Τετάρτη, 31 Αυγούστου 2016

Το μυστικό των λ/2 κεραιών τροφοδοτούμενες στην άκρη ή αλλιώς όπως τις λένε End fed half wave (EFHW)

Σε αυτό το άρθρο μου θα προσπαθήσω να σας εξηγήσω γιατί όσοι έχουν δουλέψει λ/2 κεραίες τροφοδοτούμενες στην άκρη τις έχουν λατρέψει , σε αυτήν την κατηγορία ανήκω και εγώ τα τελευταία 5 χρόνια εκπέμπω μόνο  με κεραίες EFHW  σε όλες τις μπάντες με ισχύ πομπού 100 Watts .
Τα πλεονεκτήματα της κεραίας αυτής έναντι π.χ. ενός δίπολου ή μια κάθετης είναι η εξασφαλισμένη απόδοση κοντά στο  90%  και πάνω όσο και αδέξιος να είναι ο κατασκευαστής της. Άλλο πλεονέκτημα είναι η εύκολη τοποθέτηση της ακόμα και στο μπαλκόνι μας με ένα ψαροκάλαμο  δεν χρειάζεται αντίβαρο λόγου υψηλής αντίστασης στο σημείο τροφοδότησης και γενικά είναι η καταλληλότερη κεραία για όσους δεν έχουν χώρο π.χ. μεγάλα αστικά κέντρα σε αυτήν την κατηγορία ανήκω και εγώ.
 Τώρα ας εξηγήσω γιατί η απόδοση της είναι εξασφαλισμένη από 90% και πάνω με ένα απλό παράδειγμα που πιστεύω ότι και ο πιο αρχάριος ραδιοερασιτέχνης θα το καταλάβει.
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια κεραία κάθετη μήκους λ/4 για την συχνότητα των 14 MHz  το μήκος του μαστιγίου είναι 5,2 μέτρα το οποίο έχουμε τοποθετήσει κάθετα πάνω στο έδαφος  επίσης έχουμε μπήξει μέσα στο έδαφος που  δεν είναι και πολύ αγώγιμο μια ράβδο χαλκού για γείωση , έχουμε συνδέσει την ψίχα του ομοαξονικού μας με το μαστίγιο και το πλεντάζ με την γείωση . Η αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας λόγου ότι είναι κάθετη δεν ξεπερνάει τα  35Ω και ας υποθέσουμε ότι μετρήσαμε και βρήκαμε ότι η αντίσταση του εδάφους είναι 265 Ω μεγάλη αλλά υπόθεση κάνουμε για να είναι πιο έντονες οι διαφορές . Σε αυτό το σημείο πρέπει να εξηγήσω τι εννοούμε με τον όρο αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας . Σύμφωνα με την θεωρία η αντίσταση ακτινοβολίας  μιας κεραίας είναι το πηλίκο της διαίρεσης της ακτινοβολημένης ισχύος δια του τετραγώνου της εντάσεως που επικρατεί στο σημείο μέτρησης με άλλα λόγια πιάσε το αυγό και κουρευτώ άντε να έχεις όργανα να μετρήσεις την ακτινοβολία και να βρεις και το ρεύμα(…). Για αυτό εμείς οι ραδιοερασιτέχνες που είμαστε πρακτικοί άνθρωποι χρησιμοποιούμε ένα όργανο που ονομάζετε  antenna analyzer . Το όργανο αυτό όταν το τοποθετήσουμε επάνω στην κεραία θα μας εμφανίσει την σύνθετη αντίσταση της κεραίας με το γράμμα (Ζ) η οποία αποτελείτε από