Jak to mówią starzy krótkofalowcy, jak nie masz co zrobić – to zrób sobie antenę. Można się do tego stwierdzenia przychylić – samodzielne zrobienie transceivera to zadanie z jednej strony wymagające sporej wiedzy o elektronice; z drugiej, nawet składając gotowy kit – bardzo czasochłonne. Zrobienie anteny, czy to na KF, czy UKF, to satysfakcjonujące osiągnięcie, które można upchnąć w pojedyncze popołudnie. Łatwo też o sprzęt pomiarowy – VNA za 200 zł spokojnie wystarczy do zmierzenia większości rzeczy.
Więc gdy krótkolowiec, młody bądź stary, zrobi już swój dipol na 2m, vertical na 70 cm i endfeda na KF, zaczyna się zastanawiać gdzie można pójść dalej i co zrobić lepiej – jak zrobić lepszą antenę, tzn. taką która lepiej nadaje i odbiera.
Na KF, będąc ograniczonym lokalowo, szybko można dotrzeć do szklanego sufitu – druty lubią być wysoko nad ziemią i w otwartej przestrzeni, sąsiedzi i współdomownicy nie lubią takich drutów. O dodatnie wartości dBd łatwiej jest na UKF-ie.
Anteny typu Yagi-uda są dobrym wyborem, bo są a) wykonalne b) powtarzalne c) przez ostatnie kilkadziesiąt lat sporo mądrych umysłów przetarło szlaki na tyle, że nie trzeba samemu zastanawiać się jak daleko umieścić pierwszy direktor od dipola. Są natomiast o tyle złym wyborem, że mają zysk, ale ściśle kierunkowy, tzn. potrzebujemy rotora. A my chcemy gadać na dwóch metrach, w FM, ze wszystkimi – bez kręcenia.
Skoro nie antena kierunkowa, to może antena dookólna z zyskiem (czyli.. też kierunkowa, bo zysk nie bierze się z nikąd, a tylko z tego, że z jednych kierunków trzeba zabrać, żeby móc dać w innych). Najpopularniejsze pionowe anteny UKF to zdecydowanie seria “X” firmy Diamond oraz odpowiedniki od firm Comet, Lafayette i innych. Są to anteny kolinearne, wykorzystujące kilka elementów promieniujących zasilanych z odpowiednimi przesunięciami fazowymi – odpowiednik umieszczenia dwóch lub więcej dipoli jeden nad drugim. Samodzielne opracowanie i wykonanie takiej anteny w warunkach domowych jest niesamowicie ciężkie, a w przypadku anteny dwupasmowej – prawie niemożliwe. Każda cewka i kondensator w takiej antenie jest elementem krytycznym, który determinuje przesunięcia fazowe na poszczególnych elementach, a tym samym ukształtowanie wiązki promieniowania – i jest to parametr, którego pomiar w warunkach amatorskich jest praktycznie niemożliwy. Należałoby dysponować komorą bezechową i odpowiednią (ruchomą) sondą. Bez tego.. duże otwarte pole, wysoki maszt i …dron z sondą w.cz.? Można próbować pójść przetartym szlakiem i budować amatorskie klony konstrukcji fabrycznych – wielu kolegów z sukcesem powieliło “Diamondy” a w internecie krążą instrukcje. Jest to natomiast praca wymagająca dużej dokładności i prezycji, a rezultaty są ciężko mierzalne – SWR w żaden sposób nie informuje nas o tym czy taka antena pracuje poprawnie.
No więc, wracając do tytułowego J-pole czyli “jotki” albo “dżej-połla”. Po zrobieniu swojego verticala 1/4 fali, człowiek naturalnie chce mieć dłuższą (czyli, w teorii, lepszą) antenę. Fazowane, jak opisano wyżej, są za trudne, dipol – z kolei za prosty. To może J-pole!
