Naszym zdaniem…i nie tylko.

W publikacji „HF Tribander Performance” autorstwa N0AX i K7LXC znajdziemy ciekawy materiał na ten temat oraz częściową odpowiedź .
Autorzy pokusili się na porównanie kilku popularnych fabrycznych tribanderów. Najciekawsze jest to że porównania zostały zebrane na podstawie pomiarów fizycznych dokonanych w tych samych  warunkach  ( wysokość ,odległość ,otoczenie) a nie na podstawie danych podawanych przez producentów lub symulacji komputerowych. Całość publikacji jest dostępna po kliknięciu w zdjęcie tytułowe powyżej.
Z tabeli pochodzącej z publikacji i zamieszczonej poniżej wnioski są jednoznaczne.Pod względem najważniejszych  parametrów elektrycznych tj: zysk, F/B zdecydowaną przewagę mają anteny wieloelementowe,pełnowymiarowe ,bez trapów.Widać także radosną twórczość producentów w podawaniu parametrów swoich konstrukcji. Weryfikacja parametrów za pomocą programów symulujących w przypadku anten z trapami jest mocno przybliżona ponieważ  wymaga znajomości szczegółowych danych konstrukcyjnych jak np.dobroć obwodów itd dlatego te pomiary są dla nas amatorów tak istotne.

Jedynie anteny firmy „Force 12” są antenami nowoczesnej konstrukcji bez trapów z optymalnym rozmieszczeniem elementów dla każdego pasma na boomie i dedykowaną do pasma ich ilością . Pozostałe konstrukcje to rozwiązania w wielu przypadkach sprzed co najmniej 30 lat i starsze.

GemGem Quad – Canada
Przypadkowa zbieżność nazwy firmy ze znakiem Jurka SP3GEM który razem z zespołem SP3KEY (SP3RBR) opracował antenę 2el QUAD 20/15/10M optymalizowaną w sześciu płaszczyznach. Antena zdobyła bardzo dużą popularność i cieszyła się doskonałą opinią.

Fazowanie anten kierunkowych w pasmach KF

Ten sam sygnał mierzony na dwóch identycznych antenach zainstalowanych na różnych wysokościach nad ziemią ma różną amplitudę i fazę. Warunkiem maksymalnego przyrostu i dodania tych sygnałów jest zrównanie faz oraz amplitud co przy powyższych założeniach jest bardzo trudne. Stosując dwie tak samo zasilane anteny, jedna nad drugą uzyskujemy poprawę sygnału o około 1-1,3 dB co nie jest dużą wartością. W tej sytuacji, dlaczego stosujemy fazowanie anten jak nie ma teoretycznej możliwości na duże przyrosty zysku ? W rozpatrywanym przypadku (anteny na różnych wysokościach)  mamy do czynienia z dwiema indywidualnymi różnymi charakterystykami. W wyniku takiego rozwiązania otrzymujemy bardzo dobre wypełnienie użytecznych kątów elewacji, co jest ważne. Przy fazowaniu anten jedna obok drugiej w odległości jednej długości fali otrzymujemy zwiększenie zysku o ok. 3 dB. Takiej  metody jednak generalnie na pasmach KF nie stosuje się ponieważ kąty promieniowania w elewacji pozostają bez zmian a na dodatek zawęża się główny listek charakterystyki w azymucie. W dalszej części postaram się przekonać, że zmiana  (wypełnienie) kąta elewacji jest ważniejsza niż przyrost zysku o 3 dB.Przedstawmy to na konkretnym przykładzie.

Założenia :

  • Fazujemy dwie anteny AK520 – 5 elementów yagi na 14 MHz. Pierwsza antena powieszona na 24 m druga na 14m.
  • Zakładamy wielkość kątów użytkowych maksymalnie do 40 stopni. Na temat kątów użytkowych jest kilka publikacji i postaramy się je przedstawić w późniejszym terminie.

Zasilając antenę górną (24m) i otrzymujemy charakterystykę jak poniżej  :

Rys 1.

