ČÁST 5. |
| ČÁST: 5 Měřením úhlu na různých pásmech, pod kterými přichází signál z velkých vzdáleností, bylo možné určit tzv. optimální úhly, které je vhodné dodržet, pokud máme v úmyslu uskutečnit s vysokou pravděpodobností dokončené DX QSO. Výsledky takových měření jsou obvykle zpracovány do přehledných tabulek a pro CB pásmo lze z nich vyčíst, že optimální vyzařovací vertikální úhel je v rozmezí 5 až 15 stupňů. Zde je vhodné připomenout, že každá energie vyzářená mimo takto určených mezí, vychází nazmar a o takovém nastavení anténového systému – antény můžeme říci, že slouží tzv. k „ohřívání mraků“ – cloud burner … Z vedeného vyplývá, že by bylo nejjednodušší mít takové zařízení, kterým můžeme nastavit výšku antény podle použitého pásma. Pro DX QSO s relativně bližšími stanicemi anténu snížíme, aby bylo dosaženo vyzařování pod vysokými úhly a pokud máme zájem o DX provoz, analogicky anténu zvedneme do větší výšky, abychom dosáhli nízkých vyzařovacích úhlů svazku. Antény, které jsou umístěny výše mají totiž nižší vyzařovací úhel, jak bude popsáno v části zabývající se vertikálními vyzařovacími diagramy dipólu ovlivněného blízkostí země. Výše uvedené je v zásadě zajímavý poznatek, naštěstí takových opatření není vždy zapotřebí, protože obvykle vyzařovací úhel antén je dostatečně velký. Vlivem nerovnosti terénu, blízkostí budov a jiných objektů se zvětšuje rozptyl, tak výraznou měrou, že v městské zástavbě prakticky nelze jednoznačně určit vyzařovací úhel. To je v převážné míře důvod, proč někdo zájmovou stanici dobře poslouchá a QSO dokončí a jiný, byť jen nemnoho metrů dále, neslyší téměř nic nebo na hranici poslechu a QSO nemůže dokončit. Problematikou složitostí DX provozu z městské zástavby se z důvodu specifických a hlavně nepříznivých, zaobírat nebudeme. Dodám jen to, že provoz DX v klasickém chápání, lze realizovat v městské zástavbě jen jako kompromis, kde se vyskytuje podle oblasti velké rušení průmyslové, z domácností a v poslední době i od elektronických systémů obecně, zvláště pokud nejsou homologovány, konečně nelze opominout i rušení vzájemné, provozem CB stanic, jejich bezohledností a nepochopením. Pokud se nám podaří uvedené shrnout, stačí zachovat vhodnou minimální výšku antény. Pro pásmo 27 MHz obvykle postačuje 1.2 lambda. Musím připomenout, že tato výška je jen teoretická, konkrétní výšku pro konkrétní anténu a QTH je potřebné určit zkouškami nebo měřením. ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI ANTÉN Pro připomenutí uvedu, že anténový systém (je zcela lhostejno, zda se jedná o jednoduchou vertikální všesměrovou anténu, anténu vykazující směrové účinky nebo anténové řady), je souhrn zařízení potřebný na přeměnu výstupní energie vysílače na jeho šíření prostorem k přijímací anténě, aby v ní indukcí došlo k přeměně na elektromagnetickou sílu – ems. Jinak řečeno, antény jsou základní součástí jakékoli elektronické soustavy, která využívá volný prostor, jako prostředí k přenášení informací pomocí elektromagnetických vln. Úlohou vysílací antény je vytvářet elektromagnetické pole tzn., že musí logicky být posledním článkem vysílače. Vysílač, jako takový je v porovnání s anténou jen podřadným prvkem, pomocí kterého vlna vzniká a zesiluje se na potřebný výkon. Přijímací anténa má opačnou funkci. Anténa, jako nejdůležitější prvek v přenosovém řetězci je z pohledu