Rozważania prowadzimy dla pasma 2 metry – 145 MHz. Jotka dla tego pasma ma długość ok. 1,5 metra i wyglądem przypomina – tak, dokładnie – literkę wielkie “J”. Mamy więc promiennik o długości metra, sekcję dopasowującą (dwa równoległe druty), do której na dole lutujemy zasilający kabel koncentryczny, oraz zwarcie – co początkowo może wyglądać niedorzecznie – bo jak to, zwarcie w antenie – ale nie jest niczym strasznym. Obraz będzie tu lepszy niż tysiąc słów (zrzut ekranu z kalkulatora J-pole wg. M0UKD):
Dywagując dalej – jak działa taka antena? Krótkofalowiec po egzaminie instynktownie rozumie (a przynajmniej powinien), rozumieć ideę tego jak działa dipol półfalowy czy np. vertical (który elektrycznie też jest dipolem). Zasadniczo, jak ilustrują świetne animacje na anglojęzycznej wikipedii, chodzi o to żeby przepychać elektrony w przewodniku, wytwarzając w ten sposób zmienne pole elektromagnetyczne.
Nieinaczej działa nasz J-pole. Górna sekcja o długości jednego metra, nazwijmy ją roboczo promiennikiem, jest niczym innym jak… dipolem. Ale jak to – przecież dipol to dwa druty zasilane w środku..? W najbardziej klasycznej formie – tak, ale nic nie stoi na przeszkodzie (a na falach krótkich sytuacja lokalowa czasem wręcz tego wymaga), żeby dipol zasilić trochę poza jego geometrycznym środkiem, czyli: jedno ramię dłuższe, jedno krótsze.
Takie coś nazywa się zwyczajowo anteną OCFD – off center fed dipole, czyli po naszemu: dipol zasilany poza środkiem. Przyjmuje się, że zasilany w środku dipol, umieszczony w wolnej przestrzeni, ma impedancję 75 Ohm. Im bardziej przesuwamy punkt zasilania w stronę końca (tudzież początku) anteny, tym bardziej impedancja wzrasta, aż do momentu gdzie punkt zasilania znajdzie się na samym końcu anteny. Mamy wtedy zasilany na końcu, półfalowy kawałek drutu, czyli hit wielu ostatnich lat – endfeda. Realna impedancja takiej anteny to około 1800 do 5000 Ohm.
Oczywiście jeśli taka antena ma działać z transceiverem o impedancji 50 Ohm, należy ją odpowiednio przetransformować. Na KF, najpopularniejszy sposób dopasowania to szerokopasmowy transformator nawinięty na rdzeniu toroidalnym, o przekładni 49:1 lub 64:1, co zamienia zakres 1800-5000 Ohm, na, odpowiednio 36-102 lub 28-78 Ohm, czyli SWR poniżej 2:1. Taki współczynnik fali stojącej pozwala na spokojne nadawania bez obaw o końcówkę mocy.
Sprawa dopasowania jest nieco trudniejsza dla pasm takich jak 2 metry i wyżej – rdzenie z popularnych materiałów nie działają przy tak wysokich częstotliwościach, więc żeby dopasować ~3000 Ohm do ~50 Ohm, należy skorzystać z innej metody. Na ratunek przychodzi transformator ćwierćfalowy, czyli odcinek linii transmisyjnej (np. kabla koncentrycznego) o długości elektrycznej 1/4 fali. Elektrycznej, czyli uwzględniającej współczynnik skrócenia – ćwierć fali dla pasma 2 m to 50 cm, ale po uwzględnieniu skrócenia, dla przykładowego kabla H155 będzie to 0.81 * 50 cm = ~40,5 cm.
Przekładnia transformatora nawiniętego na rdzeniu, zależy od kwadratu stosunku ilości zwojów, tzn. stosunek 7:1 daje nam przełożenie 49:1, a 8:1 – 64:1. Linie ćwierćfalowe działają troche inaczej – aby obliczyć impedancję potrzebnego odcinka linii transmisyjnej, musimy pomnożyć przez siebie wartości impedancji które chcemy dopasować, czyli 3000 i 50 Ohm, po czym wyciągnąć z tego pierwiastek. Kalkulator potwierdza – żeby przetransformować 3000 Ohm na 50 (i odwrotnie), należy wziąć kawałek linii o impedancji 387,3 Ohm.
