Ing. T. Dvořák, OK1DE (1962)

Návrh, proměření a správné nastavení směrové antény je jednou z prací, která se prakticky zcela vymyká možnostem běžného amatéra. Je k ní totiž mimo teoretické a praktické znalosti za potřebí nejen spolehlivé zařízení pro měření vysokofrekvenční impedance, či alespoň přizpůsobení antény, nýbrž i speciální stanoviště, na kterém je možno snímat vyzařovací diagramy antény, a to jak v horizontální, tak i vertikální rovině.

Málokdy se proto setkáme v odborné literatuře s popisem směrovky, doloženým opravdu konkrétními výsledky měření, jež většina autorů zpravidla nahrazuje čestným prohlášením, že „popisovaná anténa překonala veškerá očekávání“. Za této situace nezbývá normálnímu smrtelníku nic jiného, než spoléhat na šťastnou náhodu, že si z řady takových popisů vybere právě ten, v němž se autor stejně šťastnou náhodou „strefil“ jak do impedance, tak i vyzařování antény.

Pravděpodobnost dvou za sebou následujících náhod je však v tomto případě tak mizivě malá, že je téměř jisté, že směrovka, kterou si tímto způsobem postavíme, bude mít jeden či více vážných nedostatků. Za největší neštěstí lze přitom považovat okolnost, že se tyto nedostatky jen málokdy projeví tak výrazně, aby přesvědčily majitele zbrusu nové antény, že jeho výtvor, kterému věnoval tolik úsilí, volného času i peněz, je sotva prostřední kvality a že by bylo nejlépe jej od základu rekonstruovat.

Většina amatérů tak používá směrových antén, které jsou buď nevyhovující, či alespoň nedávají optimální výsledky. Ze tato situace panuje i u nás, je zřejmé z toho, že se spojení na vzdálenosti kolem 300 km stále považují za DX, ačkoliv teoretický výpočet, prakticky ověřený dálkovým příjmem televizních nebo FM vysílačů, ukazuje, že by taková spojení měla být zcela běžná i pro průměrně vybavenou a umístěnou stanici.*)

*) Ve výpočtu se uvažuje výkon vysílače 25 W, šumové číslo přijímače F = 4 (6 dB), telegrafický provoz se šířkou pásma 0,5 kHz a na vysílací i přijímací straně směrovky se ziskem 12 dB.

Pokusím se zde proto vyjít vstříc všem, kdo by si rádi postavili spolehlivou, poměrně výkonnou směrovou anténu pro pásmo 145 MHz, popisem Yagiho antény, která byla velmi poctivě proměřena a která je již druhý rok v praktickém provozu s dobrými výsledky.

Anténa je popisována ve dvou variantách, a to s jednoduchým (1R) a trojitým reflektorem (3R). Varianta s trojitým reflektorem byla vypracována na základě provozních zkušeností s jednodušším provedením ve snaze zlepšit činitel zpětného příjmu antény a vřele ji všem zájemcům doporučuji. Komu by se zdála její konstrukce příliš složitá, nebo kdo by si snad chtěl předběžně prověřit zisk antény na jednodušším vzorku, může si zatím postavit prvou variantu (její dodatečné rozšíření je velmi snadno proveditelné), která zůstává pozadu za druhou jen pokud jde o činitel zpětného příjmu a velikost parazitních postranních laloků.

Obr. 1. Vyzařovací diagramy antény s trojitým reflektorem v horizontální rovině pro 144, 145 a 146 MHz.

Obr. 2. Vyzařovací diagramy antény s trojitým reflektorem ve vertikální rovině pro 144, 145 a 146 MHz.

Při návrhu antény byly kladeny tyto základní požadavky (uváděny v pořadí důležitosti):

1. Vysoký zisk při rozumných rozměrech.

2. Hladký vyzařovací diagram, s pokud možno nejmenšími postranními laloky a co nejlepším činitelem zpětného příjmu.

3. Impedance v okolí 280 Ω, dovolující napájení symetrickým napáječem (dvou linkou) i běžnými souosými kabely (koaxiály), (s použitím symetrizátoru, transformujícího v poměru 1 :4).

4. Lehká,jednoduchá konstrukce, uskutečnitelná běžnými domácími nástroji a dovolující rychlou montáž i demontáž (použití na PD!)

Je zřejmé, že některé z těchto požadavku jsou vzájemné v rozporu, takže bude nutno se spokojit určitým kompromisem. Platí to zejména o činiteli zpětného příjmu, který nelze označit za zvlášť vynikající; nastavujeme-li však anténu na maximální zisk a snažíme-li se přitom co nejvíce potlačit postranní laloky, je současné dosažení vysokého činitele zpětného příjmu bez použití zvláštních opatření velmi obtížné, ne-li nemožné.

Obr. 3. Průběh impedance antény s jednoduchým (1R) a trojitým (3R) reflektorem v pásmu 144 až 146 MHz.

Obr. 4. Průběh reálné složky impedance antény v pásmu 144 až 146 MHz (1R - anténa s jednoduchým reflektorem, 3R - anténa s trojitým reflektorem)

Určitým kompromisem musí být nezbytně i zisk antény. Zatím se to navzdory veškerému úsilí nepodařilo otřást základním, všeobecně platným zákonem, že zisk anténního systému je v přímém poměru k jeho rozměrům, vyjádřeným ve vlnové délce pracovního kmitočtu. Jinými slovy - má-li mít anténa velký zisk, musí být i náležitě rozměrná, a to bez ohledu na to, zda jde o anténu Yagi, soufázový systém, trychtýř, parabolu či jiný typ antény.

U směrovek typu Yagi závIsí zisk při optimálním počtu prvků na délce antény, která má pochopitelně své praktické meze. Lze říci, že popisovaná osmi prvková anténa o délce poněkud menší než dvě délky vlny představuje co do zisku praktické maximum, jehož lze ještě dosáhnout běžnými prostředky. Každý další požadavek na zvýšení zisku vyvolává již neúměrné zvětšení nákladů na konstrukci antény. Tato skutečnost vyplyne snad nejnázorněji z úvahy, že pro zvětšení zisku asi o 3 dB bylo by nutno celý systém zhruba zdvojnásobit, tj. zvětšit délku antény asi na 7 metrů! Potíže s konstrukcí i provozem takového monstra byly by již zřejmě neúměrné výhodám, jež může zvětšení zisku o 3 dB přinést.

Elektrické vlastnosti

Co lze od popisovaných antén očekávat, ilustrují nejlépe vyzařovací diagramy na obr. 1 a 2, jež byly sejmuty pro variantu s trojitým reflektorem, a to v horizontální i vertikální rovině pro kmitočty 144, 145 a 146 MHz. Pro poloviční výkon (pokles o 3 dB) lze z nich odečíst šířky svazku 36°, popř. 40°. Podle pramenu [1] odpovídají tyto šířky svazků zisku asi 14,15 dB proti izotropnímu (všesměrovému) zářiči, to je 12 dB proti dipólu. Směrové vlastnosti antény z provozního hlediska popisuje horizontální směrový diagram, z něhož vyplývá, že anténa má činitel zpětného příjmu 16 až 18 dB při potlačení po stranních laloků větším než asi 17 dB. Je pravděpodobné, že poslední hodnota je ve skutečnosti lepší - měřicí stanoviště nebylo totiž zcela prosté odrazů, které patrně způsobily zvětšení postranních laloků a přispěly k nesymetrii měřených vyzařovacích diagramů.

Vyzařovací diagramy antény s jednoduchým reflektorem (první varianta) jsou prakticky totožné s diagramy na obr. 1 a 2 až na to, že činitel zpětného příjmu potlačení postranních laloků je zřetelně menší a dosahuje jen asi 10 dB.

Průběh impedance obou provedení antény je zachycen Smithovým diagramem na obr. 3.**). Průběhy reálné složky obou antén, které mají - jak dále uvidíme - rozhodující vliv na přizpůsobení antény a současně určují volbu napáječe, jsou vyneseny ve zvláštním diagramu na obr. 4. Je z nich patrno, že jednodušší varianta má poněkud vyšší střední hodnotu reálné složky, jež je v tomto případě rovna asi 312 Ω, než varianta s trojitým reflektorem, jejíž střední impedance je asi 263 Ω. Této skutečnosti je pak třeba přizpůsobit i volbu impedance napáječů, jak je blíže vysvětleno v odstavci o napájení a symetrizaci.

