další info >>>> | Obsah |  |  |  |
Pár základních věcí o vertikálu ....
Všeobecně Na tomto webu jsem věnoval vertikálním anténám nejrozsáhlejší kapitolu, ale přesto se znovu pokouším o jakýsi souhrn vlastností, které chci vysvětlit na příkladu přibližně 10 metrů vysokého vertikálního zářiče, který je napájen v patě. A uvádím několik příkladů, jak vyřešit přizpůsobení a případně účinnost antény. Článek je vhodný pro začátečníky, kteří se seznamují ze základními pomůckami pro návrh antén, tj. s nějakým z programů NEC a umí dělat základní úlohy ve Smithově diagramu.
Schéma antény Schéma zkoumané antény je na obrázku vpravo. Jedná se o vertikál vyrobený z AL trubky o průměru 40 mm, napájený v patě pomocí koaxiálního kabelu Z=50 Ohmů a s radiály, které jsou zakopané v zemi a mají délku 10 a 21 metrů. Použito je několik radiálů. Výška trubky je nastavena tak, aby vertikál měl nejlepší poměr stojatých vln (VSWR) na kmitočtu 7.2 MHz. Na tomto kmitočtu je změřena impedance a porovnána s matematickým modelem MININEC. Na kmitočtu 7200 kHz naměříme Z = 36 + j2 Ohm. Tato hodnota odpovídá teoretické, vypočtené hodnotě při dobré zemi a rovněž ji naměříme při nadzemních, vyladěných radiálech. Na takto jednoduché anténě chceme vyzkoumat, zda ji budeme moci použít také na jiných pásmech a zda ji nějakým způsobem přizpůsobíme ke koaxiálnímu napáječi s charakteristickou impedancí 50 Ohmů. |
Vyzařování antény Takto jednoduchá anténa se hodí na to, abyste si vyzkoušeli několik věcí: 1. Že jde o plnorozměrný, tedy nekrácený čtvrtvlnný vertikál pro pásmo 40m. V podvědomí jistě máte informace o vyzařování čtvrtvlnného vertikálu, jeho zisku, účinnosti i směrové charakteristice. Víte, že s takovým vertikálem se dovoláváte na jiné kontinenty i k protinožcům. 2. Že vertikál o výšce 10m dokážete přizpůsobit i na pásmu 80m a získáte kompromisní DX anténu, která však bude mít mnohem menší účinnost, ale i tak s ní uděláte mnoho mezikontinentálních spojení. 3. Že vertikál těchto rozměrů snadno přizpůsobíte i na vyšších pásmech. Použitelný však bude jen do výšky cca 0.625 x lambda (5/8 lambda). Při vyšších kmitočtech vám už mnoho DX radosti neudělá. Vyzařuje totiž příliš vzhůru, nikoliv k horizontu. O této skutečnosti jsem napsal před několika léty celou řadu článků a jeden z nich je např. zde. Pokud máte trpělivost a možnost přepínat např. mezi půlvlnným vertikálním dipólem a zde popsanou 10m vysokou anténou, zjistíte toto: na půlvlnný vertikální dipól nízko nad zemí slyšíte i touto dobou DX stanice z jiných kontinentů, ale na tento desetimetrový vertikál slyšíte mnohem silněji evropské stanice, nikoliv však z nejbližšího okolí, jak dělají (ty s dobrými anténami) mezikontinentální spojení. Jejich protistanice však neslyšíte. Orientační vyzařování našeho vertikálu lze velice rychle vyšetřit v jakémkoliv NEC programu, v MMANA to lze téměř na jedno kliknutí od 3 do 25 MHz a výsledek vypadá takto: Čeho je dobré si všimnout? Sledujeme graf v pravé části, připsal jsem tam komentáře a tabulku pod ním. Na kmitočtech 3 a 8.5 MHz (samozřejmě i na 3.55 a 7.2 MHz) vyzařuje vertikál krásně směrem k horizontu. K horizontu vyzařuje i na pásmu 14 MHz. Všimněte si, že impedance je vysoká, R je větší než 1000 Ohmů a jX poblíž resonance. Na kmitočtu 19.5 MHz vidíte, že druhý lalok vyzařuje stejně silně, jako základní, kamsi pod úhlem 45°. Na kmitočtu 25 MHz už anténa září do nebe a pro DX komunikaci není příliš použitelná. Impedance Pokud budeme v patě, v místě napájení měřit impedance nebo pokud je budeme počítat v NEC programu, získáme s vysokou pravděpodobností tento průběh:
