další info >>>> | O anténách |  |  |  | Kontakt
Proč jsou některé čtvrtvlnné vertikály delší než 1/4 vlnové délky?
Úvod Tento článek vysvětluje některé důvody, které vedou konstruktéra antény k tomu, že volí délku zářiče čtvrtvlnné antény o něco větší, než 0.25 wl. Článek je určen začátečníkům, kteří se seznamují s možnostmi anténního analyzátoru a základních softwarových pomůcek, jako je program MMANA a Smithův diagram. Princip je vysvětlen na vertikální anténě pro pásmo 40 metrů a na konci je aplikace metody pro zkrácený vertikál na 80 metrů. Vlastnosti čtvrtvlnného vertikálu Čtvrtvlnný vertikál je jednou z nejmenších antén, která se ještě hodí pro DX provoz. V porovnání s jinými anténami má nízký vyzařovací úhel (to je dobré) a malý zisk (proto se ho snažíme nepromrhat). Jedná se o anténu uzemněnou, pokud je konstruován se zemními radiály. Z pohledu účinnosti jsou však zajímavé neuzemněné antény s nadzemními protiváhami). Abychom vertikál mohli pro DX provoz vůbec použít a aby anténa fungovala, musíme dodržet poměrně mnoho zásad. O těch se dočtete v mnoha dalších článcích na mém webu. Přesto zde zopakuji několik skutečností, které mají na vlastnosti antény vliv. Impedance čtvrtvlnného vertikálu je asi 37 Ohmů, pokud ho zrealizujeme nad dokonale vodivou zemí nebo s velkým množstvím zakopaných radiálů. Pokud naměříme v rezonanci větší reálnou složku impedance, např. 50 Ohmů, máme vertikál sice dobře přizpůsobený, ale pracuje nám s účinností asi kolem 50 %, tj. s další zbytečnou ztrátou asi 3 dB. Abychom účinnost zvýšili, zakopeme do země další radiály a impedance nám klesne. Nebo použijeme nadzemní radiály a impedance nám opět klesne. Totéž zjistíme, pokud vertikál pro pásma nízkých kmitočtů zkrátíme pomocí kapacitních kloubouků a/nebo indukčností. Pokud však zvyšujeme délku vertikálu nad 0.25 x lambda, zjistíme, že roste nejen jalová složka impedance, ale rovněž reálná složka impedance - příklad viz následující tabulka. Průběh impedancí v závislosti na výšce vertikálu V tabulce uvádím s přiměřeným krokem vlnové délky od 0.245 wl do 0.275 wl R a jX u různě dlouhých vertikálů s nadzemní protiváhou. Všimněte si, že u krátkého vertikálu 0.245 wl je R jen asi 36 Ohmů a jX = -10 Ohmů - viz sloupce zleva. Zisk a vyzařování antény se nemění a uvedu ho dále. Všimněte si také, že u délky nad 0.275 wl je již R větší než 50 Ohmů, ale jalová složka má induktivní charakter a hodnotu téměř 100 Ohmů. Dále si všimněte úplně prvního řádku, kde jsem označil výšku 0.273 wl červeně. Je to důležitá hodnota, při které má anténa R=50 Ohmů. Na dalším obrázku ukazuji jednoduché schéma, ze kterého je zřejmé, jak snadno se kompenzuje jalová složka antény, reálná složka nám zůstává - viz Smithovy diagramy a vertikál máme opravdu dokonale a bezeztrátově přizpůsobený. Schéma vertikálu s nadzemními radiály Vertikál s přesně nastavenou výškou tak, aby R = 50 Ohmů lze snadno přizpůsobit sériovou kapacitou - viz Smithův diagram a vyzařuje stejně, jako čtvrtvlnný vertikál - viz far field vyzařovací diagram vpravo. Všimněte si, že VSWR = 1.0
Napájení vertikálu a provedení protiváhy Vertikál o délce téměř 0.28 lambda lze napájet koaxiálním kabelem o vlnovém odporu (char. impedanci) 50 Ohmů. Nicméně, koaxiální kabel nebudeme připojovat přímo minimálně ze dvou následujících důvodů, ale použijeme co nejlepší balun, který nám zamezí tomu, aby proudy tekly do uzemnění stanice. Pokud tuto zásadu nedodržíme, snadno znehodnotíme vertikál natolik, že nebude použitelný při příjmu (hluk, rušení). Druhým důvodem může být naše snaha o docílení všesměrového diagramu. Pokud pro docílení všesměrového diagramu použijeme dvou stejně vysokých protivah (180°proti sobě), potom se nám snadno přihodí, že koaxiální kabel poslouží jako třetí protiváha a díky proudům, které mohou téci po plášti do společného bodu protiváhy nám budou deformovat vyzařovací diagram. Poznámky: 1. Pro nejlepší účinnost vertikálu použijeme pouze jednu nadzemní protiváhu, ale diagram bude deformován (viz další články o vertikálech na tomto webu). 