KOLDOKOLA KOLEM ANTÉN

DOTAZY A ODPOVĚDI

Úvodem: k čemu to je?

Anténa je duší každého amatérského vysílače. Na ní a na možno říci hlavně na ní záleží, co se svým vysílačem amatér dokáže. Hlavně tam, kde se pracuje s malým výkonem, jako u QRP. Proto je třeba výběru a zhotovení antény věnovat největší péči. Bylo kdysi raženo heslo: „Amatér neexperimentuje s vysílači, ale s anténami. V našem hobby snad není pravdivějšího zákona.

Vyložte činnost vysílací antény.

Vysílací anténa je důležitou součástí vysílače, pro nějž je vlastně spotřebičem vysokofrekvenční energie, která se spotřebuje jednak vyzářením a jednak tepelnými ztrátami ve vodiči a v okolních předmětech. Unikáním energie z antény do prostoru a ztrátami nastává pro zdroj odběr energie (ztráta) který můžeme přirovnat ke ztrátě, vznikající průchodem elektřiny odporem. Tento odpor nazýváme vyzařovacím odporem.  Dobrá anténa vyzáří více než 90% vf energie do prostoru.

Anténa se chová podobně jako kmitavý obvod s indukčností a kapacitou. Obě tyto složky jsou rozděleny po celé délce antény. Pro kondenzátor je dielektrikem vzduch a druhým polepem je zemský povrch. Nejvýhodnější výška antény je asi polovina délky vlny nebo násobek této poloviny. Velikostí vlastní kapacity a indukčnosti antény je určena i její vlastní vlnová délka, pro niž je v rezonanci. Je-li i vysílač vyladěn na rezonanční kmitočet antény, bude anténa vyzařovat nejúčinněji. U přijímačů není vlnová délka antény tolik podstatná. Anténu samozřejmě můžeme rozkmitat i na harmonických kmitočtech.

Jak by jste definoval vyzařovací odpor antény?

Vyzařovací odpor antény je ohmický odpor, který by musela mít anténa, aby se v něm ztratilo tolik energie, kolik jí anténa vyzáří. Ve skutečnosti je nutno k vyzařovacímu odporu přičíst ještě ztráty jako nedokonalost dielektrika komem antény, unikání vf energie indukcí do blízkých vodivých předmětů, nedokonalost uzemnění, znečistěné izolátory, skin efekt, vliv výšky antény nad zemí a podobně.

Jaké antenní systémy užívají amatéři vysílači?

U krátkovlnných vysílačů se pro dobrou účinnost používají takové anténní systémy, na kterých vzniká tak zvané stojaté vlnění, tedy když vlnění postupuje ke konci antény, kde se odrazí a vrací zpět, při čemž se skládá s vlněním postupujícím původním směrem. Toto stojaté vlnění může vzniknout jen tehdy, když je délka zářiče stejná jako polovina délky vysílané vlny, nebo jejímu násobku. Na začátku a na konci zářiče musí být vždy uzel proudu. Uzly napětí jsou od uzlů proudu fázově posunuty o ¼ délky vlny. T.j. v bodě uzlu proudu bude zároveň kmitna napětí. Na následujícím obrázku je znázorněno rozdělení proudu a napětí na půlvlnné anténě a při celovlnné anténě, tedy takové, jejiž délka je rovna polovině nebo celé délce vysílané vlny.

Dá se změnit rezonance antény také jinak, než zkracováním či prodlužováním drátu?

Přidáním kondenzátoru k zářiči zkrátíme elektricky jeho délku, stejně jako přidáním cívky jej prodloužíme. Elektrická délka antény v metrech je vždy poněkud větší než skutečná, fyzikální délka, pro její kapacitu k okolí (až asi o 5%).

Jaký je rozdíl mezi anténou a zářičem (radiátorem)?

Vysílací anténou nazýváme zařízení sloužící k účinnému vyzáření vf energie do prostoru. Část tohoto anténního zařízení, určená k vyzařování vf energie se nazývá zářič, nebo také radiátor, a vedení, kterým je vysokofrekvenční energie do radiátoru přiváděna se nazývá napáječ, také feeder. Podle provedení zářiče, jeho délky a způsobu napájení pak amatéři rozlišují jednotlivé typy vysílacích antén.

Vyjmenujte několik takových typů antén.

