Jak jsem doma zase jednou vyráběl antény

English version of this article is available here and here.

(By Vlada, OK1VPZ, 2020-05-17 / English version edited and commented by Hartmut, DG7YBN) Více zde!

Na začátku bylo rozhodnutí udělat v klubu něco s anténami na 70cm, A protože jsem před léty udělal vertikální stack 12 x 6 el. Yagi, který dodnes funguje víceméně podle předpokladů, ujal jsem se i tentokrát úkolu upgradovat 10-ti prvkové antény WIMO, které kdysi nakoupil David OK1RK společně s OK1TEH. Ukázalo se totiž, že tyhle antény, sestavené do stacků 8 x 10 el. Yagi "netáhnou" tak, jak by bylo žádoucí. Tu otázku jsme tedy analyzovali a došli k poznání, že problém je komplexní, ale pravděpodobně největší podíl na něm byl způsoben příliš velkou vertikální vzdáleností mezi jednotlivými anténami  a fázovou nekonzistencí, což vedlo ke štěpení vertikálního laloku celého stacku a provozní ztrátu danou nevhodností takového systému při Airplane Scatter propagation. Chtěli jsme antény s konzistentní fází (což se nakonec ukázalo jako největší problém), relativně dobrým SWR, odolností proti rozladění při dešti a mechanickými parametry podobnými dosavadním anténám  - tedy délka cca 150cm, zadní uchycení, boom 15 x 15mm (aby se daly použít existující držáky) a konektorový vývod směrem dozadu.

Obrátil jsem se tedy na Hartmuta DG7YBN, který v současnosti patří mezi nejlepší odborníky na design antén a požádal ho o spolupráci. Hartmut spolupráci přijal (TNX!) a zkusmo navrhnul 9-ti prvkovou anténu, na kterou jsem (pro 16 antén) nakoupil materiál. Nechtěl jsem ohnutý zářič, který je sice "trendy" a má spoustu elektrických výhod, ale protože jsem chtěl bezproblémovou opakovatelnost a konzistentní parametry, požádal jsem DG7YBN raději o rovný, jednoduchý a neskládaný dipól, jako jej známe z konstrukcí DK7ZB. Chtěl jsem totiž z důvodů stejné fáze vyzařování použít mikropáskový transformátor impedance jako u stacku 12 x 6 el - viz zde. Nakonec se ale laminát AD450 nepodařilo sehnat a tak jsem byl donucen udělat transformaci a desymetrizaci impedanci pomocí teflonového kabelu RG 141 - 35 Ohm. který se dá koupit v Itálii. Pustil jsem se tedy do výroby prvního vzorku. Také autor antény na designu dále pracoval a nakonec v daných rozměrech a zisku navrhnul stejně dlouhou a ziskově dokonce mírně lepší anténu, než byla ta dřívější a to dokonce jen s 8-mi prvky - a je zbytečně zde opisovat hodnoty parametrů - najdete je tady na webu autora www.dg7ybn.de

DG7YBN k tomu napsal: má první reakce byla "já přece nedělám konstrukce DK7ZB" (hi). Ale jistě můžu navrhnout design 28 ohmové Yagi s rovným dipólem. Nicméně, buďte si jisti, že i design antény s ohnutým dipólem také funguje jako součást rodiny antén Yagi. Dobrým příkladem  je systém 128 x 11 ele. GTV Yagin u DL7APV a mnoho menších sestav antén používaných pro EME, kde se počítá každá desetina dB! Je ale třeba také říci, že nic není zadarmo. Ohnutý dipól musí splňovat i další parametry, jak se uvádí v článku K6STI o ohnutých dipólech a obvykle potřebné je nastavovat na místě instalace antény. Mít tak druhý parametr v úhlu ohybu původně zavedeného ohýbaného dipólu K6STI je druhým problémem, který musí být řešen na místě. A dodal:
However, I feel honored to work with Vlada on this project. Being part of a larger scale Yagi array build for an experienced contest station like OK2A certainly is a field to gain more experience myself. What started as a modification of the WiMo WY 7010 with Vlada's encouragement and feedback became a self-containing design. I named the Yagi "YBN 70-8z".

První návrh finální antény vypadal takto:

Poznámka: DE znamená "dipole emmiter" (zářič).

