S velkou popularitou CB radiostanic u široké veřejnosti se rozšířil i vzhledem k jejich dostupnosti okruh uživatelů. Ne vždy, každý vidí tento koníček ze strany techniky. Častěji však ze strany běžného uživatele, jako radiotelefon. Protože mnoho zájemců nemá ani elementární znalosti v oblasti radiotechniky, budu se snažit jednoduchou formou miniseriálu podat pár informací v dané oblasti CB rádia. Chtěl bych, aby projev byl co nejsrozumitelnější i zájemcům , kteří nemají elektrotechnickou kvalifikaci. V některých pasážích nebude asi možné se vyhnout odborným termínům, ale snahou bude, vyjádřit se srozumitelně. Nepovažuji na druhou stranu tento miniseriál za úplné vysvětlení daných témat. To není předmětem mého článku.Odborníkům se může zdát projev trochu chaotický a někdy jistě vyvolá i úsměv na tváři, ale zde je na nich, aby se i "oni " podělili trochou svých znalostí v podání srozumitelného textu (pokud to dokáží) s běžným uživatelem CB radiostanice.
ANTÉNY PRO CB RADIOSTANICE V PÁSMU 27 MHz (26 - 27.9 MHz)
Obecně lze konstatovat,že jako přijímací, nebo vysílací anténa může sloužit vodič jakéhokoliv tvaru a délky, umístěný v určité výšce nad zemí a spojený vhodným způsobem s vysílačem nebo přijímačem (v našem případě s radiostanicí CB).
Každý anténní zářič je charakterizovaný:
- směrovým účinkem
- součinitelem směrovosti
- ziskem
- vstupní impedancí
- účinným frekvenčním rozsahem
V praxi je účelné posuzovat směrové vlastnosti anténních systémů v porovnáním s půlvlným dipólem, který je základním typem anténního zářiče, který je velice lehko opakovaně realizovatelný. O tom, zda skutečně nastane v dané místě požadované soustředění energie rozhoduje také účinnost samotného zářiče, nebo anténního systému. V mnoha případech (např. u půlvlného dipólu) je účinnost zářiče blízká 100%, ale často je účinnost značně menší vlivem ztrát samotného zářiče a pohybuje se např. asi mezi 50 - 80%. Skutečný zisk antény (tzn. zesílení ve směru maximálního vyzařování) je proto praktickým měřítkem výkonnosti anténního systému a udává se jednoduchým číslem, nebo častěji v decibelech. Vyjadřuje skutečnost, kolikrát je zkoumané pole silnější, než pole vztažného zářiče, čímž je zpravidla půlvlný dipól, nebo izotropní zářič (tj.teoretický ideální zářič).
Pozn.: Pojmem vztažný zářič se rozumí posuzovaná "modelová" anténa.
Směrový účinek je schopnost zářiče vyzařovat, popř. přijímat ektromagnetickou energii jen z určitého směru, definovaného prostorovými úhly ve vodorovné a svislé rovině. Abychom mohly navzájem různé antény porovnávat, zavádí se pojem tzv.součinitel směrovosti, který udává, o kolik je v místě příjmu elektromagnetické pole silnější, než pole vybuzené v tom, či onom místě zářičem, který by stejný vysokofrekvenční (dále VF) výkon vyzařoval rovnoměrně do celého prostoru. Tento teoretický a prakticky nerealizovatelný vztažný zářič je izotropní - všesměrový.
V praxi neexistuje žádný kouzelný typ antény, který by měl malé rozměry a při tom velký zisk. Mnoho nedorozumění vzniká tím,že není u běžně prodávaných antén udáván zisk k jakémukoliv vztažnému zářiči .Domnívám se , že tomu není tak z reklamních důvodů. Ve skutečnosti je zisk vztažený k izotropnímu zářiči o 2.15 dB větší než je zisk vztažený k půlvlnému dipólu.Z této poznámky si každý může posoudit sám, jak vypadá skutečnost udávaných hodnot zisku antén.
