Home | O anténách |  |  |  | Kontakt
Magnetic Loop Antenna pro pásmo 40 metrů
Všeobecně Magnetická anténa, anglicky označována jako Magnetic Loop Antenna (MLA) nebo Small Magnetic Loop Antenna (SML) je osvědčenou, velice oblíbenou a rozšířenou anténou. V literatuře najdeme mnoho návodů na konstrukci, několik kalkulátorů a několik článků v češtině, kde bych chtěl poděkovat zejména Oldovi OK2ER, který se tématu MLA antén věnoval a mnoho jich zkonstruoval. Cílem mého článku není zkonstruovat nový kalkulátor pro návrh antény a cílem rovněž není publikovat návod na konstrukci. Chci ukázat, jaké věci lze jednoduše řešit na anténě MLA v programu MMANA a chci rovněž popsat, jaké MLA antény ověřuji a konstruuji. Poznámka: Neměl jsem v úmyslu publikovat některé známé věci, např. závislost zisku na obvodu smyčky, závislost zisku na tvaru smyčky. Přišlo mi však několik mailů, které se této problematiky dotkly. Bohužel, pro experiment s tvarem smyčky a pro experiment s rozměrem smyčky jsem pořídil vakuový kondenzátor 1000 pF a měděné trubky o průměru 20 mm. Všechny modely v MMANA jsem dělal pro tento materiál. Model antény MLA 40 jsem však musel vyrobit ze svařované velké Al trubky o vnějším průměru 100 mm a všechny kondenzátory jsou vzduchové (nebo SF6), cylindrické, s velkými mezerami a rozměry. Podotýkám, že anténa MLA 40 je pro mě zmenšeným modelem antény pro pásmo 160 m, kterou potřebuji. Na tuto hliníkovou anténu je zde provedena ukázka několika postupů z mého inženýringu. Prosím, aby čtenář tuto skutečnost rozlišoval (v textu ji lze rozlišit) a aby omluvil kombinaci dvou různých věcí v jednom článku. Výsledky experimentů a modelů MLA s měděnou anténou a vakuovým kondenzátorem jsem neměl v úmyslu publikovat. Charakteristika MLA antény 1. MLA anténou se rozumí malá magnetická smyčka, která není delší než 0.25 x lambda. To znamená, že u antény výrazně převládá H pole. U delší smyčky to neplatí a uplatňuje se H i E pole. V důsledku toho se změní charakter vyzařování (far field). 2. MLA anténa je do rezonance nastavena kondenzátorem s vysokou jakostí Q (vakuový nebo vzduchový proměnný kondenzátor). 3. Anténa je tedy těžce zkrácená a smyčkou prochází téměř konstantní proud (toto je dost důležitá podmínka). Další veličiny, které charakterizují tuto anténu, nejsou pro mojí konstrukci až tak podstatné, případně je uvedu v textu. Rovněž tak se nezabývám tvarem smyčky, protože závislost zisku na tvaru smyčky byla v literatuře dostatečně popsána a je známa. Pro ilustraci však uvádím srovnání vyzařování stejně konstruované smyčky s vakuovým kondenzátorem, z trubky o průměru 20 mm, materiál měď. V jednom případě má smyčka tvar kružnice, ve druhém případě obdélníku. Ve stejné výšce (7m spodní okraj) obě smyčky vyzařují obdobně, kruhová smyčka má asi o 0.5 dB vyšší zisk: MLA anténa není novou anténou. Byla vynalezena někdy ve 30 letech minulého století. V poslední době se však objevilo několik moderních a zajímavých konstrukcí. Praktické zkušenosti, které předcházely vlastní konstrukci Protože je MLA anténa velice oblíbená, pořídil jsem si pro první seznámení anténu MFJ, která pracuje od 7 do 22 MHz. Anténu jsem si pořídil pro portablový provoz na digimódech. Anténa mě mile překvapila tím, že přijímané signály byly poměrně silné, a to i při velice maličkých rozměrech antény. Obdobné zkušenosti však udělala celá řada konstruktérů a operátorů. Rozhodl jsem se proto věnovat pozornost takové konstrukci antény, která by překonala moje vertikály na pásmech 80m a 40m, případně mi umožnila zkonstruovat anténu použitelnou pro DX práci na 160 m pásmu. Poznámka: U MLA antény se budeme snažit o její vysoké Q, abychom docílili potřebného zisku při malých rozměrech. Musíme si uvědomit, že taková anténa bude mít maličkou šířku pásma. Proto musíme rovněž zvládnout její rychlé a přesné naladění na požadovaný kmitočet. A to tak, abychom na pásmu nikomu nevadili. Modelování MLA antény v NEC Návrh MLA antény si v každém případě vyžaduje solidní inženýring. Vyzkoušel jsem její modelování v MININEC a MMANA. Myslím, že použití těchto metod vyhovuje pro praktické použití. Příklad jednoduchého inženýringu Cílem je navrhnout anténu pro pásmo 40 metrů tak, aby překonala čtvrtvlnný vertikál s dobrými radiály v zisku a vyzařovacím úhlu. Budeme uvažovat anténu, která má délku smyčky kolem 0.2 lambda, tedy bezpečně daleko od kritické 0.25 x lambda, ale rovněž daleko od velmi malých smyček, které mají malou účinnost. Pro vlastní konstrukci a tento příklad jsem zvolil smyčku čtvercovou, délka strany je 2m, smyčka má obvod dlouhý 8 metrů, tj. téměř 0.2 x lambda. Jak nám tato smyčka vyzařuje? Jakou kapacitu musí mít kondenzátor pro rezonanci? Vše vypočteme hravě v programu MMANA. A rovněž prozkoumáme, jaký vliv má poloha napájecího bodu, poloha kondenzátoru, materiál trubek, jejich průměr a jakost Q použitého kondenzátoru. Supravodivá čtvercová smyčka Supravodivá čtvercová smyčka uvedených rozměrů bude mít vyzařovací odpor R=0.1103 Ohmu a zisk Gi = 4.19 dB. Pokud ji budu instalovat do výšky h=7 m, bude potřebovat pro rezonanci kondenzátor C=58.45 pF a bude vyzařovat nejvíce v elevačním úhlu 17.8°. Takže to bychom brali, že? Vyzařovací diagram vypadá takto: Supravodič, který by pracoval při teplotě 33.8° (takové vedro bylo dneska) však nemám. Takže se budu držet při zemi a vyrobím smyčku z měděné trubky o vnějším průměru OD=16 mm. Jejda, zisk nám klesá na Gi = 1.26 dB. S tím bychom možná již dobrý vertikál nepřekonali. Takže použiji materiál, který mám ve skladě. Hliníkové trubky, které tam mám, mají průměr OD = 76 mm a 100 mm. Pro další práci použijeme trubku o průměru OD=100 mm. MLA bude mít zisk Gi = 3.37 dB a bude vyzařovat podobně, jako MLA ze supravodiče: To by šlo. Diagram je hezký, vyzařovací úhel je nízký a zisk by mi vyhovoval. Smyčka uvedených rozměrů by šla vyladit s kondenzátorem o kapacitě C=94.78 pF. Jaký vliv má