Anteny SP3L - Antena LPi

LPi — szerokopasmowa antena zasilana na końcu

Anteny zasilane na końcu są często wygodniejsze w użyciu od anten zasilanych w środku. Do takich anten zalicza się też LPi. Jest to antena o niezwykłych właściwościach. Po pierwsze, jeśli jest wykorzystana jako antena pionowa, to nie wymaga ani uziemienia, ani przeciwwag. Kabel koncentryczny zasilający antenę również nie stanowi ukrytej przeciwwagi tak, jak to ma miejsce w popularnej antenie EFHW. Po drugie, antena jest zaskakująco szerokopasmowa. Jest często w stanie pokryć dwa sąsiednie pasma amatorskie KF, a w niektórych przypadkach nawet trzy. Dalej opisana prototypowa antena LPi pokrywa zakres od 21 do 29,7 MHz — czyli trzy pasma KF, nie licząc CB. Po trzecie, antena jest bardzo prosta w budowie. Nie wymaga, żadnych specjalistycznych narzędzi ani dużych umiejętności.

Konstrukcja anteny oparta jest o trzy równoległe przewody, umieszczone w niewielkiej odległości od siebie. Są one połączone ze sobą w taki sposób, że przypominają dużą łacińską literę L i dużą grecką literę Pi. Stąd tak nazwa całej anteny. Przedstawia to poniższy rysunek.

Jak widać, antena zasilana między „literą L”, a „literą Pi”. Rysunek dla większej przejrzystości, nie został narysowany z zachowaniem prawdziwych proporcji. W rzeczywistości, odległości między pionowymi przewodami są znacznie mniejsze.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że LPi jest po prostu złożoną w pół anteną End-Fed Zepp (nazywaną też J-Pole). Jednak nie. Pokazuje to poniższy rysunek.

Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez każdy z trzech równoległych przewodów silnie wpływa na siebie nawzajem i trudno jest wyobrazić sobie rozkład prądów w każdym z przewodów, a tym bardziej przesunięcia fazy. Na pomoc przychodzi nam jednak oprogramowanie do symulacji anten. Symulacje pokazują, że charakterystyka promieniowania anteny oraz jest zysk są bardzo zbliżone do dipola półfalowego. Niezwykle zaskakuje jednak duży zakres częstotliwości pracy anteny, który silnie zależy od odległości D między przewodami.

Na wykresie powyżej widzimy przebieg WFS w funkcji częstotliwości dla różnych wartości D. Jako użyteczne pasmo pracy anteny przyjęto zakres częstotliwości, dla którego WFS ≤ 3:1. Dla takich wartości dodatkowe straty w kablu koncentrycznym pozostają jeszcze na niskim poziomie, a każdy współczesny transceiver wyposażony we wbudowaną skrzynkę antenową poradzi sobie z dopasowaniem do anteny. Jak widać, nawet dla bardzo niewielkiej wartość D, wynoszącej 0,001 długości fali (WL) najniższej częstotliwości pracy, LPI ma szersze pasmo niż centralnie zasilony dipol półfalowy. W miarę wzrostu D rośnie też pasmo pracy i dla D=0,01 WL osiąga ono stosunek najwyższej do najniższej częstotliwości pracy równy 1,46. To 4 razy więcej niż ma dipol! Wykresy wykonano dla impedancji wejściowej 200 omów dla LPi i 75 omów dla dipola.

Aby zrozumieć, skąd bierze się tak szerokie pasmo pracy, warto spojrzeć na wykres impedancji wejściowej anteny w funkcji częstotliwości.

Antena osiąga rezonans (X=0) przy trzech częstotliwościach leżących w zakresie pracy. Są to dwa rezonansy szeregowe i jeden równoległy. W całym zakresie pracy rezystancja anteny zmienia się w stosunkowo małym zakresie od ok. 70 omów do 370 omów. Zmiany reaktancji są również niewielkie. Przy takich wartościach R i X najlepiej jest zasilić antenę ze źródła o impedancji 200 omów.

Proces projektowania anteny LPi należy rozpocząć od określenia najniższej i najwyższej częstotliwości pracy (Fmin i Fmax) oraz ich stosunku (Fmax/Fmin). Można wybrać stosunek z zakresu od 1,18 do 1,48. Dla wybranej wartości Fmax/Fmin odczytujemy wymiar D anteny z wykresu poniżej. D jest to wyrażona w długości fali (wavelength) najniższej częstotliwości pracy Fmin.

Znając D, możemy teraz określić wymiary A i B. Odczytujemy je z wykresu poniżej.

