Vícepásmový dipól bez trapů
V
polovině 90. let minulého století se objevila nová konstrukce
vícepásmových antén [1], založená na principu paralelních
půlvlnných rezonátorů, navržených pro jednotlivá pásma, kde
je napájen pouze dipól pro nejnižší pásmo a rezonátory pro
vyšší pásma jsou napájeny parazitně. Konstrukce byla
patentována [2] a později použita např. u antén Force 12 (série
C3 a C4), Hy-Gain, Optibeam apod. Rezonátory jsou od buzeného prvku
umístěny v určité vzdálenosti, která na všech pásmech zaručí
vstupní impedanci, odpovídající půlvlnnému dipólu. Není
nutné, aby jednotlivá pásma mezi sebou byla v harmonickém poměru.
Pomocí dipólu, navrženého pro CW část pásma (např. 3520 kHz)
a rezonátoru pro SSB část pásma (např. 3790 kHz) lze pokrýt obě
části pásma 80 m apod.
Princip je jednoduchý
– je-li ve vzdálenosti (od půlvlnného dipólu, buzeného na
nižší frekvenci) dané vztahem
(l,
MHz) (1)
umístěn
rezonátor s rozměry, odpovídajícími půlvlnnému dipólu pro
vyšší frekvenci, lze tento rezonátor parazitně vybudit na této
vyšší frekvenci. Rezonátory musí mít délku půlvlnného
dipólu, musí být paralelně uspořádané a symetrické podle
středu (obr. 1). Vzdálenost, ve které je dosaženo optimálního
impedančního přizpůsobení, je závislá na frekvenci a průměrech
vodičů (trubek), použitých pro konstrukci rezonátoru dipólu.
Frekvencí, pro kterou byl navržen napájený dipól pro nižší
frekvenci je tato vzdálenost ovlivněna jen v zanedbatelné míře.
Potřebujeme-li např. přidat další pásmo ke stávajícímu
dipólu, použijeme půlvlnný rezonátor ve vzdálenosti,
vyplývající z tab. 1 nebo z nomogramu (obr. 2), která bude stejná
bez ohledu na kmitočet, pro který byl navržen napájený dipól.
Obr.
1. Třípásmový dipól pro 10, 18 a 24 MHz.
Abychom nemuseli řešit
poměrně komplikovanou rovnici (1), můžeme odpovídající
vzdálenost buď odečíst z nomogramu (obr. 2), nebo pro amatérská
KV pásma odečíst z tab. 1.
Tab. 1. Vzdálenost
parazitně buzených rezonátorů pro jednotlivá pásma od buzeného
dipólu. Je uvedena v milimetrech.
Obr.
2. Nomogram pro stanovení vzdálenosti parazitně buzeného
rezonátoru od napájeného zářiče. Naznačený příklad uvádí
rezonátor pro 28,5 MHz z drátu o průměru 3,5 mm (dipól i
parazitně buzený rezonátor jsou zhotoveny z vodiče o stejném
průměru). Vhodná vzdálenost od dipólu (pro nižší frekvenci)
tedy bude 66 mm.
Uveden je také vodič
čtvercového průřezu, který se vyskytuje poměrně vzácně.
Jeden z konstruktérů antény podle [3] jej použil proto, že jej
získal odvinutím ze starého transformátoru. V tabulce je uveden
pro ilustraci vlivu průřezu vodiče (srovnejte např. vzdálenosti
pro kruhový vodič o průměru 1,5 mm a pro vodič čtvercového
průřezu o straně 1,5 mm).
Údaje
v tabulce ve sloupci Frekvence se vždy vztahují ke kmitočtu
parazitně buzeného rezonátoru. Rezonátor pro 3,600 MHz by tedy
byl použit s napájeným dipólem pro frekvenci nižší, tj. např.
pro 1,830 MHz, pokud bychom např. chtěli stávající anténu pro
160 m doplnit o pásmo 80 m.
Chceme-li
použít hodnoty z tabulky nebo z nomogramu, je třeba vzít v úvahu
určitá omezení. V tabulce, převzaté z [3], jsou uvedeny výchozí
hodnoty. Skutečná vzdálenost parazitně buzeného rezonátoru od
napájeného dipólu se může mírně lišit, což je způsobeno
vlivy okolí a závisí zejména na výšce antény nad zemí. Údaje
v tabulce či nomogramu vycházejí z praxe, kdy anténa bývá
navrhována pro spolu sousedící KV pásma, tj. poměr kmitočtu, na
kterém pracuje napájený zářič a parazitně buzený rezonátor,
bývá zpravidla < 2. Dalším omezením platnosti těchto údajů
je předpoklad, že napájený zářič i rezonátor jsou zhotoveny z
vodičů o stejném průměru.
Platnost
uvedeného principu je však obecná. Lze tedy konstruovat antény
pro libovolná pásma, pokud bychom však chtěli vytvořit
dvoupásmovou anténu pro 3,5 a 28 MHz, bude vhodnější nespoléhat
na tabulkové údaje, vyřešit rovnici (1)
a z výsledné antény vytvořit matematická model, který bude
optimalizován pomocí momentové metody, např. v programu 4nec2.
Princip
parazitně buzených rezonátorů byl komerčně použit většinou
pro antény pro vyšší pásma KV s prvky, zhotovenými z trubek.
Antény jsou zpravidla umístěny na stožáru ve výškách >
l/2. Lze tedy předpokládat instalaci
antény, respektující doporučení výrobce (nelze předpokládat,
že by někdo takovou anténu instalovat ve výšce 3 m nad zemí).