Úkolem zářiče (v našem případě antény) je vyzářit do prostoru přiváděnou energii. Ta se dá do zářiče-antény přivádět obvykle tzv. napájecím vedením, v našem případě koaxiálním kabelem. Z hlediska napájení se anténa jeví jako spotřebič. Maximální přenos energie nastává, když je vstupní odpor zářiče (antény), reálný a rovný vnitřnímu odporu zdroje, tj.napáječe-koaxiálnímu kabelu. Ve skutečnosti má anténa často i tzv. reaktanční (jalovou) složku a proto je správnější hovořit o vstupní impedanci antény. Jalová složka nespotřebuje sice žádný výkon, ale způsobuje frekvenční citlivost antény a zhoršuje se přenos energie z napájecího vedení do antény.
CB radiostanice pracují v pásmu 11m (27MHz), proto nás budou zajímat antény pro uvedené pásmo. Obecně pro pásma krátkých vln (1.6 - 30 MHz) je základním typem šíření pro dálkový provoz tzv."ionosférická" vlna odražená od vrstvy F ve výšce 400km. Pro dálkový provoz (dálkové šíření) musí být VF energie vyzařována pod malými elevačními úhly, což vyžaduje zavěsit horizontální anténu co nejvýše, anebo dobrý zemnící systém pro anténu vertikální.O směrovosti antén pro CB pásmo se nebudu zmiňovat, vzhledem k tomu, že pro CB provoz lze používat pouze antény jednoprvkové, což jsou v našem případě pouze antény vertikální, vyzařující do prostoru kolem horizontální roviny, tedy v kruhové charakteristice.
Vertikální antény jsou vhodné pro malé prostorové požadavky, výhodný vyzařovací diagram ve svislé rovině a všesměrovost v horizontální rovině. Nejkratší rezonanční délka zářiče je l/4, kde druhou polovinu půlvlnné délky nahrazuje zemní odraz . Do rezonance se dají přivést i kratší zářiče se zapojenou tzv.prodlužovací indukčností v blízkosti kmitny proudu, nebo zatěžovací kapacitou na vrcholu zářiče. Vyzařovací diagram ve svislé rovině závisí na délce zářiče-antény. Se zvětšováním výšky zářiče se vyzařování soustřeďuje podél obzoru tak dlouho, dokud výška nepřesáhne l/2. Při větších výškách se objevují a vzrůstají laloky pod velkými elevačními úhly. Při výšce 1 lambda ( 1 l ) se energie podél obzoru vůbec nevyzařuje. Následkem toho a nedokonalé vodivosti skutečné země v okolí antény vznikají ztráty, které mají za následek, že vyzařování pod úhly menšími než 5° je potlačováno. Základním předpokladem účinné funkce vertikální antény je dostatečná výška zářiče a hlavně dobrý zemní systém, to především platí, pokud je pata zářiče umístěna přímo nad zemí. Prodloužení elektrické délky pomocí indukčnosti zapojené blízko napájené paty antény vede ke značnému poklesu účinnosti a k velmi ostrému ladění přizpůsobovacích obvodů.
Prakticky využitelné vertikální antény výšky 0.08 až 0.1/l, při dobré zemi a kvalitní prodlužovací cívce v přizpůsobení,dávají i takto krátké dobré výsledky. Vzhledem k tomu, že v reálných podmínkách je vlivem ztrát potlačené vyzařování do nejnižších úhlů, uvádí se, že je možno uvažovat maximum vyzařování u antén výšky:
- 0.25/l v úhlu asi 30°
- 0.5 /l v úhlu asi 15°
- 0.625/l v úhlu asi 10°
Jiným typem vertikální antény je tzv."ground-plane" (GéPéčko). V tomto případě je čtvrtvlný vertikální zářič umístěn nad zemí a zdánlivá zemní rovina je tvořena zpravidla čtyřmi ,nebo třemi čtvrtvlnými horizontálními vodiči. V praxi lze sledovat, že někteří výrobci používají více, či méně těchto horizontálních vodičů. Následek zvýšení, nebo snížení počtu vodičů (tzv.radiálů) má podstatný vliv na účinnost a vyzařovací charakteristiku antény.Správně zhotovená anténa má vyzařovací diagram ve vodorovné rovině všesměrový a ve vertikální rovině vyzařuje pod malými úhly. Proto jsou tyto antény vhodné pro dálkové spojení. Vyzařovací odpor antény je asi 30 ohm. Anténa proto může být napájena přímo koaxiálním kabelem 50 ohm. Při použití napáječe 75 ohm. je nutno impedanci transformovat, např. je možno mezi anténu a napáječ zařadit čtvrtvlný úsek vedení o impedanci 50 ohm. Existuje mnoho dalších postupů, ale omezím se pouze na podmínky běžného uživatele, který se jistě nebude pouštět do stavby amatérské CB antény.
