Na konci napájený půlvlnný dipól


Všeobecně

Dipól, který napájíme ve středu má proti jiným anténám několik základních výhod:

1. Vhodnou výškou instalace zvolíme potřebný vyzařovací diagram.
2. Dipól budeme napájet proudem na impedanci blízké charakteristické impedanci koaxiálního kabelu.
3. Maximální napětí (napěťové kmitny) budou na koncích dipólu. Úniku energie tedy snadno zabráníme, pokud použijeme kvalitní izolátory s dlouhým povrchem a dostatečnou vzdáleností od jiných vodičů.
4. Pokud dipól zkonstrujeme vůči zemi jako symetrický, není důvod, aby nám tekly v napáječi rozdílové proudy. Anténní systém může být vůči zemi dokonale izolovaný.

Základní nevýhodou však může být, že v podmínkách radioamatéra není rozumný centrální systém napájení realizovatelný. A problémy jsou na světě. Musíme vyřešit na konci napájenou půlvlnnou anténu. Není to vždy až tak jednoduché, existuje celé množství zaručeně dobrých a v současnosti publikovaných návodů a přesto takové antény dělají vrásky na čele.

Dobrý systém napájení END FED

Dobrý systém napájení END FED se vyznačuje dvěma základními příznaky:

1. Rezonanční kmitočet zářiče se po připojení napáječe příliš nerozladí.
2. Plášťové proudy v napáječi (modrá svislá čára ve schématu vedle) jsou maximálně potlačeny.
3. Do staniční země (červená svislá čára ve schématu) tečou nepatrné proudy.

Pozn.:

a) Půlvlnné antény jsou extrémně citlivé na kapacitní zátěž na koncích dipólu. Všimněte si, jak anténu rozladí přítomnost člověka v blízkosti konce zářiče, přítomnost měřicího GDO, přiblížení ruky k měřícím přístrojům.

b) Vyzkoušejte si, o jaký kus musíte zkrátit zářič, v okamžiku, kdy připojíte transformační obvody a napáječ antény.

Nevhodný systém napájení END FED se vyznačuje následujícími příznaky:

1. Rezonanční kmitočet zářiče se po připojení napáječe významně sníží.

2. Plášťové proudy v napáječi jsou vysoké. Nejsou dostatečně potlačeny. Napáječ, staniční zem a napájecí obvody transceiveru (jsou typu PELV, tedy spojené s ochranným vodičem rozvodné sítě) se stávají součástí vyzařování systému. Anténa často přijímá poměrně značnou úroveň hluku.

Impedance

Pokud napájíme půlvlnnou anténu na konci, musíme vyřešit transformaci vysoké hodnoty impedance na impedanci blízkou hodnotě char. impedance napáječe (koax. kabel, výstup z TRX). Vhodným řešením je použití napájecího žebříčku (systém Single Zeppelin). Druhé rameno žebříčku má dostatečnou kapacitu proti zemi a postará se nám o přenos HF energie. Problematickým systémem je transformace pomocí čtyřpólů (nepříliš rozměrné LC články, paralelní rezonanční obvod s vazebním vinutím). Problém spočívá v tom, že takovému transformačnímu obvodu vhodně vyřešíme protiváhu a nebo si jí obvod vyřeší sám. Z pláště koaxiálního kabelu, staniční země, z napájecích obvodů. A rázem řešíme problém společných zemních proudů.

Velice častým mýtem je, že u půlvnné antény napájené na konci netečou žádné proudy. To platí maximálně na druhém konci, pokud použijeme ideální izolátor. Na napájeném konci to však vypadá s proudy tak, jako na třetím (předchozím) obrázku.

Poznámka: Uvědomme si dvě věci. Anténní zářič pracuje se stojatou vlnou. U END FED (na konci napájené) antény vždy pracuje se stojatou vlnou také plášť napáječe a celý zemní systém, vč. napájecích obvodů. A naměříme na něm minima a maxima proudů a napětí. Chceme-li mít dobrou anténu, musíme proudy tekoucí do zemního systému v maximální míře omezit.