το πραγματικό μέρος της αντίστασης και συμβολίζεται με το γράμμα (R)  και το φανταστικό τμήμα της αντίστασης που συμβολίζεται με το γράμμα (J) ή (X) την αντίδραση η οποία άλλοτε είναι επαγωγική και έχει πρόσημο (+) και άλλοτε χωρητική και έχει πρόσημο (-) . Και οι τρεις αυτές αντιστάσεις ZRX τις μετρούμε σε Ω . Η αντίδραση (J or X) είτε είναι επαγωγική είτε χωρητική δεν παίζει κανένα ρόλο στην ακτινοβολία της κεραίας διότι είναι άεργες αντιστάσεις  δεν καταναλώνουν ενέργεια υπό μορφής   θερμότητας το μόνο που κάνουν και το κάνουν πολύ καλά  είναι να επιστρέφουν ενέργεια στον πομποδέκτη λόγου αλλαγής φάσης ή το συνημίτονο  που το έχουν συνηθίσει μερικοί. Αλλά και κατά τον συντονισμό με το ATU το Χ θα γίνει μηδέν(0) . Άρα με αυτό που θα ασχοληθούμε είναι το πραγματικό μέρος της σύνθετης αντίστασης που συμβολίζεται με το ( R ) αυτό ισούται με την αντίσταση ακτινοβολίας συν (+) την αντίσταση των απωλειών R = radiation resistance  + loss resistance  .
Άρα στο συγκεκριμένο παράδειγμα με την κάθετη των 14 MHz η οποία αποτελείται από σύρμα χάλκινο 1,5 χιλιοστών  και δεν έχει πηνία οι απώλειες είναι μηδαμινές άρα η αντίσταση (R) που μας έδειξε το antenna analyzer θα ταυτίζεται με την αντίσταση ακτινοβολίας .
Αφού εξήγησα όσο απλά μπορούσα την αντίσταση ακτινοβολίας ας συνεχίσω την ανάλυση του παραδείγματος μας . Έχουμε αντίσταση εδάφους 265 Ω και αντίσταση ακτινοβολίας 35Ω αυτές οι δύο αντιστάσεις για την RF είναι συνδεδεμένες εν σειρά άρα η συνολική αντίσταση 265 Ω + 35 Ω = 300 Ω γνωρίζοντας την συνολική αντίσταση και την ισχύ που εφαρμόζει ο πομποδέκτης στην κεραία μπορούμε να βρούμε το ρεύμα από το νόμο του Ωμ Ι= √ P/R . Για να έχουμε επί τις εκατό την απόδοση θα υποθέσουμε ότι ο πομποδέκτης μας κάνει εκπομπή 100Watts . Έχοντας υπόψη μας ότι όταν έχουμε δύο αντιστάσεις εν σειρά συνδεδεμένες αυτές διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα τότε λύνοντας τον νόμο του Ωμ έχουμε Ι=√ 100 W / 300 Ω = 0,577 Α . Τώρα προσέξτε την επόμενη ανάλυση γνωρίζοντας την ένταση (Α) και τις δύο αντιστάσεις μπορούμε πάλι με τον νόμο του Ωμ να δούμε τι ισχύ θα καταναλώσει η κάθε αντίσταση αφού και τις δύο τις διατρέχει το ίδιο ρεύμα μια που είναι συνδεδεμένες εν σειρά  . Ο τύπος του Ωμ είναι P = I2  * R  άρα η ισχύ που θα καταναλωθεί στην αντίσταση εδάφους ισούται 0,577^2 * 265 = 0,31 * 265 = 82,15 Watts  και η ισχύ που θα καταναλωθεί στην αντίσταση