Avtor: Boštjan Tovšak
Pred desetletji se je na TV vrtela reklama za avtomobil, kjer je zaradi njegove bogate opreme bilo govora o tem, kaj še sploh ostane velikim.
Ko ste omejeni s prostorom postavitve antene
Če se malo pošalimo, bi mogoče lahko tudi majhne antene na HF področju imele vsaj nekaj, kar imajo velike. Ampak, velike so velike in bodo ostale velike. So pa majhne HF antene lahko vseeno zanimive. Če ne toliko zaradi lastnosti, pa zaradi manjših dimenzij in posledično manjše potrebe po »bogatih« gabaritih.
V preteklih številkah revije SE smo se naučili osnov dela s programskim orodjem za simulacijo delovanja anten, EznecPro. Sedaj je čas, da preizkusimo še kaj več.
Urednik revije Jure, je podal idejo za simulacijo linearno napajanega dipola, izdelanega iz dvožilnega bakrenega kabla za zvočnike (Φ 3mm) in za dodatek, da bo čtiva na temo dovolj, še simulacijo vertikalne večpasovne 12 metrske antene.
Ta vsebina je samo za naročnike
Poudarek bo predvsem na sevalnem diagramu obeh anten, primerjavi med njima in uporabnosti za področje valovnih dolžin 40 m. Potrebno je osnovno znanje iz simulacij in kreiranja modelov v simulatorju EznecPro, opisano v predhodnih številkah SE. Ker nisem radioamater, sem podatke o zahtevanih DX in NVIS elevacijah črpal s spleta.
Linearno obremenjen (linear loaded dipol) zavihan dipol
Izdelava antene je opisana na Youtube kanalu z naslovom Small Cheap Linear Loaded 80 m Dipole, povezavo pa najdete v QR kodi na koncu članka. Osnovna poanta je, da celotno dolžino antene (žice), upognemo na dva simetrična dela. Dolžina antene (razpetina) je skrajšana za približno 0,7 x λ/2 in ima simetrično zavihane krake (slika 1). Razpetino antene smo na tak način skrajšali, hkrati pa smo jo električno podaljšali za isto resonančno frekvenco. Upognjena dela delujeta kot dodatno induktivno breme (medsebojni vpliv žic).
Odločil sem se za simulacijo za 40 metrsko področje (7,1 MHz, skupna dolžina žice naj bi po priporočilih bila cca. 2 x 14,06 m, žici sta tesno skupaj). Ti dipoli imajo nizko impedanco in potrebujejo balun.
Če uporabimo prej omenjeno dvožilno, bakreno žico zvočnikov (2×1,5 mm2), sta obe žici že konstrukcijsko povezni z izolatorjem in ni dodatnega dela z izdelavo objemk za žici. Odrežemo dolžino 14,06 m (uporabimo dimenzije iz Tabele 1). Konce spojimo. Eno žico na sredini prekinemo, sredino druge uporabimo za napajanje. V simulaciji smo omejeni z minimalnim razmikom med vodnikoma, zato natančnih mer razmika omenjenega kabla ne moremo upoštevati. Uporabili bomo čim boljši približek.
Vertikalni večpasovni HF dipol višine 12 m
Tudi za ta dipol na spletu obstajajo navodila na https://www.dj0ip.de/vertical-antennas/simple-multi-band-vertical/. Avtor je izdelal anteno za pasovna področja 10/12/15/17/20/30/40 in 80 m. Je neresonančna antena.
Avtor izhaja iz teorije delovanja anten in dveh trditev:
Antena mora biti resonančna, da je učinkovita
Kratke HF antene niso zelo učinkovite (imajo prenizke impedance)
Antena je napajana v centru s t.i. Open Wire vodnikom (450 Ω, minimalne izgube). Cena tega vodnika je okoli 2,5/€. Konec spodnjega kraka antene je 0,5 m nad tlemi. Vodnika dipol antene sta ovita v spirali na okroglem drogu dolžine 12 m. Vsak krak dipola ima 6 ovojev, razmak med ovoji je cca. 1 m (slika 2). Fizična dolžine žice antene je 2 x 6 m. Obvezna je uporaba antenskega tunerja. Kot med napajalno linijo Open Wire in tlemi naj ne bi bil manjši od 45º.
V primeru slabega sprejema ali „prasketanja“ v impedančnem pretvorniku pri posameznem valovnem področju, avtor priporoča podaljševanje Open Wire linije v korakih po dolžinah λ/8.