Problémy vyplývající z nepřizpůsobení koncového stupně vysílače k anténnímu zářiči se dají velice lehko odstranit. Naopak neznalost stavu momentálního napojení napáječe k anténě a k vysílači může způsobit poškození koncových zesilovačů výkonu VF a škody jsou mnohem větší, než malý zásah , který vede ke zcela dobrým výsledkům v běžné CB praxi. Především si je nutno uvědomit, že běžně prodávané radiostanice pro CB pásma se základním povoleným výkonem 4W mají vestavěnou jednoduchou tzv.reflektometrickou ochranu proti odpojené, nebo špatně přizpůsobené anténě. Ta je schopna ochránit koncový stupeň i při zaklíčování bez antény, samozřejmě jenom na určitou dobu.Dále je tato ochrana účinná i v případě připojení špatně přizpůsobené antény, ale samozřejmě s adekvátně sníženým výkonem.
Vestavěné "ochrany" však neslouží k ochránění koncového stupně vysílače pokud vznikne galvanické zkratování na anténním konektoru, resp.zkrat na anténě, nebo koaxiálním kabelu!!
Co se týče běžně prodávaných zesilovačů určených pro CB provoz , zpravidla pro výkony 35, 50, 80, 100W VF, (nehomologované) , tyto nejsou vybaveny žádnou ochranou proti výše uvedeným provozním závadám. Zde při zaklíčování s tímto zesilovačem do nepřizpůsobené antény, nebo snad i s nezapojenou anténou dojde k mžikovému poškození aktivních prvků - koncových tranzistorů a takto poškozený koncový stupeň se stává nefunkční.
PŘIZPŮSOBENÍ ANTÉNY K VYSÍLAČI - měřené veličiny PSV (ČSV)
Úkolem vysílací antény je vyzářit s co největší účinností výkon, vyrobený vysilačem. Aby tento úkol byl splněn, musí být anténa optimálně vyřešena vzhledem k vysílanému kmitočtu a impedančně přizpůsobena k výstupnímu obvodu vysílače.
Výkon z vysilače je do antény přenášen prostřednictvím napájecího vedení-koaxiálním kabelem. Podmínkou účinného přenosu energie je impedanční přizpůsobení v místech styku vysílač-napáječ-anténa. Není-li tato podmínka splněna, dochází ke vzniku stojatého vlnění na napáječi, anténa pak nevyzáří všechen přivedený výkon, část se ho vrací zpět k vysilači a mění se v neužitečné teplo ve výstupním obvodu vysilače a může způsobit i poškození aktivních prvků.Nepřizpůsobení se udává činitelem stojatého vlnění (ČSV). Ke zjištění se používá měřičů PSV (ČSV), zařazených do cesty mezi vysílač a napájecí vedení. Ztráty výkonu, ke kterým dochází vinou nepřizpůsobení, jsou uvedeny v tabulce 1. Většina měřičů PSV (ČSV) se používá k trvalé kontrole během provozu vysílače a jsou zapojeny viz výše uvedeno. Během nastavování antén si je nutno uvědomit, že se vyzařuje trvale VF výkon a takovéto nastavování je nutno provádět pokud možno v době sníženého provozu na pásmu.
Tabulka 1:
PSV PŘENESENÝ ODRAŽENÝ
(ČSV) VÝKON (%) VÝKON (%)
1 100 0
1,2 99,2 0,8
1,5 96 4
2 89 11
3 75 25
4 64 36
6 48 52
10 33 67
nekonečno 0 100
Z poznatků provozu na CB pásmu nelze opomenout jednu ze skutečností, že měření PSV nevěnují uživatelé CB radiostanic velkou pozornost. Snad pouze tehdy, kdy se realizuje montáž antény a někdo, nebo firma provede prvotní nastavení na optimální možnou hodnotu. Tímto aktem zůstává být tento parametr, tedy PSV již neaktuální a dále neaktualizován. Vlivem meteorologických podmínek tj. především působením relativní vlhkosti, nebo přímo po dešti, stárnutím kabelu napáječe, mechanickým poškozením ap.dochází neustále ke změně parametrů PSV. Z praktického hlediska lze jenom doporučit trvalé zapojení PSV metru v cestě mezi vysílačem a napájecím kabelem, a vizuálně kontrolovat momentální stav PSV. V případě jakéhokoliv vybočení z normálu máme ihned možnost odhalit tento stav a zabývat se příčinou do odstranění. V opačném případě, kdo tuto možnost nemá, nebo jí nevyužívá mnohdy tápe, z jakých důvodů mu při vysílání nejde to , či ono. Vzhledem ke standardnímu výkonu kolem 4W není třeba se zabývat průchozím útlumem PSV-metrů, které jsou běžně dostupné na našem trhu. Ideální je používat dvouměřákových PSV-metrů, kde lze sledovat veličinu PSV a VF výkonu současně.