Jak widać maksymalny zysk 14,94 dBi występuje pod kątem 12 stopni. Minimum występuje przy kącie 26 stopni, W tym miejscu mamy zysk -5,4 dBi (czytaj strata)  co pokazuje charakterystyka poniżej (Rys 2):

Rys 2.

Zasilając antenę dolną (14 m) otrzymujemy charakterystykę jak niżej :

Rys 3. 

Maksymalny zysk 14,1  dBi występuje pod kątem 19 stopni.

Zwróćmy uwagę ,że dla kąta 26 stopni (tam gdzie w antenie na 24 m wysokości mieliśmy -5,4 dBi ) zysk wynosi 13 dBi. Dla tego kąta promieniowania dolna antena jest lepsza od górnej o 18,4 dBi co pokazuje charakterystyka poniżej (Rys 4) :

 Rys 4.

Zasilamy antenę dolną i górną (14 ,24 m)  :

Rys.5.

Otrzymaliśmy maksymalny zysk 15,92 dBi przy kącie 13,8 stopni .  Dla kąta 26 stopni zysk wynosi 8,7  dBi.  Jak zauważymy charakterystyka jest lepiej wypełniona w przedziale kątów użytkowych. Przyrost zysku dwóch anten w stosunku do jednej wynosi 0,91 dBi. W wyniku zasilania dwóch anten średnia wysokość jest mniejsza dlatego kąt promieniowania wzrasta o około 1 stopień.

Proszę traktować to rozważanie tylko w celu zrozumienia na czym polega fazowanie anten na falach KF. Odstęp pomiędzy antenami zależy od wysokości górnej anteny jak i długości boomu. W przypadku postawienia anten na zboczu góry praktycznie nigdy nie fazujemy anten, jest to działanie bez celowe. Mamy wiele przykładów złych inwestycji. Nie mówię tutaj o  tych wirtualnych antenach.

Często robimy takie analizy przy wyborze QTH na różnych ekspedycjach. Postaramy się dla przykładu przestawić taką analizę. Zawsze zabieramy anteny odpowiednie dla danej lokalizacji. Jeżeli jesteśmy blisko wody preferencję mają anteny VDA z polaryzacją pionową. Przy pracy ze skarpy np. w kierunku morza anteny o polaryzacji poziomej. Mamy pełna analizę z ekspedycji St. Barts zrobiona przez K1CC . Jeżeli uda się tą analizę przedstawić w języku zrozumiałym nie tylko dla ludzi z branży to pokażemy ją w najbliższym czasie.

Często słyszę zdanie „drugą antenę wieszamy w połowie wysokości” – nie ma nic bardziej mylnego. Dla przykładu poniżej na rys.6 widzimy charakterystykę dwóch anten AK520 powieszonych na wysokości 40 i 20m.

Zadam pytanie kto chciałby mieć taki zestaw anten, ja zdecydowanie NIE.

73 de sp3gem

Transformacja impedancji przy użyciu kabla koncentrycznego.

W celu łatwego przyswojenia sobie na czym polega transformacja impedancji będziemy rozważali dwa podstawowe skrajne przypadki . Pierwszy przypadek to kabel o długości ¼ fali (lambda/4) a drugi o długość ½ fali (lambda/2). Zawsze musimy rozważać długość elektryczną kabla koncentrycznego. Jest to bardzo ważne dlatego trochę więcej czasu poświęcimy temu tematowi. Prędkość rozchodzenia się światła (fala elektromagnetyczna) jest zawsze mniejsza kiedy rozchodzi się w innym środowisku jak próżnia czy atmosfera ziemska. Maksymalna prędkość z jaką może się rozchodzić fala elektromagnetyczna wynosi 299 792 458 m/s czyli 300 000 km/s. Jest to maksymalna prędkość światła wiedząc , że masa fotonu w spoczynku jest równa zeru. W przypadku fali akustycznej prędkość fali może być większa lub mniejsza w innych ośrodkach. Od 1983 r już nie istnieje dyskusja nad prędkością światła ponieważ Generalna Konferencja Miar i Wag ustaliła wzorzec 1 m. Jest to odległość jaką pokonuje światło (fala elektromagnetyczna) w czasie 1/299 792 548 sekundy. Dlaczego ten temat jest tak ważny. Zawsze długość fali jaką obliczymy musimy pomnożyć przez współczynnik skrócenia. Parametr skrócenia mówi nam o zmniejszeniu prędkości fali elektromagnetycznej w danym środowisku, w naszym przypadku w kablu koncentrycznym.

