Znane są różne metody skracania długości dipola przy zachowaniu możliwości jego pracy na tym samym paśmie. Można zastosować cewki indukcyjne, obciążenie liniowe albo parasolki pojemnościowe (capacitance hats) na jego końcach. Zwykle długość tak skróconego dipola wynosi około 1/4 długości fali. Postanowiłem sprawdzić, czy można go skrócić jeszcze bardziej - do 1/8 długości fali, zachowując wciąż jeszcze akceptowalny zysk i szerokość pasma.
Zamodelowałem wiele skróconych dipoli o 1/8 długości fali z różnego rodzaju parasolkami pojemnościowymi na końcach. Anteny opisane poniżej są zaprojektowane na pasmo 20 m (częstotliwość środkowa Fc=14,175 MHz). Oczywiście, można je przeskalować w górę lub w dół na inne pasmo.
Wszystkie modele miały główny wibrator o długości 2,5 metra z centralnym punktem zasilania. 2,5 metra to około 1/8 długości fali w paśmie 20 m. Minidipole różnią się parasolkami pojemnościowymi zamontowanymi na końcach wibratora. Większość parasolek (choć nie wszystkie) zostały pomyślane do rozpięcia na wspornikach w kształcie krzyża. Zatem konstrukcja wsporcza w większości przypadków wygląda tak jak na szkicu poniżej.
W tablicach poniżej zaprezentowano widoki i osiągnięte parametry różnych anten poddanych symulacji.
W większości przypadków strata w zysku w stosunku do pełnowymiarowego dipola jest niewielka (-0,7 ... -0,5 dBd). Zysk pozostaje niemal stały w całym paśmie (+/- 0,1 dB).
Charakterystyka promieniowania jest praktycznie identyczna z charakterystyką dipola półfalowego. Spójrzmy poniżej.
Wszystkie modele mają rezystancję rezonansową zbliżoną do 12,5 oma, co powoduje, że stosunkowo łatwo jest je dopasować do kabla koncentrycznego 50 omów. Można w tym celu użyć balun 1:4 taki jak w Cobwebie wg G3TXQ.
Z drugiej strony występują znaczące różnice między modelami w rozmiarach i szerokości pasma. Wydaje się, że najpopularniejszymi kształtami parasolek są: Checkbox i Spirala 1-ramienna. Pierwszy rodzaj daje całkiem szerokie pasmo, ale drugi jest raczej kiepskim pomysłem. Można zaobserwować poprawę w spirali 2-ramiennej, a spirala 4-ramienna jest jeszcze lepsza. Nie rekomendowałbym budowania prostej spirali 1-ramiennej.
Trójkąty nr 1 i nr 2 mogą zainteresować tych, którzy chcieliby schować swój minidipol pod dachem.
Minidipole z parasolkami w kształcie trójkąta nr 1 można zbudować na dwóch słupach, dodając 4 liny kotwiczące dolne końce przewodów (będzie to wyglądać trochę jak namiot).
Kliknij tutaj, aby ściągnąć zestaw modeli tych anten.
Zasymulowałem także krótsze dipole o 1/12 długości fali. Ich rezystancja rezonansowa spadła do 5,6 oma, czyli 1/9 z 50 omów. Wyniki symulacji zebrano w poniższej tablicy.
Minidipole 1/12 długości fali mają węższe pasmo pracy. Niektóre z parasolek staja się niepraktyczne ze względu na zbyt małe pasmo. Inne, które jeszcze się nadają (np. Checkbox) są raczej duże w porównaniu z długością anteny. W mojej ocenie dipole 1/12 długości fali są niepraktyczne.
Generalnie, kiedy skraca się pełnowymiarowy dipol dodając na jego końcach parasolki pojemnościowe dla utrzymania rezonansu na tej samej częstotliwości występują następujące zmiany:
1) rezystancja rezonansowa obniża się,
2) rozmiar parasolek rośnie,
3) szerokość pasma maleje,
4) zysk antenowy maleje.
Minidipole 1/8 długości fali wydają się być dobrym wyborem na skróconą antenę ponieważ:
1) ich rezystancja rezonansowa jest bliska ¼ x 50 omów, co ułatwia dopasowanie do kabla koncentrycznego,
2) rozmiar parasolek jest jeszcze w akceptowalnej proporcji do długości anteny,
3) zmniejszenie zysku jest niewielkie,
4) przy wyborze odpowiedniego typu parasolki, szerokość pasma jest wystarczająca dla zakresów 40-12 m; można połowę lub nieco więcej pasma 10 m; można pokryć około 100 kHz w pasmie 80 m choć ze względu na rozmiary parasolek minidipol 1/8 długości fali uznany będzie przez większość z nas za niepraktyczny dla tego pasma.
Możliwe jest zbudowanie pętlowej wersji minidipola. Pętlowy minidipol z parasolkami w kształcie 4-ramiennych spiral wygląda jak na rysunku poniżej.
Wymiary są takie same jak dla wersji podstawowej: 2,5 m między parasolkami, a każda z nich oparta jest o wsporniki 1-metrowe. Rezystancja rezonansowa jest cztery razy większa i wynosi 50 omów.
Osiągi minidipola pętlowego przedstawia poniższa tablica.
Charakterystyka promieniowanie jest taka sama jak dla dipola.
Rozkład prądu wygląda intrygująco.
Wartość prądu pozostaje niemal stała w każdym punkcie pętli. Zmniejsza się on do zera dopiero w ramionach spirali nie wchodzących w skład pętli.
Odstęp miedzy wolnymi końcami a sąsiednimi przewodami anteny wynosi ok. 10 cm. Myślę, że to wystarczająco dużo dla nadajnikach o mocy do 200 W.
