Všeobecně

Tento článek navazuje na dříve publikovaný: https://www.sidlo.com/KV_simple/RX_ring/RX_loop.htm. Před rokem 2023 jsem experimentoval s malými přijímacími smyčkami. Po všech provedených experimentech mi stále zůstalo několik nezodpovězených otázek. Právě těm věnuji toto volné pokračování úvah a experimentů.

Antény typu MLA

Antény typu MLA patří k oblíbeným typům antén v případech, kdy požadujeme malé rozměry antény nebo konstruujeme anténu portable. MLA antény lze používat jak pro příjem, tak pro vysílání. Zrekapitulujeme si jejich základní rozdělení:

Podle šířky pásma MLA antény rozdělíme na úzkopásmové, laděné a širokopásmové, obvykle neladěné antény, které jsou schopné přijímat signály od středovlnného spektra až po oblast UHF.
I. otázka: Je předchozí tvrzení pravdivé? Pokud ano, pak je namístě otázka, jak přijímají?

Úzkopásmové antény jsou vždy přesně vyladěné do rezonance na jejich pracovní kmitočet. Protože používají malé indukčnosti L a velké kapacity C pro docílení rezonance, mají v místě napájení hodně nízkou impedanci. Takové antény vždy obsahují tyto základní prvky: zářič, ladicí kondenzátor a přizpůsobovací obvod. Antény obvykle mají šířku pásma od několika kHz do několika desítek kHz. Na pracovní kmitočet se vždy musí přesně ladit. Tyto antény jsou po přesném vyladění použitelné pro vysílání i pro příjem.

Širokopásmové antény se běžně používají pro příjem. Kategorizovat je můžeme podle různých hledisek, například podle:
- tvaru smyčky; k jednoduchým tvarům patří kruh, diamond a flag; viděl jsem i označení diamond flag;
- podle způsobu napájení; běžné jsou symetrické zesilovače, či symetrizační transformátory;
- podle provedení antény, která může být pasivní nebo aktivní (s předzesilovačem);
- podle provedení anténního zesilovače, který může být se symetrickým nebo nesymetrickým vstupem;
- podle prvků, které modelují tvar vyzařovací charakteristiky, obvykle se u samostatných RX smyček používá rezistor R ve vhodném místě antény:

II. otázka: V čem se jednotlivé RX smyčky od sebe liší?
Vyzařování antén vždy řešíme pomocí NEC modelů (Eznec, Mmana) a ověříme systematicky prováděným příjmem na pásmu. Mě se osvědčil příjem signálů z majáků WSPR. Dokonce jsem pro tento účel pořídil jednoduchý RX, který je napájen z malého notebooku a umožňuje nepřetržitý, mnohohodinový spolehlivý příjem slaboučkých signálů. Dobrou a špatnou anténu rozlišuji počtem dekódovaných stanic ve stejném čase (tedy za stejných podmínek šíření). Pokud vykazuje RX smyčka směrovost, pečlivě porovnávám počty a reporty ze směrů maximálního vyzařování.

RX smyčky se od sebe liší tvarem vyzařovacího diagramu a ziskem. Platí, že pokud začneme tvarovat vyzařovací charakteristiku antény vložením rezistoru, zisk antény velice významně klesne. Za pokus vždycky stojí vyzkoušet smyčkovou anténu bez vloženého rezistoru, s vloženým rezistorem, který optimalizujeme na dosažení nejlepšího faktoru RDF (co to je RDF jsem popsal zde) nebo parametru F/B, který vyhodnocujeme z vyzařovacích diagramů (představu o F/B si uděláme i z vizuálního náhledu na diagram). Zde jsou příklady vyzařování RX smyček.

