YAGIHO SMĚROVÉ ANTÉNY [1961-1962]

Jindra Macoun, OK1VR

Článek má přístupným způsobem informovat amatérskou veřejnost o základních vlastnostech směrových antén typu Yagi a závěrem přinést rozměry a návrh praktické konstrukce Yagiho antény pro amatérská VKV pásma a TV pásma. Nejde o článek vyčerpávající dané téma, spíše o přehlednou informaci, kde jsou vysvětleny základní elektrické vlastnosti směrových antén (jejich vzájemný vztah a souvislost s hlavními rozměry), resp. antén typu Yagi, se zvláštním zřetelem na antény s větším ziskem, tzv. dlouhé Yagiho antény. Jsou uvedeny podstatné informace o způsobu měření. V závěru je připojen seznam odborné literatury o Yagiho anténách.

Věříme, že článek vyplní alespoň částečně citelnou mezeru v tomto oboru amatérské literatury a doplní kusé, mnohdy nepřesné informace o těchto anténách, publikované v různých časopisech. (AR 8/1961)

1.  Úvod

Většina zařízení, pracujících v oblasti velmi krátkých vln - ať metrových, decimetrových či ještě kratších, vyžaduje pro správnou činnost účinnou anténu, resp. anténu směrovou. Tato skutečnost je všeobecně známa a není třeba znovu obšírně zdůrazňovat, že anténa se připojuje jak k vysílači, tak k přijímači, a svými vlastnostmi podstatným způsobem ovlivňuje množství energie vysílané daným směrem, a tím i intenzitu elektromagnetického pole v místě příjmu (anténa vysílací), tak i velikost napětí na vstupu přijímače a tím i poměr signál/šum (anténa přijímací).

Existuje značné množství různých typů směrových antén, užívaných na VKV, které mají vhodné elektrické vlastnosti. Byla to však zejména hlediska konstrukčně-mechanická, která rozhodla ve prospěch Yagiho antén, které jsou dnes nejužívanějším typem směrových antén u mnoha zařízení, pracujících v oblasti metrových a decimetrových vln. Mezi tato zařízení je třeba zahrnout jak přijímače a vysílače na amatérských VKV pásmech 145 a 435 MHz (vyhoví dobře i na 1250 MHz), tak přijímače pro TV a FM rozhlas a mnohé další účely.

Při stejných elektrických vlastnostech je proto uvedená použitá Yagiho směrová anténa podstatně lehčí, jednodušší a mechanicky odolnější (nehledě na snadné zhotovení amatérskými prostředky), než ostatní druhy směrových antén - např. antén soufázových, které pro stejná použití donedávna převládaly. Na amatérských VKV pásmech, či jako TV přijímacích antén, se soufázových antén používá stále méně, zejména pro potíže konstrukčně-mechanického rázu (složitost systému, velké množství napájecích bodů, zpravidla malá odolnost proti povětrnostním vlivům při amatérském provedení apod.). Potřebné informace o teorii a konstrukci soufázových antén jsou uvedeny v [1].

První informace o Yagiho anténě byly publikovány v roce 1926. Byli to japonští vědci Hidetsugu YAGI a Shintaro UDA, kteří uveřejnili první práce. Po nich byla a je také anténa nazývána. Správný název je tedy Yagi-Uda anténa. Většina dalších prací byla uveřejněna až po II. světové válce. Pro jednoduchou konstrukci a snadné napájení byly Yagiho antény za války užívány jako antény radiolokátorů, čímž vlastně teprve došlo k jejich rozšíření.

2. Definice, základní názvosloví

Jako každá směrová anténa, má i Yagiho směrová anténa dvě základní elektrické vlastnosti:

Vlastnosti vyzařovací (příjmové) - relativní diagram směrovosti (nebo tzv. vyzařovací diagram) v horizontální (vodorovné) a vertikální (svislé) rovině, ze kterého je možno dále stanovit šířku hlavního laloku (úhel příjmu či šířku svazku), činitel zpětného příjmu (nesprávně předozadní poměr) a velikost, směr a počet postranních laloků. Vyzařovacími vlastnostmi je dán činitel směrovosti a při respektování energetické účinnosti antény i zisk.

Vlastnosti impedanční, resp. přizpůsobení na použitý napáječ, které je udáváno tzv. napěťovým činitelem stojatých vln - σ - (sigma). Pro úplnost udávám přesné definice důležitých základních pojmů a elektrických vlastností podle ČSN 36 7210 - Televizní přijímací antény [2].

a) Základní pojmy.

Přijímací anténa - zařízení na přijímání elektromagnetických vln. Do obvodu antény se zahrnuje i případný obvod impedančního přizpůsobení, pokud tvoří s anténou nedílný celek.

Směrová anténa - anténa, která soustřeďuje energii z jednoho nebo více směrů na úkor směrů ostatních, nebo která dává na vstupu přijímače větší napětí při příjmu elektromagnetických vln přicházejících z jednoho nebo více směrů proti příjmu vln přicházejících z ostatních směrů.

Dipól - přímý souměrný zářič určité délky vzhledem k délce vlny.

Dipól λ/2 - přímý souměrný zářič se souměrným rozložením proudu charakteru stojaté vlny, a s délkou, rovnající se přibližně polovině délky použité vlny.

Aktivní prvek (směrové antény) - prvek připojený na napáječ.

Pasivní prvek (směrové antény) - prvek, který není připojen napáječem k přijímači nebo vysílači, ani k žádnému jinému prvku antény.

Yagiho anténa - směrová anténa složená z jednoho aktivního prvku (dipólu) a dvou nebo více prvků pasivních (reflektoru a direktorů).

Reflektor - zpravidla pasivní prvek ve směrové anténě, umístěný za aktivním prvkem vzhledem k hlavnímu směru vyzařování (příjmu). Reflektor může být tvořen i několika prvky.

Direktor - zpravidla pasivní prvek ve směrové anténě, umístěný před aktivním prvkem vzhledem k hlavnímu směru vyzařování (příjmu).

Napaječ - vysokofrekvenční vedení, kterým je spojena anténa s přijímačem nebo vysílačem. Nejčastěji se užívá dvou druhů tohoto napáječe: souměrný na páječ - dvouvodič (stíněný nebo nestíněný), nesouměrný napáječ - souosý kabel (koaxiální).

Symetrizační smyčka - pro připojení antén o výstupní impedanci 300 Ω resp. 240 Ω na 75 Ω resp. 60 Ω souosý kabel. Transformuje impedanci souosého kabelu na výstupní impedanci antény a umožňuje připojení souměrné antény na nesouměrný napáječ.

b) Elektrické parametry.

Relativní diagram směrovosti měřené antény při určitém kmitočtu a v určené rovině (horizontální nebo vertikální) je grafické znázornění poměru mezi výstupním napětím nebo proudem této antény a maximálním výstupním napětím nebo proudem ve zvolené rovině. Poměr je sledován jako funkce úhlu, pod nímž rovinné elektromagnetické vlny dopadají na měřenou anténu. Vzhledem k vzájemnému vztahu mezi intenzitou pole a napětím (proudem) na výstupu měřené antény, je tento diagram často nazýván relativním diagramem směrovosti intenzity pole. (Viz obr. 1.) Vezmeme-li druhou mocninu poměru napětí nebo proudu, obdržíme relativní výkonový diagram směrovosti měřené antény.

Relativní diagramy směrovostí jsou nezávislé na impedančním zakončení antény.

Uhel příjmu (úhel hlavního laloku) v horizontální (Θh) resp. vertikální (Θv) rovině je dán dvojnásobkem úhlu (natočení antény, který odpovídá poklesu napětí na výstupu antény z maximální hodnoty na 71 % (ti. na 50% výkonu). Viz obr. 1.

Činitel zpětného příjmu - poměr mezi napětím na výstupu antény, naměřeným ve směru maximálního příjmu a maximálním napětím v opačném ne žádaném směru.

Provozní zisk antény na určitém kmitočtu je poměr napětí na výstupu této antény připojené na zátěž, jejíž hodnota je reálná a rovna charakteristické impedanci napáječe, pro který je anténa navržena, k napětí na výstupu referenční antény (zpravidla jednoduchý půlvlnný dipól), zakončené přizpůsobenou zátěží pro každý měřený kmitočet. Obě antény jsou v homogenním elektromagnetickém poli a jsou orientovány pro maximální příjem. Zjištěný poměr obou napětí, vyjádřený v dB,. je provozním ziskem měřené antény.

Impedance antény je dána výrazem Za = Ra ± jXa kde Ra je reálná složka impedance a Xa imaginární složka impedance měřené antény. Hodnoty jsou udávány na výstupu antény.

Napěťový činitel stojaté vlny - je poměr maximální hodnoty k minimální hodnotě napětí stojaté vlny na vedení (napáječi), jehož fyzikální a elektrické veličiny se s délkou nemění. Vyjadřuje velikost impedančního nepřizpůsobení antény a napáječe.

(Většina pojmů je definována z hlediska antény přijímací. To proto, že měřenou anténu zpravidla vyšetřujeme jako anténu přijímací. Zjištěné parametry jsou nezávislé na použití antény.)

Uvedené elektrické parametry jsou dány, a navzájem spolu úzce souvisí prostřednictvím těchto základních rozměrů:

délky a průměry prvků
vzdálenosti mezi prvky
celková délka antény.

3. Současný stav

Při návrhu Yagiho směrové antény tkví problém ve vyhledání správných základních rozměrů, nutných pro dosažení požadovaných elektrických vlastností - nejčastěji pro dosažení maximálního zisku. Tímto problémem se zabývají některé teoretické práce. YAGI [3]. UDA a MUSHIAKE [4], WALKINSHAW [5] a VYSOKOVSKIJ [6], provádějí výpočet stanovením proudů, indukovaných v pasivních prvcích. Diagram směrovosti pak vznikne superpozicí diagramů jednotlivých zářičů, za které jsou v tomto případě považovány, všechny prvky antény. Velikost a fáze indukovaných proudů je dána vzájemnou impedancí mezi prvky. Její zjištění je neobyčejně obtížné. Pro značnou složitost lze takového výpočtu použít jen pro malé, resp. krátké, max. tří- či čtyřprvkové antény. Vzájemné vztahy mezi základními rozměry, ziskem a impedancí u dvou- až tříprvkových antén, vypočítané výše uvedeným způsobem, jsou pro praktická použití upraveny do grafů [4]. Z grafů lze přímo odečítat jak zisk, tak impedanci (velikost reálné a imaginární složky v ohmech). Kontrolní měření se dobře shodují teoreticky stanovenými hodnotami.

Odlišným způsobem lze teoreticky řešit antény s velkým počtem direktorů - tzv. periodické struktury resp. dlouhé Yagiho antény. Řadu direktorů lze považovat za úsek vedení, podél kterého se mohou šířit povrchové vlny [9], [10], [11], [12]. Při řešení se vychází z teorie šíření těchto povrchových vln, které jsou zvláštním případem elektromagnetických vln. Jsou charakterizovány tím, že jejich fázová rychlost šíření je vždy menší než u elektromagnetické vlny homogenní (vyzařované např. anténou vysílače) a je tedy menší než rychlost světla. I když jde o řešení přibližná, je shoda s naměřenými hodnotami velmi dobrá.

Na obr. 2 jsou schématicky znázorněny některé typy antén s podélným vyzařováním, které lze řešit jako antény povrchovou vlnou. Jsou to antény dielektrické a dále antény s různými druhy periodických struktur, mezi které patří i dlouhá Yagiho anténa. Pro úplnost je třeba dodat, že vlastně u všech těchto antén s povrchovou vlnou jde o antény dielektrické. Pravé dielektrikum je však u periodických struktur nahrazeno dielektrikem umělým, které tvoří řada direktorů, kotoučů apod.

Z obrázků je vidět, že se tyto antény v podstatě skládají ze dvou částí. Ze zářiče, lépe budiče, a směrovače. Budičem je u Yagiho antény soustava dipól-reflektor, směrovačem je periodická struktura - v případě Yagiho antény je to řada direktorů. U dielektrické antény podle obr. 2a je budičem ústí kruhového vlnovodu, směrovačem dielektrická tyč. Budičem se převede elektromagnetická energie na povrchovou vlnu v dané struktuře. Směrovost pak závisí na fázové rychlosti šíření povrchových vln podél struktury, která je dána základními rozměry struktury. U Yagiho antény tedy délkou antény, a délkou, průměrem a roztečí direktorů. Čím je anténa delší, tím více se shodují výsledky měření s teoreticky odvozenými předpoklady. S takovými anténami, správněji: s tak dlouhými anténami, se však v běžné praxi nesetkáváme.

Prakticky realizovatelné a také po užívané Yagiho antény, určené pro příjem na I, II, a III. TV pásmu či FM rozhlasu, dosahují délek od 0,5 do 2 až 2,5 λ, resp. až 3 m, tedy takových délek, pro které není vhodná žádná z obou metod. Navíc u TV přijímacích antén jde o antény do značné míry širokopásmové, které mají mít v širším pásmu nejen určitý zisk, ale i příznivý diagram směrovosti s hlediska potlačení přijmu nepřímých, odražených signálů, tj. malé nebo žádné postranní laloky a výborný činitel zpětného přijmu, nehledě na požadavek dobrého přizpůsobení v širším pásmu. Takové vlastnosti nelze ani u delších antén teoreticky postihnout. Hledisko optimálního zisku u TV antén dnes ustupuje vůdčímu požadavku na kvalitu obrazu (pokud ovšem nejde o vysloveně dálkový příjem), ovlivňovanému zejména výše uvedenými vlastnostmi. Platí to tím více, čím dokonaleji je naše území zásobováno dostatečně silným signálem výstavbou dalších TV vysílačů. A tak převážná část účinných víceprvkových Yagiho antén, používaných dnes na VKV, pro TV či FM rozhlas, je výsledkem rozsáhlých a a soustavných experimentálních prací.