Teraz wystarczy przeliczyć wymiary A, B i D z długości fal na metry. Każdy z wymiarów mnożymy przez 300 i dzielimy przez Fmin wyrażoną w MHz.

Wymiary otrzymane w ten sposób będą prawidłowe dla anten na zakres częstotliwości zbliżony do 10-15 MHz, wykonane z przewodu o średnich zbliżonej do 2 mm. Nie będą dokładne dla częstotliwości mocno odbiegających od tego zakresu np. 3,5 MHz czy 28 MHz, czy dla przewodów o innych średnicach. Dla tego zalecane jest wykonanie symulacji anteny zaprojektowanej w powyższy sposób w jednym z popularnych symulatorów (EZNEC, 4nec2, MMANA-GAL) i "dociągnięcie" wymiarów w celu osiągnięcia najniższego WFS w interesującym nas zakresie częstotliwości. Poniższa tablica została opracowana z myślą o krótkofalowcach, którzy nie są biegli w posługiwaniu się symulatorami anten. Zawarłem w nich projekty anten na najbardziej typowe zakresy KF, na które można skonstruować LPi.

Powyższe analizy i symulacje wykonano dla anteny w wolnej przestrzeni. Jednak jak wiadomo, bliskość ziemi wpływa nie tylko na charakterystykę promieniowania, ale także na impedancję anteny, a w konsekwencji na WFS. Przeprowadziłem wiele symulacji, aby ustalić, jak mocno zmienia się WFS poziomo zawieszonej anteny LPi w zależności od wysokości instalacji. Wyniki okazały się bardzo satysfakcjonujące. Nawet dla najniższych pasm i niewielkich wysokości instalacji, wpływ bliskości ziemi był niewielki. Widać to na wykresach poniżej. AGL oznacza wysokość nad ziemią (Above Ground Level).

Wpływ bliskoci ziemi dla poziomych anten LPi na wyższe pasma KF by jeszcze mniej widoczny. Tak samo jak i dla pionowych anten LPi. WFS tej anteny nie jest wrażliwy na blisko ziemi.

Symulacje anteny LPi dawały bardzo podobne wyniki w różnych symulatorach, niemniej, aby być całkowicie pewien, że taka antena zadziała, należało zbudować prototyp i zobaczyć, czy pomiary rzeczywistego WFS będą zgadzać się z tym symulowanymi. Antena LPi może być instalowana w dowolnym położeniu: pionowym, poziomy, czy ukośnym. Postanowiłem skonstruować antenę pionową na zakresy: 15, 12 i 10 m.

Wykorzystałem wędkę z włókna szklanego jako maszt anteny, do którego przymocowałem poprzeczki z tworzywa sztucznego, rozsuwające przewody na właściwą odległość. Aby nie kaleczyć powierzchni masztu, zastosowałem obejmy rurowe wykonane zgodnie z normą DIN3015. Również przy pomocy takiej obejmy umocowałem do masztu obudowę układu dopasowującego. Obejmy DIN3015 występują w różnych rozmiarach i są dostępne w wielu sklepach internetowych. Bez trudu można je dopasować do średnicy masztu na różnej wysokości. Poprzeczki anteny prototypowej wykonałem z prętów kwadratowych wykonanych z ABS. Lepszym materiałem byłby tutaj poliwęglan, gdyż jest on bardziej odporny na promieniowanie UV, ale nie udało mi się takich elementów znaleźć. Generalnie obejmy skręcane są śrubami stalowymi, ale w obejmie mocującą najwyższą poprzeczkę zastosowałem śruby M6 z poliamidu (nylonu). Dzięki temu uzyskałem zmniejszenie masy przymocowane do cienkiego już na tej wysokości masztu.

LPi powinna być zasilona źródłem o impedancji 200 omów. Dlatego konieczny jest obwód dopasowujący. Składa się on z transformatora niesymetrycznego unun o przekładni impedancyjnej 4:1 oraz dławika sygnału wspólnego (nazywanego też balunem prądowym 1:1).

Transformator i dławik nawinięte zostały na rdzeniach pierścieniowych o zewnętrznej średnicy 1,4 cala wykonanych z materiału 43 produkcji Fair-Rite (typ 5943002701). W obu przypadkach w uzwojeniach zastosowałem przewód koncentryczny RG174. I transformator i dławik mają po 8 zwojów. Zastosowanie przewodu koncentrycznego w transformatorze unun zdało lepsze rezultaty niż para przewodów. W paśmie 21-29,7 MHz udało się uzyskać rzeczywistą przekładnię bardziej zbliżoną do 4:1. poniżej zdjęcie prototypowego obwodu dopasowującego.

