Přeskočit na obsah

Menu ČRK

Anketa

Nový web se mi líbí:

OK1DN: Rámová přijímací anténa 80 m

V pásmu 80 metrů je výhodné použít pro příjem zvláštní přijímací anténu. Na těchto kmitočtech se projevuje velký šum, který je - kromě vlastního šumu pásma - způsoben i blízkými zdroji průmyslového a obdobného rušení. Zde používané vysílací antény, zejména ty s převažující vertikální polarizací, také nebývají nejvhodnější pro příjem. Kdo má dostatek prostoru, může použít např. přijímací antény typu Beverage nebo různé jiné drátové přijímací směrové systémy - ty byly mnohokrát s úspěchem vyzkoušeny a popsány v radioamatérské literatuře. V tomto článku popisuji jiné možné řešení, určené pro skromnější prostorové poměry - přijímací rámovou anténu. Zvlášť zdůrazňuji, že tuto dále popsanou anténu nelze, především kvůli nedostatečné elektrické pevnosti, použít pro vysílání (ani při QRP).

Důležitou podmínkou pro využití jakékoliv zvláštní přijímací antény je existence zvláštního vstupu u používaného transceiveru pro tuto anténu. Transceivery střední a nižší třídy tuto možnost nemívají. Jedním ze způsobů, jak získat zvláštní vstup pro přijímací anténu, je použití adaptéru pro oddělení vysílací a přijímací antény. Tuto možnost jsem využil. Mnou používaný adaptér k transceiveru IC746 je popsán v [1], resp. [2]. U přístrojů jiných výrobců lze jistě tuto věc řešit obdobně.

Popis přijímací rámové antény

Jedná se vlastně o radiotechnickou klasiku, známou a používanou již bezmála 100 let. Zde je užita anténa laděná do rezonance na přijímaném kmitočtu. V principu lze použít i anténu neladěnou (aperiodickou). V literatuře [3] lze nalézt podrobný matematický popis neladěného magnetického přijímacího rámu, který vychází ze základních vztahů fyziky, kapitoly o magnetizmu. Zde uvádím jen zjednodušený a upravený vzorec pro výstupní napětí na svorkách neladěného rámu, při dopadu (příjmu) elektromagnetické vlny. Rám je provozován v rovině kolmé k rovině země. Předpokládáme, že přijímaná (dopadající) elektromagnetická vlna přichází ze směru (více méně) rovnoběžném s rovinou země. Pak platí:

U = K (nSEcosφ) / λ (1)

kde K je zjednodušující součinitel (jeho obsah není důležitý pro tento článek) a λ je délka přijímané elektromagnetické vlny. Napětí je přímo úměrné počtu závitů rámu n, ploše rámu S, intenzitě E elektrického pole přijímané elektromagnetické vlny (bude vysvětleno dále) a funkci cos φ úhlu mezi rovinou rámu a směrem přijímané vlny. Napětí je také nepřímo úměrné dálce přijímané vlny λ. Z uvedeného vztahu je patrné, že maximální příjem (největší napětí) obdržíme, pokud je rovina rámu shodná se směrem přijímané elektromagnetické vlny (úhel φ = 0). Horizontální přijímací charakteristika tohoto magnetického rámu je tedy pootočena o 90 stupňů proti známějšímu elektrickému dipólu. Na obr.1. lze vidět náčrt horizontálních přijímacích charakteristik dipólu a rámu.

Obr.1

Obr.1 - Náčrt přijímacích charakteristik elektrického dipólu a rámu při pohledu shora
(rám provozován kolmo k zemní rovině)

V zájmu zmenšení rozměru používá většina autorů v mnou prostudované literatuře přijímací rám s několika závity (3 pro pásmo 80 m, 4 pro pásmo 160 m a pod.). Někdy však může být i u přijímací rámové antény výhodné, resp. nutné (viz dále), použít při její konstrukci jen jeden závit a vlastní rám tím zvětšit (děkuji za připomínku OK1DMU). Lze jednoduše odvodit, že při použití konstantní délky vodiče, z kterého je vinut přijímací rám, platí následující vztah:

Un = U1 / n (2), kde n = 1, 2, 3, 4 ….. a U1 je napětí dle (1) při jednom závitu (n=1).