U antén pro amatérská VKV pásma je z tohoto hlediska situace poněkud příznivější, neboť jde o antény úzkopásmové (šíře pásma na 145 MHz je menší než 2 %). Vůdčím hlediskem je při návrhu těchto antén optimální zisk. Úplné potlačení postranních a zadního laloku není nezbytně nutné, i když je z provozních důvodů žádoucí jejich omezení. Prakticky realizovatelné maximální délky antén pro amatérská VKV pásma jsou 4 až 6 M, tj. 2-3 λ na 145 MHz, opět leží v rozsahu vyšetřovaném experimentálně.

Na pásmu 435 MHz odpovídá rozměr 4 až 6 m šesti až devíti vlnovým délkám, takže anténu lze již řešit jako anténu s postupnou vlnou, u níž se už nebudou vypočtené hodnoty příliš lišit od hodnot naměřených. Antény takových délek však mají příliš úzký hlavní lalok a jejich praktické využití je vázáno na vhodný druh provozu na tomto amatérském pásmu. Totéž platí pro pásmo 1250 MHz, kde sice převládají antény s parabolickým reflektorem, kde ale lze dlouhých Yagiho antén používat také. Malé rozměry mimoto umožňují snazší experimentování v menším prostoru. (DL9GU/p použil při svém rekordním spojení s HB1RG na 1296 MHz anténní soustavy složené ze čtyř jedenáctiprvkových Yagiho antén).

Při návrhu Yagiho směrových antén s optimálním ziskem, určených pro použití na úzkých amatérských VKV pásmech, lze proto ve větší míře než u antén pro TV využít četných poznatků odvozených teoreticky. S větším či menším úspěchem se o to pokusili někteří autoři v amerických amatérských časopisech nebo různých příručkách typu Handbook [13] [14] [15]. Odtud se pak rozšířily prostřednictvím ostatních amatérských časopisů dále. Souhrn poznatků amerických autorů publikoval nedávno Dr. LICKFELD [16]. Převážná část Yagiho antén s větším ziskem (dlouhé Yagiho antény), užívaných v současné době radioamatéry na VKV pásmech, „pochází“ tedy z těchto několika více či méně zdařilých, a v mnohém si odporujících, v amatérském tisku původních článků. Jednou z příčin zkreslených informací o elektrických vlastnostech antén je kromě složitosti a neznalosti celé anténní problematiky neobyčejně obtížná realizace správných měření, resp. obtížná realizace správného porovnání různých typů antén, zejména amatérskými prostředky. Chybné zhodnocení zhotovené konstrukce použitím nesprávné měřicí metody, či jen opomenutí nejdůležitějších zásad správného měření, vedlo a vede nejčastěji k mylným závěrům. Druhým činitelem, který mnohdy přispívá k nezdarům a k nesprávným závěrům při konstrukci Yagiho antén pro úzká amatérská VKV pásma, je kritičnost nastavení úzkopásmové antény v oblasti maximálního zisku.

Z uvedeného tedy vyplývá, že prakticky užívané typy účinných antén pro amatérská VKV pásma a zejména TV pásma jsou výsledkem rozsáhlých a soustavných experimentálních prací, při nichž lze ve větší či menší míře použít některých poznatků, odvozených teoreticky.

V druhé části článku budou uvedeny zásadní vztahy mezi elektrickými para metry a základními rozměry směrových antén.

V první části článku v AR 8/61, str. 234 byly definovány základní pojmy a byly uvedeny informace a současném stavu a způsobech řešení Yagiho směrových antén. Druhá část pojednává o směrových vlastnostech Yagiho s větším ziskem, které lze uvažovat jako antény s povrchovou vlnou. Jsou vysvětleny nejdůležitější vztahy mezi směrovými vlastnostmi a základními rozměry antén. (AR 10/1961)

4.-5. Směrové vlastnosti Yagiho antén

Jak již bylo řečeno v I. části, jde při návrhu směrové antény v prvé řadě o vyhledání správných rozměrů, nutných pro dosazení požadovaných elektrických vlastností, nejčastěji pro dosažení optimálního zisku. Z předchozího také víme, že prakticky užívané ‚ typy směrových antén jsou zpravidla výsledkem rozsáhlých experimentálních prací. Nicméně i za těchto okolností vycházíme z obecně platných vztahů mezi základními rozměry antén a elektrickými vlastnostmi.

Nejprve se budeme zabývat směrovými vlastnostmi. Pro snazší pochopeni dalšího výkladu je třeba připomenout rozdíl mezi ziskem a směrovostí.

Směrovost a zisk

Směrovost antény je schopnost soustředit energii do (z) jednoho směru na úkor směrů ostatních. Abychom mohli směrové účinky různých antén navzájem srovnávat, zavádíme pojem činitel směrovosti [17].

Absolutní činitel směrovosti (Sa) udává, o kolik je elektromagnetické pole od směrové antény v místě. příjmu větší než pole, vzbuzené v témže místě ideální všesměrovou anténou, vyzařující rovnoměrně do celého prostoru (tzv. izotropickým zářičem) za předpokladu, že obě antény vyzařují stejný výkon. Tímto srovnáním vyjadřujeme, oč je směrová anténa směrovější než anténa všesměrová - izotropický zářič, který vyzařuje (přijímá) do (ze) všech směrů stejně.

Půlvlnný dipól, nejjednodušší anténa na VKV, je tedy v porovnání s izotropickým zářičem již anténou směrovou, neboť do určitých směrů vyzařuje méně či vůbec ne (ve směru podélné osy).

Lze dokázat, že činitel směrovosti Sa půlvlnného dipólu je

Sa = 1,64,

tj. ve směru maximálního vyzařování je vyzařovaný výkon 1,64krát větší než výkon, vyzařovaný izotropickým zářičem kterýmkoliv směrem. Vyjádřeno v dB je to 2,14dB.

Izotropický zářič je však anténa pomyslná. Pro praxi je výhodnější, když za vztažnou (referenční anténu, se kterou srovnáváme antény směrové, bereme půlvlnný dipól. V tomto případě hovoříme o relativním činiteli směrovosti (Sr), který udává, o kolik je anténa směrovější než λ/2 dipól.

Viz obr. 1, kde jsou nakresleny napěťové diagramy směrovosti izotropického zářiče (a) λ/2 dipólu (b) a pro srovnání ještě diagram směrovosti Yagiho antény (c) se ziskem 10 dB proti λ/2 dipólu. Pro jednoduchost je uvažována anténa bez zadního a postranních laloků, se souměrným tvarem diagramu, takže úhel příjmu (šířka hlavního laloku) je 50° v obou rovinách. (Ve skutečnosti bývá úhel příjmu v horizontální rovině menší, v rovině vertikální větší. 50º je průměrná hodnota pro anténu se ziskem 10 dB bez zadního a postranních laloků.) Napětí na vstupu přijímače, připojeného k některé z antén orientované ve směru maximálního příjmu, by při dobrém přizpůsobení odpovídalo poměrné stupnici ve směru 0° na obr. 1.

Činitel směrovosti, ať absolutní nebo relativní, ukazuje, do jaké míry je možno soustředit vyzařovanou energii daným směrem. O tom, zdali skutečně vdaném místě nastane odpovídající zvýšení intenzity pole, rozhoduje účinnost použité směrové antény. Při 100% účinnosti je tedy skutečný zisk směrové antény rovný činiteli směrovosti. Účinnost Yagiho antén je prakticky 100%, ale klesá poněkud s rostoucí délkou antény.

Zisk absolutní (proti izotropickému zářiči) či relativní (proti λ/2 dipólu) se udává v dBi. Absolutní zisk je vždy o 2,14 dB větší než zisk relativní.

Pro praktickou potřebu zavádíme tzv. pracovní zisk, který ještě zahrnuje energetickou účinnost přenosu s použitým napáječem.

Direktory jejich rozměry a vliv na směrovost

Yagiho anténu uvažujeme jako anténu s povrchovou vlnou, resp. jako anténu dielektrickou (viz I. část). Pravé dielektrikum (trolitul, umaplex apod.) skutečných antén dielektrických je u Yagiho antény nahrazeno „dielektrikem umělým“, které tvoří prostor, jakýsi vlnový kanál, vybuzeny řadou pasivních prvku, jejichž elektrická délka musí být kratší než půl vlnové délky (λ/2). Je to tedy řada direktorů, která je schopna takové dielektrické prostředí vytvořit a vést povrchové elektromagnetické vlny. (Při té příležitosti je třeba poznamenat, že Yagiho anténa je v sovětské literatuře nazývaná velmi výstižně „volnovoj kanal.“ Tak totiž pojmenoval tyto antény původně sám H. YAGI, jak se o tom zmiňuje TATARINOV [18].

Víme, že v každém dielektrickém prostředí, tj. ‚v prostředí, které má větší dielektrickou konstantu ε než vzduch (ε = 1), je fázová rychlost šíření v elektromagnetické vlny menší než rychlost světla c ve volném prostoru.*) Lze říci, že v takovém prostředí se vlnová délka zkracuje.

*) Pojem fázová rychlost šíření zavádíme pro šíření elektromagnetických vln v prostředí, jehož dielektrická konstanta je kmitočtově závislá. V takovém prostředí je pak kmitočtově závislá i rychlost šíření na rozdíl od ideálního dielektrika v němž se elektromagnetické vlny šíří rychlostí nezávislou na kmitočtu.

Příkladem může být šíření elektromagnetických vln v souosých kabelech s polystyrénovým dielektrikem (ε = 2,3), se kterým se prakticky setkáváme např. při užití tzv. symetrizačních smyček, které umožňují připojení nesouměrného napáječe (souosého kabelu) k souměrné anténě při současné transformaci impedance. Tato smyčka má mít elektrickou (rezonančnÍ) délku λ/2. Použití polystyrénu jako dielektrika zkracuje vlnovou délku na kabelu tak, že skutečná délka kabelu je kratší vlivem koeficientu zkrácení. Velikost zkrácení vlnové délky, resp. fázová rychlost šíření elektromagnetických vln v souosém kabelu je tedy dána vlastnostmi dielektrika.

Chová-li se tedy prostor podél řady direktorů (vlnový, kanál) jako dielektrikum, je vlastnostmi tohoto dielektrika nutně ovlivněna fázová rychlost šíření povrchové elektromagnetické vlny. Vlastnosti tohoto dielektrika jsou dány délkou, tloušťkou a roztečí direktorů. Těmito rozměry je tedy dána fázová rychlost šíření elektromagnetických vln podél řady direktorů a naopak, požadované fázové rychlosti lze dosáhnout vhodnými rozměry této řady. Čím větší je fázová rychlost podél antény, tj. čím více se blíží rychlosti světla, tím větší je zisk. Pro anténu dané délky lze však vždy stanovit optimální velikost fázové rychlosti, které lze dosáhnout vhodnou úpravou rozměrů řady direktorů. Jakákoli jiná, hodnota fázové rychlosti, menší či větší, způsobuje pokles zisku.**)

**) Vytvoříme-li podél dlouhé Yagiho antény stojaté vlny, lze fázovou rychlost změřit malým dipólkem (s vhodným indikátorem), kterým pohybujeme těsně podél řady direktorů. Ze vzdálenosti maxim nebo minim je možno zjistit délku vlny, a tudíž i rychlost šíření podél řady direktorů. Stojaté vlny podél antény se vytvoří umístěním dostatečně veliké vodivé desky před posledním direktorem. V praxi, zejména u kratších antén, se však měření fázové rychlosti neprovádí.

Pro jinou, delší anténu je třeba opět optimální hodnoty; ta je však větší než předchozí. Čím je tedy anténa delší, tím větší fázovou rychlost je nutno nastavit, aby bylo dosaženo maximálního zisku. Matematické vyjádření tohoto vztahu je tzv. Hansen-Woodyardova podmínka [19].

v/c = (L/λ) / (L/λ + 0,5)

kde v je fázová rychlost šíření podél struktury

        c je rychlost šíření ve volném prostoru, resp. rychlost světla

        L/λ je celková délka antény, vyjádřená ve vlnové délce

Grafické znázornění Hansen-Woodyardovy podmínky je na obr. 2.

Lze dokázat, že fázová rychlost po vrchové elektromagnetické vlny je menší než rychlost ve volném prostoru, je-li rezonanční délka direktorů menší než λ/2. To je prvá podmínka pro vznik směrového účinku. Pro správný názor stačí si dále zapamatovat, že fázová rychlost

- vzrůstá se zkracováním délky direktorů, ale klesá s rostoucím průměrem direktorů.
- vzrůstá se zvětšující se vzdáleností mezi direktory
- klesá se zvětšujícím se kmitočtem.

Je vidět, že všechny závislosti jsou navzájem v souladu, z jedné podmínky nutně a logicky vyplývá druhá. Prakticky to tedy znamená:

Čím je anténa delší, tím kratší musí být direktory (aby bylo dosaženo optimální fázové rychlosti resp. optimálního zisku). Nahradíme-li direktory optimální délky jinými, ale o větším průměru, fázová rychlost klesne a klesne i zisk. Aby bylo dosaženo znovu optimální hodnoty, je třeba tyto silnější direktory zkrátit.

Čím je anténa delší, tím mají být direktory dále od sebe (aby bylo dosaženo optimální fázové rychlosti resp. optimálního zisku). Z toho dále logicky plyne, že při užití většího počtu direktorů čili s menšími vzájemnými roztečemi, lze pokles zisku kompenzovat jejich zkrácením. Takže anténa určité délky bude mít na určitém kmitočtu stejný zisk při „hustších“ a kratších direktorech, jako při „řidších“ a delších direktorech.

Je tedy vidět, že optimální fázové rychlosti a tedy i maximálního zisku lze u antény dané délky dosáhnout různými rozměry řady direktorů.