Na konci napájený DIPÓL EFCFD

Dále popisované řešení odpovídá tomuto schématu:

Skutečně se jedná o dipól, jehož zářič je (s ohledem na princip) napájen ve středu. Z hlediska konstrukce se jedná o anténu napájenou na konci (END FED). Proto ten krkolomný název End Fed Center Fed Dipole (EFCFD). Tím, že se jedná o dipól, který je napájený ve středu, odpadá nám starost s transformací impedancí. Impedance v místě napájení je nízká a je blízká nominální výstupní impedanci TRXu.

Důležitá poznámka

Na webu jsem zjistil, že se pro antény, které pracují na uvedeném principu používá označení "Resonant Feedline Dipole". Odkaz na stránky s tématikou uvádím zde: http://www.dxzone.com/catalog/Antennas/Resonant_Feedline_Dipole/ a dovoluji si upozornit, že na uvedených stránkách jsou popsány zdařilé i naprosto propadající způsoby izolace části napáječe označované jako "Resonant Feedline". Vlastnosti tzv. "line insulatoru, line izolátoru" považuji za naprosto klíčové pro úspěšnou realizaci této antény. O tom, jak se změní proudy v dipólu, pokud je izolace nedostatečná jsem psal také zde: http://www.sidlo.com/ok1ufc/dipol_izolatory.htm, a na stránce je také další odkaz na jedno z předchozích měření na anténách.

Během zkoušek antén jsem zjistil dva důležité aspekty, kvůli kterým tyto antény skutečně nefungují:

1. Použití koaxiálu z tenkého koaxiálu (např. RG174). Pravděpodobně více příčin (vysoký útlum a impedanční skoky) způsobily, že antény nešly na nízkých kmitočtech (dlouhý koax) vůbec naladit a kratší antény měly tak mizerný zisk, že jsem tuto lehkou konstrukci rychle opustil.
2. Použití nevhodného line izolátoru. Malá izolační schopnost rychle vede ke ztrátě zisku.

Příklad průběhu VSWR na svorkách EFCFD ( nebo RFD)

Hodnota svorkové impedance je závislá na výšce montáže dipólu. Příklad z měření antény typu "sloper" pro pásmo 20m uvádím zde:

Konstrukci měřené antény popisuji níže. Nejlepší změřený poměr stojatých vln (VSWR) byl cca VSWR = 1.26, tomu odpovídala Z=47 Ohmů. Průběh VSWR byl plochý a odpovídal použitým vodičům zářiče. Jedno rameno tvořil plášť koaxiálního kabelu typu RG-58, druhé tvořil jednožilový izolovaný vodič. Délka zářiče byla v bodě nejlepšího VSWR cca 0.42 x lambda.

Opatření, která zamezovala plášťovým proudům, aby tekly do staniční země a do napájecích obvodů.

1. Na konci ramene dipólu LZ1 (které slouží také k napájení antény ve středu) je zabráněno plášťovým proudům pomocí speciálního selektivního trapu, který je označen jako Line Izolátor 1. Jeho fotografie je uvedena zde. Line Izolátor se vyznačuje tím, že na pracovním kmitočtu vytváří na plášti kabelu vysokou impedanci, která brání proudům, aby tekly do další části pláště koaxiálního napáječe. Line Izolátor však umožňuje, aby jeho vedením procházela HF energie pro napájení středu antény beze ztrát (VSWR do 1.2 v širokém rozsahu kmitočtů).

2. V napájecím koaxiálním vedení je dodatečně zařazen ještě širokopásmový Line Izolátor 2. Jedná se o běžný proudový balun Kellermannovy konstrukce, která se vyznačuje vysokou indukčností na plášti kabelu, velkou širokopásmovostí (do mnoha desítek MHz). Délku napáječe 1 (ve schématu modré značení) lze s ohledem na pracovní kmitočet antény vhodně navrhnout a docílit s oběma Line Izolátory úžasného potlačení plášťových proudů. V popisovaném případě antény však tak precizní řešení nemělo smysl a plášťové proudy byly dostatečně potlačeny již s prvním Line Izolátorem 1 (červený).