Upozornění: Pozor na připojování jakýchkoliv náhražkových antén bez prověření PSV !
Konstrukcí PSV-metrů se nebudu zabývat, jelikož je na trhu dostatečný výběr těchto měřících přístrojů, i když lze pochybovat o jejich přesnosti jako měřících přístrojů. Pro běžné používání ze strany provozovatele CB (jako poměrové měřidlo) jsou zcela postačující. Kdo by měl zájem o konstrukci přesných -širokopásmových PSV-metru, může se obrátit na mne.
NASTAVOVÁNÍ ANTÉN PRO CB
Zde bych chtěl popsat ve stručnosti nastavení nejpoužívanějších antén, které jsou nejvíce rozšířeny mezi uživateli. Především se jedná o tzv."půlky", různé autoantény (mobilky) ap. Běžně dostupné antény jsou již od výrobce naladěny na patřičný kmitočet, tedy i nastaveny, ,jak se říká na nejlepší PSV. Musíme brát v úvahu, že výrobce tyto antény nastavuje v modelových podmínkách, s reálnými elektrickými poměry. Každý uživatel umísťuje anténu dle svých možností, a tím se i parametry antény odchýlí od normálu, který je přednastaven od výrobce. Na změně parametrů má především vliv okolí, ve kterém bude anténa instalována. Jsou to - okolní zástavba, různé překážky, zástěny, výška antény, prodloužení na různých stožárech, zemní systémy ap. Každý tento faktor ovlivní při prvním zapojení anténu v pohledu na PSV a vyzařovací charakteristiku. Každou anténu, její montáž provádíme dle doporučení výrobce,nebo prodejce. Snažíme se anténu , její výsuvné díly nastavit na označené rysky. Po správné instalaci napáječe (koaxiálního kabelu) od konektoru antény ke konektoru radiostanice CB, zapojíme PSV-metr u RDS CB v následujícím sledu; radiostanice CB - asi 20-40cm koaxiálního kabelu opatřeného konektory - PSVmetr - koaxiál. kabel příslušné délky k propojení s anténou opatřený konektory. Při tomto zapojení a připojení zdroje můžeme započít nastavování antény. Upozorňuji, že za, ne zcela vhodný postup považují nastavování antény přímo s PSV metrem umístěným u paty antény bez celé délky napáječe (koaxiál. kabelu) , jak to někteří provozovatelé CB praktikují. Potom dochází k podivu nad PSV v patě u antény a případně změřenému PSV u radiostanice CB. Bohužel druhý postup nevyžaduje asistenci druhé osoby, ale nedojde se k uspokojivým výsledkům.V praxi dojde k efektu, že pokud bude PSV v patě antény nastaveno na ideální hodnotu ,pak po instalaci koaxiálního svodu bude PSV u stanice na jiné hodnotě. Tím pádem dochází díky funkčnosti reflektometrické ochrany ve stanici ke snížení vyzařovaného výkonu.
Po krátkém zaklíčování jsme ihned schopni zjistit na PSV metru jednu výchylku menší a při přepnutí PSV metru, druhou výchylku větší. Větší výchylku si regulačním prvkem (potenciometrem pro citlivost) na PSV metru nastavíme na pravý okraj stupnice a s potenciometrem již nemanipulujeme. Přepneme na menší výchylku a na stupnici ihned lze odečíst poměr PSV. U normálně instalované antény (profesionálně zhotovené) , nebude výchylka u tzv."půlek", nebo Ground-playnů větší než 1:2 na kanálech č.1 a č.40, na nichž provádíme měření z hlediska nejvyššího a nejnižšího vyzařovaného kmitočtu. Postupným zasunováním, nebo vysunováním prvku antény lze v praxi dosáhnout PSV na výše uvedených kanálech a po té v celém rozsahu 1-40kanálu PSV 1:1,1. V níže uvedeném odstavci bude klasický případ postupu nastavení. Upozorňuji, že jakákoliv manipulace s anténou se provádí mimo provoz vysilače (nesmí být zaklíčováno tlačítkem na mikrofonu). Za účelem měření, vizuální kontroly PSV stačí krátkodobě zaklíčovat, pouze po dobu , co provádíme odečet na PSV měřidle.
