Vysokoúčinná anténna sústava na 2m pre contesty a tropo

Autorom tohto článku je Robi, S53WW. Originál v angličtine nájdete na jeho stránkach: http://lea.hamradio.si/~s53ww/. Dva skvelé články od Robiho ste si už na tomto portáli mohli prečítať (predzosilňovače S53WW a XVRT Javornik) – a tretí je tiež výborný. Ďakujeme Robi!

1. Niekoľko slov ohľadom 2m contestingu v EU

Každý seriózny 2m contestman musí prísť pred túto otázku – aký typ antény je najlepší pre moje contestové QTH? Natíska sa rýchla odpoveď – s čo najväčším ziskom! Odpoveď je správna iba pre tie stanice, ktoré sú vzdialené 800km a viac od lokalít s najväčšou aktivitou. To sú najmä DL a OK, potom lokality rozprestierajúce sa mimo strednej Európy. Ak ale z Vášho contestového QTH vychádza viacero smerov, ktoré prinášajú nezanedbateľné množstvo bodov (veľký počet QSO*QRB), potom je najdôležitejšou vlastnosťou použitej antény šírka hlavného vyžarovacieho laloku pre -3 dB.

Obrázok znázorňuje viac-menej bežný smerový diagram spojení pre typické contestové QTH v S5 (Alpy v azimute 300°, Balkánske hory a Jadranské more v azimute 120 – 180°). Zo štatistík na ľavej strane obrázka je možné zistiť, že asi 60% bodov sa získava z troch smerov, ktoré majú šírku asi 30° (túto štatistiku vypočítava program VHFSTAT.EXE z dát v EDI formáte, konverzia z EDI do QSO/TST formátu je možná s VHFLIB.EXE. Podľa tohto diagramu je možné s konečnou platnosťou určiť, že je potrebné mať dva anténne systémy – jeden so šírkou laloku 30° a druhý so šírkou laloku 75°. V tomto bode vyvstáva otázka interferencie spôsobovanej blízkymi stanicami pri použití antény so šírkou laloku 75°. Dôležité je použiť RX s výborným dynamický rozsahom (čo samozrejme vylučuje predzosilňovače). Najlepšie sa javí nasadenie home made RX-u, ale aj zloženie XVRT+HF RIG so šumovým číslom okolo 2,0 dB je OK. Celkový šum zostavy (útlm koaxiálneho kábla plus šum RX-u) nemusí byť pod 2,0 dB, ak zisk transvertora prekračuje dynamický rozsah prijímača (turbo deluxe XVRT a super HF RIG sú degradované do strednej triedy – ak ináč úplne lineárny predzosilňovač – je zaradený pre nich!).

Bežným riešením je inštalácia dvoch či viacerých anténnych systémov. Pre efektívne využitie má druhý (tretí atď.) anténny systém mať rovnakú výkonnosť ako hlavný (podobný zisk a výkon +/- 3 dB). Ak sa používa viac ako dva anténne systémy, je normálne usporiadanie RX/TX (pričom výkon jedného TX-u je rozdelený medzi dve antény a jeden RX je prepínaný medzi dvoma anténami), čo ale už dnes nie je optimálne riešenie. Čas na prepnutie medzi tromi či viacerými anténami je príliš dlhý a za ten čas môžeme úplne prepočuť volačku. Minimálne dva nezávislé prijímače sú potrebné pre efektívne využitie troch alebo štyroch anténnych systémov (samozrejme s druhým operátorom). Ak všetci RX operátori môžu aj vysielať, je to najoptimálnejšie riešenie, aj keď nie nevyhnutné.

Minimálny zisk antény pre tropo contest je asi 16 dBi. Tento zisk je dosiahnuteľný dlhou yagi (4 lambda), ale jej šírka laloku pre -3 dB (v E rovine) je menej ako 30°. Tak ako dosiahnuť pokrytie azimutu v šírke 50 – 70° a zisk viac ako 16 dBi? Odpoveď je I-stack (vertikálna sústava) krátkych yagi antén.