Existuje však jistá maximální rozteč direktorů, po jejímž překročení zisk velmi rychle klesá [20]. Na obr. 3 a 4 je znázorněn průběh zisku v závislosti na délce direktorů pro rozteče d = 0,1 λ; 0,2 λ; 0,3 λ a 0,4 λ a pro antény o délce L = 1,2 λ a L = 6 λ. Na obr. 5 je pak závislost max. zisku na rozteči direktorů pro anténu o délce L = 6 λ. Z obrázků je vidět, že výrazný pokles zisku nastává pro d>0,4 λ. U antény kratší, L = 1,2 λ, je tento pokles již velmi značný. Částečné zmenšení zisku při d>0,3 λ lze poněkud redukovat použitím dalšího direktoru, který se umístí poměrně blízko (0,1 λ) u dipólu. Jeho působením se zvětší vazba mezi zářičem a řadou již poměrně řídkých direktorů. Pro d>0,4 λ je však tento způsob neúčinný.

Všechny závislosti na obr. 3 a 4 platí pro jednu tloušťku direktorů, p = 0,05 λ (na 435 MHz to odpovídá p = 35 mm). Uvedené měření totiž bylo prováděno na mikrovlnách, kde pochopitelně nebylo možno realizovat p = 0,001 λ až 0,005 λ, užívané na VKV pásmech. Pro takové průměry by bylo třeba údaje korigovat.

V praxi není radno využívat maximálních roztečí až 0,4 λ. Směrovost antény je kmitočtově méně závislá pro menší rozteč d, takže u širokopásmových TV antén klesá max. použitelná rozteč mezi direktory zpravidla na hodnotu d<0,25 λ. Na úzkých amatérských VKV pásmech lze využitím max. d = 0,4 λ (zejména u velmi dlouhých antén) zmenšit na minimum počet direktorů při zachování maximálního zisku, odpovídajícího použité délce antény. Kritičnost nastavení se tím však zvětšuje, což může vést k nezdarům při výrobě antén podle správných podkladů, pokud nejsou přesně dodrženy nejen předepsané rozměry, ale i vlastní konstrukce (způsob připevnění prvků k nosné tyči apod.).

Maximální zisk antény určité délky je tedy dán optimální, ale konstantní fázovou rychlostí čili vhodnými rozměry a uspořádáním direktorů. Délky direktorů a vzdálenosti mezi direktory se u takovéto antény nemění. Rozteč i délka direktorů zůstává konstantní. Typickým znakem takto nastavené antény (se stejnými direktory ve stejných vzdálenostech) jsou poměrně výrazné postranní laloky v obou rovinách. Na kmitočtu, kde je zisk antény maximální, jsou postranní laloky necelých 10 dB pod úrovní hlavního laloku (10 dB odpovídá poklesu napětí na 0,316 max. hodnoty). Na nižším kmitočtu se sice úroveň postranních laloků zmenšuje, šířka diagramu (úhel příjmu) se však zvětšuje a zisk klesá. Na vyšším kmitočtu postranní laloky rychle vzrůstají a zisk velmi rychle klesá (viz obr. 6).

I když proti takové anténě nelze mít z hlediska zisku námitek, jeví se jako méně výhodná z hlediska provozního, zejména na amatérských VKV pásmech. Stejně tak TV posluchač zpravidla žádá, aby při protáčení antény o 360º dostal na stínítku obraz vyhovující kvality jen jednou. I při středně silném signálu totiž není možno, ať akusticky nebo opticky, objektivně zhodnotit velikost potlačení signálu při příjmu postranním lalokem, takže anténa se zdá při tomto laickém hodnocení méně dobrá. Rozdíl je patrný až při slabých signálech. Snad je vhodné při této příležitosti poznamenat, že u takové antény lze s výhodou využít velmi ostrého minima (-30 až 40 dB) mezi hlavním a postranním lalokem k potlačení signálu nežádaného odrazu nebo nežádané stanice, který dopadá na anténu ze směru málo odlišného od směru k při jímané stanici. Toto minimum je velmi ostré, proto je třeba velmi pozorného nasměrování.

Odstraněním, případně zmenšením postranních laloků při současném zachování zisku, odpovídajícího délce antény, se zabývají některé práce z po sledních let [12], [21], [22]. Ukazuje se, že na rozdíl od případu předchozího, kde zůstává fázová rychlost po celé délce antény konstantní (konstantní rozměry a rozteče direktorů), je výhodné takové uspořádání, kdy se fázová rychlost mění lineárně nebo periodicky. Způsob prvý (lineární změna) lze lépe aplikovat u kratších antén (do 3λ).

Postupným zkracováním direktorů směrem od zářiče, nebo postupným zvětšováním vzdáleností mezi direktory směrem od zářiče, případně kombinací obou způsobů - tj. direktory se postupně zkracují a současně se zvětšuje jejich rozteč (tzn. fázová rychlost šíření po vrchové elektromagnetické vlny se lineárně zvětšuje), lze dosáhnout u antény téměř stejného (původního) zisku, ale většího potlačení postranních laloků [12].

Tak např. byla navržena a proměřena anténa dlouhá 6 λ. Postupným zkracováním direktorů při stejné rozteči byly postranní laloky potlačeny až na -16,6 dB v horizontální a -13,6 dB ve vertikální rovině. Optimální poměr délky prvního a posledního direktoru byl v tomto případě 1,176. Rychlejší nebo pozvolnější zkracování direktorů dávalo horší výsledky. Buď se začal značně rozšiřovat hlavní lalok - zisk klesal, nebo nebylo potlačení postranních laloků dostatečné. U antény dlouhé 10 λ byly postupným zkracováním direktorů potlačeny postranní laloky v průměru na -16,9 dB. Kombinací obou způsobů, zkracováním direktorů a zvětšováním roztečí bylo dosaženo potlačení až -19,9 dB.

U kratších antén nelze sice použít výpočtu, výsledky experimentálních prací však potvrzují, že lze postupovat stejným způsobem. Postranní laloky lze potlačit postupným zkracováním direktorů nebo postupným zvětšováním jejich roztečí, případně kombinací obou způsobů. Rychlost změny v délce a rozteči závisí na délce antény a šířce přenášeného kmitočtového pásma. Čím je anténa delší, tím je zkracování délek menší a tím dříve je možno zvětšit rozteč direktorů na maximální hodnotu až 0,4 λ.

Je-li třeba překrýt širší kmitočtové pásmo (TV antény), je zkracování direktorů intenzivnější a růst roztečí menší.

Každé délce antény a každé šíři pásma odpovídá určitá optimální rychlost změny rozměrů. Její stanovení, resp. určení vlastních rozměrů je však i v tom to případě záležitostí experimentální.

Reflektor

Jak již bylo řečeno, sestává Yagiho směrová anténa v podstatě ze dvou částí. Ze soustavy zářič (dipól)-reflektor a z řady direktorů. Úkolem reflektoru je soustředit elektromagnetickou energii, vyzařovanou dipólem, směrem k řadě direktorů, podél které se pak šíří jako povrchová elektromagnetická vlna. Délka reflektoru a jeho vzdálenost od dipólu musí být taková, aby se v něm indukovaly vf proudy v protifázi, tj. aby působil skutečně jako reflektor a elektromagnetickou energii odrážel zpět. Musí být tedy vzdálen asi 0,25 λ od dipólu, a jeho rezonanční (elektrická) délka musí být >0,5 λ. Průběh zisku v závislosti na vzdálenosti (r) od dipólu pro soustavu dipól-reflektor na obr. 7 ukazuje, že rozměry reflektoru nejsou kritické. Poměrně malé změny v zisku soustavy dipól-reflektor při různém nastavení rozměrů reflektoru se na konečném zisku celé Yagiho antény projevují zcela nepatrně, zejména u antén delších. Vzhledem k funkci reflektoru v takové dlouhé anténě lze soustavu dipól-reflektor nastavit samostatně. Připojením řady direktorů se původní optimální nastavení soustavy dipól-reflektor nemění. To platí zejména pro dlouhé Yagiho antény. Prakticky nastavujeme konečnou délku reflektoru tak, abychom na žádaném kmitočtu, obvykle uprostřed pásma, dosáhli nejlepší hodnoty činitele zpětného příjmu. Podaří-li se takto u antény o zisku 12 dB zlepšit činitel zpětného příjmu např. z 15 dB na 25 dB, je to z provozního hlediska mnohdy značné zlepšení. Celkový zisk 12 dB antény však stoupne jen o 0,2 dB. U úzkopásmové antény, která pracuje v oblasti maximálního zisku, lze i s jednoduchým reflektorem dosáhnout v poměrně úzkém pásmu vysoké hodnoty činitele zpětného příjmu, až 20-25 dB. Použitím dvou stejných reflektorů, umístěných poměrně blízko nad sebou ( ~ 0,1 λ), lze tuto hodnotu ještě zlepšit. Použití několikanásobného, zpravidla trojnásobného (tzv. trigonálního) reflektoru zlepšuje činitel zpětného příjmu v širším pásmu. Oba přídavné reflektory se umisťují 0,25 až 0,4 λ nad a pod původní jednoduchý reflektor. Jsou vysunuty poněkud dopředu, směrem k dipólu. Při použiti vícenásobného reflektoru je třeba jednotlivé reflektory prodloužit, asi na 0,55 λ nejnižší přenášené vlnové délky. Tak lze dosáhnout hodnot lepších než 20 až 25 dB v širším pásmu. Je třeba poznamenat, že u širokopásmových antén (na př. TV antén pro celé III. pásmo) je maximální použitelná délka nejdelších direktorů dána nejvyšším kmitočtem přenášeného pásma. Reflektory jsou tedy laděny podle nejnižšího, direktory podle nejvyššího kmitočtu.

Délka antény a zisk

Z toho, co bylo uvedeno, tedy plyne že zisk Yagiho antény je dán především celkovou délkou antény. Délky a rozteče pasivních prvků, zejména direktorů, je třeba uspořádat tak, aby byly vytvořeny podmínky pro dosaženi maximálního ziskuj odpovídajícího délce antény. Z předchozího víme, že jsou možné různé způsoby optimálního uspořádání direktorů. U antén stejně délky vsak nutně musí vést k prakticky stejnému zisku.

Závislost zisku na délce antény je znázorněna na obr. 8 a 9. Pro informaci je zakresleno několik průběhů udávaných různými autory: (1) Ehrenspeck [12] a Fiebranz [23], (2) Greenblum [13], (3) Orr a Jonson [15], (4) Kmosko [13] a (5) Kienow [24]. Za správnou je třeba považovat závislost na délce antény podle křivky (1), resp. oblast mezi (1) a (2) pro antény kratší (asi do 1 λ ). Průběh (1) je odvozen s Hansen-Woodyardovy podmínky která platí přesněji až pro delší antény. U kratších antén je možno dosáhnout zisků poněkud větších než podle (1) a (2). Max. zisk tříprvkové antény délky 0,5 λ je 7 dB.

Průběh (2) je prakticky grafickým znázorněním výrazu

G= 10 log 10 L-1

kde G je zisk v dB proti půlvlnnému dipólu
        L je délka antény ve vlnové délce

V tomto případě se v podstatě vychází z teoretického předpokladu, že každým zdvojením rozměrů anténní soustavy by měl zisk stoupnout o 3 dB (odpovídá dvojnásobnému výkonu). Proto je na obr. 9 v logaritmickém měřítku tato závislost přímkou. Prakticky však zdvojením anténní soustavy, ať patrováním, nebo zdvojením délky, zisk o celé 3 dB nevzrůstá. Růst je tím pomalejší, čím je anténa delší. Pro delší antény tedy křivka (2) neodpovídá skutečnosti.

Greenblum udává průběh (2) pro antény s postupně rostoucí roztečí mezi direktory, až nad d = 0,4 λ, jejichž délka se zprvu periodicky mění (klesá, stoupá, klesá) a pak zůstává konstantní. Ostatní průběhy (3), (4) a (5) neodpovídají skutečnosti, i když právě ty jsou v literatuře nejčastěji publikovány. Na obr. 9 vyniká zejména absurdnost křivky (5). Tím ovšem není řečeno, že směrové vlastnosti antén konstruované podle pramenů [15] či [26], [13] a [24] jsou špatné. Nemají pouze ten zisk, jaký uvádějí autoři.

Jednou z příčin nadhodnoceného udávání zisku je nesprávně prováděné měření zisku, které je totiž jedním z nejobtížnějších antenářských měření.

Kontrola směrových vlastností tří druhů Yagiho směrových antén, užívaných ve větší míře na amatérských VKV pásmech, provedená autorem, potvrdila správnost závislosti zisku na délce podle křivky (1).

Na 145 MHz byly kontrolovány antény

A — jedenáctiprvková, 1,15 λ dlouhá, podle [25]
B — desetiprvková, 1,72 λ dlouhá, podle [16]
C — dvanáctiprvková, 3,05 λ dlouhá, podle [15] resp. [26].

Zjištěný zisk se sice značně liší od údajů autorů, sleduje však velmi dobře průběh (1), i když jde o různé typy antén s různým uspořádáním a s různými rozměry direktorů (viz obr. 9). V podstatě je tedy nesprávné charakterizovat směrové vlastnosti Yagiho antén počtem prvků. Jedenáctiprvková anténa pro amatérské VKV pásmo může mít zisk 9 dB, ale i 12,5 dB. Rozhodující je délka. Aby však bylo dosaženo zisku odpovídajícího délce, je třeba správného uspořádání pasivních prvků.

Závěr II. části

Druhá část článku měla vysvětlit vztahy mezi směrovými vlastnostmi a rozměry Yagiho antén. Z uvedeného plyne mimo jiné obecný závěr, platný i pro jiné typy směrových antén, že zisk antény je dán především celkovým rozměrem antény. Čím je anténa rozměrnější, tím může mít větší zisk. V současné době neznáme žádné antény, na které se toto pravidlo nevztahuje. Takřka fantastické údaje o zisku těch různých skeletschlitz-, ZL spec-, quad a jiných typů antén neodpovídají skutečnosti. Pokud při amatérsky prováděném srovnávání působí jednotlivé druhy stejně rozměrných antén rozdíly ve velikosti přijímaného (nebo vyzářeného) signálu, bývá zpravidla příčinou nedokonalý přenos signálu z antény (nebo naopak) vlivem nedokonalého impedančního přizpůsobení. O této otázce se zmíním v některém z příštích čísel.

