Zbyňous Homepage
Zbyňous Homepage > Radioamatérský sport > Krátkovlnné drátové antény

Krátkovlnné drátové antény


V současnosti je radioamatérské vysílání populární v mnoha zemích. Odhaduje se, že na světě je přes 5 miliónů lidí, kteří se zabývají amatérským vysíláním. Jednou z velmi oblíbených částí tohoto koníčku je spojení se dalekými stanicemi, tzv. DXing.

Radioamatéři využívají pro DXing ionosférické šíření v pásmech 160 m (1,8 MHz), 80 m (3,5 MHz), 40 m (7 MHz), 30 m (10 MHz), 20 m (14 MHz), 17 m (18 MHz), 15 m (21 MHz), 12 m (24 MHz) a 10 m (28 MHz).

Jednou z nejdůležitějších částí technického vybavení je anténa. Anténa musí být jednopásmová nebo vícepásmová, všesměrová nebo směrová v horizontální rovině.

Na těchto stránkou jsou vytvořeny modely antén v programu 4NEC nejpoužívanějších antén, které radioamatéři používají v praxi. Jedná se o tyto antény:
  • Historie antén
  • Půlvlnný dipól
  • T2FD - skládaný dipól se sklopeným zakončením
  • Půlvlnný monopól se zemí
  • Diskónová anténa
  • Anténa Invertované V
  • Yagiho anténa
  • Logaritmicko-periodická anténa (LPA)


 Historie antén a bezdrátové komunikace

Historie bezdrátové komunikace začala objevem kohereru, který je originálním detektorem elektromagnetických vln v pásmu dlouhých vln. Koherer byl připojen k dlouhovlnné drátové anténě. Při prvních experimentech drátová anténa nebyla přizpůsobená. Když Marconi v roce 1896 realizoval své první pokusy, použil přizpůsobenou drátovou anténu na draku.

 Marconiho historický experiment

Následně Marconi používal antény, jejichž délka závisela na vlnové délce. Pro první spojení přes Atlantický oceán byl použit čtvrtvlnný monopól.

 

Čtvrtvlnná Marconiho anténa

Po druhé světové válce se objevily antény s jedním aktivním a několika parazitními prvky. Nejrozšířenější z nich, anténa Yagi-Uda, byla vynalezena v roce 1926, ale k jejímu rozšíření došlo až po druhé světové válce. Mikrovlnné obvody posunuly pracovní kmitočty do vyšších pásem. Vlnová délka se zmenšila, což rozšířilo realizační možnosti antén.

V následujících kapitolách popisujeme drátové antény, které jsou nejčastěji používány v různých komunikačních aplikacích.


Půlvlnný dipól

Dipólová anténa, zkonstruována Heinrichem Hertzem okolo roku 1886, typicky sestává z dvou čtvrtvlnných ramen (celková délka je lambda/2) a s napájecí štěrbiny. Je to nejjednodušší prakticky realizovatelná anténa.
 

Drátový model dipólu

Stojatá vlna na rameni dipólu dlouhém lambda/4 vytvoří maximální rozdíl potenciálu, pokud je jeden konec ramene v uzlu a jeden v kmitně vlny. Uvažujeme-li harmonické rozložení proudu, lze proudové rozložení způsobené rozdílem potenciálů vyjádřit jako
.

Ve výše uvedeném vztahu značí I0 proud v kmitně, omega je úhlový kmitočet a t čas, k je vlnové číslo a l značí délku ramene dipólu.

Intenzita elektrického pole ve vzdálené oblasti může být spočítáno podle
,

Zde E(theta) značí příslušnou složku intenzity elektrického pole,ε0 je permitivita vakua, c značí rychlost světla ve vakuu, r je vzdálenost fázového středu antény od bodu pozorování, theta je úhel měřený od osy dipólu a význam ostatních symbolů byl již vysvětlen.

