Antény a magie kolem nich

Většina amatérských posluchačů letecké komunikace se snaží zlepšovat svůj domácí příjem. Nejčastěji se experimentuje s anténou, protože ta je levnější než nový přijímač a dává velký prostor pro zkoušení. V tomto článku najdete několik tipů pro úpravu či stavbu antén a především výsledky porovnání kvality signálů z několika různých scannerových antén. Trocha anténní teorie a praktických poznatků ovšem neuškodí ani pilotům či adeptům o průkaz radiotelefonisty.

 

Anténní názvosloví

Anténa

Anténa přenáší energii z vodiče (drátu) do nevodivého prostředím (vzduch) a naopak. V drátu se energie přenáší jako proud, v nevodivém prostředí jako elektromagnetické vlnění. Anténa se navrhuje tak, aby přeměna proběhla s co nejmenší, teoreticky žádnou, ztrátou. Anténa musí být na naladěna na určitou frekvenci, což se provádí změnou rozměrů a konfigurace. Antena je  pasivní zařízení a funguje oběma směry - může být zapojena jako přijímací i jako vysílací; vlastnosti budou v obou směrech shodné

Šum

Hlavním důvodem experimentování s anténou je snaha snížit šum v signálu. Ovšem anténa sama o sobě prakticky nešumí, šum do signálu přidává až zesilovač v přijímači. Ten šumí tím více, čím nekvalitnější je přijímač a čím slabší signál mu dodává anténa. Silnější signál z antény prakticky vždy znamená nižší šum při poslechu.

Polarizace vln

Elektromagnetické vlny nekmitají všemi směry, ale obvykle jen v jedné rovině. Podle orientace kmitů vůči zemskému povrchu rozlišujeme polarizaci vln horizontální, vertikální, nebo jinou. Drtivá většina leteckých signálů se vysílá s polarizací svislou a proto i přijímací anténa musí být navržena pro polarizaci svislou, jinak dojde k zeslabení signálů. Vysílání z letadel má polarizaci "podivnou", je ovliněna zakřivením povrchu letadla a jeho polohou vůči zemi.

Zisk a směrovost antény

Obecně vzato, anténa žádný zisk nemá. Anténa jen převádí proud na elektromagnetické vlnění s účinností nejvýše 1 (100%). Jen ta energie, kterou do antény přivedeme, z ní může vypadnout na straně druhé a nejde tedy mluvit o zisku ve smyslu zesílení. Přesto se zisk antény často udává, ale jako relativní číslo, které definuje sílu vyzářeného signálu do jednoho směru, oproti vyzařování všesměrovému. Antény většinou soustřeďují vyzařovanou energii jen do určitých směrů, ve kterých je signál zesílen oproti směrům ostatním. Vztah mezi ziskem a směrovostí antény nelze obejít a je klíčový pro chápání, jak s anténami zacházet , tj. neexistuje všesměrová anténa s vysokým ziskem! U scannerového poslechu potřebujeme všesměrovou anténu, aspoň v horizontální rovině, a proto je i míra zisku scannerových antén omezena. Proto je důležitější, aby anténa byla dobře přizpůsoběna, pracovala s co nejmenšími ztrátami a byla na vhodném místě, než honba za několika desetinami dB katalogového zisku.

Napájení antény

Kabel k anténě se nazývá "napaječ". Je jedno, zda slouží k přívodu energie z vysilače nebo naopak vede do scanneru - jeho vlastnosti ovlivňují kvalitu příjmu. Jako napaječ se používá koaxiální kabel s impednací 50 Ohm. Použití jiného napáječe (zvonkový drát, flexošňůra, stíněný kablík, apod.) způsobí, že vlastnosti i dobré antény, se stanou nedefinované a příjem se obvykle zhorší. Může být zbytečné anténu vůbec kupovat, pokud k ní nekoupíte i odpovídající koax.

