Primer sugárzó

A primer sugárzó az antennának az az eleme, amely a betáplálási pontjára kapcsolt nagyfrekvenciás váltófeszültség hatására elektomágneses hullámot sugároz a környezetébe, vagy a környezetből érkező elektromágneses hullámok hatására a talppontján nagyfrekvenciás váltófeszültség keletkezik. A primer sugárzó tehát egy átalakító, amely az elektromos jelet elektromágneses hullámmá, az elektromágneses hullámot pedig elektromos jellé alakítja.

A primer sugárzó önmagában is használható antennaként, de lehet egy összetettebb antenna elsődleges eleme is. Több primer sugárzó összekapcsolásával is képezhetők többelemes antennák.

A primer sugárzó nyílt rezgőkörként fogható fel, elektromos paraméterei induktivitásokból és kapacitásokból kialakított helyettesítőmodellel kiszámíthatóak. Mivel a számításuk meglehetősen bonyolult, gyakran használnak közelítő számítást, approximációt. Léteznek számítógépes programok, amelyekkel meg lehet valósítani akár összetettebb antennák szimulációját is. Ilyen például a nyílt forrású xnec2c.

Monopólus

A monopólus aszimmetrikus táplálású sugárzó, vagyis a betáplálás egyik pontja a sugárzó talppontja, a másik pont pedig a sugárzóra merőleges vezetősík talppont alatti pontja. A vezetősík lehet maga a talaj, de lehet mesterséges vezetősíkot is kiképezni, ami a monopólus talppontja alól induló radiális vezetőkből áll. Belátható, hogy az antenna hatásfokát nagyban befolyásolja a vezetősík minősége.

Monopólus mint nyílt rezgőkör

A monopólust, mint nyílt rezgőkört a következőképp képzelhetjük el:

• az induktív komponenst a sugárzó hosszából származtatjuk, mivel az egyenes vezetőnek van induktivitása. Továbbá a vezetősíkban indukálódott visszáram is vezetőn jön vissza, aminek szintén van induktivitása.
• a kapacitív összetevőt a monopólus és a vezetősík között létrejövő szórt kapacitás adja, vagyis ha nyitott kondenzátorként fogjuk fel a monopólust, akkor a kondenzátor egyik fegyverzete a monopólus felülete, a másik fegyverzet pedig a vezetősík felülete.
• rezisztív összetevők: a vezetősík és a monopólus ellenállása, sugárzási ellenállás, veszteségi ellenállás

Belátható, hogy pontos kiszámítása meglehetősen számításigényes, hiszen minél pontosabb értéket akarunk számolni, annál több részre kell felbontanunk rendszert. Gyakorlatban bevált módszer, ha egy effektív hosszt, illetve magasságot használunk a számításokhoz.

Rezonancia a monopóluson

A monopólus akkor van rezonanciában, ha a hossza megegyezik a talppontjára kapcsolt váltófeszültség hullámhosszának negyedével, vagy annak egész számú többszörösével.

$h_{R}=kn{\frac {\lambda }{4}}$

• hR – rezonáns hossz (m)
• λ – a talppontba táplált váltófeszültség hullámhossza
• n – egész szám
• k – rövidítési tényező

Hatásos magasság

$h_{eff}={\frac {tan{\frac {\beta h}{2}}}{\beta }}$

• h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága
• h – a monopólus hosszúsága
• λ – a monopólusba táplált váltófeszültség hullámhossza
• β – hullámtényező

A hatásos magasság akkor csökken ilyen mértékben, ha a monopólus alatti vezetősík nem rezonáns méretű. Ha mesterséges földelősíkot használunk, ami rezonáns méretű, akkor sokkal kisebb mértékben csökken a hatásos magasság.

A monopólus kapacitása

$C_{0}={\frac {111}{2ln{{\biggl (}{\frac {2h_{eff}}{r}}{\biggr )}}}}$

$C=hC_{0}$

• r – a monopólusvezető sugara (m)
• h – a monopólus hosszúsága (m)
• h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
• C₀ – a monopólus méterenkénti kapacitása (pF/m)
• C – a monopólus kapacitása (pF)

A monopólus induktivitása

$L_{0}=0.2ln{{\biggl (}{\frac {2h_{eff}}{r}}{\biggr )}}$

$L=hL_{0}$

• r – a monopólusvezető sugara (m)
• h – a monopólus hosszúsága (m)
• h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
• L₀ – a monopólus méterenkénti induktivitása (μH/m)
• L a monopólus induktivitása (μH)

