Měření a modelování

předchozí kapitoly:

Kategorizace (dělení) antén podle různých kritérií >>> 
Instalace antény >>>
 

1. Někdy se nevyhneme hypotéze ...

Konstrukce EFHW antény byla ověřena v laboratoři ARRL.
Je nabízena za přiměřenou cenu jako stavebnice (kit): https://www.arrl.org/end-fed-half-wave-antenna-kit, při pečlivé montáži je zaručena opakovatelnost realizace.
Jsou k dispozici stránky autorů s mnoha konstrukčními pokyny: https://www.hfkits.com/build-instruction-impedance-transformer-250w-for-end-fed-antennas/

Opakovatelnost je dána především použitým jádrem Amidon FT240-43
Jeho vlastnosti jsou uvedeny v katalogových listech:
Material 43 a Amidon základní parametry.

Úkoly, které vidím já
1. Stanovení impedance antény v místě napájení.
Kdo umí tuto impedanci změřit natolik přesně, abychom byli schopni vypočítat ze zmeřené hodnoty Z = R + jX hodnoty transformačního L článku a jeho použitím bylo docíleno použitelného přizpůsobení, nechť se pochlubí.
2. Stanovení impedance modelováním.
Poznámka: Ukázat v modelu EZNEC výpočet frekvenční charakteristiky Z a VSWR v rozsahu od 3 do 30 MHz, odečíst z charakteristiky hodnotu pro 7 nebo 7.2 MHz a ukázat ve Smith chart návrh přizpůsobení s transformátorem zhotoveným dle ARRL

Náhradní schéma antény s přizpůsobením k napáječi:

Řešení ve Smith chart:

3. Odhadnout ztráty přizpůsobením

Viz tabulka excel.

Poznámky:
               a. Anténu zkouší kamarád. Z mailové komunikace:

"Anténu End Fed mám rozladěnou námrazou. Po pár letech jsem čekal, že 20m 2,5mm² Cu je dostatečně nataženo, ale námraza posunula rezonanční kmitočty vždy cca 15kHz pod pásmo. (6985kHz). Pro tuner by to nebyl problém. Anténa ladila někde okolo 7005kHz kde byla rezonance. Dnes námraza již není, tak to zkusím, zítra přeměřit."

"EndFed jsem po námraze malinko zakrátil, je to opět v pořádku. Šlo to velice dobře, zakončení svodu mám z licny 2,5mm². Rezerva je dostatečná."

               b. O anténách napájených na konci: https://www.sidlo.com/KV_simple/EF_LW/LW.htm; připomenout značné ovlivňování jakýmkoliv předmětem v blízkosti konců EFHW.
               c. EFHW anténu zkonstruoval a měřil DC4KU - dokument viz zde.

Zkusíme příklad. Měřený objekt tvoří paralelní kombinace R=33 Ohmů a C = 1 nF. Jaká je impedance na svorách? Jaký je poměr stojatých vln? Zapojení nakreslíme do Smith chartu:

a měříme. Pohled na displeje,

1. SARK100:

2. RigExpert AA200:

3. ok1ufc

Foto displeje zde. Na webináři spustit vestavěný měřič Z a ukázat měření RC kombinace s krátkým kabelem. Čtenáři se musí spokojit s konstatováním o vlivu krátkého vedení.

Jaký je správný postup?

a. Ukázat ve Smith chartu vliv krátkého vedení.
b. Ukázat, co ve Smith chartu dělá vedení o konkrétní impedanci a délce. Jak se dělá "přepočet" naměřené impedance na skutečnou. Ukázat příklad
    s naměřenou hodnotou Z = 71.93 - j54.5; měřeno na kmitočtu 7.000 MHz s koaxiálem fyzické délky 30m, epsilon(r) = (1/VF)² = (1/0.66)² = 2.3, alfa = 0.045 dB/m.
    Ukázat metodu se záporným součinitelem alfa (alfa = -0.045 dB/m) fiktivního kabelu stejné délky, jako má fyzický kabel a doplněním na nejbližší celou polovinu vlnové délky.

c. Ukázat ve Smitch chartu zapojení pro zkoušku na vyšších hodnotách impedance, ukázat měření se SARK100, měření s AA200 a měření ok1ufc.

3. Odhadujeme a měříme ztráty (match - loss) tunerů

Ztráty v tuneru
Některé nástroje (AN-SOF simulátor) je umí počítat z naměřených hodnot prvků:

Jiné nástroje nám poskytnou hodnoty jakosti Q parametrů pro jejich výpočet. Ukázat ve Smith chart. Ztráty tunerů můžeme měřit například touto metodou:

Schéma zapojení při měření tuneru Ameritron, ATR-30:

Foto výsledku měření.