Na 7.2 MHz je Z=36 + 2 Ohmů a v ostatních pásmech vypočteme nebo naměříme toto: Zdálo by se, že vertkální zářič o výšce kolem 10 metrů je jednopásmový monobander, což ovšem může být zavádějící tvrzení. Anténu lze minimálně na 5 pásmech přizpůsobit a používat. Jak řešit přizpůsobení ? Pásmo 80 metrů V pásmu 80 metrů máme několik možností, jak anténu přizpůsobit. Z hlediska návrhu je nejjednodušší nějak vypočítat (navrhnout) indukčnosti tzv. hairpin-match přizpůsobení. O hairpin-match jsem psal např. zde a v tomto článku jsem uvedl postup, jak si vypočítat konstrukci oblíbeného vertikálu HF2V. Tady zopakuji nejjednodušší metodu výpočtu pomocí kalkulátoru v MMANA (dostupný z menu a utilita se jmenuje HF components). Nastavíme sériovou kompozici match obvodu - viz zvýraznění oválkem a přečteme výsledek, tj. hodnoty indukčností L1 a L2: Pro informaci uvádím schéma, kde jsou obě indukčnosti v patě vertikálu: Vertikál můžeme samozřejmě také modelovat a hodnoty indukčností vypočítat numerickou metodou, která je v MMANA také jednoduše použitelná. Výsledek této metody je o něco přesnější, protože již lze nastavit, byť velice omezeně, geometrii indukčností. Postupujeme takto: Po vložení výchozích hodnot indukčností do středu jednotlivých vodičů nastavujeme: - cíl, že optimalizujeme jX (částečně) a SWR (maximálně) - čím optimalizujeme - pomocí hodnot L1 a L2, které jsou zadané jako Load 1 a Load 2, nastavíme krok a nějaké výchozí hodnoty, které musí být blízko těch očekávaných. Jde o numerickou metodu, sledujeme její konvergenci. Zpravidla nám takové zacházení sebere nějaký čas, než se s tím skamarádíme, ale metoda se nám stane neocenitelným pomocníkem při různém řešení reaktancí v obvodech antén, nikoliv jen v tomto příkladě ... Hodnoty indukčností se vkládají zde (a vypočtené výsledky uvidíme ve stejném místě). Musí být zaškrtnuto "use loads", jinak by program nebral ohled na vložené reaktance: V pásmu 80 metrů lze řešit samozřejmě jak hairpin match, tak i jiné způsoby přizpůsobení rychle a jednoduše např. ve Smithově diagramu. Níže uvádím minimálně 3 druhy přizpůsobování (hairpin-match, L článek a využití L+HF transformátor):
Do Smithova diagramu vpravo jsou zakresleny: - impedance antény jako bod Z = 6 - j338 (malý zelený čtvereček vpravo), sériová indukčnost L1 = 14.43 a paralelní L2 = 0.8 mikroH, vše zobrazují zelené kružnice, L2 končí ve středu diagramu a pro informaci je zakreslena modrá kružnice, která ohraničuje VSWR = 1.2 a poblíž obvodu jsou rozsvíceny oblouky s Q = 25, pokud bychom chtěli počítat match loss ztráty. I tak vidíme, že z pohledu ztrát jde o řešení, které bycho označili "nic moc". Transformační poměr je prostě velký, transformujeme v patě a match loss ztráty hrají roli dosti zásadní. Alespoň však budeme vědět, proč např. tento 10 metrový vertikál nechodí tak dobře, jako třeba jen 7 metrů vysoká L anténa Compact, kterou jsem vyrobil a popsal zde. Pokud máme možnost přepínat, rozdíly opravdu nepřehlédneme :-) |
Také můžeme vyzkoušet jiný druh přizpůsobení. Desetimetrový vertikál nám přizpůsobí i prostý L článek. Na obrázku vpravo je namalován L článek typu horní propust. Hodnoty indukčnosti a kapacity jsou: L= 11.3 mikroH a C=45 pF. Transformační poměr je veliký, Q obvodu je vysoké, ladění ostré a účinnost nevalná. Jde o ještě horší metodu přizpůsobení, než, kterou jsme použili v předchozím případě. Metoda má však jednu zásadní výhodu, pokud nám jde o možnost přepínat na vertikálu pásma. Schéma přizpůsobovacích obvodů je identické jako u pásem 10, 14, 18 MHz. Hodnoty LC jsou samozřejmě jiné. |
Poslední metoda, kterou popisuji, používá ke kompenzaci kapacitní složky antény sériovou indukčnost L. Tu ostatně používá i první metoda, hairpin match. Sériová indukčnost o velikosti 15.2 mikroH nám zcela zkompenzuje jalovou složku antény. Nízká impedance však musí být transformována pomocí balunu s vhodným poměrem. Z hlediska ztrát je toto řešení lepší, než obě dvě uvedená předchozí řešení. |