1. Anténa tvaru diamond o obvodu smyčky cca 5.5 metru, H = 4 m, bez R, pásmo 30 m:

2. Anténa tvaru flag, o obvodu smyčky 22 m, bez R, H=4 m, pásmo 80 m:

3. Porovnání zisků směrových smyček (s optimálními hodnotami R pro nejlepší F/B) tvarů flag a diamond v pásmu 80 m. Je zřejmé, že kratičká smyčka tvaru diamond má nejen podstatně horší zisk, ale i tvar vyzařovacího diagramu. Zde získáváme částečnou odpověď na I. i II. otázku. Smyčky jsou sice širokopásmové, ale základními parametry, jako je zisk, směrovost (F/B, RDF) se podstatně liší. Delší smyčka může dosahovat stejného potlačení F/B jako krátká smyčka, ale zisk obou antén se může lišit o 20 dB a více. Modelováním jsem zjistil, že vynikající vyzařování mají smyčky, které mají obvod cca 0.2 až 0.25 vlnové délky. Delší smyčky se chovají jinak, ale takové antény už řadím do kategorie rámových antén.

4. Směrovost a optimalizace hodnoty R. Velikost rezistoru R zásadně ovlivňuje směrovost RX smyčky. Pro nejlepší hodnoty F/B nebo RDF hledáme pomocí programů NEC optimální hodnoty R. Jako příklad uvedu směrové charakteristiky stejné antény s různými hodnotami R (R=600, 800 a 1000 ohmů):

 

RX smyčku s optimalizovanou hodnotou rezistoru R doporučuji vyzkoušet při příjmu nejslabších signálů. Získal jsem i takovou zkušenost, že optimalizovaná anténa měla výborný poměr F/B. Jenže výsledek byl takový, že se sice signály z opačných směrů vzájemně nerušily, ale anténa s výborným F/B měla již tak malý zisk (uvažujme v hodnotách -40 až -50 dBi), že vzdálené DX majáky WSPR nebyly mým přijímačem dekódovatelné. Bohužel jsem tyto slabé signály dekódoval s jinou smyčkovou anténou, která měla horší směrovost. Malá, širokopásmová přijímací smyčka (RX loop) je kompromisní anténou. Smyčku konstruovanou pro jedno konkrétní pásmo můžeme považovat za solidní přijímací anténu. Zkušenosti s popsanými konstrukcemi 1. RX smyčku tvaru kruh - Hula Loop jsem pořídil kvůli experimentům s širokopásmovými anténami MLA. Anténu jsem porovnával se smyčkou laděnou a úzkopásmovou, se smyčkou vyrobenou z koaxiálního kabelu (elektrostatické stínění), kvůli experimentům s různým provedením předzesilovačů. S touto anténou jsem rovněž vyzkoušel tvarování směrové charakteristiky pomocí rezistoru R. A všiml jsem si následujících věcí: - s RX smyčkou obdobných rozměrů jsem dekódoval stejné signály jako s laděnou MLA anténou; - smyčka vyrobená z koaxiálního kabelu (elektrostatické stínění) mi nepřinesla při dekódování slabých signálů žádný přínos; z tohoto hlediska byla stejná jako smyčka z izolovaného drátu. 2. Smyčka tvaru diamond mi dala velmi podobné výsledky jako smyčka tvaru kruh. Rozhodně se mi tato anténa nezdála horší, než Hula Loop. Pokud bych tvrdil, že je možná nepatrně lepší, což je opravdu subjektivní pocit, zdůvodňoval bych to tím, že kolem zářiče kruhu je ztrátové dielektrikum té plastové obruče, ale kříž se dotýká nosné konstrukce jen ve 4 bodech. Realizace kříže mi však umožnila vyrobit anténu jako skládací. Kříž se snadno rozloží, převeze v kufru automobilu na jiné QTH. To je základní výhoda tvaru diamond.

3. Smyčky tvaru flag jsem použil k experimentům ve svém QTH. Zkoušel jsem je hlavně na pásmu 80 metrů. Konstruoval jsem je tak, že svislá část zářiče tvořila 1/4 až 1/6 obvodu zářiče. Výhodou je, že tuto větší smyčku lze instalovat pomocí 2 laminátových bičů. K jednomu upevníme svislou část zářiče a druhý nám nese roh trojúhelníka s rezistorem R. Na obrázku (těsně nad textem) je 3D diagram vyzařování antény tvaru flag.
 

