Magické dvouelementové antény pro KV-6, Double Delta beam podle G3LDO

Honza Bocek OK2BNG nám poskytl neuvěřitelnou pomoc - poskytl nám své články a ujal se sám spravovat novou rubriku o dvouelementových anténách. Navrhl kontaktovat Petra Dodda G3LDO a Lesse Moxona G6XN, kteří by prostřednictvím fóra mohli odpovědět na Vaše dotazy. Děkujeme! Kontakt na autory článku: Jan Bocek OK2BNG, janbocek@mail.tele2.cz, Jiří Škáha OK1DMU, skachaj@volny.cz

Dvouelementové KV směrové anténní systémy vzbuzovaly zájem amatérů celé minulé století a tento zájem zřejmě nepomine ani v budoucnu. Svědčí o tom i mnohé přednášky, probíhající každý rok na sympoziu v Daytonu [47]. Pro připomenutí uvádíme na obr. 1 tvary a rámcové rozměry nejpoužívanějších dvouelementových KV antén, které byly již popsány v tomto seriálu [48-49].

HB9CV, Rudolf Baumgartner navrhl superziskový fázový systém s odstupem prvků 0,125 LMBD. Oba prvky jsou plnorozměrové s délkou blízkou 0,5 LMBD. Výhodou je celokovové provedení a možnost napojit libovolný napáječ [48].

VK2ABQ, Fred Caton se snažil o minimalizaci rozměrů při zachování elektrických vlastností; nakonec dospěl ke štvorcovému půdorysu antény 0,25 x 0,25 LMBD. Zářiče z drátu byly zavěšeny na bambusových podpěrách, důležité je zde řešení zahnutí konci prvků. Po mechanické stránce byl systém náročný na stavbu, protože při menší tuhosti se projevovala „gumovost“ soustavy. Vstupní impedance byla vysoká [38].

G6XN, Less moxon spolupracoval několik let s Fredem VK2ABQ a výsledkem byla anténa se vstupní impedanci 50 OOHH tvaru obdélníku. Ve světě je velmi populární pod názvem Rectangle beam nebo Moxonův beam. Trubkové provedení bylo popsáno ve 3. dílu tohoto seriálu [48].

W4RNL, L. B. Cebik patří k největším publicistům v oboru antén. Pro anténní experimentátory patří jeho stránky již neodmyslitelně mezi oblíbené. Moxonovy antény optimalizoval pomocí různých anténářských programů, zmenšil odstup mezi prvky až na 0,14 lambda a optimalizoval kritickou vazbu mezi konci prvků [39].

G3LDO, Peter Dodd je dalším známým publicistou v oboru antén [51-54]. Značnou část své práce věnuje problematice malých otočných směrových antén pro KV. Ve snahe zachovat plnorozměrové délky prvků použil geometrický tvar prvků podobný trojúhelníku, anténu proto pojmenoval Double Delta – zkráceně DD anténa. Zmenšení celkových půdorysných rozměrů dosáhnul zahnutím drátových konců prvků směrem ke stožáru. Anténa je znázorněna na obr. 1. Její starší drátová verze měla vzájemnou vzdálenost prvků 0,3 LMBD, verze vzniklá dalším vývojem v trubkovém provedení s prodloužením prvků drátovými vodiči má již rozměry podstatně redukovány – vzájemná vzdálenost prvků se snížila na 0,16 LMBD. V důsledku zahnutí konců prvků vychází pak celková délka prvku poněkud větší, než u klasického dipólu. Peter opustil dřívější snahu zachovat vstupní impedanci 50 OOHH; při vzájemné vzdálenosti prvků 0,16 LMBD dosáhnul klasické průměrné vstupní impedance 28 OOHH, obdobné jako u většiny yagi antén.

