Všeobecně

Anténu helical jsem neměl v úmyslu publikovat, mám pro to mnoho důvodů, které budou zřejmé z následujícího textu. Jenže jsem ji použil při zkouškách malých antén pro pásmo 23 cm. Silnou EME stanici na 23 cm jsem dekódoval s helicalem, který měl jen 5 závitů. Foto jsem uvedl v popisu EME 70 Small. To mě vedlo k tomu, že jsem přepočítal helical pro pásmo 70 cm, vyrobil ho a udělal s ním pravé QRPP QSO s výkonem na TCVRu jen 10 Wattů a na anténě jen asi 5.5 Wattu (koaxiál H155 dlouhý 10m).

Výpočet

Pro základní výpočet antény helical v axiálním módu jsem použil program - autor: Ing. Matúš Krahúnek, e-mail: matuskrahunek (at) centrum.sk
Bohužel, autor neuvádí algoritmus výpočtu. Program pro návrh je však jednoduchý. Ke stažení je na Internetu a také zde. V programu zadáme základní data a necháme provést výpočet:

Vyzařování jsem nechal řešit s krokem 1°, obvod šroubovice jsem nastavil na 1x lambda, úhel stoupání na 12.5°, počet závitů n=6 a nechal provést výpočet pro 432.1 MHz. Vypočtené hodnoty vidíte ve spodní části obrázku. Délka šroubovice je 92 cm, průměr šroubovice je 22 cm, rozteč mezi závity je 15.4 cm a na šroubovici spotřebujete 4.27 m drátu. Vypočtená impedance antény by měla být R=140 + j0 (imaginární složku však program nepočítá, já jsem zjistil, že impedance antén helical bývá poblíž reálné hodnoty R).

Vypočtená vyzařovací charakteristika

Pozor, škála zisku není v dB, ale je lineární. Pokud se vám líbí malé postranní laloky, pozor na to. Výsledek odpovídá parametrům, které jsem alespoň částečně ručně optimalizoval nástroji v uvedeném programu, kritéria - viz pravý obrázek.
 

Uvedeným způsobem navržená anténa měla impedanci v místě napájení Z = 135 - j30 a na tuto impedanci byl přizpůsoben vysílač a byl optimalizován LNA s obvodem MMIC z pohledu šumového čísla a koeficientu odrazu RL.

Drátěný model a výpočty vyzařování (far field) nad reálnou zemí

Drátěný model jsem optimalizoval pomocí prostředků a nástrojů mého NEC preprocesoru. Bohužel, model je zatížen těmito systémovými chybami:
1. Šroubovice je modelovaná z lomených čar. Není jich mnoho (asi 8/závit). Reflektor má rozměry 52 x 80 cm, rozteč šroubovic je 40 cm.
2. Není uvažován vliv vzájemné impedance druhé šroubovice přesně. V modelu vidíte, že jsem pro výpočet nepoužil levou a pravou šroubovici. Fakt nebylo sil se s tím ručně editovat, protože původně jsem potřeboval jen levotočivou (LHCP) šroubovici pro RX a na anténě bylo místo pro RHCP šroubovici "až na někdy".
3. Nejsou lidi a tak jsem nestihl a neměl síly napsat program, který by mi umožňoval jednoduše přepočítat lomené čáry šroubovice podle parametru sklon šroubovice nebo délka závitu nebo obvod šroubovice. Takže jsem nebyl schopen optimalizovat vyzařování far field metodou NEC s ohledem na tyto parametry. A to mi tedy opravdu vadí, protože z takto navržených antén jsem nikdy nedostal maximum toho, čeho jsou schopné.

Výsledek výpočtu

Vyzařovací diagramy far field pro volný prostor a nad zemí vidíte na dalších dvou obrázcích:

Teď už mohu udělat první závěry:
1. Vypočtená impedance v místě napájení se příliš neliší od naměřené reality. Vypočteno pomocí NEC: Z = 127 -j33, naměřeno Z = 135 - j30
2. Nehezký F/B (průběh sidelobes). Takový průběh je typický pro antény, které nebyly příliš numericky optimalizovány.
3. Minima mezi mainlobe a sidelobes jsou nevýrazná.
4. Nepříjemná minima ve vertikální rovině (vliv země) má tato anténa stejně nepříjemná, jako anténa yagi.

Srovnání s optimalizovanou anténou Yagi (cca 3 x lambda)

Výše uvedený diagram asi nepřekvapí. Helical má kruhovou polarizaci, anténa yagi je dvakrát tak dlouhá a má navržený zisk o cca 3 dB vyšší. Ten však snadno ztratíme, pokud není polarizační rovina dodržena. Předozadní poměr helicalu, který jsem neměl možnost numericky optimalizovat, je však tristní.

Přizpůsobení RX aTX

Na obrázku vlevo je schéma přizpůsobení vysílače. V sérii s anténou je asi 0.326 x lambda (152 mm) dlouhý kus teflonového semirigid koaxiálu, až ke konektoru SMA. Do konektoru je naletován čip ATC700 s kapacitou 8 pF. Na konektoru naměříme VSWR = 1.