Na krátkých vlnách se nejvíce užívá Hertzova anténa, což je každá půlvlnná anténa bez ohledu na způsob napájení, i když s ní pracujeme na násobcích půlvln. Pro rozlišení ji pak nazýváme podle způsobů napájení. Například anténa Fuchs, která je napájena přímo na začátku, Windom, napájená asi ve třetině své délky, Zeppelin, napájená napětím na začátku dvoudrátovým laděným napáječem, jehož jeden vodič končí naslepo, dipól je napájen v kmitně proudu, skládané dipóly (folded dipole), jejichž vstupní impedance závisí na počtu vyzařovacích prvků atd. Na velmi krátkých vlnách se používají různé směrové soustavy nebo antény s přizpůsobovacími úseky napáječů, jako na příklad J-anténa, což je svislá půlvlnná anténa s přizpůsobovacím úsekem, Q-Anténa se čtvrtvlnným přizpůsobovacím úsekem a malou impedancí, atd.

Co je to impedance antény?

Impedance značí odpor, který klade vodič nebo vůbec nějaká soustava střídavému proudu (podrobněji viz samostatný článek IMPEDANCE ANTÉNY). Z předminulého obrázku je zřejmé, že však při stojatém vlnění v každém bodě antény má proud i napětí jinou hodnotu, a je proto třeba vypočítat impedanci pro každý bod antény zvlášť. Vypočítá se prostým dělením napětí proudem, která jsou v určitém žádaném bodě na anténě (za předpokladu, že anténa je v rezonanci a že není třeba uvažovat kapacitní a induktivní část odporu). Poněvadž na koncích Hertzových antén je proud nepatrný a napětí veliké, bude impedance na koncích také velká (u půlvlnné antény zavěšené ve volném prostoru asi 2 400 ohmů) a uprostřed antény, kde je tomu obráceně, bude impedance nejmenší (asi 73 ohmů).

Proč potřebujeme znát impedanci antény v jejich různých bodech?

Výstupní obvod vysílače odevzdá nejvíce energie anténě tehdy, bude-li jeho odpor přibližně stejný jako odpor antény. Odpor výstupního obvodu vysílače bývá kolem 600 ohmů a proto je nutno nalézt na anténě takové místo, v němž je impedance také kolem 600 ohmů a do něj vf výkon přivést. (U Hertzovy antény je to asi v 1/7 její délky od středu.) Budeme-li s touto anténou pracovat také na vyšších harmonických, zjistíme výpočtem, že bod připojení se poněkud odchýlí od původní polohy. Amatéři proto při stavbě užívají průměr mezi těmito body. Účinnost sice poněkud poklesne, zato však anténa pracuje na více pásmech lépe, než kdyby tohoto průměru nebylo použito. Jsou to například antény Windom.

Napaječe jsou tedy důležitou částí antén. Co byste o nich řekl?

Úkolem každého napájecího zařízení je přivést výkon z vysílače s nejmenšími ztrátami do zářiče. Napáječe mohou být buď laděné, na nichž také vzniká stojaté vlnění, nebo neladěné, na nichž naopak stojaté vlny nejsou žádoucí. Stojaté vlny vznikají tehdy, má-li napáječ délku rezonující s přenášeným kmitočtem a je proto jej zapotřebí na začátku vysílání vyladit do rezonance, obvykle kombinací cívky a otočného kondenzátoru. Cívka slouží zároveň jako vazební člen s vysílačem. Přesto že napáječe dolaďujeme, je žádoucí, aby jejich délka nebyla o mnoho odlišná od rezonanční délky. Připojíme-li napáječe na začátek antény, nebo vůbec v kmitně napětí, musí být ukončeny velkou impedancí, tedy také kmitnou napětí. Říkáme tomu, že anténa je buzena napětím. Bude tedy třeba, aby byly laděny paralelním obvodem (ladicí prvky jsou zapojeny mezi vodiče), který v nich vyvolá rezonanci. Kmitna napětí na nich bude také v každé vzdálenosti poloviny délky vlny. Naopak, budou-li připojeny vprostřed půlvlnné antény (nebo v jiné kmitně proudu u delších antén), musí být ukončeny nízkou impedancí, musí mít tedy na koncích kmitnu proudu a proto se ladí obvodem v sérii s nimi, t.j. ladicí prvky zapojíme do každého vodiče. Ladicí obvod také vyrovná případné menší odchylky v délce napáječů. Cívka poslouží zároveň jako vazební člen (induktivní vazba) s vysílačem. Vážeme ji s vysílačem vždy v místě nízkého vf napětí, t.j. na studeném konci cívky, nebo v jejím středu, pokud máme souměrný ladicí obvod, aby byla snížena možnost kapacitní vazby a tím přenosu harmonických kmitočtů. Vodiče bývají od sebe vzdáleny 1/200 délky vlny (v praxi obvykle asi 15 cm) a jejich vzdálenost je zajištěna izolačními rozpěrkami.

