Danas su nabavljene dvije antene za vojne primopredajnike, predviđene za montažu na vozila ili brodove. Na antenama nema nikakvih oznaka.
Po vanjskom obliku ovo je uobičajen dizajn poluvalnih vertikalnih dipol antena jer se jasno uočavaju dva podjednaka metalna valjka na sredini odvojena izolatorom koji predstavljaju dipole. Nakon potrage po internetu našao sam svega dvije poveznice na iste ili vrlo slične vojne antene. Jedna se opisuje kao dio kompleta britanskog vojnog primopredajnika Clansman PRC 344. To je mali prenosivi UHF/AM primopredajnik za frekvencijski opseg 225-400 MHz primarno namijenjen za komunikaciju terenskih snaga sa zrakoplovima. Antena poput naše predviđena je za montažu na vozilo. Druga poveznica je na UHF antenu oznake 20-30-39 također britanske tvrtke Cooper Antennas Ltd koja je predviđena za ugradnju na plovila i to na postolje sa antenskim protutegovima (GP – ground plane). I ovdje je namijenjena za brodske vojne primopredajnike u frekvencijskom opsegu 225-400 MHz. Iz ovoga se može zaključiti da su naše antene britanske proizvodnje i namijenjene za rad sa vojnim primopredajnicima koji rade u opsegu 225-400 MHz i koje su predviđene za montažu na vozila ili plovila. To su antene za karakterističnu impedanciju 50 Ω (N tip konekatora), pojačanja +2 dBi, za maksimalne snage predajnika od 200 W.
Antena oznake 20-30-39 britanske tvrtke Cooper Antennas Ltd. za opseg 225-400 MHz montirana na GP podnožje.
Kako bi potvrdili ove informacije, prvo ćemo izmjeriti rezonantne frekvencije naših antena.
Ovdje vidimo rezonancije antene u frekvencijskom opsegu do 3,2 GHz. Ističe se izrazira širokopojasnost u opsegu 225-400 MHz (marker 1) ali također i rezonancije na opsegu 2,5 GHz.
Rezonantna frekvencija naše antene je na 358 MHz no vidi se da postoje rezonantni vrhovi kroz čitav opseg 225-400 MHz tako da je antena uz određena prilagođenja upotrijebljeva u cijelom tom opsegu.
Ovo su rezonancije na opsegu 2,5 – 2,6 GHz. Antena sigurno nije dizajnirana za taj opseg no moguće da bi efikasnost zračenja bila zadovoljavajuća i na tom opsegu.
Sada kada smo potvrdili opseg rada, idemo izmjeriti dimenzije antene i vidjeti njenu konstrukciju.
Gornji element dipola.
Dipole naše antene čine dva aluminijska valjka ili lonca dužine cca 117 i promjera 57 mm. Analizator spektra je pokazao rezonantnu frekvenciju na 358 MHz. Frekvencija od 358 MHz odgovara valnoj duljini od cca 84 cm, a 1/4 valne duljine iznosi 21 cm. Zašto su onda naši elementi duljine samo 11,8 cm.
Da bi odgovorili na ovo pitanje kod antena moramo razlikovati dvije dužine antena: električnu i fizičku (mehaničku). U našem slučaju smo dakle izračunali potrebnu električnu dužinu od 21 cm, no izmjerili smo stvarnu fizičku dužinu od 11,8 cm.
Ove dvije dužine bi bile jednake samo kad bi antena bila izrađena od beskonačno tankog vodiča postavljenog u slobodni prostor gdje na njega okolni predmeti nemaju nikakav utjecaj. U praksi pak svaki vodljivi element antene mora imati neku debljinu, mora na neki način biti montiran i učvršćen te se nalazi na nekoj određenoj udaljenosti od Zemljine površine i drugih okolnih objekata. Svi ovi navedeni elementi najviše utječu na povećanje vlastitog kapaciteta antene. Što je antena sastavljena od debljih vodiča to će imati veći kapacitet. Petlje na krajevima antenskih žica kojima se iste pričvršćuju za izolatore, kao i razne kapice (gljive) koje viđamo na krajevima teleskopskih štap antena dodatno povećavaju kapacitet antene. U svakom rezonantnom titrajnom krugu povećanjem kapaciteta rezonantna frekvencija postaje niža. Stoga, što je antena napravljena od deblje žice i što ima time veći kapacitet, to se njena mehanička duljina mora više skratiti da bi se dobila ista rezonantna frekvencija.