Hartmut mi poslal kopii výsledku jeho návrhu v SW EZNEC i srovnání údajů a analýzy dosavadní antény. Hurá - takže jsem hned objednal materiál podle žlutého sloupce (šipka "NO") elektrické délky prvků. Asi po týdnu prvky přišly a já jsem si zkusil takovou anténu postavit s využitím plastových příchytek antény WIMO. Vůbec nefungovala! Teprve potom mne DG7YBN citlivě upozornil, že je nutno brát ty délky s korekcí 4,8mm z důvodu rozměru ráhna a plastových příchytek. Tedy ze sloupce vpravo. No a tak jsem musel prvky objednat a zaplatit znovu... :-)

Anténu jsem postavil hned jak nové prvky přišly s využitím boomu a dílů jedné původní antény WIMO a měřil - první měření vyšlo opět úplně špatně. Konzultoval jsem s Hartmutem den po dni každý krok a posílal mu naměřené hodnoty, dělal doporučené změny a pomalu se blížil k požadovaným parametrům. Nejsem vybaven k měření zisku a předozadního poměru a potřeboval jsem jen antény dobře přizpůsobit, aby opakovatelně měly útlum odrazu alespoň 27dB a v případě zmoklé antény slespoň 22dB na 432,2MHz, přičemž pro 1dB změnu by měly být kmitočtově široké min. 3MHz, aby nebyly extrémně citlivé na zanedbatelné změny rozměrů a okolí. Dost jsem se při nastavování antény naučil. Vedle délky dipólu je asi nejcitlivějším elementem pozice D2. Po dvou týdnech práce jsem doporučil Hartmutovi změnit rozměry prvků takto (červená čísla) s tolerancí + 0 a minus 0.5mm:

Takto vyrobená anténa (ještě s původním boxem dipólu a konektorem výrobce) se konečně tvářila poměrně dobře a přišel tedy čas na ověření opakovatelnosti designu antény při zhotovení jejich většího množství. (min. 16ks). Hartmutova odpověď byla, abych vrátil pozici D1 zpět na 257 mm (měřeno od reflektoru) a že zbytek sice podle jeho analýzy není nejlepší, ale že to mohlo být i horší...

Protože na původních anténách WIMO nebyly namontovány N konektory, které by prošly tímto testem a musely by tedy být vyměněny, což byla finančně poměrně výrazná položka, a protože převrtávání původního, relativně slabého boomu 15x15 mm, by dále oslabilo pevnost antény, rozhodli jsme se, že raději uděláme antény nové, než předělávat ty dosavadní.

Nejprve bylo třeba zvolit způsob výroby dipólu - po dobrých zkušenostech z minulosti jsem použil výrobu kompaktního dipólu zvlášť a jeho následnou instalaci do krabičky. Z laminátové tyčky o průměru 10mm (vyrábí se jako tyčka pro elektrické ohradníky) jsem vysoustružil spojky pro obě poloviny dipólu a nalisoval je do vnitřních konců zářiče tak, aby mezi konci hliníkové trubky zbylo 18 až 20mm. Hliníkové trubičky 10x1mm byly obě dlouhé 143mm.Obě poloviny se tak spojily do pevného celku a skelným papírem jsem zahladil otřepy. Následně jsem vyvrtal cca 4mm od konců AL trubky otvory 3mm pro šroubky dipólu. Celá operace je vidět na obrázcích:

Dalším bodem práce byla výroba vrtací šablony pro polohu jednotlivých prvků na ráhnu. Použil jsem k tomu ocelový U profil 18x18mm s tlouštkou stěny 1,2mm. Protože to vypadalo, že plastová krabička WIMO měla značný vliv na přizpůsobení antény (šroub M4 prochází mezi konci dipólu), dost času jsem strávil na konstrukci vhodné krabičky, která by byla dostatečně pevná (antény na každý závod vozíme), vodotěsná a přitom elektricky neovlivňovala rezonanční kitočet. Nakonec jsem navrhnul použít hliníkový L profil 50x30x2mm, nařezaný na šířku 30mm, který je vložen dovnitř krabičky a nese 2 šrouby M4, které krabičku drží na ráhnu. Myslím, že vše je dost dobře vidět z obrázků zde:

		Otvor pro konektor bude na protilehlé straně
Odříznutá vývodka pro konektor N
Dno krabičky pod úhelníkem je srovnáno do roviny	Otvor pro konektor N má průměr 12mm	L profil 50x30mm, šířka 30mm
Díry pro šroubky mají závit a vzdálenost šroubků M4 pro připevnění k ráhnu je 30mm.	Dno krabičky pod úhelníkem je zafrézováno	Použijte nerezové šrouby M4 x 25mm
Mělo by to na sebe pasovat.	šroubky M3 pro N konektor jsou dlouhé 12mm	šroubky na dipólu jsou pootočené o cca 45°

Objednal jsem nyní kompletní sadu materiálu - v době vrcholu korona krize jsem využíval především e-shopů - například hliníkové díly (ráhna 15x15mm a jednotlivé prvky konstrukce, nařezané na požadované rozměry jsem nakoupil na e-shopu firmy Alupa v Pardubicích. Nařezané díly přišly s přesností do 1mm - většinou + 0,5 až + 0,7mm. Plastové krabičky na zářič antény (SCAMA typ 855) jsem objednal tady - tyto italské rozvodné krabičky mají vodotěsné průchodky pro průměr dipólu 10mm a nám se velmi osvědčily už při výstavbě 12 x 6el. stacku, který používá antény podle DK7ZB. Nu a plastové příchytky pro 8mm prvky jsme koupili u DM3MS.

