Anténa W5GI mystérií zbavená

John P. Basilotto, W5GI, v článku [1] (stahujte zde) popsal anténu, pokrývající amatérská pásma od 80 do 6 m. Anténa je konstrukčně jednoduchá, levná, vícepásmová a má délku necelých 31 m. Sám autor i mnozí příznivci této antény však uvádějí, že tuto anténu "je obtížné, ne-li vůbec nemožné namodelovat a vysvětlit, proč pracuje tak dobře, jak pracuje" [2].

Anténa je podobná vícepásmovému dipólu G5RV, který v pásmu 20 m představuje tři půlvlnné úseky. Ty jsou u antény G5RV napájeny v protifázi, proto autor začal uvažovat, jak zlepšit funkci antény zejména v pásmu 20 m tím, že úseky budou napájeny soufázově. Inspirovat se nechal článkem J. E. Taylora, W2OZH [3] z roku 1989, popisujícím kolineární anténu, konstruovanou z drátu.

Myšlenka kolineární antény není nová, velmi podobnou anténu popsal např. K3AZ již počátkem 70. let minulého století, popis této antény najdete např. na internetu [4]. Určitým problémem podobných antén byly nešikovně konstruované úseky, otáčející fázi, které byly vytvořeny z žebříčku, visícího z horizontálně nataženého drátového zářiče. W5GI se pokusil tyto úseky vytvořit z koaxiálního kabelu a uspořádat je tak, aby se staly mechanickou součástí antény (obr. 1). Právě v uvědomění si funkce těchto úseků je klíč k pochopení funkce této antény, k jejímu modelu, ke stanovení kritických parametrů a bohužel i k výroku, že ani zde se nejedná o žádný zázrak, ale pouze o šikovně zkonstruovanou anténu, která nevyvrací platnost fyzikálních zákonů, ale naopak ji potvrzuje.


Obr. 1. Anténa W5GI

Pokud si pozorně přečtete manuály k programu NEC (lze je najít např. na [odkaz]) nebo velmi názorný manuál programu EZNEC, který vytvořil Roy Lewallen, W7EL (lze stáhnout na [odkaz]), neujdou vaší pozornosti různé triky, jak modelovat různé, i neobvyklé vyzařovací struktury. Plná verze programu NEC, který je volně šířitelný, umožňuje také používat úseky vedení (transmission lines). Jejich pomocí se tedy pokusíme namodelovat anténu W5GI.

Úseky vedení jsou v NEC-2 implementovány jako nevyzařující. Nic však nebrání paralelně s takovým úsekem vedení "natáhnout" vodič - tak se např. modeluje i obyčejný dipól, chceme-li do modelu zahrnout i napáječ. Podobně můžeme postupovat i v případě antény W5GI.


CM An attempt to model the W5GI multiband dipole
CM as described in CQ, July 2003, pp. 18-19 & 22
CM 'The W5GI Multiband Mystery Antenna'
CM by John P. Basilotto, W5GI
CE created by OK1RR 22-nov-03

SY tlen = 12.153
GW 1 10 -15.09 0.0 20.0 -10.06 0.0 20.0 0.002
GW 2 10 -10.06 0.0 20.0 -5.03 0.0 20.0 0.002
GW 3 10 -5.03 0.0 20.0 -0.05 0.0 20.0 0.002
GW 4 1 -0.05 0.0 20.0 0.05 0.0 20.0 0.002
GW 5 10 0.05 0.0 20.0 5.03 0.0 20.0 0.002
GW 6 10 5.03 0.0 20.0 10.06 0.0 20.0 0.002
GW 7 10 10.06 0.0 20.0 15.09 0.0 20.0 0.002
GW 8 1 -0.05 0.0 20.0-tlen 0.05 0.0 20.0-tlen 0.002
GE 0
TL 2 1 2 10 50.0 5.03 1000000.0
TL 6 1 6 10 50.0 5.03 0.0 0.0 1000000.0
TL 4 1 8 1 300.0 tlen 'feed
LD 5 1 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 2 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 3 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 4 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 5 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 6 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 7 0 0 25000000.0 0.0
LD 5 8 0 0 25000000.0 0.0
EX 0 8 1 0 1.0 0.0
GN 2 0 0 0 13.0 .005
'FR 0 1 0 0 7.02 0.0
FR 0 1 0 0 14.05 0.0
'FR 0 1 0 0 28.05 0.0
'FR 0 1 0 0 21.05 0.0
EN

Model obsahuje funkci symbolické karty SY podle implementace 4NEC2D, která mj. umožňuje funkci optimizéru. Zakomentované řádky umožňují snadné modelování na jiných frekvencích. Je samozřejmě nutné modelovat rovněž i napáječ!


Výsledky modelování ukazují následující obrázky:


Obr. 2. Průběh ČSV od 3 do 30 MHz.



Obr. 3. Průběh vstupní impedance od 3 do 30 MHz ve Smithově diagramu. "Hranatost" spirály je způsobena zvoleným krokem 200 kHz.



Obr. 4. Vyzařovací diagram antény W5GI ve vertikální rovině v pásmu 14 MHz.