Způsob přizpůsobení vysílače je jednoduchý a poplatný tomu, kolik času jsem měl na vyřešení, když jsem domluvil se Zdeňkem, ok1dfc sked. Narychlo jsem totiž přidělával druhou šroubovici. Na pravém obrázku vidíte přizpůsobení podobné impedance druhé šroubovice k LNA, s pokusem o optimalizaci šumového čísla. Ve Smithově diagramu, v horní části a napravo od středu vidíte kružnici, která ohraničuje oblast nejlepšího šumového čísla použitého MMIC. V pravé části diagramu pak najdete hranatý bod, který odpovídá impedanci použité šroubovice. Šroubovice je nalisovaná do kabelového očka a za toto očko je připájená k SMA. To nám udělá proti zemi kapacitu asi 0.5 pF. Mě trochu ujela ruka s myší a tak je v diagramu kapacita asi 0.613 pF. Od tohoto bodu vede do LNA vedení z konektorů SMA. Žádný koaxiál tady být nesmí. Toto vedení má být po dielektrickém zkrácení dlouhé asi 23 mm. Následuje sériová indukčnost L=20 nH. To je bod, ve kterém musíme naměřit Z = 50 - j0. Tento bod však neleží za hranicí NF min. Takovému bodu by odpovídala L = 26 nH. Ve schématu je to namalováno jako sériová indukčnost. Prakticky mám v LNA jen jednu indukčnost L=26 nH. Dělal jsem to tak, že jsem si vyrobil indukčnost nepatrně vyšší a roztahoval ji vždy po měření NF. Po prvních 3 roztaženích zpravidla najdete nejlepší NF. Pak roztáhnu ještě víc, ale NF se nesmí znatelně zhoršit. Takovou cívečku už nechám být, zaletuju víčko a konec. Proč to tak dělám? Oblast nejnižšího NF je kruhová. Ale jenom na její spodní hranici je při dobrém NF také dobrý RL. Všude dál od této hranice se už jen zvyšuje. To se nám také nehodí, protože samozřejmě potřebujeme do RX také dopravit nějakou energii, hi. Závěr Anténu jsem neměl v úmyslu nikdy publikovat. Není optimalizovaná. Byla z mých malých antén při příjmu EME nejhorší. Bohužel, z chatu na HB9Q, který předcházel mému QRPPP domluvenému spojení jsem zjistil, že si stanice příliš stěžují na stáčení polarizační roviny. A pak to šlo ráz na ráz. Optimalizaci bych provést nestačil. Přijímat na šroubovici a vysílat na yagi mi přišlo hloupé. S narychlo vyrobenou druhou šroubovicí pro TX jsem už neměl na nic čas, jen na nejrychlejší přizpůsobení VSWR kusem koaxu a kondíkem. Anténa je docela neforemná. Moje rada - malé EME QRPPPP stanice, držte se dobrých, optimalizovaných yagi, pokud nemíříte jinam. Já jsem také nainstaloval yagi hned po uvedených spojeních. Výsledky Silné stanice jsem dekódoval dobře. S reporty, u kterých mám dokonce pochybnosti, zda mi nelže SW. Raději je zde uvedu až po konzultacích s OK1DFC a dalšími hamy. Uvedu je určitě. Při vysílání jsem uvažoval tuto energetickou bilanci: 1. Na konektoru RX/TX přepínače jsem naměřil při vysílání CQ do umělé zátěže asi 10.3 Wattu. Více TCVR nedá, protože mám v audiokabelech natvrdo dělič, který větší buzení Icomu 706MK2G neumožňuje. 2. Útlum kabelu k anténě jsem naměřil asi 2 dB. Myslím že to odpovídá katalogovým údajům. Používám typ H155 (tenký koaxiál). 3. Na anténě tedy bude na konektoru výkon P = 6.49 Wattu. 4. Anténa, předpokládám, že má zisk snad asi 13 dBi (podle výpočtu ve volném prostoru asi 12 dBi). Potom ovšem musí být EIRP asi 130 Wattů, které stačily na QSO. I kdyby měla anténa neuvěřitelný zisk 16 dBi (maximum, pokud se nestrefím mezi minima, bylo výpočtem stanovené na 17.8 dBi), tedy asi 40x, potom by EIRP bylo 260 Wattů. To ovšem není výsledek mé stanice. Ta jen vyzářila něco mezi 130 až 260 Watty EIRP. Z tohoto výkonu se něco nepatrně odrazilo od měsíce a dopadlo do citlivých přijímačů OK1DFC a HB9Q. Postřehy Jako EME začátečník jsem si nevybral nejjednodušší experiment. I když mám asi 3 roky zkušeností jako EME SWL, tak zkoušet vysílání s tak malým EIRP považuji za drzost. Ale náhodou se mi vyplatila. Za nejdůležitější považuji u protistanic pro malé EME staničky jejich dobrý RX, zkušenost operátora a trpělivost. Pokud EME začátečník takové stanice vidí ve spektru, dokonce je i slyší, tak na ně snadno nastaví RX a i na malou anténu je musíte spolehlivě dekódovat. Pokud se vám vloudí chyby, kde se dá, pak pokud, bez ohledu na Doppler, kdekoliv zavysíláte, ty stanice si vás najdou i s tak malým EIRP, což mohu potvrdit. Nesmíte však, uneseni příjmem silného signálu zapomenout vysílat. To se samozřejmě stalo i mě. Prokázal jsem si svůj cíl, o kterém jsem raději nikomu dopředu neříkal. Udělat EME QSO na malou anténu jen s TRXem, bez lineáru. Potvrzuji, že to jde. Tady ještě dodám nějaké fotky. Tahle anténa byla fakt vidlácky zhotovená a ostudy už bylo dost. Na jejím makeupu se pracuje, hlavně musím vyměnit to síto reflektoru, spadlo to 2 x ze střechy, odřelo se to při stěhování a je to trochu hrbaté a ošklivé.