Antény Zeppelin

Ing. Ivan Vávra, OK1MMN

Některé popisy antén budou ještě upřesněny nebo doplněny podle připomínek kolegů radioamatérů

Historie

Anténa Zeppelin, Zepp, nebo česko-slovensky “Zepelinka“, radioamatérská anténa našich dědů, nebo spíše pradědů, jako by zapadla ve víru dějin. Není proto od věci si tuto velmi zajímavou anténu připomenout, zmínit známé typy antén, které pracují na principu této antény a třeba si ji i postavit a myslím, že budete překvapeni, jak dobře chodí.

Za jejího vynálezce je podle německého císařského patentu z roku 1909 považován Dr. Hans Beggerow, jak to zmiňuje i anténní radioamatérská “bible“ Rothammel [1]. Fotokopii tohoto patentu je dokonce možno nalézt i na webu [2]. V patentu je popsána soustava dvou nestejně dlouhých vodičů určená pro vzducholodě, založená na principu Lecherova vedení a odvádějící vysoké napětí (správně elektrický náboj) z kritických míst vzducholodi, např. jejího obalu, přes budicí cívku do této soustavy vodičů – něco jako rezonující obráceně fungující hromosvod. Tedy to vlastně ještě nebyla anténa, tak jak ji dnes známe, ale princip, který byl pro anténu později využit.

Obr. 1 Patent Dr. Beggerowa

Název antény Zeppelin je odvozen od antény používané na vzducholodích – “airshipech“ Zeppelin z třicátých let. Pokud prozkoumáte Wikipedii [3], zjistíte, že podoba anténního systému např. LZ 127 Graf Zeppelin se soustavou Dr. Beggerowa tu je – hlavní anténa se skládala z dvouvodičového vedení 120 metrů dlouhého, odvíjeného elektromotorem, nebo ručně klikou – něco jako narovnaná Zepelinka. K rádiové výbavě patřily také dva elektronkové vysílače 140 W (1 kW příkon), záložní 70 W a tři šesti elektronkové přijímače. Ze vzducholodi byly vysílány hlavně telegramy v pásmu dlouhých vln.

Obr. 2 Vzducholoď LZ 127 Graf Zeppelin

Radioamatéři byli v této době radiové na špičce dění a anténa Zeppelin určená pro profesionální použití byla současně rozvíjena a modifikována radioamatéry celého světa.

Klasická anténa Zeppelin

Klasická anténa Zeppelin, má délku zářiče λ/2 a je napájena dvouvodičovým symetrickým rezonančním napáječem délky λ/4 (obr. 3). Délka zářiče i napáječe může být zvětšena celistvými násobky (1, 2, 3…). Anténu je možno používat pro více pásem na kmitočtech daných sudými i lichými násobky kmitočtu základního pásma. V dnešní době je tato anténa použitelná hlavně pro pásma 160, 80 a 40 m.

Obr. 3. Klasická anténa Zeppelin

Příklad: Při délce zářiče okolo 40 m a napáječe 20 m je základní pásmo antény 80 m – 3,5 MHz. Zářič má tedy délku ekvivalentního dipólu pro 80 m, ale je napájen na konci (v kmitně napětí), což je základní vlastnost antény Zeppelin. Výhodou tohoto provedení je, že v ideálním případě jsou proudy obou vodičů napáječe v rovnováze a anténa se chová jako by byla symetrická a napáječ téměř nevyzařuje. Délka zářiče doporučená v [1] je pro 3,5 MHz 41,7 a pro 1,8 MHz je nejčastěji používaná délka 83 m. Obvykle používané hodnoty impedancí napáječe – “žebříčku“ jsou 300, 450 a 600 ohmů. Pro radioamatérské použití je v současnosti vhodný tzv.US žebříček – vysílací dvojlinka šíře 23mm s okénky (450-Ohm window line - pro vyhledání v Googlu), která je vysoce odolná tahu, krutu i povětrnostním podmínkám a je dostupná na trhu i u nás. Protože se jedná o rezonanční napáječ s dielektrikem, je třeba se zmínit i o činiteli zkrácení (velocity factor), který je v tomto případě jen 0.95 a pro zajímavost i útlumu, který je jen 0,1 dB na 30 m délky pro 3,5 MHz (asi 10x méně než RG-58).

Na obr. 4 je vyobrazeno rozložení proudu klasické antény Zeppelin délky λ/2. Průběhy proudů na napáječi mají opačnou fázi a na koncích zářiče je kmitna napětí a minimum proudu, tedy vysoká impedance, kterou napáječ převádí na nízkou. To platí pro liché násobky základního kmitočtu, pro sudé je tomu naopak, což je dnes nevýhodné, protože transceivery mají nízkou výstupní impedanci, proto se pro vícepásmovou anténu délka napáječe upravuje. Velmi názorné obrázky i popis naleznete ve známé knize [6] od Ikrényiho.