Faktor skraćenja se računa kao odnos valne duljine i debljine aktivnog antenskog elementa čime se dobiva takozvani stupanj vitkosti antene. Međutim, izračun samog faktora skraćenja dalje nije jednostavan jer ovisi o tipu antene, rezonantnoj frekvenciji i drugim faktorima te se onda za izračun obično koriste gotove tablice ili računalni programi. U našem slučaju imamo relativno kratku valnu duljinu (21 cm) i prilično veliku debljinu aktivnih elemenata antene (5,7 cm) čime dobivamo izuzetno mali stupanj vitkosti i veliki faktor skraćenja. On bi trebao iznositi 0,59.
Osim kapaciteta, na konačnu fizičku duljinu antene utječe i faktor brzine, a to je skraćenje fizičke duljine antene zbog smanjenja brzine rasprostiranja elektromagnetskih valova unutar materijala od kojih je izrađena antena (bakar, aluminij) u odnosu na brzinu valova u slobodnom prostoru. Taj faktor skraćenja je obično 0,95.
Antena je u našem slučaju namjerno konstruirana od debelih dipola iz četiri osnovna razloga. Što su dipoli deblji to će se rezonantna frekvencija smanjivati pa će fizička dudužina antene biti više kraća u odnosu na električnu dužinu. Sličan efekat se postiže i ako dipol nije ravna šipka (žica ili cijev) nego je načinjen od žice savijene u zatvorenu petlju npr. u obliku trokuta. Nadalje, debljina dipola također utječe i na širokopojasnost, odnosno oštrinu krivulje rezonancije. Što su dipoli deblji to će kruvulja rezonancije biti šira čime se dobiva više širokopojasna antena. Treće, što su dipoli deblji to su manji gubici na samoj anteni pa će antena imati veće pojačanje, a i kod debljih dipola su manje izraženi gubici s obzirom na upotrijebljeni materijal (bakar, aluminij). I na kraju, vrlo debela i kruta antena je otporna na vanjske utjecaje, posebice na jak vjetar čime je pogodna za primjenu na vozilima i plovilima.
Na rezonantnu frekvenciju dipola utječe i vanjska obloga kao što je izolacija na žici ili premaz boje na cijevi. Iako postoje brojni programi za izračun fizičkih dimenzija dipol antena vidimo da na rezonatnu frekvenciju, dijagram zračenja i pojačanje (dobit) takve antene utječe gotovo sve što se tiče fizičke konstrukcije, upotrijebljenih materijala i smještaja antene u prostoru. Stoga je nakon izrade nužno izvesti stvarna mjerenja i dodatna podešavanja antene na željene parametre.
Zaključili smo dakle da su naše antene 1/2 λ dipoli sa dva elementa dužine 1/4 λ. Međutim, kada se antena do kraja rastavi i nacrta njezin presjek vidjeti ćemo da to nije tako i da je ovdje zapravo riječ je o 1/4 λ monopolnoj anteni. Ipak, sve što smo do sada napisali za dipolne antene vrijedi i za monopolne antene.
Ovdje vidimo elemente preko kojih se antena spaja na koaksijalni vod. Koakasijalna linija duljine 106 mm (vanjski plašt od bakrene cijevi) koja vodi od ulaznog N-konektora na točku priključenja antene izgleda kao 1/4 λ linija za simetriranje. Međutim, ovo nije simetrična antena (dipol) pa nije potrebna prilagodba sa nesimetričnog koaksijalnog voda na simetrične elemente antene. U našem slučaju to je samo tehničko rješenje izvedbe dolaznog koaksijalnog voda impedancije 50 Ω.
Vidi se da netko brusio boju sa donje strane podnožja antene čime se htio ostvariti bolji kontakt sa uzemljenjem, odnodno sa metalnom površinom na koju se antena montira (GP). Performanse i dijagram zračenja ove antene uvelike ovidi o kvaliteti i načinu izvedenog uzemljenja. Rupa na dnu podnožja antene gdje smo odvili vijak služi za ispuštanje vlage ukoliko dođe do prodora iste unutar antene. Crvena (bakrena) cijev je koaksijalni vod (50 Ω) kojim se preko vanjskog N-konektora napaja antena. Srebrna cijev je od izolacijskog materijala i podesiva po visini. Pomoću nje se namješta točna visina točke priključenja antene (pomoću obujmice i vijka) koja mora biti točno na onoj duljini gdje je impedancija antene 50 Ω.