Pan w sklepie z kablami zapytany o taki koncentryk najprawdopodobniej odpowie, że ma tylko 50 i 75 Ohm na stanie, a na zamówienie może dałoby się dostać 100. Jeśli pan w sklepie legitymuje się siwizną, to możliwe że wspomni o płaskich kablach TV o impedancji 300 Ohm, zbudowanych z dwóch równoległych przewodów (żył miedzianych) zatopionych we wspólnej izolacji. Taka impedancja jest (w praktyce) nieosiągalna dla kabli koncentrycznych – kabel musiałby (wg. kalkulatora) mieć kilkadziesiąt cm średnicy i żyłę 0,5 mm w środku.
Skorzystajmy z innego kalkulatora aby obliczyć jak powinna wyglądać linia o potrzebnej nam impedancji 387 Ohm.
Aby uzyskać taką wartość, wystarczą dwa druty miedziane o średnicy 1 mm, umieszczone 26 mm od siebie. Jednostki są opcjonalne, możemy więc użyć rurek 1 cm i umieścić je 26 cm od siebie. Tak czy siak, czy taka linia wam coś przypomina? No tak – dolną, “dopasowującą” sekcję anteny J-pole. Bogatsi o spisaną powyżej wiedzę, wrzućmy nasze dane w program SimSmith, który pozwala symulować na wykresie Smitha różne rodzaje dopasowań:
Aplikacja jest dość skomplikowana, ale interesuje nas tylko kilka rzeczy na powyższym zrzucie. Idąc od lewej, różowy element “L” (load) udaje antenę o impedancji 3000 Ohm. Zielona linia transmisyjna “T1” o długości 46.5 cm i impedancji 387 Ohm to transformator, a “G” to nasze źródło sygnału 145 MHz, które po transformacji widzi SWR na poziomie 1.03:1 – całkiem przyzwoity. Tak prezentuje się wykres Smitha:
Wprawne oko zauważy, że w symulacji pominęliśmy jeden mały detal, a mianowicie zwarcie na “dole” anteny. Symulacja pokazuje, że da się dopasować 3000 do 50 Ohm za pomocą (tylko i wyłącznie) linii ~387 Ohm, ale co w przypadku kiedy mamy do dyspozycji tylko linię o niższej impedancji? Oto przykładowe symulacje prób dopasowania liniami 300 i 500 Ohm:
W obydwu przypadkach uzyskujemy SWR który jest niezły, bo poniżej 2:1, ale jednak nie jest to idealne dopasowanie. Spróbujmy więc użyć krótszej linii 300 Ohm i zwarcia na dole, które zasymulujemy jako zwarty odcinek lini transmisyjnej o tej samej impedancji 300 Ohm:
Taka kombinacja dwóch elementów dopasowujących pozwala nam na uzyskanie SWR 1:1 z wykorzystaniem linii 300 Ohm – T1 jest skrócony w stosunku do poprzednich zrzutów kosztem wydłużenia T2 – odpowiednio 44 i 6.25 cm.
Niestety, dla impedancji wejściowej na poziomie 3000 Ohm, nie udało mi się uzyskać dopasowania 1:1 stosując linie o impedancji powyżej wyliczonej wartości 387 Ohm. “Różowe kółko” na wykresie Smitha zawsze kończy się po “prawej” stronie, i “zielone” zwarcie nie jest w stanie zbliżyć się wtedy do środka wykresu. Należy więc mieć na uwadze, że wykorzystując sekcję dopasowującą o wysokiej impedancji (>400 Ohm), możemy skończyć z anteną, której nie da się dopasować. Nie udało się mi na symulatorze, ale M0UKD twierdzi, że można do budowy użyć kabla 450 Ohm. Symulacja z wykorzystaniem wyidealizowanych elementów niekoniecznie musi odpowiadać rzeczywistości – warto więc eksperymentować.