Popis antény Double Delta – DD-beam

Anténa prošla za posledních dvacet let svým vývojem; v dalším se budeme věnovat pouze provedení základní části antény z kovových trubek podle obr. 1b, viz takové obr. 3. Ráhno a oba prvky tvorí „háčko“, obdobně jako v konstrukcích jiných směrových antén. Jeden prvek – zářič – provedeme dělený jako dipól. Peter, G3LDO, používá sice oba prvky nedělené a zářič napájí bočníkem, ale toto řešení nedoporučujeme, protože měření a naladění prvku do rezonance pak může být složitější. Ke koncům trubkových prvků jsou připojeny měděné izolované vodiče, které jsou napínány nevodivou šňůrou směrem ke stožáru, sledují zhruba průběh hran pyramidy (viz obr. 1a a 1b).

Z elektrického hlediska je zářič antény naladěn do rezonance uprostřed pásma a na maximální předozadní poměr vyzařování F/B je pak anténa dolaďována nastavením délky reflektoru. Zisk v předním směru je poměrně konstantní, se zvyšujícím se kmitočtem poněkud klesá. Předozadní poměr F/B je sice poměrně dost závislý na kmitočtu, v praxi to ale nemá podstatný význam. Situace je znázorněna na obr. 2, kde je zakreslen horizontální vyzařovací diagram získaný modelováním [53]., obdobný výsledek viz třeba [53]. Hodnota zisku vpřed je méně závislá na kmitočtu, než hodnota zisku vzad. Konce prvků jsou blízko sobě se vzájemnou vazbou, podobně jako u Moxonova beamu. Vázba je sice volnější, ale přesto ovlivňuje rezonanční kmitočet antény.

Výroba antény

Tab. 2. Orientační experimentálně ověřené rozměry antény DD-beam, označení odpovídá obr. 3. Celková délka zářiče vychází LZ = 0,576 LMBD = 173/f, celková délka reflektoru LR = 0,5875 LMBD = 176,25/f. Rozměry prvků přizpůsobení gama udávány PRO R 28 OOHH. Vzorec Rozměr [m] 21 MHz 7 MHz A 71,2/f 0,23 LMBD 3,36 10,10 B 71,2/f 0,23 LMBD 3,36 10,10 C 51,4/f 0,17 LMBD 2,42 7,29 D 50,9/f 0,17 LMBD 2,40 7,20 E 52,17/f 0,173 LMBD 2,46 7,40 F 29,9/f 0,10 LMBD 1,41 4,24 G 56/f 0,186 LMBD 2,64 7,94 gama 15,65/f 0,052 LMBD 0,74 2,22

Konstrukce i vlastní zhotovení antény zahrnuje řadu prvků, námětů a možností, podrobně uváděných v předchozích dílech seriálu. V dalším textu je proto již nebudeme opakovat a upozorníme jen na některé specifické momenty.

Tab. 4. Délky kabelu transformačního l/4 vedení 50/28 ohm (v m). Kabel 75 ohm, k = 0,66. Pásmo Délka l [m] 7 MHz 7,05 14 MHz 3,84 21 MHz 2,35 28 MHz 1,68

Anténu lze napájet typicky dvěma způsoby: Anténa s děleným napájeným prvkem podle obr. 3 má impedanci na krajích pásma kolem 28 ohmů – změřený kmitočtový průběh impedance pro anténu pro pásmo 40 m je uveden v tab. 3. K napájení použijeme transformátor impedance – vf vedení o elektrické délce 1/4 LMBD – viz obr. 4. Délky transformačního úseku pro kabely s pevným dielektrikem se zkracovacím koeficientem 0,66 jsou uvedeny v tab. 4. Transformační vedení vytvoříme paralelním spojením dvou úseků kabelu 75 OOHH, takže jeho výsledná impedance bude 37,5 OOHH. Vedení bude jedním koncem připojeno na svorky děleného zářiče, na druhý konec tohoto vedení lze rovnou připojit standardní koaxiální kabel 50 OOHH.

