Home | O anténách |  |  | Kontakt |
Lze snadno docílit nízkého vyzařovacího úhlu?
Všeobecně Diskuze, které jsem měl v poslední době s několika hamy mě přivedly na několik problematik, které jsem kolem antén řešil, ale zatím nenašel sílu na jejich publikování. Minimálně ve dvou věcech se chci v dohledné době polepšit. Ta první je, že rozšířím úvodní článek k anténám nebo ho doplním druhým článkem o několik dalších důležitých pojmů a termínů. Ale to opravdu až jindy, nejpozději o letošních vánocích. Ta druhá věc se týká nízkého vyzařovacího úhlu antén, který je důležitý pro DX komunikaci. Pole v blízkosti antény a celkové vyzařované pole Celkové vyzařované pole, které vytváří anténní soustava s daným rozložením proudu, lze určit složením jednotlivých polí, které tvoří elementy takové soustavy. Při skládání jednotlivých složek, tvořených různými elementárními dipóly (segmenty), které reprezentují skutečné rozložení proudu v anténě je třeba brát v úvahu fázi i polarizační rovinu každé složky. (Vidíte, že se program NEC docela nadře, když pro vás počítá anténu.) Elektrická a magnetická pole v blízkosti antény se nazývají indukčními poli a tato pole musí být přidána k vypočtenému vyzařovanému poli, aby vzniklo skutečné pole. Intenzita indukčních polí se nezmenšuje přímo úměrně se vzdáleností, ale rychleji. Magnetické indukční pole elementárního dipólu je nepřímo kvadrátu (čtverci, druhé mocnině) vzdálenosti. Elektrické indukční pole má jednu složku, která se mění nepřímo úměrně s kvadrátem vzdálenosti a druhou složku, která se mění nepřímo úměrně s třetí mocninou vzdálenosti. Velikost vyzařovaného pole je však nepřímo úměrná vzdálenosti. Indukční pole jsou však tlumena mnohem rychleji než pole vyzařované a již ve vzdálenosti několika vlnovývh délek jsou zanedbatelně malá vzhledem k vyzařovanému poli. V malých vzdálenostech budou však indukční pole mnohem silnější než vyzařovyné pole antény. Indukční pole se liší od vyzařovaného ještě tím, že intenzity elektrického a magnetického pole nejsou vzájemně úměrné a nejsou ani vzájemně ve fázi. V malých vzdálenostech od antény ve tvaru dipólu je elektrické indukční pole značně silnější než magnetické indukční pole. U smyčkové antény se zmenšováním vzdálenosti převládá magnetické indukční pole. Prosím, přečtěte a přemýšlejte o textu v tomto krátkém odstavci a o dvou větách, které jsem zvýraznil červeně. Možná vám mohou dát odpověď na otázku, proč vám v některých složitějších zástavbách chodí ta která konkrétní anténa lépe, jiná hůř, pokud jste nebyli schopni mimo anténních drátů spolehlivě namodelovat její blízké okolí. A také to může být odpověď na otázku, proč se vám někdy modely NEC skutečně liší od realizované reality. Vliv země na elevační úhel antény V článcích o dipólu a o zemnicím systému vertikálu jsem psal v uvedených článcích a ukázal jsem tam vyzařování obou základních typů antén v oblasti nejnižších vyzařovacích úhlů. A ukázal jsem pravdivě, za jakých podmínek je lepší vertikál (např. v H=0) a kdy je již lepší dipól (např. pro H > lambda / 2). V následujících úvahách zatím vynechám dva odlišné principy rezonančních antén a zatím vám nedám odpověď na otázku, kdy je lepší dipólová a kdy smyčková anténa. Byť jsem v úvodní části představil základní hypotézy, které souvisí s indukčním polem antény. Určitě se však k této problematice brzy vrátím. V článku o dipólu jsem také popsal hypotézu o vlivu země a o zrcadlovém obrazu antén v poznámce č. 1 a opakuji ten text zde: Poznámka 1: Pokud je anténa umístěna nad reálnou zemí a nikoliv ve volném prostoru, energie vyzařovaná k zemi se odráží. Pole, které vyzáří taková anténa, je pak v libovolném směru dáno vektorovým součtem polí přímé a odražené vlny. Dříve, než měli konstruktéři k dispozici programy pro řešení NEC, pracovali s tzv. fiktivní anténou umístěnou pod povrchem země. Využívali úvahy o ideální (nekonečně vodivé) zemi a se zjednodušením, že proudy