Pro pochopení činnosti a praktických možností přijímací rámové antény jako takové, která v ideálním případě přijímá jen magnetickou složku elektromagnetické vlny, je dobré si uvědomit, že prostorem se na větší vzdálenost mohou šířit právě jen elektromagnetické vlny (vzdálenost několik λ a více). Pak s dostatečnou přesností platí tento vztah:

H = E / Z0 (3),

kde H je intenzita magnetického pole a E je intenzita elektrického pole přijímané elektromagnetické vlny. Z0 je impedance vakua, která se rovná 120 π Ω , nebo také 377 Ω. Při odvozování vzorce pro napětí na svorkách magnetického rámu (1) v lit. [3], byl tento vztah (3) použit při popisu přijímané elektromagnetické vlny. Intenzita magnetického pole H byla nahrazena intenzitou elektrického pole E. Proto se ve vzorci (1) vyskytuje E a ne H, jak by snad někdo mohl očekávat u magnetického rámu. Z uvedeného je patrné, že při dostatečné vzdálenosti od zdrojů signálu (kde jsou již elektromagnetické vlny "zformované") nelze příjmem magnetické složky vlny rámovou anténou potlačit různé šumy (rušení), pokud již mají charakter elektromagnetického vlnění. Lze však výhodně použít přijímací směrovou charakteristiku rámu k potlačení rušení odsměrováním a relativně malý magnetický rám lze vhodně umístit, čili v prostoru, který je k dispozici najít místo s minimálním rušícím signálem (zejména ve městech, viz dále).

Stíněná rezonanční rámová anténa

K potlačení vlivu elektrické složky, včetně parazitních kapacit mezi rámem a zemí, jsem použil (jak je obvyklé) elektricky stíněný rám. V amatérských podmínkách je nejjednodušší využít vhodný typ koaxiálního kabelu a rám ladit do rezonance na přijímaném kmitočtu. Zde je třeba zdůraznit, že k zamezení vzniku závitu nakrátko je stínění koaxiálního kabelu v délce asi 2 cm přerušeno, a to jednou uprostřed smyčky, symetricky proti zemi (rám i vazební závit). Pro konstrukci vlastního rámu byl použit koaxiální kabel RG62 s charakteristickou impedancí 92 Ω - má totiž díky své vysoké charakteristické impedanci menší kapacitu na jednotku délky než jiné dostupné koaxiální kabely (smyčka vlastního rámu vyjde při rezonanci o něco delší). Výběr koaxiálního kabelu však není kritický a jistě lze použít např. televizní kabel (75 Ω) nebo známý RG58 (50 Ω). Změní se pouze kapacita vnějších kondenzátorů (pevný a otočný), nutných k dosažení rezonance na přijímaném kmitočtu a napětí na rámu bude o něco menší. Pro rezonanční kmitočet platí známý vztah:

fr2 = 25330 / LC [MHz, µH, pF] (4)

kde fr je rezonanční kmitočet rámu, L je indukčnost rámu a C je kapacita použitého koaxiálního kabelu plus kapacita otočného kondenzátoru (při rezonanci na žádaném kmitočtu) plus kapacita pevného kondenzátoru. Rám se ladí otočným kondenzátorem do rezonance na maximální přijímaný šum na zvoleném přijímacím kmitočtu.

Praktické výsledky experimentu s přijímací rámovou anténou

Výsledek mého experimentování, včetně provedení vazebního závitu, přizpůsobujícího rezonanční obvod vlastního rámu ke spojovacímu koaxiálnímu kabelu (RG58) a vstupní impedanci předzesilovače (viz dále), je znázorněn na obr. 2; obr. 3 ukazuje fotografii experimentální přijímací rámové antény (vnější rozměr držáku rámu je 215 x 290 mm - zde plastikový "sušák" na příbory - k dostání např. v prodejnách OBI).

