Vycházel jsem z kdysi publikovaného článku (70 léta, Radioamatérský zpravodaj), který vycházel z antény optimalizované W3HH, s rozměry L = 14,36m, s = 0,46 m, R = 650, Z = 600 (asi plánováno napájení žebříčkem) a výška podpěr H1 = 9.75 m a H2 = 1,85 m. Přibližně s těmito rozměry byla vyhotovená též první verze mé komerční antény. Prototyp druhé řady vycházel z nového provedení rezistoru R, který využíval provedení ALCOR, typ AP836. Jedná se o výborné bezindukční rezistory v pouzdře TO220, které jsou schopny s chladičem rozptýlit asi 30 Wattů tepelného výkonu. Prototyp byl realizován s jedním a se čtyřmi rezistory. Ve stejné době jsem vyvinul postup výroby vf transformátorů s transformačním poměrem vyšším, než 1:9, konkrétně 1:16 (pro T2FD) až 1:64 (pro půlvlnné LW EF) na toroidním jádře. O obou prvcích se zmíním na konci stránky.

VII. Vyzařování a průběh VSWR

U dobře provedené krátké T2FD můžeme přepodkládat vyzařování dle níže uvedených diagramů. Barevně jsou rozlišena pásma 80, 40, 30, 17 a 12 m.

Poznámky:
1. Všimněte si opravdu malých zisků antény na nejnižších kmitočtech. To tak je, anténa je prostě krátká a zářič je zakončen rezistorem. U krátkých antén se na nejnižších kmitočtech spotřebuje téměž veškerý vf výkon na teplo.
2. Všimněte si hezkých diagramů na vyšších kmitočtech.

VIII. Závěr

Anténa T2FD je anténa širokopásmová, s ohledem na použitý princip dobře přizpůsobená, kompromisní. Krátké antény T2FD sice přizpůsobíme, ale téměř veškerý vf výkon vysílače se na nejnižších pásmech přemění na teplo. Anténa má výborné vlastnosti při příjmu, a to pouze v případě, že si nepěstujeme tzv. společné zemní proudy, které se mohou šířit po plášti koaxiálního napáječe. Abychom docílili slušných vlastností antény, musíme použít dva nebo tři komponenty, jejichž konstrukce nemusí být v amatérských podmínkách úplně triviální. Jedná se o spolehlivé provedení zakončovacího rezistoru R, o širokopásmové provedení vf transformátoru, který musí pracovat s minimálními odrazy a případně o provedení linkového izolátoru (balunu 1:1), abychom zamezili společným zemním proudům.

IX. Konstrukční detaily

Návrh a optimalizace parametrů R (zakončovací odpor R) a Z (impedance na svorkách antény)
 

Použité zakončovací rezistory byly pouzdřené v pouzdře TO220, s chladicím křidélkem.  Dají se k chladiči přišroubovat jedním šroubem. Rezistor od výrobce Alcor je schopen bez chaldiče rozptýlit jen asi 3 Watty výkonu, s chladičem 35 Wattů.

U prototypů jsem používal buď jeden rezistor nebo 4 rezistory zapojené sérioparalelně.

Výsledná hodnota rezistorů: 1000 Ohmů.

Vlastnosti rezistorů na kmitočtech vf jsem ověřoval plným výkonem při montáži na chladiči - viz obrázek dole vpravo. Pokud měříme teplotu, abychom ji nepřekročili, bylo možné do rezistoru pustit výkon 80 až 100 Wattů.

U reálné antény je problém s vyzářením tepla a rovněž není ideální mít uprostřed antény - skládaného dipólu těžký chladič a taky těžký box s vf transformátorem.

Proto, než dospějeme od prototypu ke skutečné anténě, vyplatí se přemýšlet a konstruovat lehký chladič i lehký box.

K hodnotě R = 1000 Ohmů jsem dospěl po několika experimentech, po dosažení dobrých výsledků s tzv. MTFT baluny. Vycházel jsem z publikovaných poznatků DK7ZB (odkaz zde).

Moje konstrukce vychází ze stejných principů, ale liší se některými detaily:

- používám jiné jádro;
- používám vinutí z koaxiálního kabelu;

Schéma mého balunu je na obrázku dole. Primární vinutí je tvořeno závity teflonového koaxiálního kabelu, konkrétně pláštěm. Pláštěm prochází část sekundárního vinutí, konkrétně stejný počet závitů. Střední vodič sekundárního vinutí může pokračovat a tvořit další závity sekundárního vinutí. Poměr závitů nám určuje transformační poměr. Např. poměr 12 : 3 = 4 nám bude transformovat impedance 1 : 4² = 1:16.

Příklad provedení prototypu vf transformátoru (MTFT) transformátoru s koaxiálním kabelem, se sekundárním vinutím z izolovaného drátu a s rozdělením vinutí podle principů W1JR (aby nebyly vedle sebe konce s velice rozdílným potenciálem) je na fotografiích níže.