v odpovídajícím místě skutečné antény a fiktivní antény jsou stejné. Vertikální složky proudu při této úvaze mají stejný směr a horizontální složky opačný. Odražená vlna tedy nevzniká odrazem od země, ale vyzařováním fiktivní antény .... Čtenářům mých stránek zde znovu dávám odpověď na otázku, proč ve všech směrových charakteristikách uvádím ať již modelovaný nebo naměřený vyzařovací diagram vztažený k montáži v konkrétní výšce antény. Souhlasím, že pro srovnání dvou antén lze za určitých podmínek použít např. zisk antény vztažený k dipólu a vyjádřený v dBd. Nicméně, pokud jste četli na mých stránkách pečlivě, tak vám neuniklo, že zde převážně popisuji prohřešky antén vůči směrovosti, které mohou vzniknout z různých příčin. Např. vyzařováním paralelně zapojených zářičů - viz problematika popsaná zde a v celé řadě dalších článků. Zisk antény v nežádoucím nebo nevhodném směru k DX komunikaci opravdu nevyužijeme. A ani o tom není tento článek. Prohřeškům vůči směrovosti antén se vyvarujeme, pokud budeme antény modelovat s jejich reálným okolím a porovnáme jejich vyzařovací diagramy. V úvodu tohoto článku jsem popsal princip antény. Tj. popsal jsem, co to jsou indukční pole a co to je vyzařované pole antény. A použil jsem termín elementární dipól (a skrytě slovo "segment"). Víte tedy, že v potaz je třeba brát proud, který teče elementárními dipóly, fázi a polarizační rovinu. Tyto faktory se podílejí na vyzařování, které je dané vektorovým působením. Je vám snad již nyní jasné, že právě velikost proudu, kterou protlačíte těmi elementárními dipóly, které se podílejí na vyzařování v žádaném směru je důležitá. V amatérské praxi je proto důležitých několik principů, pomocí kterých budete např. zkracovat rezonanční anténu, které musíte dodržet, abyste se neokradli na proudu, který protéká důležitou částí zářiče. S problematikou souvisí také některé případy přizpůsobování (indukčnosti v místě napájení) a některé konstrukční zásady (např. vodiče a indukčnosti v maximech proudů). Těmto zásadám se lze naučit a konstruovat antény účinné. Ale ani o účinnosti není tento článek. Ten je jen jinou alternativou vysvětlení, proč něco dělají contestové stanice tak a tak, ale bez uvedení fyzikálních principů :-) ... Tak o čem vlastně tento článek je? Není ani o kácení stromů v elektromagnetické zóně antény, aby nám indukční pole slábla pomaleji. Není ani o úpravách železobetonových staveb, aby nám pomáhaly vyzařovat lépe. V obou uvedených případech je snad důležité zamyslet se nad volbou antény. Tento článek zdá se být, bohužel, smutným konstatováním, že když zkonstruujeme anténu účinnou a bez chyb ve směrovosti, že jsme udělali pro DX komunikaci maximum. Je to však pravda? Ověřme si nebo vyvraťme takovou hypotézu.
1. Anténa s větším ziskem vyzařuje v daném směru lépe i na nízkých úhlech. Je to zdánlivá pravda, ale je to pravda. Modelováním, měřením a vlastní praxí na krátkých vlnách ji nemohu vyvrátit. Bohužel, pravdou je, že na nízkých úhlech je takový zisk obtížně zjistitelný a pro informaci a srovnání zde uvádím rozdíly mezi dvou a tří elementovou směrovkou - viz obrázek dole:
2. Zvolíme v dané lokalizaci vhodnou anténu. To má smysl. Zejména u jednoduchých antén. Již dříve jsem uvedl, proč vertikál na zemi může být lepší, než dipól nízko. Víme, že ve výškách dipólu H>= 0.5 x lambda to neplatí! |
3. Zkonstruujeme anténu, která má nízký vyzařovací úhel. Dejte mi vědět, až takovou anténu budete mít. Možná to zní ode mne jako výsměch. Ale není to výsměch. Nemám na mysli volbu antény do vašeho QTH. Předpokládám, že takovou volbu jste provedli správně, anténu jste zkonstruovali s nejmenšími ztrátami, tak, jak vám váš rozpočet dovolil a chyb ve směrovosti jste se vyvarovali. Máme další možnosti? Udělali jsme v návrhu úplně všechno pro maximální úspěch? Jak je to s elevací antény? Má elevace antény vliv na vyzařování na nejnižších úhlech? Nevede tudy cesta k DX komunikaci?
