W3DZZ (Antena)

Drutowa antena wielopasmowa skonstruowana przez amerykańskiego krótkofalowca W3DZZ posiadająca na każdym z dwóch ramion obwody rezonansowe LC (tzw. trapy) nastrojone na częstotliwość 7050 kHz. W pasmie 40 m trapy `odcinają` część anteny, przez co antena pracuje jako dipol półfalowy. W paśmie 80 m cewki wydłużają antenę, przez co pracuje ona poprawnie w tym paśmie. W paśmie 20 m impedancja anteny wynosi około 100 Ω, na 15 m około 120 Ω, natomiast w paśmie 10 m impedancja anteny wynosi około 130 Ω.

Rys 1: Budowa anteny W3DZZ

Wadą anteny W3DZZ jest w pasmach 10 i 20 m SWR pomiędzy 3...4. W pasmach 80, 40 i 15 m SWR zmienia się od 1.0 do 2.0. W celu poprawy dopasowania powinno się zastosować balun 1:1. Można także stosować skrzynkę antenową. Zdaniem kol. Zdzisława SP6LB pewną poprawę pracy anteny w pasmach 3.5 - 21 MHz daje połączenie obu połówek dipola kondensatorem 47 pF.

Zasada działania

Rys 2: Rozkład prądu w antenie W3DZZ

Podstawowym elementem jest dipol półfalowy w rezonansie na 7,05 MHz.

Dołączone na końcu dipola obwody-odsprzęgacze, dostrojone do częstotliwości 7,05 MHz, nie wywołują zmian w tym paśmie.

Dołączając poza obwodami rezonansowymi odcinki o dłu­gości 6,7 m otrzymuje się dipol półfalowy o kilku częstotliwościach rezonansowych.

Drugi rezonans anteny uzyskuje się w paśmie 80 m. Dipol ten jest fizycznie krótszy od λ/2 ( 33,14 m ) lecz dzięki obecności cewek zostaje elektrycznie wydłużony i osiąga rezonans na częstotliwości 3,6 MHz ( λ/2 = 41,7 m ).

Trzeci rezonans dipola powstaje w układzie: odcinek we­wnętrzny, kondensatory skracające, odcinki zewnętrzne i ich pojem­ność do ziemi. Rezonans otrzymuje się w przedziale 4,2 - 4,7 MHz przy czym zależy on od pojemności końcowej dipola (izolatory) i pojemności do ziemi, której wartość zależy od otoczenia, wysokości anteny nad ziemią i średnicy przewodu.

Czwarty rezonans powstaje w otoczeniu 14,2 MHz. Dipol w tym przypadku jest za długi w stosunku do 3 x λ/2 co prowadzi do rozkładu prądu jak na rysunku (linie kreskowane). Obecność kondensa­tora natomiast skraca długość linii, w wyniku czego na końcu linii wy­stępuje węzeł prądu. Właściwie na końcu linii w wyniku pojemności końcowych (Rys. 2 pkt e) płynie pewien prąd, który linię z kolei nieco wy­dłuża; jeśli pojemność ta jest zbyt wielka rezonans wypadnie poniżej 14 MHz. W punkcie zasilania występuje strzałka prądu, a więc i impedancja wejściowa jest mała, rzędu 100 Ω.

Piąty rezonans występuje przy częstotliwości około 21,1 MHz. Podobnie jak poprzednio kondensator C skraca linię, końcowe pojemności ją wydłużają i na dipolu przy częstotliwości 21,1 MHz mieści się 5 x λ/2. Występuje tu znaczny wpływ pojemności końcowych; przy małych końcowych pojemnościach częstotliwość trzeciego rezo­nansu własnego ( punkt e ) wynosi około 4,7 MHz i dla piątej harmonicz­nej wypada około 23,5 MHz, zamiast 21 MHz. Większe pojemności końcowe wydłużają antenę i uzyskuje ona wtedy rezonans w pobliżu 21,0 MHz. W punkcie zasilania wystąpi impedancja wejściowa ok. 120 Ω.

thumb|320px|Rys 3: Układ zastępczy anteny W3DZZ na częstotliwościach większych od 7MHz Szósty rezonans występuje w paśmie 10 m dzięki skracają­cemu działaniu kondensatorów i wydłużającemu końców anteny. Układ z punktu e ma Rys. 2 ma rezonans na siódmej harmonicznej i odkłada się na nim siedem półfal. Pojemność końcowa ma duży wpływ na rozkład impedancji i może wprowadzić w punkcie zasilania duży udział reaktancji.