jakost kondenzátoru Q? Bohužel, zásadní. Proto zapomeňte na některé improvizace. Dielektrikum musí být vzduch nebo vakuum. Zapomeňte na jakékoliv dielektrikum. Uvažoval jsem o vzduchovém kondenzátoru, který pracoval spolu se servomotorem v transformátorovém oleji. Dielektrická pevnost suchého vzduchu je maximálně 3 kV/mm. Kondenzátor v oleji by měl průraz při cca 10 až 12 kV. Bohužel, transformátorový olej způsobí snížení jakosti Q a anténa bude pracovat s vysokými ztrátami. Při pokusu je zjistíte např. citlivou termokamerou. Obdobně zjistíte ztráty v třecím kontaktu otočného kondenzátoru. Takže ze vzduchových kondenzátorů přichází v úvahu bezkontaktní motýlek, vyleštěné a zaoblené elektrody. Tak, jako to dělá např. MFJ ... V následující tabulce a v grafu uvádím závislost zisku uvedené antény na hodnotě jakosti Q kondenzátoru: Snad zde tedy nemusím zevšeobecňovat, že použitím otočného kondenzátoru s kontaktem si u tak velké antény vyrobím ztráty, které sníží její zisk téměř o 10 dB !!! Což zkusit větší smyčku? V následujícím grafu je vyzařování smyčky, která má obvod dlouhý 0.26 x lambda: Vidíte, že zisk stále roste a u uvedené antény je Gi=4 dB. Všimněte si, že se rovněž zvedá vyzařování nikoliv k horizontu, ale směrem vzhůru, protože se již uplatňuje také E pole. Mějme na paměti, že nejlepších parametrů bude dosahovat smyčka, jejíž rozměr se blíží k hodnotě 0.25 x lambda. Obrázek nahoře je však pro MLA z tlustých trubek. U takových trubek může být délka smyčky nepatrně vyšší. Stejně tak může být o něco delší obvod, pokud je smyčka čtvercová (ale to znáte i z rezonance deltaloopů). Pozor však. Překonáním kritické hodnoty se stane toto. Uplatňuje se H i E pole, změnil se vyzařovací diagram. Všimněte si, že již nemáte magnetickou anténu. Vaše anténa vyzařuje sice s větším ziskem, ale směrem vzhůru. Pro provoz je nepoužitelná. Držme se tedy osvědčené rady, která nám říká, že MLA anténa bude mít dobré parametry při délce kolem 0.2 lambda. Při malých délkách bude mít mizernou účinnost, při překročení kritické délky již nebude řádně fungovat. Malé smyčky Pro úplnost zde doplním informace o závislosti zisku smyčky na délce jejího obvodu. Porovnány jsou na kmitočtu 7.050 MHz čtvercové smyčky vyrobené vždy z měděné trubky o vnějším průměru 20 mm, laděné vakuovým kondenzátorem. Spodní okraj je vždy ve výšce 7m: Vyzařovací diagramy smyček o obvodu 8m, 6m, 4m, 2.4m a 1.6m vypadají takto: Závěr ať si udělá každý sám. Pro koho je důležitý zisk antény, musí zvážit, zda má smysl konstruovat malou smyčku. Čtěte však dále. Největší délka smyčky nesmí přesáhnout cca 0.2 až 0.25 x lambda. Stejně tak je třeba si uvědomit, že u vícepásmových smyček nám rychle klesá účinnost takové antény. Pokud ji konstruujeme pro vyšší výkony, musíme investovat do vakuového kondenzátoru, ale s vědomím, že na nejnižším kmitočtu bude zisk až o více než 15 dB nižší než u dobrého vertikálu. Malou smyčkou jsou např. zmíněné antény, které vyrábí firma MFJ. Rozložení proudu ve smyčce Pro MLA anténu je důležité, aby rozložení proudu bylo ve smyčce téměř konstantní: Vlevo je téměř konstantní rozložení proudu u smyčky dlouhé 0.2 lambda, vpravo je již pokles proudu ve vodičích blízko ke kondenzátoru u smyčky delší, vyzařující s horizontální polarizací a vzhůru. Napájení a poloha kondenzátoru Napájení malých smyček a způsoby napájení, které jsou vhodné pro smyčky s větší impedancí dostatečně popsal na webu a v časopisech Olda OK2ER. V této úloze však řešíme smyčky s vyšším ziskem, které mají nahradit dobrý vertikál. Aby měly malé ztráty, sáhli jsme ke kvalitnímu kondenzátoru a extrémně velkému průměru trubek. Pro takto konstruovanou smyčku jsem použil mohutný transformátor na obrovském jádře. Ještě nám zbývá vyřešit místo pro umístění kondenzátoru a místo pro napájení. Poloha kondenzátoru nemá zásadní vliv na účinnost a zisk antény: Pro kondenzátor ve středu ramene je zisk popsané antény cca 2.84 dBi. Pokud je kondenzátor v bodě B, je zisk 2.79 dBi a pokud je u rohu (bod "C"), je zisk 2.72 dBi. Velká změna polohy se tedy téměř neprojevuje na účinnosti antény. Poloha napájecího bodu rovněž nemá na zisk antény vliv. Pokud je napájecí bod poblíž kondenzátoru, anténa má stále zisk Gi=2.72 dBi. Proto také Olda, OK2ER, který publikoval články o svých anténách, docílil skvělých výsledků méně obvyklými způsoby napájení MLA, jeho antény se mu podařilo přizpůsobit a nesnížil si jejich zisk a účinnost. Anténu, která je realizovaná z tenčích vodičů lze napájet např. gamma přizpůsobením (gamma match). Gamma match realizujeme bez sériového kondenzátoru. Tím nebude provedena úplná kompenzace indukčnosti gamma match přizpůsobení, anténa bude pro nejlepší VSWR mírně rozladěna, ale prakticky to u malých antén nevadí. Lepším řešením je "ovinutí" gamma match vedení kolem zářiče MLA. V literatuře to najdete pod označením "Twisted Gamma Match". Já jsem volil mohutný feritový transformátor. Pokud se mě zeptáte na důvody, proč jsem použil tohle řešení, uvedu ty banální. Věnoval jsem kdysi nějaké úsilí tomu, abych uměl navrhovat feritové transformátory pro vysoké výkony s dobrou účinností. U MLA je vše jasné. Lze snadno vypočítat (v NEC, MMANA) impedanci v místě napájení. S trafem nemusím experimentovat. Jednoduše ho vypočtu. Vyrobím první kus, poskládám si z bezindukčních odporů potřebnou hodnotu R, která odpovídá navrhované anténě a upravím transformační poměr na nejlepší koeficient odrazu. Vyrobím úplně stejně druhý transformátor a provedu zkoušku obou traf v sérii při velkém výkonu (PA 1 kW) do umělé zátěže. Měřím ztráty a oteplení. Pokud je vše v pořádku, trafo použiji. Všimněte si, že parametry antény jsem si příliš nezhoršil s polohou proměnného kondenzátoru. To mě inspirovalo k použití proměnného vzduchového válcového kondenzátoru. Konstrukce je provedena tak, aby kondenzátor měl vysokou jakost Q a velké vzdálenosti mezi elektrodami. Zkouším