OK1UFC

 

Trapovaný dipól

 aktualizace 2023    

 

Trapovaný dipól je dvou a vícepásmová krátkovlnná anténa. Zářič antény je rozdělen pomocí trapů. Slovem trap se označuje obecně paralelní rezonanční LC obvod, s konkrétním provedením poměru L/C, s konkrétní jakostí Q, který nám od sebe odděluje jednotlivé sekce drátového zářiče.

Základní schéma trapovaného dipólu


 

Vyzařování antény se odvíjí od velikosti a průběhu proudu, který protéká anténním zářičem. Velikost proudu v jednotlivých sekcích zářiče je ovlivněna základními hodnotami parametrů  trapu, což jsou: indukčnost, kapacita, jakost Q. V obrázku nad tímto textem vidíte, že trap až tak od sebe neodděluje dokonale na vyšším kmitočtu obě části zářiče. To jest část s balunem k trapům od dvou částí od trapů ke koncím ramen dipólu. Vidíme, že proud při vysílání na vyšším kmitočtu proudí částečně i do těchto částí, které samozřejmě vyzařují. Na obrázku pod tímto textem uvádím, jak se vyzařování trapované antény (na vyšším kmitočtu) liší od vyzařování půlvlnného dipólu:

Pokud vás výsledek překvapil (trapovaná anténa má neznatelně vyšší zisk), pak je to dáno tím, že je delší, než anténa půlvlnná. Ne však natolik dlouhá, aby se uplatnila její délka na vzniku laloků. A navíc jsou proudy do této části zářiče trapem značně omezeny.

Druhý pracovní kmitočet antény z našeho příkladu je 7 MHz. Opět porovnáme vyzařování trapovaného a půlvlnného dipólu (čáry diagramu se překrývají):

Křivky diagramů se překrývají. To je dáno tím, že jsem použil konstrukci trapu s poměrně nízkou hodnotou indukčnosti a anténa je jen nepatrně zkrácená proti půlvlnnému dipólu.

Impedance na svorkách antény

Tady nastává základní problém číslo jedna trapované antény. Hodnota impedance dipólu je závislá na jeho výšce instalace nad zemí. A současně též na rezonančním kmitočtu dipólu. A my tu máme pro obě pásma jen jednu hodnotu jmenovité výšky instalace, která nám ovlivní impedanci trapovaného dipólu na svorkách. Na každém pásmu jináč. Pro někoho bude zklamáním, že neuvidí na každém pásmu VSWR = 1. A zjistí, že není vůbec jednoduché mít na každém pásmu slušnou hodnotu VSWR.

Průběh impedancí z našeho příkladu. VSWR (s kurzorem na 7 MHz) a Smithův diagram (s kurzorem na 14 MHz):

Průběhy impedancí jsou pro anténu se 2 trapy (pro dva kmitočty) typické.

Vyzařování trapovaného dipólu

Vyzařování řešíme například pomocí programu EZNEC a vyzařovací diagramy pro každé pásmo jsou:

   

Modelování trapované antény pomocí EZNEC

Model trapované antény je poměrně jednoduchý. Pro náš příklad jsem použil drze zjednodušený model, který je definovaný jediným drátem (viz tabulka Wires):

Model obsahuje jedny svorky pro napájení (1 Source uprostřed) a 2 trapy (2 Loads), tak, jak je uvedeno v tabulce Loads (pod textem).

Hodnoty trapů L a C jsem volil v návrhu tak, aby mi vyšlo to, co jsem v uvedeném příkladu potřeboval, a co jsem uvedl:

- na 14 MHz musí být anténa delší, než půlvlnná (kvůli požadovanému nepatrně, fakt neznatelně vyššímu zisku, než má půlvlnný dipól);
- na 7 MHz nesmí být příliš zkrácená (abychom nepoznali okem na diagramu nepatrně menší zisk proti půlvlnnému dipólu);
- přizpůsobení na pracovních kmitočtech (VSWR) nesmí být vyšší, než 2 při výšce instalace H = 10 metrů.

 
   
   

Schéma antény pro více pásem (s více trapy)

Úskalí trapované antény

1. První úskalí trapované antény spočívá ve skutečnosti, že velikost impedance dipólu na jeho svorkách závisí na pracovním kmitočtu a na jeho výšce instalace. Hodnoty (příklad) jsem uvedl v mé první internetovské minipublikaci o KV anténách. Najdete ji na mém webu, samozřejmě. Ale s potřebnou přesností pro praktické použití můžete vlastnosti dipólu simulovat pro jakoukoliv realistickou výšku instalce např. v EZNECu. Pro vícepásmovou antému tedy musíte hledat kompromis.

2. Druhé úskalí spočívá v použití samotných trapů. Na internetu najdete celou řadu více nebo méně zdařilých a opakovatelných konstrukcí. S parametry L, C a Q lze doslova kouzlit. Záleží na tom, jaký kompromis hledáte. Zda se jedná primárně o dobré vyzařování nebo o nejlepší přizpůsobení nebo zda hledáte jednoduchou konstrukci. Jednoduchá konstrukce trapů je založena např. na využití koaxiálních kabelů při konstrukci trapů. Celkem snadno stanovíme rezonanční kmitočet takového trapu, ale obvykle potřebujeme i vhodný poměr L/C apod.

3. Třetí úskalí spočívá ve skutečnosti, že trapy jsou namáhány poměrně vysokým napětím (jde přece o paralelní rezonanční obvod). Proto je na materiál (na dielektrikum, na provedení kapacit a izolací) kladem též neskromný požadavek na elektrickou pevnost.

4. Další úskalí spočívají ve vyšší hmotnosti, vyšší složitosti anténního zářiče a ve vyšším aerodynamickém namáhání zářiče i jeho podpěr ve větrném počasí nebo při námraze.

5. Dobré, pečlivě nastavené trapované antény však bývají vděčné, jejich chování lze snadno simulovat, jejich vlastnosti počítat, jejich vyzařování předvídat.

Komerčně vyráběné trapované antény

Trapované dipóly vyrábí a prodává celá řada výrobců. Já mám zkušenosti jen s výrobky firmy Diamond (Japonsko). Jejich antény jsou lehké a přitom robustní, mají dobré baluny a dobře provedené trapy. Jsou kvalitní. Vyrábějí se v různém provedení. Manuál o W sérii lze stáhnout zde. Osobní zkušenost mám s typem W-735, kterou jsem dlouho používal jako referenční dipól při měření a srovnávání antén pro pásma 80 a 40 metrů. Dále s typem W-8010, kterou jsem však nikdy neinstaloval a nepoužíval s druhým (krátkým) dipólem pro pásma 20 m a 10 m. Anténu jsem měl instalovanou pro provoz na pásmech 80/40 metrů. Taková instalace umožňuje též provoz na pásmu 15 metrů (nikdy jsem nevyužíval, pro toto pásmo jsem měl směrovku a jiné další antény). Důvod pro instalaci W-8010 byl banální. Tato anténa je asi o 6 metrů kratší, než W-735. Chtěl jsem si dokázat, že se z hlediska vyzařování obě antény liší nepatrně. Což jsem si potvrdil.

 
   
   TU 73, Mira, ok1ufc