QUAD

Quad – anténa opředená nejednou pozoruhodností … 

Při přípravě článku o anténě QUAD jsem mnoho let sbíral mně dostupné materiály, zkušenosti kolegů amatérů, odborné publikace domácích i zahraničních autorů. Výsledkem je tento mini-seriál, který doufám pomůže poněkud zpopularizovat tuto anténu i mezi uživateli CB pásma, kde se díky příznivým rozměrům a vhodných elektrických vlastností může velmi dobře uplatnit. O anténě Quad by bylo možno napsat ne jednu velmi obsáhlou knihu. V amatérské praxi nachází Quad mnoho příznivců, ale na druhé straně i řadu odpůrců. Jedni vlastnosti Quada velice přeceňují, jiní silně podceňují… Pravda bude někde uprostřed, jak praví zkušenosti. Na pásmu CB je to anténa velmi málo k vidění. Od stavby, většinou jsou zájemci odrazováni poměrně malou dostupností vhodných konstrukčních návodů a popisů. V dřívějších dobách byl velkým problémem při realizaci antény nedostatek vhodného materiálu. Obvykle se používalo na nosné prvky, jako materiálu bambusových tyčí, které se poměrně těžce obstarávaly. Dalším neméně význačným nedostatkem dřívějších konstrukcí, byla malá odolnost konstrukce vlivům povětrnostních podmínek. Zejména námraza dokázala v nejednom případě z "krasavce" Quad, udělat zoufalou trosku. Obvykle se majitel Quada po takové katastrofě už do nové stavby nepouštěl... Teprve v poslední době se v různých prodejnách dá nakoupit vhodný materiál pro stavbu této antény. K dostání je v podstatě vše potřebné pro stavbu a je i možnost si nechat některé detaily vyrobit dle potřeby. Tím se po stránce konstrukční, anténa stává velmi dostupnou, i když cena je poněkud vyšší, než u klasického všesměrového vertikálu. Přetrvávajícím problémem zatím zůstává vhodný konstrukční návod pro stavbu. Pro amatérská pásma to až tak veliký problém není, byla publikována řada návodů zdařilých i jiných. Návod pro stavbu Quada pro CB pásmo je poměrně obtížné obstarat. Pokud se i toto úskalí zvládne, nastane období nejtěžší... Nastavení antény - to je poměrně náročná práce vyžadující vhodné měřící vybavení a jisté zkušenosti doplněné teoretickými vědomostmi. Do stavby by se sám zájemce neměl pouštět, pokud nemá dostatek znalostí. Pokud tak učiní, je vhodné si obstarat asistenci zkušeného kolegy, který disponuje vhodnými měřícími pomůckami a vědomostmi. Jako příklad bych mohl uvést "neslavnou" cestu jednoho Quada. Původní majitel jej postavil a podařilo se jej seřídit tak, že pracoval velice dobře dvě sezóny. Několikráte jsem byl na kopci, kde tento Quad pracoval velmi dobře vedle mého tříelementového Quada. Po nějaké době si majitel postavil jiného Quada a toho prvního na setkání CB prodal. Nový majitel jej nějak doma sestavil. S výsledky nebyl moc spokojen, spíše zklamán a tak jej opět prodal někomu jinému s tím, že "to nějak nechodí"... Po osobní konzultaci s druhým majitelem jsem se dozvěděl, jak to vlastně vše bylo. Popsal mi celou anabázi a z toho vyšel závěr, že uvedeného Quada - bohužel - neumí seřídit. Další majitel, jak jsem se doslechl, dopadl podobně a tak Quad někde zmizel... Závěr z tohoto příkladu je jednoznačný - neznalost vede k neúspěchu. Otázka vlastní stavby není v dnešní době velkým problémem, problém leckdy nepřekonatelný je otázka seřízení antény a tam obvykle ztroskotají pokusy o stavbu. S mohutným nástupem PC a vývojem SW pro analýzu antén se vlastnosti antén mohou modelovat v různém prostředí. Výsledky práce počítačových programů jsou v každém případě zajímavé, ale z pohledu praktické realizace - spíše tématem k teoretizování, než podklady pro stavbu a seřízení antény. Zatím nebyl nikde prezentován žádný SW, který by dokázal vypočítat zcela nový typ antény na jiných, než zatím známých principech, ale to není téma pro tento článek.

Nejdříve se podíváme, kde a kdy tento druh zajímavé antény vznikl.

