5-pasmowy cubical quad wymaga do pracy albo przekaźników przełączających pasma, albo linii okienkowej i ATU o szerokim zakresie SWR (projekt DK7ZB). I choć takie anteny są budowane i użytkowane, zawsze wydawało mi się, że to jest jakaś niedoskonałość. Wiele moich pierwszych prób zaprojektowania 5-pasmowego cubical quada, nie wymagającego przekaźników i mającego niski SWR, nie powiodło się.
Główną przyczyną tego stanu rzeczy jest to, że kwadratowa pętla ma harmoniczny rezonans na częstotliwości około 2F. Element na pasmo 20 m rezonuje także na 27,45 MHz, co przeszkadza pętlom na zakresy 12 i 10 m. W rezonansie na drugiej harmonicznej pętla promieniuje w górę i w dół, w lewo i w prawo, ale nie w przód i w tył, jak to się dzieje na częstotliwości podstawowej. Próbowałem różnych kształtów anten, ale nic nie mogłem osiągnąć. Byłem przekonany, że to niemożliwe.
Ale nigdy nie mów nigdy!
Porównajmy klasyczną pętlę kwadratową z pętlą zasilaną w dwóch miejscach - w środach górnego i dolnego boku.
Tę drugą antenę nazywam pętlą z rozdzielonym punktem zasilania SFP (split feed point). Dwie linie długie łączą punkt zasilania umieszczone teraz w środku anteny ze środkami jej górnego i dolnego boku. Porównajmy wykresy modułu i fazy impedancji wejściowej takich anten.
Klasyczna pętla kwadratowa (5,58 x 5,58 m) ma rezonans podstawowy na częstotliwości 14,175 MHz, a kolejny rezonans niskoimpedancyjny na 27,45 MHz. Można powiedzieć, że na drugiej harmonicznej. Wykres poniżej.
Pętla SFP nie ma rezonansu na drugiej harmonicznej, ale pomiędzy drugą a trzecią harmoniczną. Przy wymiarach 5,58 x 5,58 m i 300 omowych liniach długich, podstawowy rezonans ma miejsce dla 11,8 MHz, a kolejny dla około 26,9 MHz.
W istocie rzeczy, pętlę SFP można uznać za układ dwóch dipoli z zagiętymi końcami. Jeśli przerwiemy antenę w połowie pionowych boków i rozsuniemy nieco od siebie górną i dolna część anteny, parametry anteny nie ulegną zmianie. Pokazuje to poniższy rysunek.
Pętla SFP i układ dwóch dipoli z zagiętymi końcami są elektrycznie równoważne. Ale to nie wszystko.
Jeśli dobierzemy impedancję falową linii długich (300, 450, 600 omów) możemy osiągnąć inną impedancję wejściową anteny. Także długość tych linii ma na to wpływ.
Kolejnym interesującym faktem jest to, że można albo skorzystać z rezonansu o niskiej impedancji na 11,8 MHz, albo z rezonansu o wysokiej impedancji na 16,1 MHz (por wykres |Z|/Faza pętli SFP). Trzy powody przemawiają za wyborem rezonansu o wysokiej impedancji:
moduł i faza impedancji zmieniają się łagodniej wokół tej częstotliwości, co powinno ułatwić osiągnięcie szerokiego pasma pracy,
impedancja ta jest relatywnie niska (około 760 omów) i wydaje się możliwe jej dalsze obniżenie przez dobór linii długich,
zysk anteny jest większy przy rezonansie wysokoimpedancyjnym niż przy niskoimpedancyjnym (3,75 dBi wobec 2,92 dBi)
Jest też i jedna wada takiego wyboru. Dla tej samej częstotliwości pracy, wymiary pętli musza być większe. Mino tej wady, pozostałem przy opcji rezonansu wysokoimpedancyjnego i udało mi się zaprojektować 5-pasmowy SFP cubical quad.
Antena wygląda jak niżej.
