VKV ANTÉNY
Pro příjem nebo vysílání na krátkých a velmi krátkých vlnách se používá většinou antén laděných. 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.
Obrázek 1 – dipólová anténa.
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 vyzáří do prostoru, jakou má směrovou charakteristiku, jakou má impedanci a pro jakou šířku je použitelná.
Ze znalostí těchto vlastností antény se můžeme rozhodnout pro určitý druh, pro nás nejvhodnější. V dalším si probereme nejpoužívanější antény, jejich vlastnosti a snadnými výpočty se naučíme tyto antény navrhovat.
JEDNODUCHÝ DIPÓL
Základní, a také dalo by se říci nejpoužívanější anténou pro krátké a velmi krátké vlny je dipól. Dálka vyladěného dipólu je poněkud menší než λ / 2 a volí se 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 určuje šířku pásma. Čím je průměr použité trubky větší, tím větší je šířka pásma, kterou anténa přijímá nebo vysílá. Tak například pro kmitočet 200 MHz je při průměru prvku 8 mm je šířka pásma kolem 10 MHz. Impedance dipólu je přibližně 75 ohmů, to znamená, že koaxiální kabel s impedancí 50 ohmů se může k anténě připojit přímo. Jenže – tento kabel je vůči zemi nesymetrický (zatím co dipól je symetrický), provede se připojení podle obrázku 2. Na svorky dipólu se připojí jak přívodní kabel, tak i kus téhož kabelu o délce λ / 4, který je na druhém konci spojen nakrátko.
Obr. 2 – symetrizace koaxialního kabelu.
Jsou i jiné způsoby, jak připojit souosý kabel k symetrické anténě, ale popsaný způsob je pro svojí jednoduchost pro amatéra nejsnadnější.
Je-li pole protistanice polarizováno vertikálně, montuje se dipól svisle. V tom případě je příjem i vysílání ve všech směrech podél zemského povrchu stejné a anténa má kruhový vyzařovací diagram. Při provozu s horizontálně polarizovanými protistanicemi (DX provoz atd) upevní se dipól horizontálně a kolmo ve směru k protistanici. Tato okolnost je všem čtenářům dobře známa 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 dipólu
Vždy bude naší snahou umístit anténu pokud možno vysoko nad terénem proto, aby signál byl co nejsilnější. Anténa je tedy v některých případech vzdálena od zařízení až několik vlnových délek. Aby energie zachycená anténou, případně byla vyrobena ve vysílači, byla přenesena s co možná nejmenší ztrátou, připojíme anténu dobrým koaxiálním kabelem nebo dvojlinkou. Použitý kabel či dvojlinka musí být svou impedancí přizpůsoben k impedanci antény.
Vzorec pro výpočet impedance koaxiálního kabelu je:
A pro dvojvodič to je:
ale platí pouze tehdy, je-li D > 4d.
Dobrý napáječ je také možno vyrobit ze dvou vodičů, které drží destičky z dobrého izolantu v patřičné vzdálenosti. Vznikne tak vedení zvané „žebříček“, návod viz třeba ZDE.
Má-li se připojit anténa o určité impedanci Za na napáječ s impedancí Zn, použije se transformátor který přizpůsobí impedanci antény na impedanci napáječe. Nejjednodušší provedení transformátoru je vedení o délce λ / 4, jak je nakresleno na obrázku 4.
Obrázek 4 – impedanční transformátor
Vedení transformátoru musí mít impedanci Ztr, která se vypočte z rovnice
Délka transformačního vedení ze dvou paralelních vodičů je pouze 0,96 λ / 4, tedy o něco menší než čtvrtina vlnové délky. Daleko vhodnější pro přizpůsobení je složený dipól, popsaný dále.
SKLÁDANÝ DIPÓL
Skládaný (také složený) dipól je nakreslen na obrázku 5. Délka antény je táž jako u jednoduchého dipólu. Také pro sílu trubek a mezeru c platí totéž, co bylo uvedeno u dipólu. Vzdálenost trubek a nemá být větší než 0,05 λ. Impedance této antény je čtyřikrát větší než u jednoduchého dipólu, t. j. 300 ohmů. Má stejný zisk jako jednoduchý dipól.
Obrázek 5 – skládaný dipól
Také jeho směrový diagram je tentýž. Může být proveden s kulatými konci, nebo i obdélníkového tvaru. Skládaný dipól má dvě velké výhody proti jednoduchému dipólu:
a) dá se provést s různou impedancí. Impedance se mění změnou síly trubek a jejich vzdálenosti
b) k připevnění není zapotřebí 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 připojené zařízení chráněno proti účinkům atmosférické elektřiny.
První 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 větší impedancí, a proto se zde použije s výhodou možností skládaného dipólu.
