Większość krótkofalowców zaczyna od dipola. To dwa odcinki drutu, a w środku, między nimi, dochodzi przewód zasilający. W klasycznym dipolu półfalowym cała antena ma mniej więcej połowę długości fali, na której chcesz pracować, więc buduje się go pod konkretne pasmo. Jak policzyć jego długość, opisujemy w poradniku „Podstawy anten krótkofalarskich”.
Dublet wygląda niemal tak samo: też ma dwa ramiona i też jest zasilany w środku. Pracuje jednak na kilku pasmach, choć nie jest dostrojony do każdego z nich. Żeby zobaczyć, jak to możliwe, weźmy prosty przykład: drut o długości około 40 m od końca do końca.
Ta sama antena, inna długość elektryczna
Nazwa pasma mówi, ile mniej więcej wynosi długość fali: na paśmie 80 m to około 80 m, na 40 m – około 40 m, na 20 m – około 20 m. Długość fali oznacza się grecką literą λ (lambda).
Na paśmie 80 m nasze 40 m drutu to mniej więcej pół fali (½ λ). Dublet zachowuje się wtedy jak zwykły dipol półfalowy.
Teraz nie ruszamy anteny, zmieniamy tylko częstotliwość. Na paśmie 40 m fala jest mniej więcej o połowę krótsza, a drut nadal ma 40 m. Ta sama antena, która na 80 m miała pół fali, na 40 m ma całą falę (1 λ). Na paśmie 20 m mieszczą się na niej już mniej więcej dwie fale (2 λ).
Długość fizyczna, czyli ta, którą zmierzysz taśmą, cały czas jest taka sama. Zmienia się długość elektryczna: to, ile długości fali mieści się na drucie.
Prąd i napięcie rozkładają się inaczej
Wzdłuż anteny powstaje fala stojąca. W jednych miejscach drutu prąd jest duży, w innych prawie zerowy. Napięcie zachowuje się odwrotnie: jest duże tam, gdzie prąd jest mały. Gdy zmienia się długość elektryczna, na tym samym drucie układa się inny wzór takich miejsc.
- 80 m (½ λ). Jak w dipolu półfalowym: prąd jest największy w środku, przy punkcie zasilania, i spada prawie do zera na końcach. Napięcie w środku jest małe i rośnie ku końcom.
- 40 m (1 λ). W środku wypada minimum prądu, a dwa maksima przesuwają się na ramiona, mniej więcej w połowę ich długości. Napięcie jest największe w środku.
- 20 m (2 λ). Na drucie mieści się jeszcze więcej maksimów i minimów prądu oraz napięcia. W środku znów jest mało prądu i dużo napięcia.
Impedancja w punkcie zasilania
Impedancja to, w dużym uproszczeniu, opór, jaki antena stawia prądowi zmiennemu. Liczy się impedancja w punkcie zasilania, czyli tam, gdzie do anteny dochodzi linia. Wynika ze stosunku napięcia do prądu w tym miejscu: Z = U / I.
Na 80 m w środku płynie duży prąd przy małym napięciu, więc impedancja jest stosunkowo niska, podobnie jak w dipolu półfalowym. Na 40 m jest odwrotnie: prąd jest mały, napięcie duże, a impedancja dużo wyższa. Na 20 m rozkład prądu i napięcia znów jest inny, więc zmienia się też impedancja.
Impedancja nie składa się przy tym wyłącznie z rezystancji. Zapisuje się ją jako Z = R + jX, gdzie R to rezystancja, a X to reaktancja, czyli część bierna, która bierze się z indukcyjności i pojemności. W zależności od częstotliwości antena może mieć także reaktancję. Przy zmianie pasma zmieniać się mogą obie części, czasem bardzo mocno. Dublet nie poda więc na każdym paśmie tej samej, wygodnej impedancji.
Linia drabinkowa ma małe straty, nawet przy wysokim SWR
Jak zasilić antenę, której impedancja tak bardzo zmienia się z pasmem? Tu przydaje się linia drabinkowa: dwa równoległe przewody trzymane w stałej odległości przez izolacyjne poprzeczki, które przypominają szczeble drabiny. Dublet jest anteną symetryczną, a linia drabinkowa – linią symetryczną, więc dobrze do siebie pasują.
Często spotkasz linię drabinkową oznaczoną jako 450 Ω. To jej impedancja falowa (charakterystyczna), czyli cecha samej linii. Nie znaczy to, że antena też musi mieć 450 Ω.