Na obrázku vpravo tedy rekapituluji, jaké jsou hlavní body antény a jaká byla provedena opatření k potlačení společných plášťových proudů:

1. Centrální napájení dipólu.

2. Line Izolátor 1. Jde o izolátor rezonančního typu, selektivní, určený vždy pro jedno amatérské HF pásmo.

3. Line izolátor 2. Jde o širokopásmový proudový a impedanci netransformující balun s vysokou indukčností mezi oběma konektory SO-239.

Konstrukční detaily popisované antény
 
Centrální napájení dipólu

Do velkého vajíčkového izolátoru je provlečeno první rameno dipólu (vyrobené z RG-58), které napájí druhé rameno z jednožilového vodiče. Koaxiální kabel je zajištěn pomocí duplexní lanové svorky č. 5.

Druhým okem izolátoru je provlečeno druhé rameno dipólu a zajištěno duplexní svorkou číslo 2.

Vnitřní vodič koaxiálu je propojen s jednožilovým vodičem druhého ramene. Plášť koaxiálu není v tomto bodě s ničím propojen. Spojení vodičů je chráněnou smršťovací trubičkou.

Ve další podobě je spoj centrálního izolátoru ještě fixován stahovacím páskem:

U sériově vyrobených antén pro prodej byl střed dipólu vyroben jako lisovaná kovová spojka. Toto provedení je mechanicky spolehlivé pro kratší antény vyrobené z koaxiálního kabelu RG58. U dlouhých antén se osvědčilo vyrábět část zářiče od středu napájení z anténního lanka, které má menší průměr a malou hmotnost. U všech antén se osvědčilo zabezpečit pevnost spoje vždy lanovou duplexní svorkou.

Není to nejlepší řešení (pracný kvůli převlékání trubiček po celé délce ramene dipólu) pro dlouhé antény. Jednoduchý a dobrý způsob (duplexní svorka) provedení centrálního bodu je uveden v dalším textu u popisu výroby prototypů.


Provedení krajních izolátorů je vidět z fotografií vpravo.

Jednožilový vodič ramene dipólu je zafixován duplexní svorkou velikosti 2. Délkou tohoto konce se nastavuje rezonanční kmitočet antény (provádí se ladění zářiče). Malé nesymetrie anténě nevadí.

Koaxiální kabel ramena dipólu je fixován duplexní svorkou velikosti 3 (vpravo dole). Koax je zakončen konektorem PL-259, který se připojuje do SO-239 na Line Izolátoru 2. Tento konec koaxiálu nesmí být nikde uzemněn, neměl by být veden těsně kolem kovových částí konstrukce. Je na něm maximální napětí antény.

Anténa při přepravě

Anténu lze při přepravě srulovat do maličkých rozměrů:
 

  
 

   

Anténka při zkouškách

Přestože bylo větrno, tak jsem anténku zkoušel v praktickém provozu (SSB, pásmo 14 MHz). Zkoušená sestava byla upravena z výše popsané antény, která byla vystrojená pouze jediným širokopásmovým line izolátorem s vysokou impedancí. Line izolátor byl přichycen provizorně ke kotevnímu lanku pomocí stahovacích pásků.

Co se zkoušelo?

1. Zda se změní průběh VSWR, pokud bude analyzátor připojen pomocí krátkého (20 cm) napáječe a dlouhého (cca 8 m) napáječe. Výsledek: Průběh VSWR byl v obou případech stejný. Anténa se tedy významně nerozladila, line izolátor ji účinně oddělil od napájecího koaxiálů a je předpoklad, že napáječ vysílat nebude.

2. Zkoušel jsem, zda s jednou geometrií (naladěná délka zářiče) budu moci pracovat, když bude jeden konec šikmého dipólu těsně u země nebo ve výšce kolem 2 metrů. Výsledek: Anténa se významně nerozladila, bylo ji možné používat v obou instalacích.

3. Zda se mi podařilo zkonstruovat line izolátor, který bude vyhovující na více pásmech? Ano, line izolátor, který je na fotografii nahoře a také vpravo, spolehlivě funguje s anténami od 7 MHz do 30 MHz.