Tab. 5. Rozměry přizpusobovacího úseku gama podle obr. 5 Pásmo A [mm] B [mm] C [pF] D [mm] L(C) 14 MHz 1110 1310 150 85 640 21 MHz 740 940 100 100 510 28 MHz 550 600 75 100 220

Jinou možností je podle původního prameny napájení zářiče pomocí úseku gama – viz obr. 5. Rozměry pro toto uspořádání uvedené v tab. 5 jsou vypočteny pro převod 28/50 OOHH. Za pozornost stojí řešení ladicího kondenzátoru, který je vytvořen vnitřním vodičem s ponechanou PE izolací kabelu RG-213. Tento vodič je zasunut do trubky o vnitřním průměru 8 mm. Mezi vodičem a trubkou naměříme kapacitu asi 200 pF/m. Posouváním vodiče v trubce měníme kapacitu tohoto kondenzátoru a tak můžeme kompenzovat jalovou složku impedance na minimální hodnotu. Nastavením rozměrů A a L hledáme optimální SWR. Trubku musíme utěsnit proti vlhkosti.

Nastavení antény

Nejdříve naladíme zářič – dělený prvek z trubek s připojenými vodiči. Oproti rozměrům z tabulky nejprve zvolíme skutečnou celkovou délku asi o 10 % větší, abychom měli z čeho zkracovat. Prvek upevníme na ráhno a zvedneme do výšky tak, aby dráty visely volně kolmo dolů a jejich konce byly alespoň 3 m nad zemí. Na vodičích si například. izolační páskou označíme délkové značky, abychom v zánětu nastavování nepřehnali zkracování vodičů. Rezonanci budeme hledat tak, aby délka celého prvku byla blízko hodnotě 0,576 LMBD (LMBD odpovídá středu pásma); rezonanci obvykle najdeme v horní části pásma nebo mírně nad pásmem. K tomuto měření stačí SWR-metr. Zatím nás nemusí zajímat absolutní hodnota SWR, která může být (vůči normalizována hodnotě 50 OOHH) i kolem 1,2, ale poloha jeho minima a kmitočtový průběh.

Po doladění zářiče změnou jeho délky kontrolujeme výpočtem, zdá celková délka odpovídá vztahu 0,576 LMBD. Pokud tomu tak není (může být způsobeno jinými průměry trubek a jiným prodlužovacím vodičem), musíme si upravit i vzorec pro výpočet reflektoru tak, aby délka reflektoru byla k délce zářiče v poměru 0,5875/0,576, tedy aby reflektor byl o cca 2% delší. V praxi nám pak dobře poslouží délkové značky na koncích vodičů – označujeme si celé metry au posledního metru deset centimetrů.

Druhý prvek, nedělený reflektor, bude tedy celkově o cca 2% delší než zářič. Reflektor upevníme ve správné poloze na ráhno, prodlužovací vodiče necháme zatím opět viset volně dolů, anténu znovu zvedneme do výšky a měříme opět SWR. Minimum bude kmitočtově o něco níže, než v případě samotného zářiče, vlastní hodnota SWR (vůči normalizovaným 50 OOHH) se zhorší na asi 2,3 až 2,5; to je ale v pořádku, neboť se již projevuje vazba mezi prvky beamu, způsobující pokles impedance. Kdyby naopak bylo SWR stále poměrně dobré, to je asi 1,2, znamenalo by to, že reflektor je dlouhý nebo že vzdálenost prvků není 0,17 LMBD. Kdo má měřicí přístroje RF1, VA1 nebo MJF-259B, může měřit Z a X – příklad měření DD-beamu pro 40 m je v tab. 2. Všimněme si, že při rezonanci antény je hodnota Ra malá a hodnota Xa velmi nízká. Nastavováním rozměrů antény lze dosáhnout nulové reaktanční složky, je to ale pracné a vynulování Xa dosáhneme pouze na jediném kmitočtu. V této fázi, kdy ještě nemáme prodlužovací vodiče definitivně přichycené, se proto spokojeníme s hodnotami Xa nepřesahujícími 20 OOHH na krajích pásma. Údaje jsou sice jen orientační, ale pro praktickou potřebu tento přístup zcela dostačuje.

