SALA (Shared Apex Loop Array) [1], [2] je širokopásmová směrová přijímací anténa, tvořená dvěma uzavřenými, nezakončenými sfázovanými trojúhelníkovými smyčkami, využívajícími společnou nevodivou podpěru (obr. 1).
Obr. 1. Schematický náčrtek širokopásmové směrové přijímací antény.
S ohledem na širokopásmovost antény jsou rozměry smyček do značné míry nekritické, je však nutné, aby byly obě smyčky pokud možno shodné [3]. Autor [1], [2] uvádí, že s uvedenými rozměry je anténa vhodná pro 0,5 - 22 MHz. Toto tvrzení se však zdá být poněkud nadsazené, neboť zisk a předozadní (předoboční) poměr se zhoršují již od 5 MHz (obr. 2).
Obr. 2. Zisk, předozadní a předoboční poměr antény v rozsahu 0,5 - 22 MHz.
Hodnoty, uvedené na obr. 2 samozřejmě neznamenají, že by anténu nebylo možné s úspěchem používat v rozsahu kmitočtů, kde zisk a směrové vlastnosti nejsou optimální. Je však nutné vzít v úvahu, že na vyšších kmitočtech (> 10 MHz) budou vhodnější směrové antény, které se na většině stanovišť používají pro vysílání a že důvodem ke stavbě antény tohoto typu spíš budou nižší pásma 160, 80 a 40 m, pokud se předpokládá využití antény k provozu na amatérských pásmech.
Anténa nemá nevýhodu, charakteristickou pro antény, využívající malé, na zemi nezávislé smyčky - velmi malý zisk (resp. poměrně vysoký útlum, zisk antén Flag či Pennant se pohybuje kolem - 25 dBi).
Konstrukci antény tvoří nevodivá podpěra, např. laminátový stožár, nesoucí dva, příp. čtyři shodné trojúhelníky - je velmi vhodné podpěru využít pro dvě shodné antény SALA, které jsou vzájemně kolmo umístěné. Takto vzniklá soustava zabere prostor, přibližně odpovídající čtverci o rozměrech 6,5 x 6,5 m. S ohledem na plné pokrytí azimutu 360o, počet pásem, zisk a směrové vlastnosti tedy není využití prostoru vůbec špatné (přibližně odpovídá anténě K9AY).
Každá smyčka je napájena přes oddělovací transformátor 1:1 (obr. 3). Pro jeho konstrukci autor [1] použil 6 ks za sebou řazených feritových trubiček Laird Technologies FB095051-000 (dostupné u Digi-Key, PN#240-2277ND), které byly slepeny a ošetřeny smršťovací bužírkou (obr. 4). Primární vinutí tvoří vodič smyčky, procházející trubičkami (tj. 1 závit), sekundární vinutí tvoří druhý vodič, procházející trubičkami, jehož konce jsou připájeny ke koaxiálnímu kabelu (jeden konec na stínicí opletení, druhý na střední vodič). Vzhledem k tomu, že podobné trubičky nebyly k dispozici, použil jsem pro první zkoušky velké "naklapávací" tlumivky TDK ZCAT 3035. Od 160 m vyhověly již 4 ks řazené za sebou, pátá tlumivka účinnost napájení ještě mírně zlepšila. Toto improvizované řešení mělo výhodu v tom, že nebylo nutné předem konstruovat žádný transformátor a do něj navlékat drát, tvořící smyčku.
Obr. 3. Schematický náčrtek napájení směrové přijímací antény.
Napájení pomocí oddělovacího transformátoru bylo zvoleno kvůli oddělení soufázových (plášťových) proudů, které jinak výsledky velmi silně zkreslí, případně znemožní funkci celé antény.
Obr. 4. Konstrukce napájecího oddělovacího transformátoru dle [1].
Pramen [1] uvádí, že vodič, provlečený trubičkami by měl představovat indukčnost nejméně 70 mH.
Umístění napájecího transformátoru má značný vliv na skupinové zpoždění mezi smyčkami (obr. 5) a tím i na zisk (obr. 6) a předozadní poměr (obr. 7) antény. Vzdálenost na vodorovné ose se měří od osy podpěry antény do středu transformátoru.
Obr. 5. Vliv umístění napájecího transformátoru na na skupinové zpoždění mezi smyčkami.
Obr. 6. Vliv umístění napájecího transformátoru na zisk antény.
Obr. 7. Vliv umístění napájecího transformátoru na předozadní poměr antény.
Zpoždění tdif mezi smyčkami rovněž ovlivňuje maximální použitelný kmitočet antény. Platí, že:
fmax ≈ (1 / (5 . (tdif))
kde
tdif je časové zpoždění v ns mezi smyčkami.
Fázování zajišťuje slučovač se zpožďovací linkou. Podmínkou úspěchu je samozřejmě stejná délka napáječů mezi anténou a slučovačem (označených jako napájení smyčky, obr. 3). Může být pasivní (obr. 8) či aktivní (obr. 9), rozdíl je v umístění zesilovačů - jsou-li před nebo až za slučovacím obvodem (transformátorem).
Obr. 8. Pasivní varianta slučovače.
Obr. 9. Aktivní varianta slučovače.