Jako przykład obliczymy długość ¼ fali o częstotliwości 3,750 MHz.

300/3,750=80 m

Czyli ¼ fali wynosi 20m. W zależności od rodzaju użytego kabla współczynnik skrócenia (k) wynosi od ok. 0,6 do ok. 0,87. Załóżmy , że mamy kabel RG213 nie spieniony (izolacja żyły środkowej-polietylen) o współczynniku skrócenia 0,66. W naszym przykładzie ¼ fali obliczamy w następujący sposób. Długość fali dzielimy przez 4 i mnożymy przez k = 0,66

¼ fali = (80×0,66)/4 = 13,2 m

Z doświadczenia wiem, że firmy produkujące kable zawsze zawyżają współczynnik skrócenia dlatego zawsze należy ten parametr pomierzyć. Poniżej przykładowe metody opisane w internecie:

Measuring Quarter Wave Coax Stubs using MFJ Analyzer

Na dzień dzisiejszy mamy do dyspozycji wiele przyrządów pomiarowych. Osobiście nie polecam MFJ chyba, że jesteśmy przekonani o dobrym skalibrowaniu. Mierząc MFJ możemy pomierzyć reaktancję ale nie wiemy jaki ma charakter, pojemnościowy  czy indukcyjny. Dla osób z większym doświadczeniem przy takich pomiarach nie stanowi to większego problemu  Zmieniając częstotliwość w górę lub dół i obserwując jak zmienia się impedancja możemy jednoznacznie powiedzieć jaki charakter ma mierzona antena na danej częstotliwości. Większość przyrządów pokazuje nam bezpośrednio charakter części urojonej.

Tyle wstępu który jest bardzo ważny.

Pierwszy przypadek, kabel o długości ¼ fali jest przedstawiony poniżej:

Rys.1

Z2=ZL x ZL/Z1 – Impedancja linii do kwadratu, podzielona przez impedancję wejściową.

Gdzie :

Z1- impedancja wejściowa

Z2- impedancja wyjściowa

ZL- impedancja linii

Obliczmy jaką impedancję mamy w przypadku jeżeli na wejściu Z1 mamy 50 omów i kabel ¼ fali 75 omów.

Z2= 75 x 75/50 = 112,5 om

Producent podaje impedancję kabla plus minus 5% czyli po transformacji możemy mieć 124 lub 102 omy.

Proszę zauważyć że mając antenę 50 omów i kabel 50 omów SWR jest zawsze 1:1,01 i nie może się zmieniać w zależności od długości kabla.

Zobaczmy (Rys2) co się dzieje jeżeli nasz odcinek kabla o długości ¼ fali o dowolnej impedancji jest na końcu zwarty. Wiemy, że matematyka nie pozwala dzielić przez zero dlatego zakładamy np. że impedancja zwarcia wynosi 0,01 om czyli bardzo blisko zera. Sprawdźmy co się dzieje na drugim końcu kabla. Dla przykładu posłużymy się kablem o impedancji 50om. Z2 = ZL x ZL/0,01 =50 x 50/0,01=250 000 omów czyli w porównaniu do 50 omów jest to praktycznie nieskończoność. Tłumacząc to inaczej jeżeli do linii zasilającej antenę podłączymy równolegle zwarty na końcu kabel długości ¼ fali to system dla danej częstotliwości nie zauważy jakiekolwiek zmiany SWR. Takie rozwiązanie daje nam zwartą antenę dla innych częstotliwości, tłumi parzyste harmoniczne czyli również pracuje jako filtr oraz zwarty koniec możemy uziemić. Jest to ważne przy występowaniu elektrostatyki. W swojej praktyce zawodowej na jednej linii zasilającej antenę montowałem ponad 30 takich pułapek i każda była uziemiona. Takie rozwiązanie było konieczne ponieważ ta antena była używana tylko w czasie sztormów czy burz.