Na níže uvedených obrázcích jsou vykresleny kmitočtové průběhy poměru stojatých vln a vstupní impedance dipólu (l = 19,64 m). Půlvlnná resonance nastává na kmitočtu f = 3,68 MHz.
 

 Kmitočtová závislost poměru stojatých vln půlvlnného dipólu (l = 19,64 m)
 

Kmitočtová závislost vstupní impedance půlvlnného dipólu (l = 19,64 m)
 
Na následujícím obrázku je vykreslena směrová charakteristika dipólu v půlvlnné rezonanci. Směr maximálního záření je kolmý na osu dipólu. Ve směru osy dipólu anténa nezáří. Protože je anténa umístěna nad vodivým povrchem, vyzařování směřuje pouze do poloprostoru nad tímto povrchem.
 

Směrová charakteristika půlvlnného dipólu nad vodivou rovinou ve výšce h = 20 m (l = 19,64 m, f = 3,68 MHz)


T2FD – Skládaný dipól se sklopeným zakončením

T2FD (skládaný dipól se sklopeným zakončením) je anténou pro univerzální použití. Vyvinuta byla v roce 1940 americkým námořnictvem. Anténa je širokopásmová. Anténa nevykazuje hluchá místa jak v kmitočtu tak ve vyzařovací charakteristice v horizontální rovině.

Anténa po optimalizaci pro radioamatérská pásma vykazuje dobrou směrovost, malé rozměry, nízkou cenu. Anténa nevyžaduje komplikované impedanční přizpůsobení. Díky těmto vlastnostem je T2FD jednou z nejpopulárnějších antén mezi radioamatéry i profesionály.

Zhruba od roku 1980 radioamatéři znovuobjevili tuto anténu zejména pro dvoucestné vysílání provozem A1A a PSK-31, kde síla signálu není tak důležitá jako jeho stabilita. Anténa není citlivá k parazitnímu rušení, a proto se hodí do měst. Anténa T2FD se hodí zároveň pro práci v omezených prostorech. Například anténa jen 7 m dlouhá může pracovat na frekvencích od 14 MHz výše při vysílání, od 7 MHz výše je dokonce použitelná k příjmu.
 

Schéma T2FD antény


 Anténa pro 5 až 30 metrové pásmo

Typická T2FD anténa je sestavena ze dvou paralelních vodičů:

    * Rozpětí je rovno třetině vlnové délky nejnižšího kmitočtu
    * Vzdálenost obou vodičů je 1/100 největší vlnové délky Tato vzdálenost je po celé délce udržována nevodivými rozpěrkami.
    * Rozpěrky jsou na konci vzájemně svázány nevodivými lanky
    * Horní a dolní vodič jsou na koncích spojeny drátky,
    * Napájen je dolní vodič uprostřed, vstupní impedance je kolem 300 ohmů, napáječ je připojen přes balun 1:4, jenž transformuje vstupní impedanci na požadovaných 75 ohmů
    * Prostředek horního vodiče je spojen s 400 ohmovým bezindukčním rezistorem, který musí být dimenzován aspoň na třetinu maximálního výkonu. Tento rezistor pohlcuje část elektrické energie (buď přijímané vlny, nebo z vysílače) hlavně u spodního pásma.
    * K tomu, aby anténa měla všesměrovou vyzařovací charakteristiku, měla by být sklopena pod úhlem 20 až 40 stupňů od horizontální roviny, avšak i ve vodorovné rovině bude vyzařovat s uspokojivými výsledky.
 

Tato anténa je použitelná pro spojení na středně dlouho vzdálenost, s šířkou pásma zhruba 1:6. Například anténa pro nižší pásma 3 až 18 MHz bude dlouhá 33 m se vzdálenosti ramen 1 m. Pokud budeme anténu navrhovat pro vyšší pásma 5 až 30 MHz, bude délka antény 20 m, se vzdálenosti vodičů 60 cm. Pokud uděláme anténu kratší, bude se hodit na dolních kmitočtech pouze k příjmu

Jakožto jako širokopásmová antén, bude PSV dobré přes celé kmitočtové pásmo, přesto na některých kmitočtech se doporučuje použití anténního tuneru.

