Po co stroi się antenę
Każda antena, niezależnie od tego, czy została kupiona, zbudowana od zera czy złożona z zestawu, po postawieniu wymaga dostrojenia. Według autora kanału TheSmokinApe Ham Radio chodzi o to, by antena pracowała jak najlepiej na paśmie, na którym chcemy nadawać. Do oceny tego krótkofalowcy najczęściej używają wskaźnika SWR. Strojenie to nie jedna czynność, tylko zestaw zabiegów: zmiana wymiarów anteny, wybór miejsca i wysokości montażu, użycie tunera oraz układów dopasowujących, a czasem także dodanie elementów reaktancyjnych, np. cewek i kondensatorów.
Czym jest SWR
SWR (współczynnik fali stojącej) mówi, jak dobrze impedancja anteny pasuje do impedancji kabla, którym ją zasilamy. Impedancję można na początek rozumieć jako „opór” dla sygnału zmiennego. Przy starszej nazwie VSWR litera „V” oznacza po prostu napięcie (voltage). Autor zaznacza, że w praktyce mówi się „SWR”.
SWR podaje się jako stosunek. Wartość 2:1 oznacza na przykład antenę o impedancji 100 Ω podłączoną do kabla 50 Ω. Przy takim dopasowaniu około 11% mocy wraca w stronę radia, a do anteny dociera około 89%. Przy nadajniku 100 W to 89 W.
Ile mocy naprawdę wychodzi z anteny
Sam SWR to nie wszystko, bo swoje robi też kabel. W przykładzie autora koncentryk ma tłumienie 1,25 dB, co oznacza utratę około 25% mocy. Z 100 W do anteny dociera więc 75 W. Jeśli SWR wynosi 2:1, odbija się 11% z tych 75 W, czyli 8,25 W, a wypromieniowane zostaje około 66,75 W.
Autor przywołuje też popularny pogląd, że moc odbita „nie jest stratą”, bo wraca do radia lub tunera i odbija się ponownie w stronę anteny. Zwraca jednak uwagę, że przy każdym takim przejściu przez kabel część mocy znów się gubi. Czy sięgnąć po mniej stratną linię, np. drabinkową, albo kabel lepszej jakości, to według niego decyzja zależna od budżetu i miejsca montażu.
Jak obliczyć długość dipola
Dipol to najprostsza antena z dwóch ramion, po jednym z każdej strony punktu zasilania. Jego długość zależy od częstotliwości, na której ma być rezonansowy. Wzór z filmu (długości w stopach, częstotliwość w MHz): całkowita długość L = 468 / f, a każde ramię to E = L / 2.
Przykład dla pasma 20 m i częstotliwości 14,200 MHz: L = 468 / 14,2 ≈ 32,96 ft (około 10 m), czyli każde ramię ma około 16,48 ft (około 5 m). Po przeliczeniu na metry wzór wygląda tak: L ≈ 142,6 / f.
Wzór daje tylko punkt wyjścia, bo drut drutowi nierówny. Autor uwzględnia m.in. współczynnik skrócenia (velocity factor), dlatego radzi budować antenę z lekkim zapasem długości. Potem ostrożnie skraca się ją po trochu, aż SWR będzie taki, jaki chcemy. Gotowe anteny sprzedawane w sklepach zwykle też są dostarczane odrobinę za długie.
Wysokość montażu: niższy SWR nie zawsze znaczy lepiej
Autor pokazuje wykresy z programu do modelowania anten (MMANA-GAL), czyli tzw. charakterystyki promieniowania. Każdy wykres ma dwie części: widok z góry (w którą stronę antena „świeci” najmocniej) oraz przekrój z boku, pokazujący kąty, pod jakimi sygnał odchodzi od anteny.
Porównane są dwa dipole na 20 m. Pierwszy wisi 10 m nad ziemią, czyli mniej więcej na połowie długości fali, co autor uznaje za pożądaną wysokość. Model pokazuje dla niego SWR około 1,7 i dwa duże płatki promieniowania skierowane nisko, w stronę horyzontu. Drugi wisi 15 m nad ziemią (około trzy czwarte długości fali) i ma SWR 1,4. Tu duża część energii idzie prawie pionowo w górę, w jonosferę, a płatki boczne są mniejsze.
Wniosek autora: początkujący widzi 1,4 i myśli, że jest lepiej, ale przy tej wysokości znacznie mniej sygnału trafia tam, gdzie potrzeba, żeby złapać łączność. Ostrzega przed powtarzaną w środowisku radą „powieś jak najwyżej”. Zaznacza też, że istnieją zastosowania, w których pionowy promień ma sens (tzw. NVIS), ale to temat na osobny film.