Rozměry antény

Délky prvků, jejich vzájemné vzdálenosti a průměry trubek jsou pro obě popisované varianty uvedeny na obr. 5 a související tabulce 1. Rozměry zářiče, tvořeného pro obě varianty stejným skládaným dipólem jsou na obr. 6

K rozměrům antény je třeba vysvětlit několik podrobností. Především je nutno upozornit na to, že chceme-li vlastnosti popisované antény spolehlivě reprodukovat, musíme úzkostlivě dodržet přesné délky prvků a jejich vzdálenosti. Zvláště citlivý je v tomto směru direktor D₁, který leží nejblíže k zářiči a jehož délka silně ovlivňuje jak reálnou, tak i jalovou složku impedance antény (jeho prodlužování snižuje odporovou složku a posouvá impedanční charakteristiku antény ve Smithově diagramu nahoru, tj. do kapacit, zkracování má opačný účinek). Doporučuji současně dodržet i vnější průměry trubek jednotlivých prvků a pokud možno i průměr a tloušťku stěny nosné trubky, která svou tuhostí právě vyhovuje požadavkům na mechanickou pevnost systému bez zbytečné rezervy. Jen v případě, že by se opravdu nepodařilo obstarat přede psané trubky, můžeme použít odchylných průměrů. Lze přitom předpokládat, že odchylky vnějších průměrů jednotlivých prvků o cca ± 1 mm a odchylky nosné trubky o cca ± 2 ÷ 3 mm nijak podstatně neovlivní vlastnosti popisované antény. V případě, že užijeme nosné trubky menšího průměru, bude ovšem třeba dbát na to, aby se vahou prvků neprohýbala, což by mohlo nepříznivě ovlivnit zisk (prvky mají být v zákrytu a upnuty k nosné trubce přesně uprostřed).

Obr. 5. Náčrtek antény s jednoduchým reflektorem (čárkovaně vytaženo její doplnění na anténu s trojitým reflektorem). Míry viz tabulka 1.

Napájení a symetrizace

Má-li anténa bezvadně pracovat, musí být dobře přizpůsobena na napájecí vedení. Prakticky to znamená, že v bodech připojení k, anténě musí kabel „vidět“ impedanci rovnou jeho charakteristické impedanci Z₀. Není-Ii tato podmínka splněna, vznikají na napáječi maxima a minima vf napětí (tzv. stojaté vlny), jejichž poměr je roven poměru impedance antény Z_a k charakteristické impedanci kabelu, tj. činitel stojatých vln σ = Z_a/Z₀. Pro jednoduchost uvažujeme v dalším jako pouze poměr reálných složek příslušných impedancí, protože lze předpokládat, že se jalová složka Z_a při vysílání vykompenzuje doladěním anodového obvodu koncového stupně.

Délky prvků:

D6   : 875  (875)
D5   : 885  (885)
D4   : 889  (889)
D3   : 884  (884)
D2   : 877  (877)
D1   : 890  (910)
Z    : viz obr. 6
R1   : 1054 (1135)
R2,3  : -   (1135)

Vzdálenost prvků:

D6-D5 : 828 (828)
D5-D4 : 621 (621)
D4-D3 : 621 (621)
D3-D2 : 621 (621)
D2-D1 : 435 (435)
D1-Z  : 312 (312)
Z-R1  : 373 (373)
R2-R1  : - (705)
Z-Q*)  : - (190)

* Viz obr.5

Průměr trubek (ve dural):

Prvky včetně zářiče: Ø 14mm
Nosná týč: Ø 30/26
Pomocná tyč (jen pro variantu 3R):
asi Ø 20/18 (není kritické)

Obr. 6. Rozměrový náčrtek zářiče (skládaný dipól) Obr. 7. Upevnění skládaného dipólu na nosné trubce a náčrtek půlvlnné symetrizační smyčky. V dolní části obrázku příklad ukončení kabelu

Je-li hodnota velká, stoupají ztráty vedení, které se při vysílání v napěťových uzlech zahřívá, při čemž může v extrémních případech dojít i k průrazu izolace. Koncový stupeň vysílače nelze dobře zatížit, anténa „netáhne“, anoda elektronky se červená a stupeň má sklon k parazitním oscilacím. Stejně nepříznivě se vysoký poměr stojatých vln uplatňuje i při příjmu, kde ve většině případů způsobí snížení citlivosti přijímače.

Budeme se proto snažit udržet co nejnižší v celém kmitočtovém pásmu, v němž má anténa pracovat, tím, že zvolíme impedanci napáječe tak, aby se co nejvíce blížila střední hodnotě reálné složky impedance antény. Jak již bylo dříve vypočteno, je tato střední hodnota pro prvou variantu antény rovna asi 312 Ω. Z pohledu do tabulky 2, v níž jsou charakteristické hodnoty některých vf vedení, vyráběných n. p. Kablo Bratislava vidíme, že ze souměrných nestíněných napáječů bude pro tento případ nejvhodnější typ VFK 51 (obvyklá televizní dvoulinka černohnědé barvy), která se svou impedancí 300 Ω nejvíce přibližuje požadované hodnotě 312 Ω. Spočteme ještě, jaká bude v uvažovaném rozsahu nejvyšší hodnota σ. Hodnota reálné složky se pro prvou variantu antény pohybuje v rozsahu 144 až 146 MHz mezi 270 a 355 Ω. Těmito hodnotám odpovídají σ = 300/270 = 1,11 a 355/300 = 1,22. Činitel stojatých vln uvedené antény bude tedy při použití napáječe o impedanci 300Ω v celém rozsahu nižší než 1,22. To jé velmi příznivá hodnota, již lze bez dalšího přijmout.

Pro druhou variantu antény s trojitým reflektorem, jejíž odpor je roven jen 263 Ω, bude výhodnější užít souměrného stíněného napáječe VFK 53 (viz tab. 2), který má impedanci 240 Ω. Zcela stejným postupem jako prve vypočteme, že σ pro tuto kombinaci antény a svodu nepřekročí hodnotu 1,27. Použití souměrného napáječe je velmi výhodné a hlavně jednoduché, přece však se vyskytne řada případů, kdy dáme přednost souosému (koaxiálnímu) kabelu. Bude to např. tam, kde není možno vést nestíněný napáječ (dvoulinku) typu VFK 51 dostatečně daleko od vodivých předmětů, nebo tam, kde by byl ve značné délce vystaven účinkům povětrnosti, zejména vlhkosti. Nepatrné ztráty dvoulinky, která za sucha a dokud je nová daleko předčí běžné typy souosých kabelů, totiž omoknutím mnohonásobně vzrostou za současné změny charakteristické impedance se všemi z toho plynoucími nepříznivými důsledky.

Daleko lepší je v tomto ohledu stíněný typ VFK 53, který lze vést v blízkosti kovových předmětů a který díky své trubkové konstrukci lépe vzdoruje účinkům vlhkosti, která do něj v případě, že je na koncích dobře utěsněn, nemůže přímo vnikat.

Souosý kabel je na rozdíl od symetrických napáječů nutno před při pojením k anténě symetrizovat. Nemá-li se totiž porušit symetrie anténního systému, musejí mít obě poloviny zářiče proti zemi stejnou kapacitu. Při přímém připojení souosého kabelu na anténu by nebylo možno tento požadavek splnit, protože plášť kabelu má vůči zemi mnohem větší kapacitu než střední vodič. Je tedy nutno provést symetrizaci za současné transformace charakteristické impedance kabelu, která se pohybuje v okolí 70 Ω, na impedanci antény, tj. asi v poměru 1:4.

Z řady symetrizátorů, splňujících oba požadavky, byl vybrán typ nakreslený na obr. 7. Je to dobře známá symetrizace půlvlnnou smyčkou o elektrické délce rovné půlvlně středního kmitočtu pásma, ve kterém má anténa pracovat. Příslušná fyzická délka smyčky se vypočte ze vztahu

Obr. 9. Provedení reflektorů R2 a R3 srovnej obr. 5. Pomocná nosná trubka je upevněna v hlavní nosné trubce podle obr. 8

l = (150 . k)  /  f   [m; MHz]

kde k je hodnota tzv. zkracovacího koeficientu respektujícího skutečnost, že elektromagnetické vlny v kabelu se šíří pomaleji než ve volném prostoru. Zkracovací koeficient vypočteme jako k = 1 / (ε)^1/2 ze známé dielektrické konstanty ε izolace zvoleného kabelu (viz tabulku 2).

Ačkoliv se všechny tabelované druhy kabelů běžně vyrábějí, je přece jen možné, že se právě požadovaný typ nepodaří sehnat, takže budeme muset využít staršího kabelu, který máme k dispozici. Jeho charakteristickou impedanci vypočteme tak, že změříme kapacitu C kabelu naprázdno a indukčnost L pro zkrat na volném konci. Charakteristická impedance je přibližně rovna:

Z₀ - 1000 (L/C)^1/2   [Ω; μH; pF]

Zkracovací koeficient vypočteme ze vztahu:

k = 4,9 /  (C . log D/d)^1/2  [pF/m, mm]

kde C je kapacita kabelu na 1 m délky, D je průměr nad izolací (tj. vnitřní průměr stínicího pláště) a d vnější průměr vnitřního vodiče.

Pro prvou variantu antény, jejíž střední odpor je roven asi 312 Ω, se hodí nejlépe kabel VFK 39, popř. provedení se středním vodičem z lanka VFK 39,1, jehož impedance 75 Ω se půlvlnou symetrizační smyčkou vytransformuje na 4 x 75 = 300 Ω. Pro druhou variantu antény, která má poněkud nižší impedanci, bude vhodnější použít kabelu VFK 32, nebo VFK 32,1,jehož transfmovaná impedance 280 Ω se více blíží vstupní impedanci antény. (Činitel stojatých vln nepřekročí v celém pásmu hodnotu 1,27.)