4. Skloněný vertikál a šikmé antény. Vyzařuje to na nízkých úhlech lépe? Obrázek je dole. Dipól byl vychýlen asi o 30°. Zklamání? Nikoliv, předvídané chování. Nepatrný nárůst zisku v požadovaném směru, zcela zanedbatelný nárůst zisku na nízkých úhlech. Dokážu, že tato cesta je pravidlem a k cíli nevede.
5. Jednoduché směrové antény v elevaci. Postupně uvedu několik základních směrových antén, HB9CV, Jungle Job a Yagi. Vždy byla nastavena elevace na maximální zisk, tomu v modelech odpovídá nulová hodnota elevace ráhna a dále elevace plus 25° a minus 25° (do země):
Všimněte si, že ve všech případech se s elevací nepatrně snížil zisk v hlavním směru záření a podstatně se zhoršil činitel zpětného příjmu. To je krutá pravda, pomocí které jste si ověřili, že anténa skutečně vyzařuje tak, jak jsem uvedl v úvodu, v poznámce č. 1. Tj. vyzařuje skutečná a fiktivní anténa, kterou si můžeme představit pod povrchem země. A znovu zrekapituluji. Zvyšování vyzařování v hlavním laloku vede k cíli, ale je tím nejnákladnějším a nejrozměrnějším způsobem řešení. Volba druhu antény má velký význam, tak zpravidla děláme častou systematickou chybu. Prohřešky v konstrukci, které vedou k hrubým chybám ve směrovosti jsou nejčastějšími příčinami zklamání. Stejným vlivem se nám projeví předměty v elektromagnetické zóně antény. Protože jsem téměř přišel o několik přátel - hamů, když jsem jim nepochválil jejich monstra, protože jsem si o vyzařování myslel své a názor na jejich antény jsem jim řekl, tak toto dále nekomentuji a pouze odkazuji na úvodní odstavec, kde píšu, jak rychle se vzdáleností klesá elektrické a magnetické indukční pole. Vím, že stačí modelovat a máme jasno. Elevační úhel má vliv a dokáže zhoršit vlastnosti antény. Lze ho snadno eliminovat a není až tak podstatný.
6. Zemní systém pod směrovkou
Dlouho jsem vás napínal. Vysmíval jsem se, abyste mi ukázali anténu, až ji budete mít, s nízkým vyzařovacím úhlem. A ukázal vám postup, co všechno si budu ověřovat. Zkontroluji si měřením proudů, zda důležitými zářiči tečou proudy, které tam mají téci. Inu, sleduji účinnost, i když tvrdím, že víc chyb bývá ve směrovosti. Změřím si směrovost antény. Mám sice jen jednoduchý aparát, ale od té doby, co ho mám, mám v různých věcech jasno. O to více modeluji. Tím jsem schopen zjistit prohřešky ve směrovosti antény. A modeluji s vodiči v elektromagnetické zóně. Se všemi, o kterých vím. A změřím si impedance. V úvodu jsem napsal, že v článku o základních parametrech antén mám dluh. To je pravda a ještě uvedu několik důležitých parametrů antén. Ale již teď jsem připraven říci toho mnoho o konkrétní anténě. Bohužel, jak měřením, tak modelováním vám mohu prokázat to, co vidíte na obrázku dole (příklad):
To, co je v levé části jsem modeloval i ověřil měřením. Všimněte si hodnot. Hlavní směr vyzařování je v jednom případě horší asi o 1.5 dB a činitel zpětného příjmu je horší asi o 6 dB. Namítnete, že to není mnoho. Zejména skalní telegrafisti se mi budou smát. Mají svoji třídecibelovou teorii, která, bohužel, je velkým mýtem. Statisticky sice nemohu dokázat, jak se třídecibelový rozdíl projeví při běsnění contestových stanic. Já nezávodím, zajímají mě jen DXy a stejně nevím, jak bych mohl při contestu prokázat relevantní vliv tak malé diference. Já vím, že jednodecibelový