Udělal jsem do krabiček vložky z hliníkového L profilu 50x30mm o šířce 30mm, které vyztužují krabičky a uzemňují (důležité!) N konektor. Viz obrázky výše. Potom jsem sestavoval antény a nastavoval je. Mám i jinou práci a tak to trvalo dost dlouho, až se Hartmut ptal, co je se mnou. :-)  Tak několik slov k nastavování:

Co budete potřebovat?

a) vhodné místo, kde je možno anténu nasměrovat do nebe a kde v oblasti předpokládaného vyzařovacího úhlu antény (viz výpočet) není žádná překážka. Já jsem tuhle práci dělal na balkóně, kde jsem do rohu zábradlí připevnil jekl 20x20x2 o délce cca 180cm, do kterého se antény postupně zasouvaly.

b) bez měření není vědění. Dobrý ocelový (svinovací) dvoumetr je základem, velká šupléra 310mm je více, než potřebná. Slušný vektorový reflektometr je nezbytností. Ale pozor: malé Mini VNA, se kterými se v poslední době rotrhnul pytel, musí být schopny přesné kalibrace včetně přípojného kabelu cca 2 až 3m, což vždy není samozřejmostí. Proto přišel ke cti postarší Sitemaster. S tím jsem si ale naběhnul i já sám, když jsem si dost často nezkontroloval kalibraci přes kabel a věřil že bude stabilní. Není tomu tak, pokud v dubnovém počasí chvíli svítí Slunko a měřicí přístroj i s kabelem je chvíli rozpálený a za chvíli zase studený, má to negativní vliv i na kalibraci a to je při měření nutno respektovat, jinak budou výsledky klamavé. Je totiž nutné si uvědomit, že kabel vždy nějak transformuje impedanci (reálnou i komplexní část) a výsledky potom neodpovídají skutečnosti. Tedy kalibrovat měřicí systém každou půlhodinu se určitě vyplatí.

A výsledky mé optimalizace? Viz odkaz v závěru článku. Na základě dlouhého měření a "anténního bastlení" jsem nakonec u všech antén použil tyto rozměry:

Vím, nejsou to úplně stejné rozměry, jaké doporučuje DG7YBN. Ale Hartmut se k tomu jistě vyjádří. Rádi zde jeho odpovědi publikujeme.

DG7YBN: Je třeba kompenzovat relativně velký SCAME Box a také výškový posun mezi dipólem a rovinou prvků, který souvisí s použitím tohoto boxu. Obvykle se to provádí oříznutím D1 v poloze a/nebo samotné délce. Ale tady Vlada šel trochu jinou cestou, kterou jsem v simulaci NEC zkontroloval, aby byla v pořádku. A nesmíme zapomenout, že použití transformační linie vyrobené z koaxiálního koaxiálního kabelu 35 ohmů, jak je znázorněno na stránce níže, vede k potřebě impedance 25 ohmů na svorkách dipólu. Tedy bylo potřeba zavést další adaptace a to dobře vyhovovalo experimentálnímu způsobu práce OK1VPZ, který vysvětluje dále na této stránce.
 

Na co je třeba si dávat pozor při nastavování antén?

Přizpůsobování antén s nízkou impedancí zářiče - viz idea DK7ZB dělat antény s impedancí 28 ohm - je složitější v tom, že každý kousek volného vývodu na svorkách antény má nějakou indukčnost a ta se při nízké reálné impedanci obvodu chová jako výraznější posun v oblasti komplexní impedance. Proto u 28-mi  ohmového dipólu je třeba mít co nejkratší vývody - resp. právě takové vývody, jaké jsou zapotřebí pro kompenzaci imaginární části impedance. Trefit to "od oka" mám za vyloučené.