Konstrukční detaily Vyzařování RX smyček se liší díky některým konstrukčním detailům. 1. Na obrázku vpravo je vyzařování smyčky tvaru diamond bez rezistoru R (R=0). 2. Na obrázku dole vlevo je vyzařování smyčky tvaru diamond s charakteristikou tvarovanou rezistorem R. Nezapomeňme, že zist antény s optimalizovanou (F/B) vyzařovací charakteristikou je o cca 20 dB nižší. 3. Na obrázku dole vpravo je smyčka tvaru diamond, která používá nesymetrický předzesilovač na vstupu, v provedení bez oddělovacího VF transformátoru. U smyčky vyzařuje i část napáječe výšky cca 4 m nad zemí. Vyzařovací "bochník" se nám podstatně prosedlal. Oddělovací VF transformátor na vstupu Značnou část na anténách RX loop odpracoval pa0fri (SK, hledejte Googlem, pokud nebude odkaz fungovat). Fritsovi, pa0fri se podařilo zkonstruovat z diskrétních součástek po mnoha experimentech a s využitím týmové spolupráce mnoha hamů velmi kvalitní předzesilovač. Předzesilovač má vyřešenou VF izolaci napáječe. Předzesilovač pracuje výborně bez vstupního oddělovacího VF transformátoru. V létech 2022 a 2023 jsem zkoušel ještě další osvědčené řešení předzesilovače s výborným čipem AD8129. Podrobnosti jsem uvedl zde, v souvislosti s anténou EWE. Nevýhodou použití obvodu AD8129 je nutnost použití zdroje se symetrickým napájecím napětím o velikosti +- 5 V až +- 6V. Jinou, vynikající alternativou předzesilovače je řešení https://www.lz1aq.signacor.com/docs/wsml/wideband-active-sm-loop-antenna.htm, které vyzkoušelo mnoho hamů. Zesilovač realizovaný z diskrétních součástí rovněž nemá vstupní transformátor. Řešení RX antény podle LZ1AQ považuje mnoho hamů za výborné řešení antény. Oddělení zářiče RX smyčky od země shledáme za užitečné už při prvních experimentech s příjmem ve městě, v éteru zarušeném rozvodnami a linkami VVN, trakčním vedením a zařízením FVE. Proto každý ze zde uvedených a popsaných předzesilovačů má nějak vyřešenou VF izolaci koaxiálního napáječe, stejnosměrného napájení a zdroje.
Konstrukce VF transformátoru na vstupu zesilovače (na svorkách antény) Samozřejmě, že jsem se pokusil o konstrukci VF transformátoru přímo na svorkách antény. Mohu napsat, že úspěšně. Shrnu nejdřív základní výhody: 1. RX smyčku tvaru flag a dokonce i tvaru diamond lze vyrobit a používat jako pasivní. Vyzkoušel jsem s mým rádiem FT-710 i s širokopásmovým RX Zachtek. Nemám problém ani na pásmu 80 metrů s takto řešenou anténou zapnout v FT-710 vestavěné předzesilovače. 2. Se vstupním VF transformátorem lze použít vynikajících a dosud nepřekonaných konstrukcí širokopásmových zesilovačů konstrukce W7IUV (Larry), které jsou obvykle osazovány polovodiči typu 2N5109, 2N3866, případně ONSemi 2SC5551A (ten je v pouzdře SMD SOT-89). Ze stránek W7IUV sice už zmizel popis zesilovače, ale najdeme ho například na stránkách https://www.okdxf.eu/index.php/technika/100-preamp-w7iuv. V USA se stále ještě vyrábějí (2025) stavebnice těchto zesilovačů a lze je sehnat. Nedávno jsem si stavebnici koupil a předzesilovač postavil (obrázek vpravo).

Jaké zásady při stavbě VF transformátoru dodržíme?

