ČÁST 1. ÚVOD CB pásmo a provoz na něm je určen široké občanské veřejnosti k zábavě a technickému vzdělávání, které nepodléhá přímé koncesní povinnosti. Pravidla jsou závazná, upravena Telekomunikačním zákonem a doplňky související s provozem na CB pásmu, a to jak z hlediska technického, tak i provozního. Výše uvedené je potřebné mít na paměti a na CB pásmu se těmito závaznými pravidly řídit!!! Vám předkládaný soubor, je určen pro uživatele CB pásma, kteří mají zájem o DX provoz, poznat vlastnosti šíření elektromagnetických vln a využít vlastností antén používaných pro provoz v pásmu CB. Předkládaná problematika není úzce zaměřená jen na pásmo CB, zvláště v části 1 a 2, kde pro objasnění některých pojmů a návazností je nutné se zmínit i o pásmech amatérských. Další části již budou oproštěny od amatérských pásem, pokud to výklad dovolí. Tento soubor článků bude rozdělen na několik částí, kde v úvodu se seznámíte se základy šíření elektromagnetických vln v pásmu krátkých vln, kam CB pásmo patří. Další části budou zaměřeny na oblast napájecích linek, jejich vlastností, zvláštního užití, jako jsou impedanční transformátory, přizpůsobovací obvody antén atp. Další část se bude věnovat obecně teorii antén se zaměřením na antény vertikální a to, jak z pohledu funkce, vyzařovacích charakteristik, tak i jejich nastavování a měření pomocí jednoduchých pomůcek. Další část bude orientována na směrové antény zejména vertikální typu Quad a Yagi, jejich základním výpočtům, charakteristikám, přizpůsobení a nastavení. Poslední část bude orientována na stavbu jednoduchých pomůcek potřebných pro oživení, nastavení a kontrolu základních vlastností antén (jednoduchý šumový můstek, jednoduchý GDO, impedanční můstek, měřič PSV, jednoduchý měřič intenzity pole atp.). Budu velmi potěšen, pokud tento soubor bude inspirací pro vlastní experimentování na CB pásmu s anténami a pokud se někdo takový najde, rád budu, když se podělí se mnou i jinými se svými úspěchy, případně i nezdary – předem děkuji i za kritické poznámky, případně nové poznatky k tomuto tématu. Nebudu zde propagovat ani hanit antény, které se pod tlakem různým, jako je technická móda, úspěchy v navazování spojení a to obvyklé:“…ta a ta anténa je nejlepší, protože mi pobírá úplně všechno…“. Bohužel, nikde jsem nenašel zmínku, že by anténa někdy nebo někde „pobírala úplně všechno“, jak lze občas slyšet na CB pásmu od „spokojených“ uživatelů. VÝZNAM ANTÉNY Anténa (vysílací) je důležité zařízení, jehož úlohou je vyzářit přivedenou vysokofrekvenční energii z vysílače (generátoru) do okolního prostoru ve formě elektromagnetického vlnění. Naopak, přijímací anténa má obrácenou funkci – elektromagnetické vlnění z okolního prostoru převádí na vysokofrekvenční energii a ta je dále zpracovávána v elektrických obvodech přijímače. Jejich vzájemnou spoluprací se vytváří systém, který umožňuje tzv. bezdrátový přenos informací – komunikaci mezi stanicemi. Z výše uvedeného je patrný pojem anténa vysílací a anténa přijímací. V praxi se oba typy antén sdružují do antény jediné, která slouží jak pro vysílání, tak i pro příjem signálu. Je to svým způsobem kompromis vycházející z praktického poznatku i teorie, že dobrá vysílací anténa je zpravidla i dobrou anténou přijímací. Obráceně to pravda vždy není – je potřeba si tuhle zásadu uvědomit. V praktickém provozu se nezřídka setkáváme s používáním oddělených antén pro vysílání a příjem nejen v profesionálních službách, ale i řada amatérů používá oddělené antény pro