Kapitola šestá: Přizpůsobení pomocí L článků Pomocí Smithova diagramu lze velmi snadno navrhovat různé LC přizpůsobovací obvody. Ukážeme si to na příkladu klasického L článku. Můžeme to provádět pomocí pravítka, kružítka a kalkulačky, ale v dnešní době je práce pomocí počítače daleko efektivnější. Vhodných programů je několik, doporučuji vynikající program švýcarského profesora Fritze Dellspergera, který je možno stáhnout zdarma zde: http://fritz.dellsperger.net. Neplacená verze sice umožňuje použít pouze pět elementů, to nám ale pro amatérské použití bude stačit. Výklad ale povedu tak, aby mohli "kružítkovat" i ti, kteří počítač nemají. Antenním analyzerem jsme změřili impedanci naší anteny 25+J100 na frekvenci 7 MHz. To odpovídá PSV=10,3. Zaneseme tedy souřadnice bodu resistance = 25 a kladná reaktance = 100. Protože žádný L článek není schopen pokrýt celou plochu impedancí, musíme napřed zvolit vhodný typ podle následujícího obrázku.

Vidíme, že pro náš případ jsou vhodné typy A, D a E. Rozhodneme se zda preferujeme horní propust, dolní propust, nebo nechceme použít indukčnost. Zvolíme tedy např. typ A. Postupujeme od zátěže. Jako první tedy budeme zadávat paralelní kondenzátor. Klikneme na značku kondenzátoru v nabídce SHUNT (paralelní). Program sám nakreslí odpovídající kružnici konstantních konduktancí po které se můžeme pohybovat pomocí myši. Počátek kružnice leží v našem bodu a je možno se pohybovat pouze pravotočivě, přesně tak, jak jsme četli v předešlé kapitole. Nyní je naším úkolem dostat se na kružnici resistancí 50 ohm, která nás "doveze do města", tedy do středu diagramu. Protože víme, že další prvek je sériová cívka, která umí zatáčet taky doprava, musíme se dostat až na ten druhý průsečík v dolní polovině diagramu. Na průsečíku klikneme myší. Kruhový oblouk se v tomto místě ukončí a program nám automaticky vypočítá kapacitu kondenzátoru 360 pF a zobrazí ji na schematu. "Kružítkáři" to mají trochu složitější, musí kapacitu vypočítat sami. Musí si odměřit kolik susceptance na kruhovém oblouku "odjeli". Začali jsme na -0.0094 a končili na +0.0064, celkový rozdíl je tedy 0.0158 S. Tuto hodnotu zadají do vzorce pro Cp na následujícím obrázku. (Susteptance jsou značeny B a reaktance X a vše se zadává v základních jednotkách Hz, ohm, Siemens, Henry, Farad).

Dále je to už jednoduché. Zadáme sériovou indukčnost, dojedeme do "města" (středu diagramu). PSV bude =1 a program zapíše do schematu hodnotu indukčnosti 3,1 mikroH. Hotovo! "Kružítkáři" ještě odečtou kolik odjeli tentokrát ne susceptance ale reaktance, bylo to z -136,5 ohm do nuly, takže X=136,5 a zadají do vzorce pro výpočet Ls. Vypadá to možná složitě, ale při troše tréningu budete brzo schopni za minutu vypočítat víc přizpůsobovacích článků, než udělat závodních spojení. Na počítači, samozřejmě. Kružítkem to nezkoušejte, to je na vypíchnutí oka!

Kapitola sedmá: T články a Pí články V minulé kapitole jsme se naučili navrhovat L články. Jejich výhodou, kromě jednoduchosti jsou minimální ztráty. Bohužel obsáhnou jen polovinu plochy Smithova diagramu, proto jsou vhodné pouze pro jednoúčelová přizpůsobení. Pokud potřebujeme univerzální tuner, musíme použít T článek nebo Pí článek. Zásady návrhu jsou podobné, ale je potřeba hlídat abychom nedosáhli vysokého činitele provozního Q. Proč se bojíme vysokého Q? Protože ztráty tuneru jsou dány poměrem Q naprázdno ku Q provoznímu. Pokud tedy tuner bude mít Q naprázdno = 100 (to je dáno kvalitou komponentů) a nám se podaří navrhnout provozní Q = 60, tak jsme vlastně přišli o 60% výkonu (utluče se v cirkulačních proudech). Toto jsme u L článků hlídat nemuseli, tam se Q nastaví automaticky na hodnotu potřebnou pro danný převod impedancí. Pokud ale máme k dispozici tři proměnné prvky, tak si můžeme "nakroutit" libovolné Q a tedy i ztrátu. Při návrhu si tedy stanovíme jakou ztrátu "psychicky uneseme" a v programu si zapneme kružnice konstantního Q. Můžeme si jich zapnout libovolný počet, třeba pro Q = 3, 5, 10, 15 a snažíme se je v průběhu návrhu nepřekročit. Hodnoty Q pro jednotlivé body se zobrazují taky v okně výpočtů. Zkusíme konkrétní návrh: Zadáme datapoint impedance naší anteny, třeba 10 +-J0 na frekvenci 3,5 MHz. Stanovíme si maximální Q = 5 a zapneme si na to kružnici. Začínáme sériovým kondenzátorem. Jedeme myší po kružnici konstantních rezistancí a sledujeme jak klesá kapacita kondenzátoru. Při hodnotě asi 920 pF narazíme na kružnici Q. Dál tedy nesmíme, pokud nechceme překročit ztrátu. Klikneme myší, kruhový oblouk se ukončí, zadáme paralelní indukčnost a pokračujeme po další kružnici až k  hornímu průsečíku s "přivaděčem do města". Zadáme poslední sériový kondenzátor a dál to už znáte.

