Jeszcze raz o antenach

cbradio antenaAntena jest przetwornikiem energii elektrycznej wysokiej częstotliwości na energię elektromagnetyczną przy nadawaniu lub energii elektromagnetycznej na energię elektryczną w.cz. przy odbieraniu sygnałów radiowych. Antena nadawcza i odbiorcza są wzajemnie odwracalne, co pozwala na podstawie parametrów nadawczych określić jej właściwości odbiorcze i na odwrót. W praktyce szeroko korzysta się z tych własności anten tym bardziej, że ich pewne charakterystyki łatwiej określić w torze nadawczym niż w torze odbiorczym. Antena dla częstotliwości pasma CB powinna odbierać sygnały korespondenta z dowolnych kierunków. Wymaga to zastosowania anteny z równomierną dookólną charakterystyką kierunkowości w płaszczyźnie poziomej lub anteny kierunkowej z urządzeniem do obracania tzw. rotorem. Najkorzystniejszą długością dla anten prętowych jest ćwierć fali, dla pasma CB wynosi ona 2,75 m (oczywiście jeśli to jest pełnowymiarowa antena). Antena ćwierćfalowa ma prawie wszystkie zalety jakie są nam potrzebne, a oto one:

— zachowuje się jak obwód rezonansowy,

— rezystancja falowa (36,6 ohm teoretyczna) z kablem 50 ohm wykazuje dobre dopasowanie, co powoduje eliminacje dodatkowych elementów dopasowywujących,

— promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach (najlepsza dla łączności lokalnych),

— prostota budowy i niskie koszty.

Mimo tych zalet zastosowanie jej np. w urządzeniach przenośnych lub zainstalowanych na pojazdach, które są w ruchu (samochody, samoloty), jest problematyczne. W takich przypadkach stosuje się różne środki umożliwiające maksymalne skrócenie anteny. Najbardziej powszechnym i najprostszym sposobem na przedłużenie jest sztuczne przedłużenie za pomocą indukcyjności. Antena prętowa, której długość jest mniejsza od 1/4 fali wykazuje oporność pozorną pojemnościową. Inne anteny, których długość mechaniczna jest krótsza od długości fali (na jakiej ma ta antena pracować), wykazują również większą rezystancję pojemnościową, którą kompensuje się rezystancją indukcyjną.

 

Anteny na pasmo CB

Anteny na pasmo CB.

Antena jest bardzo ważnym elementem zestawu nadawczo-odbiorczego. Musi spełnić dwie funkcje, a mianowicie, w czasie nadawania zamienić sygnał z nadajnika na wypromieniowaną falę elektromagnetyczną, natomiast w czasie odbioru przekształcić fale elektromagnetyczne, otaczające antenę na sygnał elektryczny i doprowadzić go do odbiornika. Jest takie powiedzenie: „Najlepszym wzmacniaczem sygnału jest dobra antena,,.

Tak się składa, że niewiele albo nic nie możemy zmieniać przy radiu. Jeśli chodzi o antenę to możliwości są niewyczerpane. Gdy omawialiśmy budowę radia udało się uniknąć zanudzania podstawami fizyki. Teraz się to nie uda. Trochę zatem cierpliwości. Warto.

Podstawowe zależności.

Na rys pokazano dwa sąsiadujące ze sobą przewody zasilane z generatora w.cz. Przyjmijmy, że częstotliwość z jaką pracuje generator wynosi 27 MHz. To znaczy biegunowość napięcia na zasilanych

końcach zmienia się cyklicznie 27 milionów razy na sekundę. Z tą częstością mamy więc tam na przemian napięcie dodatnie i ujemne. Gdyby te przewody były krótkie to w każdej z ich części zmiany napięcia byłyby identyczne jak na wyjściu generatora. A co się stanie gdy przewody z rysunku  będą nieskończenie długie? Odpowiedź jest prosta. Gdyby fala przemieszczała się z nieskończenie wielką prędkością to warunki na początku przewodów i na końcach byłyby identyczne. Ale prędkość fali choć bardzo duża jest jednak ograniczona i wynosi około 300.000 km/s.

