další info >>>> | O anténách |  |  |  | Kontakt
Porovnání vyzařování uzemněných a neuzemněných vertikálních antén
.........................................................................................................................................................................................................................................................................................................
Všeobecně Vážení čtenáři, tímto článkem reaguji na několik mailů, které jsou součástí diskuze, resp. ohlasů na můj článek o vertikálech v radioamatérském časopise. Z ohlasů jsem evidentně cítil potřebu můj článek doplnit o další informace, ze kterých by bylo jasné, jaký vliv má dobrá nebo špatná země na čtvrtvlnný vertikál a půlvlnný vertikální dipól. Tedy antény, které se liší určitým principem činnosti a jak uvidíme dále, tak i dávno známou kategorizací na antény uzemněné a neuzemněné. Principielní rozdíly obou antén 1. Čtvrtvlnný vertikál patří do skupiny uzemněných antén. Viz rozdělení, obrázky k tématu na stránce zde. Země dokonce tvoří její důležitou součást, a sice druhé rameno dipólu, které se podílí na vedení proudu z napáječe, který je také spojen se zemí do čtvrtvlnného zářiče. Zemí tedy tečou proudy ze všech směrů k napáječi. Země sama o sobě se nepodílí na vyzařování. Ovlivňuje však vyzařování čtvrtvlnného zářiče. 2. Půlvlnný vertikální dipól je anténa neuzemněná. Země rovněž ovlivňuje vyzařování takového zářiče. Osobně nerad používám název půlvlnný vertikál. Tento název je velice zavádějící a vznikl v minulosti z nepřípustného zjednodušení problematiky půlvlnného vertikálního zářiče v radioamatérské literatuře. Vysvětlení k bodu 2.: I když napájíte půlvlnný zářič na konci a impedanci zvyšujete např. paralelním LC rezonančním obvodem, je pravda, že do antény posíláte maličký proud na vysoké impedanci. Stejný proud však musíte také dostat do země, aby se elektrický obvod uzavřel. Zatímco u čtvrtvlnného vertikálu tečou zemním systémem radiálů velké proudy, zemním systémem na konci napájeného půlvlnného zářiče tečou jen malé proudy. Pokud nemáte na spodním konci takového zářiče protiváhu, viz předchozí odkaz, tj. nevyzařující kapacitu proti zemi nebo čtvrtvlnné symetrické vedení - např. žebříček, který se používá u Single Zeppelin systémů, tečou vám tyto proudy do země kapacitou pláště koaxiálního kabelu. Nijak se jich však nezbavíte. Balunem je nevykompenzujete, ani HF transformátorem. Vždycky se najde maličká kapacita, vznikne maličká nesymetrie, kterou ty proudy do země tečou. Bez ohledu na to, zda to je kapacitou pláště koaxiálu proti zemi, kapacitou skříňky nesymetrického tuneru, atd. Na rozdíl od nesymetrických horizontálních antén, které si nesymetrii zpravidla vždy kompenzují navíc ještě značnou kapacitou ramen proti napáječi. Povrchové proudy od OCF dipólu nám obvykle škodí. U svislých vertkálních půlvlnných zářičů je však přeci jenom rozdíl, protože jedno rameno je nízko nad zemí, druhé výzmamně výše a vůči zemi jde o nesymetrický systém. S takovým zjištěním se však dá žít a lze toho obvykle i využít k exaktně a principielně správnému návrhu vertikální antény. Konstruktéři renomovaných firem (např. Hy Gain) takového principu obvykle využívají ve prospěch takto koncipovaných vertikálních antén. Dělají to např. tak, že půlvlnné zářiče jsou kratší, asi tak 3/8 lambda a protiváhy (counterpoise) jsou kratičké, např. jen jako ta zbývající 1/8 lambda. Tohle není duchařina, ale opravdový inženýring. Ale to už zde vynalézáme vynalezené a popisujeme vertikály Hy Gain, např. vynikající AV-620 nebo AV - 640, což jsou ve skutečnosti vertikální půlvlnné zářiče, napájené mimo střed. Protože mají protiváhu, spodní kapacitní klobouk proti zemi, mají vlastní horní zářič kratší, právě kolem 3/8 lambda. A mají systém se dvěma baluny. Jeden balun transformuje impedanci (1:4) a druhý je proudový balun a stará se o to, aby proudy proti zemi netekly pláštěm napáječe, ale kapacitou klobouku do země. Vliv země na vyzařování vertikálních antén