Tato anténa má mnoho komerčních verzí, které jsou pro komerční použití, armádu, radioamatéry a poslech vzdáleného rozhlasu.
 
Literatura

   1.  "An Experimental All-Band Nondirectional Transmitting Antenna" by Gil L. Countryman, W1RBK, (W3HH), QST, June 1949, page 54.

   2.   "Modeling the T2FD", by L. B. Cebik, W4RNL, http://www.cebik.com/content/a10/wire/t2fd.html
 

Drátový model T2FD antény
 

Kmitočtový průběh poměru stojatých vln T2FD antény (délka l = 23,5 m).
 

Směrová charakteristika T2FD antény na kmitočtu 21 MHz (délka l = 23.5m)


Čtvrtvlnný monopól se zemí

Čtvrtvlnný monopól je anténa sestávající z jednoho prvku. Anténa je napájena na konci tohoto prvku a chová se jako dipól. Anténa je napájena na dolním konci, který se nachází v blízkosti vodivého povrchu pracujícího jako reflektor. Délka anténního prvku je lambda/4. Zemní plocha se chová díky principu zrcadlení jako druhé rameno dipólu, zrcadlový obraz má stejný směr a stejnou fázi jako zrcadlený zářič. Anténa září pouze do horního poloprostoru.

V horním poloprostoru je vyzařované pole identické s polem, vyzařovaným půlvlnným dipólem se stejnou proudovou distribucí. Energie je však vyzařována jen polovinou antény do jednoho poloprostoru, takže stejný proud umožní vyzářit poloviční výkon. Impedance monopólu bude poloviční vzhledem k impedanci půlvlnného dipólu, tj. 36+j21 ohmů. Zisk antény je stejný jako u půlvlnného dipólu 2.14 dBi.
 

Drátový model monopólu se zemí

Ve vzdálené oblasti je směrová charakteristika stejná jako u půlvlnného dipólu. Dobré fungování antény je podmíněno dobrou vodivostí zemní roviny. Vodivost zemského povrchu lze zlepšit pomocí sítě měděných drátů.

U některých aplikací může být zemní plocha nahrazena např. střechou auta. V jiném případě může být země nahrazena sklopenými vodiči.
 

Kmitočtový průběh poměru stojatých vln monopólu se zemí (délka l = 10,257 m)


Kmitočtový průběh vstupní impedance monopólu se zemí (délka l = 10,257 m)
 

Směrová charakteristika monopólu se zemí na kmitočtu 7,1 MHz (délka l = 10.257)


Diskónová anténa

Diskónová anténa je verzí bikónické antény, u níž je jeden kónus nahrazen diskem. Jedná se většinou o vertikální anténu, disk bývá umístěn nad drátovým kónusem.

Výhodou této antény je všesměrovost v horizontální rovině, vertikální polarizace, jednotkový zisk a šířka pásma 1:10. Vyzařovací charakteristika ve vertikální rovině je docela úzká, čímž je dosaženo maximální citlivosti antény v rovině paralelní se zemským povrchem.
 

Diskónová anténa na střeše

Diskonová anténa má uplatnění v širokopásmových komerčních aplikacích, ve vojenství, při radioamatérském vysílání a příjmu.

Je-li anténa použita jako vysílací, její efektivnost je nižší než u úzkopásmovějších antén. PSV je typicky ~2:1 přes celé frekvenční pásmo. 
Diskonová anténa se skládá ze tří části: disku, kónusu a izolátoru.

Disk by měl být 0,7-krát čtvrtina vlnové délky na nejnižším kmitočtu. Anténa je napájena ve středu disku, obvykle 50ti ohmovým koaxiálním kabelem, středem připojeným k disku a opletením ke kuželu.