dvě konstrukce. Jedna z nich vypadá takto: Princip je jednoduchý - ladicí tyč (trubka) se zasouvá do ramene vodiče magnetické antény. Zasouvá ji servomotor, který točí se šroubem a v trubce je matice. Dielektrikem je vzduch, připravena je pro zkoušku rovněž varianta s SF6 a hermetické provedení. Napájení a kondenzátor ve spodním rameni smyčky Ukázalo se, že podstatný vliv na vyzařování má skutečnost, zda napájení a kondenzátor jsou v horním nebo dolním rameni smyčky: Jak se ukázalo, všudypřítomná zem má zásadní vliv na vyzařování. Anténa podle obrázku vlevo vyzařuje takto: a anténa podle obrázku vpravo takto: Konstrukčne by sice bylo lákavé napájet anténu dole a mít dole rovněž kondenzátor se servomotorem. Závěr MLA anténa je jednoduchá anténa, která pracuje s extrémně nízkým vyzařovacím odporem. Proto každý, kdo se věnuje jejímu návrhu, musí řešit základní druhy ztrát: - co nejnižší ohmický odpor smyčky (já jsem řešil extrémním vnějším průměrem OD=100 mm trubky, materiál je leštěný hliník, AL spoje jsou svařované) - co největší rozměr smyčky, který se bude blížit kritickému rozměru 0.25 lambda (pozor, neudělat delší) - co největší jakost Q u kondenzátoru (žádné třecí kontakty, dielektrikum vzduch nebo vakuum) - vždy provedeme kontrolu antény na vliv pozice napájecího transformátoru a kondenzátoru; v uvedeném příkladě bychom tím ztratili na zisku cca 1 dB, ale maximum vyzařování by se přestěhovalo z hezkých 18° na 30°, tedy výš, než má referenční dobrý vertikál. Pozor na to, v praxi se důsledek této chybičky obtížně hledá, stále cítíme, že něco nefunguje tak dobře, jak by mělo. Poznámka: 1. Pokud použijeme vakuový kondenzátor, pořídíme si kvalitní provedení (např. Jennings), který snáší napětí alespoň 10 - 15 kV a je dimenzován na proudy 50 až 100 ampérů. Musíme vyřešit jeho ovládání a montáž. Pozor na to, abychom si nezhoršili jakost Q obvodu tím, že použijeme nevhodné izolanty, nevhodné svorky. Vakuové kondenzátory lze na trhu sehnat. Váží několik kg, měří několik desítek cm, jsou drahé, ale mají potřebnou jakost Q. Lze s nimi realizovat vícepásmovou anténu. Na tomto místě bych měl uvést důvody, proč do takového řešení nejdu. Do vakuového kondenzátoru jsem investoval, pro experiment chci vyrobit smyčku MLA, kterou přeladím od pásma 40 m do pásma 160 m, ale dostatečné účinnosti docílím jen na pásmu 40 metrů; vícepásmová MLA není řešením pro DX na těchto pásmech. Pro seriózní práci však konstruuji jednopásmové MLA, které mají smyčku dlouhou 0.2 x lambda. A na ty nepotřebuji vakuový kondenzátor. 2. MLA anténa vyžaduje, aby byl proveden alespoň základní inženýring a abychom měli představu o kritických rozměrech, které nám mohou úplně snadno znehodnotit výsledek. Bohužel, nikoliv o desetiny dB nebo maximálně jednotky dB, ale až o desítky dB. Velice snadno se můžeme dostat k anténě, která bude mít účinnost horší než např. 4-5%, přičemž bychom byli schopni docílit účinnosti např. kolem 60%. Snadno si můžeme vyrobit zásadní chyby ve směrovosti. 3. Mým cílem bylo popsat jednu z jednoduchých metod základního návrhu MLA pomocí software MMANA a ukázat, co všechno lze řešit. Tj. vyzařovací odpory, přizpůsobení, vyzařování v konkrétních výškách, geometrické rozměry, polohy napájecích bodů a polohu (polohy) a hodnotu zatěžovacího kondenzátoru. To, co nelze v MMANA řešit, je konstrukce feritového transformátoru. Ten však bude zařazen do sortimentu mého e-shopu (mezi baluny), stejně tak i svařovaná konstrukce hliníkových antén (včetně kondenzátorů). 4. V napájecím obvodě doporučuji použít proudový balun, který impedanci netransformuje, např. konstrukce podle W1JR (koaxiál na toroidu) nebo podle Maxwella... 5. Pokud chcete počítat válcový kondenzátor, najdete vzorec např. na Internetu, také to jde počítat v xls tabulce - stáhnout lze zde. 6. Řešení MLA antény je další ukázkou toho, že zkracovat neznamená jen "ztrátovat". Dodatek ze dne 30.6.2014 K napsání článku o MLA 40 jsem se dostal až o víkendu před prázdninami. První dotazy mi přišly asi 12 hodin po zveřejnění. Pokouším se odpovědět zde: 1. Proti kapacitnímu přizpůsobení napáječe (např. podle OK2ER) opravdu nic nemám. Je třeba si uvědomit, za jakých podmínek funguje. OK2ER konstruoval malé antény pro malé výkony a k jejich ladění používá (alespoň podle publikovaných článků) malé vzduchové kondenzátory. Ke konstrukci malých antén se přiklonilo mnoho výrobců. Já i Olda OK2ER jsme konečně prakticky srovnávali svou konstrukci s továrním MFJ. V tomto článku jsem však chtěl ukázat alespoň hlavní body jednoduchého návrhu pomocí MMANA programu. Jednak, že to lze a také proto, že i výpočty přibližně sedí. Pro experiment jsem si však vybral anténu, kterou potřebuji. MLA 40 je malým modelem na pásmo 40 metrů, ale cílovou konstrukcí bude anténa s obvodem 16 metrů (pásmo 80m), konstruovaná z Al potrubí velkého průměru a s konstrukčními válcovými kondenzátory. Anténa musí být samonosná. Druhou konstrukcí bude monoband anténa pro pásmo 160 metrů. Na tomto pásmu jsem nikdy nevysílal. Nemám možnost na zahradě vyrobit sadu účinných radiálů pro vertikál a ani nechci obejít černou stavbou výstavby stožáru vyššího než 16 metrů stavební zákon. A tak sahám po rozumném kompromisu, ale bohužel mi pro DX provoz fungují jen některé antény. MLA je kompromisem a monstrum, které po ověření malého modelu MLA 40 chci postavit, bude z rour o délce 6m, tj. o obvodu 24 metrů, což je představitelná smyčka. Výrobní délka Al trub je právě 6m. 2. Je třeba si uvědomit, že tlusté smyčky mají přeci jenom jinou indukčnost a jiné průběhy impedancí než smyčky běžně používané. To je třeba si uvědomit u přizpůsobení pomocí čtyřpólu z kondenzátorů. Takové přizpůsobení vypadá takto: Všimněte si, že kapacita ladicího kondenzátoru je rozdělena na dva kondenzátory v sérii (C1 a C2) a napájení je přivedeno přes kondenzátor C3. Existují samozřejmě různé metody, jak tohle naladit. I