Zbyňous Homepage
Zbyňous Homepage > Radioamatérský sport > Mnohopásmová drátová anténa jednoduché konstrukce

Mnohopásmová drátová anténa jednoduché konstrukce

Multiband wire antenna de OK2ZLK

Před nedávnem jsem začal řešit problém, jak v podnájmu, kde bydlím nainstalovat nějakou anténu na 20 a 15 metrové pásmo, které se začíná otevírat. Místa okolo výhledu z okna není mnoho, akorát na drátovku  na tyto dvě pásma. Jelikož můj privát se nachází v historickém objektu v Brně datovaném už do 14. století, měl jsem požadavek na nenápadnost antény.
Při výběru drátových antén, kdy jsem jednotlivé antény zavrhoval z jednoho či druhého důvodu, jsem narazil na tzv. mnohodipólovou anténu (multi-dipole antenna) od AA4CV. Odkaz na jeho anténu je zde. Tato anténa je složena z několika ramen, jež jsou naladěny v půlvlnné rezonanci a jedno rameno má tedy délku lambda/4. Konce ramen jsou spojeny a je k ním přímo připojen koaxiální kabel s odrušovacími ferity nebo přes balun 1:1. Na jednotlivých pásmech rezonuje pouze jedno rameno, ostatní ramena se na rezonanci neprojeví, jelikož jejich vstupní impedance je vysoká a tyto ramena se chovají, jako by nebyly připojeny. Ve skutečnosti působí ostatní ramena jako parazitní prky, zkracují rezonanční délku rezonujících ramen a rozšiřují šířku pásma – anténa se na pásmech chová jako tlustý dipól. Tyto aspekty hrály v prospěch, jediné negativum byla složitější konstrukce a hmotnost.

Po několika úvahách, jak snížit rozměry antény jsem dospěl k závěru, který je uveden na obrázku 1.

Obrázek 1: Princip dvoupasmové antény

Anténa je tvořena dvěmi rameny 300 ohmové televizní dvoulinky, kterou znají všichni anténáři, co stavěli sklávané dipóly na 2 metrové pásmo. Konstrukce antény je jednoduchá. Anténa má celkovou délku lambda/2 na spodním pásmu, mém případě 14.1 MHz. Oba dráty uprostřed jsou rozpojeny a posléze dráty na levé a pravé strany napájení zkratovány připájením k destičce kuprextitu. K těmto destičkám je pripájen koaxiální kabel s ferity či balun 1:1 dle libosti každého radioamatéra. Tuto anténu naladíme na začátek pásma, poté spodní drát zkracujeme tak dlouho, dokud nenaladíme vyšší požadované pásmo.

V prvém kroku bylo potřeba sehnat 300 ohmovou černou dvoulinku. Tato dvoulinka se již u nás nevyrábí, zahraniční distributoři ji nabízejí za horentní sumy. Naštěstí se mi podařilo najít český internetový obchod, který prodával tuto dvoulinku za 1,6 Kč/m, výroba z roku 1998, takže měď byla čistá a nezčernalá a šla výborně pájet.

Po objednáni jsem se vrhl do softwarového výpočtu antén. Na drátové antény používám freewarový program 4NEC, který mi dostatečně vyhovuje na návrh drátových antén mnohem lépe než MMANA či jiný software. Anténu jsem zanalyzoval, spodní pásmo je dostatečně široké, horní pásmo užší.

Obrázek 2: Činitel odrazu a poměr stojatých vln antény na 20 a 15 m pásmo

Na obrázku 2 je vidět poměr stojatých vln a činitel odrazu v decibelech na vstupu antény. Na spodním pásmu je v minimum PSV 1,05 na horním pásmu 1,2. Šířka pásma je pro PSV 2,0 od 13,8 do 14,9 MHz na spodním pásmu a 20,9 do 21,2 MHz na horním pásmu.


Obrázek 3 a 4: Proudová distribuce na ramenech antény v programu 4NEC

Na obrázcích 3 a 4 je vidět proudová distribuce na spodním a horním pásmu. Z těchto dvou obrázků je zřejmé, že anténa pracuje správně, každé rameno rezonuje na svém vlastním kmitočtu.


