Vertikální anténa Kinstar

U vertikálních antén pro nižší krátkovlnná pásma (160 a 80 m) bývá největším problémem vedle rozsáhlé zemní sítě vlastní fyzická výška zářiče. Proto bývají antény pro tato pásma velmi často zkracovány, zpravidla na úkor účinnosti a šířky pásma vzhledem k přizpůsobení. Obvyklé způsoby zkracování, tedy cívkou, případně kompenzačním členem v patě zářiče, cívkou nebo lineárním úsekem v libovolné části zářiče, zastupujícím indukčnost či kapacitní zátěží (kloboukem) způsobují právě takové nežádoucí ovlivnění impedančních a často také i vyzařovacích vlastností antény. I když se dlouhá léta zdálo, že vertikální zářič nelze zkrátit jinými způsoby, než uvedenými, objevila se v roce 2003 novinka, dovolující zcela jiný pohled na věc.

Anténa Kinstar představuje nové, patentované řešení [1] zkrácené vertikální antény, určené pro středovlnné AM vysílače. Autorem patentu je Dr. James K. Breakall z univerzity v Pennsylvanii. Vzhledem ke svým vlastnostem by tato anténa mohla být inspirací ke vzniku zcela nového typu vertikální antény pro pásma 160 a 80 m, která i při snížení výšky na pouhých 25% čtvrtvlnné vertikální antény dosahuje kolem 98% účinnosti tohoto čtvrtvlnného plnorozměrného zářiče.

Anténa Kinstar je typicky 0,05 lambda vysoká a zabírá průměr 0,4 lambda. Je tvořena zpravidla 4 vodiči, ohnutými do tvaru písmene L (obr. 1). Rozměry, uvedené náčrtku, již odpovídají pásmu 160 m (1825 kHz).

Obr. 1. Schematický náčrtek antény Kinstar pro 160 m

U prototypu antény, zkoušeného na 1680 kHz na měřicím poli stanice WS2XTR Star-H Corporation a Kintronic Laboratories Inc. poblíž Evergreen Hills, VA, byly jednotlivé části zářiče konstruovány z hliníkového lanka o průměru 11,4 mm (obr. 2).

Obr. 2. Prototyp antény Kinstar pro 1680 kHz

Konstrukce antény je dobře patrná z fotografie na obr. 2. Dřevěný střední podpěrný sloup nese všechny 4 části zářiče jejichž zbývající konce jsou opět upevněny k podpěrným sloupům.

Optimálních vyzařovacích vlastností je dosaženo úpravou napájení. Všechny 4 vodiče jsou napájeny pomocí fázovacích úseků, zajišťujících fázový posuv o 31,9^o. U prototypu byly použity fázovací úseky, zhotoveného z kabelu s trubkovým vnějším vodičem o průměru 7/8" (22,2 mm) typu LCF 78-50J firmy Cablewave Systems. Detail napájení dvou částí zářiče ukazuje obr. 3.

Obr. 3. Detail napájení dvou částí zářiče antény Kinstar

Na obrázcích jsou kromě připojených fázovacích úseků také dobře vidět napínací šrouby a laminátový tyčový izolátor.

Schématický náčrtek napájení antény ukazuje obr. 4. Připojením k zemi se rozumí připojení k zemnímu systému radiálů, který byl u prototypu tvořen 120 paprsky délky 44,5 m (pro 1680 kHz), tedy odpovídajícími lambda/4. Pro 160 m by odpovídající délka byla přibližně 41 m.

Obr. 4. Schématický náčrtek napájení antény Kinstar

Výsledky byly srovnávány na stejném měřicím poli, kde byl postaven čtvrtvlnný monopól. K měření byl použit vysílač, jehož výkon byl nastaven na 250 W a anténa byla přizpůsobena pomocí T-článku. Na obr. 5 jsou uvedeny výsledky srovnávacího měření intenzity pole v různých vzdálenostech od antény v náhodně zvoleném azimutu 30o. Do výsledků byly zahrnuty i změny vodivosti půdy v různých vzdálenostech od antény. Horní, téměř lineární závislost odpovídá referenčnímu monopólu, u něhož byla ve vzdálenosti 1 km od antény naměřena intenzita 153 mV/m (závislost samozřejmě není lineární, je třeba vzít v úvahu nelineární stupnici grafu). Dolní křivka odpovídá anténě Kinstar, navazující úseky dobře znázorňují pokles intenzity pole, způsobený zhoršením vodivosti půdy. Podrobnosti měření jsou uvedeny ve zprávě firma Kinstar [2].