Jak jsem psal v textu, provedení vf transformátoru nemusí být až tak triviální zařízení. To nepaltí jen u antény T2FD, ale hlavně u end fed LW antén, které často používají ještě vyšší poměry, například 1:36, 1:49, apod. Proto si vývoj MTFT transformátoru vždy vyžádá přiměřeného experimentování, hlavně měření. K měření budeme potřebovat pracoviště, jehož základní částí budou bezindukční rezistory o hodnotách například 800 Ohmů (pro poměr 16), 1250 Ohmů (poměr 25), 1800 (poměr 36), či 2450 (poměr 49). Druhým přístrojem bude měřič impedancí v kmitočtovém pásmu krátkých vln. Protože dělám první experimenty na dílně, používám pro tento účel stařičký analyzátor. První výsledky nás nesmí odradit. Uvádím tři příklady (obrázky zleva): 1. Na obr. 1 je celkem slušně pošahaný počet závitů na primáru. Transformátor již na nízkých kmitočtech neplní svou transformační funkci, závitů je málo a k účinnému přenosu energie má takové trafo daleko. Sekundární vinutí je rovněž pošahané (nedobře navržené). Na konci pásma došlo k vlivu parazitních kapacit a k nárůstu impedance. 2. Na obr. 2 je stále ještě vinutí s nevhodným počtem primárních závitů, ale rozdělením sekundárního vitutí (podle W1JR) došlo ke kompenzaci na konci sekundárního vinutí. 3. Na obr. 3 již bylo použito nové vinutí, s vyšším počtem závitů na primární straně. Rovněž sekundární vinutí je jiné, vyrobené z tenčího vodiče, upravené podle W1JR. Celý transformátor je ještě kompenzován kapacitou na vstupu (viz schéma, bod 4. ). Transformátor transformuje impedance přesně v celém rozsahu kmitočtů. Během měření byl zakončen odporem R = 800 Ohmů a na dílně byla orientačně změřena vstupní impedance R + jX, která je, jak je zřejmé z obr. 3:  Z = 50 + j0. Nyní můžeme vyrobit druhé trafo a opatrně udělat zkoušku se 2 trafy do umělé zátěže 50 Ohmů při plném výkonu. Doporučuji výkon zvyšovat postupně, od malých hodnot, měřit teploměrem oteplení a sledovat ručky přímého i odraženého výkonu. Pokud se ručky od určitého výkonu chvějí, něco jsem nedimenzovali dobře a musíme začít znovu. Obvykle nám teploměr prozradí, co není dobré.
1.	2.	3.

V textu jsem zmínil princip W1JR. Tento princip vychází z vynikající konstrukce balunu - linkového izolátoru W1JR, který pro osvěžení paměti popisuji rovněž zde:

Při konstrukci jde o to, aby byla minimální kapacita mezi začátkem a koncem balunu, pokud má sloužit jako linkový izolátor. W1JR vinul na toroid jednu polovinu vinutí, koaxiál prostrčil toroidem koncem k začátku a vinul druhou polovinu vinutí. Tím docílil, že začátek a konec je na opačném konci toroidu. Konstrukce má ještě jednu výhodu, oděluje nám i konce, kde jsou vysoké impedance, tedy vysoká napětí. Dělení sekundárních vinutí používám i u vf transformátorů.

Linkové izolátory lze řadit do série. Na obrázku dole je linkový izolátor v plastové krabičce, se dvěma toroidy. Celková indukčnost měřená mezi plášti konektorů SO-239 je cca 225 mikroH a tomu odpovídá bariéra společnému zemnímu proudu daná reaktancí asi 10 kOhmu na kmitočtu 7 MHz.
 

Takže, máme vf transformátor i linkové izolátory. Zbývá tedy, abych prozradil, proč jsem zvolil R = 1000 Ohmů a Z = 800 Ohmů. Anténa T2FD v použité konfiguraci, tedy opakuji zde základní rozměry: L1=14350 mm, s = 460 mm (rozteč dipólu), H1 = 9.75 m a H2 = 1,85 m (výška sloupku na střeše a nízkého sloupku), bude mít nejlepší průběh VSWR při konkrétní hodnotě rezistoru R a při konkrétní velikosti transformačního poměru Z1/Z2 u vf transformátoru. Pokud zvolíme hodnotu R neoptimálně, například R = 500 Ohmů, bude průběh impedancí ve Smithově diagramu znázorněn obrazcem s "větší opsanou kružnicí", jako je obr. 1. To znamená, že VSWR bude na některých kmitočtech vyšší, dané kružnicí VSWR. Pokud provedeme více výpočtů, zjistíme, že pro určitou hodnotu R má opsaná kružnice celkem malý průměr, viz obr. 2. Ale také zjistíme, že kružnice není opsaná kolem středu. To nám říká, že musíme použít jiný transformační poměr. Použitím správného transformačního poměru vf trafa přestěhujeme kružnici do středu diagramu. Může se stát, že průměr opsané kružnice (průběh VSWR) se nám nepatrně zhorší.

Tato úvaha platí v případě, že umíme udělat vf transformátor s výborným přenosem energie, tj. bez odrazů, pro potřebný rozsah kmitočtů (např. od 3 do 28 MHz). Na trhu prodávané antény byly vždy kompromisní také v tom, jaký transformátor (nebo balun) uměl výrobce za přijatelné peníze realizovat a přijatým kompromisem, co ještě operátor a jeho TX bude akceptovat (obvykle VSWR menší, než 3, to lze doladit tunerem).

Nu, nejhorším kompromisem u antény T2FD je její délka na nejnižších kmitočtech. Pokud má anténa na 80m zisk -30 dB, osobně už to nepovažuji za anténu. Ale to je věc názoru, mnozí i na tak "špatnou anténu" udělali hezká QSO. Včetně mě. Není však důvod, abychom si T2FD anténu nezhoršovali tím, že přijmeme další a další kompromisy. A o tom byl tento, článek, pokud jste ho dočetli až sem.

Přestože jsem zde krátkou T2FD neskutečně "pomluvil", musím uvést i pohled z druhé strany - jedná se o anténu, na kterou jsem často čistě slyšel slaboučké signály a udělal s ní mnoho DX spojení. Pokud nemáte jinou možnost, pokud milujete DXování pomocí digimódů, pak koupě antény Icom AH 710 nebo Diamond WD330 může být zajímavou volbou.