Obr. 5. Vyzařovací diagram antény W5GI v horizontální rovině v pásmu 14 MHz.



Obr. 6. Trojrozměrný vyzařovací diagram antény W5GI v pásmu 14 MHz.

Autor uvádí i praktické hodnoty ČSV, naměřené analyzátorem MFJ-259:

Frekvence (MHz)

ČSV

R

X

3,55

1,5

42

34

3,65

2,5

98

61

3,85

3,5

48

61

3,95

4,0

22

36

7,0

1,9

95

12

7,2

3,0

22

25

10,1

5,2

22

50

14,0

1,7

37

19

14,2

1,5

42

18

14,3

1,6

43

22

18,15

1,9

93

13

21,3

2,9

120

46

24,9

1,9

35

23

27,8

2,1

26

16

28,35

1,8

33

20

29,5

2,6

53

55

50,11

2,3

51

37

52,5

1,2

57

7

Uvedené údaje platí pro délku napáječe, tvořeného vzdušnou dvoulinkou, která odpovídá l/2 na 14 MHz vynásobenou příslušným zkracovacím činitelem. Výsledky, kterých "dosáhl" zmíněný model ve výšce 20 m nad průměrnou zemí jsou podobné jen částečně:

Frekvence (MHz)

3,6

7

10,1

14,0

18,1

21,0

24,9

28,0

ČSV

4,6

2,2

94,3

1,4

6,3

31

3,0

18,4

Minima byla dosažena na těchto kmitočtech:

Frekvence (MHz)

3,6

7,2

14

18,8

24,8

30

ČSV

4,6

1,6

1,4

1,4

2,2

1,8

Jako velmi kritická se ukázala délka napáječe, tvořeného vzdušnou dvoulinkou, tzv. žebříčkem. Původní pramen doporučuje délku 8 - 11 m, pro její optimalizaci jsem proto použil zmíněnou symbolickou kartu SY v modelu 4NEC2. Výsledkem optimalizace byla kompromisní délka 12,153 m, pro kterou platí uvedené údaje. Z výsledků je patrné, že anténu bude možné jen obtížně přizpůsobit na pásmech 10,1 a 21, případně i na 28 MHz.

Na základě uvedeného modelu jsem anténu W5GI vyrobil a vyzkoušel na třech různých přechodných stanovištích s použitím transceiveru Kenwood TS-950SD. Anténa byla dolaďována pouze vnitřním anténním členem transceiveru. Na 80 m bylo možné anténu poměrně dobře přizpůsobit, ale výsledky jsem nebyl nijak nadšen - anténa byla vždy ve výšce kolem 12 m a vlastní napáječ sahal prakticky k zemi. Na 40 m anténa fungovala velmi dobře jak po Evropě, tak nebyl problém dovolat se na DX stanice včetně expedic. Na 30 m nebylo možné anténu přizpůsobit, což jsem očekával, na 20 m však anténa předčila veškerá očekávání. Při srovnání s vícepásmovým vertikálem Cushcraft AP8-A byly reporty od stanic W6 většinou o 2 S lepší s anténou W5GI, než s vertikálem. Na 17 m bylo ladění antény problematické a poměrně ostré, na 15 m se anténu podařilo přizpůsobit jen částečně, výsledné ČSV bylo přibližně 2,6 a transceiver dodával do antény místo očekávaných 150 W pouhých 60 W. I přesto se poměrně dobře dařilo navazovat spojení s DX stanicemi.

Na 12 m pracovala anténa velmi dobře, transceiver dodával plný výkon a dosažené výsledky byly buď shodné s vertikální anténou Cushcraft, nebo o 1 S stupeň lepší. Na 10 m anténa zklamala - ostré ladění, ČSV se měnilo, pokud se anténa pohupovala ve větru, ovšem objektivních výsledků se díky podmínkám šíření nepodařilo dosáhnout.

Anténu lze díky její jednoduchosti a láci doporučit, zejména pro práci z přechodného stanoviště. Podmínkou úspěchu je odpovídající výška nad zemí, 12 m je skutečně málo. Změnou délky žebříčku lze anténu optimalizovat pro určité pásmo, samozřejmě na úkor pásem ostatních. Na anténě W5GI tedy není nic mystického, výsledky jsou přibližně srovnatelné s anténou G5RV, která je, stejně jako W5GI, stejně choulostivá na umístění. Na 20 m je však tato anténa opravdu vynikající a jejích 9 dBi zisku je opravdu znát.

OK1RR

Literatura:
[1] http://www.c-a-v.com/e107_plugins/content/content.php?content.92

[2] Basilotto, J. P.: W5GI Multiband Mystery Antenna, CQ July, 2003, str. 18-19, 22

[3] Škácha, J.: Vícepásmová anténa W5GI, Radioamatér (ČRK), 5/2003, str. 22-23
[4] Taylor, J. E.: COCOA - A Collinear Coaxial Array, 73 Amateur Radio, Aug. 1989, str. 24
[5] Geerligs, Frits: VERKORTE UNIVERSELE MULTI BAND DIPOOL