Uticaj koaksijalnog kabla na Yagi Antenu Dragoslav Dobrii, YU1AW

dragan@antennex.com

Uvod Do sada smo, u prethodnim lancima [1, 2, 3], istraivali kako prenik nosaa i njegovo rastojanje od elemenata antene utie na karakteristike est razliitih Yagi antena za 2m koje su sline u svim karakteristikama osim u veliini Q faktora [4, 5].

Pored nosaa kao neizbenog dela antene, postoje i druge nosee strukture koje mogu da utiu na karakteristike antene. U prethodnom lanku videli smo da se uticaj nosaa ili druge sline provodne strukture protee na prilino veliko rastojanje od elemenata antene. Meutim, postoji jo jedan neizbean deo antene, napojni vod, koji moe da utie na rad antene, posebno zbog toga to napojni kabl mora da bude blizu antene i u elektrinom spoju sa njom. Njegova blizina, spoj sa antenom, nain kako je spojen na zraei elemenat i put kojim je voen do ureaja ine ga vanim faktorom koji moe da izvri ozbiljan uticaj na karakteristike antene.

Korienjem kompjuterskih simulacija, istraili smo kako koaksijalni kabl odreenog prenika koji dolazi do dipola pod razliitim uglovima i iz razliitih pravaca u odnosu na elemente antene utie na karakteristike Yagi antene. Problem ostvarivanja minimalnog meusobnog uticaja izmeu antene i njenog napojnog voda je vrlo interesantan i vaan pa smo odluili da ovaj problem malo bolje osvetlimo.

Sl.1 Yagi antena sa koaksijalnim kablom i nainom kako je definisan prilazni ugao alfa

Uslovi pod kojima su vrene simulacije Svih est Yagi antena su simulirane pod jednakim uslovima. Yagi antene su prvo simulirane bez provodnog nosaa i bez koaksijalnog napojnog voda kao referenca za

poreenje, zato to je to uobiajen i est nain kako se antene simuliraju u NEC programima. Kasnije je dodat provodni nosa u vidu okrugle cevi prenika 50 mm. Nosa je postavljen ispod elemenata tako da je rastojanje x izmeu ose nosaa i ose elemenata 40 mm. To predstavlja prilino dobar prikaz simulacije Yagi antene sa izolovanim elementima od nosaa, koji su montirani na nosa pomou plastinih izolatora sa vrlo malom relativnom dielektrinom konstantom i na visini od 15 mm iznad gornje povrine nosaa. Najzad, Yagi antena sa istim nosaem i elementima postavljenim horizontalno je napajana sa koaksijalnim kablom odreenog prenika koji dolazi odozdo vertikalno navie ka zraeem elementu. Koaksijalni kabl je pod pravim uglom u odnosu na osu nosaa i osu elemenata i lei u vertikalnoj ravni simetrije antene. Koaksijalni vod je 10 mm u preniku, 3m dugaak i njegov gornji kraj se nalazi u blizini donje povrine nosaa ali je ne dodiruje (Sl.1). Oba kraja spoljanjeg provodnika koaksijalnog kabla ostavljena su nepovezana, tako da oni u elektrinom smislu lebde. RF izvor je postavljen i spojen za krakove u sredini izolacionog procepa otvorenog dipola.

Sl.2 Ulazno povratno slabljenje za svih est antena u zavisnosti od prilaznog ugla (alpha) koaksijalnog kabla