Obrázek 5 a 6: Směrová charaktristika na obou pásmch v programu 4NEC

Na obrázcích 5 a 6 jsou zobrazeny směrové charakteristiky ve volném prostoru. Tyto charakteristiky odpovídají charakteristikam půlvlného dipólu, jejich zisk je 3,73 dBi a 4,35 dBi k kolmém směru záření vůči podélné ose záření. Směrové charakteristiky nad zemí odpovídající směrovým charakteristika dipólu.

V následujícím kroku jsem se rozhodl ověřit antény v komerčním programu CST Microwave Studio, který pro řešení antén využívá konečnou integrální metodu v časové oblasti a lze do výpočtu zahrnout vliv dielektrika, konektoru a dalších. Anténa byla zoptimalizována a výsledky můžete vidět v následujících obrázcích.

Obrázek 7: Činitel odrazu antény v programu CST MWS (klikni pro zvětšení)



Obrázek 8 a 9: Animace proudové distribuce v programu CST MWS (klikni pro zvětšení)



Obrázek 10 a 11: Směrové charakteristiky v programu CST MWS (klikni pro zvětšení)


Obrázek 12: Ivo OK1TYR pomáhá při měření antény

Měření antény proběhlo na střeše 8 podlažní budovy, kde byla anténa natažena mezi výtahové šachty ve výšce cca 5 m. S velkou pomocí Ivoše OK1TYR (na obrázku 12) proběhlo naladění antény a změření jeho impedančního přizpůsobení. Ladění proběhlo velice rychle, anténa byla na každém pásmu naladěna v třetím iteračním kroku a za hodinu nebylo co dělat. Zkrácení ramen lze použit dobře známý vzorec

Nová délka = (Změřená rezonance/ požadovaná rezonance)*stará délka,

I když je potřeba ho vzít z rezervou a zkrátit o kousek méně a raději zkracovat navícekrát.


Obrázek 13 a 14: Změřené hodnoty PSV po naladění

Na obrázcích 13 a 14 je uvedeno minimální PSV na obou kmitočtech po doladění a změřené PSV < 2 byo v rozahu 13,74-14,34 a 20,946-21,224 MHz.
V následující tabulce jsou uvedené délky ramen z obou dvou z obou softwaru a z měření v reálných podmínkách.

Tato anténa je nyní testována v provozu, vlastnosti odpovídají půlvlnému dipólu či FD4ce. V mě konstrukci nemám balun, proudy tekoucí po koaxiálním kabelu zamezuji odrušovacími ferity. Anténa je velice skladná a hodí se i na portable vysílání.
antény.   
Multi-band antenna 20-15 m
20-15m
délka L1, L2
[mm]
PSV best
[-/MHz]
BW(PSV<2)
[MHz]
BW(PSV<2)
 [%]
Zisk
[dBi]
4NEC

5036
3537
1,01/14,3
1,2/21,0
13,8 - 14,9
20,9 - 21,2
7,66
1,42
3,73
4,35
CST MWS
5035
3571
1,44/14,275
1,41/21,145
13,862 - 14,712
20,98 - 21,204
5,95
0,53
2,1 dir.
2,01 dir.
Měření h= 5m
4820
3050
1,1/14,042
1,5/21,1
13,74 - 14,34
20,946 - 21,224
4,27
1,32
-
-


V následující části, jsou uvedeny modifikace této antény na pásmo 40 a 20 m , kde anténa funguje i 15 m pásmu, protože je zde třetí rezonance 40 m úseku. V modifikaci 2m a 70 cm antény dochází třetí rezonanci delšího úseku antény na pásmu 70cm, přesto krátké úseky ramen zlepšují vyzařovací charakteristiku antény.

Multi-band antenna 40-20-15 m
40-20-15 m
délka L1, L2 [mm]
PSV best [-/MHz]BW(PSV<2) [MHz]
BW(PSV<2) [%] Zisk [dBi]
4NEC






CST MWS





Měření
h=1,5-5m
9780
5250
1,1/7,013
1,3/14,3
1,4/21,443



Tuto anténu realizoval a otestoval Ivoš OK1TYR, v jeho verzi anténa není vodorovně, vyšší rameno je v 5m a nižší je v 1,5m výšce. Průběhy PSV měřeny přístrojem AA-330.








Obrázek 15, 16 a 17: Změřené hodnoty PSV po naladění na 40, 20 a 15 m bandu

Multi-band antenna 2-0,7 m
2m-70cm
délka L1, L2 [mm]
PSV best [-/MHz]BW(PSV<2) [MHz]
BW(PSV<2) [%] Zisk [dBi]
4NEC






CST MWS