ακτινοβολίας - κεραία μας θα είναι 0,577^2 * 35 = 0,31 * 35 = 10,85 Watts άρα στην κεραία θα πάνε περίπου 11 Watts και στο έδαφος 82 Watts τα οποία θα χαθούν μέσα στο έδαφος συμπέρασμα η απόδοση της κεραίας είναι 11% πολύ τραγικό αποτέλεσμα . Ύστερα από αυτό το τραγικό αποτέλεσμα του 11% κάτι πρέπει να κάνουμε για να αυξήσουμε την απόδοση της κεραίας μας  υπάρχει τρόπος ; ΝΑΙ υπάρχει τρόπος και όχι ένας αλλά δύο τρόποι . Ο ένας είναι να ελαττώσουμε την αντίσταση εδάφους που είναι απώλειες και ο άλλος τρόπος είναι να αυξήσουμε την αντίσταση ακτινοβολίας της κεραίας μας .
Ας ασχοληθούμε πρώτα με την ελάττωση της αντίστασης εδάφους πως γίνεται η ελάττωση και μέχρι πόσα Ωμ  μας συμφέρει να ελαττώσουμε την αντίσταση εδάφους.
Στο πρώτο ερώτημα το πώς δηλ. η απάντηση είναι τοποθετώντας αντίβαρα λ/4 πόσα αντίβαρα 4-8-16-120 είναι άλλη υπόθεση . Στην δεύτερη ερώτηση  πόσα Ωμ πρέπει να την κατεβάσουμε αυτό είναι εύκολο αφού ο πομποδέκτης έχει αντίσταση 50Ω και η γραμμή μεταφοράς 50Ω άρα και το φορτίο δηλ. η κεραία πρέπει να έχει 50 Ω για να είναι 50 Ω πρέπει η αντίσταση εδάφους να είναι 50Ω μείον την αντίσταση ακτινοβολίας  50Ω – 35Ω = 15 Ω έτσι τώρα το σύστημα μας έχει την σωστή προσαρμογή 50 Ω η κεραία 50 Ω η γραμμή μεταφοράς και 50Ω ο πομποδέκτης ιδανική κατάσταση για λόγο στάσιμων 1:1 . Ας δούμε τώρα πάλι με την ελάττωση της αντίστασης εδάφους στα 15Ω την απόδοση της κεραίας μας . Βρίσκουμε το ρεύμα όπως παραπάνω Ι = √ 100 / 50 = 1,4142 Α  άρα η ισχύς που θα καταναλωθεί στην αντίσταση εδάφους θα είναι Ρ = 1,4142^2 * 15 = 30 Watts τα οποία θα χαθούν και στη κεραία θα καταναλωθούν τα οποία λόγου μηδαμινών απωλειών θα ακτινοβοληθούν Ρ = 1,4142^2 * 35 = 70 Watts . Συμπέρασμα με την μέθοδο ελάττωσης της αντίστασης εδάφους προσθέτοντας αντίβαρα (Radials) καταφέραμε ως μέγιστη απόδοση  της κάθετης κεραίας  να φθάσει στο 70% παραπάνω δεν μπορεί να πάει.
Ο δεύτερος τρόπος  για την αύξηση της απόδοσης της κάθετης κεραίας των 14MHz  θα σας αφήσει άφωνους για αυτό πιστεύω να λατρέψετε και εσείς τις κεραίες EFHW .
Πως γίνεται η αύξηση της αντίστασης ακτινοβολίας ; Ωραίο ερώτημα η απάντηση δεν είναι να υψώσουμε την κεραία  γιατί και με αυτό θα έχουμε κάποια αύξηση της αντίστασης ακτινοβολίας αλλά όχι με θεαματικές επιδώσεις ο καλύτερος τρόπος είναι η κεραία EFHW που σημαίνει στα Ελληνικά κεραία μισού κύματος τροφοδοτούμενη στην άκρη και το εξηγώ παρακάτω.