No jo, ale žádný tovární T článek kapacitu 920 pF přeci nemá, ty mají tak 200 maximálně 250 pF. A to je právě to neštěstí. Jakou to bude mít ztrátu si vypočítejte za domácí úkol. Hrůza co? A to platí jen v případě, že je uživatel poučen a dá si ten výstupní kondík naplno. Jinak si může nakroutit ztrátu libovolnou. Je pravda, že na vyšších impedancích to tak hrozné nebude, tam zase bude mít problém Pí článek. Tak zatím trénujte různé kombinace T i Pí článků pro impedance "posbírané" z celé plochy a sledujte ztráty.

Kapitola osmá: Přizpůsobení vedením. Máme deltaloop a naměříme antenním analyzerem impedanci 112,5 ohmu a reaktanci J0 (je tedy v přesné rezonanci). Chtěli bychom ho přizpůsobit na 50 ohm změnou délky padesátiohmového koaxiálu. Podaří se to? Ani náhodou! Situaci vidíme na obrázku. Uprostřed kruhového objezdu stojí krásná blondýna (hodně mladí a hodně staří si mohou představit jiné lákadlo, třeba plný talíř dobrého jídla). Můžeme jezdit dopředu, dozadu, pomalu nebo rychle a jsme od blondýny pořád stejně daleko. Přitom souřadnice našeho auta se mění (impedance), ale vzdálenost ke středu, tedy PSV, se nemění. Ale přece někteří amatéři stříhají koaxiál, hledají nejlepší PSV a daří se jim to. Nic se jim nedaří! Pouze "naletěli" svému PSVmetru! Většina přístrojů totiž nedokáže tu kružnici správně opsat. Zmatou je kmitny napětí a proudu a opisují elipsu nebo jiný "patvar". Čím je přístroj "kulatější", tím je dražší. A ty skutečně "kulaté" stojí stovky tisíc i víc (to se týká spíš analyzérů). Takže nestříhejte koaxiál, dělá si to z vás srandu. Může být ale ještě jedna příčina proč se PSV mění. Špatná symetrizace, koaxiál vyzařuje. Ale o tom už jsem psal v jiném článku.

No dobrá, ale jak ten případ vyřešíme? Jednoduše! Necháme "blondýnu" tam kde je a posuneme celý "kruhový objezd" doprava, jak to vidíme na dalším obrázku. Použijeme koaxiál 75 ohm a po půlotáčce t.j. lambda/4 jsme u blondýny. Vedení se vždy otáčí kolem své vlastní impedance, zvolíme tedy takovou impedanci, aby se kružnice na jedné straně dotkla středu diagramu a druhou stranou protla impedanci anteny.  Dále můžeme samozřejmě pokračovat libovolnou délkou padesátiohmového koaxu. Jaké z toho plyne poučení? Koaxiál lambda/4 může transformovat impedanci nahoru i dolu, ale cílová impedance musí být rozdílná od jeho vlastní. Není možno padesáti ohmovým koaxem transformovat něco na 50 ohm. Ještě vzoreček Zo = odmocnina Z1.Z2. Problém je ale v tom, že nemáme příliš na výběr v impedancích koaxiálů. Kdyby měl náš deltaloop impedanci 200 ohm, tak bychom na tento druh přizpůsobení potřebovali koaxiál 100 ohm a ten není zcela běžný. Zkusíme to jinak: Použijeme obyčejný koax třeba 50 ohm a budeme prodlužovat délku až se dotkneme kružnice konduktancí 20 mS.