Na ovaj nain je predstavljena simulacija antene napajane koaksijalnim kablom preko veoma dobrog 1:1 baluna koji predstavlja vrlo visoku impedansu za common mode struje koje teku po spoljanjoj povrini spoljanjeg provodnika koaksijalnog kabla. Ovakav aranman daje dobre mogunosti da se istrai uticaj koaksijalnog kabla na Yagi antenu samo usled indukovanih struja koje teku po spoljanjoj povrini koaksijalnog kabla kao posledica bliskog elektromagnetnog polja antene. Oekivalo se da meusobni uticaj antene i koaksijalnog kabla koji lei u ravni simetrije antene bude minimalan zbog meusobnog ponitavanja indukovanih struja na spoljanjoj povrini spoljanjeg provodnika koaksijalnog kabla. Duina koaksijalnog kabla je bila ograniena iskljuivo zahtevima obimnih kompjuterskih prorauna. Uslovi pod kojima su vrene simulacije su vrlo slini praktinoj situaciji kada je samo jedna antena postavljena na vrh visokog i tankog stuba. Ova simulacija bi trebala da prui odgovor na pitanje na koji je nain najbolje da se vodi koaksijalni kabl u odnosu na stub, nosa antene i druge mogue nosee strukture za ojaanje antene. Da li je bolje voditi kabl kroz vazduh dijagonalno pratei najkrai put, ili je bolje voditi kabl uz sam metalni nosa i stub? Da li je bolje koaksijalni kabl od dipola voditi nazad ili napred u odnosu na smer zraenja antene? Da li je najbolja pozicija kabla koja vri najmanji uticaj na antenu, pronaena simulacijom, ista za sve tipove simuliranih antena? Kako su pozicija kabla i veliina pogoranja karakteristika povezani i zavisni od Q faktora antene? eleli smo da pokuamo da odgovorimo na sva ova pitanja. Pogledajmo ta pokazuju rezultati simulacija. Kao i u prethodnim lancima, za ovaj posao korien je profesionalni program za simulaciju antena baziran na FIT metodi umesto uobiajenih MoM baziranih programa koji su se pokazali neodgovarajui zbog nekoliko neprihvatljivih programskih ogranienja [3]. Uticaj nosaa je posmatran na sledeim karakteristikama antena u zavisnosti od ugla alfa pod kojim koaksijalni kabl prilazi anteni u odnosu na poetni vertikalni poloaj koaksijalnog kabla (Sl. 1):

1. Srednja vrednost ulaznog povratnog slabljenje (S11) u opsegu 144...146 MHz 2. Srednja vrednost prilagoenja, tj. SWR-a u opsegu 144...146 MHz 3. Srednja vrednost irokopojasne usmerenosti u opsegu 144...146 MHz

4. Srednja vrednost Q faktora antene u opsegu 144...146 MHz 5. Dijagram usmerenosti antene u E i H ravni na frekvenciji 144.5 MHz

Sl. 3 Srednja vrednost povratnog slabljenje u opsegu 144146 MHz Sl. 4 Srednja vrednost SWR-a u opsegu 144146 MHz

Uticaj na ulazno povratno slabljenje i SWR Oekivan je izvestan stepen uticaja koaksijalnog kabla na ulazno povratno slabljenje i SWR antene. Provedene simulacije su dale jasnu potvrdu da prisustvo i poloaj napojnog koaksijalnog kabla proizvodi znaajne promene ulazne impedanse antene (Sl. 2). Sa prikazanih dijagrama na Sl. 3 i 4 oigledno je da veina antena, a naroito onih sa viim Q faktorom, ima najbolje srednje vrednosti SWR-a i povratnog slabljenja pri poloaju kabla pod uglom alfa = +/- 90 stepeni, tj. kada kabl ide paralelno sa nosaem antene i blizu njega. Ima male razlike u veliini degradacije karakteristika antene kada kabl dolazi sa zadnje strane (alfa = -90 st.) i sa prednje (alfa = 90 st.) u korist ove druge. Pomalo je iznenaujui rezultat da vertikalni kabl (alfa = 0 ili 180 st.) proizvodi najvei uticaj na ulaznu impedansu kod skoro svih antena sa viim Q faktorom. Izgleda da se zajedno sa poveanjem Q faktora antene istovremeno poveava srednja vrednost ulaznog SWR-a antene ako kabl dolazi pod pravim uglom, tj. kada je alfa = 0 ili 180 st.

