Poboljšanje Yagi antene – tridesetogodišnji orsokak? Dragoslav Dobri i , YU1AW ddobricic@gmail.com Uvod Performanse Yagi antena vrlo esto degradiraju kada one postanu vlažne. U mom prethodnom lanku [1], pokazao sam kako se Yagi antene ponašaju u vlažnim uslovima. Sve antene se ponašaju sli no, i imaju tendenciju da pomere svoje performanse na nižu frekvenciju. Me utim, samo one antene koje imaju dovoljnu marginu prema ta ki gubitka poja anja (kada radna frekvencija dostiže kriti nu frekvenciju pri kojoj po inje nagli pad poja anja zbog nepravilnog faznog stava struja u pasivnim elementima antene), još uvek zadržavaju svoje dobre performanse i u vlažnim radnim uslovima. Dijagrami pokazuju primere dobrog i lošeg ponašanja antena u suvim i vlažnim uslovima rada. U provedenim simulacijama, izabrao sam za “vodenu penu”, koja se formira na elementima pri vlažnom vremenu, relativnu dielektri nu konstantu Er=8 i debljinu od 0.5 mm na osnovu prakti nih posmatranja kako bih pove ao preciznost rezultata u odnosu na moje prethodne simulacije i da bih osigurao dovoljno jednake i fer uslove za pore enje antena. Izvesne teško e u pravilnom odabiru debljine akumulisane vode na elementima su se pojavile zbog razli ite debljine elemenata. Koli ina akumulisane vode na elementima verovatno zavisi od njihove debljine. Debljina vode na elementima ima uticaj na performanse antene koji je zavisan od odnosa R/r, gde je r polupre nik gole metalne žice ili šipke od koje je element napravljen, a R ukupni polupre nik vodom pokrivenog elementa. Odnos ta dva polupre nika R/r je bitan za performanse vlažne antene [2 i 3]. To zna i da bi antena sa debljim elementima, pri istoj debljini vodenog sloja, imala manju vrednost odnosa R/r i zbog toga manju ekvivalentnu raspodeljenu induktivnost L od antene sa tanjim elementima i višim R/r odnosom. Kao rezultat toga, kada se ista koli ina vode akumuliše na njenim elementima, antena sa debljim elementima bi verovatno imala manji frekvencijski pomeraj performansi od iste takve antene sa tanjim elementima. U mom slede em lanku pokuša u da dam malo širu analizu tog problema. Poja anje, SWR i Q-faktor pri dobrom (plavo) i lošem (crveno) ponašanju antene pri radu po suvom (isprekidana linija) i vlažnom (puna linija) vremenu Dužina( u tal. duž.) i prose no poja anje suvih (crveno) i vlažnih (plavo) Yagi antena razli itih autora Analiza rezultata Analiza rezultata simulacija može biti sprovedena na mnogo raznih na ina zavisno od toga koje performanse antene izaberemo kao najvažnije za naše potrebe. Dužina Yagi antene je verovatno najzgodnija da posluži kao referentni parametar prema kome sve antene mogu biti upore ivane. Taj geometrijski parametar antene direktno odre uje poja anje antene kao jedan od njenih najvažnijih faktora. Zbog toga sam pore ao sve analizirane antene prema njihovoj dužini, merenoj u talasnim dužinama, po rastu em nizu. To mi je dalo sistematizovan skup antena i bolji i lakši uvid u performanse svake pojedine antene u odnosu na druge antene u njenom neposrednom susedstvu kao i u odnosu prema svim ostalim antenama u nizu. Poja anje optimalno dizajnirane Yagi antene bi trebalo da poraste oko 2.3 dB za svako udvostru enje dužine antene prema radovima Gintera, DL6WU od pre skoro 30 godina. Kao što možemo videti sa dijagrama za antene koje se nalaze izme u DL6WU 11 antene koja ima dužinu od oko 2.5 talasnih dužina i poja anje od 14.3 dBi, i antene DL6WU 18 sa