Jeśli wygenerujemy wykres SWR powyższego minidipola pętlowego w szerszym zakresie częstotliwości, zauważymy, że ma on harmoniczny rezonans w okolicy 30 MHz.
Czy da się przesunąć rezonans harmoniczny nieco w dół i uzyskać antenę dwupasmową? Okazuje się, że tak. Nie jest to trudne. Wystarczy dodać do anteny dwa zwisające przewody o długości 1 metr.
Ta prosta sztuczka pozwala przesunąć rezonans harmoniczny w dół i dopasować jego położenie do pasma 10 m niemal nie wpływając na rezonans podstawowy w paśmie 20 m. Wykresy poniżej.
Charakterystyka promieniowanie w paśmie 10 m jest zbliżona do dipola, ale z pewną preferencją kierunku X względem kierunku Z.
Myślę, że interesującym może być przyjrzenie się rozkładowi prądu dla tego pasma.
4-ramienne spirale to nie jedyny typ parasolek, który można zastosować o budowy pętlowego minidipola. Można wykorzystać także spirale 2-ramienne. Być może istnieją jeszcze jakieś inne możliwości, ale mi wyszedł projekt jak niżej.
Przewody "dostrojcze" biegną po izolowany bomie. Poniżej zebrano podstawowe parametry.
I rozkład prądu.
Do zbudowania i przetestowania wybrałem wersję pętlową z 4-ramiennymi parasolkami i zwisającymi dodatkowymi przewodami.
Poniżej zdjęcia anteny eksperymentalnej w budowie.
Przed budową eksperymentalnej anteny zamodelowałem ją w drugim symulatorze - w MMANA-GAL. Według MMANA-GAL rezonans anteny wypadł wyżej niż w przypadku symulator 4nec2. Musiałem w modelu wydłużyć ostatnie odcinki przewodu ramion spiral, by sprowadzić rezonans na tę sama częstotliwość jak w symulatorze 4nec2. W 4nec2 te odcinki miały 60 cm, w MMANA-GAL - 71 cm. W rzeczywistej antenie zostawiłem na wszelki wypadek 75 cm.
Podniosłem antenę na wysokość 4,5 metra nad ziemię. Nie odważyłem się podnosić jej wyżej ponieważ nie stosowałem odciągów do mojego delikatnego masztu teleskopowego. Pierwszy pomiar SWR pokazał, że antena stroi za nisko. Najwyraźniej zatem wyniki 4nec2 okazały się bardziej wiarygodne. Skróciłem przewody o 12 cm. W tedy wykres rzeczywistego SWR zmienił się na taki jak niżej.
Jak widać przesunąłem minima na początki pasm. Gdybym zamierzał rzeczywiście używać tę antenę, to powinien ją jeszcze trochę skrócić. O kolejne 5-8 cm. Jednakże uznałem, że osiągnięte rezultaty są wystarczające do potwierdzenia, że rzeczywisty minidipol zachowuje się tak jak jego model komputerowy. Okazało się też, że silnik NEC-2 w symulatorze 4nec2 poradził sobie z tą anteną lepiej niż silnik MININEC w symulatorze MMANA-GAL. W symulatorze EZNEC należy oczekiwać identycznych wyników co w 4nec2, tj. bardzo zbliżonych do rzeczywistych.
Rzeczywisty SWR jest niższy niż symulowany z powodu wpływu linii zasilającej antenę. Zastosowałem 35 metrów kabla koncentrycznego RG-58. Jego stratność jest dość wysoka i dlatego SWR mierzony na końcu przy nadajniku jest niższy niż ten w punkcie zasilania anteny.
Połączyłem minidipol z moim transceiverem i porównałem go z Kocimi Wąsami - anteną szerokopasmową zamontowaną na 10 metrowym maszcie. Podczas testów odbiorczych na paśmie 20 m, minidipol okazał się on o ułamek S słabszy od Kocich Wąsów, ale czasami nie byłem w stanie powiedzieć, z której anteny przychodzi silniejszy sygnał. Anteny nie były idealnie ustawione względem siebie więc czegoś podobnego można się było spodziewać. Tło szumów na obu antenach było bardzo podobne.
W paśmie 10 m minidipol generował słabszy sygnał niż Kocie Wąsy. Brzmiał on tak jakbym wyłączył przedwzmacniacz w.cz. w moim transceiverze. To samo dotyczyło poziomu tła szumów. Być może było to spowodowane większym tłumieniem kabla RG-58 w paśmie 10 m (Kocie Wąsy były zasilane niskostratnym kablem RF-7), a może przyczyną była inna charakterystyka promieniowanie anten ze względu na różne wysokości.
Podsumowując.
Da się zbudować pętlowy minidipol z parasolkami w postaci 4-ramiennych spiral i zwisającymi przewodami i używać go na dwóch pasmach o częstotliwościach 1F i 2F. Eksperymentalna antena osiągnęła zadowalającą szerokość pasma na obu pasmach.
Eksperyment pokazał, że komputerowy model anteny przewidział rzeczywistość całkiem dobrze. Można ufać modelom symulowanym w 4nec2 lub EZNEC. MMANA-GAL przewidywała rezonans na wyższej częstotliwości niż w rzeczywistej antenie. Różnica nie była jednak duża.
Nie powinniście mnie naśladować w doborze materiałów na tę antenę. Nigdy nie planowałem używać tej anteny do czegoś więcej niż tylko weryfikacja modelu komputerowego. Rury PCV są zbyt giętkie i nie są odporne na promieniowanie ultrafioletowe słońca. Pewnie można zastosować rury PCV w antenie wewnętrznej, ale raczej nie w zewnętrznej.