Uticaj na irokopojasnu direktivnost i Q faktor Krive irokopojasne direktivnosti se pomeraju po frekvenciji pod uticajem prisustva i poloaja koaksijalnog napojnog kabla slino kao pod uticajem provodnog nosaa ili vlage na elementima [4, 5]. Antene sa viim Q faktorom imaju ue krive irokopojasne direktivnosti i veu osetljivost na spoljanje uticaje sredine. Kao rezultat frekvencijskog pomeranja krivih direktivnosti one imaju znaajno veu promenu srednje vrednosti direktivnosti antene u radio-amaterskom opsegu. Uticaj kabla na irokopojasnu direktivnost je u skladu sa uticajem na SWR. Najmanja degradacija, za antene sa viim Q faktorom, je kada je kabl paralelan sa nosaem i u njegovoj blizini (alfa = +/-90 st.). Meutim za antene sa niim Q faktorom bilo koja pozicija kabla je skoro ista i te antene gotovo da ne trpe nikakav uticaj zbog prisustva i poloaja kabla (Sl. 5).

Promena vrednosti Q faktora antene takoe sledi istu zakonomernost kao SWR i direktivnost antene. Antene sa viim Q faktorom trpe mnogo znaajnije poveanje Q faktora zbog prisustva i poloaja kabla nego antene sa niim Q faktorom (Sl. 6). Ovo je vrlo slino promeni Q faktora usled uticaja vlage kao to smo ve ranije ustanovili i opisali u ranijim lancima [4. 5]. Svi ovi uticaji na najvanije osobine antene na oigledan nain ilustruju verovatno ponaanje i osetljivost antene na spoljanje uticaje okoline u praktinim radnim uslovima.

Sl. 5 Srednja vrednost direktivnosti u opsegu 144146 MHz Sl. 6 Srednja vrednost Q faktora u opsegu 144146 MHz

Uticaj na dijagram usmerenosti antene Dijagram zraenja u E ravni za svih est antena u zavisnosti od ugla alfa pod kojim kabl prilazi dipolu dati su na Sl. 7. Pored toga, radi poreenja, dati su takoe dijagrami istih antena sa provodnim nosaem prenika 50 mm na rastojanju x = 0.04 m izmeu ose nosaa i ose elemenata, ali bez koaksijalnog kabla. Dijagrami istih antena bez koaksijalnog kabla, ali i bez nosaa, tj. antene sagraene na neprovodnom nosau, date su takoe radi poreenja. Dijagrami zraenja u H ravni dati su na Sl. 8. Kao to se moe videti na prikazanim slikama, dijagrami zraenja antena sa niim Q faktorom su manje poremeeni usled prisustva i poloaja koaksijalnog kabla zbog njihove manje osetljivosti na spoljanje uticaje sredine [4, 5]. Najvei uticaj je na veliinu i ugaonu poziciju sporednih snopova, kao i na zadnji snop. Slino ponaanje smo nali kada smo istraivali uticaj provodnog nosaa na dijagram zraenja antene. Na prikazanim dijagramima moemo uoiti da nam uticaj koaksijalnog kabla na zadnji snop ne izgleda ba intuitivno. Naime, kada kabl prilazi zraeem elementu sa zadnje strane antene paralelno sa nosaem (alfa = -90 st.), to na izvestan nain, produava metalni nosa u smeru zadnje strane antene. To rezultira manjom veliinom zadnjeg snopa nego u situaciji kada kabla dolazi vertikalno, tj. normalno na nosa (alfa = 0 ili 180 st.) i naizgled bi trebalo da manje utie na zadnji snop.

Sl. 7 Dijagrami zraenja svih est antena u E ravni na frekvenciji 144.5 MHz u zavisnosti od prilaznog ugla kabla (alpha)

Sl. 8 Dijagrami zraenja svih est antena u H ravni na frekvenciji 144.5 MHz u zavisnosti od prilaznog ugla kabla (alpha)