Ciężko przedstawić powyższe zmagania opisowo, polecam więc samodzielnie uruchomić program SimSmith i spróbować zreplikować przedstawiony układ. Wszystkie parametry, jak np. długość linii można modyfikować za pomocą rolki myszy, a wykres jest aktualizowany na żywo, co pozwala na intuicyjne tworzenie dopasowań i obserwację jak dany element zmienia pracę całości.
Należy pamiętać, że uzyskanie dobrego dopasowania do 50 Ohm, czyli SWR 1:1, nie oznacza, że mamy antenę idealną. Podejmując się budowy, chcieliśmy uzyskać lepszą antenę, ale finalnie uzyskaliśmy… dipol, z dodatkową sekcją dopasowującą, która też promieniuje, dodając odrobinę zysku – wg. wikipedii będzie to ok. 0,1 dB zysku więcej niż dipol półfalowy.
Inne artykuły, uwzględniające wpływ ziemi, wykazują nieznaczą przewagę J-pole nad klasycznym verticalem/dipolem, ale w dużej mierze wynika to z faktu, że szczyt promieniującego elementu znajduje się wyżej nad ziemią; podobny zysk możnaby więc uzyskać umieszczając szczyt verticala/dipola w tym samym miejscu.
W8JI przeprowadził dość obszerną analizę symulacyjną działania anteny J-pole (w odróżnieniu od mojej, skupiającej się tylko i wyłącznie na analizie dopasowania). Artykuł wart jest przeczytania w całości. Autor podkreśla jak wiele zmiennych wpływa na pracę takiej anteny: sposób i symetria podłączenia zasilania, średnica i długość masztu, sposób poprowadzenia kabla koncentrycznego i w sumie co dość oczywiste – średnica i odstęp między elementami samej anteny.
Istotnym problemem jest także powstawanie prądu asymetrii – J-pole to antena niesymetryczna (półfalowy element zasilany od końca), z symetryczną sekcją dopasowującą, zasilana niesymetrycznym kablem koncentrycznym – przepis na katastrofę. Aby uniknąć pojawiania się silnych sygnałów w. cz. na oplocie kabla, W8JI sugeruje dodanie przeciwwag, a inni autorzy – co najmniej choke baluna.
Czy warto więc budować antenę J-pole, by finalnie uzyskać antenę bardziej skomplikowaną niż dipol, nielepszą niż dipol, problematyczną w symetryzacji i z dość nieprzewidywalną charakterystyką kierunkową? W teorii – nie, w praktyce natomiast, każda konstrukcja amatorska daje twórcy bezcenne doświadczenie – nawet nieudana. Zaletą J-pole jest prostota konstrukcyjna – zrobienie “J” z drutu miedzianego 2.5 mm², przylutowanie koncentryka (pod odpowiedni SWR) i umieszczenie całości w rurce PCV jest jeszcze prostsze niż budowa verticala z przeciwwagami, a następnie próby zabezpieczenia całości przed działaniem wody. Nawet jeśli pojawią się problemy z w. cz. czy zyskiem innym niż oczekiwany, to pamiętać trzeba, że słaba antena jest lepsza niż brak anteny. W kategorii dookólnych anten pionowych warto natomiast rozważyć konstrukcję anteny T2LT tudzież “flowerpot” – zwykły dipol, ale zasilany na końcu i niewymagający przeciwwag, aczkolwiek przez swoją “dipolowość”, SWR będzie raczej bliższy 1.5:1, nie żeby miało to komuś czy czemuś zaszkodzić…
Jako ciekawostka – antenę J-pole da się zbudować wykorzystując kabel koncentryczny 50-ohm jako sekcję dopasowującą, ale takie dopasowanie jest bardzo wąskopasmowe (SWR >2.5:1 na końcach pasma 2m) i wrażliwe na dokładność wykonania, jak i czynniki zewnętrzne.
73 ES MERRY XMAS ES HNY2T24 DE SQ3SWF E E