Balcony vertical

I. Popis antény
Balcony vertical (balkónový vertikál) je krátkovlnná anténa pro práci na vyšších pásmech krátkých vln (od 14 MHz včetně).

 
Proč balkónový? Aby mohla anténa pracovat na více pásmech, musíme do držáku zářiče zasunout zářič pro konkrétní pásmo. S jedním zářičem je anténa schopná práce na jednom pásmu krátkých vln. Prakticky to znamená, že před přepnutím na jiné pásmo musíme "vyběhnout" z hamovny na balkón a použít správný zářič.

Další charakteristiky:

1. Na každém z pěti pásem má anténa na svorkách impedanci blízkou hodnotě 50 Ohmů.
2. Anténa vyzařuje nízkým vyzařovacím úhlem a je vhodná pro DX provoz.
3. Anténa má tři nebo dva nadzemní radiály. Vhodný rozměr radiálů je 1700 až 2000 mm.
4. Anténa je od země izolovaná a pro svou činnost (z hlediska funkce, nikoliv z hlediska ochrany před úderem blesku) nevyžaduje, aby byla jakákoliv část antény spojena se zemí.
5. Anténa je vůči zemi nesymetrická a pro dosažení dobrých vlastností jsou vyžadována opatření na potlačení společných zemních proudů (common mode currents). Prvním opatřením je použití balunu 1:1 u svorek napájení zářiče a radiálů. Dále vřele doporučuji vložit do koaxiálního vedení další účinný linkový izolátor (balun).
6. Anténa pracuje se stále stejným systémem radiálů (se stejnou protiváhou) pro všechna pásma. Dle schématu EZNEC (obrázek vpravo) se jedná o radiály (3, 4, 5), o svislý držák zářiče (2), který je přibližně v polovině své délky rozdělen, horní část tvoří držák zářiče, tj. trubku, do které se zasune zářič pro konkrétní pásmo. Horní část je propojena se středním vodičem koaxiálu balunu. Dolní část zářič propojuje výstup z balunu (plášť koaxiálu) se středem radiálů.

Cílem dnešní úlohy je najít vhodné rozměry zářičů výpočtem v modelu EZNEC, provést výpočet impedancí pro výšku roviny radiálů H = 3 m a pro odchylné hodnoty impedancí najít pro konkrétní pásmo prodlužovací indukčnost L nebo zkracovací kapacitu C.

EZNEC modely

Aby nám šla práce lépe od ruky, lze zde stáhnout EZNEC model pro každé pásmo:
14 MHz - vert_14.ez
18 MHz - vert_18.ez
21 MHz - vert_21.ez
24 MHz - vert_24.ez
28 MHz - vert_28.ez
 

Příklad základních rozměrů (pásmo 28 MHz, tabulka dole):

II. Schéma antény

Protože anténa používá na všech pásmech stejný systém radiálů (raději protiváhy), jedná se z pohledu geometrického uspořádání o anténu nesymetrickou, která není napájena ve středu antény (OCF, Off Center Fed), jako třeba čtvrtvlnný vertikál nebo půlvlnný dipól. Je tedy napájena mimo střed a excentricita vůči středu je na každém pásmu jiná. To způsobuje, že i impedance je u každého pásma na svorkách odlišná. Různou délkou zářiče lze realizovat anténu s použitelným průběhem VSWR na pásmech 18, 21 a 24 MHz.  Na pásmu 14 MHz již vychází impedance vysoká (80 Ohmů). Aby se nám vrátila k hodnotě 50 Ohmů, použijeme v patě prodlužovací indukčnost (1.3 mikroH) a zkrátíme zářič na délku, která odpovídá rezonanci na požadovaném kmitočtu. Na pásmu 28 MHz již vychází impedance v bodě napájení nízká (30 Ohmů). Proto prodloužíme odpovídajícím způsobem zářič, ale do rezonance ho doladíme sériovou kapacitou (56 pF) v patě zářiče. Použitím uvedených úprav docílíme průběhů impedancí uvedených níže.

III. Průběh impedancí na svorkách antény

Shrnutí - důležité je, že jednoduchými úpravami (popsanými výše) bylo dosaženo vynikajícího průběhu VSWR na každém pracovním pásmu.