Aha, to už známe, z tohoto místa se umíme dostat do středu pomocí paralelní cívky. Šlo by to, ale mít cívku venku na dešti asi není to pravé. Ale protože už známe vlastnosti vedení, tak víme, že úsek vedení se může chovat jako indukčnost. Zkusíme do tohoto místa zařadit paralelní pahýl. Pahýl z koaxiálu je odolný proti povětrnosti, dá se zasunout třeba do trubky stožáru, nebo i zahrabat do země. Od pahýlu až k zařízení už může mít koaxiál libovolnou délku a je dokonale přizpůsobený. Program se nás bude ptát, jestli má být pahýl zkratovaný nebo otevřený. Pravděpodobně zvolíme variantu, která vychází kratší. V dolní polovině diagramu (kapacitní) vychází kratší zkratované pahýly, v horní polovině otevřené. Můžeme ale preferovat ochranu před statickou elektřinou, v tom případě použijeme vždy zkratovaný, i když bude delší. Náš příklad má samozřejmě dvoje řešení. Můžeme náš seriový koaxiál prodlužovat až k tomu hornímu průsečíku s kružnicí konduktancí a potom použít pahýl jako paralelní kapacitu. Ta první varianta je ale výhodnější, protože ta sériová část je přeci jenom namáhána vyším PSV a proto by měla být co nejkratší. Může být pahýl zapojen taky jako sériová indukčnost nebo kapacita? Může, ale není to výhodné, protože na plášti bude vf energie a bude to vyzařovat. Pomocí pahýlů se dá opravdu jednoduše a přitom kvalitně přizpůsobit cokoliv. Bohužel pouze na jedno pásmo.

Kapitola devátá: Ztráty napáječů Stáhneme si ještě jeden vynikající program TLDetails od AC6LA na jeho stránkách http://www.ac6la.com/tldetails.html. Program obsahuje velké množství koaxiálních i dvojlinkových napáječů. Můžeme si nadefinovat i vlastní. Program vypočítá skutečnou ztrátu vedení v závislosti na PSV, dokáže zjistit ztrátu v mědi i ztrátu dielektrickou. Dokáže taky přepočítat impedanci ze vstupu na výstup a opačně a co je velmi důležité, při tomto výpočtu s tou ztrátou a jejím vlivem na impedanci počítá. Vestavěný Smithův diagram tedy neběhá dokola jako "oslík na kolotoči", ale opisuje skutečnou spirálu konkrétního napaječe.

Zkusíme praktický pokus. Natáhneme dipól 2x19 m ve výšce 10 m nad zemí. Připojíme 17 m koaxiálu RG58. Antenním analyzerem naměříme dole hodnotu rezistance 87 ohm a reaktance 0 na frekvenci 3,75 MHz. Reaktance je nulová, naše antena je asi v rezonanci. Je to pravda? Zkusme si naměřené hodnoty zadat do programu jako "At input". Zadáme typ koaxiálu a jeho skutečnou mechanickou délku (program si příslušné zkrácení vypočítá). V tabulce "At load" vidíme hodnotu impedance na svorkách anteny: 34,01 -J17,45. Takže žádná rezonance, antena je "krátká".Vidíme PSV zhruba 1,7, totální ztrátu asi 0,5 dB, to odpovídá ztraceným 11 Wattům ze sta. To není až tak špatné. Tak a co se stane když antenu "znásilníme" tunerem na 7 MHz? Tuner to bezpochyby dokáže na PSV=1, ale co udělá ztráta? Zkusme analyzerem změřit impedanci na 7,05 MHz.. Naměřili jsme 8,8 ohm -J66 a zadáme do programu jako "At input". Nezapomeneme taky změnit frekvenci. To je "masakr"! PSV nahoře je 105, dole se nám "vylepšilo" na 15 vlivem ztráty kabelu, ztráta je přes 8 dB, to znamená, že ze 100 W jsme 85 ztratili a na antenu se dostane pouze 15 W. To je nepoužitelné, co teď? Máme dvě možnosti, buďto jinou antenu nebo jiný napaječ. Necháme antenu jak je a použijeme "americkou" dvojlinku 450 ohm (dá se koupit u nás). Napřed si ale přepíšeme skutečnou impedanci anteny z tabulky "At load" t.j. 4981 +J1174 do těch horních okýnek také jako "At load" a změníme typ napaječe na "Generic 450 ohm Window". To je paráda! Ztráta klesla na pouhých 0.26 dB. No jo, ale teď se nám určitě pokazila ta osumdesátka. Ale nepokazila, vyzkoušejte. Žádné PSV nás už nemusí zajímat, máme laděný napaječ, bez problémů to tunerem přetáhneme kamkoliv s minimální ztrátou. Ale co když nemáme symetrický tuner? Žádné neštěstí. Připojíme na dvojlinku krátký kousek koaxu s navlečenými toroidy jako proudový balun a připojíme na obyčejný tuner. Koax bude namáhán vysokým PSV, ale nebojte, nevybuchne. Ztrátu už si umíme vypočítat, pokud bude krátký, tak to bude pár desetin dB. Jaké z toho plyne poučení? Nezabývejme se úzkostlivě PSV, ale vždy pečlivě kalkulujme celkové ztráty napaječů a tunerů.