2. Pro nejlepší všesměrovost v horizontální rovině použijeme dvě nadzemní protiváhy. 3. Pro dobrý kompromis použijeme protiváhu ve tvaru meandru (preferuji toto řešení, viz další články o vertikálech). 4. Pro snad ještě použitelný kompromis a jednoduchost řešení použijeme dobrý proudový balun 1:1 5. Pro slušné řešení použijeme k napájení HF oddělovací transformátor. 6. Koaxiální napáječ nikdy nepřipojujeme přímo. Přizpůsobení sice bude dokonalé, ale hluk antény pravděpodobně také. 7. Koaxiální napáječ v místě u antény neuzemňujeme a střed nadzemní protiváhy nespojujeme se zemí. Zem se nám svou vodivostí podílí na zrcadlení antény, nikoliv však na vedení zemních proudů k patě antény. K vedení proudů do paty vertikálu slouží rezonanční protiváhy. 8. Protiváhy nízko nad zemí mají vyšší kapacitu vůči zemi. Někdy mohou být přičinou většího hluku antény. Já jsem je realizoval na izolačních tyčích pro elektrické ohradníky jako meandrové (skládané) protiváhy. Použití HF transformátoru HF transformátor nám dokonale oddělí vertikál od země i napáječe. Společné proudy po koaxiálu nám do uzemnění stanice nepotečou. Rovněž kapacita napáječe proti zemi bude maličká a vertikál bude při příjmu velice tichý, jako jakákoliv jiná symetrická od země izolovaná anténa s dobrým balunem. Bohužel, řešení má jedno úskalí. Skutečný HF transformátor nám zatíží vedení v místě napájení induktivní jalovou složkou a jediným řešením je pečlivé měření impedancí a zpravidla další prodloužení zářiče vertikálu, např. až na 0.3 x lambda (0.3 wl). Na obrázku vlevo pod tímto textem vidíte, že jsem zvedal délku vertikálu tak, že reálná složka již byla vyšší než 50 Ohmů. Indukčnost HF transformátoru mi ji zkompenzovala na hodnotu 50 Ohmů a kompenzaci jalové induktivní složky provedl kondenzátor. Na obrázku vpravo vidíte, že HF transformátor byl použit u antény s R = 50 Ohmů. Induktivní složku trafa jsem zkompenzoval paralelní kapacitou na R= 50 Ohmů a induktivní složku antény jsem zkompenzoval jako ve všech případech, o kterých je tu řeč, sériovým kondenzátorem.
Průběh VSWR kolem rezonance V diagramu vpravo je vidět hezký průběh poměru stojatých vln u popsané antény. Minimum VSWR je přesně 1:1. Tato vlastnost je pro anténu konstruovanou podle zde uvedených zásad typická. V celém pásmu 40m je VSWR u popsané antény menší než 1.5, tato vlastnost je daná použitou konstrukcí nezkrácené antény. |
Je řešení použitelné při zkrácených anténách? V pásmu 80 metrů a 160 metrů budeme z konstrukčních důvodů donuceni anténu zkracovat. U popsané antény pro 40 metrů jsem vzorek realizoval měděným lanem Rupalit omotaném se strmým stoupáním na laminátovém teleskopu 12.5 metru. Na stejném teleskopu, protože delší nemám, jsem realizoval také vzorek pro pásmo 80 metrů, opět s meandrovou protiváhou. V tomto případě se jedná o anténu, která je prodloužená vlastní indukčností. Pokud budeme na teleskop indukčnost vinout tak, aby R=50 Ohmů, naměříme jX = 892 Ohmů (v mém případě, s protiváhami o délce 0.25 wl). Tuto induktivní složku lze snadno vykompenzovat pomocí sériové kapacity asi 50 pF v patě antény. Viz diagram dole. Nekompenzovaná anténa by měla VSWR větší než 300, vykompenzovaný vertikál má VSWR = 1.
Závěr V článku jsem se snažil začínajícím hamům vysvětlit, v čem mohou být příčiny nespokojenosti se svými vertkály (hluk, malá účinnost, malý zisk) a uvedl jsem příklad, jak lze vertikál také řešit, dokonale přizpůsobit, provozovat ho s dobrou účinností a těšit se z toho, že vertikál je tichý a dobře poslouchá. A také jsem se pokusil vysvětlit, proč někteří konstruktéři čtvrtvlnných vertikálů navrhují o něco vyšší výšku.
© 2015 Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 14. 03. 2015