Mechanické provedení

Při návrhu mechanického provedení antény bylo dbáno na to, aby její konstrukce byla co nejjednodušší. V souhlase s tím bylo voleno i upevnění prvků, které jsou zcela prostě zastrkány v otvorech vyvrtaných v nosné trubce. Za jištění obstarává jediný šroubek M3, tak jak je to naznačeno na obr. 8. Závit pro stavěcí šroubek lze vyříznout přímo do stěny nosné trubky, jenom v případě, že bychom užili slabší trubky, nebo že bychom závit častým dotahováním při montáži a demontáži strhli, užijeme zakreslené vložky z páskového železa, která se vloží do trubky otvorem pro prvek a je připevněna druhým šroubkem M3.

Při vrtání otvorů je nutno úzkostlivě dbát, aby jejich osy byly přesně rovno běžné, jinak nebudou prvky v zákrytu, popř. nebudou kolmé k nosné trubce. Otvory vrtáme nejlépe na stojanové vrtačce v prizmatu nebo vhodném svěráku, a to s pomocníkem, který zajišťuje správnou polohu vrtané trubky.

Nejprve vyznačíme polohy budoucích otvorů důlčíkem a pak je po jedné straně předvrtáme vrtákem průměru asi 4 až 5 mm. Poslední otvor na konci nosné trubky vrtáme naskrz, při čemž se snažíme, aby osa vrtáku byla kolmá k podělné ose trubky a procházela středem. Poslední otvor pak vrtáme na konečný průměr a to nejdříve z jedné a pak z drahé strany, při čemž nám předvrtané menší otvory zajišťují bezpečné vedení. Do takto připraveného otvoru nastrčíme jeden prvek, který v dalším poslouží, jako přípravek pro orientaci dalších otvorů. Za tím účelem protáhneme jeho vnitřkem olovnici, improvizovanou z provázku a závaží, s jejíž pomocí ustaví pomocník při každém dalším vrtání prvek a tím i celou nosnou trubku do přesně stejné polohy. Další postup je pak již zcela jednoduchý: menší vrták nastrčíme vždy do připraveného malého otvoru, ustavíme trubku s po mocí olovnice a dovrtáme otvor i na druhé (spodní) straně nosné trubky. Když jsou otvory předvrtány, svrtáme je na požadovaný průměr a to nejdříve z jedné strany a pak z druhé, při čemž již není třeba trubku nijak přesně ustavovat. Pokud by se nám přece jen některý otvor nepovedl, je možno ho poopravit dopilováním druhého otvoru kulatým pilníkem přibližně stejného průměru, jako prvky, menší nepřesnosti lze vyrovnat přihnutím prvků.

Podrobnější popis zasluhuje i výroba skládaného dipólu. Je zhotoven ohýbáním z jednoho kusu a to hlavně proto, že tento způsob provedení zajišťuje největší mechanickou i elektrickou stálost. (Vyrábí-li se dipól z více kusů, je bez podmínečně nutno jednotlivé díly svařit - každý jiný spoj časem zkoroduje a pokazí impedanční přizpůsobení antény). K ohnutí potřebujeme větší svěrák, do něhož upneme kulatinu o průměru asi 55 mm, okolo níž budeme trubku ohýbat. Uřízneme asi 2 m trubky, naplníme ji pískem a na koncích pevně zazátkujeme. Pak si z jedné strany vyznačíme přibližné místo ohybu a to tak, aby napájený konec zůstal poněkud delší - oba tyto konce přiřízneme na definitivní velikost teprve nakonec, až už bude celý dipól ohnutý. Trubku nahřejeme nad plynem nebo benzinovou lampou tak, až začne hnědnout a pak opatrně ohýbáme (pozor! dural snadno praská). Když je jeden ohyb hotový, rozměříme přesně místo druhého ohybu a stejným způsobem jej provedeme. Napájené konce dipólu pak přiřízneme tak, aby byly přesně uprostřed s mezerou asi 10 mm a provrtáme do nich otvory Ø s 3mm pro upevňovací šroubky M3, které zároveň drží pájecí očka pro připojení napáječe (viz obr. 9). Ve středu horní části vyvrtáme stejný otvor pro třetí upevňovací šroubek.

Způsob, jímž je skládaný dipól připevněn k nosné trubce, znázorňuje obr. 7. Je přišroubován třemi šroubky M3 na základním špalíku ze super pertinaxu (postačí i obyčejný pertinax, popř. gumoid), jehož středem je provrtán otvor pro nosnou trubku. Špalík je na nosné trubce aretován šroubkem M5. Pokud bychom neměli k dispozici materiál potřebné síly, lze špalík složit z většího počtu destiček. Mezi napájené konce dipólu a základní desku jsou vložena pájecí očka, celek se pak pevně stáhne šroubky M3, jejichž matky jsou uvnitř trubek (kdybychom vedli stahovací šroubky trubkami a matky umístili vně, nebylo by totiž dotažení možné, protože by se trubka zploštila). Horní připevňovací šroubek dotáhneme jen volně.

Na očka je připájena symetrizační smyčka, kterou mechanicky zajišťuje příchytka z hliníkového pásku tak, aby se očka případnými výkyvy dosti těžké smyčky neulomila. Otvory pro očka vrtáme pokud možno co nejvíce u kraje napájených částí dipólu a délku volného spoje mezi koncem, pláště kabelu a konci dipólu se snažíme udržet co nejkratší - tvoří totiž nežádoucí parazitní indukčnost, zapojenou v sérii s impedancí antény.

Smontovaný dipól zvláště konce kabelů a přípojná očka je nutno pečlivě chránit před vlhkostí a korozí. Rovněž je nutno se pojistit proti vnikání vlhkosti do základního špalíku, zvláště je-li složen z destiček. Celý komplet proto natíráme roztokem trolitulu v tetrachloru tak dlouho, až je vše povlečeno souvislou uzavřenou vrstvou trolitulu. Potřebný trolitul získáme buď koupí krabice na rybářské mušky (vyráběly se z trolitulu!) nebo rozpustíme větší počet tělísek, na něž se obyčejně vinou cívky pro střední a dlouhé vlny (trolitulový roztok získaný z tělísek bude ovšem černý). Pro úplnost je na obr. 7. dole nakreslen ještě i elegantní způsob ukončení kabelu. Kabel se nejprve asi 3 cm před koncem zbaví PVC pláště, obnažené stínění se pak opatrně jemným pilníčkem očistí (pozor, aby se přitom drátky příliš nerozcuchaly!) a bez dlouhého vyhřívání předběžně ocínuje. Takto připravený konec pak ovineme asi 10 závity předem ocínovaného měděného drátku a vzniklý prstenec ocínujeme tak, až se vytvoří pěkná lesklá cínová manžeta. Zbytek stínění vyčnívající zpod manžety pak opatrně ořízneme, při čemž dbáme, abychom neuřízli i duši kabelu. Tu necháme asi 4-5 mm vyčnívat zpod manžetky a pak teprve ořízneme až na střední vodič. (Pozor na to, aby se vnitřní vodič ani trochu nepoškodil!) Spojení plášťů jednotlivých kabelů v symetrizační smyčce provedeme tak, že jednotlivé manžetky k sobě přitáhneme a spájíme. Způsob upevnění horního a dolního reflektoru na pomocné nosné trubce (Ø asi 20/18) znázorňuje obr. 9. Asi 2 cm před koncem vyvrtáme otvor, kterým prostrčíme šroubek M4, sloužící jako závlačka pro šroubek s očkem (zhotovíme jej buď ohnutím delšího šroubu M4, nebo tak, že jeho hlavu rozpálíme a vytepáme do plošky, ve které pak vyvrtáme otvor), který přitahuje reflektor do prizmatické drážky. Tu s trochou dobré vůle a notnou dávkou sebeovládání nakonec přece jen vypilujeme do konce pomocné trubky trojhranným pilníkem tak, aby oba reflektory byly rovnoběžné a kolmé k pomocné trubce. Aby se při pevném dotažení trubka reflektoru nezdeformovala, je stahovací matka vypodložena půlkou trubky stejného průměru jako reflektor. Pomocná nosná tyč je připevněna na hlavní nosnou tyč stejným způsobem jako prvky.

Zbývá ještě se krátce zmínit o připevnění celého systému na stožár. Osvědčený a velmi jednoduchý způsob je znázorněn na obr. 10. Základní deska zhotovíme ze železného plechu síly asi 2÷3 mm, který ještě vyztužíme ohnutím dvou okrajů. Příchytky, jimiž jsou trubky opásány, zhotovíme ze silných drátů ( nejméně 4 mm), které uštípneme na potřebnou délku, na konči opatříme závitem a pak ohneme kolem příslušné trubky na požadovaný tvar.