Αφαιρούμε το κάθετο μαστίγιο των 5,2 μέτρων και το αντικαθιστούμε με ένα μαστίγιο 10,45 μέτρων διπλάσιο από το πρώτο . Το ομοαξονικό το συνδέουμε όπως και στο λ/4 μαστίγιο την ψίχα στην βάση του μαστιγίου και το μπλεντάζ στην γείωση η οποία δεν έχει αλλάξει είναι 265Ω η αντίσταση όμως της ακτινοβολίας του κάθετου λ/2 τροφοδοτούμενο στην άκρη έχει  R= 3189 Ω σύμφωνα με την εφαρμογή για τις κεραίες  EFHW  .


Τώρα ας βρούμε το ρεύμα με τον νόμο του Ωμ η συνολική αντίσταση είναι 3189 + 265 =  3454 Ω κάνουμε πάλι εκπομπή με 100 Watts και σύμφωνα με τον μαθηματικό τύπο του Ωμ έχουμε Ι = √ 100 / 3454 = √ 0,028 = 0,170   Α .  Για να δούμε τώρα οι αντιστάσεις τι ισχύ καταναλώνουν . Η ισχύς στην αντίσταση εδάφους είναι Ρ = 0,170^2 * 265 = 7,65 Watts . Η ισχύ που καταναλώνεται στην αντίσταση ακτινοβολίας δηλ στην κεραία μας είναι Ρ = 0,170^2 * 3189 = 92 Watts  .
 Συμπέρασμα αποτελεσμάτων , στην κεραία EFHW καταναλώνονται  92 Watts τα οποία λόγου ότι η αντίσταση απωλειών είναι μικρή δεν υπάρχουν πηνία αυτά και θα ακτινοβοληθούν  δηλ η απόδοση της κεραίας είναι 92 %  με αντίσταση εδάφους 265 Ω ενώ της κάθετης λ/4 ήταν μόνο 11% με αντίσταση εδάφους 265 Ω και ύστερα από την μείωση της  τοποθετώντας αντίβαρα πήραμε την μέγιστη απόδοση που είναι 70% . Τώρα αν θέλουμε το 92% να το κάνουμε 98% - 100% απόδοση μπορούμε να μειώσουμε την αντίσταση εδάφους . Αλλά ας υποθέσουμε ότι δεν μειώνουμε την αντίσταση εδάφους που είναι 265 Ω (υπερβολικά μεγάλη) σε 20 – 2 Ω και αφήνουμε την απόδοση στο 92% . Τώρα σε αυτό το 92%  της  EFHW  και στο 70% απόδοση που έχει το λ/4 σε αντίσταση εδάφους και απωλειών 15Ω άδικη η σύγκριση εις βάρος της EFHW γιατί με μια τέτοια αντίσταση απωλειών εδάφους 265Ω  έχουμε 11% απόδοση και όχι 70% στην λ/4  θα δείτε ότι η EFHW πάλι είναι πάνω. Ποιες απώλειες δεν υπολογίσαμε στην παραπάνω ανάλυση ; Αυτές οι απώλειες είναι οι απώλειες της γραμμής μεταφοράς και του ATU τις οποίες  πρέπει να τις  αφαιρέσουμε  . Ας κάνουμε την υπόθεση ότι έχουμε τοποθετήσει στην τροφοδοσία της κεραίας  EFHW  ένα συντονιστικό τύπου L δικτυώματος low bass βέβαια σε αυτές τις κεραίες χρησιμοποιούμε παράλληλο δικτύωμα αλλά επειδή δεν υπάρχει πρόγραμμα προσομοιωτής  για παράλληλο δικτύωμα (η εφαρμογή  για τις κεραίες EFHW δεν εμφανίζει αναλυτικά τις απώλειες του ATU αλλά τις αφαιρεί για να βγάλει την συνολική απόδοση της κεραίας) αναγκαστικά θα χρησιμοποιήσουμε  Lnetwork αλλά όπως θα δείτε δεν υπάρχει διαφορά γιατί και στις δύο εφαρμογές  είτε παράλληλο είτε L-network   κατά τύχη συμπίπτουν περίπου  η αυτεπαγωγή του πηνίου  4,29μΗ παράλληλο  και 4,58μΗ Lnetwork και χωρητικότητα του πυκνωτή    30pF παράλληλο  και 27.8 pF L-network . Γραμμή μεταφοράς που θα χρησιμοποιήσουμε ένα RG -58  των 50Ω μήκους  λ/2 δηλαδή 10 μέτρα φυσικό μήκος επί το VF = 0.66  άρα ηλεκτρικό μήκος 10 * 0,66 = 6,6 μέτρα  αυτό το μήκος το επέλεξα επίτηδες γιατί οι γραμμές μεταφοράς οι οποίες έχουν ηλεκτρικό μήκος λ/2 ή περιττό αριθμό λ/2 της συχνότητας παρουσιάζουν την ιδιότητα ότι αντίσταση που έχουν στην μία άκρη τους την ίδια έχουν και στην άλλη άκρη . Και επειδή το ATU είναι συνδεδεμένο με την κεραία και ακολουθεί το RG-58 δεν συνδέουμε τώρα το RG-58 απευθείας στην κεραία  αλλά το ATU για να μην έχουμε επιπλέον απώλειες στην γραμμή μεταφοράς αλλά μόνο τις απώλειες που δίνουν οι πίνακες για το RG-58  άρα και στις δύο άκρες του RG-58 θα έχουμε 50Ω αφού η είσοδος του ATU είναι 50 Ω και η έξοδος του πομποδέκτη 50Ω, οι απώλειες σύμφωνα με τους πίνακες  για την συχνότητα των 14 MHz  και για μήκος 6,6 μέτρα είναι περίπου 6 Watts αυτές οι απώλειες ισχύουν και για τις δύο κεραίες και για την EFHW και την λ/4. Πάμε να δούμε τις απώλειες του ATU για την λ/4 ούτε καν χρειάζεται ATU γιατί έχουμε αντίσταση 50Ω αλλά και να βάλουμε ATU  πάλι
 θα δείτε στον προσομοιωτή με Q πηνίου 610 και Q πυκνωτή 1000 οι απώλειες είναι μηδενικές .