A monopólus hullámimpedanciája

$Z_{0}={\sqrt {\frac {L}{C}}}$

• L – a monopólus induktivitása (H)
• C – a monopólus kapacitása (F)
• Z₀ – a monopólus hullámimpedanciája (Ω)

A monopólus által keltett térerősség a monopólustól d távolságra

$E={\frac {120\pi I_{0}h_{eff}}{d\lambda }}$

• I₀ – talpponti áramerősség (A)
• h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
• d – a monopólus és a mérési hely közötti távolság (m)
• λ – az üzemi hullámhossz (m)
• E – a térerősség (mV/m)

A monopólus sugárzási ellenállása

$R_{S}=1579{\biggl (}{\frac {h_{eff}}{\lambda }}{\biggr )}^{2}$

• λ – a monopólusra kapcsolt váltóáram hullámhossza (m)
• h_eff – a monopólus hatásos hosszúsága (m)
• R_S – a sugárzási ellenállás (Ω)

Feszültség és áramviszonyok a λ/4 hosszúságú monopóluson

Feszültségcsúcs és áramhas λ/4 hosszúságú monopóluson

Ha λ/4 hosszúságú monopólust λ hullámhossznak megfelelő frekvenciájú váltóárammal megtápláljuk, akkor kialakul a áramhas és a feszültségcsús. Ekkor van a monopólus rezonanciában.

A monopólus vezetőn a talpponttól távolodva egyre nagyobb feszültséget mérhetünk, a legnagyobb feszültséget a monopólus betáplálással ellentétes végén mérhetjük.

Az árammal fordított a helyzet, az áram a talppont közelében a legnagyobb, attól távolodva csökken, a monopólus végén pedig már nem folyik áram.

Különböző hosszúságú monopólusok rezonanciára hangolása

Különböző, a rezonáns hossztól eltérő monopólusok különböző elektromos helyettesítőképpel modellezhetőek.

A monopólus tökéletes rezgőkörként csak λ/4 és λ/2 hosszúságúra méretezve működik.

A λ/2 méretű monopólusok párhuzamos rezgőkörként működnek, tehát nagy ellenállást képviselnek, így nagy feszültséggel kell megtáplálni. A feszültségcsúcs itt a talpponton van, a monopólus közepén 0V van, és a monopólus betáplálással átellenes végén a betáplálási ponttól fázisban 180°-kal eltolt feszültségcsúcs alakul ki. Az áramhas a monopólus közepén van. A félhullámú monopólus a gyakorlatban nem terjedt el, mivel a negyedhullámú monopólushoz képest jóval költségesebb a megvalósítása, és a nyeresége nem sokkal nagyobb, mint a negyedhullámúé. A monopólusok antennanyeresége és iránykarakterisztikája leginkább az 5/8 λ méretben a legoptimálisabb, költségesebb fadingmentes rendszereknél inkább ezt a méretet igyekeznek közelíteni.

A hosszabbítotekercs

A λ/4 méretet csökkentve egyre inkább eltűnik az induktív komponens, a monopólus egyre inkább kapacitásként működik. Minél inkább rövidül, az iránykarakterisztikája annál inkább közelíti az izotróp jelleget. Ilyen rövidített antennákat a gyakorlatban is használnak, egyrészt abból a megfontolásból, hogy izotróp jellegű, másrészt meg a hosszabb hullámokhoz költséges lenne rezonáns méretű antennát telepíteni. Ahhoz, hogy ez a rövid monopólus antennaként használható legyen, a talppont és a tápkábel közé egy hosszabbítótekercset kell beiktatni, amivel pótoljuk az elveszett induktivitást. Ez a hozzápótolt induktivitás veszteségként jelenik meg, minél nagyobb induktivitást kell pótolni, annál nagyobb veszteség keletkezik.

A beiktatandó hosszabbítotekercs induktivitása a következőképp számolható:

$L_{h}={\frac {\lambda Z_{0}}{1886}}ctg{\biggl (}{\frac {360h}{\lambda }}{\biggr )}$

• λ – a betáplált feszültség hullámhossza (m)
• h – a monopólus hossza (m)
• Z₀ – a monopólus hullámellenállása (Ω)
• L_h – a beiiktatandó hosszabbítótekercs induktivitása (μH)