Impedance

Impedance je cizí slovo označující cosi jako elektrický odpor. Je impedance antény, impedance kabelu a impedance vstupu přijímače. Ideální výsledek se dosáhne, pokud jsou  hodnoty všech impedancí shodné a to konkrétně 50 Ohm - na tuto hodnotu jsou navrženy vstupy scannerů i koaxiální kabely. Pokud některá část řetězce má impedanci odlišnou, vznikají ztráty a odrazy, které znehodnotí přenášenou informaci. Impedanci nelze doma změřit a proto musíme věřit výpočtům a dodržovat konstrukční návody.

Podstatné součásti antén. Zářič a umělá zem

Zářič je aktivní část antény. Obvykle je to tyč na kterou se připojí střední vodič koaxiálu. Další část bývá takzvaná umělá zem. Pojem "zem" v anténní technice neznamená hlínu. Je to část antény, která nahrazuje vodivý povrch Země, nejčastěji to je plech, síťka, tyčky, zábradlí, karoserie auta, trup letadla. Musí být elektricky vodivá a neprostupná pro elektromagnetické vlny. Na anténní "umělou zem" se připojuje opletení (stínění) kabelu. 

Rozdělení antén - antény zemněné a nezemněné

Podle toho, kam u antén připojujeme vodiče z napaječe, se, zvláště v americké literauře, dělí antény na zemněné (grounded) a nezemněné.

U antén zemněných se střední vodič napaječe připojuje na zářič a stínění koaxu na konstrukci tzv. umělé země. Vlastnosti antény jsou dány nejen rozměrem zářiče, ale celým konstrukčním uspořádáním zářiče i umělé země. Antény zemněné mají výhodu v tom, že jsou "nesymetrické" , stejně jako koaxiál a tento lze na ně připojit přímo, bez dalších obvodů. 

U antén nezemněných se oba dráty napaječe připojují na zářič (zářiče). Nezemněné antény vyžadují symetrické připojení pomocí symetrizačního obvodu - ten ale vždy zavede do systému nežádoucí útlum. Vlastnosti nezemněné antény jsou dány především rozměrem a geometrií zářiče, vliv země se uplatňuje jen druhotně.  

V případě leteckých antén se užívají oba druhy. Pro komunikační účely převažují grounded anteny, ale v systémech ILS se používají výhradně dipoly. U pozemního vysilače ILS (GS) se  například vtipně využívá vlivu Země na vyzařovací diagram dipolů, které ovlivní zešikmení  elektromagnetického pole a tak vznikne paprsek pro vedení letadla při klesání. 

Vlnová délka, kmitočet, frekvence a výpočet délky zářiče

To jsou základní pojmy pro návrh a konstrukci antén. Za sekundu urazí elektromagnetická vlna 300.000 km a přitom kmitá svoji frekvencí, z toho plyne vlnová délka λ, která se vypočte podle vzorečku:

λ =  c / f, kde c = 300.000.000 a f je frekvence vlny v Hz.

Základní poznatek: čím vyšší je frekvence, tím je kratší vlna a naopak. 
Většina rozměrů se v anténní technice vyjadřuje jako násobek délky vlny, tj. l = λ/2 znamená délku rovnou polovině délky vlny. 

Z teorie plyne, jaké délky tyčí, vyjádřené násobkem vlnové délky, jsou pro antény výhodné. Tyto násobky přepočítáme podle výše uvedeného vztahu na metry a k tomu bereme do úvahy ještě tzv. koeficient zkrácení - tzn. že vypočtené rozměry je třeba vynásobit koeficientam, číselně k = 0,90-0,98, který převede tzv. elektrickou délku na délku mechanickou. Obecně platí, že čím tlustější trubka se v konstrukci použije, tím větší zkrácení, tj. tím nižeí koeficient. Přesné údaje jsou v literatuře, ale pro naše účely opravdu stačí toto přiblížení.

