Přednosti antén s možností směrování nejen v horizontální (azimutální) rovině, ale i rovině vertikální (elevační) jsou dostatečně známé. Směrování v obou rovinách je však obvyklé spíš na VKV, u antén pro krátkovlnná pásma se s ním prakticky nesetkáváme. Přesto však existují přijímací antény pro KV pásma, které lze směrovat jak v horizontální (azimutální) rovině, tak i rovině vertikální (elevační).
Takovou anténu zkonstruoval Tony Preedy, G3LNP úpravou známé antény K9AY Loop [1] a dosáhl s ní velmi zajímavých výsledků - v odpoledních hodinách ve svém QTH v Shrewsbury poslouchal na 1,8 MHz polskou stanici, ačkoli ze stejného směru přicházely signály německé stanice v síle S9. Tento rušivý signál bylo možné směrováním v elevační rovině zcela potlačit a přijímat nerušený signál polské stanice. Analýza ukazuje, že signály, šířící se v denní době povrchovou vlnou lze potlačit na středních vlnách až o 60 dB, na 1,8 MHz o 50 dB a ještě na 10 MHz o 30 dB. Podmínky šíření od soumraku do půlnoci mohou být méně stabilní, proto bývají hodnoty potlačení až o 20 dB horší, avšak od půlnoci do úsvitu lze dosáhnout opět potlačení přes 40 dB. Výsledky jsou tedy ve značné míře ovlivněny podmínkami šíření, na pomalé změny lze reagovat opětovným nastavením fázovače.
Princip antény
Směrování zde není dosaženo obvyklým nakláněním celé antény ve vertikální rovině, ale fázováním. Přesnější je hovořit spíš o naklánění minima vyzařovacího diagramu, tedy o ovlivňování úhlu φ (obr. 1, 2).
Obr. 1. Vyzařovací diagram antény G3LNP ve vertikální rovině s vyznačeným úhlem φ, který je možné měnit.
Obr. 2. Vyzařovací diagram antény G3LNP v 3D zobrazení s vyznačeným minimem.
Možnosti ovlivňovat polohu minima (úhlu φ) se dosahuje úpravou antény K9AY Loop (obr. 3).
Obr. 3. Úprava antény K9AY - zařazení komplexní impedance s proměnnými RLC prvky.
Tohoto efektu je dosaženo změnou RLC prvků, tvořící komplexní zatěžovací impedanci. Závislost úhlu φ na nastavení RLC prvků znázorňuje obr. 4.
Obr. 4. Závislost úhlu φ na nastavení RLC prvků.
Rozměry a celkové zapojení antény včetně fázovače ukazuje obr. 5.
Obr. 5. Rozměry a zapojení antény G3LNP s fázovačem.
Konstrukce antény
Ke konstrukci byly použity zbytky staré antény Yagi pro KV pásma, která posloužila jako materiál ke zhotovení dvou šikmých částí o délce 4,57 m a vertikální nosné trubky (obr. 6), spojené s rotátorem, která nese texgumoidovou nosnou desku, ke které jsou pomocí šroubových U svorek upevněny šikmé části. Na této desce je rovněž upevněna plastiková skříňka, obsahující transformátory 5:2. K jejich zhotovení je použito dvouděrové feritové jádro, 7x 6,1 x 4,1 mm BN 73-2402. Primární vinutí (směrem k anténě) má 5 závitů, sekundární (směrem ke kabelu) 2 závity. Vineme drátem CuL 0,3 mm. Taková konstrukce má minimální kapacity. Je samozřejmě možné použít i větší jádro BN 73-202 (13,3 x 14 x 7,5 mm), důležitý je pouze materiál 73.
Do horní části vertikální nosné trubky je uchycena vertikální nosná podpěra, tvořená laminátovou tyčí délky 6,1 m, nesoucí horní část antény, zhotovenou z měděného drátu o průměru 2 mm.
Obr. 6. Pata antény G3LNP s rotátorem (foto G3LNP).
Schematický náčrtek znázorňuje konstrukční uspořádání antény (obr. 7). Pro šikmé části antény byly použity inkurantní trubky o průměru 30 mm, které se kdysi vyskytovaly ve výprodeji v třímetrových délkách. Používaly se jako stožárky u radiostanice R-118. Jako střední nosnou podpěru jsem zkoušel využít spodní část zničeného vertikálu Cushcraft. Důvodem byl její vnitřní průměr, který přesně odpovídal vnějšímu průměru laminátové podpěry, kterou jsem měl k dispozici. Celková délka spodní část zničeného vertikálu a laminátové podpěry je 6,1 m. Konce šikmých částí antény jsou spojeny měděným drátem, který je veden přes vrchol podpěry (tj. konec levé šikmé části - vrchol podpěry - konec pravé šikmé části).
Obr. 7. Konstrukční uspořádání antény G3LNP.