mechanické konstrukce poměrně nenáročná. To se samozřejmě nedá říci o vysílači nebo přijímači. Uvedený rozdíl v náročnosti konstrukce vzbuzuje u některých uživatelů CB pásma (a neplatí to jen pro ně), klamné hodnocení priority segmentů přenosového řetězce. Neprávem bývá anténa opomíjena a pokud se někdo anténou zabývá, tak obvykle jen triviálním ohodnocením. Lze to snadno vypozorovat z různých debat mezi uživateli CB pásma. Mnoho uživatelů CB pásma „ví“, která anténa je dobrá a která ne... Jsou ovšem mezi uživateli CB pásma i takoví, kteří velice dobře ovládají problematiku antén - těch bohužel ke škodě ostatních není mnoho… Opustíme toto téma a vrátíme se k základním elektrickým vlastnostem antény: 1.) anténní impedance 2.) šířka pásma 3.) anténní směrovost – blíže vyjádřená diagramem záření antény 4.) polarizace 5.) zisk antény V zásadě můžeme říci, že každá anténa může dobře přijímat a opačně – vysílat. Základní elektrické vlastnosti jsou pro oba případy stejné, pokud anténa neobsahuje elektronické nelineární prvky (princip reciprocity). V praxi můžeme říci, že dobrá vysílací anténa je i dobrou anténou přijímací, ale opačně to vždy neplatí. ANTÉNNÍ IMPEDANCE Vlastní impedance antény je veličina důležitá pro přenos maxima energie mezi vysílačem a anténou za předpokladu, že vysílač je přímo připojen k anténě. V praxi obvykle jen zřídka je možné připojit anténu přímo k vysílači. Obvykle je anténa umístěna venku na stožáru nebo na střeše, kde musí snášet rozmary počasí. Naproti tomu vysílač s operátorem sedí pěkně v teple domova. V takovém případě řadíme mezi vysílač a anténu tzv. napájecí linku. Při této příležitosti je vhodné připomenout, že vstupní impedance a anténní impedance jsou dva pojmy. Vstupní impedance se uvažuje v místě připojení antény k napáječi (napájecí lince). Charakter impedance (kapacitní nebo induktivní) a velikost jejich složek (reálná a imaginární) se řídí vlnovou délkou a rozměry antény. Součástí reálné složky je vyzařovací odpor (odpor záření) Rz, jehož velikost odpovídá vyzářenému výkonu P z antény a efektivnímu proudu I, tekoucím anténou. Pro velmi krátké antény (ve srovnání s vlnovou délkou) je vyzařovací odpor téměř totožný s reálnou složkou vstupní impedance. Vyzařovací odpor může být vztažen ke kterékoliv hodnotě proudu I na anténě. Je-li vztažen k proudu v místě připojení antény na vedení, tvoří reálnou složku vstupní impedance (zanedbáme-li ztrátové odpory). Pro pochopení výše uvedeného doplním, že energie vyzářená do prostoru se váže na existenci fiktivního odporu, který jak výše uvedeno se nazývá vyzařovacím odporem. Ten je funkcí rozměrů antény a lze jej vypočítat. Pokud vstoupíme napáječem do kmitny proudu, potom reálnou část vstupní impedance vytváří vyzařovací odpor a jalová část tvoří reaktanční složku. Při dané vlnové délce můžeme ale najít takovou délku antény, při které jalová složka zmizí, a jen vyzařovací odpor se jeví jako vstupní odpor antény. Anténou odebraný výkon P, při vstupní impedanci Za v případě, že zmizí jalová složka, stoupne taktéž na maximum na důkaz rezonanční délky antény. Každou rezonanční délku antény provází vymizení hodnoty jalové složky vstupní impedance. Zůstane pouze vstupní odpor – je důležité si uvědomit, že to není vždy, uvažovaná hodnota normovaného vstupního odporu 50 nebo 75 ohmů. Nejnižší frekvence, při které je