rozdíl je za určitých podmínek natolik podstatný, abyste zrealizovali či nezrealizovali DX spojení na některém z digimódů, např. JT65. Je mi jasné, že celá žada stanic dělá digimódy s velkou šířkou pásma na RX a silné stanice jim cvičí s AGC v desítkách dB. Pro takové stanice můj článek není určen. Ale jsou stanice, které mají dobrá SDR rádia nebo se naučili s šířkou pásma a AGC dělat. (Jak se s tím dá dělat u laciného rádia uvádím např. tady.) A pak je zajímá rozdíl u dobré a horší antény, který je jen 1.5 dB v hlavním směru vyzařování. Nebudu vás dále napínat. Můj jednodecibelový objev není žádným objevem. Jak jsem řekl, měřit mohu, jen to, co je vlevo - vyzařování v horizontální rovině. Čím, to jsem popsal. Za jakých podmínek, tj. jak jsem se vypořádal s aperturou antény, jak jsem stanovil vzdálenost a dynamický rozsah měření, o tom budu psát. Neumím měřit vyzařování ve vertikální rovině. Zatím. Ale budu do toho investovat. Věřím však rozdílu ve vyzařování na nízkých úhlech, i když bylo stanovené z modelu NEC. Nicméně, prozradím vše. Když jsem se věnoval zemním systémům vertikálů a počtu radiálů, ověřil jsem dvě věci. Že rozdíl mezi jedním a 32 radiály (moje QTH) je asi 1.8 dB a rozdíl mezi 1 a 120 radiály (jen výpočtem) je asi 2.8 dB. Není to mnoho, že? Všechny jiné rozdíly byly vždy chyby směrovosti vertikálů. Moje hypotéza, kterou jsem chtěl ověřit, byla, zda i na zrcadlení fiktivní antény Yagi (tibander) mají vliv vlastnosti země. Já tvrdím, že mají. Stožár se zemním systémem pod anténou Yagi vysílá o cca 1 až 1.5 dB lépe. Rozdíly byly měřitelné. Bohužel, řešení vyzařování antén ve směru k horizontu je jedna z nejobtížnějších úloh. Měření vyzařování je rovněž nákladné a náročné na prostor a rozměry měřících věží. Uspokojivých teorií rovněž není k dispozici dost. A konečně neuspokojily mě ani popisované výsledky ionosférického šíření vln, které vstupují do ionosféry pod nízkým úhlem.
Závěr Jeden známý ham (OK2PFY, Jura z Pístovic), se kterým jsem občas komunikoval na 80 m má mnoho zkušeností jak s provozem, tak s některými anténami. Hlavně však s vlastnostmi QTH. Jednou, při komunikaci na pásmu, vyslovil názor, kterým stanovil pořadí důležitosti mezi věcmi, které mají vliv na DX komunikaci. To pořadí bylo: QTH, anténa, TRX ... Juro, děkuji za tento názor. A jsem přesvědčen, že byl míněn vážně. Přestože jsem se snažil eliminovat celou řadu věcí, které "škodí v QTH", posledním reziduem zůstal zemní systém pod směrovkou. A dělal cca 1.5 dB v hlavním směru vyzařování a možná 5 až 6 dB na nízkých úhlech ... A druhé poděkováni posílám Jerrymu, ok5us, za milé setkání v Českých Budějovicích a jeden námět k článku, který se zrodil v průběhu našeho rozhovoru. Poznámka 2: Když máte anténu v cajku s hlediska směrovosti, budete se divit, jaká DX spojení uděláte i s maličkými výkony. Jako např. toto dnešní ranní: Vidíte, že se houpaly podmínky a signály na pásmu 28 MHz dne 18.10.2013 sílily. A tak jsem si udělal JF1UWH, kterého jsem slyšel -06 dB v první relaci a -03 dB v poslední relaci (horní řádek). Vidíte, že měl GP a jen 5 Wattů. Nebo potvrzení QSL: Věřte, že to nejsou náhody, že DX spojení dělají také stanice s maličkými anténami i maličkými výkony.....
73's Míra, ok1ufc
© 2011 - Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 12.01.2014