U antény dle tohoto článku je zapotřebí si dávat pozor na délku prvků, jejich odstup a symetrii (aby byl prvek na obou stranách ráhna stejně dlouhý). Pokud tyto rozměry dodržíme se submilimetrovou přesností, není třeba se obávat, že anténa nebude fungovat v pásmu. Pokud je třeba prvky krátit, dbejte na kolmost řezu. Případné použití plastových ucpávek na konci prvku má marginální vliv. Mnohem kritičtější, je to u zářičů: použití 35-ti ohmového teflonového kabelu RG141 (je možno jej koupit v e-shopu RFMicrowave) má délku 1/4 lambda při délce opletení právě 12cm (mezi konci opletení). Pokud bude kabel kratší, bude nízký útlum odrazu - například při 118mm délky bude útlum odrazu třeba jen 17dB, pokud bude delší, rozpadne se minimum útlumu odrazu do dvou minim, které budou kmitočtově tím dále, čím bude delší kabel. Stejné je to s indukčností vývodů u dipólu antény. Tento průběh útlumu odrazu naznačuje, že indukčnost vývodů u dipólu je moc malá a je vhodné ji zvětšit - například odehnutím vodičů od dipólu dále a tento průběh ukazuje opak. Samozřejmě - jde o extrémy - nicméně doporučuji nejprve nastavovat více zářičů v jedné anténě a délkou vývodu u dipólu (nebo jejich naformováním) najít optimalizaci pro každý zářič individuálně. Mně se ukázalo, že při délce vývodů, uvedených zde, mi vychází optimální přizpůsobení tehdy, pokud je na pájecí očko na té straně dipólu, kam se připojuje stínění, nasunut malý, úzký faston - viz obrázek zde - a teprve potom útlum odrazu zkontrolovat při umístění zářiče ve "své" příslušné mechanice antény.

 DG7YBN: Pro prvky antén pro 70 cm pásmo se stává přesnost řezu do 0,5 mm nutností. Hrubé provedení se dotýká designu, ale reálně jde o detaily. Při řezání prvků pro Yagi na 432 MHz není přehnané koupit a využívat velké měřítko posuvného měřítka. Dráty uvnitř dipólové skříňky by měly být obecně vedeny, jak dobře je dokážeme, paralelně s rameny dipólu a ohýbány směrem k přívodnímu vedení pouze na co nejmenší délku. Následující fotografie zapojení Ok1VPZ v krabici SCAME jsou dobrým příkladem, jak se k propojení dostat.

nízká indukčnost vývodu dipólu	průměrná indukčnost vývodů	vysoká indukčnost vývodu

Pokud nastavujete jen anténu jedinou (nebo změnu uděláte u všech antén), tak v malých mezích lze kmitočet nastavení antény zvýšit posunutím D2 vpřed v řádu jednotek mm. Posun D2 je kritický! Kmitočet antény ovšem také souvisí (a to především) s délkou dipólu. Je zajímavé, že délka a poloha reflektoru má jen malý vliv a poloha a délka D1 má spíše vliv na impedanci zářiče, nicméně v případě příliš nízké indukčnosti vývodů u nízkoimpedančního dipólu je to možné poněkud kompenzovat jeho posunem vpřed. To je také důvod, proč mi u zkušební antény s vysokou indukčností vývodů vycházela jeho poloha 266, namísto správných 257mm.. Mimochodem - s tím možná souvisí i celé tohle "nastavování", protože výpočet je proveden pro reálnou část impedance 28 Ohmu a transformační kabel je 35 Ohmů - výstupní impedance by tedy měla být ideálně necelých 44 ohmů a k "doladění" na 50 ohmů je třeba do obvodu zavést další korekční prvky - což jsou ty parazitní indukčnosti a kapacity vývodů. Vyplývá z toho, že starší obvodové řešení, uvedené zde má pro opakovatelnost antén a konzistenci parametrů antén (což je důležité pro anténní sestavy) s malou výstupní impedancí zářiče svůj hluboký smysl - jen ten laminát AD450 již bohužel není k dispozici... Budu hledat jiné řešení pro zajištění plné opakovatelnosti takového mikropáskového přizpůsobovacího obvodu.