Wróćmy na chwilę do generatora. Pełny cykl zmiany napięcia (plus-minus-plus) wynosi 1/27.000.000 sek co oznacza, że w czasie trwania jednego cyklu, zmiana napięcia wymuszona na wejściu przewodów przemieści się w nich jedynie o 11 m. Wynika z tego ważny wniosek. Jeżeli długość przewodów jest porównywalna z długością fali, to warunki w danej chwili na jednym i drugim końcu mogą być zupełnie inne.

Na rysunku widać wykresy rozkładu napięcia i prądu na każdym z przewodów. Jest oczywiste, że niezależnie od tego co się dzieje przy generatorze to na końcu przewodu prąd nie płynie, bo nie ma dokąd, natomiast istnieje zawsze maksymalne napięcie.

Ta właściwość wykorzystana jest do wypromieniowania energii w przestrzeń. Układ przewodów jak na rysunku  jeszcze nie promieniuje, ponieważ powstające pole elektryczne i magantena cb boomerangnetyczne zamknięte jest jakby między tymi przewodami. Sytuacja zmieni się radykalnie gdy zaczniemy wolne końce przewodów rozchylać aż do stworzenia układu jak na rys.

Nie przypadkowo wybraliśmy długość przewodów 1/4 fali, bo po całkowitym rozłożeniu otrzymamy długość wynoszącą dokładnie  1/2 fali. W ten sposób otrzymaliśmy podstawowy układ anteny. Antena taka nazwana została dipolem pół falowym. (dipol = dwa bieguny).

Na rys mamy dipol pół falowy zasilany na środku z zaznaczonym rozkładem napięć i prądów. Jeżeli usuniemy zasilanie i złączymy ramię górne z dolnym to powstanie klasyczny dipol zasilany na końcu. Co jest istotne, nie zmieni to rozkładu napięć i prądów.

 

 

Jest to model historycznie najstarszy. Od dipola półfalowego bierze swój początek większość konstrukcji antenowych. Powyższy rysunek można nazwać drzewem genealogicznym anten. Jeśli przed i za dipolem umieścić elementy zwane reflektorem i direktorem to powstanie z tego antena kierunkowa typu YAGI.

Zamiast dwóch prętów, tworzących dipol pólfalowy, można jeden z nich zastąpić ziemią i otrzymać tak zwany monopol ćwierćfalowy. Można także korzystając z ziemi jako jednego z biegunów otrzymać inne typy anten takie jak dipol pólfalowy oraz 5/8 fali. Ten rodzaj anten znalazł szerokie zastosowanie w instalacjach samochodowych. Z dipola półfalowego powstała także antena zwana bumerangiem. Nazwę swą zawdzięcza charakterystycznemu układowi biegunów. Kolejną mutacją anteny typu Bumerang jest rozwiązanie znane w literaturze jako Triple-Leg. Różnica polega na tym, że ma ona o dwa dolne ramiona więcej niż jej poprzedniczka. Ramiona te są pochylone pod podobnym kątem jak w antenie Bumerang i rozmieszczone co 120 stopni. Anteny uziemione mają bardzo korzystną charakterystykę promieniowania, posiadają jedynie wadę, którą jest konieczność umieszczania ich w sąsiedztwie ziemi. W warunkach miejskich jest to praktycznie niemożliwe. Pogodzenie potrzeby uzyskania dobrej charakterystyki promieniowania oraz chęci umieszczenia anteny wysoko jest możliwe jeżeli zastosujemy antenę typu Ground Piane.

Anteny tego typu są stosowane chyba najczęściej. Dlatego warto im poświęcić nieco więcej uwagi.

Rozwiązanie to zostało opatentowane we Francji w 1933 roku. Istota rozwiązania polega na zastąpieniu ziemi układem prętów zwanych przeciwwagami. Na ogół liczba przeciwwag waha się między 3 a 20. Im jest ich więcej tym lepiej. Najlepiej jest gdy przeciwwagi mają długość mechaniczną zbliżoną do 1/4 fali (około 2,7 m). Unika się wtedy konieczności stosowania cewek kompensacyjnych (straty). Najczęściej spotyka się jednak anteny o skróconych przeciwwagach skompensowane odpowiednią cewką. Rozwiązanie takie choć całkowicie poprawne pod względem elektrycznym ma mniejszą sprawność spowodowaną stratami w cewkach kompensacyjnych.