V III. části článku je nejprve probrán vliv impedančního přizpůsobení antén na účinnost přenosu vf energie použitým napáječem. Vysvětlují se všechny druhy ztrát, které účinnost přenosu ovlivňují. Dále jsou uvedeny informace o vlivu rozměru Yagiho antény na její impedanci. K vysvětlení je použito grafů, kterých lze prakticky použít. (AR 2/1962)

Zatímco jsme se v I. části článku (AR č. 8/61) seznámili se základními pojmy a se způsoby řešení Yagiho směrových antén, byly v II. části (AR Č. 10/6 1) vysvětleny nejdůležitější vztahy mezi základními rozměry a směrovými vlastnostmi. Dospěli jsme mimo jiné k velmi důležitému poznatku, který zde znovu připomínáme. Anténa může mít tím větší zisk, čím je rozměrnější - v případě Yagiho antény, čím je tato delší. Vztah mezi maximálním možným ziskem a délkou antény je znázorněn křivkou 1 na obr. 8. a 9. v II. části článku. Uspořádáme-li u antény všechny rozměry podle zásad uvedených v II. části, pak má anténa optimální směrové vlastnosti a za předpokladu dokonalého impedančního přizpůsobení i optimální provozní zisk. Proto jen u přizpůsobené antény se projeví (a je využit) energetický přínos, daný činitelem směrovosti antény. K otázce přizpůsobení, ztrát, a k impedančním vlastnostem Yagiho antén obrátíme svou pozornost v dalších odstavcích.

6. Impedanční vlastnosti

6.1. Vliv přizpůsobení a útlumu napáječe na účinnost přenosu vf energie

Otázka přizpůsobení je spojena se všemi druhy ztrát na napáječi mezi anténou a vysílačem (přijímačem). Tyto ztráty vznikají a jsou ovlivňovány jednak vlastním útlumem napáječe a jednak velikostí činitele stojatých vln - σ. Při přenosu vf energie, běžně užívanými druhy napáječů, je třeba počítat s těmito ztrátami:

a) ztráty vlastním útlumem napáječe
b) ztráty nepřizpůsobením
c) ztráty, způsobené existencí stojatých vln (při nepřizpůsobení) na útlumovém vedení (Při užití nevhodného přechodu (symetrizačního členu) mezi souměrnou anténou a souosým napáječem - koax. kabelem, resp. obráceně, dochází k dalším ztrátám zářením napáječe.)

a) Ztráty útlumem napáječe

Při dokonale přizpůsobené anténě se uplatňují jen ztráty způsobené vlastním útlumem napáječe. Znalost útlumu použitého napáječe mezi anténou a vysílačem (přijímačem) na pracovním kmitočtu je nezbytnou informací pro posouzení účinnosti přenosu signálu nejen z hlediska vysílání, ale i příjmu (o vlivu útlumu napáječe na šumové vlastnosti přijímače viz, lit. [27].) Ztráty útlumem jsou dány především jakostí dielektrika, ale i jakostí vodičů napáječe. Ztráty stoupají s délkou napáječe, s rostoucím kmitočtem; dále navlhnutím či znečištěním dielektrika, i korozí vodičů napáječe. Navlhnutí či znečistění dielektrika se projevuje velmi nepříznivě zejména u nestíněných souměrných napáječů (,‚dvoulinek“). U soůosých napáječů (koaxiálních kabelů) zase dochází ke korozi pletiva stínění působením vody, která vniká pod ochrannou vnější izolaci při nedokonalé ochraně proti povětrnostním vlivům v místech obnaženého stínění (konce na páječe u antény, u zkratu na stínění λ/4 symetrizačních členů apod.).

Na tab. 1 jsou uvedeny ztráty vlastním útlumem napáječe, vyjádřené v dB a v % přeneseného výkonu na 50 MHz a na amatérských VKV pásmech pro tři druhy běžně prodávaných a nejvíce užívaných napáječů.

Vzhledem k tornu, že se vyskytují i jiné typy souosých kabelů (inkurantní) je třeba pro úplnost dodat: Kabely s vnitřním vodičem - lankem mají útlum větší. Na př. VFKP 391 je ekvivalent VFKP 390; vnitřní vodič je však lanko 7 x 0,38 mm. Jeho útlum je o 20 % větší. Útlum klesá (při stejné impedanci) s rostoucím průměrem středního vodiče a tedy i s rostoucím průměrem kabelu. Útlum je tím menší, čím „vzdušnější" je dielektrikum (polystyrénové kalíšky). Velmi jakostní kabely mají vnitřní vodič stříbřený. Zvláštní útlumové kabely, určené pro měřicí či jiné speciální účely, mají naopak vnitřní vodič železný nebo z chromniklu.

b) Ztráty nepřizpůsobením (odrazem)

K dokonalému přenosu vf energie dochází jedině tehdy, je-li zátěž při způsobena zdroji, tj. tehdy, neliší-li se příliš charakteristická impedance napáječe od impedance zátěže - antény. Míra přizpůsobení, resp. nepřizpůsobení, je dána velikostí napěťového činitele stojatých vln - σ. Je to poměr maximální hodnoty k minimální hodnotě napětí stojaté vlny na napáječi. Stojatá vlna vznikne na napáječi složením vlny postupné a odražené.

σ = ∞, tj. všechna energie se odráží, je-li napáječ na konci zkratován nebo není-li připojen vůbec.

σ = 1, při dokonalém přizpůsobení, tj. když se stojaté vlny nevytvoří.

Na tab. 2 jsou pro σ = 1 až 20 uvedeny ztráty v dB a jim odpovídající přenesený výkony %.

Pro jiné hodnoty σ je ztrátu, resp. odražený výkon (No) v % možno vypočítat podle vzorce

No = 100 ( (σ-1) / (σ +1) )2

c) Ztráty způsobené existencí stojatých vln na útlumovém vedení (napáječi). Vlivem stojatých vln, které vzniknou na napáječi nepřizpůsobením (což je již příčinou ztrát podle bodu b)), objevují se další ztráty, způsobené existencí těchto stojatých vln na napáječi. Tyto ztráty jsou tím větší, čím větší je i, a čím větší je vlastní útlum napáječe (podle a)). Vznik ztrát tohoto druhu lze vysvětlit asi takto: Vlivem nepřizpůsobení se část vf energie odráží a šíří se po napáječi zpět. Dielektrikum napáječe je tedy namáháno nejen energií postupující k zátěži, ale v případě vzniku stojatých vln též energií odraženou, což zhoršuje jeho vlastnosti. Ztráty v dielektriku se zvětšují a účinnost přenosu se dále zmenšuje.

Pro praktické použití je sestrojen graf na obr. 1. Pro σ = 1 udává svislá stupnice normální, vlastní útlum napáječe. Se vzrůstajícím σ (na stupnici vodorovné) se objeví další ztráty, takže celkový útlum pak lze odečíst na svislé stupnici jako průsečík křivky, odpovídající vlastnímu útlumu napáječe, se svislou přímkou, pro i na napáječi měřené u zátěže (antény).

V některých případech je nesnadné měřit ihned u antény; na př. při kontrolním měření již instalované antény. Tehdy měříme obvykle až u zdroje (vysílače), takže mezi místem měření a anténou je napáječ určité délky. Vlastní útlum tohoto napáječe (podle tab. 1) ovlivňuje i vlnu odraženou, takže a se směrem ke zdroji vlivem vlastního útlumu napáječe zmenšuje. Pro stanovení ztrát nepřizpůsobením (podle b)) a pro určení ztrát (podle c)) potřebujeme však znát i u zátěže - antény. Pomocí grafu na obr. 2 lze stanovit o u zátěže z velikosti vlastního útlumu napáječe a ze změřeného i u zdroje. Je vidět, že poměrně malé σ měřené u zdroje, neznamená ještě malé σ u zátěže a malé ztráty nepřizpůsoben vlivem vlastního útlumu napáječe může být r u zátěže dosti značné.

Příklad: U vysílače na 145 MHz s výstupní impedancí 75 Ω bylo reflektorem zjištěno σi = 2 na 75Ω souosém kabelu VFKP 250, dlouhém 18,7 m. Tomuto nepřizpůsobení mezi kabelem a vysílačem odpovídá podle tab. 2 ztráta 0,52 dB. Vlastní útlum kabelu délky 18,7 m je (podle tab. 1) 3dB. Pro σ = 2, zjištěné u vysílače a pro 3 dB útlum kabelu zjistíme v grafu na obr. 2 činitel stoj. vlny — σ = 5 u antény. Tomuto σ odpovídá podle obr. 1 celkový útlum kabelu 5,0 dB. Zbývá ještě stanovit ztráty nepřizpůsobením mezi kabelem a anténou podle tab. 2. Prve určenému σ = 5 odpovídá ztráta nepřizpůsobením 2,56 dB. Celkovým součtem (0,52 + 5,0 + 2,56) dostáváme celkovou ztrátu 8,08 dB, takže celkový výkon dodaný do antény činí jen 12,5 % výkonu vysílače. Při užití antény s předpokládaným ziskem např. 10 dB (délka antény L = 1,45 λ, šířka hlavního laloku Θ = 50°) takto přizpůsobené, resp. nepřizpůsobené, by byl provozní zisk soustavy napaječ -  anténa necelé 2 dB. Použijeme-li téhož napáječe a antény pro přijímač o vstupní impedanci 75 Ω (např. konvertor s vf zesilovačem v mezizapojení, kdy šumové přizpůsobení je shodné s přizpůsobením impedančním), vypadají energetické poměry takto:

Ztráta nepřizpůsobením, σ = 5, mezi kabelem a anténou činí 2,56 dB. Útlum napáječe zůstává 3 dB. Na kabelu nejsou stojaté vlny, protože jeho impedance je shodná s impedancí přijímače (nyní zátěže). Celkem tedy 5,56 dB.

Z velikosti a u vysílače a z útlumu použitého napáječe lze výše naznačeným způsobem a za pomoci uvedených tabulek a grafů stanovit účinnost přenosu napáječem a tak kvalitativně zhodnotit vliv nepřizpůsobení na provozní zisk antény. Je třeba dodat, že měření činitele stojatých vln lze provést i jednoduchými amatérskými prostředky poměrně přesně. (Popis reflektometru pro měření na VKV bude uveřejněn v ně kterém z příštích čísel. Jinak viz články v [28], [29].)

Z grafického znázornění na obr. 1 je vidět, že přídavný útlum, způsobený existencí stoj. vln na útlumovém vedení,je tím menší, čím kvalitnější je napáječ. Přídavný útlum je roven nule, je-li napáječ bezútlumový, např. vzdušné souměrné vedení. Této skutečnosti lze využít k přenosu vf na větší vzdálenosti pomocí tzv. laděného vedení. Speciálním případem laděného vedení je napáječ o délce, která je násobkem půlvlny, odpovídající použitému kmitočtu. Vedením o takové délce lze beze změny transformovat libovolnou impedanci z jedné strany na druhou, nezávisle na vlastní charakteristické impedanci tohoto vedení, která může být řádově 400-600 Ω. Těžko by totiž bylo možno vzdušné vedení o nižší impedanci realizovat. Využitím tohoto poznatku je možno např. odstranit značný útlum běžných kabelů mezi vysílačem a vzdálenou anténou na amatérských VKV pásmech; lze jej s výhodou použití při přenosu TV signálu z velmi vzdálené antény na anténní svorky televizoru v horských údolích apod. Nevýhodou tohoto typu vedení je pracnost výroby, jeho instalace a údržba. Velmi dobrým řešením souměrného nestíněného vedení je „odlehčení“ běžné 300 Ω dvoulinky vysekáním okének do dielektrického pásku mezi oběma vodiči. Zmenší se tím jednak ztráty a jednak vliv vlhkosti na útlum. Páskové vedení o impedanci 300 s perforovaným dielektrikem má být vyráběno pod označením VFSP 511.

6.2 Impedance Yagiho antén

Konečné nastavení správných rozměrů, nutných pro dosažení optimálních směrových vlastností, je-jak již bylo uvedeno - u většiny antén záležitostí experimentální. Totéž platí o vlastnostech impedančních, a platí to tím spíše proto, že impedanční vlastnosti se zjišťují a upravují až po definitivním nastavení vlastností směrových. Konečná úprava impedance, tj. přizpůsobení antény na použitý napáječ, se provádí u Yagiho antény nejčastěji v obvodu aktivního prvku - zpravidla λ/2 dipólu. Je třeba zvolit vhodný typ a rozměry tohoto dipólu. Dipól může být jednoduchý, jednoduchý skládaný, vícenásobný skládaný, koaxiální skládaný, bočníkový apod. V odůvodněných případech, a je-li to nutné (tzn. když nelze přizpůsobení provést v potřebném kmitočtovém pásmu jen typem a rozměry dipólu), zařadí se mezi napáječ a dipól (paralelně nebo sériově) vhodný přizpůsobovací obvod (bočník, λ/4 transformátor, transformační smyčka apod.), který umožní přizpůsobení antény k na páječi v potřebném kmitočtovém pásmu. Všechny tyto změny na λ/2 dipólu nemají vliv na tvar vyzařovacího diagramu, ostatními rozměry antény dříve nastaveného; na druhé straně však jakákoliv změna délek či vzdáleností pasivních prvků (direktorů a reflektorů), zejména těch nejbližších, má vliv na impedancí antény, měřenou na svorkách dipólu.