Τώρα ας δούμε τι απώλειες έβγαλε ο προσομοιωτής για το ATU  στην EFHW

Απώλειες στο ATU 2 watts .
Άρα  για αντίσταση εδάφους – απώλειες 265Ω η EFHW έχει απόδοση = 92 Watts -2 watts  στο ATU  -  6 watts στο RG-58 = 84 % .
Για την λ/4 απόδοση = 70 watts – 0 watts στο ATU – 6 watts στο RG-58 = 64%  . Βλέπετε και εσείς ότι ακόμα και με απώλειες εδάφους 265 Ω η EFHW έχει 20% πάνω από την λ/4 . Με αντίσταση εδάφους – απώλειες 15Ω όσο και το λ/4 η απόδοση της κεραίας EFHW είναι 97,7% όπως βλέπετε από την παρακάτω εφαρμογή το 97,7% είναι υπολογισμένες και οι απώλειες του παράλληλου δικτυώματος μείον τα 6 watts του RG-58 έχουμε απόδοση 97,7 – 6 = 91,7 watts

Άρα καταλάβατε από την παραπάνω ανάλυση το μυστικό γιατί παίζουν καλά οι κεραίες EFHW . Τώρα κάποιος  μπορεί να πει καλά τα λες sv1hag για τις κεραίες EFHW αλλά είναι πολύ δύσκολο να στήσεις ένα κάθετο 10 μέτρων από τι ένα κάθετο 5 μέτρων και αν πούμε για τις συχνότητες των 7 MHz ή 3,5 MHz ή 1,8 ΜΗz  εκεί τα πράγματα δυσκολεύουν πολύ περισσότερο πώς να στηρίξεις κάθετο ένα μαστίγιο μήκους αντίστοιχα 20 μέτρων , 40 μέτρων , 80 μέτρων . Όντως εύλογη είναι η παρατήρηση αν κάποιος την έκανε η απάντηση είναι ότι η κεραία EFHW είναι εξίσου αποδοτική και αν την κάνεις σε σχήμα ( Γ )  στην παρακάτω φωτογραφία όρισα το κάθετο τμήμα 5 μέτρα και το οριζόντιο 5,45 και ο προσομοιωτής έβγαλε τα αποτελέσματα.

