Přijímací anténa Double Half Delta Loop (DHDL)

Dříve DX expedice spíš opomíjely pásma 160 a často i 80 m. Dlouhodobě trvající špatné podmínky šíření na vyšších KV pásmech však vyvolaly obrat - na 160 a 80 m nyní většina expedic již pracuje a objevují se i zvláštní expedice, zaměření na tzv. "dlouhá" pásma. Zvýšený zájem o 160 a 80 m také způsobil změny v technickém vybavení expedic. Takřka pravidlem jsou antény s vertikální polarizací, dosahující nízkých vyzařovacích úhlů i v nepatrných výškách nad zemí, přičemž se využívá velmi dobré země, která bývá k dispozici zejména na ostrovech a svými parametry se blíží mořské vodě. Dalším charakteristickým rysem je používání speciálních přijímacích antén, které začalo kolem roku 2000, kdy je v širším měřítku použila expedice FO0AAA (Clipperton). K nejznámějším průkopníkům v oblasti přijímacích antén patřil Earl Cunningham, K6SE.

K největším nevýhodám přijímacích antén Flag, Pennant a jejich modifikací patří velmi nízká úroveň výstupního signálu, daná jejich "ziskem", který se pohybuje kolem -30 dBi. To je příčinou známého problému s možným podstatným zhoršením parametrů antény vlivem nedostatečného oddělení napáječe od antény a tím vznikajících soufázových proudů (common mode currents), způsobujících citlivost antény na signály z nežádoucích směrů. Má-li anténa např. "zisk" -30 dBi a předozadní poměr 30 dB, je její faktický "zisk" ve směru minima -60 dBi. Jsou-li soufázové proudy i veškeré ostatní signály, které nepocházejí ze samotné antény, potlačené o méně, než 60 dB, dojde ke zhoršení předozadního poměru. To je právě nejčastější příčinou nespokojenosti s tímto typem antén. Po několika letech vývoje dospěli konstruktéři k oddělovacím transformátorům, vinutým na několika dvouotvorových jádrech z materiálu s poměrně vysokou permeabilitou, jejichž vlastní vinutí má velmi malý počet závitů. Přesto je u některých modifikací antén Flag (např. Waller Flag nebo W2PM) míra oddělení stále problémem. Popisovaná anténa Double Half Delta Loop (DHDL) má oproti jiným anténám typu Flag či Pennant podstatně vyšší "zisk" a poskytuje mnohem vyšší výstupní úrovně. Tím klesají nároky na oddělení a při použití obvyklých transformátorů lze dosáhnout mnohem lepších výsledků. Oproti běžným anténám Flag či Pennant je však DHDL větší.

Anténu DHDL (obr. 1) popsal její autor [1] ještě během trvání expedice. Archiv obsahuje kompletní popis a model antény, určený pro program EZNEC [2]. Zájemce tedy odkazuji na originální popis. V tomto článku se však pokusíme odpovědět na otázku, bude-li anténa vhodná i pro nás, suchozemce a pokud ano, tak kdy a za jakých podmínek.

Obr. 1. Schematický náčrtek antény Double Half Delta Loop (DHDL).

Anténu tvoří dva sfázované, vzájemně překřížené trojúhelníky. Ve vertikální části jednoho je umístěn zakončovací odpor, do vertikální části druhého je přivedeno napájení. Překřížení není z obr. 1 patrné, je vytvořeno uprostřed horizontální části antény tak, že šikmá část jednoho trojúhelníku (b) přechází v horizontální část druhého (e), stejně jsou uspořádány i protilehlé strany, tj. šikmá část (c) přechází v horizontální část (f). Detaily překřížení jsou patrné z obr. 2.

Obr. 2. Detail překřížení, vznikajícího ve vrcholech trojúhelníků.

Anténa má následující rozměry:

Vzájemná vzdálenost vertikálních částí o výšce 7,5 m je 22 m. V "expedičním" provedení jsou ke konstrukci antény použity dva laminátové stožárky o výšce 9 - 10 m a vlastní anténa je kompletně zhotovena z Cu drátu o průměru 0,8 - 2 mm tak, že její spodní strana je ve výšce 1,5 m nad zemí. Horizontální část je ve své polovině, tedy v místě překřížení, podepřena pomocným dřevěným kolíkem, jak je patrné z obr. 3, znázorňujícího praktickou konstrukci antény. Průměr použitého drátu není kritický, lze použít holý i izolovaný drát. Podle autora anténa posbírá méně šumu, pokud je umístěna výš nad terénem, výška 1,5 nad zemí byla zvolena kvůli laminátovým stožárkům, které byly k dispozici.

V napájecím bodě je umístěn transformátor 12:1, který kromě nezbytného oddělení zajišťuje přizpůsobení ke koaxiálnímu kabelu 75 Ω, příp. 16:1, je-li použit kabel 50 ohmů. Zakončovací odpor 1200 Ω byl optimalizován pro nejlepší směrovost (RDF). Autor uvádí, že lepšího předozadního poměru bylo dosaženo se zatěžovacím odporem 950 Ω, jeho velikost je ovšem závislá na vodivosti země.