vysílání a příjem. Uživatelé CB pásma obvykle s takovou variantou uspořádání antén nemají výrazných zkušenosti. Anténa vysílací i přijímací v dalším výkladu bude zahrnuta pro zjednodušení pod jediný název – anténa. Anténa má zprostředkovat převod energie z elektromagnetického vlnění na vysokofrekvenční signál (i obráceně), a to jmenovitě těch signálů, pro které je anténa navržena. K významným požadavkům – elektrickým vlastnostem antény tedy patří: a) Ze změti elektromagnetického vlnění v prostoru vybrat žádaný signál, jmenovitě těch signálů, pro které je anténa vypočítána – navržena. Tato vlastnost se nazývá selektivita. b) Přijímat požadovaný signál pouze z jediného směru a potlačovat signály ze směrů ostatních. Tato vlastnost se nazývá směrovost. c) Přijímat nezbytně potřebný kmitočtový rozsah podle šířky pracovního pásma. Této vlastnosti říkáme širokopásmovost. Ani ideální přijímač nemůže zpracovat a reprodukovat informace, pokud na jeho vstupní obvody nepřivedeme žádaný signál. Na kvalitě přivedeného signálu z antény závisí i kvalita reprodukované informace. Přijímací anténa musí tedy z elektromagnetického vlnění odebrat co nejvíce užitečného signálu a potlačit signály neužitečné – rušivé, a užitečný signál pokud možno beze ztrát přivést na vstupní obvody přijímače pomocí napájecí linky. Napájecí linka je vložené zařízení, které dopravuje užitečný pracně získaný signál z antény ke vstupním obvodům přijímače. Na anténu jako celek, nelze pohlížet jako na zbytečně nutné zlo. Nezřídka je možné v okolí pozorovat zajímavý paradox. Uživatel vlastní a používá relativně drahé a dobré zařízení, na druhé straně má k němu připojenou nevhodnou anténu. Jaký je celkový dojem z takové kombinace? V lepším případě rozpačitý… Již od počátků amatérského hnutí – hobby, platí léty praxe potvrzené pravidlo, které říká, že „…dobrá anténa je nejlepší vysokofrekvenční zesilovač a je nejdůležitější součástí přijímače i vysílače.“ ŠÍŘENÍ ELEKTROMAGNETICKÝCH VLN Znalost problematiky šíření elektromagnetických vln je základním předpokladem pro úspěšný návrh a konstrukci antény. Anténa, jako systém je nejdůležitějším článkem v touze uskutečnit žádané spojení. Elektromagnetické vlny jsou z antény vyzařovány v kulových plochách a podle cest, které sledují, lze je rozdělit na ionosférické (prostorové), troposférické a povrchové. Ionosférická neboli prostorová vlna směřuje vzhůru a za příznivých podmínek a při nízkých kmitočtech (do zhruba 30MHz) odráží se od vrstev, které se utváří v ionosféře, případně pokud je vyzařovací úhel svazku elektromagnetických vln příliš vysoký, pronikají přes tuto vrstvu dál do vesmírného prostoru bez zjevného užitku, neb je tam nemá kdo zachytit, protože tam CB stanice jaksi nejsou. Na tomto místě je vhodné poznamenat, že pod pojmy lom, ohyb a odraz elektromagnetických vln je vhodné si představit situaci, kdy vlny se neodráží a nelámou ostře. Ve skutečnosti se uvedené změny dějí postupně a nepravidelně, odraz není ostrý a přímý, ale je dán momentálními vlastnostmi dané vrstvy, která způsobuje postupný ohyb směru vln a to jak ve vertikální rovině tak i v rovině horizontální – obvykle se jedná o náhodnou kombinaci. Troposférická vlna je část záření, která se odráží nebo lomí v oblasti náhlé změny dielektrické konstanty vzduchové hmoty v troposféře (tj. nižší vrstvy atmosféry). Uvedené změny jsou mimo jiné způsobeny náhlými změnami teploty, vlhkosti a obsahem kondenzačních jader ve vzduchové hmotě. Obvykle se jedná o podmínky vytvořené