Všeobecně
Helix dipól je jednoduchá rezonanční anténa, která svými výsledky
nezklame. Pokud helix dipól navineme na trubku a vyrobíme dipól, jehož
rozpětí je cca 80% proti půlvlnnému dipólu (např. rozpětí 6m pro pásmo 21
MHz), praktickým provozem nebudeme schopni rozlišit rozdíly ve vyzařování
půlvlnného dipólu a zkráceného vinutého dipólu.
Rovněž se nám zpravidla podaří realizovat téměř dokonalé impedanční
přizpůsobení ke koaxiálnímu napáječi a docílit velmi plochého průběhu
poměru stojatých vln (VSWR).
Příklad:
Cíl
Cílem je navrhnout a vyzkoušet
rozměry vícepásmového vinutého šroubovicového (helix) dipólu, který bude
do rezonance na pracovním kmitočtu laděn dálkově ovládaným nebo
automatickým tunerem. Je taková anténa stále ještě jednoduchá? Jaká jsou
úskalí našeho návrhu?
Technické úlohy, které musíme vyřešit
Technické úlohy jsou dány:
1. Množstvím pásem, která potřebujeme přizpůsobit ke koaxiálnímu
napáječi.
2. Rozsahem hodnot LC (nebo CL) členu automatického tuneru, který máme
k dispozici.
3. Nejmenším ladicím krokem (přírůstkem, inkrementem), kterým
uvažovaný tuner
disponuje.
Tabulka vpravo (červené pozadí) ukazuje
hodnoty indukčností a kapacit tuneru
MFJ-993 BRT (MFJ IntelliTuner),
který se vyznačuje extrémně vysokým rozsahem impedancí, které tuner
vyladí. Druhá tabulka (zelené pozadí) ukazuje moje řešení dálkově
řízeného tuneru, který se liší jedním detailem - maximální hodnota
indukčnosti je dvojnásobná (50 uH), ale přesnost jejího nastavování je
poloviční. |
MFJ-993 BRT hodnoty LC:
|
ok1ufc LC/CL tuner, hodnoty LC:
|
|
|
Ani jeden z uvedených tunerů nebyl schopen
helix dipól vyladit na všech pásmech od 3.5 MHz do 28 MHz. Příčiny byly
prosté:
1. Tuner MFJ-993BRT nedisponoval potřebnou maximální hodnotou indukčnosti
na 7 MHz.
2. Můj tuner (ok1ufc) sice ještě vyladil pásmo 7 MHz, ale rovněž nebyl
schopen kvůli malé hodnotě indukčnosti vyladit anténu na pásmu 3.5 MHz.
3. Oba tunery pracovaly s indukčnostmi a kapacitami, jejichž hodnoty byly
řazené pomocí relé, v systému s dvakrát 8 bity:
To sice umožňuje jeden z
největších rozsahů ladění, který automatické tunery mají, ale na pásmech
24.9 MHz a 28 MHz se projeví další úskalí - krok ladění kapacit C, který
je 15 pF je na uvedených pásmech nedostatečný (hrubý) a u antény uvedených
rozměrů není schopen přesně vyladit na uvedených pásmech hodnotu VSWR (za
dobrý výsledek bychom museli považovat VSWR = 2).
Manuál tuneru MFJ-993BRT lze stáhnout zde a
servisní manuál se
schématy zde.
První dvě příčiny bychom dokázali odstranit návrhem šroubovice s větším
počtem závitů, která by nám posunula rezonanční kmitočet směrem k nižším
kmitočtům. Bohužel, takový návrh se velmi rychle vzdaloval možnosti
vyladění tunerem na pásmech 28, 24 a 21 MHz. Proto jsem se rozhodl
přepracovat základní návrh šroubovice tak, aby sice zůstal rezonanční
kmitočet na 21 MHz, ale aby klesly hodnoty impedancí. Vznikla anténa s
rozpětím cca 5 metrů (o jeden metr méně proti původnímu návrhu), přibližně
s těmito hodnotami impedancí na svorkách (Diagram průběhu VSWR s uvedením
hodnot impedancí na svorkách a Smithův diagram):
Je zřejmé, že takto navržený
rotační dipól nevyladí na pásmech 3.5 MHz a 7 MHz žádný z uvažovaných
tunerů. Reálné části hodnot impedancí jsou prostě nízké. Proto jsem se
rozhodl navrhnout tzv. "předladění dipólu" dodatečně zařazeným LC členem
před vstupní svorky tuneru. LC člen je řazen (nebo vyřazen) pomocí relé.
Schéma helix antén s laděním
tunerem a s předladěním
Princip ladění a princip
předladění uvádím na obrázku se Smithovým diagramem (dvě typická pásma):
Rozměry antény
Anténa má tyto základní rozměry:
Rozpětí: 5.28 metru (2 x
2.64 m)
Průměr šroubovice: D = 32 mm
Drát Cu, průměr: d = 1.6 mm
Počet závitů: N = 68 (90) - viz poznámka
Výška instalace: H = 10 m
Poznámka: počet závitů N = 90 byl výchozím počtem závitů při výchozím
návrhu šroubovice. Finální počet závitů na laminátové trubce 2 x 2.6 metru
byl 68 (docílení rezonance na 21.1 MHz). Ve finálním provedení jsem
uvažoval o realizaci helixu na laminátu rybářských prutů (délka 4 m
zkrácená na 2.65 m). Průměr šroubovice se na laminátu zmenšoval a rezonance na 21 MHz
(impedance cca 35 + jX=0) jsem dosáhl při cca 72 závitech.