Na obrázku chybí propojení se zemí. Na střední trubce (spodní části zničeného vertikálu Cushcraft) je upevněna objímka, ke které bylo připojeno opletení ze starého koaxiálního kabelu, jehož druhý konec byl spojen se 4 vzájemně propojenými zemnícími kolíky (půlmetrový kus betonářského železa, zatlučení do země), rozmístěnými kolem paty antény. Při použití rotátoru musí být připojení ohebné a trvanlivé, proto bylo opletení z koaxiálního kabelu natřeno Resistinem. Bohužel jsem musel anténu velmi brzy odstranit, šikmé části překážely na zahrádce, proto se vhodnost tohoto řešení nestačila projevit.
Velkou pozornost je nutné věnovat skříňce s transformátory. Ty jsem umístil do elektrikářské krabice a propojil dle obr. 8.
Obr. 8. Zapojení skříňky s transformátory v patě antény G3LNP.
Propojení primárních vinutí s anténou vyplývá z obrázku. Kabely jsou připojeny bez jakéhokoli dalšího zemnění přímo k sekundárnímu vinutí (2 záv.) transformátorů. Použil jsem konektory BNC (byly po ruce), ale vyhoví jakékoli jiné typy. Kabel použijeme "televizní" 75 Ω RG-6/U, který lze často levně koupit na různých setkáních. Použijeme dva naprosto stejně dlouhé kusy. Je třeba zajistit, aby se vnější plášť nikde nedotýkal země, zemnění a propojení zemí je u této antény kritické.
Fázovač
Cívka 30 μH (ve skutečnosti 34 μH) pro fázovač antény G3LNP má dle originálního provedení [1] 32 záv. 0,5mm CuL, vinuto těsně na prům. 32 mm. Jako kostra byla použita kulatá plastiková krabička na kinofilm. Odbočky na 23, 19, 16 a 13 záv., což odpovídá indukčnosti 20,3 - 15,1 - 11,8 a 8,2 μH. Zkoušel jsem cívku navinout i na toroid T106-2 (červený). Pro požadovanou indukčnost měla cívka 50 závitů s odbočkami na 39 - 33 - 30 a 25 záv. Výsledky jsou naprosto stejné, výhodou cívky vinuté na toroidu je kompaktní provedení, takže ji lze umístit přímo na přepínač. Vývody cívky a odboček jsou dostatečně tuhé, aby cívku udržely.
Kondenzátor jsem použil vzduchový 500 pF ze starého přijímače. Potenciometr jsem získal z vraku starého přístroje (snad videopřehrávače). Měl 250 ohmů, plastový kryt a plastovou osičku. Použil jsem takový proto, aby byly dodrženy minimální parazitní kapacity celé konstrukce. Přepínač byl použit šestipolohový keramický z vyřazeného měřicího přístroje.
Předzesilovač je použit v osvědčeném zapojení dle W7IUV [2] (obr. 9). Poslední verze předzesilovače (rev. 6) má zisk 20 dB a zlepšenou linearitu. OIP3 (bod zahrazení 3. řádu) je nejdůležitějším parametrem. S tranzistorem 2N5109 dosahuje OIP3 minimálně +41 dBm (až +44 dBm), podmínkou je napájecí napětí Vcc = 13,0 +/- 0,6 V. Kritická pro OIP3 je především hodnota R4, je vhodné použít buď součástku s 1% tolerancí, nebo jej vybrat měřením.
Obr. 9. Předzesilovač s tranzistorem 2N5109.
Při vyšším napětí se tranzistor neúměrně zahřívá, při menším napětí je OIP3 výrazně nižší. Předzesilovač odebírá 75 +/- 5 mA. Zesilovací činitel HFE 2N5109 se pohybuje mezi 40 až 120, použijeme-li tranzistor s menším zesilovacím činitelem, bude pro dosažení uvedeného proudu třeba nastavit R3. Zvětšení hodnoty R3 způsobí snížení proudu a obráceně. Bod 1 dB komprese předzesilovače P1dB by měl být vyšší, než +21 dBm, obvykle bývá +24 až +27 dBm. Pro výsledný OIP3 a zisk je nutné použít rezistory s tolerancí 2% nebo nižší, případně vybrat měřením z více kusů. Kondenzátory jsou keramické na napětí 50V, pro C6 použijeme nejlépe tantalový elektrolyt. Pro dosažení uvedeného OIP3 je nutné dodržet i materiál jádra, na kterém je navinut transformátor. Je nutné použít materiál 75, vhodná jádra jsou tedy FT50-75 (Amidon), 5975000301 (Fair-Rite) nebo 35T0501-10H (Steward, DigiKey # 240-2524-ND), která mají průměr 1/2 palce (12,7 mm). Lze použít i menší jádro 35T0375-10H (Steward, DigiKey # 240-2522-ND), které má průměr 3/8 palce (9,5 mm).
Odkazy
[1] Preedy, Tony, G3LNP: An Orthogonally Steered Antenna that Reduces Interference, QST (ARRL), October 2010, str. 30-33
[2] Molitor, Larry, W7IUV: Low Band High Performance Preamp (kopie zde)