na rozhraní vzduchových hmot na výrazném frontálním rozhraní, které se nachází v příhodné vzdálenosti od antény a pro přicházející vlny představuje vhodně skloněnou rovinu pro ohyb, lom nebo zakřivení směru přicházejících vln. Pokud dojde k takovému výskytu podmínek, může se vytvořit tzv. vlnovodný kanál – atmosférický vlnovod. Ten potom může vést vlny na vzdálenosti až 2000 km. Tento druh vln může umožnit dálkový příjem signálů (vysílání), ovšem jen při uvedených podmínkách, které nastávají v našich krajích v jarních a letních měsících, a to jen v určitou denní dobu. Důkazem takového šíření může být občasný příjem mnoha evropských případně asijských stanic, někdy v síle přesahující sílu signálů stanic místních. Troposférická vlna způsobuje také na vzdálenějších místech známé kolísání síly signálu z příčin, které jsou výše uvedeny. Převážná část uživatelů CB pásma za provozu na pásmu (pokud to je možné) při vzniku těchto podmínek neoprávněně a bez hlubší informovanosti obviňuje slyšené stanice ze zahraničí, že používají k vysílání „obrovské“ výkony, protože tak silně by jinak u nás nebylo možné je slyšet. Je potřeba si také uvědomit, že obdobně při těchto podmínkách jsou naše signály v zahraničí slyšet v nebývalé síle a to skutečně ve velkých vzdálenostech. Povrchová vlna je část záření, která se pohybuje po povrchu země a na kterou působí terénní profil země. Povrchová vlna se skládá z vlny přímé a vlny odražené od zemského povrchu. Odrazy ve větší vzdálenosti od vysílače bývají způsobovány vyvýšenými překážkami, jako jsou osamělé vrchy nebo horské masívy. Stejný účinek jako odraz má též ohyb elektromagnetických vln například na horském hřbetu. Tento odraz a ohyb způsobuje, že někdy přichází na místo příjmu signál z podstatně jiného směru než je umístěn vysílač protistanice. Vlivem těchto okolností se velmi často stává, že nevýhodně položená a značně vzdálená místa mají mnohem lepší podmínky pro příjem než místa bližší a zdánlivě výhodněji položená. Uváděná nerovnoměrnost rozložení povrchové vlny ve vztahu k její síle bývá často příčinou mnoha obtíží v poměrně malých vzdálenostech řádově l/2 až 1l. Tento efekt občas pozorují uživatelé CB pásma při provozu z auta, případně dočasného stanoviště na kopci. Povrchová vlna je hlavním nositelem signálu pro místa bez přímé vzájemné viditelnosti. Pochopitelně - co platí pro tzv. užitečný signál, obdobně platí i pro signály neužitečné – rušivé. Je potřeba si občas tuto skutečnost uvědomit a těmto závislostem provoz přizpůsobit. Přímá vlna je v provozu na CB pásmu nejdůležitější částí vysílaného signálu ve vztahu k místnímu spojení, které tvoří podstatnou část všech spojení jenž jsou na CB pásmu realizována. V oblasti jejího dosahu je příjem nejjakostnější a pochopitelně síla signálu protistanice dosahuje značných hodnot. Přímá vlna má značnou intenzitu a odráží se od každého ostře ohraničeného prostředí, zejména od vodivých předmětů, jejichž délka je alespoň l/2 nebo větší. Takové odrazy mohou na straně přijímací vytvořit situaci, že na anténu přichází dva signály např. jeden přímý a druhý jako odraz od budovy, komína, vedení bleskosvodu apod., která ovšem prošla delší dráhou, a proto fázově nesouhlasí s vlnou přímou. To vyvolá v přijímači značné potíže, které v důsledcích zhoršují příjem dané protistanice. PROSTŘEDÍ Kontakt v pásmu krátkých vln profesionálních služeb, amatérů a v posledních letech i uživatelů CB pásma na velké vzdálenosti umožňuje ionosféra, která se vytváří nad Zemí vlivem