Když jsme již věnovali zhotovení antény tolik péče, vyplatí se postarat se i o dokonalou povrchovou úpravu částí, které by jinak brzy zrezivěly. Nejlépe je dát všechny železné části pokadmiovat do některého družstva, které pro vádí podobné práce (stříbření reflektorů automobilů!). V nouzi postačí alespoň všechny tyto části dobře natřít barvou, kterou natřeme i všechny šroubky tak, aby byly jejich závity chráněny proti po větrnosti a zároveň zajištěny proti uvolnění.

Výsledky

Jak již bylo dříve uvedeno, má popsaná anténa zisk proti dipólu asi 12 dB. To znamená, že dává při příjmu proti dipólu, umístěnému ve stejném místě, čtyřikrát větší napětí signálu (napěťově jsou decibely rovny 20.log u₁/u₂. Ještě lepší je situace při vysílání, kde násobí výkon dodávaný vysílačem do kabelu šestnáctkrát (4² - výkonové decibely jsou 10.log N₁/N₂). Dodává-li tedy náš vysílač do kabelu 20 W vf výkonu, září anténa v hlavním paprsku tak, jako by zářil dipól, do kterého bychom dodávali 320 W! Opatří-li si náš protějšek podobnou anténu a nasměrujeme-li se vzájemně na sebe, odpovídá napětí na vstupních svorkách jeho přijímače napětí, pro které by bylo při oboustranném použití dipólu nutno dodat do vysílacího dipólu výkon 5,12 kW!

Velmi zajímavá je i otázka, jaké rozšíření průměrného dosahu lze při použití popisované antény očekávat. Z experimentálně zjištěných křivek troposférického šíření vyplývá, že průměrný dosah stanice amatéra, který dosud používal jen dipólu, se rozšíří asi o 100 km, dosah stanice vybavené směrovkou se ziskem proti dipólu rovným 6 dB (tento zisk vykazuje převážně většina amatérských pětiprvkových směrovek) se rozšíří průměrně o 50 km.

Popisovaná směrovka není ovšem ještě posledním slovem, co se anténních systémů týče. Její impedance rovná asi 280 Ω je totiž jako stvořena k tomu, aby se spojily čtyři takové antény (dvě nad sebou a dvě vedle sebe ve vzdálenostech 1,5λ) jsou pro daný systém optimální), čímž obdržíme v napájecím bodě impedanci 70Ω a v hlavním paprsku zisk asi 18 dB.

Představme si nyní koncesionáře třídy A, který využívá povoleného příkonu 200 W, tj. disponuje asi 150 W vf výkonu do kabelu. Při použití uvedeného čtyřčete, jež násobí výkon v hlavním paprsku 64krát, září tedy v příslušném směru výkonem 9,6 kW! Protějšku opatřenému stejnou anténou by se jeho výkon jevil rovný výkonu 64x9,6 = 610kW!

Jaká spojení by mohli dva takto vybavení amatéři dokázat, vyplývá nejlépe z praktického srovnání s televizním vysílačem Drážďany, který většina našich VKV amatérů sleduje na kmitočtu 145,261 MHz. Vyzářený výkon této stanice (tj. výkon dodávaný do antény krát zisk anténního systému) je roven asi 16 kW, takže se amatérům, přijímajícím na směrovky se ziskem 6 dB, jeví jako by zářila výkonem 64 kW. Kdybychom umístili našeho koncesionáře s čtyřčetem v Drážďanech a jeho protějšky vybavili místo směrovkou se ziskem 6 dB stejnou anténou, slyšeli by jej při vzájemném nasměrování třikrát silněji než drážďanskou televizi!

Literatura:

[1] B. Sieber: Výpočet směrovosti antén s vyzařovacím diagramem s velmi malými postranními laloky. Slaboproudý obzor, č. 2, 1956,

[2] Greenblum C.: Notes on the Development of Yagi Arrays. QST, č. 8 a 9, 1956.

[3] Kmosko J. A.: Long Long Yagis. QST č. 1, 1956.

[4] Kasper H. W: Optimum Stacking Spacings in Antenna Arrays. QST č. 4, 1958.

[5] Kasper H. W.: Array Design with Optimum Antenna Spacing. QST č. 11, 1960.

AR 2/1962

SMĚROVKA OK1DE PRO PÁSMO 145 MHz [1964]

Ing. T. Dvořák, OK1DE

Směrovka, popsaná v AR 1/62 v článku „Anténa Yagi pro 145 MHz“, se v poslední době velmi rozšířila mezi našimi i cizími amatéry. Mnoho zájemců o její stavbu si však stěžuje na to, že trubky Ø 14 mm, z nichž byla anténa konstruována, nejsou běžně k dostání. Bylo proto vylaborováno nové provedení této antény z trubek běžně vyráběného průměru 10 mm, které svou menší vahou zároveň šetří i kapsu. Z variant antény, uvedených v původním článku, byla přitom vybrána varianta s trojitým reflektorem, o kterou byl největší zájem. Anténa byla vypracována pro dvě různé jmenovité impedance, a to pro 150 a 300 Ω‚ přičemž bylo dbáno, aby rozměrové odchylky obou provedení byly co nejmenší a zejména aby byl co nejvíce usnadněn přechod z jedné impedance na druhou. Obou vyvinutých variant antény lze používat jako dílů stavebnice a složit z nich několik různých anténních soustav od jednoduché desetiprvkové antény až do čtyřicetiprvkového čtyřčete; přitom je možno přejít z provedení 300 Ω na provedení 150 Ω nepatrnou změnou délky prvního a druhého direktoru a posunutím zářiče na nosné tyči.

Rozměry antény pro impedanci 300 Ω jsou naznačeny na obr. 1. Změny platné pro impedanci 150 Ω jsou u příslušných kót vyznačeny v závorkách, všechny ostatní kóty jsou pro obě provedení stejné. Stejný je i skládaný dipól, jehož rozměry zachycuje obr. 2.

Anténní prvky včetně skládaného dipólu jsou z duralových trubek o Ø 10 mm, nosná tyč je rovněž duralová trubka o Ø 28 mm a síle stěny pouze 1 mm (může být ovšem i silnější!).

Je třeba zdůraznit, že mají-li zůstat zachovány příznivé vlastnosti antény a hlavně její dobré přizpůsobení, je bezpodmínečně nutné dodržet vnější průměry prvků i hlavní nosné tyče! (Nezáleží jedině na průměru pomocné nosné tyčky reflektorů R_2,3.) Právě tak se nesmí měnit způsob upevnění prvků, které musí být prostrčeny nosnou tyčí způsobem, naznačeným na obr. 3.

Jakékoli konstrukční „vylepšení“ antény např. tím, že se prvky namontují na izolační nebo vodivé špalíky, popř. že se použije nevodivé nosné tyče atd., má za následek vážné porušení impedančního nastavení se všemi z toho vyplývajícími důsledky! Při předepsaném upevnění podle obr. 3 je totiž každý prvek v určité části své délky přemostěn nosnou tyčí. Použijeme-li nosné trubky jiného průměru, nebo upevníme-li prvky jiným způsobem, změní se délka shuntu a prvky je třeba znovu nastavit.

Je nutno si uvědomit, že délka, průměr, vzájemné vzdálenosti a způsob upevnění prvků jsou u směrové antény právě tak důležité jako např. kapacita a indukčnost u laděného obvodu. Změníme-li některý z těchto parametrů, nemůžeme očekávat, že vyladění zůstane zachováno!

Podrobné pokyny pro konstrukci antény jsou uvedeny ve výše citovaném článku, jehož opětné přečtení doporučuji. Změna je pouze ve způsobu, jak jsou prvky přišroubovány. Místo v nosné trubce je teď závit M3 vyříznut skrz na skrz jednotlivými prvky, což zrychluje montáž antény, zajišťuje centricitu prvků a má zároveň příznivý vliv na pevnost spojení prvků s nosnou tyčí.

Vzhledem k použití tenkých trubek lze podstatně zjednodušit i výrobu skládaného dipólu. Trubku již není nutno plnit pískem a ohřívat - ohne se pohodlně za studena, nejlépe s pomocí přípravku podle obr. 4. Je tvořen dvěma kladkami o průměru 43 mm s přečnívajícími okraji, které přišroubujeme na silnější prkno tak, aby mezi jejich středy byla vzdálenost 900 mm (trubky se při ohnutí poněkud zploští). Vzdálenost mezi středy si rozdělíme na polovinu a na prkno narýsujeme příčnou osu dipólu. Pak zarovnáme jeden konec připravené trubky délky asi 215 cm a vhodnou příchytkou ji uchytíme co nejblíže kladky, kolem které začneme ohýbat tak, aby zarovnaný konec byl právě 5 mm od příčné osy dipólu. Ohneme trubku kolem prvé kladky a pak kolem druhé, ohnutý dipól sejmeme s kladek, které se za tím účelem musí odšroubovat. Pře čnívající konec trubky nakonec zařízneme tak, aby mezi napájenými konci skládaného dipólu byla mezera 10 mm. Kladky se vyrobí nejlépe z tvrdého dřeva a to tak, aby po přišroubováni byla mezi jejich přečnívajícím okrajem a prknem mezera v síle trubky, tj. 10 mm. Trubka je pak při ohýbání pevně vedena a zploští se jen nepatrně. Přečnívající okraj i upevňovací šroub kladky musí být samozřejmě dostatečně pevný, aby snesl tlak ohýbané trubky.