Antena wykonana według wymiarów z tablicy podanej wyżej i zainstalowana na poręczy balkonu okazała się mieć pasmo pracy nieco przesunięte w dół. Prawdopodobnie wywołane to zostało bliskością masztu z włókna szklanego i innych obiektów w bliskiej przestrzeni. Po kilku próbach zakończyłem antenę z wymiarami A=2,29 m, B=5,59 m i D=14.4 cm.

WFS zmierzony bezpośrednio na złączu SO-239 obwodu dopasowującego zbliżał się do 3:1 na krańcach pasma pracy (21,0 i 29,7 MHz) i miał minimum 1,3:1 na 22,7 MHz. A zatem było to blisko temu, co pokazywały symulacje. Po podłączeniu kabla koncentrycznego i zmierzeniu WFS na jego końcu przy transceiverze osiągnięto oczywiście niższe wyniki. Jest tak zawsze na skutek tłumienia wprowadzanego przez kabel. Jak widać na poniższym wykresie uzyskano WFS < 2,5:1 dla dowolnej częstotliwości między 21 a 29,7 MHz.

W prototypowej instalacji, zastosowałem jeszcze jeden dławik sygnału wspólnego (balun 1:1) na kablu koncentrycznym 2,5 metra od obwodu dopasowującego. Dławik zainstalowany w takim miejscu minimalizuje możliwość zaindukowania się prądu wspólnego w kablu na skutek promieniowania samej anteny. Takie dodatkowe zabezpieczenie to dobra praktyka nie tylko w przypadku anteny LPi, ale także przy antenach zasilanych na końcu, czy antenach typu ground plane. Dławik najlepiej jest wpiąć w odległości około 1/4 długości fali obliczonej dla najwyższej częstotliwości pracy. W przypadku Fmax=29,7 MHz wychodzi około 2,5 m.

Jeśli chcecie trochę poeksperymentować z anteną, to można zwiększyć D do 16-17 cm. Taka zmiana powinna obniżyć WFS na krańcach zakresu kosztem zwiększenia go w środku zakresu.

Skoro już mowa o eksperymentowaniu, zbudowałem również wersję opartą o aluminiowy maszt. Symulacje wskazywały, że przy środkowym przewodzie znacznie grubszym niż oba zewnętrzne, impedancja anteny zmieni się i lepiej będzie zasilać ją ze źródła o impedancji bliższej 100 omom niż 200 omom. Zastosowałem unun 9:4 podnoszący impedancję z 50 omów do 112,5 oma. Jednak pasmo, jakie uzyskałem, było mniejsze niż dla anteny wykonanej z przewodów o średnicy 2 mm. Nie potrafię przesądzić, czy zawiniła tu niedoskonałość obwodu dopasowującego, czy też nie doskonałość symulacji. Jak wiadomo, symulatory oparte o silniki NEC-2 i NEC-4 tracą swoją dokładność kiedy antena składa się z równoległy, blisko siebie umieszczonych przewodników o znacznie różniących się średnicach. Być może tę wadę ma również silnik NEC-5? Zapewne metodą prób i błędów udałoby się w końcu znaleźć taki układ dopasowujący, który zapewniłby równie szerokie pasmo, jakie ma antena zbudowana na maszcie z włókna szklanego. Jednak nie miałem aż tyle cierpliwości. Jeśli chcecie pójść tą drogą, bądźcie gotowi poświecić więcej czasu na dopracowanie obwodu dopasowującego.

Testy porównawcze anteny LPi z anteną pionową GP-7DX pokazały, że miały one praktycznie takie same osiągi. Obie działały bardzo dobrze na wszystkich trzech pasmach. Zatem antena LPi charakteryzuje się wysoką skutecznością. Jednocześnie jest ona bardzo prosta w budowie i strojeniu. Może ją zbudować nawet początkujący "anteniarz". Przy pionowej orientacji promieniuje pod niskimi kątami podobnie jak pionowy dipol, dzięki czemu świetnie nadaje się do pracy DX-owej. Jeżeli w miejscu instalacji znajduje się dużo przeszkód dla fal radiowych w postaci budynków, metalowych płotów itp. zalecałbym instalację anteny nie tuż nad ziemią, ale kilka metrów wyżej, a nawet na dachu. Jest to możliwe dzięki temu, że antena zajmuje bardzo niewiele miejsca i nie potrzebuje żadnej przeciwwagi. Używam LPi już ponad dwa lata i mogę z czystym sumieniem polecić ją każdemu krótkofalowcowi.