Na napáječích, rezonujících s přenášeným kmitočtem, vzniká stojaté vlnění, které budí další stojaté vlnění v zářiči. Jak se však vybudí zářič napáječem, který není nijak vyladěn?

Každé vedení má určitou impedanci, závisející na rozměrech vedení a na vzájemné vzdálenosti vodičů. Odpor velmi dlouhého vedení by zcela strávil přiváděný proud, takže by nemohly nastávat odrazy kmitů a tím ani stojaté vlnění. Přidáme-li tedy k určitému vedení odpor takové impedance, aby se celek rovnal impedanci velmi dlouhého vedení, vznikne tak neladěné napájecí vedení, na němž vzniká jen postupné vlnění, které nevyzařuje. Jako neladěná vedení se nejčastěji používají koaxiální kabely, tedy vodič, vedený v trubce z kovového pletiva. Na tloušťce vodiče, Jeho impedance pak závisí na průměru vodiče, vzdálenosti od trubky a na dielektriku. K zářiči se připojí přesně v bodě, kde se impedance shodují. Pak na tomto kabelu nevzniknou stojaté vlny a vf výkon se do zářiče přenese beze ztrát.

Proč amatéři vysílači nepoužívají pro své antény jen neladěné napáječe, když mohou přenést výkon do zářiče skoro beze ztrát?

Neladěná vedení jsou výhodná jedině pro antény pro určitou, nebo jen málo odlišnou vlnovou délkou, prakticky nejvýše pro jedno pásmo. Protože amatéři obvykle nemají možnost postavit si pro každé pásmo zvláštní anténu, používají takové typy antén, které mohou využít i na harmonických násobcích vlnové délky antény i za cenu větších ztrát v laděných napáječích a přesto že koaxiální kabel může být libovolně dlouhý, může být veden po zdi a podobně. Neladěných napáječů užívají pro vysílání na VKV, kde stavba antén není tak prostorově náročná.

Dalo by se jako neladěný napáječ použít také jen dva vodiče jako u laděných napáječů?

Obyčejné dvoudrátové napáječe (žebříčky) se jako neladěné napáječe dají použít také. Jejich impedance bude mezi 400 – 700 ohmů, takže bude nutno je přizpůsobit k zářiči nějakým vf transformátorem, na příklad úsekem vedení, na jehož koncích bude potřebná impedance, která zabrání vzniku stojatých vln. Při tak zvané transformaci delta se dvoudrátové vedení přizpůsobí tak, že se vzdálenost u konce vedení lichoběžníkově zvětší tak, aby byly připojeny na zářič se vzájemnou vzdáleností, odpovídající požadované impedanci. Vzdálenost se nejlépe určí až při praktických zkouškách, protože hodně závisí na prostředí, v němž je anténa umístěna. Často používaný je také čtvrtvlnný přizpůsobovací úsek. Ovykle ze středu zářiče vedou svisle dva vodiče délky čtvrt vlny a napáječ se na ně připojí v určitém místě odpovídající jejich impedanci. Podobně je sestrojena tak zvaná Q-anténa, kde se neladěný napáječ připojí na konec čtvrtvlnného přizpůsobovacího úseku zvláštních vlastností, zhotoveného z trubek.

Dá se směrovost antén více zdůraznit nebo zesilit?

Směrovost vyzařování antén se dá velmi podstatně zesílit tak zvanými směrovými anténami. Podobně jako světelné vlny je možno odrážet zrcadly, dají se elektromagnetické vlny odrážet reflektory. V přírodě to jsou na příklad moře, jezera, louky, skály prostoupené žilami rud a podobně. Dají se odrážet i uměle, v soustavách směrových antén pomocí tak zvaných reflektorů, tedy buď vodiči podobnými anténě nebo pro velmi krátké vlny kovovým pletivem na způsob světelných parabolických reflektorů. Směrovost antén je možno zdůraznit ještě dalšími přídavnými prvky , tak zvanými direktory, vyzařujícími indukovanou energii směrem od antény.