Obr. 4. Přípravek k ohýbání skládaného dipólu kolem dřevěných kladek, přišroubovaných k silnějšímu prkénku

Obr. 5. Impedanční charakteristiky antény 300 a 150 Ω. Pro každou anténu je zvlášť vyznačen průběh reálné (R) a jalové složky (X)

Při rozměřování vzdáleností a délek prvků je nutno věnovat největší péči přesnému vyměření prvého a druhého direktoru, jejichž délky i vzdálenosti jsou nejvýš kritické. Platí zde dvojnásob staré pravidlo: „Dvakrát měř, jednou řež !“

Po dokončení všech detailů lze při kročit k montáži. Hotová anténa má technické parametry podle tabulky 1. Průběh její impedance zachycuje obr. 5, horizontální vyzařovací diagramy jsou na obr. 6. Vertikální diagramy jsou v podstatě totožné s diagramem, naměřeným pro anténu s prvky Ø 14 mm, který je uveden v původním článku.

Napájení je nejjednodušší při použití jediné antény. Anténu provedeme na impedanci 300 Ω a napájíme ji buď dvoulinkou, nebo souosým (koaxiálním) kabelem 75 Ω přes symetrizační transformátor, tvořený půlvlnnou smyčkou, který transformuje impedanci v poměru 1:4. Výhody i nevýhody obou způsobů napájení i výpočet správné délky smyčky, popř. určení impedance a zkracovacího koeficientu neznámého kabelu jsou popisovány v prvém článku a nebudeme je zde proto opakovat. Jak již bylo řečeno úvodem, je možno z vyvinutých variant mimo jednoduchou anténu vytvořit i dvojče, trojče, popř. čtyřče. Odpovídající, sestavy antén jsou schématicky znázorněny na obr. 7.

Nejjednodušší a v praxi nejsnáze proveditelné je dvojče podle obr. 7a. Je sestaveno ze dvou antén 150 Ω‚ řazených vertikálně nad sebou a vzájemně spojených symetrickým vedením 150 Ω‚ které lze zhotovit např. ze dvou kabelů 75 Ω podle obr. 7d. Vedení může mít libovolnou délku, musí se jen dbát na to, aby bylo symetrické a aby oba napájecí body, označené na obrázku zakroužkovaným písmenkem x, byly přesně uprostřed. Oba požadavky jsou splněny, jsou-li úseky kabelu označené na obr. 7a jako q přesně stejně dlouhé. Pláště kabelů jsou přitom nahoře i dole spájeny, uprostřed se rovněž všechny čtyři pláště spojí dohromady. Při spojování je třeba dbát, aby indukčnost spojení byla co nejmenší, pláště je proto nejlepší opatřit pocínovanou manžetkou jak bylo popisováno v prvém článku, položit je přímo na sebe a spájet. Současně se doporučuje pláště uprostřed uzemnit na stožár.

  Tabulka 1.

  Technické vlastnosti antény OK1DE, provedení z 10 mm trubek
  (délky a vzdálenosti prvků viz obr. 1)

  Počet prvků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
  Zisk proti dipólu . . . . . . . . . . . . . . . . 11 až 12 dB
  Šíře svazku pro pokles napětí 3dB
   v horiz. rovině  . . . . . . . . . . . . . . . . max 39°
   ve vertik. rovině  . . . . . . . . . . . . . . . max 40°
  Potlačení parazitních laloků a zpětného příjmu. . min 14 dB (16 dB)
  Poměr stojatých vln:
   144 až 145 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . max 1,41 (1,5)
   144 až 146 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . max 2,45 (1,9)
  Reflekční koeficient:
   144 až 145 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . max 0,17 (0,2)
   144 až 146 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . max 0,42 (0,31)
  Jmenovitá impedance . . . . . . . . . . . . . . . 300 Ω (150 Ω)

  Maximální délka	. . . . . . . . . . . . . . cca 3,81 m
  Maximální šíře  . . . . . . . . . . . . . . . . . cca 1,135
  Spotřeba materiálu. . . . . . . . . . . . . . . . Ø 10 mm cca 12 m
  (duralové trubky)                                 Ø 28 mm cca 3,85 m
                                                    Ø 15 mm cca 0,8 m

  Pozn.: v závorkách uvedené hodnoty platí pro provedení se jmenovitou
  impedancí 150 Ω. Hodnoty uváděné pouze jednou platí pro obě provedení
  antény.

Pokud jde o vzájemnou vzdálenost jednotlivých antén v soustavě, existují dvě kritéria nastavení. Prvým kritériem je co největší potlačení postranních laloků, druhým dosažení největšího zisku. Vzdálenosti, odpovídající oběma nastavením, nejsou stejné, pro dosažení největšího zisku je nutná větší vzdálenost než pro maximální potlačení. Absolutní hodnotu vzdálenosti přitom ovlivňuje i zisk jednotlivé antény - čím větší zisk, tím větší musí být i vzájemné vzdálenosti v soustavě. Lze si to velmi zjednodušeně vysvětlit asi tak, že anténa se ziskem odčerpává energii z většího prostoru kolem sebe než např. dipól; říkáme, že má větší efektivní aperturu. Při řazení takových antén k sobě pak musíme dbát na to, aby se jejich efektivní apertury nepřekrývaly, jinak by jedna z antén čerpala energii z již „vypotřebovaného prostoru, což by melo nepříznivý vliv na její zisk. Je samozřejmé, že podobné nepříznivé ovlivnění mohou způsobit i všechny ostatní vodivé předměty, takže je v praxi nutno dbát na to, aby antény s velkým ziskem měly kolem sebe dostatečně velký volný prostor. Pro soustavy popisované v tomto článku by např. vzdálenost cizích předmětů od kteréhokoli bodu antény neměla být menší než asi 250 cm. Kritériem volby vzdáleností, jak jsou naznačeny na obr. 7, bylo dosažení maximálního zisku při potlačení po stranních laloků asi o 10 dB. V případě, že by dodržení těchto optimálních vzdá leností pro trojče a čtyřče působilo konstrukční potíže, je možno použít vzdálenosti předepsané pro dvojče - zisk klesne jen nepatrně, protože potlačení ztrátového záření do postranních laloků jeho úbytek do jisté míry vyrovnává. Totéž platí samozřejmě i pro dvojče, kde je možno v případě nutnosti zmenšit vzájemnou vzdálenost až asi na 280 cm, aniž by vlastnosti antény nějak podstatně utrpěly.

Obr. 6. Vyzařovací diagramy obou provedení antény v horizontální rovině. Hlavní lalok se v rozsahu 144-146 MHz prakticky nemění, zpětné záření a parazitní laloky jsou pro obě provedení antény naznačeny jen pro střední kmitočet pásma. Změny pro kmitočty 144 a 146 MHz nejsou podstatné

Další redukci však již v žádném případě nedoporučujeme, a to nejen proto, že zisk začne rychle klesat, nýbrž i z toho důvodu, že stoupá vzájemná vazba mezi anténami, která ovlivní velikost i kmitočtový průběh impedance soustavy.

Schéma zapojení trojité antény je na obr. 7b. Ač je tato varianta již značně rozměrná (systém je skoro 7 m vysoký!), přece jen ji lze stále realizovat snadněji než čtyřče. Je složená nahoře i dole z antén o impedanci 300 Q, uprostřed je anténa 150 Ω.

Napájení je u této anténní soustavy složitější než u obou ostatních systémů. Vedení od horní a dolní antény k společným napájecím bodům musí totiž mít impedanci 300 Ω, zatímco vedení mezi těmito body a prostřední anténou musí mít impedanci 150 Ω. Máme tedy celkem tři vedení, z toho dvě třista-ohmová a jedno stopadesáti-ohmové. přičemž požadujeme, aby všechna měla přesně stejnou elektrickou délku tak, aby napětí, přivedená od jednotlivých antén ke společným napájecím bodům (při příjmu; při vysílání obráceně), byla co nejpřesněji ve fázi.

Požadavek lze splnit velmi lehce pro obě vedení 300 Ω. Fyzicky stejně dlouhé úseky kabelů téhož typu mají totiž i stejnou elektrickou délku. Pro kabely tvořící vedení 150 Ω, je již věc složitější, protože jsou nezbytně jiného typu než kabely, ze kterých jsou sestavena obě zbývající vedení. Budou tedy mít odlišný koeficient zkrácení.