ultrafialového slunečního záření. Ionizovaná vrstva atmosféry byla poprvé popsána v roce 1902. Její význam pro šíření elektromagnetických vln je zásadní. Tajemství ionosféry nebylo možné prozkoumat najednou, protože před 1. světovou válkou amatérskému provozu přidělili vlnové pásmo 200 až 1000m. uvedené pásmo má jiný způsob šíření na dálku. Po roce 1918, v důsledku vzniku rozhlasu, musel se amatérský provoz přemístit do vlnového pásma pod 200m, které se podle tehdejších odborníků nehodilo na nic (z pozůstatku tohoto období vychází ten „podivný“ názor, že CB pásmo je pásmem odpadovým atp.). Jaké bylo překvapení těchto odborníků, když v roce 1921 bylo možné poslouchat mnoho amatérů z USA ve Skotsku a v roce 1923 se uskutečnilo první mezikontinentální spojení s malou energií, na které profesionální stanice pracující na dlouhých vlnách potřebovaly řádově tisíckrát větší energii. Co umožňuje takový úžasný skok na dálku dokonce ve dne? Co odráží signály, že se vrací zpět na zem často i s překvapivou silou? Odpověď na takové otázky tvoří výchozí bod pro studium a experimentování v oblasti antén a jejich vztahu k ionosféře. S těmito otázkami je dobré se vypořádat dříve, než přejdeme k vlastním anténám a vůbec všemu, co je potřebné, abychom porozuměli dějům v ionosféře i na anténách. Je možné, že některým uživatelům CB pásma se předkládaná problematika bude jevit jako absolutně zbytečná, mají dostatek informací a nepovažují za vhodné se tímto zaobírat. Lze za určitých podmínek s takovým názorem zčásti opatrně souhlasit. Je pravdou, že komerčně vyráběné antény oprošťují uživatele od nutnosti se podrobně zaobírat teorií anténové techniky, na druhé straně musíme přiznat, že ne vždy všichni uživatelé znají základní vlastnosti problematiky anténové techniky a šíření vln v takovém rozsahu, že je dokáží využít pro úspěšné navazování QSO na velké vzdálenosti. Je někdy k pobavení si vyslechnout některé výroky typu:“…podařilo se mi udělat…“ atp. ve skutečnosti to „neudělal“, ale je to výsledek podmínek šíření elektromagnetických vln v pásmu CB a aktuálním stavem ionosféry v úzké návaznosti na vlastnosti použité antény. Co to tedy je, ta ionosféra, co se v ní vlastně odehrává, co umožní elektromagnetickým vlnám se vracet zpět na zem? IONOSFÉRA A JEJÍ NEJDŮLEŽITĚJŠÍ VRSTVY Ze školních lavic si ještě pamatujeme, že zemská atmosféra je tvořena směsí různých plynů a obklopuje Zemi díky její přitažlivosti. Atmosféru můžeme rozdělit do jednotlivých vrstev, které nemají výrazné rozhraní a jedna vrstva postupně přechází ve vrstvu následující. Nad troposférou, ve které probíhají veškeré meteorologické jevy a úkazy je velmi řídká vrstva, která nás zajímá – ionosféra. Je to vrstva, která je stále v zorném poli badatelů a její průzkum přináší díky moderní vědě a kosmonautice stále nové a dokonce i převratné poznatky. V ionosféře není vůbec nic v klidu, neustále dochází k různým změnám – je v neklidu. Tyto změny má na svědomí mimo jiné, z velké části vzájemný pohyb Země okolo Slunce. Stav ionosféry se odráží na okamžitých podmínkách příjmu v pásmu krátkých vln, tedy nejen v pásmech amatérských, ale i CB pásmu. Ionosféra se utváří a zaniká ve zjednodušené formě účinkem slunečního záření, tj. v důsledku střídání se dne a noci. Zaniká na té straně zeměkoule, která se dostane do vlastního stínu. Přes den, kdy je Země vystavená plnému účinku ionizujících ultrafialových slunečních paprsků, formuje se ve výškách mezi 50 až 100 km nad povrchem Země D vrstva s maximální