Délka kónusu by měla být rovna čtvrtině vlnové délky na nejnižší frekvenci. Úhel kužele by měl být mezi 25 až 40°.

Disk a kónus musejí být odděleny izolátorem. Rozměry izolátoru ovlivňují vlastnosti antény.

Pro rozšíření kmitočtového pásma směrem k nižším kmitočtům může být na disk umístěna vertikální prutová anténa. Tato anténa však zhorší vyzařovací charakteristiku na vyšších frekvencích. Takto upravená diskonová anténa se více podobá anténě se zemní plochou nebo koaxiálnímu dipólu.
 

Drátový model diskónové antény
 

Kmitočtový průběh poměru stojatých vln diskónové antény (poloměr disku d=4,2 m, výška kónusu l = 16,8 m)
 

Kmitočtový průběh vstupní impedance diskónové antény (poloměr disku d=4,2 m, výška kónusu l = 16,8m)
 

Směrová charakteristika diskonové antény na kmitočtu 7 MHz (poloměr disku d=4,2 m, výška kónusu l = 16.8 m)
 

Směrová charakteristika diskónové antény na kmitočtu 14 MHz (poloměr disku d=4,2 m, výška kónusu l = 16,8 m)
 

Směrová charakteristika diskónové antény na kmitočtu 21 MHz (poloměr disku d=4,2 m, výška kónusu l = 16,8 m)
 

Směrová charakteristika diskónové antény na kmitočtu 28 MHz (poloměr disku d=4,2 m, výška kónusu l = 16,8 m)


Anténa invertované V

Anténa invertované V je modifikovaný dipól, jehož konce jsou níže než jeho střed. Tato anténa je hojně využívána radioamatéry a lodích. Anténa má mnohem lepší vlastnosti než krátká prutová anténa.
 

Základní struktura invertované V antény

Jediným požadavkem na konstrukci invertované-V antény je jeden vysoký objekt ve středu antény (většinou postačí i větev stromu). Konce antény musí být izolované a ukotvené v blízkosti země. Tato jednoduchá konstrukce přináší několik výhod, např. kratší vzdálenost mezi konci. Kupříkladu, dipól pro pásmo 80 metrů má vzdálenost mezi konci kolem 43 m, anténa invertované V má výšku středu 12 m a vzdálenost konců pouze 35 m. Použitím této antény ušetříme místo nebo můžeme lépe pokrýt nízké frekvence.
 
Z teorie vyplývá, že zisk antény invertované V odpovídá zisku půlvlnného dipólu ve stejné výšce, protože nejvíc EM vlny se vyzařuje kolem středu antény. Je-li střed obou antén ve stejné výšce, je rozdíl ve vlastnostech nepatrný. Software pro numerické modelování antén předvídá maximální zisk dipólu 2.15 dBi a maximální zisk antény invertované V 1.9 dBi.

V praxi však kvůli blízkosti zemského povrchu, jeho reálné vodivosti a vlivu rozptylových polí na koncích antény dosahujeme mnohem nižší efektivity vyzařování v porovnání s dipólem. Ve výše uvedeném příkladě (anténa invertované V ve 12 metrech), uvažujeme-li užitečný úhel odrazu 40°nad horizontem, anténa invertované V dosahuje maximálního zisku 1 dBi při všesměrovém vyzařování v horizontální rovině, kdežto dipól má zisk od 6 dBi do 1,2 dBi.