splněna podmínka pro rezonanční délku, nazývat budeme rezonanční frekvencí, za kterou následují další, vyšší frekvence, které se podle pořadí nazývají druhá, třetí atd. rezonanční frekvence. Pro úplnost uvedu, že vyzařovací odpor vertikální antény 1/4lambda je 36.64 ohm a pro 1/2lambda je analogicky 73.28 ohm. Impedanční přizpůsobení antény na napáječ se řídí použitím antény. Při této příležitosti si neodpustím poznámku, která v dalších pokračováních bude podrobně probrána. Impedance obvyklá u antén pro CB pásmo je 50 ohm. Impedance antény při daném rezonančním kmitočtu nemusí korespondovat s impedancí 50 ohm. Jak to tedy je zařízeno, když impedance antény není v rezonančním stavu 50 ohm a napájecí linky (pro CB - kabely) obvykle impedanci mají 50 ohm. Vysvětlení je jednoduché, mezi vlastní zářič antény a přípojný konektor je vložen tzv. přizpůsobovací obvod. Běžně se u antén pro CB provoz používají přizpůsobovací obvody, které tvoří obvykle cívka s odbočkou. Pro vysílací antény se obvykle vyžaduje, aby činitel stojatých vln byl menší nebo roven 2, pro přijímací antény často vystačíme s činitelem stojatých vln menším než 3. U speciálních druhů přenosů se složitou modulací a pokud jsou vysílače připojeny delším napájecím vedením, požaduje se činitel stojatých vln v rozmezí 1.05 – 1.2. V amatérské praxi obvykle vystačíme s činitelem stojatých vln menším než 2. Tímto v žádném případě nechci tvrdit, že uvedené hodnoty jsou závazné. V praxi většiny uživatelů CB pásma jsou požadavky poněkud odlišné - to je věčné téma rozhovorů o tzv. „ladění“. Pokud výsledek jejich „ladění“ nevykazuje hodnotu činitele stojatých vln 1, nebo lépe, když se tzv. „ručka ani nehne“, nejsou spokojeni… Problematika teoretických mezí impedančního přizpůsobení byla a je řešena různými autory a institucemi. Výsledky jsou zpracovány v publikacích a s rozvojem výpočetní techniky je možné uvedenou problematiku řešit i na PC. Vstupní impedance antény v přítomnosti jiných antén nebo vodičů je výrazně ovlivněna proudy tekoucími v sousedních vodičích, a to prostřednictvím vzájemné vazby. Tento vliv je nazýván vzájemnou impedancí a ta má velký význam a to jak pozitivní, tak i negativní. Problematika výpočtu impedancí je složitá záležitost, neboť impedance reálné antény velmi silně závisí na konstrukci antény a zvláště na uspořádání místa napájení, pokud jde o vstupní impedanci. To je jeden z důvodů, proč se v praxi většinou dává přednost zjišťování impedance měřením. ŠÍŘKA PÁSMA Šířka pásma antény je taková šířka kmitočtového pásma, ve kterém anténa splňuje požadavky na ni kladené. Jsou-li dány požadavky na impedanci antény, lze hovořit i o Q-antény, podobně jako u elektrických laděných obvodů. Čím větší je reaktivní energie ve srovnání s energií vyzářenou, tím užší je šířka pásma a vyšší Q. Tak např. čím menší jsou rozměry antény ve vztahu k vlnové délce, tím nižší je odpor záření a roste reaktivní energie a tím užší je přenášené pásmo. Jednoduchý dipól jako aktivní prvek, tj. buzený element, se z pohledu napájecího bodu ve středu dipólu může považovat za sériový rezonanční okruh. Šíře pásma sériového rezonančního okruhu se definuje jako frekvenční pásmo omezené hraničními frekvencemi pod a nad rezonančním kmitočtem, při kterých se rezistanční složka vstupní impedance vyrovná s jalovou. Uvedené vyrovnání složek vstupní impedance