při experimentální metodě je však nezbytné: - vhodně zvolit impedanci napáječe - přibližně stanovit nějakým výpočtem počáteční nastavení C1, C2 a C3 Já jsem volil následující metodu: - impedanci 50 Ohmů nejprve transformuji na hodnotu 12.5 Ohmů. To je dáno "obřími rozměry" mých smyček - sériovou kombinaci C1 a C2 počítám zvlášť a kontroluji ji s vyzkoušenou hodnotou, která ladila smyčku na jX=0, jako výchozí hodnotu pak používám dvojnásobek této kapacity a C1=C2 Kapacitu jsem se také pokoušel vypočítat optimalizátorem v MMANA. Překvapilo mě, že to šlo a konvergovalo a výsledek nebyl až tak daleko od pravdy. Nastavoval jsem toto: Load 1 a Load 3 jsou kapacity C1 a C2. Load 2 je kapacita C3 (na schématu červená). Jako kritéria jsem použil optimalizaci na JX (částečně) a SWR. Hodnoty kapacit jsou ve sloupci "Value" vpravo. Výsledek s parametry antény pak vypadal takto nějak: Znovu opakuji - požadovanou svorkovou impedanci v místě napájení jsem volil Z=12.5 Ohmu, ve schématu namalováno jako červený koaxiál s kondenzátorem. Vypočtená impedance po optimalizaci (viz předchozí obrázek) byla Z = 13,88 - j0.07 a odpovídající přizpůsobení bylo VSWR = 1.11. Do jaké míry to sedí se skutečností nevím, protože neumím změřit směrovost antény pro 40 metrů a neumím ani změřit proud, protože moje sondy umí měřit jen do průměru 40 mm, už ne na OD=100 mm. To by ještě bylo OK. Jenže moje sondy neumí měřit na MLA smyčce při větších výkonech. A to je slabé místo jejich konstrukce. Takže budu muset vyrobit speciální sondu s detektorem přímo na sondě a s kablíčkem k měřáku proudové magnitudy. Nicméně, podle několika orientačních výsledků, které se shodují s výpočty, usuzuji na to, že ani na MLA anténě program MMANA až tak nelže. 3. Takže nechávám na případných konstruktérech "obřích" MLA smyček, jak se poperou s metodou přizpůsobení. Mě funguje přibližně rovnocenným způsobem jak mohutný transformátor, tak kapacitní match s balunem 4:1 .... Ladění 3 kapacit se mi však zdá pracné. Další postup a) Na zkušebně vvn jsem si domluvil zkoušku elektrické pevnosti válcových kondenzátorů. Jeden bude vzduchový a druhý uzavřený, vybavený malým manometrem a natlakovaný plynem SF6. Očekávám elektrickou pevnost nad 30 kV a byl bych rád, aby smyčky uměly 1 kWatt ... b) Musím definitivně vyřešit ovládání a druh použitých servomotorů. S prototypy mi zatím točí motorky a převodovky z levných aku šroubováků, které jsem koupil v globalizovaném hobby marketu. c) Magnetické pole dělá bordel. První přístroje, kterým se "nechtělo", byly klávesnice z PC. A od sousedů jsem slyšel "jéje, maminko, klávesnice nám sama od sebe začala psát vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv ...." Takže možná zjistím, že to dobře funguje, zatím tomu vše nasvědčuje, ale skončím na hygienických normách nebo mě budou sousedi inzultovat. Prototyp modelu však chci dotáhnout a tak jsem ho odvezl na vesnici, kde mám mechanickou dílnu a dávám ještě dohromady remote pro TCVR. Použití MLA antény v pásmu 40 m a srovnání s OCF dipólem
Schéma OCF dipólu pro 40 m je na obrázku vpravo. Jak jsem již napsal v úvodu, první experimenty jsem dělal s MLA anténou MFJ, která ani náhodou nepřekonala na 40 m čtvrtvlnný vertikál, ale dobře slouží na portable akcích. Anténa MLA 40 uvedených rozměrů, jak již bylo napsáno, je experimentálním prototypem a modelem pro magnetické smyčky pro pásmo 80 metrů a 160 m a měla posloužit k získání dalších zkušeností. Chtěl jsem ověřit, zda lze základní ztráty u tohoto druhu antény omezit tak, aby byla pro DX práci použitelná. Zaměřil jsem se na ztráty vlastní smyčky. Její vodivost jsem řešil "množstvím materiálu" a použil jsem extrémně tlusté trubky. Ztráty v kondenzátoru jsem řešil buď použitím vakua nebo vlastní konstrukcí cylindrického vzduchového kondenzátoru, který rozhodně není miniaturní. Ztráty typu "match loss" jsem řešil konstrukcí speciálního trafa. I tak vznikla anténa, která NEPŘEKONALA např. OCF vertikální dipól, jehož spodní kapacitní klobouk má sice také průměr 4 metry a jeho výška je 10 metrů. Teoreticky jsou antény téměř rovnocenné ve vyzařování ve vertikální rovině. |
Srovnání MLA a OCF dipólu pro pásmo 40 m
MLA | OCF dipól
ve vertikální rovině vyzařuje téměř stejně, jako OCF dipól | ve vertikální rovině vyzařuje téměř stejně, jako MLA smyčka
menší zisk, match loss ztráty se nepodařilo dostat na přijatelnou úroveň | teoreticky shodný zisk s MLA v maximu vyzařování, díky transformačním ztrátám u MLA je prakticky nepatrně lepší
menší výška, nejvyšší bod byl ve výšce 9 m | nejvyšší bod je ve výšce 12 metrů, samonosný stožár, je, bohužel rovněž z roury o průměru 100 mm v patě
směrovost v H rovině vyžaduje natáčení v azimutu - směrování, rozdíl je více než 10 dB | je krásně všesměrový
extrémně malá šířka pásma, vyžaduje řešit automatické nebo dálkové ladění | velká šířka pásma VSWR je menší než 1.6 v celém pásmu, nic se neladí a není třeba tuner
extrémní nároky na provedení některých prvků (kondenzátory s vysokou elektrickou pevností a současně s vysokým Q, leštěná a svařovaná hliníková konstrukce smyčky) | použití běžných materiálů
zatím neověřený maximální výkon na svorkách při vyladění, plán = 1000 W | max. výkon 1500 W
nutnost použít více kabelů (koaxiální napáječ, rotátor, ladění, elektrické napájení) | pouze napájecí koaxiál
Srovnání vyzařování obou antén v diagramu far field |
Poznámka: vertikální OCF dipól byl navržen jako přizpůsobený ekvivalent ke čtvrtvlnnému vertikálu se dvěma nadzemními radiály (GP s vodorovnými radiály ve výšce 2 metry). Anténa se dvěma nadzemními radiály je vhodná pro DX provoz. Je však velice důležité, aby oba radiály byly vzhledem k zemi symetrické, tj. aby se rušilo jejich vyzařování. V praxi se to často nepodaří a anténa má závažné chyby ve vyzařovacím diagramu. Anténa OCF dipól má zpravidla mnohem menší kapacitní klobouk a chyby ve směrovosti se projevují mnohem méně.
