|
BFA kontra yagi [1971] Jindra Macoun, OK1VR Amatérské pokusnictví na VKV je zpravidla spojeno se snahou aplikovat novinky v praxi. Ne vždy je to realizovatelné - většinou pro nedostupnost nových součástek. Podstatně jiná je situace tam, kde nejsme odkázáni na továrně vyráběné součástky, ale kde si novou konstrukci můžeme vyzkoušet sami, Mám na mysli experimentování s anténami, které určitě není podmíněno dostupností nedostupných součástek, jako spíše nedostupností dostupných a konkrétních informací. To proto, že nové konstrukce antén, které jsou alespoň částečným přínosem v tomto oboru, přicházejí na svět v posledních letech již velmi zřídka a pokud jsou to nové typy antén televizních, pak výrobci TV antén podrobné informace o takových typech vůbec nepublikují. Pokud se nějaké informace v literatuře vyskytují, bývají často neúplné, nebo si odporují a elektrické vlastnosti se většinou přeceňují. Pro příklady nemusíme chodit daleko - ZL antény, SKELET SCHLITZ antény, QUAD antény a podobně měly mít zaručeně 10 dB i více zisku proti dipólu. Trvalo vždy delší dobu než se podařilo přivést vše na správnou míru. Cílem dnešního článku je stručně informovat o anténě, která stojí poměrně krátkou dobu v popředí zájmu TV a VKV amatérů. Je to zvaná BACKFIRE ANTENA (dále BFA) jejímž objevitelem a propagátorem je H. W. EHRENSPECK. První informace se objevují kolem roku 1960 (1), správný výklad principu až o několik let později (2) spolu s výpočtem směrového diagramu (5). Podrobnější informace s ověřenými elektrickými parametry teprve nedávno (7). Při experimentování s Yagiho anténami se přišlo na to, že se jejich zisk dá podstatně zvýšit, umístí-li se na konci antény, před nejvzdálenější direktor odrazná deska (F), která odráží dopadající elmag. energii zpět podél antény směrem k napájenému prvku (Z), kde se vyzáří opačným směrem, kolem reflektoru (R) Tedy opačným směrem než u normální Yagiho antény - viz obr. 1. Udávané zvýšení zisku o 6 až 8 dB proti normální Yagiho anténě je jistě pozoruhodné, když si připomeneme dnes uznávaný vztah mezi délkou a ziskem Yagiho antény (obr. 4) z kterého je zřejmé, že prakticky lze dosáhnout u jednoduché Yagi antény zisku 13-14 dB proti dipólu. Získat přidáním dalšího reflektoru o 6 až 8 dB více, tj. 20-22 dB z jediné antény, by bylo jistě skvělé. Ovšem tato „jednoduchá" úprava vůbec jednoduchou není. Aby totiž došlo k uvedenému zvýšení zisku o 6 až 8 dB je nutné použít pro anténu určité délky odpovídající optimální průměr reflektoru F. A optimální průměr reflektoru F pro anténu délky 4-5 λ tj. antény, která má zisk asi 13 dB, je 5 λ (4). Kolik to činí na amatérských VKV nebo TV pásmech si jistě spočítá každý sám. Na tomto faktu nezmění nic ani ta okolnost, že předchozí vysvětlení je trochu zjednodušeno, podrobnější výklad o této tak zvané LONG BFA se však vymyká z rámce tohoto článku. Spokojme se proto konstatováním, že realizace LBF antény se ziskem 20 dB je sice možná, ale sotva v amatérských podmínkách.