dužinom od 5.2 talasa i poja anjem od 16.9 dBi, ovo pravilo je dosta precizno potvr eno. Pokušajmo sada da malo pažljivije istražimo šta nam pokazuje ovaj dijagram. Lako se uo ava da pojedine suve antene imaju poja anje koje je do oko 1 dB iznad crne linije srednjeg poja anja. Ako pogledamo njihovu dužinu vide emo da je ona obi no takodje iznad crne linije dužine antene. Naj eš e ta malo ve a dužina antene objašnjava malo ve e poja anje antene. Ima takodje nekoliko antena koje imaju malo ve e poja anje, obi no do 0.5 dB, koje nemaju ve u dužinu. To zna i da su njihovi dizajneri izvukli 0.5 dB ve e poja anje iz tih antena nego što su ostali uspeli da izvuku iz iste dužine antene. Me utim, ako pogledamo plavu liniju koja pokazuje poja anje vlažne antene lako možemo da zaklju imo da je tih 0.5 dB ve eg poja anja na istoj dužini antene skupo pla eno lošim ponašanjem antene u radu u vlažnim vremenskim uslovima. I kona no ima stvarno samo nekolicina antena koje imaju tako dobar dizajn koji zadovoljava oba zahteva: da imaju najve e mogu e poja anje, obi no vrlo blizu ili malo iznad crne srednje linije poja anja, kao i da to poja anje drasti no ne padne u uslovima vlažnog vremena kada se antena pokvasi! Možete ih lako prepoznati po tome što im se crvena i plava linija dodiruju ili su vrlo blizu, i istovremeno dužina antene nije iznad crne srednje linije. Srednja vrednost Q-faktora za suve (crveno) i vlažne (plavo) antene razli itih autora Q-faktor antene je takodje još jedan važan parametar koji pokazuje bitne karakteristike antene [2]. Ako pogledamo dijagram Q-faktora za suve i vlažne antene možemo videti veoma dobro slaganje izme u vrednosti Q-faktora i poja anja za suve i vlažne antene. Svaki put kada poja anje vlažne antene drasti no padne, Q-faktor istovremeno sko i. Takva antena, pored svog nižeg poja anja, obi no promeni svoju ulaznu impendansu, promeni dijagram zra enja i postane vrlo osetljiva na negativne uticaje svoje okoline. Dobre antene mogu biti lako identifikovane po svom niskom Q-faktoru koji imaju u oba slu aja i kada su suve (crvena linija) i kada su vlažne (plava linija). Prose ni SWR za suve (crveno) i vlažne (plavo) antene razli itih autora SWR takodje u stopu prati pad poja anja i porast Q-faktora antene kao što možemo videti na dijagramu SWR vrednosti za suve i vlažne antene. SWR antene raste zajedno sa porastom Q-faktora i padom poja anja usled vlage na elementima antene. Ve i SWR antene zna i i ve e gubitke u koaksijalnom kablu i nižu ukupnu efikasnost celog antenskog sistema. Dobre antene imaju u oba slu aja, i kada su suve i kada su vlažne vrlo nizak SWR. Dužina antene i odnos srednjeg poja anja i dužine za suve (crveno) i vlažne (plavo) antene razli itih autora Srednje poja anje po jedinici dužine antene G/L je još jedno interesantno pore enje performansi simuliranih antena. Deljenjem poja anja antene sa dužinom antene dobijamo vrednost koja nam pokazuje koliko dBi poja anja odre ena antena proizvodi po talasnoj dužini svoga nosa a. Ubacivanjem dužine antene izražene u talasnim dužinama i sortiranjem po rastu em nizu, u isti dijagram sa G/L vrednostima možemo videti da za duže antene dobijamo manje poja anje po talasnoj dužini nego za kra e. Ako uzmemo opet isti opseg dužina antena izme u 2.5 i 5.2 talasne dužine možemo videti da poja anje antene po talasnoj dužini nosa a opada oko 2dB za svako dupliranje dužine. Prili no je važno imati ovo u vidu, posebno kada neko