A rövidítőkondenzátor

A negyedhullámú monopólus hosszát növelve növekszik a monopólus induktív komponense, ami nem sugárzási ellenállásként jelenik meg, hanem reaktív veszteségként. Ezt az induktív jellegű reaktív veszteséget egy megfelelő kapacitású kondenzátorral lehet ellensúlyozni, amit a monopólus talppontja és a földpont közé kapcsolunk. A rövidítőkondenzátor kapacitását az alábbi képlettel számolhatjuk ki:

$C_{r}={\frac {530\lambda }{Z_{0}ctg{\biggl (}{\frac {360h}{\lambda }}{\biggr )}}}$

• λ – a betáplált feszültség hullámhossza (m)
• h – a monopólus hossza (m)
• Z₀ – a monopólus hullámellenállása (Ω)
• C_r – a rövidítőkondenzátor kapacitása (pF)

Az kondenzátorral történő rövidítés is veszteségként jelenik meg, így használata nem elterjedt, mivel egy hosszabb, költségesebben telepített monopólust ily módon lerövidíteni nem észszerű megoldás. Az amatőrrádiózásban van jelentősége, olyan esetben, ha például a 80 m-es amatőrsávra készített monopólust a 60 m-es amatőrsávon is használni szeretnénk.

Monopólusok iránykarakterisztikái

A monopólus hosszának növelésével növekszik a monopólusok hatásos felülete, ennek következtében a nyereségük is növekszik. A rövid monopólusok kvázi-izotróp jellegűek, minél inkább hosszabbítjuk, annál kisebb szögben sugározzák ki az elektromágneses hullámokat.

Az iránykarakterisztika szempontjából a legoptimálisabb méret az 5/8 λ, innen tovább növelve megjelennek felfelé irányuló mellékágak, így a főirányban már kisebb energia sugárzódik ki (egészhullámú méretre növelve a monopólust a főág meg is szűnik, 45°-os magassági szögbe lesz körsugárzó).

Monopólusból kialakított, gyakorlatban használt antennák

Általánosságban elmondható, hogy monopólusból leginkább függőleges polarizációval sugárzó, körsugárzó antennákat készítenek. A kézirádiók antennáinál és a zsebrádiók, táskarádiók botantennáinál vagy teleszkópantennáinál lehetséges, hogy a monopólus vizszintes irányban van megdöntve, ilyenkor vízszintes polaritású iránysugárzóként viselkedik.

Egyelemes monopólusok

λ/4 hosszúságnál rövidebb monopólus

• botantenna, teleszkópantenna
• flexibilis antennák, "gumiantenna"
• NYÁK-ra maratott antenna

λ/4 hosszúságú monopólus

• ground-plane, triple-leg
• botantenna

λ/4-nél hosszabb monopólus

• Blaw-knox
• 5/8-os körsugárzó
• botantenna

Többelemes monopólusok

• emeletes körsugárzó
• koax-kolineár

Dipólus

A dipólus szimetrikus táplálású sugárzó, a betáplálás a sugárzó középpontjában történik oly módon, hogy a két félsugárzót fázisban 180° -kal eltolt váltófeszültséggel tápláljuk. Koaxiális táplálás esetén a kábel és a dipólus közé szimmetrizáló elemet kell bekötni. Szimmetrizálás nélkül a földpontra kötött félsugárzó ellensúlyként működik, ilyenkor 25% jelszintveszteséggel kell számolni.

A dipólus mint nyitott rezgőkör

A dipólust, mint nyílt rezgőkört a következőképp képzelhetjük el:

• az induktív komponenst a két félsugárzó hosszának összegéből származtatjuk, mivel az egyenes vezetőnek van induktivitása.
• a kapacitív összetevőt a két félsugárzó felülete között létrejövő szórt kapacitás adja, vagyis ha nyílt rezgőkörként fogjuk fel, akkor a kondenzátor fegyverzetét a két félsugárzó felülete adja.
• rezisztív összetevők: a két félsugárzó ellenállása, sugárzási ellenállás, veszteségi ellenállás

Belátható, hogy pontos kiszámítása meglehetősen számításigényes, hiszen minél pontosabb értéket akarunk számolni, annál több részre kell felbontanunk rendszert.

Rezonancia a dipóluson

A dipólus akkor van rezonanciában, ha a hossza megegyezik a talppontjára kapcsolt váltófeszültség hullámhosszának felével, vagy annak egész számú többszörösével.

