Spojování YAGI antén

Pokud to s provozem na VKV/UKV myslíte vážněji, brzy zjistíte, že s jedou anténou to nějak není ono a začnete přemýšlet o dvojici nebo dokonce čtveřici, antén. Množství vzájemně propojených antén je omezeno jen vaší odvahou, prostorovými možnostmi a připadně snášenlivostí XYL.
Myslel jsem si, že toto téma je natolik známé že nemá cenu se jím zabývat ale nedávný dotaz mne přesvědčil o opaku. Pokud tedy nechcete stavět něco podobného jako RN6BN zde a hledáte základní iformace, tady jsou. Pokud se jedná o propojení 2 (nebo i 4) antén není to zas až taková věda. (Pro ty co přemýšlejí o složitějšim systému tento članek není určen).

Co nám dvojice antén přinese.

Zjednodušeně lze říci, že každé zdvojnásobení počtu antén přinese zdvojnásobení zisku této soustavy tedy +3dB. Ale protože nic není ideální lze reálně počítat tak s 2,5 dB na každé zdvojnásobení. A protože fyzika nedá nikdy nic "zadarmo" je toto zvýšení zisku zaplaceno užším vyzařovacm úhlem. To však nemusí být na závadu naopak někdy to bývá vítaná vlastnost, ale o tom bude zmínka dále.

Co je tedy při spojování antén vzít v úvahu.

Jaké antény spojovat.

Spojované antény musí být stejné!!! Nemá smysl (dále popsanýnmi způsoby) spojovat rozdílné antény!!!

Umístění antén.

Vzájemná poloha antén

Obecně můžeme (dvě) antény umístit buď nad sebe nebo vedle sebe. Pokud jsou antény umístěné nad sebou použivá se pro ně v angličtině výraz "stacked", pokud jsou umístěni vedle sebe použivá se výraz "bayed".
Pokud se jedná o provoz s horizontální polarizací a jde nám primárně o zvýšení zisku sestavy, je logické (protože je to mechanicky nejednodušší), umístit umístit anteny nad sebe. Tím dosaneme zúžení vyzařovacího diagramu ve vertikální rovině takže směrování nebude tak ostré. Současně tim (při zachování správné vzájemné vzdálenosti) zvýšíme zisk oproti jedné anténě skoro o dvojnásobek, tedy asi o 2,5 dB. Umísťení dvou antén vedle sebe by přineslo stejné navýšení zisku ale zúžení horizontálního vyzařovacího uhlu, takže směrování by bylo ostřejší. Ale při horizontální polarizaci je tento způsob uchycení podstatně mechanicky náročnějśí. Mimo to, musí být vzájemná vzdálenost ráhen antén při umístění antén vedle sedbe (= v rovině prvků) větší než při umístění antén nad sebou.
V každém případě, nezávisle na tom zda antény jsou nad sebou nebo vedle sebe, ve směru přijmu nesmí být jedna anténa "přesunutá" před druhou.

Vzájemná vzdálenost antén.

Vzájemná vzdálenost antén je asi nejsložitější otázka při jejich spojování do soustav. Obecně platí, že antény od sebe nají mít takovou vzálenost aby se právě neovlivňovali. V tom připadě budou mít maximální zisk. Jde o to, že anténa zachycuje signál z prostoru (anglicky se tento prostort nazývá "capture area") který jde připovnat k elipse. Delší osa této elipsy prochází po celé délce ráhnem antény, kratší osa prochází středem ráhna. Přibližně je to znázorněněno na následujícím obrázku.

(Je znázorněn nejednodušší případ, např. dvojitý reflektor tento diagram na konci antény deformuje ale pro stanovení vzájemné vzdálenosti antén to nemá praktický vliv.)

A pokud se tyto oblasti právě dotýkají má sestava maximální zisk. Na druhou stanu, pokud se mírně překrývají potlačí se boční laloky ale za cenu mírně menšího zisku. Pokles zisku se podle údajů TONA pohybuje od 0,02 do max 0,3 dB (na dvojici antén).

Celé je to navíc trochu komplikované tim, že anténa vyzařuje jak elektrickou tak magnetickou složku pole. Tyto složky jsou vyzařovány v navzájem kolmých rovinách. Pokud se jedná o dipól je elektrická složka vyzařována v rovině dipólu - "E rovina" (E plane) a magnetická složka kolmo na tuto rovinu. Tato rovina se nazývá "H rovina" (H plane). Je li tedy dipól (nebo pohopitelně celá anténa) orientován horizontálně je E-rovina orientována horizotálně a H-rovina je orientována vertikálně.

To všechno se sice hezky napíše ale jak o zjistit. Slušní profesionální výrobci u svých antén uvádéjí vzdálenosti pro pro montáž antén do sestav. Například TONA /ATF uvádí ke svým anténám následující údaje (údaje pochází z prospektu který byl přibalen ke splitru a k katalogu TONA)

počet vzdálenost antén [m]
pásmo prvků pro minimální postr. laloky pro maximální zisk
MHz antény v E rovině v H rovině v E rovině v H rovině
50 5 5,58 4,50 5,58 4,50
           
144 4 1,76 1,40 1,76 1,40
144 9 2,77 2,77 2,77 3,20
144 11 3,53 3,32    
144 13 3,05 3,05 3,18 3,70
144 16 3,38 3,21    
144 17 3,45 3,30 3,68 3,50
       
435 9 0,90 0,90 0,90 1,40
435 19 1,28 1,23 1,36 1,23
435 21 1,62 1,58 1,83 1,85
           
1296 23 0,66 * 0.66 * 0,74 0,66
1296 55 1,05 1,05 1,24 1,28

*) platí pro anténu 20623 - údaje s rozcházejí - jiný pramen uvádí 0,70

Nemáme-li li tyto údaje od výrobce nebo jedná-li se o anténu vlastní výroby a je možné přibližně!!! určit správnou vzdálenost dále popsanými způsoby. Oba výpočty jsou však použitelné jen v připadě, že celková délka antény je alespoň 2 vlnové délky.
Pokud známe vyzařovací diagram jednotlivé antény lze potřebnu rozteč antén stanovit podle vzorce
kde a = vyzařovací úhel pro pokles o 3 dB proti hlavnímu laloku.

Není-li k dispozici vyzařovací diagram, lze potřebnou vzdálenost stanovit podle vzorce
Délkou ráhna se rozumí vzdálenost krajních prvků, ráhno bývá o pár centimetrů delší. Současně platí, že přílišné vzdalování antén od sebe nad nezbytnou mez nepřináší zlepšení, ale naopak zhoršení parametrů, a současně zvyšuje mechanické namáhání stožaru.

Spojování antén.

Nejdednodušśi variantou je použit spliter (továrně vyrobený). Na obrázku je spliter (TONA) který používám já, (pro snadnější montáž na stožar je připevněn na pomocné desce). V tomto připadě se antény se splitrem propojí dvěma 50-ti ohmovými kabely STEJNÉ DĚLKY a STEJNĚHO TYPU. Protože i stejné typy se od různých výrobců mohou lišit, je optimální tyto dva propojovací kabely zhotovit z jedné výrobní šarže kabelu. Vzhedem k tomu že se typicky nejedná o velké délky neměl by to být problém. Shodnost délky těchto kabelů by pro pásmo 2m a 70 cm měla by tak v rozsahu +/-1mm. Ještě jednou opakuji. Absolutní délka připojovacích kabelů může být v tomto připadě libovolná, důležitá je jenom shodnost délek.

Nechceme -li z nějakého důvodu použit spliter je možno použít sloučení 75-ti ohmových kabelů které se propojí přímo pomocí T spojky. (Na tomto místě by jsem chtěl podotknout, že pokud se někdo pustí do spojování antén za účelem dosažení lepšich výsledků asi by neměl uvažovat o použivání PL konektorů).
V toto případě ale ještě mimo požadvku na stejnou délku propojovacích kabelů přistupuje ještě požadavek ze tyto propojovací kabelu musí mit délku lichého (=1,3,5,7,9......) násobku 1/4 vlnové délky frekvence na které bude soustava pracovat. POZOR - jedná se o elektrickou délku tedy

kde N= 1,3,5,7......)

Zkratovací činitele některých koaxiálních kabelů najdete zde.

Při spojování antén, nezávisle na tom jestli budou vzájemně spojeny pomocí splitru nebo "T" spojky, je potřebné dát pozor ještě na správné fázování. To znamená, že dipóly musí být zapojené tak, aby se jejich napětí sčítali. Viz obrázek vlevo. (Symetrizační smyčky nejsou pro jednoduchost na obrázku zakresleny).
Jinými slovy to znamená, že levá část dipolu "horní" antény musí být spojena s levou častí diplólu "spodní" (na obrázku jsou obě levé časti dipolu připojeny a střední vodič).
Na to je třeba dávat pozor zejména u továrně vyráběných antén, kde nemáme možnost ovlivnit zapojení konektoru. Nedodržení této zásady by způsobilo, že antény budou zapojeny v protifázi. PSV bude v takovém připadě v pořádku ale výstupní napětí na z takto spojených antén se bude blížit 0.