Př.: výpočet fyzické délky čtvrtvlnné tyče o průmeru 3 cm (tj. "tlustá") pro f = 127MHz :

vlnová délka na 127 MHz = λ =  c / f  = 299000000 / 127000000 = 2,36 m
elektrická délka zářiče l = λ / 4 = 2,36 / 4 = 0,59 m
mechanická délka zářiče lλ/4m  =  l * koef. zkrácení =  0,59 * 0,92 = 0,54 m

Hodnota koeficientu (0,92) je použita z dolní části rozpětí, protože jde o tlustou trubku.

Popis zemněné antény. Čtvrtka

Základním zářičem pro grounded antény je tyč délky 1/4 λ. Pro letecké pásmo vychází  délka l = 53-58cm, podle tloušťky zářiče. Taková tyč, umístěná kolmo, přijímá v horizontální rovině všesměrově (kolemdokola) a současně má maximum příjmu zhruba podél povrchu země. To ale platí, jen když u paty zářiče vytvoříme "umělou zem", nejčastěji z tyček délky ~ λ/4, které umístíme u paty zářiče, vodivě propojíme mezi sebou a spojíme se stíněním koaxiálu. Zářič se připojí na střední, signálový, vodič. Tato anténa má ovšem impedanci ~ 37 Ohm. Pokud se tyče země skloní dolů, v úhlu cca 135stupňů (viz. obr.1), zvýší se impedance na ideálních 50 Ohm a zachovají se směrové vlastnosti. Takové antény se jmenují λ/4 (čtvrtky) a běžně se prodávají pro všechna VKV pásma, včetně leteckého. Jejich výhodou je snadná montáž (na vrchol stožáru), dobré příjmové vlastnosti a velká odolnost proti povětrnostním vlivům, nevýhodou je vyšší cena.

Uvedené rozměry a uspořádání je třeba dodržet při bastlení čtvrky podomácku. Anténu lze vyrobit různým způsobem, tloušťka ani materiál použitých vodičů nejsou kritické, vyhoví třeba izolovaný měděný drát průměru 4mm (koef. zkrácení bude k = 0.98). Velkou nevýhodou je, že chatrnou konstrukci musíme nějak stabilně připevnit na stožár.

Pětiosmina,  5/8λ

Zlepšení vlastností antény čtvrtky se dosáhne prodloužením zářiče, protože "čím delší tyč, tím více vln nachytá", ale má to své meze. Délky mezi λ/4 a 5/8λ mají impedanci hodně odlišnou od 50 Ohm a proto se nepoužívají. Smysluplná je anténa délky 5/8λ = ~ 1.47m, která má ještě lepší směrové vlastnosti než čtvrtka a impedanci 50 Ohm, takže není potřeba naklápět radiály. Zářič pětiosminy nesmí být delší než oněch 5/8λ, protože pak se vlastnosti rychle zhoršují. 

Antény delší než l = 5/8λ mají již nabouraný směrový diagram (anténa neslyší signály vysílané pozemními stanicemi) a experimentování nepřináší požadovaný efekt - toto znevýhodňuje i použití většiny dlouhých CB-tyčových antén při poslechu leteckého pásma.  

Pendrek

Naopak zkracování zářiče vede k anténě nazývané "pendrek" (viz. Obr.4). Běžně se dodává  jako příslušenství ke scannerům. Elektricky je to "zemněná" anténa, která je "elektricky" prodloužena (tím, že je v ní např. cívka) na rozměr λ/4. Umělá zem je u pendreku představována tělesem scanneru, případně rukou jeho držitele. Z toho plyne i provozní doporučení - pokud scanner s pendrekovou anténou nedržíte v ruce, položte jej kolmo na vodivý povrch - příjem se tím obvykle zlepší, protože se takto vyrobí poměrně dokonalá umělá zem.

Podobnou funkci jako pendrek mají antény VKV na letadlech ve tvaru pahýlu, izolovaného od vodivého trupu. Antena vyzařuje všesměrově kolem letadla a  minimum příjmu je kolmo pod a nad letadlem. Tyto antény vyžadují k funkci přizpůsobovací elektrický obvod mezi vysilačem a anténou, který není jednoduché amatérsky vyrobit a proto se těmito anténami nebudeme zabývat.