Přizpůsobení antény kterýmkoliv z výše naznačených způsobů lze po předchozím změření impedance provést již jen na základě teoretického výpočtu, a to se značnou přesností. Kontrolní měření impedance pak zpravidla jen potvrdí, že anténa je správně přizpůsobena. Tento způsob však předpokládá přesné změření impedance,tj. stanovení jak reálné (ohmické) tak i reaktanční (kapacitní či induktivní) složky, které lze provést jen vhodnými přístroji (měrné vedení, admitanční či impedanční vf můstky, Z-g diagraf, složitější reflektometry apod. [32],[32]).

Naznačený postup při přizpůsobování antén, běžný v profesionální praxi, lze těžko realizovat amatérskými prostředky. Nicméně i za těchto okolností lze s jednoduchými prostředky poměrně dobře přizpůsobit amatérsky navržené a zhotovené antény, a předejít tak ztrátám na napáječi, jak jsem se o nich zmínil v předchozí kapitole.

V souvislosti s tím je třeba se zmínit o některých zásadních kvalitativních vztazích mezi impedancí antény a jejími rozměry a přispět tak k objasnění některých problémů, se kterými se při návrhu antén setkáváme.

Volba impedance antény je ovlivněna především druhem a charakteristickou impedancí napáječe, který jek dispozici. Nejčastěji jsou to souosé kabely o impedanci 50-75 Ω, nebo souměrná vedení stíněná či nestíněná o impedanci 240-300 Ω. Spojením stínění dvou souosých kabelů (vnitřní vodiče připojeny k anténě) vznikne souměrné stíněné (poměrně nákladné) vedení o impedanci 100-150 Ω. Na druhé straně je impedance antén v podstatě dána impedancí použitého základního prvku - λ/2 dipólu.

Impedance ideálního jednoduchého dipólu (tj. nekonečně tenkého, umístěného ve volném prostoru) je asi 73 Ω. Klesá s rostoucím průměrem dipólu, resp. se zmenšujícím se poměrem délky ku tloušťce (viz lit. [30], [33]).

Impedance jednoduchého skládaného dipólu je řádově 4 x větší než dipólu jednoduchého, je-li průměr obou vodičů, které skládaný dipól tvoří, stejný (1 : 1). Velikost impedance lze ovlivnit volbou poměru průměrů obou vodičů. Potřebné vztahy jsou zpracovány do grafů (např. v [33]). Jednoduchý skládaný dipól je nejužívanějším typem zářiče ve většině Yagiho antén pro TV a FM pásma od 70 MHz výše. Z důvodů, které budou uvedeny později (IV. část - konstrukce), je výhodné používat skládaných dipólů se stejným průměrem obou vodičů, zhotovených ohnutím jediné trubky.

Vlastní impedance λ/2 dipólu použitého v Yagiho anténě jako základní aktivní prvek, je ovlivňována a mění se působením ostatních pasivních prvků. Jejich vliv na impedanci je tím větší, čím těsnější je vzájemná vazba, resp. čím jsou dipólu blíže, a čím více se svou rezonanční délkou blíží rezonanční délce dipólu. Největší vliv na původní impedanci dipólu mají reflektor a zejména první direktor (v krátkých úzkopásmových Yagiho anténách pro VKV a zvláště KV). Malý rozdíl v rezonančních délkách reflektorů a direktoru, postačující a nutný k dosažení optimálních směrových vlastností v úzkém pásmu, ovlivní (sníží) značně impedanci použitého dipólu, a anténa se stává také z hlediska impedančního velmi úzkopásmová a tudíž i citlivá na nepatrné změny rozměrů. (To se projevuje velmi nepříznivě zejména u úzkopásmových směrových antén na amatérská KV pásma 14, 21 a 28 MHz, kde jsou prvky velmi blízko u sebe.)

Pro informaci je na obr. 3a a 3b vyznačen vliv délky a vzdálenosti direktoru na zisk a reálnou složku impedance tří prvkové antény. Vyznačené průběhy platí pro anténu s reflektorem 0,5 λ dlouhým, umístěným ve vzdálenosti 0,25 λ od dipólu a pro průměr prvků 0,005 λ (např. 1 cm na 150 MHz). Zmenší-li se vzdálenost dipól-direktor na méně než 0,1 λ, klesá zisk na cca 4 dB, což je max. zisk dvouprvkové antény. Direktor se tedy na celkovém zisku již nepodílí, i když impedanci značně ovlivňuje. Z hlediska celkových rozměrů antény a jejich vlivu na zisk je totiž vzdálenost dipól-direktor velmi malá proti vzdálenosti dipól-reflektor.

Impedance antén víceprvkových, tj. antén delších, neklesá na tak malé hodnoty jako u velmi krátkých úzkopásmových antén tří- až čtyřprvkových. Tato skutečnost není většinou známa a vše obecně se má zato, že čím je počet prvků větší, tím nižší je impedance.

K vysvětlení této skutečnosti je třeba připomenout vztah mezi délkou antény a optimální fázovou rychlostí resp. optimálním ziskem, zdůrazněný v II. části článku. Čím je anténa delší (tzn. čím má také více prvků - direktorů), tím větší fázovou rychlost je nutné volbou základních rozměrů nastavit. Fázová rychlost vzrůstá zkracováním direktorů. Čím je tedy anténa delší - čím více má direktorů, tím musí být tyto direktory kratší, aby bylo dosaženo optimální fázové rychlosti a tím i optimálního zisku. A čím jsou direktory kratší vzhledem k rezonanční délce dipólu, tím méně jeho původní impedanci ovlivňují. Stoupající počet direktorů, resp. prodlužování antény, není tedy spojeno s výrazným poklesem impedance. U antén pro amatérská VKV pásma delších než 1 λ se impedance pohybuje zhruba kolem 1/2 až 1/3 původní impedance zářiče, tzn. 35-23 Ω vzhledem k jednoduchému dipólu, a 140-90 Ω vzhledem k impedanci jednoduchého skládaného dipólu s poměrem vodičů 1 : 1.

U širokopásmových Yagiho antén se impedance jak krátkých, tak i dlouhých antén v uvažovaném pásmu liší od impedance zářiče ještě méně. S ohledem na vyhovující směrové vlastnosti v daném pásmu je totiž třeba, aby rezonanční délka prvků reflektoru (u širokopásmových antén zpravidla vícenásobného) byla zvolena vzhledem k nejnižšímu přenášenému kmitočtu (viz II. část) asi 0,55 λ, zatímco délka nejdelších direktorů je dána kmitočtem nejvyšším. Vzájemné rozladění mezi rezonančními délkami direktorů, dipólu a reflektorů je tedy u širokopásmových antén značné, takže impedance dipólu je zeJména uprostřed pásma snižována minimálně. Výrazný pokles nastává až za nejvyšším kmitočtem.

Z konstrukčně výrobních hledisek je výhodné použít jednoduchých skládaných dipólů, zhotovených ohnutím jedné trubky, tedy dipólů s transformací 1 : 4. Tyto dipóly jsou výhodné i z hledisek elektrických, protože nemají na koncích korodující spoje, které se často vytvoří působením povětrnostních vlivů zvláště v chemicky agresivním ovzduší průmyslových měst. Na druhé straně však, s ohledem na možnost použití podstatně levnějších souměrných nestíněných napáječů je vhodné, aby impedance antén, zejména pro TV, nebyla menší než 240-300 Ω. Potíže, pramenící z těchto dvou v podstatě protichůdných požadavků, řeší do značné míry tzv. „širokopásmový direktor“, umístěný velmi blízko (0,1 až 0,05 λ i méně) u dipólu. Jím lze v širším pásmu značně ovlivnit impedanci víceprvkové antény bez patrného vlivu na již nastavené vlastnosti směrové; tj. lze ji nastavit tak, aby byla v přenášeném kmitočtovém pásmu rov na původní impedanci jednoduchého skládaného dipólu. Vhodnou délkou tohoto širokopásmového direktoru a jeho vzdáleností od dipólu, které se na stavují experimentálně, lze dnes u většiny TV antén, opatřených jednoduchým skládaným dipólem, upravit impedanci tak, že lze použít 240-300 Ω souměrných napáječů. Vyšší hodnota, tj. 300 Ω‚ vyžaduje menší vzdálenost dipól-širokopásmový direktor a kritičnost nastavení se zvětšuje. Uvedené řešení má též vliv na volbu vstupních impedancí TV a FM přijímačů, kde se upouští od nízkoohmových (60-75Ω) vstupů. Pokud je třeba použít mezi anténami a přijímači o impedanci 240-300 Ω souosých kabelů 60-75 Ω užívá se pro přechody mezi souměrným vstupem antény nebo přijímače a souosým kabelem symetrizačních smyček nebo elevátorů [33]. Konkrétní příklady použití širokopásmových direktorů spolu s rozměry budou uvedeny až v popisu konstrukce antén. Je možno ještě upozornit na obr. 3b, kde je dobře patrný vliv velmi blízkého direktoru na velikost reálné (ohmické) složky impedance, i když obr. 3b není v souvislosti s širokopásmovým direktorem uváděn, protože vliv délky direktoru a vzdálenosti direktor-dipól na velikost reálné složky není stanoven pro vzdálenost menší než 0,1 λ, kde se teprve vliv širokopásmového direktoru účinně uplatňuje. To např. dokazuje na obr. 3b značná strmost křivky pro R = 80 Ω pro hodnoty blízké a menší než 0,1 λ. Zatímco u běžné tříprvkové antény každá změna rozměrů direktoru ovlivňuje současně jak impedanci tak zisk antény, jak je vidět z obr. 3a a 3b, je vliv těsně vázaného širokopásmového direktoru zejména u víceprvkových antén bez patrného vlivu na jejich směrové vlastnosti. Konečnou úpravu impedance, tj. přizpůsobení k napáječi, lze tedy provést nejen druhem a rozměry skládaného dipólu, ale i rozměry tohoto širokopásmového direktoru. Směrové vlastnosti dříve nastavené se tím nezmění.

Závěr

Předchozí odstavce lze stručně shrnout takto:

Účinnost přenosu vf signálu napáječem mezi anténou a vysílačem (či přijímačem) je dána vlastním útlumem napáječe a vzájemným přizpůsobením. Na útlumovém vedení, jakým je dnes každý napáječ s pevným dielektrikem, vzrůstají ztráty při nepřizpůsobení, takže energetický přínos neodpovídá směrovosti antény.

U Yagiho antény se po nastavení požadovaných směrových vlastností provádí přizpůsobení v obvodu aktivního prvku - zářiče, většinou jednoduchého skládaného dipólu. Jeho impedanci, tj. impedanci celé antény, ovlivňují především nejbližší pasivní prvky, jejich délka a vzdálenost od dipólu, nikoliv tedy jejich počet. Impedance delších Yagiho antén neklesá zpravidla ani na 1/3 původní impedance vlastního zářiče-dipólu. Pomocí tzv. širokopásmového direktoru je možno přizpůsobit Yagiho anténu i v širším kmitočtovém pásmu k běžným souměrným napáječům o impedanci 240-300* Ω, takže lze jako aktivního prvku s výhodou použít jednoduchého skládaného dipólu s transformací 1: 4.

* V ČSSR je normou ČSN 367210 televizní přijímací antény, stanovena hodnota 300 Ω.

Příznivé elektrické vlastnosti antény zůstanou trvale zachovány i po jejím instalování, pokud bude mít i vyhovující vlastnosti mechanické. Těmito otázkami se budeme zabývat ve IV. části.

Uvedené informace o vztazích mezi rozměry a elektrickými vlastnostmi Yagiho antén pochopitelně dané téma nevyčerpávají. Záměrem autora bylo a je, přinést především základní a podstatné informace o vlastnostech těchto nejužívanějších typů směrových antén, opravit některé značně rozšířené, ale mylné názory, a přispět tak k celkové informovanosti našich čtenářů v oboru, které mu dosud bylo v periodickém tisku věnováno méně pozornosti, než si zejména dnes pro svou aktuálnost zasluhuje.

Ve IV. části článku jsou uvedeny nedůležité údaje o konstrukci antén. Jsou probrány hlavní konstrukční zásady, které je třeba respektovat, aby byly trvale zachovány původní elektrické vlastnosti. Jde zejména o volbu materiálu, způsob spojování jednotlivých součástí, povrchovou ochranu apod. (AR 3/1962)

Venkovní antény jsou trvale vystaveny veškerým atmosférickým vlivům. Musí být proto konstruovány tak, aby po mechanické i elektrické stránce zůstaly trvale zachovány původní vlastnosti. Vlastní konstrukce antén je právě tak důležitá, jako správná funkce po stránce elektrické, to zn., že nevhodnou konstrukcí, špatnou volbou materiálu, či nesprávnou povrchovou ochranou lze antény s dobrými elektrickými vlastnostmi po kratším nebo delším používání trvale znehodnotit. Mimoto musí konstrukce prodávaných antén vyhovovat požadavkům na dopravu a skladování a musí zaručovat snadnou a jedno značnou montáž i za ztížených podmínek na střeše. Hledisko bezpečnosti a snadné montáže je pochopitelně důležité i při amatérské výrobě antén. Nároky na konstrukci a povrchovou ochranu jsou zajisté ovlivněny i použitím antény. Při krátkodobém použití (např. pro PD) budou menší nároky zejména na povrchovou ochranu. V podstatě je však nutno při konstrukci, volbě materiálu a povrchové úpravě počítat s trvalým působením i častým střídáním těchto vlivů:

vítr, silný nárazový (dimenzování stožáru), i slabý, který způsobuje chvění prvků a tím i únavu materiálu, déšť, námraza, sněžení, změna teplot, chemické vlivy, zvláště zhoubné v agresivním průmyslovém ovzduší.

Působení těchto vlivů nebude všude stejné. V horských oblastech korodují antény sice nepatrně, ale s ohledem na silný vítr a velké námrazy budou nároky na pevnostní vlastnosti prvků podstatně větší než v nížinách, kde je minimální průměr prvků ovlivněn v prvé řadě vahou a množstvím ptactva, které s oblibou na antény sedá. Již při konstrukci je třeba pamatovat nato, že ČSN 367210 připouští jen ty antény, u nichž jsou všechny prvky spojeny vodivě s kovovou nosnou konstrukcí, takže anténu lze chránit před účinky atmosférické elektřiny podle
ČSN 34 2214 [34].