Rys.2

Rozważmy przypadek co się dzieje jak mamy kabel o długości ¼ fali na końcu otwarty czyli impedancja jest nieskończenie wielka. Podstawiając do wzoru mamy impedancję kabla do kwadratu podzieloną przez nieskończoność czyli na drugim końcu mamy zero czyli kabel jest zwarty. W dalszej części pokażę jak możemy to wykorzystać w praktyce.

Przypadek drugi, kabel o długości ½ fali, pokazany poniżej:

Rys.3

Z1- impedancja wejściowa

Z2- impedancja wyjściowa

ZL- impedancja linii

Wzór na obliczenie impedancji po transformacji jest następujący.

Z1 = Z2

Czyli nie ma transformacji. To oznacza, że mając antenę o impedancji 50 omów i zasilając ją kablem o długości ½ fali x k o impedancji 50, 75, 600 omów zawsze będziemy mieli SWR 1. Czyli SWR nie zależy od zastosowanego kabla. Te same zasady obowiązują jeżeli długość kabla powiększymy o „n„ razy gdzie „n„ jest dowolną liczbą. Natomiast w przypadku ¼ fali żeby zachować transformację możemy daną długość pomnożyć przez liczbę nieparzystą. Wygląda to bardzo dobrze gdyby nie fakt, że zazwyczaj odległość nadajnika od anteny jest oddalona o kilka wielokrotności połówek fali i drugi fakt, my nie pracujemy na jednej częstotliwości tylko w określonym paśmie. Teoretycznie jest zawsze możliwość, że dla początku pasma mamy wielokrotność ½ fali a na końcu pasma mamy nieparzystą wielokrotność ¼ fali czyli maksymalną transformację. Jeżeli antena ma impedancję identyczną jak kabel koncentryczny to nie ma znaczenia jakiej jest długości. Z tej przyczyny zawsze stosujemy kabel koncentryczny o takiej samej impedancji jaką ma antena. W przypadku innej impedancji stosujemy transformator żeby spełnić ten warunek

Z tego rozważania możemy wyciągnąć następujący wniosek. Jeżeli nie znamy impedancji anteny a chcemy ją pomierzyć to zawsze musimy używać kabel pomiarowy który jest równy ½ fali lub jej wielokrotności. Nie ma takiego pojęcia jak strojenie anteny długością kabla koncentrycznego. Ta metoda zmienia tylko SWR pomiędzy kablem koncentrycznym a nadajnikiem a nie pomiędzy kablem i anteną.

Dzisiaj już mamy dostęp do dobrych przyrządów pomiarowych i łatwo możemy pomierzyć rezystancję jaki i reaktancję anteny. Impedancję anteny zapisujemy w postaci liczby zespolonej gdzie R –rezystancja jest częścią rzeczywistą liczby zespolonej natomiast X reaktancja jest częścią urojoną liczby zespolonej. Natomiast j jest to jednostka urojona. W matematyce jednostkę urojoną oznacza się literką „i„ ale my elektrycy mamy tę literkę zarezerwowaną dla oznaczenia prądu dlatego część urojoną oznaczamy literką „j„ .

Impedancje Z anteny zapisujemy jako Z = R+jX lub Z = R-jX. Jeżeli będziemy mieli +j to oznacza, że antena jest za długa czyli ma charakter indukcyjny natomiast jeżeli mamy –j to oznacza, że antena jest za krótka czyli ma charakter pojemnościowy.

UWAGA. Jeżeli taką antenę pomierzymy za pomocą kabla o długości ¼ fali to będziemy mieli wynik dokładnie odwrotny. Tak samo jak część rzeczywista podlega transformacji tak i takiej samej podlega część urojona. Inaczej mówią z pomiarów wyniknie, że antena jest np. za krótka a w rzeczywistości będzie za długa.