Stručné shrnutí Pásmo 40 metrů je pro mě ideální, abych si v praxi ověřil, že jsem schopen zkonstruovat MLA smyčku obdobných parametrů, jako má dobrá vertikální anténa. Také, abych zjistil, že "match loss"ztráty nesmím podcenit. I když jsou far field diagramy stejné, je mezi anténami nepatrný rozdíl. Experimentální smyčka MLA 40 obřích rozměrů není v praxi lepší než OCF dipól. Možná je srovnatelná s vertikálem GAP Titan DX na tomto pásmu. Toto zevšeobecnění však neplatí pro pásmo 80 metrů a 160 metrů, kde nejsem s ohledem na rozměry a prostor schopen zkonstruovat anténu jinou a nezbývá mi tedy nic jiného, než vyřešit směrování, dálkové ovládání kapacit a maximálně účinnou transformaci napájení na nízkou impedanci smyčky. Známí mě vzali za slovo, zda to myslím s MLA pro 160 metrů vážně (dodatek z 2.7.2014) Ano, musím připustit, že poté, co jsem se pustil do výroby modelu pro pásmo 40 metrů a do úvah a výpočtů v pásmu 160 metrů, jsem skeptický. Od jara, kdy jsem se pustil do srovnání několika drátovek a hrál jsem si s vlajkovými stožárky o výšce 12m, zkonstruoval jsem vertikální L anténu pro pásmo 160 metrů. Na vertikálech pro 80 m a 40 m jsem ověřil vlastnosti a navrhování meandrových nadzemních radiálů. Lze s nimi snadno vykompenzovat různé nesymetrie vůči zemi. A tak vznikla hezky přizpůsobená, 12 metrů vysoká L anténa pro pásmo 160 metrů s teoretickým ziskem cca 1.5 dBi: Tato anténa měla být překonána magnetickou dálkově laděnou smyčkou o rozměrech 6 x 6 metrů. Vyzařování obou antén je zobrazeno zde: U MLA antény pro 160 metrů se již na charakteristice projevuje její malá výška nad zemí. U vertikální L antény si všimněte vlivu 25 metrové horizontální části, která způsobuje vyzařování vzhůru. Pro NVIS komunikaci to zde nezatracuji, ani se nesnažím konstruovat symetrický klobouk, abych toto záření poptlačil. 12 metrů vysoký zářič je nahoře zatížen indukčností a horizontálním vodičem, který zatěžuje kapacitně a také vyzařuje. Směrem k horizontu však obě antény vyzařují stejně. S pásmem 160 metrů nemám zkušenosti. Udělal jsem tam jenom pár spojení. Naprosto netuším, jak moc a zda vůbec je důležité, aby anténa vyzařovala k horizontu. Proto ani nemohu předpokládat výsledek jedné nebo druhé antény. Zkušenosti přebírám z pásma 80 metrů. Rychle jsem měnil názor, od doby, kdy jsem vysílal pouze na horizontální antény, dipóly, G5RV a delta loopy a později přidal malé vertikály. První zkušenost byla s trapovaným Hustlerem. Další byly s L anténami, včetně nízkého Compactu 80/40/30 ok1ufc, včetně těžce zkráceného GAP Titan DX. Dokud jsem na tyto krátké vertikály nebo L antény nezačal dělat DX spojení. Proto jsem samozřejmě skeptický a nedokážu odhadnout, zda s velkou MLA smyčkou (a jejími velkými match loss ztrátami) budu schopen dosáhnout výsledků alespoň srovnatelných s nepříliš monstrózní a snadno realizovatelnou L anténou. Dodatek z konce října 2014 Přestože jsem investoval mnoho prostředků do různých nákladných komponentů, jako byly dva vakuové kondenzátory s vysokou dielektrickou pevností (15 kV), dimenzovaných na vysoké proudy, do spousty měděných trubek, ale také hliníkových trubek a svařování hliníku a měřicí techniky (nové sondy na měření proudů ve smyčce), nemohu se pochlubit výsledky a ani dosažením cílů. 1. Při pečlivé konstrukci smyček na pásmu 80m jsem se dopracoval k vysoké účinnosti, ale šířka pásma již byla uzoučká, anténa nebyla schopna pracovat SSB provozem. 2. Nedocílil jsem potřebné výkonové úrovně pro legal limit. Vakuový kondenzátor, který spolehlivě odolával střídavému napětí o velikosti větší než 15 kV se začínal prorážet při výkonu kolem 400 Wattů. Reflektometr začal zachytávat vysoké špičky odražené vlny. Kondenzátor jsem si prorazit nenechal. Pokud jsem provedl zatlumení obvodu, velice rapidně kleslo magnetické pole antény, pravděpodobně tedy i účinnost. 3. Smyčku o průměru větším než 2 metry jsem nebyl schopen instalovat do výšky větší, než 7 metrů (spodní okraj, vrchol je ve výšce přes 9m). Pro MLA a pásmo 80 metrů je to nízko. Vyzařuje to pravděpodobně nějak takto: Překvapilo mě, že jsem na 80 metrech DX stanice z Indonésie, Japonska a Argentiny slyšel docela dobře na GAP Titan, který není vůbec účinný, ale na MLA smyčku některé již nikoliv. Evropa chodila dobře, slyšel jsem i nějaké americké stanice nebo Omán. Příjem z vyšších úhlů dost rušil. A tak jsem zůstal u maličké smyčky pro pásma od 30m do 12m. Tam se těším nejen z malých rozměrů, vysoké účinnosti a bidirekcionality, ale také z nízkého vyzařovacího úhlu. Díky tomu jsem měl např. dne 1.11.2014 ráno na 20 metrech dost potlačené stanice z EU a Ruska a téměř stejně silně jsem slyšel a dělal hezká spojení z VK, ale také bližší LU9, WL7, YV ....Byly krásné podmínky, pásmo přecpané silnými DX stanicemi, které se daly dělat i na MLA .... Pokračování 2014 Na konci října a začátkem listopadu 2014 bylo stále ještě dobré počasí a dobré podmínky. A tak jsem se k problematice MLA ještě několikrát vrátil. Než jsem odvezl ze zahrady do asi 20 km vzdálené dílny obrovské MLA smyčky pro pásma 40m a 80m, srovnával jsem je s vertikálními anténami. Výsledek jsem však popsal v předchozím odstavci. Přestože patřím k příznivcům, kteří mají rádi antény vyzařující na nízkých úhlech směrem k horizontu, beru v potaz informace i závěry jiných hamů. Např. v publikaci Československého DX klubu z roku 2005, nazvaném Přijímací antény a doplňky, 1. díl Antény I. je na straně 33 uveden výsledek jakýchsi statistických průzkumů, které byly věnovány rozložení úhlu dopadu krátkovlnných DX signálů v pásmu od 1.5 do 30 MHz. Neznám sice podrobně metodu a podmínky provedených experimentů, ale přesto je nemohu potvrdit. Nicméně, na nízkých kmitočtech podle uvedeného grafu dopadá většina signálů (přes 50%) pod úhlem 40°, a to asi do kmitočtu 10 MHz, kde to je jen 20° a na kmitočtu 30 MHz to je pod 10°. Moje experimenty by však odpovídaly hodnotám mnohem nižším. Věnoval jsem se pásmu 14 MHz, kde jsem s pomocí nízkých vyzařovacích úhlů prokázal, že lze přijímat s takovou anténou poměrně silně signály, které s anténou s vyšším úhlem vyzařování nebyly dekódovatelné. Experimenty, které jsem popsal pro pásmo 20m, chci zrealizovat v roce 2015 na pásmu 80m. Zatím pouze tuším, že pod úhlem kolem 40° rozhodně na mé antény nedopadá většina DX signálů ze vzdálených stanic, ale, naopak, ty zajímavé signály dopadají pod úhly mnohem menšími. Závěr k inženýringu MLA smyček Na webu bylo seriózně popsáno několik metod výpočtu. Myslím, že mezi ty seriózní, které byly publikovány, patří práce Steva Yatese AA5TB. Na jeho stránkách: http://www.aa5tb.com/loop.html je uveden excelovský sheet a jednoduchý kalkulátor. Přestože jsem na svých stránkách uvedl metodu návrhu odlišnou, a to z důvodu, že jsem se chtěl pokusit najít nejjednodušší metodu, pomocí které by bylo možné alespoň orientačně stanovit vyzařování MLA, je moje metoda návrhu přece jen složitější, než použití jednoduchého kalkulátoru. Zajímavé je porovnat výsledky. Zatímco vypočtené účinnosti budeme pravděpodobně muset věřit, můžeme si provést srovnání vypočtených hodnot ladicích kondenzátorů smyčky. Podrobněji jsem zkoumal realitu a vypočtené hodnoty u dvoumetrové smyčky z tlusté měděné roury, kterou se mi podařilo sehnat. Schéma a výpočty pomocí AA5TB jsou zde:
Mohu potvrdit, že pomocí obou metod byly stanovené přibližně stejné hodnoty ladicího kondenzátoru, které odpovídaly skutečnosti a rovněž vypočtené účinnosti si odpovídají. AA5TB počítá účinnost smyček také ve spredsheetu, kde její průběh zobrazuje graficky, v závislosti na kmitočtu - viz převzatý příklad: Programy NEC ji zohledňují ve vypočtené far fields charakteristice antény. Na nízkém kmitočtu a v nízké výšce však přece jenom vyzařuje jinak MLA smyčka a vertikál (se stejnou spotřebou materiálu). Obě antény se liší především vyzařovacím úhlem a tak, myslím, to stojí za nějaké preciznější statistické porovnání, jak je to s četností realizovaných zajímavých DXů. S pomocí opravdu jednoduchých kalkulátorů zvládne návrh MLA i v matematice každý méně zdatný ham. Matematické znalosti nejsou třeba ani při návrhu pomocí NEC, MININEC programů. Tam je spíš nutná určitá erudice při práci s nimi a alespoň trochu zkušenosti s tím, jak pracují optimalizační numerické metody, abychom se dopočítali ladicích kapacit a přizpůsobení. Pokračování v experimentu V roce 2014 jsem se snažil vyzkoušet obrovské smyčky s vysokou jakostí Q a maličkou šířkou pásma, abych se při srovnání přiblížil k nezkracovaným nebo málo zkráceným Hertzovo anténám. Velice snadno jsem se s napětím na vakuovém kondenzátoru přiblížil k bodu průrazu. Napětí na jakostních MLA anténách jsou obrovská.... Zajímalo mě však také srovnání s MLA anténou, která má maličké Q. Vyrobil jsem pro tento účel anténu z koaxiálu RG-58. Anténa z koaxiálu RG58 Zářič smyčky: plášť koaxiálu RG-58 Napájení smyčky: transformátor na feritové trubce - viz foto Kondenzátor: kapacita středního vodiče proti plášti koaxu Provedení kondenzátoru - oba konce koaxiálu jsou propojené pájením středního vodiče na stíněné druhého konce: Provedení transformátoru - proti kondenzátoru je napájecí transformátor. Koaxiál prochází trubkou, je pouze prostrčen. Primární vinutí je realizováno z vodiče s PE izolací a transformační poměr je navržen tak, aby byla nízká impedance smyčky přizpůsobena k napáječi Z=50 Ohm. Jádro je trubka z jakostního HF feritu s poměrnou permeabilitou cca u = 100. Je třeba si uvědomit, že feritový materiál transformátoru ovlivňuje rezonanční kmitočet smyčky. Přizpůsobení a šířka pásma: S transformátorem lze snadno realizovat dobré přizpůsobení i pro přenos značných výkonů. Šířky pásma, průběhy impedancí a průběhy VSWR jsou na následujících diagramech, měřeno na rezonanci 7.177 kHz (40m). Šířka pásma s kabelem RG-58 (Nordix) byla pro VSWR = 2 asi 50 kHz: Šířka pásma, resp. skutečnost, že anténa vyrobená z RG-58 mě překvapila. Očekával jsem nižší jakost Q a vyšší šířku pásma. Pokud bych měl skutečnost nějak vysvětlit, tak snad tím, že se uplatňuje tzv. skin effect (povrchový jev). Délka povrchu (součet všech geometrických obvodů drátků vnějšího vodiče kabelu) je asi 27.9 mm a to by odpovídalo průměru jediné Cu trubičky o průměru téměř 9 mm. Takže koaxiální kabel, který má opletený plášť, nemusí být až tak špatnou alternativou k měděné trubce! Délky smyček z koaxiálu RG-58 Vyzkoušel jsem smyčky z RG-58 vyrobit pro několik kmitočtů. Potřebnou délku velice silně ovlivňuje použité feritové jádro. Dostříhání délky je velice kritické, snižujeme současně indukčnost i kapacitu, proto je to tak strmé. Moje smyčky měly tyto přibližné délky: Závěry ke konstrukci antény z koaxiálu bez externího kondenzátoru a k experimentu 1. I když je anténa provedená z nekvalitního koaxiálu, je úzkopásmová. Diagramy s průběhy znázorňují rozsah 100 kHz. Je zřejmé, že anténa je vyladěná jen v pásmu několika kHz kolem rezonančního kmitočtu. (šířka 50 kHz pro VSWR = 2). 2. Všimněte si, že přizpůsobení vysokofrekvenčním transformátorem je dokonalé. Koeficient odrazu je na rezonančním kmitočtu téměř 40 dB, tj. VSWR je pod 1.1 ...Téměř u všech mých experimentálních konstrukcí MLA nakonec zvítězilo napájení transformátorem, a to pro vysokou účinnost přenosu výkonu a dobrý přechod mezi symetrickou anténou a nesymetrickým napáječem. Mimochodem, transformátory na kvalitním feritu používám i u jiných typů antén a všude tam, kde mi záleží na tom, abych měl anténu skutečně neuzemněnou, má-li být symetrická. V literatuře jsou proudy, které způsobily nesymetrie popisovány často jako "common mode currents". Zpravidla nám tyto proudy způsobují degradaci antény při příjmu slabých signálů, které jsou znehodnoceny rušením, které nám přijímá koaxiální napáječ a které tečou skrz zem naší stanice tam, kam nemají a hlavně tudy, kudy nemají. Transformátory používám také u vertikálů s nadzemními protiváhami (jeden radiál, meandr, C-counterpoise...). 3. Provedení kondenzátoru z koaxiálu je z hlediska elektrické pevnosti nedostatečné. Při provedení podle obrázku mi na kondenzátoru začal hořet oblouk už při výkonech řádu Wattů. Minimální vzdálenost mezi konci stínění jsem musel roztáhnout na více než 30 mm. I tak jsem takto realizovaný kondenzátor snadno prorazil. 4. Tvarová stálost MLA smyčky z tenkého koaxiálu je nedostatečná. Deformací smyčky lze anténu rozladit o cca 50 kHz. Z toho plyne praktické omezení. I pro experimenty je třeba koaxiál mechanicky fixovat. Vyzkoušel jsem tuhou plastovou trubku, anténa byla uvnitř, trubku jsem stočil do kruhu. 5. Anténu jsem vyrobil v jednom prototypu. A dělal jsem ho dvakrát. V mém případě a s provedením trafa, které jsem popsal jsem potřeboval délku koaxiálu kolem 2.3 metru pro rezonanci na kmitočtu 7.076 MHz. Měl jsem v dílně zbytek koaxiálu o délce asi 3.6 metru, rezonoval na 4.150 MHz. Zkracoval jsem v těchto krocích: 3.1m - 4.800 kHz, 2.6 m - 5.870 kHz a po dalším ustřižení jsem byl na 7.177 kHz, tj. vysoko, asi 100 kHz nad požadavkem. Takže jsem s takto zkráceným kabelem udělal měření a zkoušku se zatížením výkonem (napětím na C). Uvědomme si, že zkracováním koaxiálu snižujeme indukčnost smyčky i kapacitu kondenzátoru současně. Závislost rezonančního kmitočtu je tedy velice citlivá na délce. 6. Jako experiment dobré. Praktické využití - diskutabilní. Pokud to myslíte s MLA anténami vážně a jde vám o docílení vysoké účinnosti, realizujte je z dostatečně tuhých měděných trubek a z kvalitních variabilních kondenzátorů, pro vyšší výkony určitě vakuových, bez třecích kontaktů. 