7. Konstrukce antén

7.1. Hlavní konstrukční zásady - volba materiálu

Aktivní a pasivní prvky Yagiho antén se zhotovují obvykle z lehkých slitin, nebo oceli, povrchově vhodně upravených. S ohledem na váhu se pro prvky užívá většinou lehkých kovů. Ocelových trubek a plechů pak pro ostatní příslušenství (příchytky, stožár apod.). Zcela nevhodným materiálem jsou mosazné trubky, které na volném ovzduší (hlavně vlivem mrazu) podléhají v krátké době zkáze - štípou se, praskají a ulamují. Volba průměru prvků je, jak již bylo řečeno, do značné míry ovlivněna poměry. Většinou vyhoví tyto průměry trubek:

  50 MHz  Ø 16—20 mm
100 MHz  Ø 12—16 mm
145 MHz  Ø   6—10 mm
435 MHz  Ø   4—  6 mm

U některých užívaných směrových antén na 145 a 435 MHz jsou prvky zhotoveny z poměrně tenkých vodičů - ocelových svařovacích drátů Ø 4 resp. 2 mm.

Volba materiálu i rozměrů je ovšem v mnoha případech „usnadněna“ tím, co je k dispozici. Nejvhodnější jsou lehké slitiny hliníku a manganu, nebo hliníku a magnesia s dalšími přísadami, laicky nazývané „dural“. Skutečné duralové trubky jsou však vyráběny až od Ø 30mm výše. Čisté hliníkové trubky jsou pro anténní prvky méně vhodné vzhledem k tomu, že hliník je poměrně měkký.

Jeho nepříjemnou vlastností je též tzv. „tečení“. Je to trvale postupující deformace působením tlaku, která je tím větší, čím je hliník měkčí a čím je styčný tlak vyšší. Nepříjemně se to může projevit např. uvolněním přívodů napáječe přitaženého k hliníkové trubce; nebo rozpadnutím se tzv. pozounovitých antén, když stahovací matky v místech zasunutí pohyblivých konců prvků se po čase stanou neúčinné tím, že se hliník otlačí, spoj se uvolní, a konce zakrátko odpadnou. Při této příležitosti je třeba zdůraznit, že antény pro VKV pásma se stavitelnými konci, tzv. „teleskopické či pozounovité“ jsou i z dalších důvodů zcela nevhodné a podle ČSN 36 7210 nepřípustné.

Před definitivní instalací antény se doporučuje utěsnit trvanlivě a vodotěsně konce trubek všech prvků, aby bylo jednak zabráněno korozi uvnitř a jednak zmenšeno chvění prvků, působené při větru rezonancí vzduchového sloupce uvnitř trubky. Utěsnění lze provést těsnicími zátkami (dřevěnými nebo korkovými), nebo jednoduše stisknutím konců. Příchytky jsou montážní součástky, nejlépe ocelové, kterými se připojují aktivní části antény (prvky) na nosnou tyč, a nosná tyč na anténní stožár. Jejich konstrukci možno řešit rozličnými způsoby.

Pro krátkodobá použití, tj. pro přenosné antény postačí řešení jednodušší.U antén pro vyšší kmitočtová pásma lze často od použití příchytek upustit a prvky upevnit přímo v nosné tyči. Některá řešení jsou vyobrazena na obr. 1 až 7.

Obr. 1 - velmi jednoduchý způsob upevnění prvků na nosnou tyč - duralový úhelník (15 x 15). Jediným šroubkem M3 je prvek (Ø 8 mm) přitažen k hranám úhelníku, do kterých jsou vypilovány dva mělké zářezy kolmo na podélnou osu úhelníku. Z obrázku je též patrné připevnění úhelníku na anténní stožár (Ø 30 mm) pomocí jednoduché plechové příchytky. Toto řešení je zvláště vhodné pro nepříliš dlouhé (asi 2 m) přenosné antény. K výrobě není třeba zvláštních nástrojů.

Obr. 2 - ukazuje snadno rozebíratelné upevnění prvků do nosné tyče - trubky (Ø 25 x 1,5), která je v místech upevnění prvků proříznuta v délce cca 70 mm. Prvek (Ø 5 mm) je zajištěn šroubem (M5), který prochází nosnou tyčí kolmo na rovinu řezu těsně vedle prvku a stahuje štěrbinu a tím i prvek. K proříznutí trubky je však nutná frézka.

Jiný způsob upevnění prvků do nosné tyče - trubky, je popsán v [35], kde jsou též další informace o způsobu vrtání otvorů atd.

Pokud je nosná tyč z téhož materiálu jako prvky, je možno slabší prvky do nosné tyče upevnit „zadřením“. Otvor v nosné tyči se vyvrtá stejně velký jako průměr prvku, kterým se po zasunutí a vystředění několikrát otočí kolem jeho podélné osy, až se zadře. Pokud jsou otvory v nosné tyči příliš velké, pomůže malá deformace úderem kladiva na střed prvku před zasunutím. Lepidlem Epoxy 1200 je pak nutné tento spoj zajistit. Případná výměna prvku je ovšem pracná.

Z elektrických i mechanických hledisek není námitek proti svaření prvků s nosnou tyčí. S hlediska montáže resp. opravy - výměny zlomených prvků, je to však způsob nevhodný.

Obr. 3 - Upevnění prvku na čtverhranně ráhno (sestavené ze dvou sešroubovaných duralových úhelníků [20 x 20 x 2]) pomocí jednoduché třmenové příchytky se stavěcím šroubem, zaručuje jednoduše „zákryt“ všech prvků a dovoluje snadnou montáž a demontáž. Proto je toto uspořádání výhodné při laborování, kdy se mění rozteč i délka prvků.

Obr. 4 - Poměrně efektní, ale z výrobních hledisek pracný a nákladný způsob. Hodí se dobře pro máloprvkové KV a VKV antény, kde je užito trubek o větším průměru.

Obr. 5 - Rozebíratelné spojení pomocí příchytek, použité u antén na I. pásmo, vyráběných družstvem MECHANIKA (Praha). Pokud tyčí stejný, je stejných dílů. Vhodné pro amatérské máloprvkové antény o větším průměru spojovaných trubek.

Obr. 6 a 7 - U tříprvkové antény na I. pásmo (výrobek KOVO-DŘEVO PODNIKU, Chlumec n. C.) je respektováno doporučení ČSN 367210, že „příchytky mají být již před smontováním celé antény pevně spojeny (přivařeny, přišroubovány apod.) k jedné ze spojovaných částí tak, aby konečná montáž antény i na obtížných místech byla snadná a jednoznačná:.

To jsou tedy některé z mnoha způsobů spojování trubek, resp. typů příchytek, z nichž mnohé jsou zhotovitelné amatérskými „výrobními prostředky“.

Šrouby a matice, upevňující příchytky, musí být vhodným způsobem trvale zajištěny proti uvolnění (pérovými podložkami, kontramatkami, zalakováním apod.)

Upevňovacích svorek a pájecích oček se užívá v místech připojení napáječe k anténě, k propojení stínění u symetrizačních smyček apod. Lehké slitiny nejsou v tomto případě nejvhodnějším materiálem. Má být použito cínované mosazi s vyšším obsahem mědi, která nepraská při nízkých teplotách.

Ochranný kryt. U všech antén je nutné chránit místo spojeni napáječe s anténou proti korozi, působení vody a vlhkosti. Nejlepší je vhodný ochranný kryt z izolačního nenavlhavého materiálu. Přívody napáječe a antény musí být provedeny tak, aby bylo zabráněno vnikání vody podél přívodů. Výhodné je přivést přívody dnem ochranného krytu, které je chráněno převisem horní odnímatelné části (viz obr. 8 - skládaný dipól na III. pásmo s ochranným krytem - výrobek družstva KOVO-PLAST, Chlumec n. C.). Otvory pro přívody musí být umístěny tak, aby délka přívodů napáječe byla minimální, zejména na vyšších kmitočtech. Jako ochranného krytu možno s výhodou použít různých bakelitových krabic, např. od pásky na psací stroj apod.

Držáky napáječe jsou nutné při užití souměrných nestíněných napáječů - dvoulinek. Upevňují napáječ a udržují jej v určité vzdálenosti od stožáru a ostatních předmětů. Zabraňují jeho poškození, resp. přerušení, ke kterému dochází zvláště v místech připojení k anténě vlivem vlastní váhy nebo působením větru. Držáky mohou být kovové a na anténní stožár se upevňují posuvně tak, aby je bylo možno umístit do nejvhodnějšího místa.

U nestíněného napáječe (dvoulinky) je nutno v místě uchycení použít izolačního materiálu tak, aby vodivá část držáku neobepínala těsně napáječ. Šířka upevnění nemá být delší než 1-2 cm, vzdálenost napáječe od vodivé části držáku nejméně 1 cm. Délka držáků se volí tak, aby nestíněný napáječ byl po celé délce dostatečně vzdálen od stožáru, střechy, okapů, zdí apod., tj. aby zůstaly zachovány jeho elektrické parametry. Za dostatečnou vzdálenost možno považovat desetinásobek rozteče obou vodičů.

V souvislosti s konstrukcí a instalováním antény je nutné se ještě zmínit o montáži napáječe.

Montáž napáječů. Nesprávně instalovaný napáječ s nedostatečnou ochranou místa jeho připojení k anténě bývá nejčastějším zdrojem poruch. Proto je třeba připojení a vedení napáječe věnovat značnou pozornost. Konce napáječů se připojují k anténě buď přímo, přitažením pod šrouby opatřené podložkou, nebo připájením napájecí očka. Nedoporučuje se připojovat napáječ tak, aby měděný vodič napáječe byl spojen přímo s nedostatečně chráněnými konci dipólu, zhotoveného z lehkých slitin nebo hliníku. Vlivem vlhkosti vznikne mezi mědí a hliníkem elektrolytická koroze, která v kratší či delší době kontakt poruší. Proto je lépe zarazit (zalisovat) do konců takového dipólu. delší mosazné tyčky, a teprve potom k jejich koncům přitáhnout přívody napáječe. Při odstraňování izolace je třeba dbát na to, aby se ani trochu nepoškodil žádný z vodičů napáječe.

Hotový spoj, ať šroubovaný nebo pájený (i když je umístěn v ochranném krytu) se chrání proti vlhkosti vrstvou vhodného izolačního laku, např. chlorkaučukového - H 1000. Podobně je třeba chránit místa spojení stínění u kabelových symetrizačních členů. Před uzavřením ochranného krytu se tímto lakem zalakují průchozí otvory, kterými jsou protaženy přívody antény a napáječe. V nejnižším místě ochranného krytu je vhodné ponechat malý otvor, aby při prudkém střídání vnějších teplot nedocházelo k zbytečné kondenzaci, která podporuje korozi. Vrstva laku chrání nejen vlastní spoje, ale zabraňuje též vnikání vlhkosti do napáječe podél stínění nebo podél vnitřního vodiče.

Nejdále 0,5 m od ochranného krytu je třeba upevnit první držák napáječe. Dále se pak držáky umisťují podle potřeby. Elektrické vlastnosti souosých kabelů pochopitelně nejsou ovlivňovány vzdáleností od kovových předmětů, pro to mohou být vedeny těsně podél stožárů či uvnitř. Je však třeba se vyvarovat ostrých ohybů (např. přes hrany okapů). Za horka může v těchto místech dojít k změknutí dielektrika a zkratu vnitřního vodiče na stínění. Pro každý typ napáječe je výrobcem předepsán minimální poloměr ohybu. Jiná hlediska než u souosých kabelů je nutno respektovat při montáži dvoulinek. Kromě značně zvýšeného útlumu vlivem vlhkosti a nečistot má tento páskový napáječ ještě další nevýhodu. Má snahu ve větru kmitat, zejména není-li správně upevněn mezi držáky. Toto kmitání časem vede k postupnému přerušení drátků lanka v místech upnutí. Proto při použití dvoulinky dáváme držáky poměrně blízko sebe (hlavně podél stožáru) a dvou linku dobře napínáme. Náchylnost ke kmitání se podstatně zmenší, jestliže mezi držáky dvoulinku 1krát až 2krát zkroutíme.

Nestíněné napáječe jsou vystaveny rušení. Oba paralelní vodiče dvoulinky však přijímají rušení stejně, takže v souměrných vstupech přijímačů se až na malý zbytek vyruší a prakticky se příliš neuplatní. Příjem těchto rušivých signálů se zmenší několika zkruty na napáječi mezi anténou a přijímačem.

7.2. Povrchová úprava antén

Trvalá funkce antény je podmíněna vhodnou povrchovou ochranou, která zabraňuje korozi všech součástek, vystavených nepříznivým vlivům na střechách, tzn. v prostředí zamořeném kouřem a dalšími chemicky agresivními látkami. Otázkám spojeným s protikorozivní povrchovou ochranou je v poslední době po právu věnována značná pozornost. Někteří zahraniční výrobci antén, vyrábějící již delší čas určité typy antén bez rozměrových změn, však neustále zdokonalují jejich povrchovou ochranu. Snahou je chránit anténu tak, aby se podstatně prodloužila její životnost. Dnes se jde dokonce tak daleko, že se antény povlékají ochrannou vrstvou z umělých hmot, takže jsou i po několikaletém používání jako nové.

Amatérskými prostředky není pochopitelně možné provádět nejdokonalejší povrchové ochrany. Zcela však postačí a je možné i s omezenými prostředky učinit taková opatření, která zabrání zhoubné korozi (hlavně v místech spojení jednotlivých součástí) a zaručí možnost demontovat anténu po delším užívání těmi nástroji,jakými byla sestavena, a tím i možnost použít jejích dílů k se stavení antény jiné. Dokonalá nerozebíratelnost po určité době užívání bývá totiž jedním z největších nedostatků mnoha amatérsky i profesionálně zhotovených antén. Na druhé straně se však mnohé antény po krátkém čase rozpadají samy.