Drátový model dvoupásmové invertované V antény
 

Kmitočtový průběh poměru stojatých vln dvoupásmové invertované V antény (délka l80 = 15,9 m a l40=7,74 m)
 

Kmitočtový průběh vstupní impedance dvoupásmové Invertované-V antény (délka l80 = 15,9 m a l40=7,74 m)
  

Směrová charakteristika dvoupásmové invertované-V antény na kmitočtech 3,5 MHz a 7.05 MHz (délka l80 = 15,9 m a l40=7,74 m)


Yagiho anténa

Anténa Yagiho a Udy, známá taky jako Yagiho anténa, je směrový anténní systém, který sestává z pole tvořeného dipólem a přídavnými parazitními elementy se silnou elektromagnetickou vazbou (obvykle se jedná o reflektor a jeden nebo více direktorů). Dipól je jediným aktivním prvkem. Dalším, obvykle o 5% delším prvkem, je reflektor. Ostatní parazitní prvky jsou kratší než dipól. Jedná se o tzv. direktory, které jsou umístěny před dipólem. Toto uspořádání zvětšuje směrovost antény v porovnání oproti samotnému dipólu. Anténám podobným Yagiho anténě souhrnně říkáme směrové antény nebo antény s velkým ziskem. Mnoho běžných televizních antén jsou Yagiho antény s přídavným úhlovým reflektorem.
 

Praktická realizace Yagiho antény
 
Yagiho anténa je směrová podél osy, kolmé k direktorům, dipólu a reflektoru. Typicky mají jednotlivé elementy antény rozestup roven čtvrtině vlnové délky. Všechny elementy jsou umístěny ve stejné rovině. Vzájemně jsou připevněny na stejné ráhno, i když to nemusí být pravidlem. Kupříkladu komerční televizní anténa je obvykle doplněna několika reflektory, které vzájemně vytvářejí reflektor úhlový.

Šířka pásma Yagiho antény, která je obvykle definována jako kmitočtový interval přijatelného impedančního přizpůsobení k napáječi, je určena délkou, průměrem a vzdáleností jednotlivých elementů. Ve většině případů je kmitočtová šířka pásma relativně malá a odpovídá jen několika procentům vzhledem ke střednímu pracovnímu kmitočtu antény.

Yagiho anténa může být navržena jako vícepásmová. Návrh takové antény je však komplikovaný. Využívá se zde kombinace paralelních rezonančních obvodů. Rezonanční obvod izoluje vnější elementy od elementů vnitřních pracujících na nižším kmitočtu, na kterém má rezonanční obvod velkou impedanci. V praxi jsou rezonanční obvody pro nejvyšší pásmo umístěny u počátku antény. Trojpásmová anténa má dva páry rezonančních obvodů na každém elementu. Například anténa pro pásma 10, 15 a 20 metrů má rezonanční obvody pro 10 a 15 m pásmo. Použití rezonančních obvodů není úplně ideální, rezonanční obvody snižují šířku pásma a také účinnost vyzařování.

Návrh Yagi-Uda není triviální, protože neexistuje žádná lineární závislost mezi rozměry (délka elementů, průměr elementů a jejich umístění) a elektrickými veličinami, jako je vstupní impedance nebo zisk antény. Návrh antén vychází z experimentů, počítačových návrhů nebo modifikací stávajících antén.

Yagiho anténa je široce používána radioamatéry pro komunikaci v pásmu krátkých vln, přes pásma kmitočtů VHF a UHF až po mikrovlnná kmitočtová pásma. Radioamatéři rádi konstruují tento typ antény, a proto je v odborných časopisech k dispozici mnoho zdařilých postupů návrhu a počítačových programů.
 

Drátový model Yagiho antény
 

Kmitočtový průběh poměru stojatých vln Yagiho antény (reflektor = 10,534 m, dipól= 10,06 a direktor =9,464 m, vzdálenost dipól-reflektor 3,187 m a dipól direktor = 3,6847, h= 21 m)
 

Kmitočtový průběh vstupní impedance Yagiho antény (reflektor = 10,534 m, dipól= 10,06 a direktor =9,464 m, vzdálenost dipól-reflektor 3,187 m a dipól direktor = 3,6847, h= 21 m)%
 

Směrová charakteristika Yagiho antény ve výšce 10 m na kmitočtu 14,05  MHz(reflektor = 10,534 m, dipól= 10,06 a direktor =9,464 m, vzdálenost dipól-reflektor 3,187 m a dipól direktor = 3,6847, h= 21 m)