Το πρώτο που βλέπουμε ως προς την απόδοση είναι 91,2 % με αντίσταση εδάφους – απώλειες 265 Ω μείον τις απώλειες του παράλληλου δικτυώματος που σου φτιάχνει αυτόματα η εφαρμογή για την προσαρμογή της κεραίας . Επίσης παρατηρούμε ακόμα ένα πλεονέκτημα του σχήματος ( Γ )  ότι αυξήθηκε η αντίσταση ακτινοβολίας από 3189 Ω που ήταν όταν ήταν κάθετο σε 4259 Ω . Τελικά βλέπετε ότι οι κεραίες EFHW δεν πέφτουν κάτω από 90% σε απόδοση.
   Αλλά όλα τα καλά αναφέρω αυτής της κεραίας και δεν είναι δίκαιο πρέπει να αναφέρω και τα μειονεκτήματα της ,  το σοβαρότερο μειονέκτημα της είναι η υπέρταση στο σημείο τροφοδοσίας το οποίο τις καθιστά και επικίνδυνες στην πρόκληση ζημιών στον εξοπλισμό σας . Σε επόμενο άρθρο μου θα σας περιγράψω τι συντονιστικό να χρησιμοποιήσετε και πώς να βρίσκεται το ιδανικό Q του συντονιστικού σας γιατί και αυτό παίζει ρόλο στην απόδοση . Όσοι δεν έχετε παίξει με κεραίες   EFHW υπάρχουν πολλά σχέδια ATU άλλα με επαγωγικά πηνία άλλα με πηνίο και λήψη και άλλα με toroid  iron  ή Ferrite βέβαια τα περισσότερα δεν είναι σχεδιασμένα για μεγάλη ισχύ για αυτό ότι ATU και να χρησιμοποιήσετε σας συμβουλεύω να μην χρησιμοποιήσετε ισχύ πάνω από 25 watts μέχρι να εξοικειωθείτε με τις κεραίες αυτές γιατί οποιοδήποτε λάθος δεν το συγχωρούν κάποια ζημιά θα πάθετε. 

73 de SV1HAG




5 σχόλια:

  1. SV1HAG ποιοτητα λεμε...πολλα μπραβο σου συναδελφε που μας δινεις τα φωτα σου...

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  2. σε οσους αναφερα κατι παρομιο γελουσαν

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  3. Μην δίνεις σημασία σε συμπεριφορές άλλων , αυτό που πρέπει να σε ενδιαφέρει είναι αν με την θεωρία σου που οι άλλοι γελούν έχει αποτέλεσμα δηλαδή αν η κεραία σου αποδίδει και ακούγεσαι δυνατά.

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  4. Αυτό να το καταλάβουν κάποιοι που τα ξέρουν όλα !!! και να μην λένε ότι μιλάμε με 10 k 15 kw
    Μπράβο ρε Γιάννη 73 !!! σε όλους
    SV1BLD

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  5. Πάντα ο Γιάννης έχει ένα τρόπο να μας μεταφέρει απλά και παραστατικά ραδιοερασιτεχνικά θέματα που γιά πολλούς είναι οχι και τόσο κατανοητά.
    Η τιμή γιά σ’ ένα Γιάννη είναι να κατασκευάσουμε την προκείμενη κεραία, και πάνω σ’αυτό εντρυφώ
    Σ’ Ευχαριτούμε
    Αλέξ.Καρπαθίου
    SV8CYR
    Υ.Γ.απο την δημοσιεύση που έκανα στό https://sv8cyr.wordpress.com/

    ΑπάντησηΔιαγραφή

Το blog αυτό είναι αυστηρά τεχνικό ραδιοερασιτεχνικό και είναι δεκτά μόνο σχόλια τεχνικής φύσεως των πειραμάτων ή των κατασκευών που αναρτώνται στο blog . Σχόλια άλλου τύπου διαγράφονται.