$h_{R}=kn{\frac {\lambda }{2}}$

• hR – rezonáns hossz (m)
• λ – a talppontba táplált váltófeszültség hullámhossza
• n – egész szám
• k – rövidítési tényező

A dipólus kapacitása

$C={\frac {55.6}{\ln {\frac {(kh)^{2}}{3r^{2}}}}}$

• r – a dipólusvezető sugara (m)
• h – a dipólus hosszúsága (m)
• k – rövidítési tényező
• C – a monopólus kapacitása (pF)

A dipólus induktivitása

$L_{0}=0.2ln{{\biggl (}{\frac {kh}{r}}{\biggr )}}$

• r – a dipólusvezető sugara (m)
• h – a dipólus hosszúsága (m)
• k – rövidítési tényező
• L – a dipólus induktivitása (μH)

A dipólus hullámimpedanciája

$Z_{0}={\sqrt {\frac {L}{C}}}$

• L – a dipólus induktivitása (H)
• C – a dipólus kapacitása (F)
• Z₀ – a dipólus hullámimpedanciája (Ω)

A dipólus rövidítése és hosszabbítása

A monopólushoz hasonlóan a dipólus is hosszabbítható vagy rövidíthető, itt azonban mindkét féldipólus talppontjába azonos induktivitású tekercset kell beiktatni. A féldipólusba iktatandó tekercs induktivitása az alábbi módon számítható:

$L_{h}={\frac {{\frac {\lambda Z_{0}}{1886}}ctg{\biggl (}{\frac {360h}{\lambda }}{\biggr )}}{2}}$

• λ – a betáplált feszültség hullámhossza (m)
• h – a dipólus hossza (m)
• Z₀ – a dipólus hullámellenállása (Ω)
• L_h – a beiktatandó hosszabbítótekercs induktivitása (μH)

A dipólus rövidítése rövidítőkondenzátorral lehetséges, melyet a dipólus talppontjával párhuzamosan kapcsolunk. Értéke az alábbi módon számítható:

$C_{r}={\frac {530\lambda }{Z_{0}ctg{\biggl (}{\frac {360h}{\lambda }}{\biggr )}}}$

• λ – a betáplált feszültség hullámhossza (m)
• h – a dipólus hossza (m)
• Z₀ – a dipólus hullámellenállása (Ω)
• C_r – a rövidítőkondenzátor kapacitása (pF)

Feszültség és áramviszonyok a λ/2 hosszúságú dipóluson

Feszültségcsúcs és áramhas a félhullámú dipóluson

Ha λ/2 hosszúságú dipólust λ hullámhossznak megfelelő frekvenciájú váltóárammal megtápláljuk, akkor kialakul a áramhas és a feszültségcsús. Ekkor van a dipólus rezonanciában. Mivel a dipólust szimmetrikusan kell megtáplálni, ezért a táplálás földfüggetlen váltóárammal történik, vagyis a két féldipólra kapcsolt váltóáram fázisa 180°-kal eltér.

A dipólus vezetőkön a talpponttól távolodva egyre nagyobb feszültséget mérhetünk, a legnagyobb feszültséget a monopólus betáplálással ellentétes végén mérhetjük. A két feszültség ellentétes irányú.

Az árammal fordított a helyzet, az áram a talppont közelében a legnagyobb, attól távolodva csökken, a monopólus végén pedig már nem folyik áram. Az áramirányok ellentétesek.

Dipólusból kialakított, gyakorlatban használt antennák

A dipólusból kialakított antennák alapja leginkább a félhullámú dipólus. A dipólus önmagában is használható antennaként, vízszintesen elhelyezve iránysugárzóként, függőlegesen elhelyezve pedig körsugárzóként alkalmazható.

Egyelemes dipólusok

• félhullámú dipól
• csökkentett méretű dipól
• inverted V
• hajlított dipólus
• kördipólus

Több dipólusból összekapcsolt antennarendszerek

• emeletes dipól
• dipólfüggöny (pl. orosz fakopáncs)

Parazitasugárzós antennák

• Yagi antennák
• Emeletes yagi

Források

• K. Andrae, F. W. Fussnegger, O. Kronjäger, G. Lesche, W. Lichthardt, O. Morgenroth, W. Müller, K. Rothammel, E. Schneller, K. H. Schubert.szerk.: Hans Joachim Fischer: Rádióamatőrök kézikönyve – Kézi- és segédkönyv rövidhullámú adó- és vevőamatőrök számára [archivált változat] (djvu) (magyar nyelven), Budapest: Műszaki Könyvkiadó. ETO 621.396.72, 621.396.6.029.55/62 [1960] (1962). Hozzáférés ideje: 2024. március 22. [archiválás ideje: 2020. március 7.] „Eredeti mű: AMATEURFUNK, Verlag Sport und Technik, Berlin, 1960”