Nejsnáze se věc řeší, jsou-li koeficienty zkrácení obou typů použitých kabelů udány přímo výrobcem, nebo můžeme-li je vypočíst z jiných známých parametrů kabelů. Způsob výpočtu je popsán v již dříve uvedeném článku v AR 1/62. K určení nejběžnějších typů kabelů, vyráběných n. p. Kablo Bratislava, poslouží připojená tabulka 2., ve které jsou uvedeny i ostatní údaje, zejména měrné tlumení.

Známe-li délku vedení 300 Ω  a zkracovací koeficienty obou použitých typů kabelů, lze délku vedení 150 Ω vypočíst z jednoduchého vztahu:

l₁₅₀ = l₃₀₀  (k₃₀₀ / k₁₅₀) ,

kde l₁₅₀, l₃₀₀ značí fyzické délky, k₁₅₀ a k₃₀₀ koeficienty zkrácení použitých vedení.

Nejčastěji však nebudeme mít k dispozici ani hodnotu koeficientu zkrácení, ani jiné údaje, z nichž bychom mohli potřebné parametry spočítat. V tom případě zjistíme správnou délku vedení nejlépe pomocí dipmetru tak, že jeden z kabelů, tvořících vedení 300 Ω, jehož délka cca 3,5 m je dána vzdáleností antén, na jednom konci zkratujeme. Dipmetrem, přiblíženým k otevřenému konci kabelu, jehož žílu necháme asi 2 cm vyčnívat, se pak pokusíme zjistit rezonanční kmitočet takto vytvořeného čtvrtvlnného úseku, který by měl ležet v okolí 15 MHz. Nepodaří-li se nám rezonanci najít, hledáme na lichých násobcích 15 MHz.

Stejným způsobem si pak připravíme a měříme kabel vedení 150 Ω, který ustřihneme zpočátku raději delší a pak jej zkracujeme tak dlouho, až rezonance nastávají na stejných kmitočtech jako u kabelu vedení 300 Ω. Při kontrole rezonancí postupujeme velmi opatrně - na vyšších kmitočtech se totiž snadno můžeme o jednu čtvrtvlnu zmýlit. Měříme proto vždy na více kmitočtech a nenastává-Ii u druhého kabelu rezonance přesně na těchto kmitočtech, není něco v pořádku.

Je patrno, že popisovaný způsob propojení antén je poměrně složitý a skrývá v sobě nebezpečí, že se nepodaří ustřihnout všechny tři úseky spojovacích vedení elektricky přesně stejně dlouhé. Vf napětí pak nebudou přesně ve fázi, což sníží výsledný zisk, jehož by bylo možno s bezvadně sfázovanou soustavou dosáhnout.

Je třeba upozornit, že existuje i jednodušší způsob propojení trojité antény, který poněkud snižuje riziko, plynoucí z nepřesného určení zkracovacího koeficientu, na druhé straně však vyvolá potíže konstrukčního rázu. Podle něho se všechny tři antény propojí nepřekříženým symetrickým vedením o libovolné impedanci. Úseky vedení, spojující prostřední anténu s horní a dolní, musí přitom být elektricky rovny co nejpřesněji celistvému násobku vlnové délky, tj. v našem případě 207 . n . k centimetrů, kde n volíme rovno dvěma či třem podle toho, jak to vyžaduje konstrukční provedení, a k je co nejpřesněji určený zkracovací koeficient použitého kabelu*). Přívodní nesymetrický kabel 75 Ω pak lze teoreticky připojit (samozřejmě přes příslušný symetrizátor!) na svorky, kterékoli antény. V praxi jej však raději připojíme na svorky prostřední, aby se eventuální chyba v určení elektrické délky zbytečně nenásobila. Na papíře vypadá tento způsob napájení daleko výhodnější než dříve popisovaný způsob se třemi úseky, zvláště použije-li se k propojení páskový symetrický kabel 300 Ω. V praxi ovšem narazíme na řadu potíží. Především je třeba upozornit, že televizní dvoulinka 300 Ω je naprosto nevhodná všude, kde záleží na přesném určení a zachování elektrické délky! Její zkracovací koeficient je totiž hodnota závislá na řadě faktorů, a to i mimo výrobu, jako např. na stavu povrchu (déšť, námraza, znečištění) i na jejím stáří, a proto ji výrobci v datech zpravidla ani neuvádějí (hodnota uvedená v tab. 2 je průměr z několika měření, jejichž rozptyl byl větší než asi 0,03). Nehodí se proto vůbec pro trojitou anténu, kde je elektrická délka faktorem prvořadé důležitosti a lze ji použít jen pro dvojče či čtyřče, kde lze předpokládat, že změny, kterým podléhá počasím a stárnutím, se uplatní pro všechna vedení stejně, takže sfázování nebude porušeno a může dojít jen k celkem nevýznamnému narušení impedančních poměrů.

*) Použije-li se vzdušného dvoudrátového vedení (tzv. „žebříčku“), je k-1

Mimoto nesmí být tato linka vedena v blízkosti kovových předmětů, čemuž se při připojování prostřední antény, kde nám automaticky vadí její nosná tyč, stěží vyhneme. Použijeme-li místo televizní dvoulinky dvou souosých kabelů spojených podle obr. 7d do symetrického vedení, odpadnou sice potíže s proměnlivou hodnotou zkracovacího koeficientu i blízkostí vodivé nosné tyče, objeví se však ihned jiné.

Hlavním konstrukčním problémem bude uchycení symetrizátoru, který musí být připojen přímo na svorky napájené antény. Současně k němu musíme svést horní a dolní spojovací kabely, jejichž pláště by měly být spojeny do hromady. Na napájené anténě přitom visí symetrizátor, jedno ze spojovacích vedení a navíc ještě napájecí kabel, což značně posune její těžiště proti dolní anténě, která je prakticky bez zatížení. Úseky spojovacích vedení se musí vypnout silonovými lanky, aby nevlály ve větru a tak se časem neulomily, jejich plocha, uplatňující se téměř u konce antény přitom značně zvětší tlak větru na příslušnou polovinu antény, která se bude natáčet po větru. Se všemi těmito problémy by tedy bylo nutno se konstrukčně vyrovnat, tak že je třeba dobře uvážit, zda není výhodnější setrvat u původního způsobu, zvláště jsou-li známy koeficienty zkrácení kabelů 150 Ω a 75 Ω z nichž vytváříme symetrická spojovací vedení.

Na obr. 7c je konečně znázorněna poslední varianta - čtyřnásobná anténa. Její rozměry se na papíře nezdají být nějak extrémně veliké - jak je skutečně velká, poznáme až při konečné montáži. Při jejím použití narazíme na potíže, které jsou u jednoduchých antén zcela neznámé. V řadě QTH bude např. slušným problémem, jak vůbec dostat na střechu něco, co zabírá větší prostor než pokoj v moderním bytě a je přitom tvořeno kabely a trubkami, které se velmi snadno utrhnou, ohnou anebo ulomí. Velmi opatrně je též nutno navrhovat stožár, aby nás jednou prudký vítr nebo námraza nepřekvapily. Problém samo osobě i statické a dynamické vyvážení systému, aby se nám stožár v uložení popř. v kotvách neohýbal a abychom jím mohli bez obtíží otáčet i ve větru a nemuseli jej po natočení držet oběma rukama ve směru atd.

Obr. 8. Různé typy symetrizátorů: a) symetrizace čtvrtvlnnou štěrbinou, b) symetrizace čtvrtvlnným souosým rukávem, c) symetrizace čtvrtvlnným vedením, d) zlepšené provedení čtvrtvlnného vedení

Po elektrické stránce je zato provede ní čtyřčete poměrně velmi jednoduché. Je složeno ze čtyř antén 300 Ω, které se propojí do napájecích bodů ve středu systému čtyřmi přesně stejně dlouhými symetrickými vedeními 300 Ω, jež lze vytvořit buď z televizní černé dvoulinky, nebo ze dvou souosých kabelů 150 Ω ‚ spojených v sérii. Velkou péči je nutno věnovat návrhu a provedení nosné konstrukce systému. Ta musí nejen trvale zaručovat dostatečnou tuhost soustavy tak, aby se nám jednotlivé antény časem „nerozběhly“ každá do jiného směru, ale musí být současně navržena tak, aby její vodorovné části byly co možná nejdál od jednotlivých antén, se kterými se nesmí vázat ani je jinak ovlivňovat. Přitom nesmí porušovat symetrii systému.

Snad nejlépe se v daném případě osvědčuje nosná konstrukce typu H, svařená z ocelových trubek s plechovými úhelníky jako výztuhou v rozích. Do volného prostoru uprostřed systému pak můžeme montovat systém pro 433 MHz, přičemž s výhodou, využijeme příčného nosníku.

Zbývá ještě stručně probrat způsob napájení popisovaných soustav. Všechny jsou navrženy tak, že v bodě připojení napájecího vedení je jmenovitá impedance 75 Ω. Tato impedance je vytvořena paralelním spojením jednotlivých symetrických vedení a je rovněž symetrická. K tomu, abychom mohli soustavu napájet souosým kabelem 75 Ω‚ který je nesymetrický, je tudíž nutno použít symetrizace, dovolující přechod z nesymetrického na symetrické vedení, a to bez transformace impedance.

