JAK NA VKV ANTÉNY

pro posluchače

Radioamatéři pro příjem nebo vysílání na krátkých a velmi krátkých vlnách většinou používají laděné antény. Základní typ laděné antény je dipól (viz obr. 1). Je složen ze dvou vodičů položených v jedné přímce. Každý vodič má délku přibližně λ/4, celá anténa je dlouhá λ/2. Rozložení vf napětí a proudu do antény indukovaného je naznačeno na obrázku. U každé antény je důležité znát alespoň, jak mnoho energie v určitém elektromagnetickém poli přijme a dodá přijímači (případně dodané z vysílače vyzáří), jaký má směrový charakter, jakou má impedanci a pro jakou šířku pásma je použitelná. Je mnoho různých druhů antén, používaných radioamatéry pro příjem a vysílání. Popsat všechny by znamenalo příliš rozšířit tento, již tak dlouhý článek, lépe bude ostatní typy popsat v dalších dílech. Považoval jsem ale za nutné dát zde spolehlivý popis základních dipólových antén (všechny ostatní typy jsou z nich odvozené) případně i antén typu Yagi, které amatéru výborně poslouží svou jednoduchostí a snadností zhotovení.

Ze znalostí těchto vlastností antény se můžeme rozhodnout pro určitý druh, který je pro nás nejvhodnější. V dalším si probereme nejpoužívanější antény, jejich vlastnosti a snadnými výpočty se naučíme tyto antény navrhovat.

JEDNODUCHÝ DIPÓL

Obr. 1 – Dipólová anténa

Nejdůležitější anténou pro krátké a velmi krátké vlny je dipól. Délka dipólu pro vyladěný stav je poněkud menší než λ/2. Délka se volí 0,95* λ/2. Vzdálenost obou půlek dipólu má být pokud možno malá a ne větší než 1/50 λ. Tloušťka drátu nebo tyče dipólu řídí šíři pásma. Čím je průměr použité trubky větší, tím větší je šířka pásma, kterou anténa přijímá nebo vysílá. Tak na příklad pro 200 MHz je při průměru trubky 8 mm šíře pásma asi 10 MHz. Impedance dipólu je přibližně 75 ohmů. To znamená, že kabel s impedancí 75 ohmů se může k anténě připojit přímo. Pro připojení souosého kabelu, který je vůči zemi nesymetrický (zatím co dipól je symetrický) se provede připojení podle obrázku 2.

Obr. 2 – Přizpůsobení dipólu na souosý kabel.

Na svorky dipólu se připojí jak přívodní kabel, tak i kus téhož kabelu o délce λ/4, který je na druhém konci spojen nakrátko. Jsou ale i jiné způsoby, jak připojit souosý kabel k symetrické anténě, ale popsaný způsob je pro svoji jednoduchost pro amatéra nejsnadnější.

Je-li pole vysílače, jehož signál chceme přijímat, vertikálně polarizované (převážná většina ručních a automobilních stanic), montuje se dipól svisle. V tom případě je příjem ve všech směrech podél zemského povrchu stejný a anténa má kruhový vyzařovací diagram. Je-li přijímané pole horizontálně polarizované, upevní se dipól horizontálně a kolmo ve směru k vysílači. Tato okolnost je všem čtenářům dobře známá ze zkušeností s televizními anténami. Dipól je necitlivý na pole přicházející ve směru jeho osy. Směrový diagram dipólu je na obrázku 3. Jsou to dvě kružnice, kterým dipól tvoří společnou tečnu.

Obr. 3 – Směrová charakteristika dipólové antény.

Vždy bude naší snahou umístit anténu pokud možno vysoko nad terénem proto, aby příjem byl co nejsilnější. Anténa je tedy v některých případech vzdálena od přijímače až několik vlnových délek. Aby energie zachycená anténou byla přenesena do přijímače (nebo z vysílače do antény) propojí se kvalitním vysokofrekvenčním kabelem. Tento kabel musí být svou impedancí přizpůsoben k impedanci antény. Impedance souosého kabelu je dostatečně známa, dle jeho označení, například nejpoužívanější (pro KV až do VKV) je kabel RG58. Jelikož kabely jsou obsáhlejší téma, budeme se jim ještě věnovat později.