2. I-stack štvorice 4 el. yagi s maximálnym ziskom

Po dôkladnom prehodnotení nášho contestového QTH (S59DEM/JN75DS) podľa smerového diagramu spojení som sa rozhodol postaviť vertikálnu sústavu zo štvorčaťa krátkych yagi, ktoré majú šírku hlavného laloku pre -3 dB asi 50°. Na dosiahnutie požadovaného zisku som zvolil verziu yagi s maximálnym ziskom. Maximálny zisk je pri impedancii antény pod 50 ohmov. Pri uvažovanej fixnej impedancii antény 12,5 ohmu je možné získať 50 ohmovú použitím skladaného dipólu a jednoduchého cievkového balunu. V tom prípade je možné postaviť anténu, ktorá má impedanciu 50 ohmov, zisk 11,3 dBi, šírku laloku 50° v E rovine a dĺžku 1600 mm (0,8 lambda). Vysimulované E a v H rovine smerové charakteristiky si môžete pozrieť na priložených obrázkoch.

Obr.2 – charakteristika stackovania dvoch 4 el.yagi s maximálnym ziskom versus vertikálna vzdialenosť. Boom je z Al profilu 20×20 mm, prvky z Al tyčoviny priemeru 5,0 mm sú izolované od boom-u (korekcia boom-e je 2,0 mm). Plastové držiaky (doma vyrobené) boli použité ako izolátory prvkov. Táto technológia sa ukázala ako mechanicky málo stabilná a tak prvky a izolátory boli neskôr zlepené s boom-om dvojzložkovým lepidlom.

Tienistou stránkou krátkych yagín s maximálnym ziskom je úzka šírka pásma (144 – 145 pre PSV 1:1,5) a biedny predozadný pomer (napríklad 12,5 dB pre tento design). Keďže ale nie je zamýšľané použitie jednej antény, ale anténnej sústavy, problém s F/B pomerom môže byť efektívne vyriešený vhodným stackovaním. Navrhnutá sústava tiež zlepšuje PSV (vďaka kompenzácii jalovej zložky) – PSV 1:1 v celom rozsahu 143 – 146 MHz. Jednotlivé antény môžu byť horizontálne vzdialené lambda/štvrťkrát a napájané v správnej fáze. V tom prípade je F/B pomer 25 až 30 dB . Vertikálne stackovanie je na obrázku 3.

Obr.3 – rozmery I-stacku štyroch 4 el.yagín. Všimnite si, že vertikálna separácia antén je mnimálne 2,1m a môže byť zväčšená do 2,4 m s prírastkom zisku 0,1dB/0,1m. Vo vrchnej časti náčrtu je možné vidieť pozície, v ktorých sa križuje stožiar s boomom. Vrchná a spodná anténa je pripevnená ku stožiaru medzi D1 a D2, stredné antény sú posunuté o 520 mm dopredu. Z tohto dôvodu káble napájajúce stredné antény majú byť o elektrickú dĺžku lambda/4 kratšie (to znamená, že káble majú mať dĺžku 520mm*rýchlostný_činiteľ (340 mm pre káble s pevným PE dielektrikom a 360 mm pevné PTFE).

Dipól (na obr.4) je klasický skladaný dipól s rovnakými rozmermi ako majú DJ9BV antény, ale s dĺžkou 900 mm a balun je tvorený cievkou z kábla RG-188/RG-316 (obr.5). Dipól je pripojený na boom priamo (trubka dipólu je v strede po dĺžke 25 mm zlisovaný a prevŕtaný. S boomom je fixovaný vhodnou skrutkou.). Rovnaká technika je použitá aj pre pripojenie balunu ku dipólu.

Obr.5 – detail cievkového balunu: sedemzávitová cievka je navinutá z 500 mm dlhého tenkého teflónového kábla (napr. RG-188) na plastové teliesko s priemerom 18 mm (plastová trubka na domové inštalácie) s predvŕtanými dierkami vo vzdialenosti 22 mm, ktoré slúžia na fixáciu kábla. N-konektor je priamo pripojený na RG-188.

Hotový balun je zakrytovaný elektroinštalačnou plastovou krabičkou. Detail dipólu s balunom je zobrazený TU. Autor s anténou na Ljubjanskej fakulte elektroinžinierstva je TU.

Táto anténna sústava sa osvedčila v contestoch (S59DEM/S55A/S53WW) za posledné dva roky v porovnaní s jednou 15 el. DL6WU. Náš hlavný anténny systém sa skladá z dvoch 15 el. DL6WU zostackovaných vertikálne. Má asi o 3 dB väčší zisk (4×4 má dlhší napájač, cca.o 0,5 dB a iba RG-213 ako stackovacie káble (zo starého systému 4×6 el.)).

Robi, S53WW
http://lea.hamradio.si/~s53ww/
Slovenský preklad Viliam, OM0AAO