Vlastnosti antény jsem simuloval
programem EZNEC Pro/2 a pro simulaci jsem použil vestavěná generátor helix
elementu. Nastavil jsem 6 segmentů na jeden závit, aby výpočet netrval
příliš dlouho). S takto nastaveným programem se vypočtené a naměřené
hodnoty liší u R jen v několika Ohmech, což je dostatečné.
Vyzařování antény a vypočtený
zisk na pásmech od 80 m do 10 metrů
Balun
Anténa vyžaduje použití balunu, který zamezí společným zemním
proudům. V případě použití tuneru MFJ-993BRT vystačíme s jedním
balunem na výstupu z tuneru ( tuner je napájen po anténním
napáječi). Balun zde plní funkci tzv. linkového izolátoru. Jiné
tunery, řízené a napájené po kabelu, budou vyžadovat linkový
izolátor, který bude ralizován na řídícím a napájecím kabelu.
Skříňku s relé (4 žíly pro ovládání relé) je rovněž dobré vybavit
linkovým izolátorem.
Závěr
Přestože je šroubovicový (helix) dipól
jednoduchou anténou, může nás potrápit čistě elektronické ladění
antény na více pásmech. Tzv. "předladění" je konstrukční komplikace,
samozřejmě. Pro ladění antény v tak velkém rozsahu vlnových délek však
pro schéma skokového ladění s 2 x 8 bity nenajdeme vhodný automatický
nebo dálkově řízený tuner. Anténu by však spolehlivě vyladil speciální
tuner (např. 2 x 12 bitů) s ještě větším rozsahem, než má vynikající
IntelliTuner MFJ-993BRT.
Problematice ladění rotačního dipólu,
zejména pochopení příčin problematiky věnuji ještě pár obrázků v
dodatku článku.
|
|
|
|
Dodatek - problematika ladění a její
příčiny Problém na horních pásmech,
pokud je krok ladění kapacity tuneru příliš velký (není jemný). V
příkladu je krok C = 15 pF, tedy tuner má schopnost nastavit hodnoty C
= 0 pF nebo 15 pF, 30 pF, 45 pF, atd., ale nic mezi tím. Ze Smithova
diagramu je zřejmé, že při C = 15 pF nedojde k vyladění, při C = 30 pF
(druhá řada) dojde k vyladění VSWR těsně pod hodnotu VSWR=1.5 a při C
= 45 pF (třetí řada) již zase nedojde k přizpůsobení impedance.
Problém na dolních pásmech jsme
vyřešili tzv. předladěním. Předladění spočívalo ve vložení
dalšího LC členu, který byl navržen tak, aby transformoval nízkou
impedanci použitého dipólu. Princip je zřejmý z následujících
obrázků. Při tak malých impedancích, jako má tento krátký dipól se
nám již budou špatně odhadovat hodnoty L přímo ve Smithově
diagramu. Pro rychlý výpočet však můžeme použít kalkulátor z
programu MMANA (jmenuje se HF Component, záložka LC-match, příklad
výpočtu pro kmitočet 7.074 MHz viz vpravo.
Z řešení okamžitě vidíme, že jsme mimo možnosti tuneru.
Na dalších obrázcích dole uvádím schéma a hodnoty při ladění jen
tunerem s velkým rozsahem a dole schéma přizpůsobení, které
zahrnuje předladění a doladění tunerem.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Na obrázku vpravo je detail středu
Smithova diagramu.
Bez předladění by tuner MFJ-993BRT
vyžadoval rozšíření ladicí schopnosti o další 3 bity. To znamená,
že další hodnoty indukčností by byly 25 uH, 50 uH a 100 uH. Potom
by maximální hodnota ladicí indukčnosti L byla 200 uH.
Poznámky:
1. Tuner MFJ-993BRT není úplně miniaturní. Jeho rozměry jsou cca
260 x 360 x 65 mm. Pokud má být tuner montován k trubkovému
stožárku, neobejdeme se bez konstrukční desky pro montáž třmenů. Z
druhé strany desky se vejde reléová skříňka s předladěním a baluny
(linkové izolátory).
2. Druhou možností je, že na stožárku pod dipólem je pouze reléová
skříňka předladění. Dipól je připojen krátkým žebříčkem (v modelu
EZNEC byl simulován). Reléová skříňka je propojena s tunerem
pomocí krátkého nízkoztrátového koaxiálu s vysokou elektrickou
pevností.
3. Popsané úvahy platí pro tuner MFJ-993BRT, tedy pro 300/150
Wattový tuner. Tunery MFJ pro vyšší výkony existují, ale mají jiný
(menší) rozsah ladění. Například MFJ-994BRT má rozsah L = 0 - 17
uH, C = 0 - 2950 pF.
4. Výzvou pro mě zůstává návrh tuneru pro krátký všepásmový dipól
(trubka většího průměru), který bude laděný jen elektronicky,
vhodným LC tunerem. Komerčně se taková anténa vyrábí. Není
nejlevnější a nikdy jsem ji nevlastnil. Takže zase někdy příště
... |
|
|
|
|