U pasivního slučovače je zesilovač umístěn až za transformátorem, zesilovač je tedy vystaven nižší úrovni rušivých signálů, protože se projeví vložný útlum (6 dB) slučovače. Výhodou je tedy vyšší odolnost antény vůči silným signálům především AM rozhlasu na SV a KV, nevýhodou je celkově nižší citlivost přijímače s anténou. U aktivního slučovače jsou zesilovače ještě před transformátorem T1, na kterém dochází k vlastnímu sčítání signálů. Soustava anténa-přijímač bude tedy mít o 6 dB lepší šumové číslo, ovšem na úkor intermodulační odolnosti. Oba zesilovače by měly mít stejný zisk, stejné fázové (skupinové) zpoždění, co největší oddělení vstupu od výstupu a samozřejmě vysokou intermodulační odolnost. Bylo by vhodné zesilovače umístit přímo k oddělovacímu transformátoru v napájení smyčky, tím by bylo dosaženo maximální míry oddělení (potlačení soufázových proudů), jistou komplikací by bylo jejich napájení a ochrana před zničením vlastním vysílaným signálem. Původní konstrukce dle [2] ovšem nebude intermodulační odolností vynikat, protože nebyly použity žádné vstupní filtry. Uspokojivých výsledků tedy bude možné dosáhnout jen za tu cenu, že slevíme ze širokopásmovosti.
Základem slučovač je Wilkinsonův dělič výkonu s transformátorem Tr1 a rezistorem R1 (obr. 10). Do jeho portů jsou přivedeny vstupní signály z obou smyček, jeden přímo, druhý se zpožděním. Před slučovačem jsou jen přepínací obvody, umožňující změnu směru, za ním následuje zesilovač s tranzistorem 2N5109. Celý obvod by měl být umístěn ve vodotěsné skříňce, zpožďovací linka je připojena pomocí konektorů.
Obr. 10. Slučovač se zpožďovací linkou a zesilovačem.
(kliknout pro zvětšení)
Vhodnou výchozí hodnotou pro experimentování je 3,66 m kabelu RG-6 (75 W, zkracovací činitel Vf = 0,84), s touto délkou se podařilo dosáhnout optimálních výsledků v SSB části pásma 80 m. Levný "televizní" kabel RG-6 byl použit i k napájení obou smyček a celé antény. Slučovač je nutné považovat za experimentální, neboť není dořešeno napájení po napájecím kabelu, vstupní filtry, ochrana zesilovače při vysílání, vhodné by bylo mít možnost přepínání několika délek zpožďovací linky pro různá pásma, příp. náhrada zpožďovací linky z koaxiálního kabelu L článkem s proměnnými LC prvky, ovládanými motorem - tím by bylo možné optimalizovat zpožďovací linku na libovolném kmitočtu a v každé situaci apod. Všechny tyto úpravy však znamenají složitější systém a nebyly proto zkoušeny.
Vhodným tématem pro experimentování je rovněž výška antény nad zemí, která má vliv mj. i na minimum vertikálního vyzařovacího diagramu, tj. na úhel, při kterém toto minimum nastává. Vliv má ovšem i velikost zpoždění, tedy délka zpožďovací linky a parametry kabelu, z kterého je zhotovena (obr. 11). Byla zkoušena anténa s dolním vodičem smyček ve výšce 215 cm nad zemí, stejně tak výška 40 cm nad zemí. Výsledky byly značně rozdílné.
Obr. 11. Vliv velikosti zpoždění na úhel minima vertikálního vyzařovacího diagramu.
Výsledky
Následující výsledky byly získány analýzou modelu antény dle [1], [2]. Platí pro výšku dolního vodiče smyčky 30 cm nad zemí (s = 0,01 S.m-1, e = 4).
Obr. 12. Horizontální vyzařovací diagram pro pásma 1,8 - 10,1 MHz.
Obr. 13. Vertikální vyzařovací diagram pro pásma 1,8 - 10,1 MHz.
Obr. 14 Horizontální vyzařovací diagram pro pásma 14 - 21 MHz.
Obr. 15. Vertikální vyzařovací diagram pro pásma 14 - 21 MHz.
Závěr
Výsledky, dosažené s touto anténou samozřejmě nelze srovnávat s výsledky, které nabízejí např. dlouhé antény Beverage nebo komplikované víceprvkové fázované soustavy krátkých vertikálních antén. Jsou však plně srovnatelné s anténou K9AY Loop, kterou tato anténa může nahradit zejména na místech, kde není možné použít síť radiálních paprsků ani jinak vylepšit zem pod anténou a v její těsné blízkosti. Smyslem tohoto příspěvku je upozornit na antény, jejichž vlastnosti lze v širokých mezích ovlivnit změnou jediné části (zpožďovací linky), které vybízejí k dalšímu experimentování.
Odkazy:
[1] Bauman, Mark KB7GF: The Shared Apex Loop Array, QST (ARRL), October 2012, str. 44 - 48
[2] Bauman, Mark KB7GF: Introducing the Shared Apex Loop Array, QEX (ARRL), September/October 2012, str. 3 - 10
[3] Dunlavy, John H. Jr.: Small Unidirectional Antenna Array Employing Spaced Electrically Isolated Antenna Elements, US Patent 3,396,398 (1968)
[4] Shared Apex Loop Receiving Antenna - 80m with QRN to NorthEast, http://www.youtube.com/watch?v=xTKFz37AVUw
[5] Shared Apex Loop Antenna - 10 feet tall x 10 foot radius - Bandscan from 17,560 KHz to 540 KHz, http://www.youtube.com/watch?v=hBkzWQ9R91Q