7. To, co mě příjemně překvapilo, to byly zajímavé přijímací schopnosti MLA antén. Chvíli jsem srovnával své výrobky také s MFJ-1788, kterou jsem si kvůli srovnávání pořídil a považuji ji za ještě použitelný kompromis (na 40m není už moc účinná, ale s ohledem na rozměry a komfort ladění je to dobrá anténa). A srovnával jsem také s vertikály a drátovkami, které mám. Bohužel, opět bych zde musel konstatovat známou pravdu - mnoho antén je při příjmu hlučných kvůli prohřeškům v symetrii, kvůli "common mode currents ...". Lepší odstupy S/N při příjmu nám pak dávají dva druhy antén - antény málo účinné, zatlumené zemí (nízko instalované Hertzovy dipóly, Beverage, atd ... ) nebo antény aperiodické, zatlumené rezistorem (např. T2FD), ty ovšem také nejsou moc účinné nebo antény dokonale symetrické, zpravidla velice zkrácené, tedy s ohledem na vlnovou délku malé, což je případ MLA. O vlivu a důsledcích "common mode currents" píšu v článcích o balunech, tam, kde popisuji základní role balunů. Praktickým důsledkem prohřešků však často bývá zatracení konkrétní účinné antény při příjmu, např. vertikálu, a to právě kvůli těm zemním proudům, které tečou tudy, kudy nemají. Prototypy Anténu jsem zatím vyrobil v jediném prototypu a z levného koaxiálu RG-58. Ale chystám ještě prototyp z kvalitního tuhého koaxiálu se vzduchovými komůrkami a vysokou elektrickou pevností - viz další text. Použité principy - viz odstavec výše. Aby praktické využití nebylo diskutabilní, ale bylo prakticky použitelné při srovnávacích testech s jinými anténami, bylo třeba vyřešit: 1. Tvarovou stabilitu. Vyřešil jsem ji uložením koaxiálu do poměrně tuhé PVC trubky, která se prodává navinutá v metráži. Pravděpodobně byla původně určena k zavlažovacímu zařízení. Připravuji však prototyp z robustního kabelu (Westflex 103), který má dielektrikum ze vzduchových komůrek a poměrně vysokou elektrickou pevnost. 2. Ladění po pásmu. Běžně se to řeší variabilním kondenzátorem. Vakuové variabilní kondenzátory s oddělovacím vlnovcem jsou vynikající, mají maličké ztrátové odpory, robustní přívody a vysokou elektrickou pevnost. Pokud jsou skleněné, udrží si vakuum a tím i elektrickou pevnost po dlouhá léta. Jsou však křehké, ale stala se mi jiná nepříjemná věc. Jeden z kondenzátorů byl pravděpodobně vystaven otřesům, vlivem kterých došlo k nepatrnému vyosení systému. Na zkušebně velmi vysokého napětí jsem zjistil, že má o cca 5 kV nižší elektrickou pevnost než měl před odesláním. Ale co nadělám, nemohu si pro všechno jezdit na druhý konec světa. Pomocí vakuového kondenzátoru lze zpravidla smyčku jednoho rozměru ladit přes více pásem, tj. lze realizovat anténu vícepásmovou, jde samozřejmě o anténu kompromisní. Mým cílem jsou jednopásmové antény pro nižší pásma, nyní konkrétně prototyp pro 40 metrů. Protože jsem si všiml vlivu okolních předmětů na rezonanční kmitočet, zkonstruoval jsem jednoduché ladění pomocí feritového materiálu. Původní anténu (viz předchozí odstavec), kterou jsem příliš "dojebal" štípačkami jsem doladil jednoduchým feritovým mechanickým dolaďovátkem takto: Z diagramu je vidět, že mám "naladěno" na pracovní kmitočet JT66, return loss je lepší než 30 dB, tj. VSWR asi 1.06. Transformátor mi transformuje na nepatrně vyšší impedanci (R=53 Ohmů). 3. Teplotní kompenzace. Moje anténa z RG 58 má ve finálním ladění šířku pásma asi 25 kHz pro VSWR lepší než 1.5 (cca 40 kHz pro VSWR lepší než 2). S každou změnou teploty samozřejmě naladění někam ujede. MFJ uvedla na trh anténu laděnou po koaxiálu, což je super. Pro mě je výzvou zkonstruovat mechanický teplotní kompenzátor, samozřejmě s feritem. Ten můj je na prototypu s bimetalem, u kterého lze nastavit zesílení. První pokus dopadl dobře. V hamovně jsem měl 23°C. Anténu jsem vynesl do mrazivého větru, i se stožárkem, na balkón. Celý nedočkavý jsem čekal, jak ladění dopadne. Po prochladnutí na -3° jsem anténu vyzkoušel na sedmičce prakticky. S výkonem 25 Wattů jsem si zrealizoval první spojení. VSWR zůstalo po naladění na stanici vykompenzované na cca VSWR = 1.2, report z Floridy jsem obdržel RST - 10, dával jsem RST -3 ... to by šlo. Důležité parametry: průměr antény D = 0.7 m, výška antény H = 6 m nad zemí, L napáječe = 6 m RG 58, P = 25 Watts. Takže se těším, až budu mít lepší kabel s větším průměrem (mechanickou tuhostí), vzduchovými komůrkami a s elektrickou pevností větší než 5 kV. Poznámka 1: Stanici N4VBR jsem monitoroval rovněž vertikálem. Spojení bych samozřejmě zrealizoval stejně snadno, s menším výkonem vysílače. Vertikál je však zkracovaný jen nepatrně, vrchol má v 8 metrech, kdežto popsaná anténa byla jen na 2m stožárku na balkóně. Poznámka 2: U mého prototypu, vyrobeného z kabelu RG 58 se bez teplotní kompenzace přestěhuje bod nejlepšího VSWR směrem dolů, z kmitočtu 7.076 kHz (při 22°C) na kmitočet 7.056 kHz (při teplotě 0°C). Tato změna rezonančního kmitočtu znamená, že hodnota VSWR se změní z hodnoty VSWR = 1.06 na VSWR = cca 2 - viz pohled do diagramu. U antény instalované na stožárku je tedy nezbytná dobrá kompenzace teplotní změny nebo možnost dálkového doladění. Použil jsem kompenzaci, u které v místě poblíž HF transformátoru přibližuji nebo oddaluji pomocí bimetalu feritové jádro ke smyčce. Zatím lze nastavit rezonanční kmitočet při jedné teplotě, např. 20°C a velikost kompenzace při druhé teplotě, např. při 0°C. Protože uvažuji o dálkovém ladění malé smyčky rovněž pomocí feritu, byl bych rád, aby ladicí i kompenzační mechanismus byl jen jeden. Poznámka 3: V textu jsem psal o tom, jak jsem při zkracování koaxiálu velice snadno přejel rezonanční kmitočet smyčky. Když jsem se pokusil smyčku doladit kouskem drátku - viz foto, který tvořil kapacitu proti plášti, šlo to, samozřejmě. Při výkonu kolem 50 Wattů se však dielektrikum, tj. izolace drátu a pláště koaxiálu, zjevně ohřívala a při 100 Wattech jsem po pár sekundách zaregistroval "kouřové signály". Opět platí to, co jsem napsal v textu o pár odstavců výše, že dielektrikum kondenzátoru je pro MLA smyčku důležité z hlediska účinnosti a ztrát. I tak nepatrné množství PVC, jako bylo použito na mém kondenzátoru (asi 8 cm izolace na drátu a koaxiálu) stačí k tomu, aby se experimentální anténa stala nepoužitelnou. Pokud tato kapacita na smyčce nebyla, byl jsem schopen pracovat s touto anténou z RG-58 a výkonem 60 Wattů (maximum, které při JT65 používám) nepřetržitými cykly RX/TX. foto: kapacita z kousku drátu - konec drátu je připájen ke stínění a drát je přitisknut k plášti RG58 na druhém konci; prakticky nepoužitelné z důvodu ztrát v dielektriku Poznámka 4: Ztráty v dielektriku, ve feritovém jádře HF transformátoru, v ladicím feritu a ve spojích s velkou proudovou hustotou lze snadno monitorovat bezkontaktním teploměrem nebo termokamerou. Mě překvapily obrovské a snadno měřitelné ztráty v dielektricích a téměř neměřitelná úroveň navýšení teploty ve feritech. Proč jsem použil pro přizpůsobení trafo a nikoliv např. hairpin match? Důvody mám dva. První důvod spočívá v tom, že většina moderních HF zařízení je konstruována s moderními feritovými transformátory. Včetně výkonových zesilovačů pro stovky wattů. Proč bych tedy neměl mít jakostní a širokopásmový HF transformátor na své MLA anténě? Druhý důvod spočívá v tom, že jsem si vždycky zvykl odhadovat či počítat ztráty na anténě a jejím napáječi. Následují dva obrázky. Na prvním je přizpůsobení HF trafem. Na druhém je přizpůsobení pomocí hairpin match. Je využita pouze indukčnost. Požadovaná kapacita obvodu je realizována nepatrným rozladěním smyčky antény. Do druhého diagramu je zakreslena křivka Q = 10. Všimněte si, že ani tato křivka nám "neschová" kružnice elementů hairpin matche. U MLA antény musíme se ztrátami šetřit. Je jich tam dost, které vyplývají z maličkého vyzařovacího odporu a velkého ztrátového odporu. Tak proč si přidělávat další? Vždyť přeci chceme na tu anténu vysílat a dělat DXy. Nebo nikoliv? Obdobný závěr lze udělat také k jinému typu přizpůsobení reaktančním čtyřpólem. U čtyřpólu prostě a jednoduše zapomeňte na nízké Q zatíženého obvodu, které je pro nízké ztráty nutné!