Obr. 4. Rozložení proudu antény Zeppelin

Porovnání: pokud porovnáme anténu Zeppelin délky 40 m na pásmu 80 m např. s anténou LW - dlouhým drátem stejné délky jsou výhody Zepelinky: nízká impedance u anténního tuneru, tedy není třeba řešit protiváhu, nebo zem, protože napáječ téměř nevyzařuje. Nevýhody: je třeba řešit průchod žebříčku do hamshacku, anténní tuner musí být v zapojení pro symetrický napáječ [7]. Nevýhodou může být i napáječ – žebříček a jeho délka 20 m. Kompromisně lze tyto problémy řešit pro více pásem zkrácením žebříčku na doporučenou délku, konstrukcí dvojité Zepelinky (2x 20, nebo 2x 40m), dálkově ovládaným, nebo automatickým anténním tunerem na konci žebříčku, průchodem stěny (okna) pomocí dvou koaxiálních kabelů jako pokračováním žebříčku, nebo připojením proudového balunu s krátkým koaxiálním kabelem vedoucímu do hamshacku a připojením k běžně používanému anténnímu tuneru typu “L” (L článek), jak popíšu dále.

Anténa Zeppelin se upravuje  vhodnou délkou napáječe pro více pásem tak, že impedance u anténního tuneru dosahuje kompromisní, anténním tunerem dobře laditelné hodnoty. Napáječ je kratší než λ /4, doporučená délka podle [1, 5] je 13,75 m (obr. 5).

Obr. 5 Anténa Zeppelin pro více pásem

Napáječ jako transformátor impedance

Vodiče napáječe délky λ/4 je možno rovněž na jeho konci spojit (obr. 6) - tím vlastně aplikujeme pokus s Lecherovým vedením a na vodičích pak můžeme najít body s impedancí rovné impedanci dalšího připojeného napáječe, jehož délka už může být libovolná.

Obr. 6. Anténa Zeppelin s transformačním vedením

Do bodů o vhodné impedanci můžeme připojit i nesymetrický napáječ - koaxiální kabel s předřazeným proudovým balunem, který se v praxi hlavně u VKV antén často vynechává. Pokud pak napáječ délky λ /4 “narovnáme“, tak aby pokračoval ve směru zářiče (jak tomu bylo u patentu Dr. Beggerowa) dostaneme známou J-anténu.

J-antény

J-anténa (J-pole antenna) je tedy vlastně anténa Zeppelin pro jedno pásmo s napáječem jako transformátorem impedance. Řeší problém, na který se občas radioamatéři ptají: „Chtěl bych si postavit vertikál (vertikální dipól) λ/2 s napájením na konci a aby byl bez radiálů, jak to udělat?“ Nejjednodušším řešením je J-anténa používaná pro horní pásma KV, nebo pro VKV, žebříček je konstrukčně řešen přidáním transformačního pahýlu k anténě, která je ze ⅔ půlvlným zářičem a z ⅓ druhým vodičem původního žebříčku. Zde je třeba počítat s tím, že J-anténa má celkovou délku ¾ λ je tedy o ¼ λ delší než vertikální dipól, fyzické rozměry antény jsou ale o něco kratší. Na obrázku 7 je obvyklá konstrukce antény s výpočtem rozměrů. Existují i vícepásmové verze této antény [9] a dvojité J-antény.

Obr. 7. J-anténa – výpočet rozměrů

Online kalkulátor pro výpočet rozměrů antény naleznete na stránkách K4ABT [8].

Příklad: J-anténa pro pásmo 145 MHz má celkovou délku A = 1,48 m a délku transformačního členu B = 0,49 m. J-anténa pro pásmo 50 MHz má celkovou délku A = 4,3 m a délku transformačního členu B = 1,4 m. Anténu je možno zhotovit z trubek z Al slitin o vnějším průměru např. 12-13 mm pro pásmo 145 MHz a 20-25 mm pro pásmo 50 MHz (orientační hodnoty průměrů).

Porovnání: pokud porovnáte J-anténu s klasickým vertikálem λ/4, zjistíte, že je třikrát vyšší a zářič je dvakrát delší, nepotřebuje radiály, spodní část J-antény může být přímo vodivě spojena s nosným stožárem, dokonce může být konstrukčně řešena jako jeho součást. Oproti vertikálnímu dipólu je napájená ve spodní části a napáječ je možno vést přímo dolů po nosném stožáru. J-anténu je možno dolaďovat “za provozu“ na její spodní části.

Modifikací J-antény je anténa Slim Jim na obrázku 8 – skládaný dipól délky λ/2 se ¼ vlnnou transformační částí. Dá se celý vyrobit i z US žebříčku 450 Ω. Online kalkulátor pro výpočet rozměrů tohoto Slim Jima naleznete na stránkách OK1CJB [10].

Obr. 8. Anténa Slim Jim

Dále budou popsány dvojité antény Zeppelin (Double Zepp - DZ a EDZ) a praktická ukázka konstrukce dvojité antény Zeppelin.

Antény Zeppelin 2

Seznam použité literatury a webových stránek

[1] - Rothammels Antennenbuch, 12 edice, Ing. Alois Krischke DJ0TR, DARC 2001

[2] - http://www.aktuellum.com/circuits/antenna-patent/patents/225204.pdf

[3] - http://en.wikipedia.org/wiki/LZ_127_Graf_Zeppelin - Radio equipment

[4] - Anteny amatérských vysilačů, Překlad příručky ARRL, ČAV 1947

[5] - Procházka, Antény - Encyklopedická příručka, BEN 2001

[6] - Ikrényi – Amatérské krátkovlnné antény, SVTL Bratislava 1964

[7] - Matuszczyk SP2MBE, Antény prakticky, české vydání, BEN 2005

[8] - K4ABT, http://www.hamuniverse.com/jpole.html

[9] - KL7UW, http://www.kl7uw.com/J-Pole.htm

[10] - OK1CJB, http://www.ok1cjb.cz, Výpočet J antény z dvoulinky 450 Ω