4. Zda bude anténa použitelná na více pásmech, pokud bude do rezonance laděna pouze délkou té poloviny zářiče, která je vyrobená z drátu? Ano, anténu jsem rozstříhal, ustřižením (asi 1.5 m) jsem ji přeladil na pásmo 17 metrů, prodloužením na 30m. Další stříhání či prodlužování nemělo smysl, impedance nesymetricky napájených antén již lezla nahoru a VSWR by bylo VSWR = 2 a více. Na třech sousedních pásmech jsem šikmý dipól byl schopen naladit na VSWR lepší než 1.5

5. Praktický provoz na SSB. V sestavě IC-706 MK2 bez tuneru, s výkonem 100 Wattů, s uzemněnou i neuzemněnou stanicí, s napáječem antény vedeným podél mikrofonu (hi....) i volně položeným. Napáječ byl několik metrů dlouhý koaxiál RG-58 z mé "portable" sady přístrojů. ... Výsledek: Nezjistil jsem žádné plášťové proudy ani jejich příznaky. HF energie se nešířila ani do PELV zdroje (Alinco), ani do mikrofonu :-), ani do uzemnění spojeného s radiály vertikálního systému. I když byla anténa nízko, chovala se jako dipól v konkrétní výšce. Nikde jsem nepozoroval vyšší ztráty, příjem extrémního rušení, slyšel jsem silné (až 59+40 dB) i slabé stanice, které zanikaly v šumu.
 

Zařízení, se kterým jsem zkoušel - zdroj Alinco (soustava PELV, tj. zdroj bezpečného napětí s ochranným vodičem), uzemněno jen na ochranný vodič nebo spojená se zemí, která je propojená na zemní systém vertikálů. Napájecí vodiče 13.5 V volně položeny na stole napáječ antény volně tažen kolem TRXu, zrovna na něm leží mikrofon.

Na fotografii je soustava TRXu v provozu, tj. vč. zdroje a mikrofonu, která  je uzemněná jen pomocí ochranného vodiče sítě nn (PELV). Použitá na konci napájená půlvlnná anténa je realizovaná jako anténa neuzemněná, případně od země oddělená pomocí tzv. line izolátoru.

Závěr a výhledy

Na konci napájená anténka se chová jako šikmý dipól (z hlediska impedance), lze ji provozovat s běžným TRXem bez jakéhokoliv  tuneru, pokud je nainstalována jako šikmý zářič - slopper. Spodní konec anténu nerozladí, pokud je nastavená do rezonance nízko nad zemí a konec zvedneme do 2 m a prezentace společných proudů, které tečou do staniční země, těla operátora nebo mikrofonu, se nekonala. Prostě a jednoduše řečeno, funguje to. V současné době mám připravené prototypy vyrobené z tenkého koaxiálu (mimo pásmo 80m, tam musí být RG-58). Od miniaturního konektoru jsem opustil, u portable provedení budou i na tenkém koaxu konektory PL-259.

Zkoušky na prototypech z koaxiálu RG58

I. Zkoušela se jednoduchost nastavování. Příklad u antény pro popisované pásmo 20m, kmitočet 14100 kHz, anténa vyrobena s délkovou rezervou.

Krok č. 1, změřeno jX, vzdálený konec zkrácen o 46 cm
Krok č. 2, změřeno jX, vzdálený konec zkrácen o 18 cm
Krok č. 3, změřeno jX, vzdálený konec zkrácen o 11 cm
Krok č. 4, měření R, jX:

Krok č. 5, kontrola průběhu VSWR:

Výsledek: Antény lze nastavit do rezonance maximálně se 3 kroky zkracování, v čase do 30 minut.

II. Zjišťování parametrů pro kontrolu na zemi

Pod pojmem "kontrola na zemi" se rozumí měření antény po výrobě v nízké výšce. Při opakované výrobě před expedicí se kontrolují důležité geometrické rozměry, které pro popisovaný typ antény jsou:

- geometrická délka mezi spodním izolátorem a středem u popisované antény musí být 435 cm
- geometrická délka mezi izolátory, musí být 951 cm
- geometrická délka kabelu od izolátoru ke konektoru PL-259 včetně, musí být 36 cm

Ve výšce 1m se kontrolují průběhy R, jX a VSWR. Rezonanční kmitočet musí být mezi 13.500 až 13.600 MHz,  průběhy R, JX a VSWR musí mít zjevně správný charakter, který odpovídá dobře vyrobené anténě. Příklady průběhů "zkoušky na zemi":


 

Poznámka: Každá vyrobená anténa se kontroluje "zkouškou na zemi". Tímto testem lze u sloperů jednoznačně odhalit většinu chyb ve vyrobené sadě.