Anténu s řidiči volně visícími dolů máme tedy zhruba naladěnou, nedočkavci mohou udělat i první QSO. Dalším krokem je úprava antény do definitivního stavu, tedy s vodiči pevně uchycenými ke stožáru podle obr. 3. Tvar antény umožňuje dvojí uspořádání: Drátové prodloužení můžeme upevnit směrem nahoru nad ráhno na prodlouženou část stožáru, nebo směrem dolů ke stožáru. První varianta zjednoduší otázku otáčení antény, protože nad rovinou ráhna můžeme již použít slabší trubku; ve druhém případě musí být trubka pevnější.

Nejdříve napneme pomocí šňůr prodlužovací vodiče zářiče a konce vodičů reflektoru zatím stočíme do klůčka, aby reflektor neovplyvňoval měření. Opět měříme rezonanci zářiče a upravujeme délku jeho vodičů tak, aby rezonanční kmitočet byl mírně nad pásmem. Potom natáhneme ke stožáru i vodiče reflektoru a kontrolujeme rezonanční kmitočet celé soustavy, který by již měl ležet v požadovaném pásmu. U antény pro 40 m vyšla např. délka zářiče 24,5 ma rezonanční kmitočet byl 7150 kHz. Délka reflektoru pak byla 1,02krát větší, tedy 24,5×1,02 =25,0m.

Příklad experimentu pro 40 m Pásmo

Z rozebraného Delta Loopu pro 15 m zůstaly 4 kusy traperovaných prvků s průměrem klesajícím z 35 na 16 mm, každý o délce 5,1m. Konce trubek s menším průměrem měly otvor se závitem M6 pro připojení drátové tětivy původního Delta Loopu. Pro nový beam DD na 40 m byly tyto trubky použity bez úprav (později se při vichřici ukázalo, že při těchto rozměrech jsou trubky 16 mm na hranici použitelnosti, konce prvků se v místě zeslabení mírně ohnuly). Dvě tyto trubky byly izolovaně připevněny na desku z izolačního materiálu (dělený zářič), další dvě na hliníkovou desku (nedělený reflektor). Čtyři dalšími třmeny byly oba takto vzniklé prvky ve svém středu připevněny na ráhno antény OWA pro pásmo 15m. Pro první pokusy byla zvolena délka prodlužovacích vodičů 6,4m. Anténa byla zvednuta 3 m nad zem; rezonovala mírně pod pásmem a měla impedanci 24 OOHH. Pro původní anténu OWA byl nad rotátorem stožár prodloužen o 8 metrů pro vykotvení dlouhého ráhnu 15 m antény. Proto bylo zvoleno upevnění konců prodlužovacích vodičů DD-beamu směrem nahoru. Po upevnění vodičů nahoru ke stožáru se rezonance oproti vodičům volně visícím dolů změnila přibližně o 300 kHz směrem k vyšším kmitočtům, na 7,35 MHz. Proto bylo nutno délku každého vodiče zářiče prodloužit na 7,17 ma délku každého vodiče reflektoru na 7,4 metru. Celková délka zářiče pak byla 24,54 ma délka reflektoru 25,0 ma. K zářiči bylo připojeno transformační vedení LMBD/4 (délky 7 m), vyrobené ze dvou paralelních kabelů 75 OOHH s pevným dielektrikem a zkracovacím koeficientem 0,66, jak je naznačeno na obr. 5. Kabel byl stočen do tvaru cívky a tvoří tak vf tlumivku. Spoje kabelu se musí provést pečlivě a ošetřit vulkanizační páskou proti vlhkosti. Konečná výška antény je 20 m nad zemí, vrcholy prodlužovacích vodičů jsou ve výši cca 28 ma průměrná výška antény je LMBD/2.