Různé typy vhodných symetrizátorů máme na obr. 8. Na obr. 8a je symetrizace čtvrtvlnnou štěrbinou, které autor používá pro dvojče podle obr. 7a. Konstrukce symetrizátoru je patrna z vyobrazení - plášť přívodního souosého kabelu je připájen na dno symetrizátoru (s výhodou lze též použít konektoru), žíla pokračuje v dutině jako trubka nebo tyčka o průměru d₁ a to až k počátku rozříznutí, kde se její průměr zvětšuje na d₂. Symetrizátor musí mít stejnou impedanci jako napájecí souosé vedení. Pro 75 Ω musíme proto volit průměry tak, aby platily vztahy:

D = 3,5 . d₁ = 1,87 . d₂

Vycházíme ze vzorce pro impedanci souosého vedení se vzduchovým dielektrikem Z_o = 138. log D/d, při čemž rozříznutou část navrhujeme na přibližně poloviční impedanci, tj. 37,5 Ω. Impedanční skok se přitom nemusí provést pouze změnou průměru d, nýbrž i změnou D např. tak, že do nerozříznuté části trubky vsuneme vložku.

V plášti symetrizátoru jsou proti sobě v délce jedné čtvrtvlny vyříznuty dvě štěrbiny o.šíři asi 0,05 až 0,1 D. Na jeden z takto vzniklých dílů, je připojen vnitřní vodič, a to buď naznačeným způsobem s použitím pomocného raménka, nebo prostě tak, že se vnitřní vodič přihne ke stěně a vodivě připojí.

Symetrická impedance 75 Ω se objeví mezi oběma rozříznutými částmi vnějšího pláště. Vývody je nejlépe umístit v rovině kolmé k rovině řezu štěrbin, bez pozorovatelného zhoršení však mohou být umístěny i tak, jak je naznačeno na obrázku, což je opět výhodné s hlediska montáže, zvláště chceme-li symetrizátor připevnit souběžně se stožárem. Při montáži je třeba dbát, aby pracně dosaženou symetrii opět neporušila nevhodná montáž, popř. nesymetrické uspořádání vývodů. Všechny vodivé části, které nelze umístit dostatečně daleko od symetrizátoru, proto orientujeme alespoň tak, aby rozptylové kapacity mezi nimi a oběma polovinami symarizátoru byly stejné.

Jiný typ symetrizátoru je naznačen na obr. 8b. Plášť přívodního kabelu je opět připojen ke dnu dutinového souosého rezonátoru o délce jedné čtvrtvlny, na rozdíl od předchozího typu však celý kabel uvnitř rezonátoru pokračuje. Aby se v dutině neprohýbal, je přitom výhodné ho zavléknout do trubky, která pak tvoří tuhý vnitřní vodič. Plášť kabelu se přitom spojí s trubkou buď nahoře nebo v celé délce tak, že se souosý kabel zbaví vnějšího izolačního obalu a holý plášť se zatáhne do těsné trubky.

Symetrizátor je výrobně jednodušší než prvý typ, má však určitou nevýhodu v tom, ze je proti oběma ostatním relativně úzkopásmový a že jeho vývody lze jen těžko opravdu symetricky uspořádat, protože nahoře mezi pláštěm středního vodiče a vnější silnou trubkou je vysoká impedance, která je choulostivá na rozptylové kapacity.

Hodí se proto spíše pro případy, kde lze vývody vést tak, jak je naznačeno v náčrtku, tj. v pokračování osy dutiny a vyřešit je tak, aby u choulostivého ústí nevznikala žádná nesymetrie ani nežádoucí parazitní kapacita a kde se můžeme spokojit užším pásmem.

Pokud použijeme k upevnění středního vodiče středicího kroužku, je rovněž nutno dbát, aby byl z jakostního materiálu s malou dielektrickou konstantou (např. z trolitulu). Není-li vhodný materiál po ruce, umístíme kroužek raději až doprostřed symetrizátoru, kde již impedance není tak vysoká jako u ústí vedení.

Vnější plášť tohoto symetrizátoru je celý „studený“ a můžeme jej tedy v libovolném místě připevnit na kovové předměty. To je určitá výhoda proti symetrizátoru podle obr. 8a, jehož horní konec je „horký“ a který proto lze neizolovaně připevňovat jen na dolním „studeném“ konci.

Na obr. 8c je konečně naznačen nejjednodušší typ symetrizátoru, tvořený čtvrtvlnným úsekem symetrického vedení. Právě tak jako u symetrizátoru podle obr. 8b lze impedanci vedení volit libovolně.

Do jedné z trubek vedení se zatáhne přívodní kabel, jehož plášť se nahoře nebo v celé délce již dříve popsaným navlečením odizolovaného pláště do těsné trubky připojí k trubce. Žíla kabelu se spojí s druhou trubkou, která zůstává uvnitř prázdná. V nouzi lze cely symetrizátor vytvořit i bez trubek prostým nalepením dvou kabelů na pertinaxovou destičku* *) Jako lepidlo se osvědčil upon, ke zvýšení jakosti izolace mezi horkými konci trubek se doporučuje pertinax mezi horními konci vedení naříznout nebo provrtat řadou otvorů.

**) Délka symetrizátoru pak ovšem bude poněkud menší než čtvrt vlny, protože již nejde o vzdušné vedení.

Při konstrukci symetrizátoru je nutno dbát, aby spojka na dolním konci vedení měla malou indukčnost - provedeme ji proto nejlépe ze širšího pásku, nebo obě trubky přímo zapájíme do předvrtaných otvorů v kovové destičce, kterou zároveň využijeme pro připevnění symetrizátoru na stožár. „Horký“ konec symetrizátoru je opět nahoře, dolní konec je „studený“ a může se zemnit stejně jako ti typu 8b, který je vlastně koaxiální obdobou typu 8c.

Z náčrtku je patrno, že při uspořádání vývodů, naznačeném na obr. 8c, není dosaženo plné symetrie. Proto se horní konec symetrizátoru často upravuje po dle obr. 8d, čímž se dosáhne plné symetrie. Obě trubky se zakončí zobáčkovitými nástavky, které se proti sobě kuželovitě zužují, aby se co nejvíce redukovala kapacita mezi oběma konci vedení. Žíla kabelu se protáhne izolačním korálkem, zasazeným v nástavku a připojí se na druhy nástavek. Vývody lze uspořádat kdekoli na konci vedení, a to jak v ose, tak i kolmo k vedení, což platí samozřejmě i pro jednodušší provedení z obr. 8c.

Všechny popsané symetrizátory mají při vhodném provedení prakticky stejné vlastnosti, výběr proto závisí spíše na zvoleném způsobu montáže, dílenském vybavení, které máme k dispozici i na podmínkách, ve kterých má anténa pracovat. Symetrizátor podle obr. 8c je např. dost nevhodný tam, kde můžeme počítat s námrazou, která velmi brzy obroste obě trubky tak, že je vzájemně spojí. Z tohoto hlediska jsou výhodnější symetrizátory podle obr. 8a, b, jejichž tvar přímo nabízí uzavření do izolační trubky s víčkem (typ 8a), nebo uzavření pouhým víčkem (typ 8b). U obou přitom nesmíme zapomenout vyvrtat v nejnižším bodě dutiny odvodňovací otvůrky, jinak se za rok podivíme, kolik vody zkondenzuje i v jinak dobře uzavřeném symetrizátoru.

Délka všech symetrizátorů se volí tak, aby byla rovna jedné čtvrtvlně středního kmitočtu pásma tj. cca 51,5 cm. Pokud jde o tloušťku prvků z nichž jsou symetrizátory zhotoveny, snažíme se použít trubek co možná velkých průměrů, abychom dosáhli co největší širokopásmovosti.

Když jsme se již rozhodli vynaložit takové úsilí i finanční náklad na zřízení některé z popisovaných antén, věnujeme nejvyšší možnou péči i jejím detailům. Platí to zejména pro všechna vodivá spojení, jež je třeba provést tak, aby úspěšně vzdorovala jak korozi, tak i mechanickému namáhání. U všech spojek a přívodů je třeba mít na paměti, že každý centimetr vodiče má na 145 MHz značnou vlastní indukčnost, která může ohrozit příznivé impedanční vlastnosti antény. Upravíme proto konstrukci antény tak, aby přívody a spoje byly co nejkratší.

Konce všech kabelů je nutno dokonale zalepit, aby do nich nevnikla časem vlhkost. To platí i pro kabely s plnou izolací, které se na první pohled zdají velmi dobře uzavřené - vlhkost u nich totiž vniká mezi vnější izolaci a stínicí plášť, který časem zkoroduje a zvýší až desetinásobně útlum kabelu. Před montáží kabelu se proto přesvědčíme, zda žíla i plášť mají zdravou měděnou barvu. Začínají-li zelenat, bez milosti je vyřadíme, protože bychom v nich snadno ztratili decibely, pro které anténu stavíme.