Čini se da je netko već popravljao ovu antenu jer se uočava svinuti konektor i loše zalemljena vanjska cijev koaksijalne linije na masu. Također je loše zalemljen vrući kraj koaksijalne linije sa kontaktnim elementom. Antena je izvana naknadno prefarbana u crnu boju (druga antena je u originalnoj vojnoj zelenoj boji).
Sada kada smo sve rastavili možemo nacrtati presjek naše antene.
Na presjeku antene plavom bojom su označeni vodljivi elementi koji na neki način imaju spoj sa masom. Žutom bojom su označeni izolatori.
Jasno se vidi da donji element antene nije slobodan u zraku nego je zapravo čitavom površinom uzemljen na masu. S obzirom da je jedan kraj uzemljen, onda ovdje onda više ne možemo govoriti o simetričnoj dipolnoj anteni duljine 1/2 λ, već je to sada jednim krajem uzemljena monopolna ili unipolna antena duljine 1/4 λ. Takve antene mogu biti izvedene kao GP (Ground Plane) antene, kao 1/4 λ monopoli ili kao sleeve monopoli. Razlike se očituju u načinu na koji je izveden uzemljeni dio antene i koji zapravo nadoknađuje preostale 3/4 valne duljine. U našem slučaju uzemljenu ploču predstavlja donji cilindrični oblik navučen preko koaksijalnog voda za napajanje antene orijentiran radijalno prema duljini antene. S obzirom da koaksijalni vod ulazi u cilindar kao ruka u rukav, onda se to rješenje u engleskom govornom području naziva sleev (rukav). Gore u tekstu smo spomenuli da naša antena dolazi i u inačici 20-30-39 (Cooper Antennas Ltd) gdje se uzemljeno podnožje antene može montirati na postolje sa radijalima čime se onda dobiva GP antena, odnosno kombinacija sleev i GP antene.
Što se tiče gornjeg zračećeg elementa, on bi trebao biti vezan samo na vrući kraj koaksijalnog kabla. No na presjeku vidimo da je preko središnjeg montažnog metalnog vijka i on spojen na masu, odnosno podnožje antene. Ako otpor antene mjerimo istosmjernim naponom onda ćemo na priključnici konektora izmjeriti kratki spoj. Odmah ćemo reći da iako je gornji element mehanički spojen sa masom, električki se to ne očituje na taj način. Naime, raspodjele struje i napona duž antene nisu jednake, odnosno na određenim dijelovima će struje i naponi imati svoje maksimume, a na određenim dijelovima svoje minimume. Kod poluvalnog dipola struja i napon imaju međusobnu faznu razliku 90°, a fazna razlika napona na krajevima dipola je 180°. Slično je i kod uzemljene 1/4 valne antene. Tako će na mjestu gdje su donji i gornji element najbliže jedan drugome (u podnožju zračećeg elementa) struja biti najveća, a napon najmanji (teoretski nula). S obzirom da je tu napon nula, onda ta točka može biti vezana masu (isti potencijal) bez električkih posljedica i takvo uzemljenje ne utječe na karakteristike zračenja antene.
Da bi se antena u priključnoj točki prilagodila na koaksijalni kabao, potrebno je pronaći točno onu točku priključenja gdje impedancija antene odgovara impedanciji priključenog koaksijalnog kabla. Praktično je to riješeno tako da se vrući kraj koaksijalnog kabla preko obujmice podesive po visini spaja na odgovarajuću točku prilagođenja. Ovu točku je nemoguće dobiti računski jer njen položaj ovisi o utjecaju okoline, pa se podešavanje obično vrši mjerenjem SWR-a na ciljanoj frekvenciji.
Monopolne 1/4 λ antene ravnomjerno zrače radio valove u svim smjerovima, što im omogućuje primanje signala iz bilo kojeg smjera. Također, lako ih je konstruirati i njihova je veličina relativno mala u usporedbi s drugim vrstama antena, što ih čini prikladnima za primjene u kojima je prostor ograničavajući faktor. S druge strane, potreba za uzemljenjem može biti ograničenje u nekim praktičnim primjenama, a o kvaliteti i načinu uzemljenja najviše ovise i performanse antene te dijagram zračenja. Također, ove antene su osjetljive na okolinu i posebno na objekte u neposrednoj blizini koji mogu iskriviti dijagram zračenja.