Obr. 3. Praktická konstrukce antény DHDL na ostrově Chesterfield. Pro lepší názornost jsou vodiče antény zvýrazněny bílou barvou. Všimněte si dřevěného kolíku uprostřed horizontální části, který podpírá anténu v místě překřížení trojúhelníků.

Původní provedení antény bylo optimalizováno pro pásmo 160 m a umístění antény na písečné pláži v těsné blízkosti moře. Podrobná analýza však ukazuje, že tuto anténu lze provozovat prakticky na libovolném místě a jediným parametrem, který se bude měnit, je velikost zatěžovacího odporu.

Obr. 4. Vyzařovací diagramy antény DHDL v horizontální rovině v pásmu 160 m (modrá křivka) a 80 m (červená křivka). Kardioidický vyzařovací diagram s velmi dobrým předozadním poměrem je pouze na 160 m, na 80 m dochází k poklesu předozadního poměru a k celkovému nárůstu úrovně výstupního signálu. Údaje platí pro výšku spodního okraje antény (horizontální
vodiče e a f) 1,5 m nad zemí horší kvality (13/0.005).

Obr. 5. Vyzařovací diagramy antény DHDL ve vertikální rovině v pásmu 160 m (modrá křivka) a 80 m (červená křivka). Příznivý vertikální vyzařovací úhel je zachován na obou pásmech. Údaje platí opět pro výšku spodního okraje antény (horizontální vodiče e a f) 1,5 m nad zemí horší kvality (13/0.005).

Dosažené výsledky ukazují, že velikost antény je optimální pro 160 m, avšak pro 80 m je anténa příliš velká. Anténu lze sice velmi dobře využít i na tomto pásmu při zachování příznivého vertikálního vyzařovacího úhlu, dojde však k rapidnímu zhoršení předozadního poměru.

Obr. 6. Trojrozměrný vyzařovací diagram antény DHDL v pásmu 160 m.

Původní verze antény byla instalována ve výšce 1,5 m nad zemí (spodní okraj), což je poněkud nepraktické. Vyzdvižení antény do výšky 3 m nad zemí přineslo pouze pokles vertikálního vyzařovacího úhlu z původních 24 stupňů na 22 stupňů. Poměrná úzkopásmovost vzhledem k předozadnímu poměru však zůstala.

Obr. 7. Vyzařovací diagramy antény DHDL v horizontální rovině v pásmu 160 m (modrá křivka) a 80 m (červená křivka). Údaje platí pro výšku spodního okraje antény (horizontální vodiče e a f) 3 m nad zemí horší kvality (13/0.005).

Obr. 8. Vyzařovací diagramy antény DHDL ve vertikální rovině v pásmu 160 m (modrá křivka) a 80 m (červená křivka). Údaje platí opět pro výšku spodního okraje antény (horizontální
vodiče e a f) 3 m nad zemí horší kvality (13/0.005).

Instalace antény v prostředí s nepříliš kvalitní zemí (diel. konstanta 13, vodivost 0,005 S/m), odpovídající okraji města se sídlištní zástavbou vyžadovala optimalizaci zatěžovacího odporu s cílem dosáhnout maximální předozadní poměr. Pro 160 m dosáhla výsledná hodnota zatěžovacího odporu 1570 Ω, pro 80 m 1138 Ω. K jeho konstrukci je nejvhodnější použít hmotové rezistory s minimální indukčností, zatížitelnost by měla být minimálně 2 W. Změna výšky nad zemí má pouze minimální vliv na optimální hodnotu zatěžovacího odporu.

Ostatní parametry antény DHDL již nejsou tak silně frekvenčně závislé, jako předozadní poměr.

Obr. 9. Frekvenční závislost vstupní impedance antény DHDL v rozsahu 1 - 5 MHz (horní obrázek - algebraický tvar, dolní obrázek - goniometrický tvar).

Obr. 10. Frekvenční závislost ČSV a koeficientu odrazu antény DHDL v rozsahu 1 - 5 MHz. Normalizováno k 50 Ω.

Obr. 11. Impedanční parametry antény DHDL ve Smithově diagramu. Normalizováno k 950 Ω.

Anténa DHDL je i přes své některé nevýhodné vlastnosti zajímavým přírůstkem do rodiny přijímacích antén s minimální závislostí na zemi. Naznačuje i limitní maximální rozměry takové antény, dovolující dosáhnout cílového předozadního poměru, který by měl být u optimalizované antény lepší, než 30 dB. Pokud bude nutné použít tuto anténu v rozsahu dvou dolních amatérských pásem, je nutné počítat se zhoršením předozadního poměru. I v tomto případě je však taková anténa přínosem, protože díky směrovosti ve vertikální rovině umožní i při horším předozadním poměru zásadní zlepšení poměru užitečného signálu k rušení. Je třeba mít na paměti, že v "tichém" místě uprostřed Pacifiku panují jiné šumové poměry, než v hustě osídlených oblastech, kde je hlavním omezujícím faktorem tzv. "man made noise", tedy rušení, vznikající lidskou činností.

Odkazy:

[1] George Wallner, AA7JV: Double Half Delta Loop Antenna used by TX3A, http://tx3a.com/docs/TX3A_DOUBLE_HALF_DELTA_LOOP.ZIP

[2] Roy Lewallen, W7EL: EZNEC Antenna Software, http://www.eznec.com/