Při montáži antény je velmi důležité, aby jednotlivé antény „pálily“ rovnoběžně, jinak se výsledný diagram vyzařování rozšíří, což má za následek ztrátu předpokládaného zisku. Rovněž je třeba dbát na to, aby antény byly orientovány vodorovně tak, aby maximum vertikálního diagramu padalo do horizontu a nemířilo do země nebo ke hvězdám, na nichž zatím ještě amatéři nejsou. Anténní trojče a čtyřče, jejichž vyzařovací diagramy jsou relativně úzké, jsou přitom navíc ještě dosti choulostivé i na kývavé pohyby antény ve větru, a to jak v horizontální, tak i vertikální rovině. Kývání způsobuje kolísání intenzity vysílaného nebo přijímaného signálu. Stožár, na kterém je soustava připevněna, musí být proto dostatečně tuhý na ohyb i krut a současně je třeba omezit na nejmenší míru vůle v otáčecím mechanismu.

Z rozhovorů vedených o anténě na pásmu vyplývá, že by bylo závěrem užitečné shrnout i některé všeobecné úvahy. Především je třeba znovu upozornit na to, že se musí bezpodmínečně dodržet vzdálenosti, délky a průměry prvků, průměr nosné tyče a způsob upevnění prvků v nosné tyči!

Někteří amatéři měli po zhotovení antény dojem, že anténa nevysílá popř. nepřijímá tak, jako jejich dřívější anténní systém. Zde je třeba si uvědomit, že byla-li dříve anténní vazba ve vysílači nebo přijímači vylaborována tak, aby dávala optimální výsledky s anténou, která se na vstupu napájecího kabelu nejeví jako 75 Ω‚ nýbrž jako značně rozdílná impedance popř. i s velkou jalovou složkou, je při použití antény se správnou impedancí nutno upravit vstupní i výstupní vazby dříve, než vůbec začneme něco posuzovat.

Otázka posouzení výkonu antény je vůbec dosti ožehavý problém. Je totiž nutno si uvědomit, že rozdíly zisku řádu 2-3 dB nelze zjistit bez speciálních měřicích zařízení. Je proto zcela nesmyslné srovnávat antény tak, jak se s tím často setkáváme (a to nejen na VKV), přepínáním z jedné na druhou. Aby takové srovnání mělo nějakou cenu, museli bychom splnit řadu podmínek. Především by bylo třeba zajistit, že do obou antén přivádíme stejný výkon (pouhá indikace napětí do kabelu tu nestačí, protože impedance antén mohou být různé), dále by bylo třeba zajistit, že se během zkoušky nezmění podmínky šíření mezi vysílačem a přijímačem a že obě místa, ve kterých srovnávané antény. stojí, jsou radioelektricky ekvivalentní (to se nejlépe zajistí tím, že se jedna anténa sejme a druhá instaluje přesně do stejného místa). Konečně by bylo potřeba najít protějšek s přijímacím zařízením, které dokáže registrovat změny velikosti signálu řádově rovné decibelům.

Je jasné, že tyto požadavky jen velmi těžko splníme, a proto raději žádné „zkoušky“ neprovádíme, pokud se nejedná o odhalení nějaké hrubé závady, vyvolávající rozdíly řádu desítek dB. Konec konců, pokud jsme anténu zhotovili přesně podle popisu, musí mít udávané vlastnosti, které byly změřeny za optimálních podmínek laboratorními přístroji.

V této souvislosti je třeba ještě upozornit, že zisk antény a průběh jejího vyzařovacího diagramu je zaručen jenom tam, kde je elektromagnetické pole přijímané nebo vysílané anténou homogenní. Máme-li za zády např. kolmou frontu činžáků, přicházejí na anténu nezbytně dva signály - jeden přímo a druhý odražený zezadu. Anténa pak přijímá větší či menší měrou oba a jaké výsledné napětí se na ní fázově složí, je záležitost čistě nahodilá a měnící se s nepatrným pootočením antény. Plný zisk velkých systémů lze tedy realizovat prakticky jen tam, kde anténa stojí ve volném prostoru a kde nejsou v okolí žádné předměty nebo terénní útvary, na kterých dochází k odrazům. Kde odrazy jsou, musíme počítat s tím, že provozní zisk a zdánlivý vyzařovací diagram antény nebude konstantní a bude záviset na natočení antény, směru příchodu signálu atd.

Zda jsme odrazy postiženi, lze vyzkoušet tak, že s pomocí nějakého vhodně upraveného přijímače s S-metrem sejmeme horizontální vyzařovací diagramy pro několik blízkých stanic z různých směrů. Naměříme-li v každém směru jiný tvar diagramu, popř. objeví-li se pro některý směr parazitní nesymetrické laloky, nemáme s volbou QTH štěstí, Směr, ve kterém se parazitní laloky objeví, je zároveň směrem k místu vzniku odrazů.

Při práci na kótě se podobné potíže většinou neobjeví a můžeme počítat s plnou realizací všech příznivých vlastností popisovaných systémů, včetně zisku. Ten je pro jednotlivou anténu roven asi 11÷12 dB, pro dvojče se zvýší asi o 2,5 dB na cca 14 dB, pro trojče na více než 15 dB a pro čtyřče na asi 16,5 dB. Uvedené hodnoty jsou konzervativně odhadovány a počítají již se ztrátami v napájecích vedeních, spojkách atd. Jednotlivá anténa tedy zvyšuje výkon v žádaném směru asi 14X, dvojče asi 25X, trojče 33X a konečně čtyřče asi 43X. Vysílač dodávající do antény 10W vf výkonu se tedy ve směru maximálního záření jeví stejně jako vysílač s výkony 140, 250, 330, popř. 430 W (připojený na dipól). Nepůsobí ovšem ve svém okolí ani zdaleka takové rušení!

Vysoká směrovost antény, popř. soustav, se projeví i při příjmu především tím, že se nám podaří vyloučit větší část rušení okolními stanicemi a současně se značně sníží i hladina vstupního šumu, takže budeme moci přijímat slabší stanice, než jak to naznačují údaje o zisku antény. Šum si totiž můžeme představit jako velký počet rušících vysílačů, které nás ze všech stran obklopují, přičemž jsou větší města, průmyslové objekty, popř. i Slunce zvláště silným zdrojem šumu. Je-li směrová charakteristika antény dostatečně úzká, „slyšíme“ jen ty rušící vysílače a zdroje šumu, které leží ve směru přijímaného signálu. Do přehledu zlepšení, kterých lze použitím popisované antény dosáhnout, je třeba zahrnout i snížení přídavných ztrát v kabelu, jež vznikají v důsledku nepřizpůsobení. Přídavné ztráty nepřizpůsobením se nejvýrazněji projevují tam, kde máme dlouhý svod, jak to vysvitne nejlépe z následujícího příkladu:

Uvažujme 30 m svodu z kabelu typu 74 DVKU, který má pro uvažovanou délku při dokonalém přizpůsobení útlum asi 1,75 dB. Nepřekročí-li poměr stojatých vln na napáječi σ = 2, jak je tomu u popisovaných soustav, činí maximální přídavná ztráta méně než 0,3 dB, takže např. ze 100 W, jež přivádíme na vstup kabelu, na anténě obdržíme v nejhorším případě o 2,05 dB méně, tj. asi 0,63 . 100 W = 63 W. Je-li ovšem psv roven σ = 5 (což nebude řídký jev !)‚ činí přídavné ztráty již 1,7dB, takže z dodávaných 100 W dostaneme do antény jen 45 W. Zbývajícími 55 W, které se zmaří v kabelu, vytápíme ulici! Stejné úvahy platí i pro příjem, kde se nám v posledním případě signál zeslabí o 3,45 dB ještě dříve než se dostane na konvertor, ve kterém jsme se tolik snažili zlepšit šumové číslo o 1÷2 dB. Přitom je rozdíl 2dB při telegrafii rozdílem mezi nečitelným a ještě čitelným signálem.

Závěrem bude jistě všechny, kdo si anténu hodlají postavit, zajímat, jaké zvětšení průměrného dosahu své stanice mohou očekávat. Pro vzdálenosti mezi 200 až 400km platí pravidlo, že zvýšení efektivního vyzářeného výkonu o 1 dB zvětší dosah o 10 km. Nahradíme-Ii tedy tříprvkovou anténu, jejíž zisk může být v optimálním případě něco mezi 7 až 8 dB, popisovaným čtyřčetem, lze počítat že zvětšíme svůj dosah průměrně o 85 km. Tato skutečnost se nejzřetelněji projeví při závodech, kde při použití lepší antény skutečně stoupají průměry. Např. při posledním VKV contestu bylo při použití popisovaného dvojčete dosaženo z Kleti průměrné vzdálenosti na jedno spojení 236 km a spojení se SP5SM, SP5ADZ, SP5ASF a SP5FM (3x 610 a 1x 594 km), přestože podmínky byly během celého závodu podprůměrné.

AR 7/1964

V roce 2007 přepsal a upravil pro web OK2KKW Matěj OK1TEH