Strojenie w praktyce: pomiar analizatorem NanoVNA
Autor pokazuje własny pomiar anteny półfalowej zasilanej od końca, wykonany analizatorem NanoVNA. Na wykresie niebieska linia to pomiar zaraz po zawieszeniu, a pomarańczowa to pomiar po skróceniu drutu. Szare pionowe pasy oznaczają pasma krótkofalarskie.
Zasada jest prosta: jeśli antena jest za długa, punkty rezonansu (dołki na wykresie SWR) leżą na lewo od pożądanej częstotliwości, a jeśli za krótka – na prawo. Po przycięciu drutu dołki w filmie przesunęły się w prawo, bliżej pasm, choć jeszcze nie idealnie.
Dobroć Q: antena wąskopasmowa i szerokopasmowa
Dobroć (współczynnik Q) opisuje, jak szeroki jest zakres częstotliwości, na którym antena jest w miarę dopasowana. Autor przyznaje, że jedni uważają Q za bardzo ważny parametr, a drudzy za mało istotny. Niskie Q oznacza antenę szerokopasmową: można jej używać na dużym zakresie częstotliwości bez ciągłego dostrajania. Ceną jest według autora niższa sprawność oraz większa podatność na zakłócenia z sąsiednich częstotliwości. Wysokie Q to antena wąskopasmowa: zwykle sprawniejsza, ale wymagająca częstszego strojenia, zwłaszcza gdy często zmienia się pasma.
Sam autor, który często skacze po częstotliwościach, wybiera anteny o niskim Q i godzi się na kompromis w sprawności.
Rezonans to nie to samo co niski SWR
Częsty błąd to utożsamianie rezonansu z najniższym SWR. Antena jest rezonansowa, gdy nie ma reaktancji, czyli w jej impedancji zostaje sam opór rzeczywisty (bez składowej indukcyjnej i pojemnościowej). Reaktancja pochodzi od indukcyjności i pojemności.
Autor ilustruje to wykresem Smitha z ARRL Antenna Handbook (24. wydanie). Antena leżąca na jego poziomej osi symetrii jest rezonansowa. Punkt A jest rezonansowy, mimo że ma SWR 5:1. Punkt B nie jest rezonansowy, ale ma SWR 2,44:1, czyli mniej niż połowę tego co A. Punkt C jest znów rezonansowy, przy SWR 4:1. Innymi słowy, punkt B nie jest „bardziej rezonansowy”, tylko lepiej dopasowany. Autor podkreśla, że nie uważa żadnego z tych stanów za lepszy, chodzi mu o zrozumienie, jak antena naprawdę pracuje.
Przykład: skrócona antena Shorty Forty
Na koniec autor pokazuje własną konstrukcję, Shorty Forty. To półfalowa antena zasilana od końca na pasmo 40 m. Bez dodatków miałaby około 66 ft (ok. 20 m), a z cewką ma około 42 ft (ok. 12,8 m), bo musiała zmieścić się w małej przestrzeni. Cewka umieszczona mniej więcej w dwóch trzecich długości elementu dodaje indukcyjność i sprawia, że antena „wygląda” elektrycznie na dłuższą. Autor przyznaje, że to kompromis, bo prosty drut działałby lepiej.
W niebieskiej obudowie znajduje się transformator impedancji typu unun (unbalanced to unbalanced). Zawiera on niewielki niebieski kondensator, który dodaje pojemność i „skraca” antenę elektrycznie, dzięki czemu pracuje ona także na wyższych pasmach.
Wpływ kondensatora widać na pomiarze. Czerwona linia to SWR bez kondensatora: rośnie wraz z częstotliwością. Niebieska (z kondensatorem) jest znacznie bardziej płaska. Autor zaznacza, że kondensator nie zwiększa sprawności anteny. Sprawia natomiast, że radio „widzi” lepsze dopasowanie i nie ogranicza mocy z powodu wysokiego SWR.
Ostatni pomiar pokazuje, że ta sama antena ma różne Q na różnych pasmach. Na 40 m (niebieska strzałka) widać wąski, głęboki dołek, czyli wysokie Q, wynik użycia cewki. Na 20 m (czerwona strzałka) dopasowanie obejmuje całe pasmo, czyli Q jest niskie.
Co z tego wynika dla początkującego
Strojenie anteny to zawsze kompromis: długość, wysokość, szerokość pasma, sprawność. Sam niski SWR nie mówi jeszcze, że antena dobrze promieniuje, a wysoki SWR nie znaczy, że jest zepsuta. Warto więc mierzyć (np. NanoVNA), rozumieć, co pokazują pomiary, i dopasowywać antenę do własnych potrzeb.
Cały film można obejrzeć tutaj:
