MLA trochu jinak

Nemáte možnost ve svém bydlišti natáhnout drátovou anténu či postavit vertikál nebo směrovku a přesto chcete být provozuschopní na ama pásmech? Pak neváhejte a zkuste magnetickou anténu /MLA/. Magnetická smyčka je v podstatě tvořena jedním nebo více závity antenní smyčky, která je připojena na ladicí kondenzátor, nejlépe duál, zapojený jako splitstator. U jednoduché verze MLA z Pexalpexu trubky je tento kondenzátor tvořen vloženým kouskem trubky jako virtuálním kondenzátorem. Vazba s antenní smyčkou je pak velmi často řešena smyčkou vazební, která má velikost 1/5 obvodu antenní smyčky. Touto smyčkou se pak nastavuje velikost impedance a tedy i SWR. Na své stránce se vám v této snaze zkusím pomoct radou, či nasměrováním na vhodnou ověřenou konstrukci. Pokud nemáte možnost takovou anténu sami postavit nebo se stavbě nechcete věnovat, pak se podívejte na stránku Oldy OK2ER https://www.loop2er.cz/. Tam najdete hotové profi výrobky, které se prodávají i u firmy WiMo i u dalších prodejců v různých částech světa. Většina antén je konstruována na výkony kolem 100W, tedy na rozdíl od mých antén, které jsou jen na výkony QRP - tedy do 10W. Ani těmito anténami nebudete zklamáni. Dokladem úspěšnosti a oblíbenosti těchto výrobků je fakt, že zejména QRP typ MLA-M, prodaný v řadě zemí ve více jak 550 kusech, a u nás v několika desítkách kusů různých vyvíjených verzí, není možno na inzerát vůbec koupit. Navíc i tyto antény umožňují i provoz na novém pásmu - 60m, nebo jdou na toto pásmo snadno upravit. Velkou výhodou těchto antén je že nezabírají příliš místa, že není potřeba antenní tuner, dále pak že jsou funkční i v malé výšce na terénem - stačí 1 metr - ale je i odolná vůči rušení, zejména ji nevadí ani silné QRN. Při vhodné konstrukci antény má takováto anténa vysoké Q, to znamená, že je po naladění úzkopásmová a ani silnější stanice mimo naladěný kmitočet neruší. Ovšem při přeladění pak musíme opět anténu doladit. Rušení je možno podstatně omezit nebo zcela odstranit vhodným směrováním antény a při provozu tuto anténu a zařízení neohrozí ani blízké bouřky. Na stránce loop2er.cz také najdete verze MLA antén na výkon i 100W.

Řadu různých konstrukcí MLA také najdete na internetu i s ukázkami praktických konstrukcí na Youtube.

Zájemcům o provoz či experimenty s magnetickou anténou /MLA/ doporučuji alespoň přečíst knížku : Magnetická smyčková anténa Pokaždé trochu jinak od autorů Oldřich Burger a Marek Dvorský. Zde se seznámíte jak s teorií kolem magnetických antén, tak i s praktickými zkušenostmi s několika typy vyráběných antén, ale i s návody na jejich obsluhu.

Zde například jedna z konstrukcí Oldy OK2ER - MLA-R, bližší údaje i další typy jím prodávaných MLA antén najdete na jeho webu.

Ve svém blogu bych se chtěl věnovat popisu různých zajímavých magnetických antén, zejména těch, které jsem sám vyzkoušel nebo upravil. Také se zde budu věnovat publikaci zajímavých antenních analyzátorů, zkušenostmi s magnetickými anténami a vše kolem nich.

Pokusné provedení MLA /bastl/ z kabelu cellflex 7/8 - průměr smyčky 80cm.

Podobnou MLA mám též o průměru 90 cm. I tato anténa vykazuje velmi slušnou účinnost - kolem 90¸procent. Jako další pak budu zkoušet podobné - ovšem v přenosnějším provedení s konektory 7/16 o průměru smyčky 1m a 1,20m - popis i účinnost pak také uvedu.

Pro snadnější práci a rychlé nastavení MLA je vhodné pořízení antenního analyzátoru. Jako jedna zh možností je malý, levný a docela vyhovující nanoVNA.

Pro základní seznámení s konstrukcí a stavbou MLA doporučuji seznámit se s prací N4SPP:

80-20m Mag smyčka STL (nonstopsystems.com).

Zde najdete prakticky vše, co potřebujete pro počátky práce na MLA vědět a to docela podrobně popsané. Má zde 3 verze MLA a to 80 - 20 m, 40 - 20 m a Slinky MLA. Slinky MLA si zde můžete stáhnout ve formátu .pdf v češtině. Další 2 články si můžete sami na uvedeném webu stáhnout, popřípadě také přeložit. Jako translator je asi nejlepší Deppl, který umí i rozsáhlé články, případně využít translatoru ve webovém prohlížeči.

STÁHNOUT Slink...4SPP.pdf

ÚVOD

Chtěl jsem malou vysílací smyčku (STL) anténu, která pokrývá alespoň pásma 80 a 40 metrů (nejlépe 80 - 20). Proč?

Chci udělat 80 mtrs DX, ale nemám prostor pro slušnou 80 m drátovou anténu, ani bych nebyl schopen instalovat takovou anténu dostatečně vysoko nad zemí. Měl jsem určitý úspěch s krátkými, nabitými vertikálními anténami s jedním zvýšeným radiálem, viz zde a zde. Ale nemohu je nainstalovat trvale na mém QTH.
Pod 10 MHz generuje náš bytový dům velké množství "elektro-smogu" QRM. STL má tendenci být méně citlivý na zachycení elektrického šumu v blízkém poli (< 1 λ), což se zdá být důvodem, proč je tento typ antény také označován jako "anténa s magnetickou smyčkou".
STL mají radiační vzor se směrovostí. Jsou také dostatečně malé, aby se otáčely s malým motorem nebo rotorem televizní antény.
Jsou méně nápadné (pro mé přátele ze sdružení majitelů domů "policie") než drátová anténa, která je navlečena podél vnější strany budovy.
Nechci si zahrávat s radiály, protipozikami, RF-groundy atd. Smyčky jsou ze své podstaty symetrické, jako dipóly (OK, OK - pouze ve volném prostoru a ne s asymetrickou metodou vazby, jako je Gamma Rod)
Může být instalován v blízkosti země (vertikálně orientovaný), aniž by výrazně ztratil účinnost nebo se stal "teplejším mrakem" s téměř pouze přímým zářením nahoru.

Smyčková anténa je obecně považována za "malou", pokud je její obvod menší než 10% provozní vlnové délky. Takže v mém případě (pro 80 mtrs) by "malý" byl obvod menší než 8 mtrs, např. kruhová smyčka o průměru menším než 2,5 mtrs (≈ 8,2 ft). Přesněji řečeno, mluvíme o malé rezonanční smyčce. Všimněte si, že vícepásmová smyčka, která je "malá" v nejnižším pásmu, nemusí být nutně "malá" ve vyšších pásmech ( = vyšší frekvence).

Je zřejmé, že stejně jako u všech antén je "radiační odolnost" (Rrad) velmi důležitým parametrem( ref. 2J). U smyčkových antén je Rrad úměrný čtverci plochy povrchu A, která je uzavřena smyčkou (viz vložka v diagramu níže). To je nezávislé na tvaru smyčky a délce radiátoru. Samozřejmě, že pro danou uzavřenou plochu povrchu A nesmí být délka radiátoru menší než délka kruhu s A. Pro kruhovou smyčku o průměru D je plocha povrchu A 1/4πD2 . Takže jeho Rrad je úměrný D4. Podobně je Rrad úměrný reciproční hodnotě λ4. Jak ukazuje graf níže, radiační odolnost STL je velmi malá - mluvíme zde o miliohmech! Vyzařovaný RF výkon je určen radiačním odporem, vynásobeným druhou mocninou cirkulujícího proudu RF smyčky. Vzhledem k tomu, že radiační odpor je velmi malý, je nutný velký smyčkový proud, aby se dosáhlo praktických úrovní vyzařovaného výkonu. To znamená, že všechny ztráty, i když jen pár miliohmů, jsou v STL důležité!

1: Radiační odpor antény malé vysílací smyčky

DŮLEŽITÝ ZÁVĚR: to nám ponechává dvě základní možnosti pro maximalizaci účinnosti STL:

Maximalizujte Rrad tím, že uzavřený prostor smyčky bude co největší (pro daný instalační prostor, rozpočet atd.) - ale stále STL a nejlépe kulatý. Kruhová smyčka má také největší poměr plochy k obvodu, což minimalizuje délku radiátoru, což minimalizuje související ztráty.
Minimalizujte ztráty (naopak: maximalizujte "Q"). To znamená použití materiálů s nízkou ztrátou, velký průměr radiátoru a vodiče, minimalizaci ztrát kondenzátoru, minimalizaci počtu kontaktů/spojů (radiátorové sekce), minimalizaci ztrát všech kontaktních ploch (radiátor-kondenzátor, radiátorové sekce - pokud existují), minimalizaci dielektrických ztrát do prostředí (umístění antény) atd.

Optimalizace Rrad a ztrát se samozřejmě vztahuje na všechny antény a anténní systémy - ale pro STL je to kritické!

Vyzařovací vzor antény malé vysílací smyčky je uveden níže. Tvar ledvin horizontálního vzoru (pohled shora) se stává výraznějším (= hlubší minima), protože obvod antény se stává větším zlomkem vlnové délky. To je případ provozu vícepásmového STL ve vyšším pásmu (pásmech). U velkých smyček jsou maxima horizontálního vzoru ve skutečnosti ve směrech kolmých k povrchu smyčky! Podrobnější analýzu naleznete v části "Některé modelování simulace antény".

Obr. 2: přibližný vyzařovací obrazec vertikálně orientované malé vysílací smyčky v blízkosti země

(obvod = 0,15 λ, instalováno 0,08 λ nad zemí)

Vzhledem k tvaru uzavřené smyčky lze tento typ antény považovat za extrémní případ "ukončeného složeného dipólu". Standardní smyčka má kruhový jednootáčkový induktor. Samozřejmě jsou možné i jiné tvary: čtvercové, obdélníkové, osmiúhelníkové atd. Existují varianty, jako je více zatáček a konfigurace, jako je "obrázek osm" (viz 17A-17C). Stejně jako u dipólů lze jednopásmovou směrovost a zisk zvýšit přidáním pasivních reflektorových a ředitelných smyček, jako v takzvaných víceprvkových anténách "Yagi". To vše je nad rámec této diskuse.

Abych získal představu o některých základních parametrech, vypočítal jsem vlastnosti pro kruhovou smyčku s obvodem 5 m (průměr = 1,6 m, ≈ 5,2 ft), vyrobenou z měděných trubek se standardním vnějším průměrem 16 mm (5/8"). Příkon je 100 W (limit mého vysílače).

Obr. 3: Vypočtené charakteristiky antény pro danou měděnou smyčku

(KI6GD kalkulačka, ref. 2A; žádné další ztráty předpokládané ve výpočtu - poznámka: přečtěte si ref. 2F pro upozornění na kalkulačky smyčkových antén!!!)

Obr. 4: Vypočtené charakteristiky antény pro danou měděnou smyčku

(Kalkulačka AA5TB, ref. 2B; ve výpočtu se nepředpokládají žádné další ztráty - poznámka: přečtěte si ref. 2F pro upozornění na kalkulačky!)

Pokud je vstupní výkon zvýšen o faktor N, pak se maximální napětí přes kondenzátor zvýší o faktor √N. Např. zdvojnásobení výkonu zvyšuje napětí kondenzátoru o ≈1.4. Naopak napětí je sníženo o faktor 1,4, když je vstupní výkon snížen o faktor 2.

Obr. 5: Napětí kondenzátoru jako funkce frekvence (Ø smyčka Ø 1,6 mtr vyrobená z měděných trubek 16 mm OD)

(vypočteno s ref. 2B; předpokládá odolnost proti ztrátě 5 miliohmů - poznámka: přečtěte si ref. 2F pro upozornění na kalkulačky!)

"Účinnost" může být definována jako "celkový výkon vyzařovaný anténou" děleno "netto výkonem akceptovaným anténou" [IEEE Std 145-2013 "Standard for Definitions of Terms for Antennas"]. Výše uvedené tabulky ukazují, že vypočtená / předpokládaná účinnost pro 80 mtrs je poměrně nízká (žádné překvapení), ale moje další antény pro 80 mtr jsou (velmi) krátké vertikály. Nevím, jaká je jejich účinnost, ale jsem si jist, že je velmi nízká. Nakonec se počítá výkon na mém místě, pro dostupný prostor, pro převládající podmínky (blízkost budovy, úrovně QRM atd.) a s ohledem na další antény, které si tam mohu (dovolit) instalovat. Účinnost STL antén zůstává kontroverzní (ref. 3).

Obecně platí, že optimální obvod vícepásmového STL je asi 0,15 λ nejnižší provozní frekvence. S vhodným variabilním kondenzátorem lze rezonanční frekvenci STL naladit ve frekvenčním rozsahu, který pokrývá nejméně dvě oktávy ( = faktor 4x). Z hlediska účinnosti antény je však faktor 2-3 pravděpodobně praktickým limitem. Např. 80-40, 40-20, 30-10.

Nezkoumal jsem předpoklady, které kalkulačky dělají, pokud jde o výšku instalace (volný prostor?), způsob spojení atd. Stejně jako u všech rezonančních obvodů s vysokým Q je vypočtený a skutečný výkon vysoce závislý na ztrátách ve všech součástech (smyčka, kondenzátor) a ve všech propojeních. Ztráty v mili-ohmovém rozsahu mohou být významné! Obecně platí, že zvětšení průměru trubky sníží ztráty (induktoru) - až do bodu.

Namísto standardního trubkového vodiče mohou být smyčky vyrobeny ze širokého, plochého pásu vodiče, jako je měděné "lemování" nebo fólie. Pás může být rovný nebo šroubovitě navinutý (proto šroubovitě zatížený). Ref. 4, 5A/B. Šroubovité/spirálové antény "hula hoop" mohou být samozřejmě také vyrobeny ze Slinkyho cívky™, jak jsem to udělal koncem roku 2016. Ref 5C, 5F. Další možností je meandrující nebo fraktální obvod smyčky.

Obrázek 6A: Plochá smyčka vodiče (spirálově navinutá/zatížená, zobrazená bez kondenzátoru) a smyčka cívky Slinky™

(zdroje vlevo obrázek: ref. 5A/B )

Obrázek 6B: Plochá smyčka vodiče a meandrující "fraktální" smyčka

(zdroj: ref. 4 a www.radioworld.co.uk)

Dokonce i na VHF (pásmo 2 m) může být velikost standardních antén, jako jsou HB9CV a Quads, stále velká nebo nepříjemná pro přenosný provoz. VHF smyčky mohou být vyrobeny stejnými konstrukčními technikami jako pro HF. Pro pásmo 2m však STL 0,1 λ zabírá pouze plochu asi 10x10 cm (4x4 palce). Hlavní smyčka, a dokonce i spojovací smyčka, může být vyleptána na desce s plošnými spoji (PCB). To je to, co Thomas Schiller (DC7GB) udělal. Pevné kondenzátory mohou být také vyrobeny z 2stranné desky plošných spojů. Thomasovy rozsáhlé experimenty však dospěly k závěru, že dielektrické vlastnosti standardního materiálu PCB (např. FR4) se příliš liší (a lineárně) s E-polem hlavní smyčky, a to i při nízkých úrovních vysílacího výkonu. U VKV má FR4 také velkou ztrátovou tečnu δ. Použil tedy slídový kondenzátor 4,7 pF 500V (žlutá šipka na obr. 7 níže). Tato kapacita je příliš malá na to, aby byla variabilní pro ladění. Ten se provádí tvarováním malé (2-3 otáčky) cívky (na červené šipce), umístěné v sérii se spojovací smyčkou. Verze sady se prodává komerčně, s kondenzátorem 1,6-8 pF (ref. 4B). Výkon smyčky je údajně blízký výkonu dipólu v plné velikosti.