Vysvětlete podrobněji činnost těchto přídavných prvků.

Když přiblížíme k púlvlnné vysílací anténě rovnoběžně vodič dlouhý přibližně také půl vlny, bude se v něm indukovat určité množství energie z antény a tuto energii opět vyzáří. Tato vyzářená energie se přičte k energii z antény a značně změní původní směrový diagram. Činnost jednoduchého reflektoru si můžeme názorně představit například na svilslé VKV půlvlnné anténě. Když umístíme ve vzdálenosti ¼  délky vlny směrem na jih reflektor z tyčky, dlouhé rovněž půl vlny, pak v okamžiku, kdy poteče anténou proud zdola nahoru, vyzáří zářič na všechny strany rychlostí světla elektromagnetické vlnění. O čtvrtinu kmitu později proud v anténě klesne na nulu a elektromagnetické vlnění dosáhlo vzdálenosti ¼ vlnové délky, tedy také reflektoru. V něm se ihned indukuje proud opačného směru (zhora dolů) a způsobí tak nové elektromagnetické vlnění všemi směry, ale s opačnou fází. Na jih se nyní šíří jednak původní vlna z antény a z reflektoru vlna opačné fáze, čímž se navzájem zruší. V další čtvrtperiodě poteče zářičem proud zhora dolů, zároveň však dorazí k němu vlnění od reflektoru nyní ve stejné fázi, sčítá se s jeho vlněním, takže na sever bude vyzařování značně silnější. Vyzařovací diagram této jednoduché směrové antény bude mít podobu srdce, obráceného širokou stranou k severu a jeho střed bude v ose antény. Složitější antenní soustavy používají kromě zářiče a reflektoru, vzdáleného o 0,15 délky vlny, ještě jeden nebo více direktorů, které se umísťují před zářič s reflektorem ve směru vyzařování a to přibližně vždy o 0,1 délky vlny. Direktory pak zesilují směrovost v nastaveném směru. Reflektor se vůči zářiči používá poněkud delší a naopak direktory se ladí na vyšší než vyzařovaný kmitočet, jsou tedy kratší.

Znáte ještě některé jiné typy směrových antenních soustav?

Kromě dlouhých a skloněných jednodrátových antén, které projevují směrové účinky blíže ke směru osy, ve směru sklonu, používá se ještě mnoho různých typů. Na příklad anténa V se skládá ze dvou vodorovných antén v podobě písmene V. Je velmi výkonná od špičky k širšímu konci. Žebříková anténa je složena ze dvou dlouhých rovnoběžných antén, navzájem posunutých v délkovém směru. Anténa Wje složena z dvou nebo více antén typu V. Kosočtverečná anténa (rhombická) je ze dvou hodně dlouhých skloněných antén, zakončených odpory. Je směrově velmi účinná, avšak potřebuje pro svou délku dostatek prostoru. Tento systém nepracuje se stojatými vlnami a proud v anténě a všech jejich částech stoupá a klesá stejně. Zvláště na VKV se používá ještě mnoho různých a účinných anténních soustav, které ae stoupajícím kmitočtem a tím menšími rozměry umožňují výzkum ve větším měřítku.

Někdy amatéři používají na VKV antény s tak zvaným rukávem. Co je to?

Jde vlastně o svislou půlvlnnou anténu napájenou uprostřed koaxiálním vedením. Horní část radiátoru tvoří tyč o délce čtvrt vlny a dolní polovinu, opět čtvrt vlny dlouhou, tvoří obvykle kovová trubka, jíž prochází kabel, a s nimž je na horním konci spojen jeho vnější obal z pletiva. Vyváží se tak souměrnost anténní soustavy a dosáhne se lepšího účinku než u obyčejné půlvlnné antény.

Dosud jsme vůbec nemluvili o uzemnění. Má při vysílání nějaký význam?

Uzemnění je podstatnou součástí většiny antén. Na dobrém uzemnění závisí i výkon vysílače a antény. Někdy může anténa odebírat víc energie z neuzemněného vysílače než s uzemněním, ale to bývá výjimka. Je pak pravděpodobné, že anténa je umístěna nevhodně nebo že mnoho energie absorbuje nějaký blízký vodivý předmět. V zásadě působí země (kromě doplňku antény) jako reflektor pro vlny vyzářené z antény pod její vodorovnou rovinu a pro vlny odražené.