 Vrátíme se až do roku 1939, kdy bylo potřebné vybudovat misijní rozhlasovou stanici HCBJ, vysílač s výkonem 10 kW na 20m pásmu do antény. Měl hlásat evangelium a informovat obyvatele exotické země Ecuador o misijní činnosti. Američtí inženýři, kteří uvedený vysílač budovali nedaleko města Quita ve výšce téměř 3000 m, se setkali s velkými potížemi, které provázely počátky vysílání. Čtyř prvková vysílací anténa s lineárními prvky byla funkční poměrně krátkou dobu. Mohutné koronární výboje vystupující z konců elementů antény při vysílání ve vysokohorské atmosféře je zahřívaly na teplotu, kdy hliníkové trubky ze kterých anténa byla vyrobena, se konce odtavovaly a horký hliník odkapával na zem. Důsledkem bylo neplánované zkracování elementů a anténa jako celek postupně ztrácela svou funkčnost a stala se nepoužitelnou. Nepomohly v zásadě žádné dodatečné úpravy konců elementů antén, vždy se jednalo jen o krátkodobé řešení a anténa se stejně stále rozlaďovala. Mezi inženýry pracoval i amatér Clarenc C. Moore – W6LZX. Uvědomil si, že v prostředí vysokohorské atmosféry může odolat jen anténa bez hrotů a ostrých hran. Ty jsou mimo jiné příčinou toho, že se na nich elektrické pole atmosféry výrazně zhušťuje a připočteme-li k tomu vysoký vysokofrekvenční potenciál vysílané energie – velice snadno dochází k výbojům, které svou četností a intenzitou poškodí anténu. W6LZX si prostudoval tehdy dostupnou odbornou literaturu a doufal, že se mu s Boží pomocí podaří problém vyřešit. Božímu vnuknutí později připisuje ve skromnosti nápad „roztáhnout“ skládaný dipól – to pull open folded dipole – do tvaru čtvercové smyčky se stejnou délkou obvodu. V tomto okamžiku byl na světě první QUAD. Stejným způsobem byl upraven i reflektor původní antény. Na stožáru rozhlasové stanice HCJB byl zprovozněn první CUBICAL QUAD. Po seřízení a nastavení splnil veškeré očekávání a zcela nahradil původní čtyř prvkovou anténu s lineárními elementy. W6LZX si stejnou anténu postavil i pro sebe a z Quita ji pak pod značkou HC1JB popularizoval a propagoval na amatérském pásmu 14 MHz. Po návratu do USA si anténu nechal patentovat a v roce 1947 byl Quad zaregistrován. Počátkem padesátých let se začínají objevovat první popisy Quada a jeho modifikací v amatérské literatuře. Začalo období úspěšného tažení „krále směrovek“, jak je také někdy nazýván amatérským světem. Na HF amatérských pásmech je nejvíce používán a to nejen, jako původní jedno pásmová anténa, ale i často jako více pásmová směrová anténa. Tvary a konstrukční modifikace vycházejí z příznivých elektrických vlastností základního prvku – celovlnová smyčka. Jen pro doplnění uvedu, že je možno se v anténové literatuře setkat s pozoruhodnými názvy antén jako: DELTA LOOP – trojúhelník DIAMOND LOOP – kosočtverec CIRCLE LOOP – kruhová smyčka YAGI LOOP (QUAGI apod.) – Yagi anténa doplněna kruhovými elementy. Jedná se v podstatě jen o různé modifikace původního smyčkového elementu. V posledním období se objevují smyčkové elementy, které mechanicky jsou zkráceny a na elektrickou délku jsou „nataženy“ pomocí prodlužovacích cívek vřazených do smyčky. Uvedené úpravy jsou prováděny ve snaze snížit prostorové nároky antény zvláště na spodích pásmech HF. Účinnost takového řešení bývá obvykle poněkud nadsazena a je vhodné dosažené výsledky brát spíše rezervovaně v porovnání s klasickým provedením, kdy mechanická délka elementu odpovídá délce elektrické. Pro konstrukci Quada nebylo dlouho přesnějších vodítek, teprve až v roce 1955 byl změřen vstupní odpor a měřičem intenzity pole byl stanoven zisk proti dipólu v závislosti od měrného odstupu elementů Quada. Tehdy změřené výsledky potvrdily, že jeden element Quada má zisk oproti dipólu 2dB, při vstupním odporu 110 ohmů. (Později bylo změřeno, že zisk je nejvýše 1.87 dB.) Po přidání dalšího pasivního prvku doladěného pomocí ¼ vlnového zkratovaného pahýlu je možné dosáhnout při odstupu prvků 0.2 vlnové délky zisku okolo 10dB. (Později změřeno 9.2dB.) Vstupní odpor antény 75 ohmů, předo-zadní poměr 25 dB, předo-boční poměr 45 dB. Význačnou vlastností antény Quad je to, že použitelná šířka pásma je nesrovnatelně větší, než šířka srovnatelné čtyř elementové antény Yagi. Anténa Quad je jediným systémem, kterým se dá bez větších problémů překrýt i nejširší amatérské pásmo 28 MHz s ještě vyhovujícím PSV. Pro napájení Quada s odstupem elementů 0.2 vlnové délky se doporučuje symetrické napájecí vedení. Při použití nesymetrického napájecího vedení se zhorší PSV z 1:1 na 2:1 a dochází ke zkreslení vyzařovacího diagramu. Odstranit uvedený problém, lze použitím vhodného symetrizačního členu. Symetrizační člen zapojený k napájecím svorkám antény je potřebné vybrat velmi uvážlivě a je potřeba si uvědomit, že nevhodným výběrem můžeme značně změnit vlastnosti antény zpravidla v negativním slova smyslu.

Jak vlastně Quad funguje?

Představme si dva jednoduché dipóly ½ vlnové délky, umístěné ve vzdálenosti ¼ vlnové délky nad sebou. Dipóly napájené uprostřed jsou propojeny mezi sebou vedením, které je napájeno ve středu. Oba dipóly jsou napájeny vf proudy se stejnou amplitudou i fází. Na obou dipólech se vytvoří shodné stojaté vlny proudu a napětí. Tím jsme vytvořili nejjednodušší anténovou soustavu.