Zakljuak U ovom lanku prezentirali smo rezultate istraivanja kako koaksijalni napojni kabl utie na karakteristike antene. Istraivanja su provedena pomou kompjuterskih simulacija est antena pod istim uslovima. Koaksijalni kabl je postavljen tako da nije u elektrinom kontaktu sa antenom da bi se modeliralo napajanje antene preko idealnog 1:1 baluna koji predstavlja beskonanu impedansu za common mode struje. Samo struje indukovane elektromagnetnim (uglavnom bliskim) poljem antene su uzete u obzir. Rezultati pokazuju visok stepen zavisnosti od poloaja kabla, tj. ugla alfa pod kojim kabl dolazi do aktivnog zraeeg elementa. Prilazni ugao kabla alfa je stalno leao u ravni simetrije antene kako bi se odrao minimum meusobnog uticaja izmeu kabla i antene. Koristili smo idealni 1:1 balun sa beskonanom impedansom za common mode struje i poloaje kabla koji su uvek leali u ravni simetrije antene namerno kako bismo dobili rezultate minimalno mogue interakcije i uticaja kabla na antenu. ak i pod tim idealizovanim uslovima i u odsustvu svih drugih uticaja okoline (ak i zemlje) rezultati pokazuju znaajnu degradaciju karakteristika antene za neke od antena, preteno za one sa viim Q faktorom. Prikazani rezultati sada mogu da daju odgovore na pitanja koja su postavljena na poetku ovog lanaka a odnose se na uticaje kabla na karakteristike antene same na stubu. Na pitanje da li je bolje voditi kabl kroz vazduh sledei najkrai put (alfa = 45 st.), ili voditi kabl privren uz nosa antene (alfa = 90 st.) moemo odgovoriti da je bolje voditi kabl privren uz, tj. ispod nosaa antene (alfa = 90 st.). Na pitanje da li je bolje koaksijalni kabl voditi napred (alfa = 90 st.) ili nazad (alfa = -90 st.) u odnosu na smer zraenja antene, moemo odgovoriti da je neto bolje voditi kabl napred uz nosa. Takoe, pronaeno je da je najbolji poloaj kabla sa minimalnim uticajem na karakteristike antene praktino isti za sve ispitivane antene. Na pitanje kako je poloaj kabla i veliina degradacije karakteristika povezana sa Q faktorom, odgovor je da su ove simulacije pokazale da su antene sa viim Q faktorom mnogo podlonije uticajima koaksijalnog kabla i degradaciji karakteristika od antena sa malim ili srednjim Q faktorom. Korienjem realnog baluna, ili napajanjem antene ak i bez ikakvog baluna i voenjem kabla tako da on ne lei uvek u ravni simetrije antene, to je uobiajeno u svakodnevnoj praksi, moemo oekivati mnogo vii stepen uticaja i degradacije karakteristika antene.

Reference: 1. Dragoslav Dobrii, YU1AW, Boom Distance Influence on Yagi Antenna,

antenneX, August 2009, Issue No. 148. Prevedeno na srpski jezik: Dragoslav Dobrii, YU1AW, Uticaj odstojanja nosaa na Yagi antenu, http://www.yu1aw.ba-karlsruhe.de/Uticaj_odstoj_nosaca_na_yagi.pdf

2. Dragoslav Dobrii, YU1AW, Boom Radius Influence on Yagi Antenna, antenneX, June 2009, Issue No. 146. Prevedeno na srpski jezik: Dragoslav Dobrii, YU1AW, Uticaj prenika nosaa na Yagi antenu, http://www.yu1aw.ba-karlsruhe.de/Uticaj_precnika_nosaca_na_Yagi_antenu.pdf

3. Dragoslav Dobrii, YU1AW, Boom Influence on Yagi Antenna, antenneX, May 2009, Issue No. 145. Prevedeno na srpski jezik: Dragoslav Dobrii, YU1AW, Uticaj nosaa na Yagi antenu, http://www.yu1aw.ba-karlsruhe.de/Uticaj%20nosaca%20na%20Yagi%20antenu.pdf

4. Dragoslav Dobrii, YU1AW, Yagi Antenna Design Sensitivity in Practice, antenneX, November 2008, Issue No. 139. Prevedeno na srpski jezik: Dragoslav Dobrii, YU1AW, Osetljivost Yagi antena u praksi, http://www.yu1aw.ba-karlsruhe.de/Osetljivost%20Yagi%20antena%20u%20praksi.pdf

5. Dragoslav Dobrii, YU1AW, Yagi Antenna Q factor, antenneX, July 2008, Issue No. 135.

(lanak je preveden iz asopisa antenneX, Septembar 2009, Issue No. 149.)