Pásmo 40 m Na tomto pásmu pracuje anténa jako čtvrtvlnný vertikál. VSWR = 1.4 (i lepší, pokud máme mizerný zemní systém). Další přizpůsobení není třeba. Pásma 20m, 17 m a 30 metrů
Na všech uvedených pásmech anténu přizpůsobíme snadno pomocí prostého L článku. Zvýšenou pozornost si vyžaduje pásmo 20 metrů. Diagram vlevo dole. Anténa zde má paralelní rezonanci (je půlvlnná), impedance v místě napájení je vysoká (přes 1000 Ohmů i při nízké výšce). Na zbývajících dvou pásmech (17 a 30 metrů) má anténa reálnou složku impedance malou (kolem 100 Ohmů), ale vysokou jalovou složku - na 10 MHz induktivní charakter, na 18 MHz kapacitní charakter. Jak je řešeno přizpůsobení je zřejmé ze Smithových diagramů dole. Poznámka: V praxi nebyl použit prostý L článek. Důvodem je, že indukčnosti byly realizovány z robustní měděné trubičky o průměru 6 mm a pro každé pásmo byla vyvedena odbočka. Takto realizovaná indukčnost není zcela přesně nastavená na požadovanou hodnotu, ale na hodnotu nepatrně nižší. Přesné ladění je provedeno 2 kondenzátory. Pokud bychom je nepoužili, nebyli bychom schopni naladit v dané přesnosti nastavení indukčností VSWR lépe, než na hodnotu cca 1.3.
Vertical match Závěrem bych zopakoval schéma obvodů, kterým je laděn vertikál o výšce h = 10m v patě. Indukčnost má dvě sekce. Sekce nízkých indukčností je vinuta Cu trubkou o průměru 6 mm na průměr 120 mm. S mezerou mezi závity kolem 20 mm lze při maximálním počtu závitů N = 12 docílit hodnoty L asi 10 mikroH. To je pro pásmo 80 m málo. Proto indukčnost pokračuje, ale je vinutá drátem o průměru 1.6 mm na průměr 120. Se 14 závity lze dosáhnout hodnoty kolem 25 mikroH, což je víc než dost. Oba kondenzátory jsou od OK1TN s velkými mezerami. Vertikál lze ladit v pěti pásmech přepínámím odpoček indukčnosti a nastavením dvou kondenzátorů. Schéma ladění je zde: Poznámka: Uvedeným schématem lze krásně ladit pásma 80, 30, 20, 17 metrů. Složitější je ladění na pásmu 40 metrů. Protože zde anténa rezonuje, má nízkou impedanci, je nutné buď zcela odpojit ladicí indukčnosti i kapacity (tak to bylo při mém experimentu) nebo vytvořit další odbočku pro toto pásmo. Rychle však zjistíme, že pouze pro toto pásmo potřebujeme veliké hodnoty kapacit. A začneme uvažovat o jiné délce vertikálu, než je 0.25 x lambda. Varianta zkrácená na h = 9.5 m Tato varianta antény je zajímavá tím, že pouze pomocí přepínání odboček na indukčnostech snadno vyladíme anténu na pásmu 80 i 40 metrů. Matematicky se o tom přesvědčíme velice rychle např. v programu mmana: Zda má smysl takovou anténu konstruovat, je velice diskutabilní, když si uvědomíme nutnost použití přepínačů (relé) s velice robustními kontakty v rezonančních obvodech. Navíc lze tuto věc vyřešit snadno pomocí principů, které použili konstruktéři HF2V u firmy Bencher (Butternut) - popis a modelování jsem uvedl. Závěry Závěry raději neformuluji. Vertikální anténu pro pásmo 80 m, resp. pro 80/40/30 metrů považuji za strategicky důležitou. Protože už jsem vyzkoušel ledacos, od oblíbeného Compact 80/40/30, laminátového vertikálu s meandrovitými protiváhami, GAP Titan DX, stále víc se přikláním k anténám kolem 10m výšky s robustními hliníkovými zářiči, s nadzemními radiály, pro pásmo 80m skládanými do meandru. Jenže ... Compact 80/40/30 v nepatrně zvýšené instalaci s nadzemní protiváhou, zdá se, překonává při své menší výšce (do 7m) laminátovou anténu vysokou 12.5m. Od ostatních antén se liší tím, že v patě a v místě napájení nemá žádnou reaktanci a zářič je vyroben z 50 mm AL roury! GAP Titan se svými transformačními obvody je při své výšce na pásmu 80 m znatelně horší. A přibližně 10 metrové AL trubky musí mít sakra robustní indukčnosti na hairpin match indukčnostech, aby se vyrovnaly.
© 2015 Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 06. 11. 2015