Na Rys. 3 pojemność C oznacza pojemność skuteczną, wnoszoną przez obwód rezonansowy 7,05 MHz na większych czę­stotliwościach. Pojemności końcowe Ck są zastępczymi pojemnościami końców linii na izolatorach jak i do otoczenia.

Obwód pokazany na rysunkach ma rezonans w granicach 4,2 - 4,7 MHz, a jego harmoniczne przedstawiają się następująco:

Podstawowa	4,2 MHz	4,3 MHz	4,7 MHz
3 harmoniczna	12,6 MHz	12,9 MHz	14,1 MHz
5 harmoniczna	21,0 MHz	21,5 MHz	23,5 MHz
7 harmoniczna	29,4 MHz	30,0 MHz	33,0 MHz

Z tych danych wynika, że antena ta nie uzyskuje rezonansów jednocześnie na wszystkich pasmach.

Budowa obwodów rezonansowych 7050 kHz (trapów)

W opisanej antenie obwód rezo­nansowy składa się z cewki 8,3µH i kondensatora 60pF. Cewka powietrzna o wymiarach (do wyboru):

• średnica cewki 50 mm, długość 80 mm, 19 zwojów
• średnica cewki 30 mm, długość 60 mm, 25 zwojów cewki drutem 2 mm na karkasie preszpanowym z tym, że całość kilkakrotnie im­pregnowana lakierem np. z rozpuszczonego polistyrenu w ace­tonie.

Kondensator powinien mieć pojemność 60 pF i wytrzymałość co najmniej 3 kV. Nadają się tu kon­densatory typu KSO. Na kondensatorze tym przy pracy w paśmie 40m powstaje duże napięcie, które może go uszkodzić. Układ rezonansowy musi być w rezonansie przy częstotliwości 7,05 MHz, łącznie z założo­nym izolatorem nośnym, ale bez doprowadzeń anteny. Doprowadzenie do rezonansu uzyskuje się przez dobór liczby zwojów cewki, a dokład­niejsze dostrojenie przez odchylenia zwojów końcowych. Cały układ musi pracować poprawnie w szerokim zakresie temperatur i nie ulegać przestrojeniu. Dopuszczalne przestrojenie w wyniku zmiany temperatu­ry nie powinno przekraczać ± 20 kHz. Obwód po zestrojeniu zamyka się w pudełku izolacyjnym (lub lepiej w rurze winidurowej lub z pla­stycznego PCW jaki jest w wielu opakowaniach kosmetyków). Można też cewkę nawinąć na rurze winidurowej np. do instalacji wodnych i elektrycznych Ø 30 - 50 mm. Końce rury należy zaopatrzyć w uchwy­ty do przyłączenia drutów anteny, a kondensator można włożyć do środka rury. Dobrze jest rurę zaślepić i zalać woskiem zmieszanym z niewielką ilością kalafonii w celu uszczelnienia wnętrza.

Przy braku odpowiednich kondensatorów można je zastąpić kawałkiem przewodu współosiowego. Dysponując most­kiem pojemności dokonujemy uprzednio pomiaru pojemności odcinka 180 cm, następnie przeliczamy długość odpowiadającą 60 pF i odcina­my odcinki tej długości pozostawiając naddatek po 2cm od każdej stro­ny. Jeden koniec lutujemy do cewki, a drugi pozostaje wolny. Po zlutowaniu odmierzamy obliczoną długość i nadmiar odcinamy. Prze­wód ten należy następnie przymocować ściśle wzdłuż wewnętrznej części przewodu anteny.

Obecnie dysponując płytkami do obwodów drukowanych, dwustronnie pokrytymi miedzią, kondensatory takie wy­konuje się dobierając płytkę o odpowiedniej powierzchni. Wytrzyma­łość napięciowa płytek pozwala na doprowadzenie do anteny mocy 1 kW.

Zasilanie anteny i dopasowanie do linii zasilającej

Plik:Charakterystyki anteny W3DZZ.png

Rys. 4: Charakterystyki anteny W3DZZ

W przypadku pełnego rezonansu rezystancja wejściowa za­wiera się w granicach od 40 Ω do 130 Ω, przy czym zależy także od wysokości zawieszenia. Przy zasilaniu przewodem symetrycznym 70 Ω przy 21 MHz i przy 28 MHz uzyskuje się SWR > 2. Dlatego też celowe jest zastosowanie układu symetryzującego i jednocześnie transformu­jącego z 150 Ω na 70 Ω. Antena W3DZZ (niezależnie od pojemności do ziemi) jest wrażliwa na pojemność wejściową symetryzatora. Zachowanie się anteny przy różnych częstotliwościach zależy od wielu czynników. Poprawiając pracę na jednym paśmie, pogarsza się zwykle warunki pracy na innym paśmie.