Pochodną anten Ground Piane są anteny typu J. Antena J składa się z promiennika o długości A oraz ćwierćfalowego układu, służącego do dopasowania impedancji anteny do impedancji kabla. Całkowita długość takiej anteny wynosi 1/2 + 3/4 = 3/4 fali. Antena taka nazywana jest czasem anteną 6/8 fali.

 

Posted in Anteny CB | Komentowanie nie jest możliwe

Wybór najlepszej anteny

Dotąd mówiliśmy właściwie tylko o teorii. Pora więc porozmawiać o innych sprawach związanych z antenami. Każdy kto zalicza się do grona „sybistów” wie, że anteny są przedmiotem najbardziej namiętnych i zajadłych dyskusji. Trwa ciągła wymiana argumentów. To bardzo dobrze. Gorzej, że nie zawsze są to argumenty racjonalne. Często górę biorą uprzedzenia a czasem zwykła niewiedza. Witryna ta ze względu na objętość nie porusza wszystkich problemów. Niemniej informacje w niej podane opierają się tylko na obiektywnych prawach fizyki. Bez wątpienia opłaca się podjąć próbę usystematyzowania spraw najważniejszych.

Wybór najlepszej anteny.

Jaka antena jest najlepsza?. Możliwości wyboru są bardzo duże a na coś trzeba się w końcu zdecydować, gdyż nie każdy może pozwolić sobie na luksus testowania kilku rodzajów anten.

W większości przypadków decyzja podejmowana jest po zasięgnięciu rady u bardziej doświadczonych kolegów. Nie jest to sposób pewny, ponieważ opinia o danym typie anteny jest zawsze bardzo subiektywna. Fakt, że dana antena w określonych warunkach spisuje się zadowalająco nie daje żadnej gwarancji, że w innym miejscu będzie podobnie. Zresztą niekiedy występują takie anomalie, że przestawienie anteny tylko o parę metrów powoduje zmiany sygnału w granicach kilku decybeli. Jeszcze większy sceptycyzm zalecany jest przy wysłuchiwaniu opinii negatywnych. W tej dziedzinie istnieje najwięcej możliwości do powstawania wszelkiego rodzaju uprzedzeń i mitów. Trzeba powiedzieć, że możliwości te są w pełni wykorzystane. Wielu przystępuje do instalacji anteny, nie posiadając absolutnie żadnego przygotowania. Efekt takiego działania da się z góry przewidzieć. Wtedy cała wina spada niestety na antenę.

Pomijając aspekt bezpieczeństwa można być pewnym, że anten złych nie ma. Są tylko anteny źle dobrane do warunków lub też źle wyregulowane. Nie ma nic wspólnego z prawdą twierdzenie, że antena jest tym lepsza im ma w danych technicznych niższy WFS. Wyższy zysk jest na pewno lepszy, ale pamiętajmy, że zysk podany przez producenta odnosi się do anteny zainstalowanej w idealnych warunkach dla nas nieosiągalnych.

Poprawianie anten

Można ze stuprocentową pewnością przyjąć, że producenci anten mają do dyspozycji sprzęt pomiarowy i odpowiednie poligony doświadczalne czyli takie warunki o jakich posiadacz radia CB nie może nawet pomarzyć.

Mając takie środki projektują i wykonują anteny o określonych (nie idealnych) parametrach. A jednak znajdują się amatorzy twierdzący, że poprawili antenę fabryczną. Przeważnie „poprawiany” jest WFS (SWR). Jeżeli wytwórca podaje dla danej anteny WFS w granicach 1.3 to naiwnością jest zakładać, że nie był w stanie uzyskać tego parametru na poziomie 1,1. Bez większego wysiłku można nawet kosę oprawioną „na sztorc” za pomocą n.p. przycinania kabla doprowadzić do WFS równego 1,0 tylko, że nic z tego nie wyniknie. Przyczyny większego współczynnika fali stojącej należy upatrywać w innym miejscu. Jeżeli minimalne niedopasowanie spowodowane jest większą opornością promieniowania to miało na celu zwiększyć sprawność anteny. Jeżeli właśnie taki WFS jest kompromisem między właściwym kierunkiem promieniowania a wielkością fali stojącej to „poprawienie” dopasowania na pewno zdeformuje charakterystykę promieniowania. Ujmując rzecz ogólnie. Żaden z parametrów anteny nie może być rozpatrywany w oderwaniu od innych. Zmiana jednego parametru na pewno pociągnie za sobą zmiany w innych i to przeważnie z żałosnym skutkiem.

