Break (Magazyn CB)/Numer 11/Parasol na dachu, czyli o antenach bazowych część VII

Artykuł — O antenach bazowych, część VII —
Autor	Jerzy Plieth
Data publikacji	styczeń 1994
Miejsce publikacji	Break (Magazyn CB)/Numer 11
Poprzedni w serii	Parasol na dachu [...] część VI
Następny w serii	Parasol na dachu [...] część VIII

Nasze poprzednie rozważania zakończyliśmy mało odkrywczym, lecz w każdym przypadku prawdziwym stwierdzeniem, że tzw. smukłość anteny Yagi, czyli stosunek długości elementu anteny do jego średnicy powinna być jak najmniejsza. Obecny odcinek naszego cyklu poświęconego antenom dipolowym chciałbym rozpocząć równie mało odkrywczym jak i mało znanym stwierdzeniem, że nie istnieje ani w teorii ani w praktyce taka antena, która jest zoptymalizowana pod kątem wszystkich parametrów elektrycznych! Jeśli nasza hipotetyczna antena ma optymalny przy swoich rozmiarach zysk, to jednocześnie nie posiada największego stosunku F/B, jeśli zaś ma największą do uzyskania szerokopasmowość, to jednocześnie nie ma największego zysku, itd., itd. To nieprawdopodobne, jak niewielu (czasem z dużym stażem radioamatorów) zdaje sobie z tego sprawę. Większości wydaje się, że istnieją „specjalne” przepisy umożliwiające obliczenie anteny, która jest najlepsza pod każdym względem. Zadanie to jest zaś równie karkołomne jak zbudowanie samochodu mającego największe przyśpieszenie, najmniejsze zużycie paliwa i na dodatek zapewniającego największy komfort jazdy. Bardziej ambitnym Czytelnikom, chcącym samodzielnie obliczać wieloelementową antenę Yagi, podpowiadamy jeszcze wymóg bezodbiciowego (z małym WFS) dopasowania jej do linii przesyłowej.

Impedancja wejściowa anteny wieloelementowej zmienia się w bardzo szerokim zakresie, gdyż zależy tak od długości elementów jak i odległości pomiędzy nimi. Strojenie anteny pod kątem maksymalnego zysku ułatwi na pewno informacja, że w momencie jego osiągnięcia impedancja wejściowa osiąga minimum. Ponieważ zwiększanie długości anteny zmniejsza wzajemny wpływ elementów, a przez to zwiększa jej impedancję wejściową, można po osiągnięciu maksymalnego zysku (minimalnej impedancji wejściowej) dojść do impedancji optymalnej (minimum WFS) zwiększając długość anteny.

Jeśli prześledzimy foldery reklamowe trójelementowych anten Yagi najróżniejszych producentów, rzuci się nam w oczy jeden fakt. W każdym mianowicie przypadku odległość pomiędzy reflektorem a wibratorem jest zdecydowanie większa, często nawet dwukrotnie, od odległości pomiędzy wibratorem a direktorem. Jest to po prostu wykorzystanie mało znanego faktu, że przy niezmienionej długości anteny, jej impedancja wejściowa rośnie na skutek jednoczesnego oddalania reflektora i zbliżania direktora.

Konstruowanie anten typu Yagi to ciągłe poszukiwanie kompromisu. Dla przykładu w trójelementowej antenie o długości zaledwie 0,1 λ, bardzo atrakcyjnej z powodu małego rozmiaru, dużego zysku i sporego stosunku F/B, rezystancja promieniowania, a przez to i sprawność jest tak mała, że w zasadzie jej praktyczne stosowanie traci sens. Jeśli dodać do tego jej znikomą szerokopasmowość, ograniczającą pracę w zasadzie do jednej częstotliwości, nie należy dziwić się, że w praktyce spotyka się trójelementowe anteny Yagi o długości nie mniejszej niż 0,2 λ, a czasami nawet 0,4 λ. W takim wypadku zysk tylko nieznacznie maleje, a szerokopasmowość i sprawność znacznie wzrasta.

Bardzo często w konstrukcjach amatorskich na skutek ograniczonych możliwości pomiarowych korzysta się z gotowych, często stabelaryzowanych zależności dotyczących trójelementowej anteny Yagi. W takim wypadku autorzy tych publikacji zakładają równe odległości pomiędzy reflektorem a wibratorem i wibratorem a direktorem. Przy odległości reflektor-direktor równej 0,28 λ (najczęściej spotykana wartość) oporność promieniowania anteny trójelementowej wynosi teoretycznie około 20 Ω, co znajduje pełne potwierdzenie w praktyce. Od możliwości, wiedzy i cierpliwości wykonawcy zależy jaką metodą dopasuje się do impedancji falowej linii przesyłowej. Najprościej można to uczynić za pomocą transformatora Gamma (tzw. gamma-match), ambitniejsi zgodnie z tym co napisano wcześniej mogą zachowując całkowitą długość anteny przesuwać wibrator w stronę direktora. W praktyce całkowite zawierzenie stabelaryzowanym danym bywa zawodne z powodu dodatkowej zależności oporności promieniowania od wysokości umieszczenia anteny nad ziemią. Szczęśliwie wraz ze zwiększaniem ilości elementów zależność ta jest coraz słabsza, podczas gdy np. w przypadku pojedynczego wibratora sięga aż 40% wartości oporności promieniowania.

Zdarza się, szczególnie w przypadku pracy na niskich częstotliwościach, że relatywnie duże rozmiary anteny Yagi są nie do przyjęcia z powodów bądź to lokalowych, bądź po prostu finansowych. W takich wypadkach zdarza się konstruowanie anten pomniejszonych w dwojaki sposób. Najczęściej antena jest fizycznie krótsza od anteny pełnowymiarowej, a charakter pojemnościowy poszczególnych elementów rekompensuje się poprzez dodanie w szereg z nimi elementów indukcyjnych. Druga metoda polega na takim zaginaniu końcówek dipola, aby cała antena mieściła się w określonej objętości. Należy jednak z całą mocą podkreślić, że obydwa sposoby tak w wypadku anteny Yagi, jak i każdej innej anteny, prowadzą nieuchronnie do zmniejszenia sprawności anteny i jej zysku. Oporność promieniowania anteny dająca się wprost przeliczyć na sprawność maleje z kwadratem współczynnika skrócenia. Równocześnie dodatkowe straty mają miejsce w samej cewce wydłużającej. Z tego powodu zawsze należy dążyć do tego aby antena była w rezonansie na częstotliwości pracy bez żadnych dodatkowych elementów wydłużających. Dążenie to z kolei powoduje, że w zakresie fal krókich najczęściej spotykaną anteną Yagi jest antena trójelementowa. Stosunkowo rzadko w tym zakresie częstotliwości spotyka się anteny cztero- lub nawet więcej elementowe. Jeśli już, to zazwyczaj w górnym zakresie fal krótkich. Anteny o ilości elementów większej niż 6 w praktyce spotykane są prawie wyłącznie na falach ultrakrótkich.