SLOŽENÝ DIPÓL

je znázorněn na obrázku 4. Délka antény je táž, jako u jednoduchého dipólu Též pro sílu trubky a mezeru c platí totéž, co bylo řečeno u dipólu. Vzdálenost trubek nemá být větší než 0,05 λ. Impedance této antény je čtyřikrát větší než jednoduchého dipólu, tj. 300 ohmů. Může se proto přímo připojit na dvojlinku s impedancí 300 ohmů. Také jeho směrový diagram je tentýž. Může být proveden s kulatými konci nebo i obdélníkového tvaru. Složený dipól má dvě velké výhody oproti jednoduchému dipólu:

a) Dá se provést s různou impedancí. Impedance se mění změnou síly trubek a jejich vzdáleností

b)k připevnění není třeba izolačních pouzder či držáků. Anténa se uchytí v bodě A na stožár. V tomto bodě není žádné vf napětí a anténa může být vodivě spojena se zemí a tak je celý přijímač chráněn proti účinkům atmosférické elektřiny.

Obr. 4 – Složený dipól.

Prvá výhoda je zvlášť cenná, když se k dipólu připojí parazitní elementy. jako reflektory a direktory, jak o tom bude řeč později. V těchto případech klesá impedance antény dosti značně a může klesnout až na několik ohmů. Tak nízká impedance se hůře přizpůsobuje na vedení s vyšší impedancí, a proto se zde použije s výhodou možností složeného dipólu.

Obr. 5 – Nomogram pro výpočet impedance složeného dipólu pro silnější vodič nepřerušený.

Obr. 6 – Nomogram pro výpočet impedance složeného dipólu pro slabší vodič nepřerušený.

Návrh složeného dipólu s určitou impedancí usnadní nomogram na obrázku 5. Slabší trubka o průměru d₁ je uprostřed přeříznuta pro přívod anténního svodu, silnější trubka je v celku a má průměr d₂. Vzdálenost os trubek označme D. Na rozměrech spojek trubek na konci dipólu celkem nezáleží. N je číslo, kterým musíme násobit impedanci jednoduchého dipólu, abychom dostali impedanci složeného dipólu. Příklad použití nomogramu bude proveden později, až při výkladu antén složitých. Je-li zapotřebí naopak impedanci snížit, použije se silnější trubka na straně anténního přívodu a nomogram znázorněný na obrázku 6.

DVOJITĚ SKLÁDANÝ DIPÓL.

Sníží-li parazitní elementy značně impedanci antény a rozměry jednoduše složeného dipólu jsou již nepříznivé (t. j. velký průměr silné trubky a malá vzdálenost D), použije se dvojitě složený dipól podle obrázku 6. Tato anténa při stejném průměru trubek má již devětkrát větší impedanci než jednoduchý dipól, t. j. 675 ohmů. Nomogram na obrázku 7 umožní lehký výpočet impedance pro různé průměry trubek a jejich vzdálenosti.

Obr. 7 – Nomogram pro výpočet impedance dvojitě složeného dipólu.

ANTÉNY YAGI.

Zvlášť výhodné pro svoji jednoduchost a zisk jsou antény typu Yagi. Jsou složeny z jednoho zářiče, jednoho reflektoru a několika direktorů. Zářič je vlastní dipólová anténa, spojená s přijímačem (či vysílačem). Ostatní části se nazývají parazitní elementy a nejsou nikam připojeny. Mohou být ve svých středech spojeny s nosnou konstrukcí, a tím i uzemněny. Na jedné straně zářiče je reflektor a na druhé straně směrem k vysílači je řada direktorů. Každý parazitní prvek zmenšuje impedanci antény a zvyšuje zisk a směrovost. Zvyšujeme-li počet parazitních prvků nad 10, není již přínos dalších členů tak velký, aby ospravedlňoval náklad na ně věnovaný. Proto je zřídka vidět antény Yagi s větším počtem prvků. Pro konstrukci antény Yagi je důležité znát délky jednotlivých členů, jejich vzájemnou vzdálenost a impedanci antény. Jelikož to jsou hodnoty experimentálně stanovené, liší se v literatuře uváděné údaje někdy dost značně.

Je proto výhodné použít jako zářiče složeného dipólu a zkusmo vzdálenost D, t. j. vzdálenost obou trubek nastavit tak, aby anténa byla svou impedancí řádně přizpůsobena k anténnímu svodu. V následující tabulce, převzaté z příručky v odkaze na literaturu, jsou veškerá potřebná data ke konstrukci antén typu Yagi. V prvém sloupci je druh antény. R značí reflektor, Z zářič, D1 až D8 direktory. Ve druhém sloupci je zisk antény oproti jednoduchému dipólu ve směru nejsilnějšího příjmu. V třetím sloupci je číslo, kterým se násobí impedance použitého zářiče, abychom vypočetli impedanci antény Yagi. Dále je udána délka l a vzdálenost reflektoru od zářiče ve vlnové délce. V dalších sloupcích jsou délky jednotlivých direktorů a jejich vzdálenosti od předcházejícího členu.

Obr. 8 – příklad návrhu antény Yagi.

K lepšímu pochopení si ukážeme příklad návrhu antény se čtyřmi direktory pro kmitočet 600 MHz, tedy pro vlnovou délku λ = 1 metr (viz obrázek 8). Délka zářiče je 475 mm, reflektoru 500 mm, prvního direktoru 455 mm, druhého 435 mm, třetího 420 mm, čtvrtého 405 mm. Vzdálenost reflektor – zářič 150 mm, zářič – 1. direktor 100 mm, 1. direktor – 2 direktor 100 mm, 2. direktor – 3. direktor 100 mm, 3. direktor – 4. direktor 100 mm. Použijeme-li jako zářiče jednoduchého dipólu, je impedance antény 0,06 x 75 ohmů = 4,5 ohmu, při složeném dipólu je impedance 0,06 x 300 = 18 ohmů a při dvojitě složeném je 0,06 x 675 = 50 ohmů, což již plně vyhovuje pro připojení souosého kabelu s impedancí 50 ohmů.

Tabulka k výpočtu antén Yagi.

SOUOSÝ KABEL

Vzhledem k tomu, že téma kabelů k anténám je dosti zajímavé, vkládám zde  ještě další kapitolu.

Obr. 8 – vzhled různých souosých kabelů

Souosý (koaxiální) kabel byl vyvinut na počátku minulého století pro použití v trans-atlantické podmořské telegrafii, a počátkem třicátých let byl upraven pro použití ve vysokofrekvenční radiotechnice.

V současné době je produkují stovky různých firem. V amatérské praxi se zpravidla používá souosý kabel s vlastní impedancí 50 ohmů. Skládá se ze středního měděného vodiče nebo lanka obklopeného vrstvou dielektrika na kterém je měděné opletení (druhý vodič) a konečně ochranný plášť z plastu, který chrání kabel před negativními vlivy prostředí.

Obr. 9 – sestava souosého kabelu

Obr. 10 – Souosý kabel v řezu.

Výpočet impedance souosého kabelu

Výpočet kapacity souosého kabelu

Výpočet indukčnosti souosého kabelu

Abych vám umožnil alespoň částečný přehled o souosých kabelech, uvádím zde jednoduchou tabulku s nejčastěji se vyskytujícími kabely s hodnotami útlumu v dB/100 m pro jednotlivá amatérská pásma od 1,85 MHz do 1 296 MHz.

Příklad: 100 metrů kabelu H-2000 flex má na pásmu 145 MHz útlum signálu 4,73 dB.

Poloměr ohybu je udán v mm.

===========================================

Dalším zajímavým tématem jsou svislé, čili vertikální antény. Těm se budeme věnovat v dalším pokračování tohoto „traktátu“.

Téměř celé toto povídání bylo zpracováno podle knihy Ing. Miroslav PETR, Superreakční přijímače.