- na kanále č.1 bude PSV menší (např.1,5)
- na kanále č.40 bude PSV větší (např.1,9)
Tento stav může být i v obráceném poměru.Další nastavení provádíme vždy od kanálu, kde je horší PSV. V našem případě od CH 40.
- nastavíme CH 40 a nepatrně, asi o 2-3cm zasuneme prvek antény do sebe
- provedeme změření a zjistíme PSV (např.již 1,6)
Pokud bychom vysunuly prvek třeba o zmíněné 2-3cm PSV se zhorší např.na 2,1.
- pokusíme se opět zasunout prvek a opět zkontrolujeme PSV
- zároveň si přepneme CH 1 a sledujeme hodnotu PSV i zde
V našem případě by měla být hodnota PSV např.již na 1,3
- prvek zasunujeme do té doby, dokud se PSV na CH 40 nedostane na nejnižší hodnotu, respektive se začne PSV na tomto kanále opět pomalu zvětšovat směrem nahoru.
- potom zkontrolujeme CH 1
Může se stát, a to záleží na tzv. širokopásmovosti dané antény, že se nám výše uvedeným postupem podaří realizovat PSV v celém rozsahu lineárně, tedy rovnoměrné. Na obr.2 jsou naznačeny klasické případy, se kterými se uživatel může setkat při nastavování antény.
Obr.2:
a) b) c)
PSV 1.2 1.4 1.6 1.6 1.4 1.2 1.1 1.2 1.1
------------------>> <<------------------ ---------------------
CH 1 20 40 1 20 40 1 20 40
a) zde je nutno zkracovat délku antény zasunováním prvků
( PSV se začne posunovat ve směru šipky )
b) zde je nutno prodlužovat délku antény vysunováním prvků
( PSV se začne posunovat ve směru šipky )
c) skoro ideální a realizovatelné nastavení se středem na 20CH
Tentýž způsob nastavování antény se týká autoantén pro CB pokud je výrobcem provedena tak, že lze v nepatrných dimenzích zkracovat vlastní zářič. Avšak jedno důležité upozornění: Mobilní antény jsou dodávány s určitou délkou napáječe ukončeného konektorem. Nedoporučuji svévolně zkracovat, nebo prodlužovat tento napáječ .U většiny těchto antén délka koaxu, se kterým je dodávána korespondují parametry antény. V opačném případě se tímto zásahem anténa rozladí-znehodnotí. Existuje mnoho druhů antén, které se dolaďují pouze délkou napáječe (čtvrtvlnnými násobky, např. mobilní lodní anténa HURICAN).
Protože se neustále hovoří o tom, jaký má útlum ten , či onen kabel a jaký má tento útlum vliv na přenos VF energie, uvádím měřené veličiny, které byly publikovány v AR
Měření bylo dle autora provedeno radiotesterem ROHDE-SHWARZ, který obsahuje mj. Přesný wattmetr se vstupní impedancí 50 ohm s citlivostí 1 mW.
Vstupní výkon 10W VF na kmitočtu 28 MHz (můžeme uvažovat dtto 27 MHz):
n délka kabelu RG 58 = 100 metrů
n změřený skutečný výkon na konci kabelu 1,21 W
n útlum kabelu na 100 m = 9,17 dB
· délka kabelu RG 213 = 100 metr
· změřený skutečný výkon na konci kabelu 4,58 W
· útlum kabelu na 100 m = 3,39 dB
Z těchto údajů lze spočítat, skutečný útlum na různé délky použitých koaxiálů typu RG58 a RG 213. Samozřejmě nelze počítat „lineárně“ (že bude na 50 metrů poloviční útlum). V této oblasti se vyskytují již logaritmické vztahy !!