Znają te podstawowe zasady chciałbym podać przykład jak można wyżej przedstawione zależności wykorzystać ale już w trochę bardziej zawiłych połączeniach. Przedstawię dwie metody fazowania na kablach koncentrycznych dwóch anten typu Yagi. Klasyczny układ fazowania dwóch anten mamy przedstawiony poniżej :

Rys.4

Anteny są połączone dwoma kablami 75 omów ¼ fali. Daje to po transformacji 112 omów. Łącząc je równolegle mamy 56 omów. Uwzględniając tolerancję parametrów jakie podaje producent doświadczenia mogę stwierdzić tylko jeden przypadek gdzie kabel miał więcej niż 75 omów a pozostałe miały w granicach 72 omy. To daje nam po transformacji w granicach 102 omów czyli dwie anteny równoległe pokażą 51 omów. Jedna wada tego systemu. Anteny pracujące pojedynczo są zasilane bezpośrednio, natomiast jeżeli zasilamy dwie to zasilamy przez odcinki kabla ¼ fali. Gdyby antena miała w całym paśmie tylko składową rzeczywistą a nie miała tej części urojonej to wszystko jest OK. Praktycznie zawsze w jakimś punkcie pasma antena będzie miała część urojoną. Jeżeli pojedyncza anteny która jest zasilana bezpośrednio ma część urojoną np. –jX to po zasilaniu przez ćwiartki fali mamy zamianę części urojonej na +jX. Praktycznie nic się nie dzieje ale przy pojedynczej antenie nasz wzmacniacz widział na wyjściu – jX a przy dwóch antenach zobaczy +jX. Chcąc pracować na maksymalnej sprawności musimy zrobić korektę PI filtra.

Na rys. 5 przedstawię podobne rozwiązanie ale już bez tych wad.

Rys 5.

Jeżeli podłączymy nasz kabel zasilający 50 omów z TRX-em w punkcie B i mamy zwarty P2 to sygnał dociera do obu anten w tej samej fazie. Zauważmy, że w punkcie D mamy dwie anteny połączone równolegle. Każda z anten ma impedancję 50 omów dlatego  punkt D musi być  połączony z C i A za pomocą kabla o długości ¼ fali x k o impedancji 75 omów. Takie rozwiązanie daję nam transformację z 50 na 100 omów. Łącząc dwie anteny w punkcie D mamy dwie równoległe  impedancje po 100 omów czyli 50 omów. Rozważmy co się dzieje jeżeli mamy zwarty P1 lub P3. Zwieramy P3 czyli umownie zasilamy górną antenę. Jak widzimy dolna antena jest również podłączona  za pomocą dwóch odcinków o długości ¼ x k kabla 75 omów. W połowie tego połączenia mamy kabel ¼ fali x k 50 omów rozwarty .Przy zwartym P1 lub P3  w obu przypadkach jest otwarty P2. Na otwartym końcu mamy impedancję nieskończenie wielką czyli po transformacji 1/4 fali kabla 50 Omów mamy w punkcie D impedancję zero czyli zwarcie. Punkt D jest podłączony kablami 1/4 fali z A i C. Mając punkt D zwarty (impedancja zero) po transformacji na kablach 1/4 fali daje nam w punktach A lub C  impedancje nieskończenie wielką czyli inaczej mówią antena nie „widzi„ tego odcinka kabla i wszystko co jest poza nim . K1GQ podaje tłumienie sygnału w drugiej antenie 35 dB (punkt C). Ja jak zrobiłem przełączanie na przekaźnikach RM dostałem tłumienie 25 dB. Przy zastosowaniu przekaźników gdzie pojemności miedzy stykami były zdecydowanie mniejsze dostałem tłumienie 36 dB czyli podobne. Co oznacza tłumienie 35 dB ?

Jak widzimy antena 1 ( punkt A) jest połączona fizycznie kablem koncentrycznym 75 Om o długości ½ fali (2x ¼ ) z anteną 2 (punkt C). Zakładamy, że antenę 1 zasilamy mocą 1 KW i obliczmy jak będzie doprowadzona moc do anteny 2. Tłumienie 36 dB daje nam różnice w mocy 3981,1 razy mniejsze. Pisząc prościej antena dolna mimo tego że jest fizycznie podłączona będzie miała doprowadzone tylko 0,25 W.