Praktické využití backfire principu v amatérské činnosti je nicméně možné realizací takzvané SHORT BFA (3). Celková délka této antény je jen 0,5 λ, průměr reflektoru R je 0,5-0,6 λ průměr reflektoru F je jen 2 λ . Při optimálním nastavení lze dosáhnout zisku až 13 dB. To znamená, že zisk takové antény je srovnatelný se ziskem Yagiho antény dlouhé 4-5 λ, viz obr. 2. Optimální podmínky pro správnou funkci BFA nastavenou při vzniku stojaté vlny v prostoru mezi reflektory R a F. Vzdálenost mezi R a F proto musí být celistvým násobkem λ/2. Za těchto podmínek pak lze tento resonanční prostor mezi R a F ve své podstatně považovat za Fabry-Perótův resonátor, na jehož principu je založena činnost LASERu. V našem případě zastává F funkci totálně odrážejícího a R částečně odrážejícího zrcadla, při čemž R odpovídá stupni propustnosti zrcadla. Tolik tedy stručně k základnímu principu BFA. I u krátké BFA je tedy nutné zajistit podmínky pro vznik stojatého vlnění mezi R a F vzdáleností 0,5 λ na pracovním kmitočtu. Pokud má anténa pracovat v širším pásmu, tak tato vzdálenost i ostatní rozměry udané si obr. 3 platí pro nejvyšší kmitočet pásma. Při použití vhodného širokopásmového zářiče je možná, aby anténa pracovala s dobrými směrovými vlastnostmi si pásmu 1:1,5 až 1:2. Činitel zpětného příjmu (ČZP) je lepší než -30 dB, všechny postranní laloky pod -20 dB. Šířka směrového diagramu je na optimálním kmitočtu 34º v obou rovinách. Na nižších kmitočtech se diagram rozšiřuje a zisk rychle klesá, protože účinek reflektoru R se zmenšuje a celá BFA se mění v jednoduchou soustavu - dipól Z před odraznou stěnou F, se ziskem 5-6 dB. Uvedené hodnoty platí pro uspořádání schematicky naznačené na obr. 3, kde je reflektor F opatřen na svém obvodu jakýmsi límcem, širokým 0,25 λ. Bez tohoto límce je zisk krátké B maximálně 10 dB. Pro zajímavost a pro srovnání uvádíme ověřené parametry 15 prvková antény 3,2 λ dlouhé na 433 MHz (6) s udávanými parametry krátké BFA (SHORT BFA - SBFA). YAGI SBFA Zisk 12,8 dB až 13 dB uhel příjmu E/H 35º/32º 34º/34º Postrannimí laloky E 18,2 dB 20 dB H 13,4 dB 20 dB ČZP >22 dB >30 dB Z uvedeného je tedy možno učinit asi tento závěr: Oba typy antén mají prakticky stejný zisk. BFA má lepší ČZP i menší postranní laloky v širším kmitočtovém pásmu. BFA má méně kritických rozměrů. Její konstrukce když zdánlivě jednoduchá, bude však jistě větším problémem než jednoduchá konstrukce Yagiho antény. Jde zejména o reflektor F, který by měl být z vhodné sítě, aby se co nejvíce zmenšil odpor větru. Plný reflektor BFA o průměru 140 cm na 433 MHz by byl při rychlosti větru 33 m/sec (se kterou se při výpočtu nosné konstrukce antén počítá) namáhán silou 175 kp.
Obě antény mají jen jeden napájený prvek. Impedance obou antén závisí na typu zářiče. Oba typy antén lze řadit do soustav s přírůstkem zisku max 3 dB při optimálním zdvojení. U BFA se soustavy umísťují před jediný, úměrně zvětšený reflektor F. Provozní zkušenosti, kterými bychom měli porovnání obou antén doplnit u BFA zatím nemáme. A na závěr se vraťme ke
grafu na obr. 4. Kromě závislosti zisku na délce Yagiho antény je tam
uvedena i závislost zisku optimálně ozářeného parabolického reflektoru na
jeho průměru. Průměru 2 λ odpovídá zisk 14 dB a průměru 5 λ zisk 22 dB
proti dipólu. Takže ani u BFA nejde o žádný zázračný zisk, ale jen o nový
a účinný způsob ozáření kruhové rovinné plochy, kterou lze v některých
případech nahradit výrobně obtížnější a nákladnější parabolický reflektor.
A v tom je třeba spatřovat praktický přínos BF antén. (1) H. W. Ehrenspeck, „The backfire antenna, a new type of dictional line source“, Proc IRE, č. 48, leden 1960 (2) H. W. Eihrenspeck, „The backfire antenna new results“, Proc IRE, Č. 53, červen 1965 (3) H. W. Ehrenspeck, „The short-baakfire antenna" Proc lEEE, srpen 1965. (4) F. J. Zucker, „The backfire antenna, a qualitatice approach to its design", Proc lEEE, červenec 1965. (5) K. M. Chen, D. P. Nyquist, J. L. Lin, „Radiation fields of the short-backfire antenna", lEEE Trans., AP 18. září 1968. (6) J. Macoun, „Yagiho směrové antény - V. část“, AR 6/1962. (7) E. D. Nielsen, K. Pontoppidan, ‚ Backfire antennas with dipole elements“, lEEE Trans., AP 18. květen 1970. OK1VR AR 11-128/1971 V roce 2007 přepsal a upravil pro web OK2KKW Matěj OK1TEH |