Čtvrtvlnné antény Čtvrtvlnné vertikály se zemním systémem mají vyzařování závislé na vodivosti zemi. Protože patou v místě napájení tečou velké proudy k napáječi, projevuje se nízká vodivost, tj. velký odpor země zásadním vlivem na účinnosti antény. Aby anténa měla dobrou účinnost, vyžaduje dobrou měděnou zem s desítkami radiálů, ale o tom jsem už psal a psalo o tom mnoho autorů více či méně odborně, více či méně teoreticky a skutečnost dobré země ověřili prakticky. Nikdo z hamů ji nezpochybňuje a většina hamů tuší, že s vertikálem bez radiálů budou mít sice dobře vyzařující, ale málo účinnou anténu. Méně sii již uvědomují, že s kompromisní zemí vůbec nemusí anténu vylepšit na účinnosti, ale dokážou jí pošahat na směrovosti. Nicméně, rozdíl mezi anténou s průměrnou a dobrou zemí lze namalovat do obrázku vpravo. Všimněte si rozdílu v zisku na maximu vyzařování (mezi 20° a 30° elevace) a rozdílu ve vyzařování směrem k horizontu. Dobrý čtvrtvlnný vertikál tedy není jednoduchou a na prostor nenáročnou anténou. Diagram, který jsem zde použil z mého archivu patří vertikálu pro 30m a je z doby, kdy jsem se snažil matematicky definovat model zemního systému tak, aby odpovídalo vypočtené vyzařování v NEC praktické skutečnosti. |
Půlvlnné svislé zářiče Půlvlnné svislé zářiče a jejich vyzařování jsem v článcích na tomto webu také popsal. Jsou to antény neuzemněné, proto jim neříkám vertikály. Pokud je napájíme na konci, musíme protiváhou nebo kapacitou napáječe proti zemi dovést do místa antény proud. Ovšem proud maličký, který nám ztráty zvýší jen nepatrně. Sice nám přibudou ztráty přizpůsobením, tzv. match-loss, ale i o těch jsem psal na tomto webu a uvedl jsem, jak je lze počítat a řešit. Vlastnosti země se však také podílí na vyzařování takové antény. Poměrně zásadně. Vpravo je diagram, který ukazuje rozdíl ve vyzařování, pokud je země více či méně vodivá. Jde o diagram, který si snadno namodelujete v NEC, stačí zadat rozdílné hodnoty vodivosti. Modrá čára odpovídá půlvlnnému zářiči nízko nad vodivou zemí. Červená čára nad horší, méně vodivou zemí. Černá čára je čára čtvrtvlnného vertikálu se špatným zemním systémem a je na obrázku uvedena pro srovnání. Pokud jste dočetli až sem, přečtěte si také text vedle posledního obrázku na této stránce. Toto, co je zde uvedeno, to je opravdu pouhá, velice zjednodušená teorie. Pro získání představy užitečná, ale realita může být jiná. |
Půlvlnné zářiče s protiváhou Jsou použité např. u HY Gain AV-640, AV-620. Konstruktér zvolil horní zářič dlouhý 3/8 lambda a krátkou protiváhu. Dokázal zrealizovat beztrapovou anténu typu vertikální zářič s krátkou protiváhou, kterou lze pomocí symetrických kovových vedení přizpůsobit na mnoha pásmech. A skutečně to funguje. Na obrázku vpravo uvádím, jak vyzařují nepatrně zkrácené vertikální antény v porovnání s půlvlnným a čtvrtvlnným zářičem. V křivkách se určitě vyznáte. Černá je čtvrtvlnný vertikál se špatnou zemí, modrá je vertikál 3/8 lambda s protiváhou, červená je vertikální půlvlnný zářič. Z diagramu vidíte, že zkrácené vertikální antény nepředstavují až tak těžký kompromis, jak se mnozí domnívají. Při seriózním srovnávání, např. s LW anténou, L anténou na pásmu by si však měli hamové umět odpovědět