Vy 73 de sp3gem

Uzupełnienie – pomiar współczynnika skrócenia (k)
Po ukazaniu się powyższego artykułu dostałem kilka telefonów dotyczących pomiarów współczynnika skrócenia kabla koncentrycznego. Pytania głównie dotyczyły w jaki sposób można pomierzyć nie dysponując zaawansowanymi miernikami. Postaram się przedstawić taki sposób pomiarów.
Zakładam, że każdy z naszego grona posiada reflektometr i sztuczne obciążenie 50 omów.
Najprościej wytłumaczę to na przykładzie. Znalazłem kabel zakończony wtyczką typu UC o długości 10,56 m. Drugi koniec ,zwarłem żyłę środkową z ekranem. Zakładam, że to jest 1/4 długości fali.
Całkowita długość fali wynosi:
10,56 x 4 =42,24 m.
Obliczamy częstotliwość odpowiadającą tej długości fali:
F=300/L    F=300/42,24 = 7,1 MHz
Podłączamy TRx,  miernik SWR oraz przez trójnik podłączamy bezpośrednio sztuczne obciążenie 50 omów. Schemat połączenia jest pokazany na rysunku  poniżej. 
 
Użyte kable połączeniowe za TRX-em oraz reflektometrem  muszą być o impedancji 50 omów o długości dowolnej. Tak podłączony układ wskaże nam SWR1:1 bez podłączonego odcinka kabla o którym mowa była wcześniej . Następnie podłączamy w drugi koniec trójnika nasz zwarty na drugim końcu odcinek kabla koncentrycznego o długości 10,56 m. W tym przypadku SWR zdecydowanie wzrośnie. Wiemy, że współczynnik skrócenia kabla koncentrycznego zawsze jest mniejszy od jedynki. Zmniejszamy częstotliwość TRX-a do osiągnięcia minimalnego SWR (1:1). W moim przypadku wypadło to przy częstotliwości 5,85 MHz. Przeliczamy jakiej długości fali odpowiada częstotliwość 5,85 MHz:
300/5,85= 51,28 m
1/4 fali wynosi:
51,28/4=12,82m.
Widzimy że dla częstotliwości 5,85 MHz kabel powinien być długości 10,56m  a nie 12,82m. 
Dzielimy  10,56/12,82 = 0,82 
Pomierzony współczynnik skrócenia tego kabla to 0,82. Widząc zależność liniową pomiędzy częstotliwością a długością fali możemy również obliczyć go dzieląc jedną częstotliwość przez drugą 5,85/7,1 = 0,82.
Warunkiem precyzyjnego pomiaru jest dokładność określenia częstotliwości przy której osiągniemy minimum SWR. Zwiększając moc nadajnika lub (i) zmniejszając zakres pomiarowy reflektometru możemy precyzyjniej odczytać minimum SWR. Pamiętajmy, że przy większej mocy musimy dysponować większą mocą sztucznego obciążenia.
Używając wzmacniaczy tranzystorowych przy takich pomiarach należy brać pod uwagę, że po przekroczeniu pewnych wartości mocy mogą pojawić się w sygnale harmoniczne które będą fałszowały wyniki pomiarów. Również można zwiększyć
precyzję pomiarów robiąc pomiary na trzeciej harmonicznej która wynosi w tym przypadku 5,85 x3 = 17,55 MHz.
Wiem, że będą pytania jak można zobaczyć kiedy pojawiają się  harmoniczne. Podłączamy Pa do anteny i zwiększamy wysterowanie. Jeżeli przy zwiększaniu mocy wyjściowej rośnie nam SWR na danej antenie to jest oznaką pojawienia się harmonicznych. SWR nie jest zależny od mocy. To zjawisko nie będzie występowało przy pomiarach na sztucznym obciążeniu. 
Jurek sp3gem