Anténa nezemněná, neboli dipol

Dipol je typická nezemněná anténa - jsou to dvě tyče stejné délky, umístěné symetricky za sebou nebo do tvaru písmene V v prostoru. Základním rozměrem dipolu je rameno délky 1/4λ.Dipol pro letecké pásmo se běžně neprodává a je třeba jej prakticky vždy "bastlit". Dobrým základem je výrobek z názvem "teleskopický dipol pro příjem TV", prodávaný za směšných 40 Kč (viz. obr. 2).

Tento TV dipol se pro letecké pásmo dobastlí takto :

i) ramena se vytáhnou do délky cca 58cm každé  (již zahrnuje uvažované zkrácení);
ii) ramena musí být obě stejně dlouhá - protože jsou teleskopická, není s nastavením problém,
iii) ramena se rozevřou do tvaru V s úhlem mezi nimi cca 140-150st  (nastavuje impedanci),
iiii) celé to se  umístí svisle, aby anténa nebyla v těsné blízkosti zdi nebo stožáru ( >40 cm),
iiiii) pro připojení kabelu se nepoužije žádný symetrizační člen ale rameno dipolu směřující nahoru se připojí na střední vodič, rameno mířící dolů na stínění. Toto není košer, ale je to jednoduché, praktické a vyzkoušené.

Dipol této konstrukce by se měl správně připojit ke koaxiálu přes tzv. balun, tj. symetrizační člen, který není jednoduché vyrobit. Zkušenosti ukazují, že "to dobře funguje i bez něj" a proto doporučuji zkoušet, jak popsáno. Pozor, balun není symetrizační člen z TV antén !


Praktická porovnání různých antén

Bylo porovnáno několik antén, od profesionálně vyrobené po zcela "zbastelnou", poslechem několika frekvencí leteckého pásma. Měření probíhalo v nadmořské výšce 314 m s anténami cca 15metrů nad terenem. Porovnávány byly signály služeb ATIS a VOLMET ze střediska Jeneč (vzdálenost 20km). Jde tedy o optimální umístění a získanou kvalitu signálů nelze očekávat při příjmu v běžné zástavbě.

Porovnávané antény :

a) Čtvrtvlnná anténa italského výrobce, Sirio GPA, VHF 136-175 MHz, přeladěná na pásmo 118-136 MHz dle továrního diagramu s konektorem UHF :


obr. 1

 

b) TV teleskopický dipol s délkou ramen 58cm, nastavený na úhel ramen 150°, připojený nesymetricky konektorem UHF, uchycen svisle na výložném ramenu 50cm od nosného stožáru :


obr. 2


c) GP anténa λ/4 (DIY) vyrobená z měděného drátu 4mm, který tvořil zářič i dvě ramena umělé země; ramena skloněna dolů úhel mezi nimi a zářičem 135 st. s konektorem BNC, uchyceno držákem na vrchol stožáru : 


Obr. 3


d) Defaultní pendreková anténa na scanneru, to celé na stožáru v místě umístění externích antén (tedy bez použití kabelu mezi anténou a scannerem) :


Obr.4

Podmínky měření

Všechny antény byly postupně umístěny do stejného místa a propojeny 22m dlouhým koaxiláním kabelem RG-58 do scanneru Albrecht AE-44H. Ze sluchátkového výstupu byl signál přiveden stíněným kabelem do PC, kde byl zpracován. Nastavení ovladacích prvků bylo během všech měření shodné. V PC byly signály zpracovávány a vyhodnoceny v bezztrátovém formátu .wav (mono, vzorkování 44,1kHz). 

Porovnání zbytkového šumu

Byla měřena amplituda zbytkového šumu při příjmu nemodulované nosné na frekvenci Praha VOLMET 128,60 MHz. Jde o porovnání šumu při zaklíčovaném vysilači, bez modulace. Z přijímače by mělo vycházet jen ticho a amplituda šumu je ukazatelem kvality systému; čím nižší šum, tím kvalitnější aparatura (v našem případě anténa, zbytek byl vždy stejný). Mezi intenzitou šumu a sílou přijímaného signálu není přímá úměra ale platí, že i malé snížení amplitudy šumu znamená poměrně velkou změnu slyšitelnosti signálů. 