Gdy impedancja anteny różni się od impedancji falowej linii, część fali odbija się od anteny i wraca. Fala padająca i odbita tworzą na linii falę stojącą, więc SWR (współczynnik fali stojącej, w polskiej literaturze także WFS) bywa na niej wysoki. Więcej o samym SWR przeczytasz w tekście „SWR i strata odbicia”.
Wysoki SWR nie oznacza jednak automatycznie dużych strat mocy. Linia drabinkowa sama z siebie ma bardzo małe tłumienie, więc nawet przy wysokim SWR straty w niej pozostają stosunkowo małe. Linii drabinkowej nie stosuje się po to, żeby pozbyć się wysokiego SWR. Stosuje się ją, bo przy wysokim SWR nadal pracuje wydajnie.
Moc odbita też nie przepada. Fala odbita od anteny wraca do tunera przy radiu (o nim za chwilę), tam odbija się ponownie i znów biegnie do anteny. Energia krąży więc po linii tam i z powrotem, a ponieważ linia ma małe straty, niewiele z niej zamienia się w ciepło. Ostatecznie moc albo trafia do anteny i zostaje wypromieniowana, albo ginie w rzeczywistych stratach układu antenowego.
Tuner dopasowuje radio do układu antenowego
Zostaje jeszcze jeden problem. Nadajnik jest zaprojektowany do pracy z obciążeniem około 50 Ω, a dublet z linią drabinkową na każdym paśmie daje inną impedancję. Tu wchodzi tuner antenowy, nazywany też skrzynką antenową. Przekształca on impedancję, którą daje układ antenowy, na taką, z którą nadajnik sobie poradzi – zwykle bliską 50 + j0, czyli 50 Ω bez reaktancji.
Dlaczego nie wystarczy zwykły transformator impedancji o stałej przekładni? Bo taki transformator zawsze przekształca impedancję w ten sam sposób. Dublet tymczasem na każdym paśmie ma inną rezystancję i reaktancję, więc na 80 m potrzebne jest zupełnie inne przekształcenie niż na 40 czy 20 m. Tuner ma regulowane cewki i kondensatory, więc da się go ustawić tak, żeby poradził sobie z całym zakresem różnych impedancji.
Trzeba też pamiętać, czego tuner nie robi. Nie stroi samej anteny i nie usuwa fali stojącej z linii drabinkowej. Zmienia tylko impedancję, którą widzi nadajnik. Cały układ wygląda więc tak: nadajnik, tuner, linia drabinkowa i dublet.
Na każdym paśmie inna charakterystyka
Praca jednego dubletu na kilku pasmach ma jeszcze jeden skutek: zmienia się jego charakterystyka promieniowania, czyli to, w których kierunkach antena wysyła najwięcej energii.
Na 80 m dublet ma długość pół fali i promieniuje jak zwykły dipol: najsilniej prostopadle do drutu, w kształcie ósemki. Gdy antena robi się elektrycznie dłuższa, na drucie pojawiają się kolejne maksima i minima prądu. Pola od różnych odcinków drutu w jednych kierunkach się wzmacniają, a w innych częściowo albo całkiem znoszą. Na wyższych pasmach pojawiają się więc dodatkowe listki promieniowania i kierunki, w których antena prawie nie promieniuje.
Na 40 m (1 λ) ósemka robi się węższa, ale nadal jest skierowana w bok od drutu. Na 20 m (2 λ) rozpada się na cztery listki ustawione skośnie do drutu, a dokładnie w bok od niego wypada minimum. Tuner nie ma na to wpływu. Jego zadaniem jest przekształcanie impedancji dla nadajnika, a kształt charakterystyki zależy od samej anteny.
Jak to działa razem
Zmiana częstotliwości nie zmienia długości drutu, ale zmienia jego długość elektryczną. Za nią zmienia się rozkład prądu i napięcia, a więc i impedancja w punkcie zasilania. Nikt nie wymaga, żeby ta impedancja na każdym paśmie pasowała do linii. Linia drabinkowa o małych stratach pracuje wydajnie mimo wysokiego SWR, a tuner przy nadajniku przekształca impedancję układu antenowego na taką, z którą radio sobie radzi. Prosty drut zasilany w środku, linia drabinkowa i tuner tworzą razem uniwersalny układ antenowy na wiele pasm.
Artykuł powstał na podstawie filmu „How Can ONE Wire Antenna Work on So Many Bands?” z kanału Telecom Training. Charakterystyki promieniowania na ilustracji obliczyliśmy dla anteny w wolnej przestrzeni.