Postup výroby antény a základní rozměry

1. Příprava koaxiálního kabelu na výrobu zářiče. Ustřihneme koaxiál typu RG-58 v potřebné délce Lr (Lr je délka s rezervou na stříhání).
 

2. Přerušení pláště a stínění kabelu ve vzdálenosti A od konce pro konektor. Plášť a stínění přerušíme ostrým nástrojem ve dvou, cca 30 mm vzdálených místech. Drátky ze stínění a PVC z pláště odstraníme. Přes tento bod převlečeme smršťovací trubičku a provedeme její smrštění teplem.

Poznámka: U dlouhých antén (pro pásma 80m a 40m) doporučuji vyrobit z koaxiálního kabelu jen část A a zbývající část zářiče vyrobit z anténního lanka (tak, jak je uvedeno v úvodní části článku). Podstatně se tím sníží hmotnost antény i její mechanické namáhání při námraze.

3. Zajištění středu kvůli namáhání tahem. Při napínání antény je kabel napínán tahem. Nejlépe se osvědčil způsob zajištění středu antény (místa napájení) duplexní svorkou - viz obrázek dole. Po přerušení kabelu a ochraně smršťovací spojkou se vytvoří na kabelu malá smyčka tak, aby přerušené místo nemohlo být namáháno tahem (jako na obrázku).

Pozn.: Na obrázku jsou použity dva kabely RG-58, černý a bílý. Vnitřní žíly jsou spojené pájením. Dvě barvy kabelů jsem použil jen kvůli fotografování, aby byly vidět obě ramena dipólu.

4. Jeden konec kabelu prostrčíme izolátorem, zajistíme stejnou duplexní svorkou tak, aby zůstal cca 20 až 30 cm dlouhý konec pro montáž konektoru PL-259 (obrázky jsou výše v textu).

5. Druhý konec kabelu provlečeme izolátorem a zajistíme duplexní svorkou. Na tomto konci se bude anténa ladit stříháním.
6. Anténu nainstalujeme za kotevní šňůry do pracovní výšky tak, abychom byli schopni konec s izolátorem spustit kvůli zkracování. U izolátoru je duplexní svorka, nesmíme zapomenout na to, že se musí povolit 2 šrouby, sejmout destička, upravit délka kabelu, vše namontovat zpět. Na stožáru či ve výškách se to dělá opravdu blbě, pamatujme tedy při instalaci na tuto potřebu.
7. Provedeme naladění (příklad byl popsán např. zde). Na pracovním kmitočtu se dostříháním konce naladí jX=0 a provede se kontrola průběhu VSWR v pásmu.

Poznámky:

I. Antény pro pásmo 80 metrů stačí vyrábět s jednou vzdáleností centrálního izolátoru (cca 19.7 m)
II. Při výrobě prvních prototypů doporučuji ponechat rezervu na stříhání, tedy použít délku Lr. Délka L (pravděpodobně ta správná) je však v tabulce také uvedena. Rozměry platí pro koaxiál typu RG-58.
III. Anténa byla zkoušena s linkovým izolátorem typu LIL-01
IV. Nevýhodou antény je skutečnost, že je rezonanční. Musí se tedy naladit a po čase provést doladění. Ladí se jedinou délkou na vzdáleném konci.
V. Provedení středu s duplexní svorkou je mechanicky pevné a konstrukčně nejjednodušší.
VI. Na výrobu dipólu EFCFD potřebujete tento materiál: linkový izolátor LIL-01, koaxiál délky Lr, dva velké vajíčkové izolátory, jeden konektor PL-259, tři duplexní lanové svorky.
VII. Okonektorované rameno dipólu musí být provedeno z koaxiálu Zchar = 50 Ohmů. U delších antén je vhodné vyrobit druhé rameno z anténního lanka.