Co innego gdy wykonujemy antenę samodzielnie. Wtedy trzeba i należy poprawiać. Tak naprawdę to żadna sztuka kupić i ustawić antenę fabryczną. Prawdziwą satysfakcję i powód do dumy osiągniemy wtedy gdy antena własna będzie nie gorsza od profesjonalnej. Są już na to dowody. W drugiej części książki będzie można znaleźć wiele wskazówek oraz przykładowych konstrukcji anten, nadających się do wykonania w warunkach domowych.

Sposoby regulacji anten stacjonarnych są w zasadzie identyczne jak dla anten samochodowych. Natomiast o wiele trudniejsza jest realizacja. Każda zmiana długości promiennika pociąga za sobą konieczność odkręcenia anteny od masztu. Dlatego opłaca się postępować w sposób planowy co pozwoli zaoszczędzić wiele czasu i wysiłku:

a) przed montażem trzeba z danych technicznych anteny odczytać i zapamiętać jej długość mechaniczną. Jeżeli jest to niemożliwe, musimy przynajmniej wiedzieć jaką antenę instalujemy. Czy jest to antena 1/4 fali, 1/2 fali czy też 5/8 fali. Pozwoli to na wstępne oszacowanie poprawnej długości promiennika. Wychodząc z założenia, że długość fali równa jest 11m możemy dla każdej anteny określić jej długość. Trzeba tylko wziąć pod uwagę fakt, że długość mechaniczna będzie zawsze nieco mniejsza niż ta wyliczona z danych elektrycznych.

b) zanim zajmiemy się anteną musimy być pewni, że kabel jest bez wad. W tym celu dołączamy go do nadajnika poprzez reflektometr a jego drugi koniec przykręcamy do sztucznego obciążenia. Mierzymy WFS. Jeśli wszystko jest w porządku WFS nie będzie większy niż 1,1.

c) skręcamy wszystkie odcinki anteny w taki sposób aby uzyskać wymaganą długość całkowitą.

d) wszystkie połączenia elementów anteny sprawdzamy omomierzem . Zmierzona oporność nie może być w żadnym wypadku większa niż 0,1 Ohm. Szczególną uwagę trzeba zwrócić na te miejsca anteny w których płynie maksymalny prąd.

e) mocujemy antenę do masztu.

f) do anteny podłączamy przewód pomiarowy o długości 1/2 fali. Przewód ten łączymy z reflektometrem. Do drugiego gniazda reflektometru możemy przykręcić teraz kabel od nadajnika.

g) przeprowadzamy teraz pomiar WFS na kanale 19 (środek pasma) i wynik nanosimy na przygotowaną skalę. Następnie mierzymy WFS na tylu kanałach na ilu jest to konieczne, aby powstała z tego na papierze krzywa dopasowania.

h) kształt krzywej powie jak należy zmienić długość promiennika. Odkręcamy zatem antenę od masztu i robimy odpowiednią korektę długości.

i) wykonujemy teraz kolejno punkty g) i h) aż do momentu uzyskania odpowiedniej wartości WFS.

Po zakończeniu regulacji trzeba mimo wszystko antenę jeszcze raz odkręcić aby po dociągać wszystkie śruby i zabezpieczyć miejsca połączeń przed przenikaniem wody. Anteny wykonane solidnie posiadają w miejscach połączeń pierścienie uszczelniające wykonane z tworzywa sztucznego. Ale niestety jest to rzadkością. Dlatego musimy wszelkie połączenia okręcić elastyczną taśmą. Teraz dopiero umocować antenę ostatecznie. Uwagi o miejscach połączeń mają też zastosowanie do złącza kabla, które również należy zabezpieczyć.