Provozní zkušenosti

Pro porovnávání byl použit dipól 10 m nad zemí, šikmý dipól z 18 m orientovaný na západ, Moxonův beam pevně nastaven ve směru V-Z 10 m nad zemí a vertikál vysoký 30 m. Názory na situaci v pásmu 40 ma zkušeností jsou shrnuty v části seriálu o Rectangle beamu pro 40 m [48]. Je to opravdu pásmo kouzelné. S DD-beamem zde zažijete úplně jiné zážitky, než jste zvyklí. Otočná směrovka pro 40 m není zase takovou samozřejmostí, jako například. pro pásmo 21 MHz. Určitě velmi brzy zažijete pile-upy, a to nejen z okrajových částí EU, což je poměrně běžné, ale třeba i takový hodinový pile-up z JÁ a to je velký zážitek. Budete si myslet, že jste na pásmu 15m.

Například při velmi dlouhém QSO v pásmu 7 MHz OK2BNG s JA2DPC se Setsuko velmi podrobně vyptávala na rozměry antény, protože pod značkou N8YL a A35PC používala na 40 m Moxonův beam. Znala jen starší, drátovou verzi DD beamu. Poslala dlouhý dopis, v němž požadovala fotografie. Sama momentálně používá otočný dipól na 40m.

Je nutno ale také přiznat, že při porovnávání dosti často nebyly počuti ty dB navíc a rozdíly mezi anténami lze mnohdy chápat jako subjektivní. Výsledky srovnávání záleží na více faktorech, například. na podmínkách šíření produkujících signál pod různým úhlem dopadu, anténách protistanic i na jejich IQ. Ve všech případech je ale DD-beam směrovkou, vykazující zřetelné směrové vyzařování. Čteme-li například. stanici na šikmý dipól sílou S5, tedy na úrovni šumu 40 m pásma, pak po dosměrování DD-beamu je signál asi o 1 S lepší a tedy čitelnější a komunikace je možná. I když zisk této antény oproti dipólu je jen 3-4 dBd, není vhodné ji podceňovat. Hlavní výhodou je prítomnost nižšího vyzařovacího laloku, který u jiné drátky prostě vůbec není. Rozdíl v signálech pak může být i kolem 20 dB a to už znamená, že slyšíme nebo se dovoláme stanic, o kterých při používání drátu prostě vůbec nevíme. A v tom spočívá přednost i třeba neoptimálně provedené dvouelementové směrovky oproti rovnému drátu, který zrovna nevykazuje výrazné směrové vyzařování.

Popisovaná anténa je konstrukčně jednodušší než hexbeam, popisovaný v minulém díle seriálu (jeho přednostmi jsou ale zase lákavá hodnota vstupní impedance 50 OOHH ao něco lepší zisk). DD-beam lze jen se základním dílenským vybavením bez další pomoci as trochou šťastí zhotovit za jeden až dva víkendy.

V čem je tedy síla této antény? Podívejme se znovu na obr. 1 a uvidíme, že v rozměrech a pak ve vyzařovacím odporu. DD-beam s rozměry odpovídajícími klasické anténě na 15m je funkční v pásmu 40m. Je to neuvěřitelné, ale když byla hotová a dobře fungující anténa OWA pro 21 MHz použita jako konstrukční základ pro DD-beam pro pásmo 7 MHz, bylo to černé na bílém. Hotová anténa DD pro 15m má rozměry odpovídající klasické anténě pro pásmo 6m.

Ostatní typy dvouelementových antén mají přibližně podobné elektrické i vyzařovací parametry. Z teoretického pohledu je samozřejmě velký prostor PRO nejrůznější diskuse, ale praxe bývá milosrdnější. Dvouelementovka zůstane dvouelementovkou, i když fázované systémy (HB9CV) nebo „vazební“ systémy (G6XN) mají své plusy. Společnými předpoklady jsou nakonec hlavně solidní mechanické provedení a možnost nějak dostat anténu do prostoru.

DD anténa je učena všem experimentátorům, kteří z nejrůznějších příčin nekupují komerční antény, ale umožňuje stavbu i těm, u kterých z různých důvodů „normální“ rozměry prostě neprojdou. Například směrovka pro Pásmo 20 m je velká jako barák; DD anténa je čtyřikrát menší. A to už za ten experiment stojí.