Badania niektórych wersji przeprowadzone przez autora dały następujące wyniki, które mogą być wskazówką przy samodzielnym strojeniu anteny. Na rys. 4a - e podano charakterystyki SWR w za­leżności od częstotliwości w wersjach dla anteny jak na rys. 5a:

• bez symetryzatora
• z symetryzatorem 2 x 3 zwoje Ø 210 mm L = 11 µH. Linia przerywana odpowiada sytuacji, kiedy jedno z ramion skrócono z 10,00 m na 9,92 m, a więc tylko o 8 cm
• z symetryzatorem 2 x 3,5 zwoja Ø 130 mm L = 5 µH
• z symetryzatorem (rys. 3b) o wymiarach: 0 45 mm, l = 100 mm, z = 16 zw, L = 3,9 µH, Z0 = 90 Ω, przewód symetryczny SMY 2 x 0,75, e = 2,5 mm, C1 - 2 = 180 pF
• bez symetryzatora, z kondensatorem CA = 47 pF na zaciskach anteny.

Porównując podane na rys. 4 krzywe, można zauważyć, że bez symetryzatora (a) antena pracuje zadowalająco w pasmach 3,5 i 21 MHz — w pasmach 14 i 28 nie jest w rezonansie. W układach na rys. a i e dodanie kondensatora 47 pF pogarsza nieco warunki w pas­mach 21 MHz (SWR wzrasta do 2), lecz poprawia zdecydowanie wa­runki w paśmie 14 MHz (SWR maleje do 2). Pogorszeniu nieznacznemu ulega praca w paśmie 7 MHz, a zdecydowanie pogarsza się na paśmie 28 MHz, co wyjaśniają dalsze wykresy.

Symetryzator wprowadza dodatkową pojemność i indukcyjność bocznikującą. W układzie na rys. b, c, d (w paśmie 21 MHz) dodanie syme­tryzatora sprawia, że nie powstaje wyrównawczy prąd asymetrii. Brak symetrii stwarzał różne warunki dla obu ramion i w rezultacie antena miała szereg rezonansów niepożądanych, a prąd wyrównawczy płynący po powierzchni ekranu wytwarzał duże pole elektromagnetyczne w oto­czeniu nadajnika. Antena z symetryzatorem ma wyraźnie zaznaczony rezonans własny, przy czym w tym przypadku częstotliwość rezonanso­wa wypada daleko poza pasmem (22,2 MHz). Antenę należałoby elek­trycznie wydłużyć choćby zwiększając pojemności końcowe (niżej za­wiesić).

Plik:Charakterystyka promieniowania anteny W3DZZ.png

Rys. 5: Charakterystyka promieniowania anteny W3DZZ

W paśmie 14 MHz symetryzator czyni antenę szerokopasmową poprawiając jednocześnie SWR do wartości małych, a w przypadku (d) do wartości s = 1,05, co świadczy o bardzo dobrym dopasowaniu.

W paśmie 7 MHz symetryzatory z przewodu współosiowego (b i c) swoją pojemnością montażową wydłużają antenę, obniżając (c) częstotliwość rezonansową poniżej pasma. Symetryzator transformujący (d) nieco skraca antenę (porównaj z a), lecz warunki są nadal właściwe (SWR < 2).

W paśmie 3,5 MHz symetryzator (b i d) nie wpływa istotnie na antenę, natomiast w wersji (c) wpływa nieoczekiwanie bardzo nie­korzystnie (SWR > 4,5). Może to być wywołane rezonansem indukcyjności i pojemności symetryzatora.

W paśmie 28 MHz symetryzatory (b i d) poprawiają nieco sytua­cję (SWR < 3), lecz antena mimo to nie jest dopasowana.

Z powyższego wynika, że po wykonaniu tej anteny celowe jest wykonanie pomiarów SWR i kompromisowe dostrojenie na wszystkich pasmach.

Dostrojenie można przeprowadzić zmianą symetryzatora, dodaniem pojemności, zmianą wysokości zawieszenia, długości poszczególnych od­cinków. Przy tym wszystkim nie należy zmieniać częstotliwości rezo­nansowej odsprzęgaczy (7,05 MHz). Charakterystyka kierunkowa ante­ny zależy od częstotliwości. Ponieważ rozkład prądu w antenie jest nie­typowy, na rys. 5 pokazano charakterystyki promieniowania tej anteny.