Wszystkie przewody w modelu są miedziane o średnicy 2 mm. Impedancja falowa linii długich wynosi 450 omów. Oba jej odcinki w modelu NEC maja po 2,5 metra, ale w rzeczywistej antenie należy uwzględnić współczynnik skrócenia VF. Zwykle dla linii okienkowej o impedancji falowej 450 omów wynosi on 0,9-0,91. Zatem w rzeczywistej antenie należy zastosować dwa odcinki po 2,25 +/- 0,05 m. Punkt zasilania wypadnie nieco bliżej wibratora niż pokazuje to rysunek. Główny punkt zasilania jest na bomie anteny, natomiast rozdzielone punkty zasilania są 1,87 m powyżej i poniżej bomu.
Impedancja wejściowa anteny wynosi około 450 omów. Zatem do jej dopasowania do kabla koncentrycznego potrzebny będzie balun 9:1. Trzyrdzeniowy balun Guanella wydaje się być najlepszy wyborem.
Odstęp między elementem zasilanym a reflektorem wynosi 3,2 m.
Wymiary pętli podano w tablicy poniżej.
Poniżej pokazano wykresy SWR, zysku i stosunku przód/tył anteny SFP Cubical Quad.
Porównałem osiągi SFP cubical quada z płaskim cubical quadem (flat C.Q.) i ostrosłupowym cubical quadem (spider C.Q.). Wykresy - poniżej. Względny zysk był obliczany przy zasileniu anten 30 metrowym kablem koncentrycznym RG-58 (A+TL oznacza Antenna + Transmission Line). Dzięki temu dodatkowe straty w kablu wywołane SWR większym niż 1 są uwzględnione w porównaniu. Zysk jest odniesiony do zysku dipola zasilonego takim samym kablem. Dlatego jednostki są w dBd.
Zysk SFP cubical quada jest na równi z zyskiem klasycznych quadów. Stosunek F/B wydaje się trochę słabszy na pasmach 12 i 10 m, ale projektowałem tego quada tak, aby pokrył całą szerokość pasma 10 m z niskim SWR, czego nie da się powiedzieć o klasycznych quadach.
Generalnie SFP cubical quad jest bardzo zbliżony w osiągach do swoich starszych braci, a nie wymaga przekaźników do przełączania pasm. Cel projektu został osiągnięty.
Kliknij tutaj, aby ściągnąć zestaw modeli tej anteny.
Uwaga: model w formacie MMANA-GAL nie powstał ponieważ ten symulator nie obsługuje takich obiektów jak linie długie.
Zaprojektowałem także wersję SFP quad w układzie diamentu. Poniżej jej rysunek.
Wibrator i reflektor są oddalone od siebie o 2,5 metra. Rozdzielone punkty zasilania są 2,225 m powyżej i poniżej bomu. Wyidealizowane linie długie o impedancji falowej 450 omów mają w modelu po 2,5 metra, ale skorygowane współczynnikiem skrócenia VF, powinny mieć w rzeczywistości po 2,25 m. To znaczy, że będą się znajdować w płaszczyźnie wibratora. Wymiary pętli podaje poniższa tablica.
Na poniższych wykresach pokazany jest SWR, zysk i stosunek przód/tył diamentowej wersji SFP quada.
I porównanie z innymi quadami.
SFP diamon quad ma bardzo przyzwoity zysk. Jego stosunek F/B nie jest ekstremalnie wysoki, ale za to stabilny w funkcji częstotliwości. Oznacza to, że kształt charakterystyki nie zmienia się mocno w obrębie pasma. Poniżej charakterystyki dla pasma 20 m: najniższa, środkowa i najwyższa częstotliwość dla anteny umieszczonej 11 metrów nad ziemią.
Nie mogę zbudować i przetestować tego projektu ponieważ nie mam dosyć miejsca w moim ogródku na pełnowymiarowego quada. Ale może ktoś inny, któregoś dnia...
Kliknij tutaj, aby ściągnąć zestaw modeli tej anteny.
Uwaga: model w formacie MMANA-GAL nie powstał ponieważ ten symulator nie obsługuje takich obiektów jak linie długie.