odlu uje da pravi veliki antenski sistem sastavljen iz ve eg broja Yagi antena. U tom slu aju on mora odlu iti da li je bolje da stavi ve i broj kratkih ili manji broj dužih antena da bi postigao željeno poja anje sistema. Na ovom dijagramu dobre antene pokazuju veoma sli ne vrednosti za suve (crveno) i vlažne (plavo) uslove rada. Za lakše prepoznavanje dobrih antena, posebno u vlažnim uslovima, pore ao sam sve simulirane antene prema poja anju u vlažnim uslovima po rastu em nizu, što je u prili noj meri promenilo njihov prethodni redosled, i generisao dijagrame poja anja i SWR vrednosti za suve i mokre antene. Ovi dijagrami sa ovako promenjenim redosledom antena možda pokazuju mnogo jasnije razlike medu antenama u razli itim radnim uslovima. Ponovo, najbolje antene su one sa najmanjim razmakom ili sa poklapanjem crvene i plave linije, tj. vrednostima poja anja ili SWR pri radu u suvim i vlažnim uslovima! Dužina antene i prose no poja anje suve (crveno) i vlažne (plavo) antene razli itih autora složene u rastu i niz prema poja anju vlažne antene Prose an SWR suve (crveno) i vlažne (plavo) antene razli itih autora složene u rastu i niz prema poja anju vlažne antene Zaklju ak U ovom radu prezentirao sam rezultate simulacija preko 50 razli itih antena za 2m opseg. Me u njima ima i nekih antena koje poti u od istih autora ali sa nekim malim varijacijama, obi no sa razli itom debljinom elemenata, ili prora unatih sa drugim programom. Recimo kao što su neke DL6WU* antene ozna ene sa asteriksom (*) da se pokaže da su one ra unate pomo u programa koji je napisao G3SEK prema DL6WU algoritmu. Sve antene su simulirane pod apsolutno identi nim suvim i vlažnim uslovima! Rezultati su obra unati i dati kao srednja vrednost u frekvencijskom opsegu od 144 do 146 MHz! Gledaju i prezentirane dijagrame moramo da zaklju imo, ne bez izvesne gor ine, da skoro svi naši napori na poboljšanju Yagi antena u poslednjih skoro 30 godina nisu dali nikakvo zna ajno poboljšanje u dizajniranju antena, uprkos tome što smo koristili vrlo mo ne ra unare i programe za optimizaciju da bismo izvršili taj zadatak! U toku tog dugog vremena, ogroman broj dizajnera, sa mo nim ra unarima i programima, i sa toliko velikim brojem “novih” antena nisu uspeli da poboljšaju Yagi antene i pove aju njihovo poja anje za više od marginalnih 0.5 dB! ak šta više, to malo, prakti no bezna ajno pove anje vrlo esto je moralo biti vrlo skupo pla eno žrtvovanjem nekih drugih važnih performansi Yagi antene! Šta to zna i? Da li to zna i da je mogu i teorijski maksimum performansi Yagi antene ve bio dostignut pre 30 godina? Ako je to tako, a sve ukazuje na to da jeste, nije li krajnje vreme da se prestane sa beskrajnim, jalovim “poboljšanjima” postoje ih Yagi antena i poplavom “novih” i “najboljih” konstrukcija Yagi antena, koje naj eš e ne mogu ak ni da dostignu performanse postoje ih “starih” antena, a kamoli da ih prevazi u? Zar nije vreme da se umesto toga pokuša sa osmišljavanjem ne eg radikalno novog i zaista boljeg? Nau ni progres je u novim i svežim idejama, a ne u beskona nom ponavljanju starih, postoje ih rešenja! Reference 1. Dragoslav Dobri i , YU1AW, Performances of Wet Yagi Antennas, antenneX, August 2008. issue No. 136. 2. Dragoslav Dobri i , YU1AW, Yagi Antenna Q factor, antenneX, July 2008. issue No. 135. 3. Insulated Wires - The NEC-2 Way, L.B. Cebik, Antenna Modeling, http://www.antennex.com/library/w4rnl/col0105/amod83.html