Poznámky:
1. Ukázat měření účinnosti tuneru na vestavěných přístrojích. Ukázat provedení indukčností reálného tuneru Icom AH-4 a ukázat moderní kondenzátory ATC a Cornell Dubilier.
2. Udělat ve Smith chart pro zvolenou impedanci Z = 500 - j500 demonstraci "vyladění" pro L článek a PI článek.
3. Ukázat ve Smith chartu měření na ATR-30.
 

4. Měříme ztráty napájecích vedení

Již bylo ukázáno na 100 m délce RG-58C pro zátěž s VSWR = 1, VSWR = 1.5 a VSWR = 3.

5. Měříme kvalitu zemního systémů pro vertikály

Používám velmi jednoduchou metodu. Mám čtyři přesně čtvrtvlnné vertikály pro tato pásma: 40m, 30m, 17m a 12m. Jejich pata je vyvedena na konektor. Pata rovněž obsahuje svorku na propojení se zemní rovinou. Princip je prostý a metoda je použitelná, pokud zemní systém vykazuje nějaké obvyklé hodnoty při vf měření. Obvyklé hodnoty jsou od 2 Ohmů do 100 Ohmů. V takovém rozmezí se nám výrazně nemění rezonanční délka antény.

Hodnota odporu uzemnění pro VF se vypočte jako

Rz = R - 38 (Ohm), kde R je naměřená reálná složka impedance Z = R + jX v patě vertikálu.

Upozornit, že NEC programy obvykle vypočtou pro ztrátu způsobenou uzemněním i Far Field pattern. Bezprostředně vidíme, jak se zhoršilo vyzařování.

6. Měříme magnitudu proudů v prvcích antény?

Považuji metodu za naprosto kruciální pro následující hypotézu:

Pokud nám reálná krátkovlnná anténa vykazuje na svých svorkách frekvenční charakteristiky, tj. průběhy impedance
a samozřejmě VSWR stejné jako její model NEC a pokud naměříme podobné rozložení proudu v každém prvku antény, bude nám reálná anténa vyzařovat s podobným Far Field pattern, jako její model NEC.

Snadno se řekne, ale o to hůř se zrealizuje. Není mi známo, že by byla tato metoda používaná v amatérském světě a zřejmě nikdo komerčně nevyrábí žádné dostupné vybavení. Metodě se věnuji přibližně od roku 2000. V roce 2013 jsem se prvně zmínil o první sadě sond. Tenkrát jsem měl cíl měřit magnitudu a fázi proudu. Měření fáze neskutečně zkomplikovalo obvodové řešení přístroje, především jsem však nedocílil potřebné nejistoty měření. Přibližně v roce 2014 jsem dal laťku mnohem níž, s tím, že pro potřebu KV antén mi bude stačit znalost o magnitudě proudů v prvcích. Ani to však nebyla úloha triviální. Základem metody je, že sonda nesmí ovlivňovat vlastnosti antény. Po přiložení sondy se nesmí změnit hodnota impedance na svorkách, přiložení sondy nesmí vyvolat potřebu jakéhokoliv doladění a přiložení sondy nesmí změnit hodnotu magnitudy měřenou jinými sondami. Je tu rok 2025 a já mám stále co dělat, hi.

Poznámky:

1. Uvědomit si, proč NEC programy mají minimálně tři typy země?

2. Nezapomenout, že "země je pro nás všudypřítomná". Reálné vyzařované pole bude u každého modelu nejlépe odpovídat, pokud nastavíme Ground Type na Real.
    Vypočítat si vyzařování vertikálu typu Ground Plane v obvyklé instalaci a v instalaci s "radiály nahoru".
4. Všudypřítomná země způsobuje, že antény mají vyzařovací laloky. Pokud zkoumáme, kolik důležitých laloků anténa má, na jakých úhlech jsou minima ve vyzařovacích diagramech, pak nastavíme Ground Type na Perfect. Minima jsou zjevnější.
5. Pokud provádíme optimalizace směrové antény a chceme výsledek srovnávat s jinými anténami, použijeme nastavení Free Space. Jde o hypotetické řešení, ale rozdíly v parametrech, jako je zisk a F/B jsou zjevnější.

7. Závěr

1. Procvičme si na příkladech modelování, impedanční přizpůsobování a různé hypotézy. V době psaní této stránky zde dávám k dispozici pro EZNEC a MMANA  modely antén.
Lze je stáhnout jako soubory zip.

V adresářích jsou mimo modelů též textové soubory s poznámkami.

8. Náměty a témata k dalšímu přemýšlení o anténách

1. Moderní napáječe a napájení antén.
2. Moderní typy antén nabízených na trhu. Domnívám se, že mnoho hamů má zkušenosti s anténami v provedení Steppir, přes směrovky Optibeam až po doma vyrobené speciály. A takové studium rozhodně stojí za pozornost.

Trochu osobní nostalgie na závěr ...

 

TU 73