Nejvyšší úroveň šumu byla změřena s pendrekovou anténou, následoval šum s domácky vyrobenou anténou λ/4 z drátu a pak šum z TV dipolu. Nejnižší úroveň šumu byla naměřena z profesionální antény GPA Sirio. Obr. 5 ukazuje grafický záznam úrovní šumů z jednotlivých antén - platí, že čím nižší šum, tím lepší příjmové vlastnosti.


Obr.5

Měření šumu nedávají zcela objektivní obraz o kvalitě příjmu správně bychom měli změřit poměr amplitudy signálu k šumu, což jednoduše nejde bez vysílání měřícího signálu. Aby se ověřily změny kvality signálu byl nahrán vzoerk vysílání LKPR ATIS (122,15MHz) a Praha VOLMET (128,60MHz) s každou anténou.

Z poslechu nahrávek vyplývá, že:

a) jednoznačně nejhorší příjem je vždy s defultním pendrekem;
b) zlepšení při použití jakékoliv antény (včetně 22m dlouhého napaječe) je jasně slyšitelné; 
c) nejhorší příjem z venkovních antén, měla anténa DIY λ/4 vyrobená z drátu;
d) kvalita příjmu na TV dipol a GP Sirio je srovnatelná, měření šumu ukazuje větší rozdíl, než jaký je patrný z poslechu. 

Pořadí antén podle dosažené kvality příjmu a závěry pro praxi..

GPA Sirio dává nejlepší výsledky. Nevýhodou je vysoká cena antény (>600 CZK) a stožáru (250 CZK). Výhodou je snadná montáž, vysoká životnost, bezporuchový provoz (> 5 let) a odolnost proti povětrnostním vlivům.

TV teleskopický dipol dává signál nepatrně zašuměnější, ale kvalitní.Výhodou je jeho extrémně nízká cena (<50 CZK) a možnost experimentování s jeho rozměry, nastavením ramen a přizpůsobení ke kabelu. Nevýhodou je nízká životnost v důsledku koroze a neověřená stabilita celkově rachitické konstrukce. 

Drátová GP antena dala překvapivě slabý výsledek, přestože byla rozměrově správně navržena - toto bez jasné příčiny. Problémem je také způsob jejího upevnění na stožár a  odhadovaná nízká životnost.

Defaultní pendrek. Přestože byl pendrek testován bez použití kabelu, byl přijem znatelně horší než na jakoukoliv testovanou externí anténu. To potvrdilo měření šumu i subjektivní posouzení příjmu.

Z celé této estrády  vyplynuly i další poznatky pro posluchače a bastliče scannerových antén :

a) jakékoliv venkovní anténa je přínosem a slyšitelně zlepšuje příjem;
b) experimentovat s dipolovými konstrukcemi může být efektivnější, než s typy λ/4, apod. 
c) klíčovým problémem v provozu je nutnost vyřešit upevnění antény (déšť, vichřice, blesk).

Pochopitelně platí, že použité antény jsou vhodné jak pro příjem letecké komunikace tak pro příjem digitálnch signálů ACARS.

Upozornění

Je třeba výslovně upozornit, že jakákoliv anténa vystrčená mimo obrys budovy by měla být jednak elektricky uzmeněna na hromosvod (u jednoduchého dipolu nelze, tam ze dá zemnit jen nosná konstrukce) a za bouřky odpojena od scanneru. Neuzemněná anténa je i bez bouřky sběračem atmosférického náboje a může při špatném zacházení zničit vstupní obvod scanneru a i nepřijemně praštit.

Věřím, že tento článek vám dal inspiraci buď při nákupu vhodné externí antény nebo při jejím návrhu a konstrukci vlastními silami. 

 

Pavel Svoboda
článek vyšel na AeroWebu