Simulacijski model za linearno obremenjen dipol (področje 40 m)
Model antene kreiramo podobno kot za navadni polvalovni dipol. Narišemo eno ravno črto dolžine 14,06 m, nato pa dodamo še dva zavihka po 7,03 m. Vseh narisanih delov antene je tako pet: en glavni, dva vertikalna kratka stranska in dva simetrična vzporedna proti centru (slika 3 s korigiranimi vrednostmi). Zaradi omejitve minimalnega razmika med vodnikoma v simulaciji, smo določili še dopustno razdaljo med vodnikoma 1 cm.
Izračun je podan za anteno na višini 20 m. Pri izračunu SWR model močno odstopa in se nahaja v področju 9 in več. Izračun impedance pri 7,1 MHz je pokazal močno pozitivno reaktanco, kar je znak, da je antena za to frekvenco (in definirano dolžino) električno predolga. Nizka je bila tudi impedanca in sicer 20 Ω.
S postopnim krajšanjem (beri spreminjanjem vrednosti dolžin v programu) krakov glavne žice iz 7,03 m na 6,7 m in obeh zavihanih delov iz 7,03 m na 5,5 m, je SWR padel pri 7,1 MHz na 2,49. Dodan je bil še impedančni transformator in izračunan SWR se je približal 1,27 (slika 5). Impedanca je bila idealnih 50 Ω (seveda zaradi transformatorja). SWR je precej oster in nakazuje selektivnost delovanja antene v ozkem področju 7,1 MHz.
Sevalni diagram
Liniji vijolične barve na grafu predstavljata širino sevanja in označujeta točki, kjer dobitek pade za 3 dB. Turkizna linija predstavlja stransko sevanje, svetlo zelena pa maksimalen dobitek antene v smeri pod kotom. Največji dobitek antene je pri elevaciji 30º in sicer 0 dB. Kot sevanja je 35º (med vijoličnima linijama). Azimutni graf je ob straneh preščipnjen do kota 30º, nato sevanje postopoma prehaja v krog, dobitek pa močno pada. Sevalni diagram je povsem primerljiv s klasičnim dipolom.
Simulacijski model vertikalne večpasovne (multiband) HF dipol antene višine 12 m
Zaradi enega metra razdalje med ovoji (zanemarljiv vpliv induktivnosti) bi za simulacijo zadoščal model ravnega navpičnega dipola. Zaradi večje avtentičnosti antene pa bomo modelirali z ovoji. V tabeli Wires kliknemo meni Create in uporabimo opcijo Helix. Opcija je v osnovi namenjena izdelavi vijačnih (helix) anten, bo pa z nekaj prilagoditvami uporabna tudi za naš primer.
Za osvetlitev vpisanih parametrov za vijačnico, se moramo poigrati z osnovnim Pitagorovim izrekom za pravokotni trikotnik (nosilni valj raztegnemo v pravokotnik). Dolžino l1ov , žice enega ovoja (to je bolj spirala) izračunamo kot kvadratni koren vsote kvadratov višine ovoja h in obsega ovoja π*D. Da na 11,5 m dolžine ovijemo 12 m žice (2 x 6 m) z dvanajst ovoji, mora biti višina ovoja h = 0,96 m.
l1ov =√( (π*D)2 + hov 2) = 1 m; hov = 0,96 m -> D = 8 cm.
H = 0,96 x 12 = 11,5 m
Odpre se nam okno za vnos podatkov. Za vnos so pomembna predvsem naslednja polja:
Wire dia/gauge: premer žice; 1,8 mm
Segments/turn: število segmentov na ovoj antene; 12
Geometry:
End1: premer ovoja; 0,08 m
Turn/Spacing/Length:
Turn spc. : razmak med ovoji; 0,96 m
No. of Turns: 12
Extend ends to helix axis: izbrano
Position/Orientation:
End1: X = 0, Y = 0; Z = 0,5 m, prvi ovoj na višini 0,5 m
End 1 -> End 2 direction izberemo „+“ali „-“, ni pomembno
Po potrditvi program avtomatično ustvari 146 segmentov antene. Ker kreiranje novega modela v EznecPro vedno bazira na obstoječem, ki ga spreminjamo (predhodno izbrišemo vse obstoječe vrstice v tabeli Wires razen prve), je po kreiranju novega modela vedno obvezno brisanje prve vrstice, vrstice št. 1, ki je pred kreiranjem novega modela ne moremo izbrisati.
Sledi vezava elementa TL (prenosne linije) in transformatorja 1:1 (balun). Transformator za sevalni diagram antene ni bistven, je pa kljub temu dodan kot del sistema, ki ga avtor priporoča kot „must have“, nujen del. Oba elementa dodamo v glavnem oknu programa.