Obr. 5. Srovnávací měření síly pole, vytvářeného referenčním čtvrtvlnným monopólem a anténou Kinstar

Anténa byla dle vzorku pro 1680 kHz přepočítána (škálována) na 1825 kHz a analyzována pomocí momentové metody programem NEC-2. Analýza plně potvrdila závěry, obsažené ve zprávě firmy Kinstar. Obr. 6 a 7 ukazují minimální rozdíly v zisku i vyzařovacím úhlu srovnávacího čtvrtvlnného monopólu a antény Kinstar, zhotovené z měděného vodiče bez izolace o průměru 3 mm.

Obr. 6. Srovnání vyzařovacích diagramů referenčního čtvrtvlnného monopólu a antény Kinstar ve vertikální rovině

Obr. 7. Srovnání vyzařovacích diagramů referenčního čtvrtvlnného monopólu a antény Kinstar v horizontální rovině

Srovnání bylo provedeno u antén s perfektní zemí, v případě reálné země se zemním systémem by byly rozdíly podobné. Uvážíme-li, že místo, které anténa zabírá, je v optimálním případě dáno plochou kruhu, tvořeného radiálními paprsky a anténa Kinstar je celá instalována uvnitř tohoto kruhu a její výška je přibližně čtvrtinou výšky srovnávací čtvrtvlnné antény, jsou tyto výsledky skutečně pozoruhodné.

Impedanční poměry antény Kinstar jsou uvedeny ve Smithově diagramu na obr. 8. Kmitočtovou závislost ČSV, resp. koeficientu odrazu ukazuje obr. 9. Oba obrázky popisují anténu bez jakéhokoli přizpůsobovacího členu, tedy napájecí kabel je přímo připojen do místa, kde jsou spojeny všechny čtyři fázovací úseky.

Obr. 8. Impedanční poměry antény Kinstar, znázorněné ve Smithově diagramu

Obr. 9. Kmitočtová závislost ČSV, resp. koeficientu odrazu antény Kinstar

Přizpůsobení antény lze zajistit nejen pomocí T-článku, jak bylo uvedeno v původní zprávě firmy Kinstar, ale je možné použít rovněž pí nebo L-článek. Vzhledem k charakteru impedance je možné použít obvody jak v konfiguraci dolní, tak i horní propusti. Výchozí hodnoty přizpůsobovacích článků jsou uvedeny na obr. 10.

Obr. 10. Výchozí hodnoty přizpůsobovacích článků pro napájení antény Kinstar

Praktické hodnoty prvků přizpůsobovacího článku se mohou i značně lišit od hodnot, uvedených na obr. 10. Impedance antény v napájecím bodě je totiž ovlivněna vlastnostmi použitého zemního systému a vodivostí půdy. V každém případě bude při praktické realizaci antény nutné sejmout kmitočtovou závislost ČSV podobně, jako na obr. 9. Tato závislost prozradí mnohé o kvalitě zemního systému a celkové účinnosti antény, příliš plochá křivka napovídá, že zemní systém je nekvalitní a bude nutné jej zlepšit.

Anténu jsem dosud prakticky nevyzkoušel, neboť se nepodařilo najít vhodné místo k umístění celkem 5 podpěrných sloupů. Rozhodně zajímavé by bylo zkonstruovat tuto anténu pro pásmo 80 m, kde by její výška byla přibližně 6,5 m. Anténa Kinstar bude i vhodným námětem k experimentování, za vyzkoušení by stálo např. použít sešikmené horizontální části a tím se vyhnout nutnosti použít 4 podpěry na koncích části zářiče. Za pokus by stálo i zkracování horizontálních částí s jejich případným elektrickým prodlužováním pomocí kapacitního zatížení, je však nutné počítat s poklesem účinnosti antény.

Zdroj http://www.c-a-v.com/e107_plugins/content/content.php?content.166

Autor článku OK1RR

Literatura:
[1] Breakall; James K. (Port Matilda, PA): Low profile antenna, U.S. Pat. 6580398
[2] Breakall; James K., Jacobs; Michael W., King; Thomas F., Resnick; Alfred E.: Testing Results of the Low-Profile Kinstar AM Broadcast Antenna