Aktivní a pasivní prvky zhotovené z lehkých slitin nebo hliníku se eloxují. Na povrchu se tak vytvoří 10 až 20 μ silná a neobyčejně tvrdá vrstva umělého kysličníku (oxydu), která má vynikající ochranné vlastnosti. Amatérskými prostředky lze takovou ochranu provést ztěží. Mechanické a elektrické vlastnosti těchto lehkých materiálů, vystavených bez jakékoliv povrchové ochrany přímému a dlouhodobému účinku povětrnosti, se naštěstí v porovnání s ocelí podstatně nezhoršují, takže při amatérské výrobě antén není eloxování nezbytně nutné. Povrch se sice působením atmosféry po krátké době pokryje tenkou vrstvou přirozeného oxydu, která zdaleka nemá vynikající vlastnosti oxydu umělého, ale do určité míry také materiál chrání, takže koroze dále znatelně nepokračuje, zejména u materiálů kvalitních. Rovněž vf vlastnosti vodičů pokrytých touto vrstvou přirozeného oxydu nejsou horší. Umělé i přirozené kysličníky jsou však výborným izolantem, což je třeba uvažovat při montáži spojů. Spojovaná místa musí být proto předem mechanicky dobře očištěna.

Je známo, že vf proudy tekou prakticky po povrchu vodičů (skinefekt). Velikost proudu klesá směrem do hloubky exponenciálně. Čím je kmitočet vyšší, tím menší je tzv. hloubka vnikání, a v tím tenčí vrstvě proudy tekou. Na 200 MHz je to pro měď 0,005 mm a pro hliník 0,006 mm [36]. Proud tedy teče prakticky jen po povrchu. Z toho by bylo možno usuzovat, že vrstva přirozeného oxydu s usazenými nečistotami (přirozený oxyd je na rozdíl od umělého dosti porézní a usnadňuje usazování nečistot) může působit značné ztráty. Ztráty se skutečně zvětší asi 10krát (při síle vrstvy cca 0,1 promile). Avšak vzhledem k tomu, že odpor vyleštěného prvku působí ztráty řádově desetinu promile (0,1 °I zvětší se znečištěním povrchu asi na 1 promile, což je stále tak malá hodnota, že ji nelze měřit.

Je třeba dodat, že v zahraničí je u továrně vyráběných TV antén eloxování běžným standartem, který zaručuje trvale dokonalou kvalitu povrchu a přispívá k pěknému vzhledu antén. Vhodnými přísadami je možno vytvořit eloxy s krásnými barevnými odstíny.

Ocelové díly a součástky je však třeba na rozdíl od lehkých slitin a hliníku povrchově chránit i při amatérské výrobě v každém případě. Ocel se má zinkovat, chromátovat a nakonec opatřit vhodným nátěrem - např. S 1004. Galvanické pokovování je zase amatérskými prostředky většinou neproveditelné. Proto je nutné provést úpravu povrchu ocelových součástek ně kolika vhodnými nátěry. Nejprve základním nátěrem, např. 0-2004, a pak dvakrát nátěr povrchový S 2014. Tak je také třeba chránit ocelový anténní stožár.

Odolnost proti korozi lze zvýšit dodatečným ochranným nátěrem, provedeným po sestavení celé antény v místech spojení jednotlivých součástek. Tato ochrana se doporučuje zejména v průmyslových oblastech. Ochranný nátěr se provede chlorkaučukovým lakem H 1000 (Tento lak má vynikající protikorozivní ochranné vlastnosti. Nátěr má být prováděn ve slabé vrstvě celkem 3krát po 12 hodinách. Natřené předměty mají být podle možnosti vystaveny korozívní vlivům až po sedmi dnech od posledního nátěru.)

Veškerá rozebíratelná spojení je nutno před montáží opatřit grafitovým tukem nebo rovnocenným mazadlem. Jde zejména o šroubovaná spojení resp. jejich závity, dále závity konektorů, styčné plochy přírub a objímek nastavovaných anténních stožárů apod.

To jsou tedy asi tak ty nejdůležitější zásady správné konstrukce a povrchové ochrany venkovních antén. Je nutné a stojí za to tyto zásady dodržovat a věnovat konstrukci a provedení antén právě takovou pozornost jako vlastnostem elektrickým.

V poslední, V. částí článku jsou především shrnuty nejdůležitější poznatky o vlivu základních rozměrů Yagiho antén na jejich elektronické, tj. směrové a impedanční vlastnosti. Jako příklad praktické aplikace těchto poznatků je pak uvedena směrová anténa pro pásmo 435 MHz o délce 3,25 λ se ziskem 12,8 dB. Jsou udány nejdůležitější rozměry a výsledky měření elektrických vlastností. (AR 6/1962)

8. Souhrn dosavadních poznatků

Připomeňme nejprve některé podstatné a praktické závěry, vyplývající z předchozích částí:

Zisk jednoduché (míněno jednopatrové) Yagiho antény je dán především její celkovou délkou. Zisku, odpovídajícího celkové délce antény (podle obr. 1), může být dosaženo ovšem jen tehdy, uspořádáme-li rozměry podle zásad uvedených ve II. části článku (AR č. 10/61). To ovšem neznamená, že určité délce antény odpovídá jen jedna jediná kombinace délek, roztečí a průměrů pasivních prvků. Směrové vlastnosti ovlivňuje kterýkoli z těchto parametrů, takže maximálního zisku lze u antény dané délky dosáhnout různými rozměry a uspořádáním prvků. Dokladem toho je existence rozličných typů stejně dlouhých Yagiho antén, které mají prakticky stejný zisk.

U víceprvkových antén mají na směrové vlastnosti, resp. na zisk, největší vliv rozměry a uspořádání direktorů. Direktory musí být tím kratší, čím delší je anténa, aby bylo dosaženo maximálního zisku. Jejich rozteč je možno volit v rozmezí 0,1 λ (i méně) až 0,4 λ (u antén delších než 2 λ). Při užití menších roztečí se optimální délka direktorů zmenšuje. Při užití větších roztečí se jejich optimální délka zvětšuje. Anténa určité délky má tedy na daném kmitočtu stejný zisk s kratšími a „hustšími“ direktory, jako s delšími a „řidšími“ direktory. Znamená to tedy také, že optimální kmitočtovou oblast lze posouvat nejen změnou délek direktorů, ale též změnou jejich roztečí beze změny jejich délky, což je mnohdy jednodušší než prodlužovat či zkracovat všechny direktory. Prakticky lze tedy např. u „špatně střižené“ antény posunout oblast maximálního zisku k nižším kmitočtům zhuštěním direktorů, tj. na danou délku antény jeden či několik direktorů přidáme; zředěním direktorů se oblast maximálního zisku naopak posune ke kmitočtům vyšším. Téhož účinku lze ovšem dosáhnout prodloužením, resp. zkrácením direktorů.

Směrovost antény s menšími roztečemi direktorů je kmitočtově méně závislá; proto u širokopásmových TV antén klesá max. použitelná rozteč mezi direktory na 0,25 λ i méně. Na úzkých amatérských VKV pásmech lze u antén delších než 2 λ využitím maximálních roztečí 0,4 λ zmenšit na minimum počet direktorů při zachování maximálního zisku, odpovídajícího použité délce antény. Kritičnost nastavení se tím však poněkud zvětšuje

Co do uspořádání direktorů používáme antény:

a) s konstantní délkou i roztečí direktorů;
b) s postupně se zkracujícími direktory, ale konstantní roztečí;
c) s konstantní délkou a postupně rostoucí roztečí;
d) kombinace způsobů b) a c), tj. direktory se postupně zkracují a jejich rozteč se zvětšuje;
e) délky direktorů, nebo rozteč (případně délky i rozteč) se podél antény mění periodicky.

Ve všech uvedených případech lze při správném nastavení dosáhnout prakticky téhož zisku,, odpovídajícího délce antény podle obr. 1. Zásadní rozdíl mezi směrovými vlastnostmi antén, nastavenými podle způsobu a) na. straně jedné, a podle způsobů b), c), d), e) na straně druhé, je patrný z tvaru vyzařovacího diagramu. Anténa podle a) (konstantní direktory a konstantní rozteče) má na kmitočtu maximálního zisku v obou rovinách, tj. při vertikální i horizontální polarizaci, poměrně výrazné postranní laloky necelých 10 dB pod úrovní hlavního laloku. Tyto postranní laloky jsou na kmitočtu maximálního zisku od hlavního laloku odděleny ostrým a hlubokým minimem. I když proti takové anténě nelze mít z hlediska zisku námitek, jeví se pro některá použití jako méně výhodná, např. při soutěžním provozu na amatérských VKV pásmech.

Postupným zkracováním direktorů směrem od zářiče, nebo postupným zvětšováním roztečí, připadni kombinací obou způsobů, či změnou periodickou, lze dosáhnout u antény téměř stejného zisku jako při uspořádání podle a), ale většího potlačení postranních laloků za cenu částečného zvětšení šířky hlavního laloku o obou rovinách. Rychlost změny v délce a rozteči direktorů s ohledem na žádané potlačení postranních laloků závisí na délce antény a šířce přenášeného kmitočtového pásma.

Čím je anténa delší, tím je zkracování délek menší a tím dříve je možno se přiblížit maximální rozteči 0,4 λ. Je-li třeba překrýt širší pásmo, např. u TV antén, je zkracování direktorů intenzivnější a růst roztečí menší.

Rozměry reflektoru, zejména vícenásobného, nejsou kritické. Prakticky je nastavujeme tak, abychom na žádaném kmitočtu dosáhli nejlepší hodnoty činitele zpětného příjmu (,‚předozadní poměr“). U úzkopásmových Yagiho antén, jakými jsou (pokud ovšem jsou jako úzkopásmové antény nastaveny) i antény na amatérská VKV pásma, kde rozdíl v rezonančních délkách reflektorů a direktorů je poměrně malý, ovlivňují činitele zpětného příjmu též direktory.

Energetický přínos antény s dobrými směrovými vlastnostmi se projeví jen tehdy bude-Ii anténa dokonale přizpůsobena k použitému napáječi. Volba impedance antény je tedy ovlivněna především druhem a charakteristickou impedancí nejvhodnějšího napáječe, nebo napáječe, který je k dispozici. Přizpůsobení, resp. konečná úprava impedance se provádí až po definitivním nastavení směrových vlastností. Provádí se nejčastěji v obvodu zářiče, zpravidla λ/2 dipólu; a to volbou vhodného typu dipólu a jeho rozměrů. Všechny změny na λ/2 dipólu nemají vliv na tvar vyzařovacího diagramu, dříve nastaveného ostatními rozměry antény. Na druhé straně však jakákoliv změna délek či vzdáleností pasivních prvků, zejména těch nejbližších, má vliv na impedanci antény. Jejich vliv na impedanci je tím větší, čím těsnější je vzájemná vazba, tj. čím jsou dipólu blíže a čím více se svou rezonanční délkou blíží rezonanční délce dipólu.

Působením pasivních prvků se původní impedance dipólu snižuje. U delších antén, tzn. u antén s větším počtem direktorů, klesá vstupní impedance antény asi na 1/2 až 1/3 původní velikosti impedance zářiče. Klesá tedy méně než u úzkopásmových antén s malým počtem prvků (KV antény). Jak bylo již dříve uvedeno, musí být totiž direktory tím kratší, čím je anténa delší. A čím jsou direktory kratší vzhledem k rezonanční délce dipólu, tím méně jeho impedanci ovlivňují. Stoupající počet direktorů resp. prodlužování antény není tedy spojeno s výrazným poklesem impedance, jak se mnohdy mylně předpokládá.

Aby bylo možno použít levného páskového napáječe o impedanci 300 Ω je třeba impedanci Yagiho antén poněkud zvýšit. Jeden z mnoha způsobů je použít skládaného dipólu, složeného z nestejných vodičů. Jiné řešení umožňuje tzv. „širokopásmový direktor“, umístěný poměrně blízko dipólu (0,1 λ i méně). V takovém případě lze pak použít jednoduchého skládaného dipólu, zhotoveného ohnutím jediné trubky.

9. Anténa na pásmo 435 MHz

Jako příklad praktické aplikace výše uvedených poznatků o vlivu základních rozměrů Yagiho antény na její elektrické vlastnosti je popsána směrová anténa pro pásmo 432-438 MHz. Jde o patnáctiprvkovou jednoduchou Yagiho anténu délky 3,25 λ s trojnásobným (trigonálním) reflektorem. (poznámka OK1TEH: současná anténa DK7ZB z roku 2007 s délkou ráhna přibližně stejnou má zisk [dBd] větší pouze o 0,4 dB !!!).

Je možno říci, že na pásmu 145 MHz je jednoduchá Yagiho anténa délky 3 λ (tj. přes 6 m) anténou maximální; a to jak z provozních, tak zejména z konstrukčních hledisek. Na 435 MHz se však délkou 3 λ zdaleka nedostáváme na hranice amatérských konstrukčních možností. Zde by bylo možno jít až na 9 λ, tj. na délku odpovídající 3 λ na 145 MHz. Avšak vzrůstající nepoměr mezi pořizovacími náklady a klesajícím energetickým přínosem při prodlužování antény nad 3 λ (viz obr. 1) na straně jedné, a zčásti též provozní potíže, spojené s užíváním antény s poměrně úzkým hlavním lalokem, omezují maximální použitelnou délku antény i na pásmu 435 MHz na 3 až 4 λ, max. 5 λ.

Provozně i ekonomicky odůvodněná cesta dalšího zvyšování zisku antén je v konstrukci patrových anténních soustav, složených ze dvou, tří, čtyř a případně i více antén délky 3-4 λ na 435 MHz.