 
Logaritmicko-periodická anténa (LPA)

V telekomunikační technice, logaritmicko-periodická anténa (LPA) je známá jako širokopásmová, víceprvková, směrová anténa s úzkým hlavním lalokem, jejíž vstupní impedance a směrová charakteristika má logaritmický charakter v závislosti na kmitočtu. Pokud jednotlivé elementy jsou obvykle dipóly, potom se jedná o logaritmicko-periodickou dipólovou anténu (LPDA). Logaritmicko-periodická anténa je vytvořena jako sobě podobná struktura, stejně jako například antény fraktálové.

Anténa má sousední dva elementy napájeny s posuvem 180°. Tento posuv je většinou proveden napájecí linkou, u které jsou vodiče mezi elementy překřížené.

Délka elementů a vzdálenosti mezi nimi se logaritmicky zvětšují od přední části antény po její konec. Impedanční charakteristika jako logaritmická funkce budicího kmitočtu vykazuje periodický průběh.

Tato anténa může být použita v širokopásmových aplikacích od KV až po UKV kmitočtová pásma, kde požadujeme střední zisk a směrovost.
 

Praktická realizace LPDA antény
 

Drátový model LPA antény


Kmitočtový průběh poměru stojatých vln LPDA antény (délka d1 = 2,142 m, d2 = 2,463 m, vzdálenost mezi prvky s1= 1,143, d3 = 2,833 m, s2= 2,803 m, d4 = 3,255 m, s3= 4,713 m, d5 = 3,741 m, s4= 6,903 m, d6 = 4,299 m, s5= 9,833 m, d7 = 4,941 m, s6= 12,313 m, d8 = 5,682 m, s7= 15,633 m, d9 = 6,531 m, s8= 19,463 m)


Kmitočtový průběh vstupní impedance LPA antény (d1 = 2,142 m, d2 = 2,463 m, s1= 1,143, d3 = 2,833 m, s2= 2,803 m, d4 = 3,255 m, s3= 4,713 m, d5 = 3,741 m, s4= 6,903 m, d6 = 4,299 m, s5= 9,833 m, d7 = 4,941 m, s6= 12,313 m, d8 = 5,682 m, s7= 15,633 m, d9 = 6,531 m, s8= 19,463 m)
 

Směrová charakteristika LPDA antény na kmitočtu 14 MHz (d1 = 2,142 m, d2 = 2,463 m, s1= 1,143, d3 = 2,833 m, s2= 2,803 m, d4 = 3,255 m, s3= 4,713 m, d5 = 3,741 m, s4= 6,903 m, d6 = 4,299 m, s5= 9,833 m, d7 = 4,941 m, s6= 12,313 m, d8 = 5,682 m, s7= 15,633 m, d9 = 6,531 m, s8= 19,463 m)
 

Směrová charakteristika LPDA antény na kmitočtu 21 MHz (d1 = 2,142 m, d2 = 2,463 m, s1= 1,143, d3 = 2,833 m, s2= 2,803 m, d4 = 3,255 m, s3= 4,713 m, d5 = 3,741 m, s4= 6,903 m, d6 = 4,299 m, s5= 9,833 m, d7 = 4,941 m, s6= 12,313 m, d8 = 5,682 m, s7= 15,633 m, d9 = 6,531 m, s8= 19,463 m)%


Směrová charakteristika LPDA antény na kmitočtu 28 MHz (d1 = 2,142 m, d2 = 2,463 m, s1= 1,143, d3 = 2,833 m, s2= 2,803 m, d4 = 3,255 m, s3= 4,713 m, d5 = 3,741 m, s4= 6,903 m, d6 = 4,299 m, s5= 9,833 m, d7 = 4,941 m, s6= 12,313 m, d8 = 5,682 m, s7= 15,633 m, d9 = 6,531 m