Co je to protiváha?

Protiváha je obvykla vodič, podobný anténě, nahrazující uzemnění v místech se špatnou vodivostí půdy, nebo kdyby z nějakého důvodu nebylo možno použít uzemnění.

Jak postupujeme při vyladění antény, respektive napáječe?

V zásadě nemá anténa a napáječ podstatně rozlaďovat výstupní obvod vysílače. Nejprve vyladíme vysílač bez antény do rezonance (na nejmenší výchylku měřidla napájecího proudu). Pak připojíme vazební člen antény a zvětšováním vazby najdeme místo, kdy koncovým stupněm protéká předepsaný proud. Změnou kapacity výstupního obvodu se přesvědčíme, že rezonance se podstatně neodchýlila od původní polohy kondenzátoru. Pokud se změní, jedná se o buď příliš těsnou vazbu a tím o nesprávnou délku radiátoru nebo o nesprávný poměr L/C v anténním obvodu. Pokud má napáječ nevhodnou délku a nejde tedy jej dostatečně vyladit, bude nutno jej prodloužit nebo zkrátit buď mechanicky, nebo elektricky přídavnou cívkou nebo kondenzátorem. Neladěné napáječe se připojují nejčastěji jen 2 – 3 závity induktivně ke studenému konci cívky výstupního obvodu, nebo u souměrného obvodu uprostřed. Každé zahřívání kterékoliv části anténní soustavy znamená ztrátu energie k vyzařování.

Dá se změřit vysokofrekvenční proud tekoucí do antény?

Při vylaďování antén vkládají amatéři do napáječů buď žárovičky, nebo vf ampérmetry (např. tepelné, nebo s thermokřížem) pro posouzení průtoku proudu. Po vyladění je opět vypínají, aby svým odporem neubíraly zbytečně proud. Kdybychom chtěli přesně změřit výkon v anténě, museli bychom indikátor zapojit do kmitny proudu, u půlvlnné antény tedy doprostřed zářiče, a pak ze známé impedance spočítat výkon. Měřidlo v napáječích slouží jen k orientaci, protože nebývá možnost jej připojit přesně do kmitny proudu v napáječi.

Jak vypadá vazba, kterou se převede vf proud z antény do laděného obvodu?

Anténní vazba je vlastně vf transformátor nebo autotransformátor jímž se přenáší anténní vf energie na laděný obvod. Vhodnou vazbou získáme již značné zesílení i bez aktivního prvku. Velikost zesílení závisí také na dokonalosti laděného obvodu. Při kapacitní vazbě vážeme anténu s laděným obvodem kondenzátorem, Odpor antény tlumí obvod (zplošťuje jeho rezonanční křivku) tím více, čím je vazba těsnější. Anténa má tedy při této vazbě značný vliv na vyladění obvodu, ač jinak zesílení je dobré. Používá se u malých přijímačů. Také při galvanické nebo galvanicky induktivní  vazbě anténa rozlaďuje ladicí obvod, takže se stupnice přijímače nedá přesně ocejchovat. Proto se jich užívá jen tehdy, když záleží více na síle přijmu než na ocejchované stupnici. Nejčastěji užívaná vazba je vazba induktivní (aperiodická, neladěná). Anténní cívka je navinuta na stejné kostře s vazební cívkou vstupu aktivního prvku a mívá méně závitů.

Vysvětlete lépe vliv antény na ladění.

Zářič se svodem mají určitou kapacitu proti zemi a zapojíme-li ji na horní konec ladicí cívky, přičítá se tato kapacita k ladicí kapacitě obvodu. Pokud ji připojíme na odbočku cívky nebo vůbec na vf transformátor, uplatní se její kapacita jen se čtvercem podílu, připadající z celkového počtu závitů cívky na odbočku nebo na transformační poměr závitů. Připojíme-li tedy anténu na polovinu závitů cívky, uplatní se jen čtvrtina její kapacity, bude-li připojena na čtvrtinu počtu závitů od zemního konce, uplatní se jedna šestnáctina její kapacity atd. Tím uvolňujeme vazbu, hlasitost nejdříve stoupá, pak klesá, selektivita roste. Je proto důležité vyhledání správného převodu.

Ze začátků amatérského vysílání, zápisky profesora Vodičky.

…. Atd ……