Zatímco na pásmu 145 MHz je v současné době jednoduchá 3 λ dlouhá anténa se ziskem 12,5 dB maximem - bohužel u nás stále ještě poměrně zřídka užívaným, měla by pro pásmo 435 MHz být anténa této délky základní, nebo lépe minimální anténou jak pro práci z přechodného, tak stálého QTH. Co do zisku jsou si sice obě antény rovnocenné. Ovšem tzv. účinná plocha 3 λ dlouhé antény na 435 MHz je devětkrát menší než účinná plocha stejně dlouhé antény na 145 MHz. Tomu pak odpovídá třikrát (o 9,55 dB) menší napětí na svorkách antény pro 435 MHz v v porovnání s anténou stejného zisku pro 145 MHz pokud mají stejnou impedanci a nacházejí se v elektromagnetickém poli téže intenzity. Zanedbáme-li zatím rozdíly v šíření, a uvážíme-li jen horší šumové vlastnosti současných moderních amatérských přijímačů na 70 cm (8 až 10 kTo proti 2 kTo na 145 MHz, máme zde dalších 7 dB ztráty. Nehledě dále na potíže spojené s amatérskou „výrobou“ větší energie na 435 MHz, jsou to již dostatečné argumenty pro oprávněné a nutné používání vysoce ziskových antén na 435 MHz, má-li být i na tomto pásmu komunikováno na vzdálenosti několika set kilometrů.

Vraťme se však zpět k popisované anténě, která vyhoví pro PD a pro první pokusy ze stálého QTH.

Směrové vlastnosti při horizontální polarizaci na 433 MHz jsou patrné z vyzařovacího diagramu na obr.2.

 

 

 

9. 2. Napájení

Impedance antény s jednoduchým skládaným dipólem je 150 Ω ‚ takže lze použít se snesitelným nepřizpůsobením pro napájení jak koaxiálního kabelu o impedanci 75Ω s λ/4 symetrizačním úsekem (obr. 3a) s λ/2 symetrizační smyčkou (obr. 3b) - délka smyčky 220 mm; s koaxiálním skládaným dipólem (obr. 3c) tak páskového souměrného napáječe 300 Ω, připojeného přímo na svorky skládaného dipólu.

Činitel stojatých vln a se ve všech případech pohybuje blízko hodnoty σ = 2, takže ztráty odrazem (0,52 dB) zvětšené o ztráty existencí stojatých vln na útlumovém vedení (viz obr. 1 v III. části článku AR č. 2/62) činí při neladěném 10 m dlouhém napáječi koaxiálním 0,77 dB a s 300 Ω napáječem páskovým 0,65 dB. Je třeba dodat, že σ = 2 je hodnota přípustná i pro komerčně vyráběné vysílací antény (nikoliv televizní). Impedance antény 150 Ω, která je příčinou σ = 2, byla zvolena s úmyslem umožnit bez dalších úprav v obvodu skládaného dipólu spojení dvou těchto antén v dobře přizpůsobenou patrovou soustavu se ziskem 15 dB, napájenou uprostřed spojovacího vedení koaxiálním kabelem 75 Ω.

Hodnot lepších než σ = 2 je možno bez zásahů do uspořádání pasivních prvků dosáhnout použitím skládaného dipólu s nestejným průměrem vodičů d1 a d2, [33], [30]. Jiná úprava, kterou lze zvýšit transformační poměr jednoduchého skládaného dipólu téměř dvakrát, takže impedance antény se pak blíží 300 Ω‚ je naznačena na obr. 4. K nenapájené části jsou připojeny dva plechy (135 x 50 x 1), ohnuté do tvaru jakési „stříšky“. Uvedená úprava je téměř ekvivalentní zvýšení transformačního poměru nestejnými průměry d1 a d2, σ se pak blíží jedné. Čtyři takto upravené antény je možno opět spojit v anténní soustavu se ziskem cca 17 dB, napájenou souosým kabelem 75 Ω.

9. 3. Konstrukce a rozměry

Konstrukce antény je poměrně jednoduchá. Jednotlivé prvky jsou vetknuty přímo do nosné tyče a zajištěny některým ze způsobů uvedených v IV. části, (AR č. 3/62), kde byly, též uvedeny další informace o konstrukci a povrchové ochraně antén. O ohýbání skládaného dipólu, vrtání otvorů do nosné tyče, úpravě smyčkového symetrizačního členu atd. je podrobně psáno též v AR č. 1 /62 .Jinak jsou všechny rozměry patrné z obr. 5 a 6 uvedeny v tab. 1 a 2. Vzhledem k tornu, že anténa není laděná výslovně jako anténa úzkopásmová, není též bezpodmÍnečně nutné přísně dodržet průměry prvků (Ø 4 mm) a nosné tyče (d může být 3 až 5 mm). Rovněž rozměry skládaného dipólu nejsou kritické.

Detailní konstrukce tedy není předepsána. Konečné řešení je ostatně z valné části ovlivněno „výrobními možnostmi" ‚ které jsou k dispozici. Použitá konstrukce je patrná ze snímků - obr. 8. Napájení je zde provedeno souosým kabelem. Konektor je připojen k upevňovací hlavičce souosého skládaného dipólu, která současně spojuje reflektorovou a direktorovou část nosné tyče. U antény se souosým skládaným dipólem, vystavené trvale povětrnostním vlivům, je výhodné vést napáječ k zářiči souosému dipólu - uvnitř stožáru a nosné tyče, takže není vůbec vidět a místo jeho připojení je skryte a dobře chráněné. Jinak i při krátkodobém použití je výhodné ovinout konektor několika závity tenkého gumového pásku, který zcela zabrání případnému vnikání vody. Ostatně o zásadách správné konstrukce i povrchové ochrany choulostivých míst (připojení napáječe) jsou uvedeny další informace ve IV. části.

Je třeba ještě upozornit na způsob upevnění antény k anténnímu stožáru. S ohledem na poměrně malou vlnovou délku může robustní anténní stožár spolu s upevňovací příchytkou nepříznivě ovlivnit poměry v řadě direktorů zejména tehdy, je-li k nosné tyči připevněn z boku (obr. 7). Špatné vlastnosti takového upevnění se mohou nepříznivě projevit vzrůstem postranních laloků. Proto je na těchto kmitočtech výhodnější souměrný způsob upevnění podle obr. 8.

9. 4 Další zvýšení zisku

Otázka dalšího zvýšení zisku Yagiho antén konstrukcí prostorových anténních soustav bude probrána později v samostatném článku. Podotýkám, že zisk uvedené antény lze částečně zvýšit (podle křivky na obr. 1) jejím prodloužením, tj. přidáním několika dalších direktorů o délce LD = 290 s roztečí p = 270, aniž se tím znatelně zrnění přizpůsobení. Lze však očekávat poněkud menší potlačení postranních laloků. Takto, tj. bez zásahů původních rozměrů, lze zvyšovat zisk pouze u Yagiho antén s postupně se zkracujícími direktory, resp. s postupně se zvětšující roztečí d, či u antén s kombinací obou způsobů. Je to tedy další výhoda těchto typů antén v porovnání s anténami s konstantním Lp, a konstantním p, u kterých je nutné po přidání dalších direktorů upravit (zkrátit) všechny délky Lp, aby anténa měla optimální směrové vlastnosti na původním kmitočtu.

Literatura:

[1] A. Kolesnikov: Amatérská radiotechnika, II. díl, str. 69-74, 1954.
[2] ČSN 36 7210 - Televisní přijímací antény, (kmenová norma), 1960.
[3] H. Yagi: Beam Transmission of Ultra Short Waves. Proc. Inst. Radio Engrs. 16 (1928), str. 715.
[4] S. Uda: Yagi-Uda Antenna. The Research Inst. oj Electr. Com. Tohoku-University, Japan, 1954.
[5] W. Walkinshaw: Treatment of Short Yagi Aerials. Inst. Electr. Engrs. 93, (1946), III., str. 598.
[6] D. M. Vysokovskz Amplitudno fazovyje sootnošenzja tokov v vibratorach antenny „volnovoj kanal“. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 96, 1954, VI, č. 5, str. 971—974.
[7] D. G. Reid: The Gain of an Idealized Yagi Array. J. Inst. Electr. Engrs. 93 (1946), IlIA, str. 564.
[8] R. M. Fishenden a E. R. Wiblin: Design oj Yagi Aerials. Proc. Inst. Electr. Engrs. 96 (1949), III, str. 5.
[9] D. K. Reynolds: Broad Band Tra velling Wave Antennas. IRE National Convention Record, I, březen 1957.
[10] D. L. Sengupta: On the Phase Velocity of Wave Propagation Along an Institute Yagi Structure. IRE Trans, AP-7, 1959, VII, č. 3, str. 234-239.
[11] J. O. Spector: An Investigation of Periodic Rod Structures for Yagi Aerials. Proc. Inst. Electr. Engrs. B, 105, leden 1958, str. 38/43.
[12] D. L. Sengupta: On Unufom and Linearly Tapered Long Yagi Antennas. IRE Trans. AP-8, 1960, 1. str.
[13] J. A. Kmosko a H. G. Johnson: Long Yagis. QST, č. 1, 1956.
[14] G. Greenblum: Notes of the Develop. ment of Yagi Arrays. QST, č. 8 a 9, 1956.
[15] W. L Orr a H. G. Johnson: VHF Handbook Radio Publications, 1957.
[16] Dr. K. G. Lickfeld: 10-Element-Yagi für das 2-m-Band. DL-QTC č. 4 1960.
[17] V. Caha / M. Procházka: Antény, SNTL, 1956.
[18] V. V. Tatarinov: Korotkovolnyje na pravlennyje antenny. Svjaztexizdat, 1936
[19] W. W. Hansen / J. R. Woodyard: A New Principle in Directional Antenna Design. Proc. IRE, 26, str. 333-345, březen 1938.
[20] H. W. Ehrenspeck - H. Poehler: Eine neue Met hode zuT Erzielung des grssten Gewinns bei Yagi-Antenne. Nachrichtentechnische Fachberichte, 12. 1958, str. 47-54.
[21] J. C. Simon - V. Biggi: Un nouveau type d'áerien - son application á la transmission de télévision á grande distance. L‘onde Électrique, 34, No 332, str. 883-896, listopad 1954.
[22] F. J. Zucker - A. S. Thomas: Radiation from Modulated Surface Wave Structures, I. IRE National Convention Record, část 1., str. 153-160, 1957.
[23] A. Fíebranz: Gesichtspunkte für die Entwicklung einer Breitbandantenne. Radioschau, str. 192-193, 5/1959.
[24] H. Kienow: Hochleistzrngs UKW Antenne für Band II (87,5 100 MHz). Funkschau, 12/1960.
[25] L Chládek: Přijímací zařízení na 145 MHz. Amatérské rádio, 5/1959.
[26] A. Rambousek: Porovnáni některých anténích soustav pro VKV Sdělovací technika, 10/1958.
[27] J. Navrátil: šumové vlastnosti VKV spojovacích prostředků a jejich vliv na spojení. AR 2/1960.
[28] R. Major: Reflektometry. Krátké vlny 6/1950.
[29] V. Kott: Jednoduchý reflektometr - pomůcka pro správné přizpůsobeni antén AR 3/1958.
[30] A. Kolesnikov: Amatérská radiotechnika, II. díl, Naše vojsko, 1954
[31] R. A. Valitov / V. N. Sretem: Radiotechnická měření při velmi vysokých kmitočtech. SNTL, 1957
[32] Megla: Technika decimetrových, vln. SNTL, 1958.
[33] M. Český: Televizní přijímací antény IV. vydání SNTL, 1961.
[34] ČSN 34 2214 — Ochrana přijímacích antén před účinky atmosférické elektřiny
[35] T. Dvořák: Anténa Yagi pro 145 MHz. AR 1/1962
[36] A. Fiebranz: Antennenanlagen für Rundfunk- und Fernsehempfang. Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik, GmBH, Berlin, 1961

v roce 2007 přepsal a upravil pro web OK2KKW Matěj OK1TEH se souhlasem Jindry, OK1VR

 

Zajímavé stránky o VKV anténách ze současnosti:

OK/OM:

http://www.rfprop.com/EM_simulators/

http://www.rfprop.com/EM_simulators/Petr/ISM-2.44GHz/

http://www.ok1kvk.net/tech_dk7zb/prvky.htm

http://www.ok1kvk.net/tech_dk7zb.htm

http://www.ok1kng.net/phprs/view.php?cisloclanku=2006040201

http://www.edunet.souepl.cz/ok1oue/dk7zb.htm

http://www.om3rkp.cq.sk/articles.php?lng=en&pg=2

http://www.cq.sk/modules.php?name=News&file=article&sid=93

http://anteny.xf.cz/view.php?id=12

Ze zahraničí:

http://www.dk7zb.fox28.de/start1.htm

http://www.qsl.net/9a4qv/index.htm

http://www.qsl.net/9a4qv/antenna_insulators.htm

http://tk5ep.free.fr/tech/yagi_vhf/yagi_dk7zb1.php

http://members.home.nl/schollema/dk7zb.htm

http://www.df9cy.de/tech-mat/antenna_144_dk7zb/144_dk7zb_9ele.html

http://www.homepages.hetnet.nl/~pa1gys1/PAGINA%205.html

http://www.nuxcom.de/

http://www.cebik.com/vhf/wu.html

http://packages.debian.org/unstable/hamradio/yagiuda

a další zajímavé linky najdete na: http://www.ifwtech.co.uk/g3sek/diy-yagi/

Zajímavý článek od HB9CV z roku 1961 -> http://www.ok2kkw.com/hb9cv/hb9cv_1969.htm

PS: možná že to trochu nesouvisí s tématem, ale výborný článek o ozařovači Septum Feed od OM6AA najdete na: http://www.ok2kkw.com/septum_feed_om6aa.pdf  (historie: http://www.ok2kkw.com/septum_feed_cz.pdf)