Maličká smyčka z koaxiálu pro 12 m (15.2.2015) Vážení čtenáři, tuto část mého článku o MLA považujte za mou drzost, kterou jsem si přesto dovolil publikovat, ale pouze s ohledem na staré přísloví, které praví: "když pán Bůh dopustí, tak i motyka spustí" ... . Za seriózní však považuji uvést experiment v širších souvislostech. Dne 15.2.2015 byla v Českých Budějovicích inverze a na pásmu jsem i v segmentu vyhrazeném pro JT65 slyšel řádit RTTY stanice s vysokými výkony. A tak jsem se přestěhoval na pásmo 12 metrů s tím, že ověřím bimetalicko-feritovou kompenzaci nejkratší smyčky MLA, kterou jsem vyrobil z koaxiálu. Naladění vypadalo nějak takto: Všimněte si, že smyčka má již mizernou jakost Q, šířka pásma pro VSWR = 2 je již asi 200 kHz. Rovněž transformátor jsem úplně netrefil, impedance na svorkách mi vylétla až asi na 60 Ohmů. Nicméně, smyčku jsem připojil k TRXu a nechtěl jsem věřit vlastním uším. Nejenže jsem tam slyšel řádit několik ruských a evropských stanic, ale také jednu libanonskou a jednu slovenskou, která právě dělala VK3BM. VK3BM tu byl slyšet velice silně na mojí v historii nejmenší DX anténu. Drze jsem ho volal, ale VK3BM odpovídal ruské protistanici na jiném kmitočtu. Vytrval jsem a VK3BM jsem volal během tohoto spojení 3x na původním kmitočtu. Ze spojení, které jsem následně realizoval, jsem měl mimořádnou radost. Spojení jsem rád potvrdil s hezkým reportem a stručnou informací o mé anténě: Jedná se o moje nejvzdálenější spojení, realizované na nejmenší anténu. Proto jsem si dovolil toto kuriózní spojení popsat, protože použitá anténa měla průměr jen 20 cm. Bohužel, našel jsem ve fotoaparátu jen jedinou fotku antény před jejím zapouzdřením do trubky: Uplatněné zásady: 1. Vodič smyčky je realizován z koaxiálního opletení. Opletení má mnohem větší povrch než drát nebo trubka. I u kabelu RG-58 odpovídá plocha povrchu ploše trubky s průměrem téměř 9mm. 2. Napájení antény je realizované HF transformátorem. Zatížený obvod má extrémně nízké Q. Čtyřpól LC lze stěží realizovat s Q menším než 10 možná 20. 3. Feritový materiál zkracuje MLA smyčku, a to podstatně. 4. Transformátor nám z pohledu HF dokonale izoluje anténu od napáječe. Anténa je extrémně malá, malé jsou i nesymetrie. Proto netečou tzv. common mode currents do staniční země a anténa extrémně dobře poslouchá, i když jsou signály slabé. 5. Dolaďování feritem, jak se ukazuje i prakticky, má pravděpodobně maličké ztráty. 6. Anténu jsem kvůli mechanické tuhosti zadělal do jakési plastové trubičky, která se používá na vzduchotechnické flexibilní přívody. Hlavní zdroje ztrát: 1. Vyzařovací odpor této smyčky je extrémně malý. Ztrátový odpor mědi již byl vysoký. 2. Kondenzátor z koaxiálu skutečně není vhodný. Opravdu považujte tento text za troufalost. Reálnou anténu pro toto pásmo 12m bych skutečně dělal z Cu trubky a kondenzátor bych řešil konstrukčně, jako vzduchový, bez jakýchkoliv kontaktů. 3. Drzost či troufalost spočívá v tom, že jsem si vědom účinnosti takto provedené smyčky. Nemůže být větší než cca 3%. To znamená, že vyzářený výkon mohl být něco kolem 2 Wattů. V minulosti jsem pracoval s VK stanicemi, které měly výkony do 10 Wattů a používaly vertikály. Někde na této anténě se muselo ztratit téměř 60 Wattů a to je možné. Tepelná kapacita feritu je dost velká, aby trochu tepla pohltila, okolní teplota byla kolem 2°C a to už na ochlazování kabelu stačilo. Bimetal-ferit stačil smyčku dolaďovat, i když při těchto malých rozměrech nedokonale. Konstrukci tohoto ladítka určitě zdokumentuji a popíšu, až to bude k tomu. Dielektrikum kondenzátoru-kabelu bylo s velkou pravděpodobností zatíženo HF napětím 2 kV, takže jsem byl v očekávání, kdy s prorazí ...vydrželo. Znovu opakuji, určitě jde o kuriozitu, sám osobně nevěřím, že pro seriózní mezikontinentální DX k protinožcům stačí vyzářit 2 Watty. Závěry Dělám zatím pouze dílčí závěry. Jak se ukazuje, lze u MLA antén udělat solidní inženýring a jejich design pomocí běžných a dostupných nástrojů. S těmito nástroji a jednoduchým měřením lze identifikovat vlastnosti a základní parametry antény MLA. Pro impedanční přizpůsobení s vysokým transformačním poměrem lze úspěšně použít moderních feritových materiálů. Nedovedu však odhadnout, jaké minimální rozměry MLA antény jsou ještě použitelné pro spolehlivé každodenní DXování. Ani ve svých nejodvážnějších snech bych nikdy nepřipustil, že to dokážu s anténou o průměru 20 cm, instalovanou na laminátovém klacku ve výši cca 6 metrů, asi 3 metry od balkónu domu. Jsem přesvědčen o tom, že Hertzovy antény lze díky poměrně vysokému vyzařovacímu odporu realizovat jako antény účinné i dost širokopásmové. Bohužel, jsou rozměrné a celá řada faktorů, zejména prohřešky ve vyzařovacích diagramech, v symetrii, v řešení symetrizace, uzemnění stanice a často též přizpůsobení nám často znehodnocují dosažené výsledky. Osobně jsem přesvědčen o tom, že správná anténa je vždy kompromisní a celá řada věcí musí být řešena hlavně teoreticky. Po několikaletých zkušenostech však stále častěji preferuji antény dobře navržené a přiměřeně zkrácené. Proto se úplně neztotožňuji se sice pravdivým rčením, že "zkracovat znamená ztrátovat" v jeho zjednodušené interpretaci. Pouhé vyřešení určitého druhu ztrát je jen zlomkem vyřešených problémů na anténě. Důležité odkazy k tématu: Steve Yates AA5TB: http://www.aa5tb.com/loop.html Frank N4SPP: http://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop.htm Olda OK2ER: http://www.btv.cz/media/produkty/mla/obecne/093_mla.pdf a firemní články: http://www.btv.cz/en/MLA-magnetic-loop-antenna
OBSAH všech článků webu - klikněte zde
© 2011 - 2013 Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 15.02.2015