Proto může výrobce zaručit uváděné parametry antény.
Konstrukce
Třípásmový
dipól pro 10, 18 a 24 MHz je zkonstruován z měděného drátu o
průměru 2 mm. Rezonátor pro 18 MHz je umístěn ve vzdálenosti 6
cm od napájeného dipólu pro 10 MHz, rezonátor pro 24 MHz je ve
vzdálenosti 5,2 cm. Rezonanční kmitočty jsou 10120, 18090 a 24900
kHz. Dipól pro 10 MHz je napájen přes balun 1:1. Dipól pro 10 MHz
má délku 14,514 m, rezonátor pro 18 MHz 8,12 m a pro 24 MHz 5,95
m. Anténa je umístěna ve výšce 15 m nad zemí.
Popisy
konstrukce této antény v zahraničních pramenech [3], [4] uvádějí,
že délka dipólu resp. rezonátoru by měla být větší, než
obvyklých l = 143/f (m, MHz). Testy ukázaly, že vhodnou délku lze
vypočítat ze vztahu l = 146,9/f a pro kmitočty vyšší, než 20
MHz je optimální délka dána vztahem l = 148/f (m, MHz). Tyto
odchylky jsou způsobeny vlivem průměru drátu, resp. změnami
poměru průměru drátu k vlnové délce.
Vodiče
jsou v příslušné vzdálenosti fixovány pomocí izolačních
rozpěrek. Vhodný materiál musí mít nejen dobré izolační
vlastnosti, ale musí být také nenavlhavý a odolný proti UV
záření. Vhodným materiálem je např. Lexan. Rozpěrky jsou
rozdílně napěťově namáhány, čím dál od středu dipólu, tím
je namáhání větší. Pro napájení je nutné použít balun 1:1.
Vhodný je proudový (tlumivkový) balun, pro zkoušky byl použit
Fritzel FR1015.
Nastavení
Nastavení
antény není složitější, než nastavení běžného dipólu.
Stačí běžný reflektometr, vhodnější je ovšem nějaký
analyzátor impedance, např. MFJ-259B. Dipóly uděláme o něco
delší, u dipólu pro 10 MHz je vhodné nechat u izolátorů
"ocásky" o délce kolem 5 cm, jejichž odstřiháváním
anténu doladíme na minimální ČSV. Napájený dipól pro 10 MHz
naladíme jako první, pak ladíme rezonátor pro 18 MHz a nakonec
rezonátor pro 24 MHz. Výhodou je, že se jednotlivé části antény
vzájemně neovlivňují, tj. jednou nastavený rezonátor již není
nutné dolaďovat. Stavíme-li anténu pro jiná pásma, postupujeme
obdobně, vždy od dipólu pro nejnižší pásmo. Pokud je anténa
navržená přesně, bývá po doladění na nejnižším ČSV na
všech pásmech zpravidla vyhovující, tj. na ostatních pásmech
již nebývá třeba nic ladit.
Výsledky
Dosažený
průběh ČSV je po pečlivém naladění velmi uspokojivý (obr. 3).
V praktickém provozu se anténa chová, jako obyčejný půlvlnný
dipól.
Obr.
3. Průběhy ČSV třípásmového dipólu pro 10, 18 a 24 MHz.
Určitou nevýhodou antény je její váha a poněkud nepraktická
konstrukce, takže takový vícepásmový dipól nelze snadno svinout
a používat na přechodných stanovištích.
Závěr
Výhody
této antény jsou následující:
- Šířka pásma jako u normálního půlvlnného dipólu
- Možnost pokrytí více pásem (ověřena 3 pásma)
- Snadné nastavení
- Napájení jedním koaxiálním kabelem
- Výkon omezený pouze balunem, kabelem a izolátory
- Vyzařovací diagram na všech pásmech, odpovídající půlvlnnému dipólu.
Pokud
konstruujeme anténu pro víc pásem, je vhodné dipóly rozložit
podle náčrtku na obr. 4.
Obr.
4. Rozložení rezonátorů pro více pásem. Plnou tečkou je
znázorněn parazitně buzený rezonátor, nevyplněnou tečkou
napájený dipól. Vzdálenosti jsou pro přehlednost kresleny jako
stejné, ve skutečnosti budou odpovídat výše popsanému návrhu.
Princip parazitního buzení na rozdílných frekvencích lze použít
i pro čtvrtvlnné vertikální antény. Napájený zářič i
parazitně buzené prvky používají společný zemní systém. Pro
napájení nejdelšího prvku lze použít jakoukoli obvyklou metodu
přizpůsobení, parazitně buzené prvky jsou v patě přímo
spojeny se zemním systémem.
Parazitně buzenou vícepásmovou soustavu lze velmi snadno
analyzovat a optimalizovat v libovolném programu, určeném pro
modelování antén momentovou metodou, tedy např. 4nec2, EZNEC,
GNEC apod., vyhovující výsledky obdržíme i s jednoduchými
programy, založenými na algoritmu MiniNEC, tj. např. MMANA.
Literatura:
[1]
Gary Breed, K9AY: Multi-Frequency Antenna Technique Uses Closely
Coupled Resonators
[2] US
Patent 5489914
[3] Benny Hansen, OZ8BZ: Et andet princip for afstemte multibånds
antenner, OZ (Denmark), April 1996
[4] Hans O. Pyndt, OZ5DX: A
WARC Dipole Using a New Design, FOCUS (Journal of the First Class
C.W. Operator's Club) No. 32 – Autumn '97, str. 36