Nicméně - aby toho nebylo dost: součástí výroby těchto antén byla potřeba vyřešit jejich odolnost proti dešti. Zalíbilo se mi řešení firmy WIMO, která krabičku zářiče plní stavební polyuretanovou (PUR) pěnou. Ta je po zatuhnutí plná bublin a její dielektrická konstanta bude nízká, ale spolehlivě ucpe všechny netěsnosti a je nenavlhavá. K použití PUR pěny k zatěsnění přizpůsobovacího obvodu svádělo i použití krabičky SCAME, která má při tomto použití jeden nevyužitý "port" tedy utěsněnou průchodku. Vyplnil jsem tedy vyrobené antény pěnou - pozor na to, ať vám tlak pěny krabičku neroztrhne těsnění v této čtvrté průchodce, hi. Když pěna ztuhla (2 dny), měřil jsem antény znovu. U antén s útlumem odrazu 25 až 29 dB se přizpůsobení zlepšilo o 2 - 3dB, naopak u antén se super přizpůsobením (37dB a více) došlo k určitému rozštěpení jednoho minima na 2, nicméně k nějakému výraznému zhoršení útlumu odrazu nedošlo. Je to logické - i když pěna je "řídká" přece v boxu došlo k určitému snížení koeficientu rychlosti šíření a tím i relativnímu "prodloužení" vedení, resp. indukčností u připojení dipólu. V praxi by to nemělo mít žádný vliv. Jen já jsem byl po vypěňování krabiček antén pěkně "zapatlaný"...

Nikoli poslední úlohou bylo zjistit citlivost antén na rozladění deštěm. Použil jsem přitom běžný rozprašovač vody na zvlhčování pokojových rostlin. Netestoval jsem všechny antény, jen 30% z nich. Rezonanční kmitočet antény klesne o cca 2MHz, ale u všech antén zůstane na hranicí 21dB útlumu odrazu. To bych považoval za uspokojivé. Viz obrázky.

Závěr: mimo výše popsané jsem hodně experimentoval s měřením samotného zářiče bez vestavění do mechanické konstrukce antény pomocí kapesního VNA. Pokud vás zajímají výsledky, tak je možné je stáhnout tady, ale předem říkám, že nic rozumného jsem z těch měření nevyčetl. Dipóly jsem měřil takto, ale pokud byste chtěli korelovat výsledky tabulky s konečnými výsledky antén, tak předem upozorňuji, že měření dipólů proběhlo ještě před optimalizací indukčnosti připojení dipólu. Tím netvrdím, že tam korelace není, jen ji nevidím. Na dokončení antén mne čeká ještě dost práce (děliče, kabely, držáky...) a den není nekonečný. V každém případě by stálo za to se ještě více věnovat mikropáskovému přizpůsobení, aby byla zaručena 100% opakovatelnost konstrukce. Chtěl bych ještě požádat o komentář Hartmuta, zejména aby zhodnotil, zda při popisovaném způsobu optimalizace přizpůsobení nemohlo dojít k tak velké fázové nekonzistenci jednotlivých antén, že by to bránilo jejich úspěšnému sloučení do skupin.

DG7YBN: ok, pojďme tedy vypočítat očekávaný maximální fázový rozdíl mezi Yaginami a simulovat dopad posunu fáze u stacku 8 Yagi antén. Odpovídající koaxiální kabel je čtvrtvlnná linie o délce 120 mm. To se rovná 90 stupňům fázového posunu. Odhadněme maximální toleranci řezání a pájení +/- 4 mm. Pokud se 120 mm rovná 90°, pak 4 mm se rovná 3°. fáze.

Nyní můžete upravovat zdroje souboru EZNEC ve skupině 8 Yagi a nastavit některé ze 8 zdrojů na +3 nebo -3 stupně a náhodně, simulovat a porovnat s původním vzorem vertikálního laloku, pokud by byly všechny signálové zdroje na svorkách antén v 0°. fázového zpoždění.

Okno zdrojů programu EZNEC: nahodile vybraná hodnota fázového posunu +/- 3 stupně

Original pattern, free space, all 8 Yagis in phase                                                Comparsion: with and without phase lag of +/-3 deg

Mé zhodnocení (DG7YBN): Nejen zisk, ale ani F/B nejsou zasaženy. Vyzařovací diagram (ve vertikální rovině) je dotčen jen marginálně a to i v případě započtení maximálního simulovaného fázového posunu, který bychom mohli přičítat lehce rozdílným délkám  koaxu, nebo rozdvojeným vodičům na konci koaxiálu uvnitř krabičky.

Nu a poslední slovo OK1VPZ - pokud vás zajímají naměřené výsledky SWR (útlumu odrazu) všech antén, jak se mi je podařilo finálně udělat, tak tady je tabulka:

Podmínky měření: na měřicím stanovišti, 432,2MHz, Sitemaster byl překalibrován na konec cca 3m kabelu (tedy na konektor antény).

Tolik ode mne a Hartmuta a na slyšenou na 70cm během červencového závodu 2020. Snad (ale to se ještě uvidí) už na nové antény

73! OK1VPZ

PS: thanks to Hartmut DG7YBN for antenna design, many consultations and then for article translation, corrections and stack verification! It was a great help!