Návrh skládaného dipólu s určitou impedancí usnadní nomogram na obrázku 6. Slabší trubka o průměru d1 je uprostřed přeříznuta pro přívod anténního napáječe, silnější trubka je vcelku a má průměr d2. Vzdálenost os trubek označme D. Na rozměrech spojek na koncích dipólu celkem nezáleží. N je číslo, kterým musíme násobit impedanci jednoduchého dipólu, t. j. 75 ohmů, abychom dostali impedanci skládaného dipólu. Příklad použití nomogramu bude proveden později, až při výkladu antén složitých.
Obrázek 6 – Nomogram pro výpočet impedance skládaného dipólu pro silnější vodič nepřerušený.
Je-li zapotřebí naopak impedanci snížit, použije se silnější trubka na straně anténního přívodu a nomogramu znázorněného na obrázku 7.
Obrázek 7 – Nomogram pro výpočet impedance skládaného dipólu pro slabší vodič nepřerušený.
DVOJITĚ SKLÁDANÝ DIPÓL
Sníží-li parazitní elementy značně impedanci antény a rozměry jednoduše skládaného dipólu jsou již nepříznivé (t. j. velký průměr silné trubky a malá vzdálenost D), použijeme dvojitě skládaný dipól podle obrázku 8. Tato anténa při stejném průměru trubek má již devětkrát vyšší impedanci než jednoduchý dipól, t. j. 675 ohmů. Nomogram na obrázku 8 umožní lehký výpočet impedance pro různé průměry trubek a jejich vzdálenosti.
Obrázek 8 – Nomogram pro výpočet impedance dvojitě skládaného dipólu.
ANTÉNY YAGI
Zvlášť výhodné pro svou jednoduchost jsou antény Yagi. Jsou složeny ze zářiče, reflektoru, a případně jednoho či několika direktorů. Zářič je vlastní dipólová anténa, spojená se zařízením (přijímač, vysílač). Ostatní části se nazývají parazitní elementy a nejsou vůbec 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 protistanici je řada direktorů. Každý parazitní element zmenšuje impedanci antény a zvyšuje zisk a směrovost. Zvyšujeme-li počet parazitních elementů nad 10, není již přínos dalších členů tak velký, aby ospravedlňoval náklad na ně věnovaný. Proto je zřídka vidět Yagi antény s větším počtem elementů. Pro konstrukci Yagi antény je důležité znát délky jednotlivých členů, jejich vzájemnou vzdálenost a impedanci antény. Jelikož jsou to hodnoty experimentálně stanovené, liší se v literatuře uváděné údaje někdy dosti značně. Je proto výhodné použít jako zářiče skládaného dipólu a zkusmo vzdálenost D, t. j. vzdálenost obou trubek nastavit tak, aby anténa byla svou impedancí řádně přizpůsobena k anténnímu svodu.
Obrázek 9 – příklad výpočtu Yagi antény.
V následující tabulce jsou veškerá potřebná data ke konstrukci Yagi antén. 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 / vyzařování. V třetím sloupci je číslo, kterým se násobí impedance použitého zářiče, abychom vypočetli impedanci Yagi antény. 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.
K lepšímu porozumění provedeme příklad návrhu antény se čtyřmi direktory pro kmitočet 300 MHz, t. j. λ = 1 metr aby se nám to lépe počítalo (viz obrázek 9). Délka zářiče je 475 mm, reflektoru 500 mm, prvního direktoru 455 mm, druhého 435 mm, třetího 420 mm, čtvrtého 405 mm. Vzdálenosti jsou reflektor – zářič 150 mm, zářič – 1 dir 100 mm, 1 dir – 2 dir 100 mm, 2 dir – 3 dir 100 mm, 3 dir – 4 dir 100 mm. Použijeme-li jako zářiče jednoduchého dipólu, je impedance antény 0,06 x 75 ohmů = 4,5 ohmů, při skládaném dipólu je impedance 0,06 x 300 = 18 ohmů a při dvojitě skládaném je 0,06 x 675 = 50 ohmů. Abychom mohli k anténě připojit dvojlinku s impedancí 300 ohmů, musíme impedanci zářiče zvýšit. Použijeme-li dvojitě skládaného dipólu, musíme jeho impedanci zvýšit šestkrát (6 x 50 = 300). To znamená, že samotný zářič (dvojitě skládaný dipól) měl by 6 x 9 = 54krát větší impedanci než jednoduchý dipól. Proto v nomogramu na obrázku 9 pracujeme s N = 54. Máme-li k dispozici trubky o průměru 30 mm a 5 mm, je poměr d2 / d1 = 6. Z nomogramu zjistíme, že pro d2 / d1 = 6 a N = 54 je poměr 2D / d1 = 14, tj. vzdálenost os trubek je 35 mm. Samotný zářič bude vypadat podle obrázku 9. Pro reflektory a direktory použijeme trubky mezi 5 a 10 mm.
Je mnoho různých druhů antén pro krátké a velmi krátké vlny, popsat všechny by znamenalo vybočit z rámce tohoto článku. Proto jsem zde dal spolehlivý popis základních typů dipólových antén a Yagi antén, které výborně poslouží amatérovi svou jednoduchostí a snadností zhotovení.
Zdroj Ing.Miroslav PETR