Obr.2

Obr. 2 - Schématický náčrt přijímací rámové antény pro pásmo 80 m

Obr.3

Obr. 3 - Praktická realizace

Při konstrukci magnetické rámové antény a jejího impedančního přizpůsobení k předzesilovači byl dosažen PSV (poměr stojatých vln) menší než 1:2,5. Kdo bude mít více času a trpělivosti, může dosáhnout i lepšího výsledku. Pro úplnost uvádím, že jsem použil měřící přístroj MFJ HF/VHF SWR ANALYZER, model MFJ-959B (díky za půjčení OK1XU). Tato anténa má vzhledem ke svým malým rozměrům záporný zisk cca -30 dB proti plnorozměrnému elektrickému dipólu. Je třeba použít vhodný předzesilovač. Ten by měl mít malý vlastní šum a velkou odolnost vůči silným signálům. Umístěn by měl být co nejblíže k vlastní anténě. Poslechem na pásmu jsem zjistil, že šíře pásma B rezonančního obvodu rámu (pro pokles signálu o 3 dB) se přibližně rovná 20 kHz. K výpočtu činitele jakosti Q experimentálního rámu použijeme vztah:

Q = fr / B (5)

Po dosazení fr = 3510 kHz a B = 20 kHz vychází Q = 176. Jedná se tedy o poměrně jakostní paralelní rezonanční obvod, který dostatečně potlačuje signály silných stanic mimo amatérské pásmo 80 metrů. Proto bylo možné za rámovou anténu zařadit neladěný širokopásmový předzesilovač. Ten jsem vyrobil z "šuplíkových" zásob. Schéma zapojení předzesilovače je nakresleno na obr. 4.

Obr.4

Obr. 4 - Schéma zapojení předzesilovače

Šumové číslo předzesilovače ani odolnost (intermodulace, bod zahrazení) jsem neměřil. Poslech na pásmu však ukázal, že předzesilovač splňuje základní požadavky ohledně vlastního šumu a odolnosti. Kondenzátor 2,2 nF slouží nejen k stejnosměrnému oddělení signálového vstupu prvního tranzistoru, ale i k doladění impedančního přizpůsobení předzesilovače k rámové anténě. Napěťový zisk předzesilovače je asi 15 dB (odhad podle S-metru transceiveru) a spolu s využitím předzesilovače v transceiveru se dosahuje potřebného zesílení cca 30 dB. Stejnosměrné napájení předzesilovače se uskutečňuje prostřednictvím koaxiálního kabelu (v mém případě cca 10 m koaxu RG58). Adaptér dle [1] a [2] je doplněn součástkami, potřebnými pro stejnosměrné napájení předzesilovače (plus diody, chránící v případě chyby předzesilovač před výstupním výkonem transceiveru - pro jistotu).

Doplnění adaptéru je nakresleno na obr. 5.

Obr.5

Obr. 5 - Adaptér dle [1] a [2] - doplnění pro stejnosměrné napájení předzesilovače

Blokové schéma celého přijímacího řetězce je pro úplnost nakresleno na obr. 6.

Obr.6

Obr. 6 - Blokové schéma celého přijímacího řetězce

Musím říci, že i praktickými zkouškami (poslechem na pásmu) se v zásadě potvrdily závěry z [5]. Velmi důležitá je symetrie antény vč. stínění proti zemi. S magnetickými přijímacími anténami také bývá spojen mýtus o obecně lepším odstupu signálu od šumu při příjmu magnetické složky elektromagnetické vlny. V dostatečné vzdálenosti od zdroje signálu (alespoň několik λ) tomu tak není, jak ukazuje také vztah (3). U blízkých zdrojů rušení však může elektrická složka rušícího signálu (šumu) dominovat. Pak bude zvlášť vhodné magnetickou rámovou anténu využít. Magnetický rám můžeme také výhodně použít pro příjem DX stanic. V tomto případě hraje roli především výška rámu nad zemí (v praxi: čím výše tím lépe), dodržení symetrie rámu proti zemi a možnost dálkového ladění a směrování rámu z ham shacku.