dipólu se nazývá fázový úhel vstupní impedance. V důsledku vyrovnávání složek vzrůstá vstupní impedance na dvoj násobek hodnoty při rezonanci, když jalová složka se rovná 0. Se vzrůstem vstupní impedance na dvojnásobek původní rezonanční hodnoty poklesne napájecí proud i napětí oproti původní hodnotě proudu a napětí při rezonanci. Uvedený pokles hodnoty proudu a napětí při rezonanci se nazývá 3 dB pokles, při kterém výkon na vstupních svorkách antény je poloviční. Proto se 3 dB pokles nazývá půlvýkonovým poklesem. Úhel, který svírají navzájem tyto dva směry, se nazývá úhel šířky propustnosti na 3 dB pokles a body v diagramu P – P body 3 dB poklesu, jak je znázorněno na obrázku. (Generovaná charakteristika půlvnového horizontálního dipólu napájeného ze středu, pro kmitočet 27.205 MHz umístěném ve volném prostoru pomocí SW pro Analýzu a optimalizaci antén.) |
| Uvedený 3 dB pokles vzniká u frekvenčních hranicích šířky pásma dané antény. To se projeví i v odpovídajícím snížení (zeslábnutím) pole vysílací antény (ekvivalentně i anténě přijímací). Pokud změníme pracovní kmitočet z rezonančního na hranici šířky pásma, pak se v hlavním směru vyzařování zákonitě dostaví 3 dB pokles. Frekvenční šířka pásma potřebná na tento pokles se nazývá selektivnost anténového systému. Úhel mezi směry 3 dB poklesu se nazývá úhel rozevření a je důležitým údajem charakterizující vlastnosti každé antény. Je v odůvodněném zájmu amatérského i CB provozu, aby úhel rozevření byl pokud možno nad 70 stupňů, u otočných směrových antén nemá být menší než 35 stupňů, protože při menších úhlech rozevření se zpravidla obtížně navazují QSO a anténu je nutno pečlivě a přesně směrovat. ANTÉNOVÁ SMĚROVOST Všesměrové vyzařování v podmínkách DX provozu se od antény vyžaduje spíše vyjímečně, obvykle jen tehdy, pokud se operátor rozhodne pro práci s vertikální anténu všesměrovou. Je vhodné připomenout, že prakticky každá anténa vykazující směrové účinky, může být použita pro práci jak s horizontální, tak i vertikální polarizací. Zjednodušeně řečeno je to jen otázka, jak anténu mechanicky orientujeme ve vztahu k prostředí. Povolovací podmínky pro provoz CB stanic zakazují používání směrových antén, které vykazují zisk v horizontální rovině. O tomto nelze polemizovat. V praxi na základě tohoto ustanovení lze provozovat jen ty směrové antény, které této podmínce vyhovují a to jsou směrové antény s vertikální polarizací. POLARIZACE Elektromagnetické vlnění je nedílně složeno z magnetického a elektrického pole. Elektrické a magnetické pole jsou k sobě v každém okamžiku kolmá a směr šíření je opět vždy kolmý k oběma rovinám vlnění. Polarizaci vlnění určuje směr elektrických siločar. Jsou-li elektrické silové čáry kolmé k zemi, mluvíme o polarizaci svislé (vertikální) a jsou-li vodorovné, mluvíme analogicky o polarizaci vodorovné (horizontální). Pro úplnost dodám, že poloha diólové antény odpovídá polarizaci vlnění, tedy vodorovně umístěná dipólová anténa vyzařuje (přijímá) vodorovně polarizované vlny. Zjednodušeně lze si představit situaci, že máme půlvlnový dipól orientovaný ve svislé rovině, jak je znázorněno na prostorovém obrázku. Jeho vyzařování – vertikální, je znázorněno světlou barvou proti pozadí. |