Zkoušky 6.3.2016: Typová řada SL02 - provedení pro portable provoz

Pro portable provoz jsem vyrobil rovněž prototypy lehkých antén z koaxiálu RG-174. Výsledky při praktické zkoušce byly tak žalostné, že jsem tuto praktiku rychle opustil. Antény z koaxiálu s tak velikým útlumem už prostě nefungují. Pro nižší kmitočty nejdou již ani naladit do rezonance.

Zkoušky 25.3. až 09.04.2016: Slopery pro pásmo 80 metrů

1) Vyrobené prototypy pro pásmo 80 metrů mě svými výsledky nenadchly. Anténa vyzařuje jako na konci napájený dipól, pouze pokud jsou oba konce v dostatečné výšce. Pokud byl tento konec jen ve 2m, byla kapacita koaxiálu proti zemi tak vysoká, že příliš neodpovídalo naladění do rezonance geometrickým rozměrům antény. Naladit však anténa šla. Aby byla rezerva na ladění, použil jsem výrobní délku poloviny zářiče (RG58) přesně 20 metrů, měřeno podle značek na koaxiálu. Kvůli hmotnosti jsem vyrobil druhou polovinu zářiče z anténního lana. Použitá délka lana byla přesně 22.5 m s rezervou na dostříhání. Při montáži jako sloper, s napájeným koncem ve výšce necelé 2 metry antény rezonovaly kolem 3300 kHz. Průběhy fáze, impedancí a VSWR vypadají před zkrácením typicky takto:

a šířka pásma (pro VSWR menší než 2) je necelých 200 kHz.

Anténu jsem srovnával se čtvrtvlnným vertikálem vinutým na teleskopu a se čtvrtvlnným sloperem vztyčeným k teleskopu do výšky 12m. Zdálo se mi, že čtvrtvlnné antény vyzařovaly směrem k horizontu lépe. Ale to budu muset potvrdit nebo vyvrátit dlouhodobějším precizním měřením.

2) Na naladění nízkoinstalované antény má vliv vodivost země. Protože včera vydatně pršelo, měl jsem možnost vidět rozladění. U antén pro vyšší pásma si ho ani nevšimnete, ale na pásmu 80m je nepříjemné. Obávám se, že se u některých instalací snadno může vytratit hlavní výhoda této antény - možnost používání bez tuneru.

3) Antény pro pásmo 80 m jsou vyrobené z dlouhého kusu koaxiálu, se kterým se opravdu obtížně manipuluje. Rozhodl jsem o výrobě druhé části zářiče z anténního lana. I tak mě dokázal koaxiál při demontáži a srulování nejednou dopálit.

Závěry

U antény jsem uvedl výhrady (koaxiál, zdá se mi příliš tlustý a težký) i přednosti - je to na konci napájená anténa, která je docela dobře přizpůsobená koaxiálnímu napáječi a její napájení je technicky čisté. Průběh VSWR u skutečné antény před zkrácením jsem uvedl (předchozí obrázek). Průběh VSWR u antény modelované v EZNEC demo (19 segmentů, model precizní země, vodivost 0.005, dielektrická konstanta 13, metoda NEC-2) pro geometrické rozměry stejné jako u reálné antény uvádím zde:

Neodpustím si důležitý závěr. I když jsem nepoužil metodu, kterou obvykle používám, s celou řadou korekcí na změřené vlastnosti země v mém QTH, která je přesnější, ale standardní a doporučené nastavení autorem programu (W7EL), navíc jen demoverzi s velice omezenými možnostmi segmentace, musím konstatovat, že sedí naprosto přesně charakter výpočtů v kmitočtové rovině a nepatrně se liší výpočty impedancí.

Pro informaci uvedu ještě průběh VSWR po doladění na pracovní kmitočet:

Opět sedí frekvence rezonance. Vypočtené hodnoty impedance jsou nepatrně nižší, než bylo naměřeno. Nemám tedy důvod nevěřit vyzařovacím diagramům sloperu, které uvádím níže:

Mám-li udělat shrnutí - i když se mi anténa kvůli tomu koaxiálu až tak nelíbí a ani se mi k ničemu nehodí vyzařovací diagramy sloperu pro moje DXování, musím konstatovat, že fyzika, stejně, jako modelování v NEC a vlastnosti linkového izolátoru LIL01 u této antény fungují.
 


© 2016  Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 10.4.2016