ionizací okolo poledne. Tato vrstva má hlavní podíl na tom, že denní amatérský provoz na nižších pásmech okolo 160 a 80 m je omezen jen na malé vzdálenosti při poměrně velké absorpci. Dvrstva dobře odráží jen dlouhé vlny, naproti tomu kratší vlny tlumeně láme. Po západu Slunce se ztratí, jen co přestane působit ultrafialové sluneční záření. V noci se dlouhé vlny odráží od další vrstvy, tj. od vrstvy E, která se vytváří ve výškách okolo 90 až 150 km. Vrstva E pohlcuje určitou část energie z amatérských pásem nižších kmitočtů a dobře odráží kmitočty nad 40 m. Její elektronová koncentrace je taková, že přes ni pronikají jen velmi krátké vlny, a je tím větší, čím výše stojí Slunce nad obzorem. Koncentrace elektronů závisí od denní a roční doby a od zeměpisné šířky místa. Může se zdát, že klesání Slunce k obzoru vyvolá odpovídající snížení ionizace – no není to tak docela pravda. Po západu Slunce se koncentrace v této vrstvě silně sníží, ale vrstva nezmizne a v noci představuje malý útlum pro pásmo středních vln. To je vysvětlení sice zjednodušené, proč můžeme v noci poslouchat v Praze v pásmu středních vln např. silně stanice z východu, jako je Alma-Ata, Moskva, zatím co ve dne , zvláště přes poledne neslyšíme dobře ani Bratislavu. Můžeme říci, že to je tím, že koncentrace Evrstvy je největší, takže způsobuje největší (nejsilnější) útlum. Nad vrstvou E, ve výšce 180 až 400 km nad oslněnou stranou Země, je oblast F vrstvy, která podléhá různým vlivům. Její charakteristické hodnoty, jako je výška a kritický kmitočet, závisí na denní době a ročním období, od magnetických souřadnic pozorovatele, od intenzity sluneční činnosti a dalších činitelů, které zahrneme pod pojem ionosférické změny. Pro zajímavost uvedu, že ve spodní části vrstvy F se vyskytuje za vhodných podmínek polární záře, která je z pohledu šíření elektromagnetických vln zajímavá. Vrstva F je ve dne rozdělená na dvě části, a to na F1 a F2, zatím co v noci je to jen jedna vrstva F. Vrstva F1 je ve výšce okolo 180 až 200 km a její vzdálenost od Země je téměř stálá, zatím co vrstva F2 mění svou vzdálenost od Země v závislosti na zeměpisné šířce a roční době. Se západem Slunce ionizace vrstvy zcela nezmizí, což umožňuje ve večerních hodinách spojení na velké vzdálenosti v pásmu krátkých vln. Díky tomuto mohou lovci DXů pracovat okolo 2 hodin po západu Slunce na pásmech 40 až 20 m, za co vděčíme vrstvě F2. |
| Obrázek schématicky zobrazuje rozvrstvení jednotlivých vrstev. Ve spodní části je troposféra, ve které se odehrávají meteorologické jevy. Nad ní se nachází stratosféra, ve které lze za příhodných podmínek pozorovat velmi vysokou oblačnost cirovitého charakteru. Nad ní se nachází první vrstva ionosféry a to vrstva D, nad ní je vrstva E. Dále pokračuje vrstvení ionosféry vrstvou F, která se ve dne skládá ze dvou částí a to F1 a F2, v noci jen jedna F, ve které se vytváří při splnění jistých podmínek polární záře. Je podstatné si uvědomit, že jednotlivé vrstvy nemají mezi sebou výrazné – ostré rozhraní, ale jejich přechod je pozvolný. Tímto bych uzavřel část o ionosféře a jejich vrstvách. Je možné, že se najdou čitatelé, kteří danou problematiku ovládají a možná ji považují za zbytečnou, nedá se nic dělat, pro pokračování je potřebné i tak nezáživné téma probrat. Příště budeme pokračovat kapitolou pojednávající o lomu elektromagnetických vln v ionosféře, ionosférické změny, odrazové skoky, ozvěny a optimální vyzařovací úhel a výška antén. |
Autor: Láďa Fórum
Fousáč Plzeň CL-51