IV. Vyzařování antény

Z principu se jedná o vertikální anténu se zářičem délky kolem 1/4 WL. S ohledem na tuto skutečnost anténa vyzařuje. Vyzařování na každém pásmu můžeme v obou rovinách řešit v programu EZNEC. Příklad pro pásmo 18 MHz:

Výsledek řešení pro všechna pásma ve svislé rovině (EL):

 

V. Závěr Popsanou anténu jsem v různých modifikacích používal řadu let. Jde o jednu z mých oblíbených antén, která nezklamala. Anténa je na balkóně nenápadná. Aby fungovala správně, stačí "chvilku počítat v EZNEC" a stanovit přesně výchozí rozměry. V jedné verzi mám tuto anténu instalovanou stále, hned vedle parabolických antén pro satelit QO-100. Pro poslední instalaci jsem použil upravené díly (držák, jeden zářič) ze staré CB antény, držák dvou radiálů jsem vyrobil z prvků na armatury (Habercorn). Foto vpravo: držák dvou radiálů Foto dole: jeden ze zářičů zhotovený z trubek staré CB antény
Poznámky: Namítnete, že vyfotografovaná anténa je úplně jiná. Ano, ověřoval jsem si výpočtem i experimentálně  zásadní rozdíly ve vlastnostech balkónového vertikálu, který bude mít štíhlý zářič (průměr u paty jen 18 mm), bude konstruován jen se 2 radiály, svislý držák zářiče bude jednoduché konstrukce a jeho část bude tvořit Cu lano o průměru 1.6 mm. 1. Konstrukce držáku zářiče je na fotografii vpravo. Tvoří ji Al trubky. 2. Horní trubka je izolovaná od protiváhy plastovým kroužkem (PE) . 3. Dolní trubka je spojená s protiváhou. 4. Oba díly jsou oddělené izolantem, jsou připojené paralelně na výstup balunu 1:1, ale tvoří konstrukční kapacitu, kterou jsem si po konstrukci dílu změřil (cca 11 pF): 5. Anténa byla modelována ve velice zjednodušeném modelu EZNEC, který lze stáhnout zde. 6. Anténa byla modelována s těmito vstupními daty (Wires, Sources, Loads) - viz níže:
7. Průběh impedancí a vyzařování vertikálu (rovina radiálů je ve výšce cca 3 metry):
8. Kontrolní měření VSWR Měřeno v hamovně, včetně koaxiálního napáječe délky cca 5 metrů do hamovny, která má balkón s vertikálem, včetně balunu u držáku zářiče (v krabičce na zábradlí), včetně linkového izolátoru před vstupem do hamovny. 9. Závěr experimentu Cílem bylo ověřit výpočtem na jednoduchém modelu EZNEC modifikaci antény Balcony Vertical v uspořádání se 2 radiály, se štíhlým zářičem (v patě průměr 18 mm), provést základní nastavení délky zářiče a ověřit měřením VSWR na svorkách antény. Výsledek: OK, cíl byl dosažen.
Balkónový vertikál je jednoduchá jednopásmová anténa, která po naladění nevyžaduje tuner. Pro jemné doladění obvykle vystačíme s vestavěným tunerem transceiveru. Aby anténa fungovala, neobejdeme se bez dobrého linkového izolátoru, který zamezí šíření společných zemních proudů. Na nejjednodušších anténách, které jsem výše popsal, si osvojíme základy modelování jednoduchých zářičů v programech MMANA nebo EZNEC. Po zvládnutí základních návrhů se můžeme pustit do návrhu zkrácených antén, které využívají například centrální indukčnosti pro prodloužení jejich elektrické délky.
VI. Alternativy Výrobce Diamond antenna vyrábí výborné jednopásmové zkrácené vertikály, které jsou použitelné jako vozidlové antény. Jednoduše je nelze použít a přizpůsobit například s využitím balkónového zábradlí, jako protiváhy. Antény byly navrženy tak, aby byly na pásmu přizpůsobené, pokud protiváhu tvoří kapacita karosérie automobilu proti zemi. Antény svým výsledkem mile překvapí. Vyzkoušel jsem ze série https://www.diamond-ant.co.jp/english/amateur/antenna/ante_1mobile/ante_mo7_hf_center.html Alternativní balkónový vertikál jsem si zkonstruoval také jako tunerem laděný a vícepásmový. S výsledkem jsem byl doslova nadšen. Takový vertikál jsem popsal na této stránce a srovnával jsem jeho vlastnosti s GAP Titan DX. Balkónový vertikál obstál výborně.