| Pokud uvedený dipól otočíme o 90stupňů ze svislé do horizontální roviny, charakter vyzařování se změní na horizontální. Uvedený příklad je vyobrazen pro situaci, kdy dipól je umístěn ve volném prostoru a vyzařování není ovlivněno blízkostí země. (Vliv blízkosti země na tvar vyzařovacího diagramu – charakteristiky, bude v přiměřeném rozsahu probráno v dalších částech seriálu.) ZISK ANTÉNY Činitel zisku neboli zisk antény je určen vztahem: G = k*S, Kde k vyjadřuje účinnost antény, v kterém se projeví ztráty v materiálu vodiče, dielektriku a impedančním nepřizpůsobení. S absolutní činitel směrovosti. Absolutní činitel směrovosti: Anténa: činitel směrovosti: Izotropický zářič 0 dB (matematická fikce) Velmi krátký dipól 1.76 dBi Půlvlnový dipól 2.15 dBi Zatímco směrovost antény se nejčastěji určuje výpočtem, je výhodnější určovat zisk měřením, tj. srovnáním intenzity pole měřené a referenční antény. Vlastnosti antény ověřujeme měřením jejich základních parametrů, jako je vstupní impedance, diagram záření a zisk. Na tomto místě poněkud odbočím. V praxi některých „specialistů“ na CB pásmu se často setkáváme s nevhodnými postupy při měření, nastavování a dokonce testování antén… Výsledky práce těchto „specialistů“, kteří své naměřené výsledky, posuzování a závěry prezentují v tzv. "testech" té či oné antény, jsou mírně řečeno zavádějící. Při měření antén je potřeba mít na paměti, že jde o vyzařovací systém, který může a v praxi bývá velmi často ovlivněn jak rušením vnějšími elektromagnetickými zdroji, tak energii odrážejícími předměty v okolí vyšetřované antény. Vstupní impedanci měříme v pásmech do 30 MHz obvykle vysokofrekvenčními můstky. Přesnost měření pochopitelně závisí na přesnosti měřícího přístroje, ale zejména na dodržení dvou podmínek: -způsob připojení přístroje k anténě nesmí ovlivnit měření (známé elektrické parametry spojovacího vedení, bezodrazové spojky atp.) -v blízkosti vyšetřované nebo nastavované (seřizované) antény nesmějí být žádné odrazné předměty zejména vodivé. Měřená anténa pracuje buď jako přijímací, nebo vysílací. V obou případech určujeme závislost přijatého signálu na úhlu otočení antény. Základní podmínkou úspěšného měření je homogenní elektromagnetické pole prosté odrazů. Za takové prostředí nelze v žádném případě považovat střechu panelového domu v městské zástavbě, nebo louku za městem. Kolísání intenzity pole +/- 1dB se považuje za krajní přípustnou mez. Na kmitočtech pásma CB je potřebné vyhledat velmi rozlehlý rovinný terén bez rušivé zástavby a terénních vyvýšenin. Odrazy od země lze omezit volbou vhodné vzdálenosti obou antén a jejich výškou nad zemí. Přesné určení zisku nebo směrovosti je jedno z nejobtížnějších měření. Buď je možné určovat směrovost výpočtem z naměřených směrových diagramů, pak nepřesnost určení spočívá v tom, že obvykle neznáme celý prostorový diagram záření, nebo, což je častější, určujeme zisk vyšetřované antény porovnáním se ziskem antény referenční. V případě srovnávacího měření je třeba dodržet všechny výše uvedené podmínky s tím, že homogenita pole by měla být lepší než +/- 0.5 dB. Velmi důležitým požadavkem je velmi dobré impedanční přizpůsobení obou antén. Pro ty, kteří nemají ujasněno, jak to se směrovýma anténama a CB vlastně je, citace části GL: GL-22/R/2001: ... 12. v provozu občanských radiostanic není povoleno používání: - ... - ... - ... - směrových antén se ziskem v horizontální rovině. ... Příště: - napájecí vedení |
Autor: Láďa Fórum
Fousáč Plzeň CL-51