Kapitola desátá: Antenní analyzéry Analyzérů se vyrábí hodně, ale většina je pro amatéra cenově nedostupná. Ty cenově dostupné zase nemají grafické zobrazení a některé dokonce nedokáží rozlišit reaktanci a rezistanci a zobrazují pouze absolutní hodnotu impedance (RF1). Práce z analyzérem který má pouze numerický displej je velmi nepraktická a časově náročná. Představme si, že nastavujeme třeba všepásmový vertikál. Musíme provést minimálně sto měření a nakreslit si to do grafu. Na anteně s čímkoliv pohneme a opět sto měření. Slabší povahy po pár týdnech končí v Bohnicích. Na grafickém analyzéru vidíme všechny změny průběžně a nastavení vícepásmové anteny je opravdu otázkou půlhodiny. Jediná nevýhoda je potřeba počítače, nejlépe notebooku. Popíšeme si grafický analyzer podle IW3HEV. Podrobnosti je možno shlédnout na stránkách autora http://www.qsl.net/iw3hev. Jedná se o analyzer vektorový (na rozdíl od můstkových). Princip je následující: Generátor tvořený DDS čipem přelaďuje zvolený rozsah frekvencí. Tento signál je přes směrový vazební člen přiveden na měřený objekt (třeba antenu). Směrový člen má dva výstupy odpovídající přímé a odražené vlně (FWD, REV). Tyto dva signály se přivedou na vstupy speciálního obvodu AD8302. Obvod obsahuje precisní logaritmické zesilovače, limitery a součtové členy. Na jednom výstupu se objeví informace o magnitudě (absolutní impedanci Z), na druhém výstupu je informace o fázi mezi vstupy. Tyto dvě analogové informace se digitalizují pomocí A/D převodníků a přivádějí do počítače. Počítač z nich dokáže vypočítat rezistaci, reaktanci, PSV, RL (return loss), reaktanci dokáže přepočítat přímo na hodnotu kapacity nebo indukčnosti atd. Obvod AD8302 má ale bohužel jednu drobnou chybu na kráse: dokáže sice rozlišit fázi s přesností na jeden stupeň, ale bohužel jen v rozsahu 0 až 180 stupňů. Co to znamená? Nepozná ve které polovině kruhu Smithova diagramu se nachází, nepozná tedy znaménko reaktance. To nepozná víc analyzérů včetně známého MFJ259. V grafickém zobrazení to zas až takové neštěstí není, podle tvaru křivky je zřejmé jestli s frekvencí stoupá nebo klesá. Software dokáže znaménko zjistit podle vzájemné polohy dvou kurzorů, ale při velmi "kudrnatém" průběhu může dojít k omylu. Ovládání software je natolik intuitivní, že snad žádné vysvětlení nepotřebuje. Existuje i software se Smithovým diagramem, ale je to napsáno v DOSu a nepracuje korektně. Snad se časem něčeho dočkáme. Na obrázku je ukázka měření anteny G5RV v pásmu 7 MHz.

V úvodu jsem slíbil deset kapitolek, tak budeme končit. A kde jsou ty slíbené anteny? Už žádné "plánky" nepotřebujeme, teď jsme schopni si navrhovat svoje vlastní anteny. K tomu účelu ale potřebujeme nějaký program, třeba MMANA, který si můžeme stáhnout zde: http://mmhamsoft.ham-radio.ch/mmana/index.htm. Slyšel jsem názory, že to k ničemu není, že to nemůže vystihnout skutečné vlastnosti QTH. Ano, skutečná antena bude vždy horší než ta vypočítaná, ale nikdy nemůže být lepší. I to je velký přínos, nebudeme se snažit stavět něco, co nemůže chodit. A o tom to je. Analyzéry, Smithovy diagramy a antenářské programy jsou k tomu, abychom se co nejméně naběhali. Někteří mně nebudou mít rádi, protože suchými teoriemi jim beru to nádherné kouzlo anténářské "duchařiny". Ale neberu, kouzla existují, ale v mnohem menší míře než je jim přisuzováno. Že to někomu chodí a jinému ne je v 95% změřitelné a vysvětlitelné. A pořád nám ještě zbývá "kouzelná" ionosféra.

Konec

Předchozí stránka