na otázku, proč se jim často zdá vertikál horší a přijít na vysvětlení a odpověď. Osobně jsem si ověřil u několika hamů, kteří měli možnost srovnat prototypy mého Compactu 80/40/30 např. s GAP Titan DX nebo vertikální drátovku G7FEK a následně subjektivně hodnotili, jak moc je ovlivnilo, když měli anténu s ostrým minimem nad hlavou a nebo kompromisní L, která toto minimum potlačila jen na nějakých 10 dB nebo i méně. Mohu potvrdit, že je zde uvedené antény skutečně dokázaly "oklamat", protože v okamžiku srovnávání jednoduše nebyly podmínky takové, aby využili extrémního vyzařování směrem k horizontu. |
Reálný vliv země Bohužel, i na neuzemněné vertikální antény mají reálné vlastnosti země obrovský vliv. Problematice se věnuji nejen já, amatérsky na mém skromném pracovišti, ale věnuje se takové problematice také několik akademických pracovišť, které jsou určitě mnohem dál než já. Snažím se pracovat s různými modely reálné země, které více odpovídají skutečnosti. Podrobnosti nejsou předmětem tohoto článku, vydaly by spíš na knihu, než na článek. Zde má však smysl uvést alespoň příklad dvou výsledků. Ve stejném druhu diagramů je ve V rovině srovnáno vyzařování jedné stejné OCF vertikální antény nad dvěma různými modely země (dvě různá QTH) a vyzařování čtvrtvlnného vertikálu s nedobrým zemním systémem. Nad reálným zemním systémem se ani v jednom případě anténa nezrcadlí jako nad ideální zemí. Obě konkrétní QTH neměla mnoho bariér směrem k horizontu a tak vidíte, že se vyzařování na nízkém úhlu rozběhlo jako u antén s velice vodivou zemí. Všimněte si také, že tvar diagramu sleduje tvar ideálního čtvrtvlnného zářiče. Protože v obou případech zem byla dost komplikovaná, je i vyzařovací diagram rozsekán do mnoha laloků. Všimněte si také, že laloky svými minimy jen ojediněle a až na vyšších úhlech zasahují do diagramu nedobrého vertikálu. V případech komplikované země je vždy problémem validace NEC modelu a všech algoritmů. Z mých dosavadních zkušeností však plyne, že nadzemní půlvlnné vertikální antény nejsou horší než čtvrtvlnné, a to zpravidla ani při přirozeném a komplikovaném zemním systému, který jsme navíc nenavrhovali, který prostě v místě našeho QTH byl. |
Závěr Osobně považuji čtvrtvlnný vertikál za neobyčejně náročnou anténu na prostor a zemní systém je pro dobrý výsledek důležitý. Půlvlnné antény nepovažuji za nepřijatelný kompromis. Jsou to dobré a účinné antény, které při správné realizaci, tj. při vhodné výšce, která odpovídá jejich kratičké protiváze (dolnímu klobouku) podají obdivuhodné výsledky. Jsou však méně náročné na prostor, na investice i na parametry země pod anténou. Takové antény od známých a dobrých výrobců jsou skutečná mistrovská dílka. Jednopásmové OCF vertikální antény jsou vhodné i pro amatérskou stavbu a často nám mohou pro DX práci pomoci levně vykrýt např. doma chybějící pásmo, bez kterého se nedá žít. V článku je popsána zkrácená jednopásmová anténa Hy Gain se dvěma klobouky. Vhodným zkrácením se konstruktérům zadařilo navrhnout anténu s menší šířkou pásma a menšími rozměry, která má vyzařování nepatrně lepší, než zbytečně kmitočtově široká čtvrtvlnná anténa nekrácených rozměrů s průměrnou či lepší zemí. A je to dané fyzikou a pochopením principů.
.........................................................................................................................................................................................................................................................................................................
© 2011 - 2013 Věra Šídlová a Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 21.08.2014