Mi smo mjerenje SWR-a za naše antene izvršili u “sobnim” uvjetima bez posebno izvedenog uzemljenja. To je posve sigurno dalo lošije rezultate od onih koje se ovom antenom mogu postići.
Na ovom primjeru podsjetili smo se na dva vrlo česta tipa antena koje se koriste u praksi. Jedno su dipolne 1/2 λ simetrične antene koje imaju dva jednaka simetrična elementa od 1/4 λ slobodno postavljena u zraku. Drugi tip su nesimetrične jednopolne 1/4 λ antene kojima je jedan element uzemljen, a drugi je slobodno postavljen u zraku. Najpoznatiji predstavnik takve antene je GP antena.
Danas se za napajanje antena uobičajeno koriste koaksijalni kablovi. Koaksijalni antenski kabao je nesimetričan (oplet je uzemljen na masu) pa se sa istim mogu izravno napajati samo nesimetrične antene. Kod toga je dovoljno samo namjestiti točku priključenja s obzirom na impedanciju i rezonantnu frekvenciju. Međutim, kod napajanja simetričnih antena (dipola) nesimetričnim koaksijalnom kablom stvaraju se nepoželjne struje u opletu koaksijalnog kabla koje uzrokuju gubitke i izobličavaju karakteristiku zračenja antene. Antena će biti nesimetrično opterećena čak i ako su impedancija koaksijalnog kabla i impedancija antene na točki priključivanja jednake (50 Ω). Stoga je kod napajanja simetričnih antena koaksijalnim kablovima potrebno izvesti tzv. simetriranje kojima se priključci kabla na antenu izvedu simetrično u odnosu na zemlju. Najčešća izvedba simetriranja je pomoću koaksijalnog kabla duljine točno 1/4 λ.
Do danas je razvijen velik broj raznih tipova antena koje se koriste u praksi te se i dalje stalno pronalaze novi dizajni antena sukladno novim zahtjevima u radio komunikacijama. To je zato jer konstrukcija i tip antene uvelike ovisi o frekvenciji na kojoj antena treba biti rezonantna, o željenom dijagramu zračenja (usmjerenosti), zatim o maksimalnoj snazi koju trebaju antene podnijeti, karakterističnoj impedanciji i sličnim početnim zahtjevima. Nadalje, antena se odabire i prema očekivanom dometu i načinu postizanja istog (propagacije), neki put je važna i otpornost na prirodne ili umjetne elektromagnetske smetnje kao i otpornost na vanjske atmosferske utjecaje. Svakako odabir ovisi i o lokaciji postavljanja antene, fizičkim i tehničkim ograničenjima glede maksimalne visine postavljanja antene, glede mogućnosti uzemljenja, da li antena treba biti mobilna ili stacionarna. Tu je također utjecaj konfiguracije zemljišta, bliskih okolnih objekata, trenutnih meteoroloških parametra zraka i tako dalje. Nije nevažan ni zahtjev glede krivulje rezonancije, da li ona mora biti oštra za jednu točnu frekvenciju ili što je moguće šira tako da je upotrebljiva za što širi frekvencijski opseg.
Razumijevanje rada i proračun antena i antenskih sistema je vrlo složen proces. Radioamateri grade i testiraju antene uglavnom eksperimentalno, no danas su već dostupni jeftini i dovoljno kvalitetni analizatori spektra i antenski analizatori pomoću kojih je moguće brzo i jednostavno izmjeriti parametre i podesiti rezonanciju određene antene. Naravno, mjerenje efikasnosti i dijagrama zračenja neke antene je ipak složeniji proces koji zahtijeva kontrolirane uvjete mjerenja glede samog prostora i vršenje većeg broja uzastopnih mjerenja.
Mjerenja na antenama je najbolje vršiti kad su one montirane na mjestu gdje su i predviđene za normalan rad. Mjerenje SWR-a nam naravno ništa ne govori o efikasnosti antene, tako da je tek mjerenje jačine polja koje antena zrači u prostor relevantan podatak o kvaliteti određene antene. To polje obično nije jednake jakosti u svim smjerovima pa je potrebno izvršiti što je moguće više mjerenja u svim smjerovima oko antene. Iako postoje simulacije i proračuni za dobivanje vertikalnih i horizontalnih dijagrama zračenja pojedinih tipova antena, samo strpljivo terensko mjerenje može dati točne podatke o efikasnosti neke konkretne antene.