Vzhledem k možnosti směrovat na minimum ("odsměrovat") signál hlavního zdroje rušení a najít nejvhodnější místo (malé rozměry rámové antény) je při příjmu možné snížit úroveň pozadí rušícího šumu v pásmu 80 metrů až o několik S (u mne v Praze o 3-4 S) a tím umožnit příjem jinak jen obtížně slyšitelných radioamatérských stanic. V mém druhém QTH, v chatové osadě v brdských lesích, bylo také možné "odsměrovat" hlavní zdroj rušení a při použití vysílací antény vertikální Delta Loop (délka smyčky 83 metrů) uskutečnit také některá vzdálenější spojení (např. UA9, UA0 a 4X). Můj subjektivní dojem byl, že na magnetickou rámovou anténu slyším vzdálené stanice stejně "hlasitě" a zároveň "čistěji", a to při nesrovnatelně menších rozměrech přijímacího rámu než vysílací antény a při umístění rámu uvnitř chaty. "Odsměrovat" totiž můžeme i QRM od některých evropských stanic a pod.

Hlavní přínos magnetického rámu pro příjem v pásmu 80 metrů vidím především tam, kde se vyskytují silné místní zdroje rušení. Tam by se také zřejmě vyplatilo experimentovat i s připojením všesměrové antény k přijímacímu rámu - vhodným fázováním signálů z rámu a všesměrové antény by se dosáhlo přijímací charakteristiky ve tvaru srdcovky (lepší směrovost), jak je uvedeno např. v [4, 6, 7].

Rámová anténa s jedním závitem (zvětšená)

Může se stát, že se nepodaří vyrobit popsaný rám dostatečně symetrický proti skutečné zemi v daném místě příjmu (vč.předzesilovače). Pak např. plášť koaxiálního kabelu pro propojení předzesilovače s adaptérem může přidávat k přijímanému signálu vlastní šum (rušení), který může být i srovnatelný s užitečným signálem. V tomto případě bude vhodné, při dané délce vodiče (koaxu) vlastního rámu, snížit počet závitů až na n=1 a zvětšit rozměry rámu. Jestliže bude rám tvořen jedním závitem, bude mít z rámu získaný signál o cca 9,5 dB vyšší napětí (2), než při popsaném rámu s 3 závity. Poměr signál/šum na výstupu rámu zůstane sice stejný, ale celkový poměr signál/šum přijímacího řetězce může být znatelně vyšší. Jednozávitový rám pak může mít tvar kruhu, kosočtverce a pod.

Využití rámové antény na jiných pásmech

Popsanou přijímací rámovou anténu lze samozřejmě použít nejen v pásmu 80 metrů, ale také v pásmech 160, 40 a 30 metrů. Musí se však upravit délka rámu (počet závitů) a ladící kapacity. Jde o dosažení rezonance rámu. Musí se také upravit vazba (vazební závit) pro zachování dostatečně vysokého činitele jakosti rámu (viz (5)) a na druhé straně dostatečného přenosu signálu z rámové antény do předzesilovače.

Ing. Václav Vydra, OK1DN, "ok1dn at hotmail.com"


Literatura:

[1] http://www.cq.sk (technika)
[2] http://ic746.ok1cdj.com (modifikace, vylepšení)
[3] Prokop, Vokurka: Šíření elektromagnetických vln a antény. SNTL Praha 1980, 368-370
[4] Daneš a kol.: Amatérská radiotechnika a elektronika, 3 díl, 88-90
[5] http://www.w8ji.com/magnetic_receiving_loops.htm
[6] John Devoldere, ON4UN: Low-band DXing. 3. vyd., ARRL; kap. 7
[7] The ARRL Antenna Book. ARRL, 19. vyd.; kap. 14

© OK1DN, 2005