Co říci na závěr seriálu?

Jednoduchým směrovým anténám pro KV pásma bylo v naším seriálu věnováno celkem šest článků. Hlavní dôvody a naše vnitřní argumenty pro to, že jsme věnovali čas, energii a práci, spojenou se soustředěním, prověřením podstatných informací a nakonec i se sepsáním pro zájemce a čtenáře vycházejí ze dvou základních konstatování:

1. I nejjednodušší směrová anténa, zejména pokud je otočná a umístěná ve vhodné výši, otevírá pro amatérskou provoz nové obzory a stanici posouvá do zcela jiné technicko-provozní kategorie. Zpřístupňuje oblast světa komunikace, často nedostupnou při používání improvizovaných nebo jinak ošizených antén, zejména „nějak ustřižených dlouhých drátů“, přináší dříve nepoznané zážitky a spojení se stanicemi, která by se jinak neuskutečnila.

2. Komplikované, těžké, rozměrné, optimalizované a profesionálně vyráběné směrové anténní systémy vyžadující masivní stožáry, mohutné rotátory, rozlehlý pozemek, intenzivní kontrolu a údržbu, pojištění (vzpomeňte na letošní vichřice) a pod. mohou mít při vhodném umístění i velmi dobré elektrické a komunikační parametry; většinou mají ale i odpovídající cenu. Předpoklady posunout se na žebříčku stanic výše mají ale i ti, kteří uvedenými možnostmi neoplývají nebo kteří čerpají uspokojeni z toho, když se vybaví vlastnoručně zhotovenou směrovou anténou. Moderní dvouprvkové směrové systémy, zejména v provedení s vhodně redukovanými rozměry, k tomu nabízejí bohaté a zajímavé možnosti, zejména dnes, kdy již není velkým problémem pohrát si s počítačovými modely nebo měřit i poměrně choulostivé elektrické parametry vcelku dostupnými anténními analyzátory. Nebylo účelem zavrhovat drátové antény. Pro LBDXing jsou při umístění v dostatečné výši obtížně překonatelné. Vykazují vyzařovací laloky, které mohou osvětlit Zemi od BY až po KW6 lépe, než DD-beam. Ale to by bylo už o něčem úplně jiném.

Zcela nakonec snad jen skromné ​​přání: Je jasné, že existují operátoři vybaveni bohatými vědomostmi, bohatými zkušenostmi a bohatými možnostmi realizace nebo využívání vysoce výkonných anténních systémů. Pro ty nebyly možná informace ze seriálu příliš zajímavé. Je ale i mnoho ostatních, kterým by mohly jednotlivé díly být zdrojem inspirace, poskytovat náměty pro vyhledávání potřebných informací a povzbudit odhodlání udělat něco pro zlepšení jejich vybavení tak, aby se na amatérských pásmech lépe uplatnily. Věřte, že uklidnění nad zvládnutými problémy za veškerou námahu opravdu stojí. Přejeme hodně zdaru, úspěchů a uspokojení všem.

Literatura
[47] www.cebik.com/FDIM, Dayton 2002
]48] Jan Bocek, Jiří Škáha, Magické dvouelementové směrové antény pro KV – 3, RA 3/2002
[49] Jan Bocek, Jiří Škáha, Magické dvouelementové směrové antény pro KV-4, RA 3/2002
[50] http://www.cebik.com
[51] Peter Dodd, G3LDO, Wire Beam antény a vývoj G3LDO Double-D, RadCom, 6/7–1980
[52] Peter Dodd, G3LDO, Further Evolution of the G3LDO Double-D antenna, RadCom, 4/1990
[53] Peter Dodd, G3LDO, The Antenna Experimenters Guide, RSGB 1991,1996
[54] Peter Dodd, G3LDO, Backyard Antennas, RSGB 2000, 2002
[55] Peter Dodd, G3LDO, Review of the MQ2 Mini-Beam Antenna, Practical Wireless, 8/1999