1. Navrhneme transformátor tak, aby nám na požadovaných pásmech zabezpečil účinný přenos přijímaného signálu. Já celý život používám experimentální postup, kterým stanovím pro uvažované jádro potřebný počet závitů. Proto zde uvedu konstrukci transformátoru, kde jsem svůj experimentální postup uplatnil. Na níže uvedeném grafu je uvedena charakteristika průběhu VSWR:

2. Princip spočívá v tomto:
Snažíme se na daném jádře vyrobit transformátor s co nejmenším počtem závitů.
III. otázka: Co to je nejmenší počet závitů?

Nejmenší počet závitů na jádře transformátoru je takový, který nám zabezpečí účinný přenos signálu na nejnižším pracovním kmitočtu. Pro RX loop navrženou pomocí NEC potřebujeme impedanci na svorkách antény: Z_in = 450 Ohmů, impedance napáječe: Z_ch = 50 Ohmů. Transformační poměr p = Z_in/Z_ch = 9. Poměr počtu závitů N1/N2 = odmocnina (9) = 3. Na jádro tedy navineme 6 primárních a 2 sekundární závity. A změříme na transformátoru při zatížení rezistorem R = 450 Ohmů průběh VSWR (nebo RL, to je jedno). A podíváme se, kde nám leží koleno malých frekvencí. Na obrázku nahoře je označeno kroužkem. Všimneme si, že před kolenem, směrem k nízkým kmitočtům VF transformátor přestane energii přenášet, odraz, VSWR, se strmě zvyšuje. Pro RX smyčky vyhovuje, aby na nejnižším kmitočtu byl VSWR nižší než 1.5.

Pro jistotu na transformátoru změříme indukčnost vinutí se 6 závity. Já jsem naměřil přímoukazujícím měřičem (kmitočet 40 kHz) cca L = 125 uH.
Pro klid v duši vypočteme, jakou reaktanci má tato indukčnost. Platí X_L = 2*PI* frekvence * L = 2* 3.142* 1.8* 125 = cca 1414 Ohmů.
Vypočítáme poměr X_L/Z_in = 1414/450 = 3.1 
Pro výpočet jsem použil kmitočet pod pásmem 160 metrů, konkrétně f = 1.8 MHz. Já pro transformátor RX smyčky považuji hodnotu poměru X_L/Z_in vyšší než 3 za dostatečnou. Pečliví hamové považují za dostatečné, pokud je poměr reaktance vinutí ke jmenovité impedanci vyšší, než 4. Nazývají toto pravidlo pravidlem čtyř. Jedná se o kodex správné praxe. Své transformátorky hamové konstruují se známými jádry tak, že si na nejnižším kmitočtu vypočítají podle pravidla čtyř potřebnou reaktanci vinutí a výpočtem z katalogových údajů vhodných jader stanoví počet závitů.
Pro konstrukci VF transformátorů RX smyček se hodí jádra Amidon. Výborná jsou tzv. dvouděrová jádra. Například jádra Amidon BN-73-202, jehož hodnoty jsou v tabulce:

 

S jádry Amidon BN-73-202 bychom vhodný transformátor snadno zkonstruovali. Bohužel jsem zrovna jádra BN-73-202 zapomněl dát do poslední objednávky feritů (objednávám na https://www.kitsandparts.com/), proto jsem musel hodně improvizovat. Podle geometrických dat jádra a hodnot AL uvedených v tabulce bych musel použít celkem tři jádra uvedeného rozměru (bylo by třeba slepit tři jádra za sebou). Poznámka: směs 73 (první dvojčíslí v označení jádra) je vhodná pro krátkovlnné aplikace. Transformátory mají malé ztráty, ale jádro má vysokou permeabilitu, proto jsou požadované počty závitů nízké a transformátory jsou realizovatelné s přiměřeně tlustým drátem v domácích podmínkách průměrného hama. Moje improvizace spočívala v použití feritových trubek neznámého původu (pravděpodobně HF ferity od firmy Nifer, materiál N650). Rozměry trubky byly D=14, d=6, délka=100 mm. Jádro ze 2 trubek je mnohem větší, než ze tří jader BN-73-202. To je nevýhoda, vinutí bude 2 krát delší. Transformátor bude mít horší vlastnosti na nejvyšších kmitočtech. Díra v trubce je 6 mm. To je naopak výhoda, protože jádrem prostrčím Cu drát s izolací PVC o průměrech 0.9/0.48 mm. To u jádra BN-73-202 nejde ani náhodou a musel bych použít drát smaltovaný. Můj experimentální transformátor vypadá takto - viz obrázek vpravo. Popis konstrukce - viz obrázek dole:

Protože moje jádro je přece jenom o něco delší, provedl jsem ještě měření hodnot R a jX (obrázky dole) a pokus o kompenzaci induktivní reaktance malou kapacitou 22 pF na straně koaxiálního napáječe. Nijak nekompenzovaná reaktance X (zelená barva křivky) roste po dosažení svého minima (cca 6 MHz) s kmitočtem. Přenos a průběh impedancí po kompenzaci. VSWR nikde nepřekročí hodnotu 2. Kompenzovaná reaktance (zelená čára) je vidět. Praktické zkoušky Přestože lze zkonstruovat přijímací smyčku RX loop jako aktivní, s kvalitním předzesilovačem na vstupu, má své opodstatnění i smyčka pasivní. Jde o anténu od země izolovanou, s vynikajícími vlastnostmi při příjmu, která se obejde bez napájecích zdrojů a bez dalších pomocných obvodů pro napájení (bias T u stanice, filtry zamezující společným zemním proudům na koaxiálu). Z hlediska tvaru antény mi vyhovují dva jednoduché tvary: I. Tvar Diamond používám pro pro portable antény (mám skládací kříž a skládací laminátový teleskop) a preferuji tento tvar před kruhem Hula Loop. II. Tvar Flag preferuji pro efektivní práci na konkrétním pásmu, které mě zajímá. Například na pásmu 80 metrů. Tvar Flag bývá hamy využíván často na pásmu 160 m. Složitější tvary čas od času zkouším jako experimentální antény. Avšak poslední experimenty z příjmu mě vedou k jednoduchým tvarům smyček a k fázovaným soustavám více (2 až 3) smyček.     Další experimenty  1. Anténu by to chtělo dotáhnout ke zdárnému konci. S ohledem na výborné výsledky s prototypem tvaru diamond, ve skládacím provedení, v pasivním provedení (bez zesilovače), je třeba dotáhnout tyto záležitosti: - velikost obvodu smyčky tvaru diamond:  mé zaměření bude na účinný poslech v pásmu 80m; - provedení transformátoru: cílem je použít miniaturní, továrně vyráběný transformátor, například CoilCraft, typ WB9-1, WB16-1, datasheet s parametry zde. Na obrázku vpravo (viz datasheet CoilCraft) jsou frekvenční charakteristiky transformátorů CoilCraft. Transformátory jsou miniaturní, s obrovskou šířkou pásma a s průchozím útlumem kolem 0.5 dB. 2. Určitě má smysl hledat: - jednoduché tvary smyček, které jsou vhodné (použitelné) pro fázování více antén do fázovaného pole; při této metodě neklesá rapidně zisk antény, tak, jako při tvarovaní vyzařovací charakteristiky rezistorem R;     Poznámky: 1. O různých přijímacích smyčkách různých tvarů (flag, diamond flag a složitějších tvarů, různého provedení (aktivních i pasivních), s různým provedením, s vyřešením směrovosti, resp. s optimalizací faktoru RDF nalezneme kvalitní informace na stránkách Martina, OK1RR, v sekci "Antennas". 2. Různé konstrukce laděných MLA antén popisuje na svých stránkách Olda, OK2ER, který MLA antény vyrábí, zkoumá, vyvíjí a píše o nich publikce.