OK1UFC

 

Helix dipól

Poslední aktualizace 2023    

 
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 ...

 

 

  

   TU 73, Mira, ok1ufc