Prenosno linijo (TL) definiramo s klikom na gumb Trans Lines. Tu vpišemo v polje End1 -> Wire # točko napajanja, ki se nahaja na sredini antene, za naš primer 73 (146 segmentov). V End2 -> Wire # vpišemo še drugo sponko, virtualno sponko V1 (ročno vpišemo). Vpišemo še dolžino linije v metrih, impedanco Z0 (450 Ω), lahko pa vpišemo še v polje VF koeficient hitrosti (npr. 0,9) in izgube v polje Loss.
Transformator definiramo s klikom na gumb Transformers. Postopek vpisa ponovimo kot prej. Povežemo ga med definirani sponki, za naš primer med V1 (izhodna sponka TL) in definiramo še drugo, novo sponko V2. Prestavno razmerje transformatorja 1:1 definiramo kot razmerje dveh impedanc, npr. 50:50.
Potrebno je priklopiti še vir napajanja. To prav tako uredimo v glavnem oknu s klikom na gumb Source. Povežemo ga na obstoječo sponko transformatorja V2 (slika 8).
Vhodne parametre, potrebne za simulacijo, smo vpisali v začetnem oknu programa (slika 4). Definirali smo resonančno frekvenco, vir napajanja, prenosno linijo in transformator, realen tip tal, izbrali bakreni vodnik in izbrali tip sevalnega diagrama. Nastopil je trenutek za izračun in prikaz sevalnega diagrama antene. Omeniti je potrebno, da je za vsako spremembo vpisane resonančne frekvence potreben ponoven zagon in izračun FF (Far Field) simulacije sevalnega diagrama antene. Sevalni diagram se zmeraj izračunava zgolj za eno frekvenco.
Avtor navaja, da je nujno potreben antenski tuner. Impedanca se giblje od 10 Ω pa vse do 150 Ω. S spreminjanjem dolžine TL linije vplivamo na SWR območje, ki je obvladljivo za natančno nastavitev SWR. Na sliki 11 je SWR brez tunerja najnižji za 15 m področje (malenkost nad 2).
Sevalni diagram
Za razliko od linearno obremenjenega dipola, vertikalna večpasovna (multiband) antena v azimutu seva v koncentričnih krogih pri vseh elevacijskih kotih. Maksimalen dobitek 0 dB doseže pri kotu 25º. Širina snopa antene meri 39º.
Primerjava elevacijskega sevalnega diagrama obeh anten
Program ima možnost funkcije AdTrace. Na obstoječi diagram lahko dodamo za primerjavo posnete diagrame drugih anten in/ali frekvenc. Modra krivulja na sliki 14 predstavlja sevanje vertikalne večpasovne (multiband) antene, črna pa privzete, linearno obremenjenega dipola na višini 20 m. Simulirano pri resonančni frekvenci 7,1 MHz.
Linearno obremenjen dipol ima pri 30º dobitek 0 dB oz. 8,56 dBi, vertikalni dipol pa ima pri 25º 0 dB oz. -1,44 dBi.
Dobitek anten primerjamo glede na izotropno anteno (v dBi). Zunanji krog (0 dB) na skali predstavlja dobitek 8,56 dBi. Absoluten dobitek (dBi) v posamezni točki izračunamo kot razliko vrednosti zunanjega kroga 8,56 dBi in vrednosti v dB na opazovani krožnici.
Zaključek
Pri vertikalnem večpasovnem dipolu obvezno potrebujemo dober antenski tuner, balun in Open Wire (450 Ω) vodnik. S spreminjanjem dolžine tega vodnika prilagajamo področje SWR. Kar je zanimivo je, da so sevalni koti na vseh valovnih področjih nizki (pri 10º maksimalen dobitek), torej primerni za DX zveze.
Linearno obremenjen dipol z elevacijo 25º (0 dB) tudi ustreza DX zvezam. Če ga postavimo 5 m nad tlemi ali manj (kar je lažje izvedljivo), se sevalni diagram občutno spremeni (slika 16). Antena postane usmerjena navzgor proti 90º (0 dB) in uporabna za NVIS lokalne zveze. Azimutni diagram je skoraj popolni krog v smeri 90º z maksimalnim dobitkom (slika 17). Vsaj tako simulator. Vemo pa, da je natančnost simulacije odvisna tudi od natančnosti opisa modela.
Za primerjavo: linearno obremenjen dipol pri 40 m seva maksimalno z 8,56 dBi pri 30º in 3,29 dBi pri 10º.
