Moduláris Yagi antennák mérőszalagból

Régóta piszkálta a fantáziámat, hogy mennyire nagyszerű lenne mérőszalagból Yagi antennát építeni. Ebben a cikkben a megvalósítás során szerzett tapasztalataimról mesélek, valamint megosztok néhány hasznos tudnivalót ahhoz, hogyan tudna valaki hasonló antennákat utánam csinálni.

Motiváció

Mérőszalagból antennát építeni nem eredeti ötlet. Legelőször talán a MASAT-1 kapcsán találkoztam ezzel a megoldással, amikor még csak hallomásból ismertem a rádióamatőrséget. Aztán később itt-ott láttam, ahogy rádióamatőrök mérőszalagból épített Yagi-Uda antennákkal hadonásznak, és megtetszett, hogy milyen egyszerűen beszerezhető alapanyagokból lehet működő antennát készíteni. A legjobban azonban a praktikussága fogott meg, ugyanis a hajlékony elemek összehajthatók vagy feltekerhetők, így az antenna nagyon kis helyen elfér és könnyen szállítható.

Ultrarövid hullámú (VHF) és deciméteres hullámú (UHF) összeköttetésekhez túrázások, kitelepülések alkalmával hasznos lehet, ha van az embernél egy irányított antenna. Ezek a kézi rádiók gyári antennáinál néhány decibellel nagyobb nyereségűek, és korábbi HA5KFU túrák alkalmával megtapasztalhattuk, mennyire sokat tud ez számítani.

Tervek

Kezdő antennaépítőként kíváncsi voltam, hogyan csinálják a nagyok, milyen hibákat követtek el, melyekből érdemes tanulni. Másrészt a mérnöki lustaság is hajtott, hogy amit már valaki egyszer kitalált, azt lehetőleg nem szerettem volna ismét felfedezni. Szóval egy csomó anyagot találtam az interneten, mire végül elhatároztam, hogy OE6AHF dizájnját fogom alapvetésnek tekinteni (leírás és tervrajz lent található a fájlok között). Az eredeti terv – OE6STD munkája – itt található, az oldal legalján németül.

Az alábbi megoldások különösen tetszettek bennük:

• Teleszkópos tartógerinc (boom): az antenna hosszirányban nagyjából feleakkorára összetolható.
• A mérőszalagból készült elemeket a tartógerincre merőleges, azokhoz hasonló görbületi sugarú csődarabokhoz rögzítik. Mivel az elemeket vissza lehet beléjük dugni, így biztonságosan szállítható az antenna, és kényelmesen elfér egy hátizsákban.
• A csődarabok az elemek stabilitását is növelik, használat közben jobban ellenáll a szélnek és a mozgatásnak.
• Borzasztó professzionálisan néz ki, amellett, hogy minden házilag készül hozzá 🙂

Természetesen inspirálódtam máshonnan is. Ágoston épített már korábban hasonló antennát, onnan vettem át például azt az ötletet, hogy a PVC csőből készült tartógerincre pattintós bilincsek segítségével fogom rögzíteni az elemeket.

Ennek előnye, hogy nem szükséges hozzá speciális alkatrészeket 3D nyomtatni, és az elemek egyszerűen cserélhetővé válnak – ettől lesz moduláris az antenna: forgatni, tologatni is lehet a tartógerinc mentén az elemeket, így az utólagos módosítások sokkal egyszerűbben kivitelezhetők.

Építkezés

Az alábbi felszerelést gyűjtöttem össze hozzá barkácsáruházból és a haveroktól:

• 34 cm EN16-os és ugyanennyi EN20-as merev falú védőcső (Bergmann cső) a teleszkópos tartógerinchez,
  valamint egy-egy csomag hozzájuk illeszkedő rögzítőbilincs
• Elemenként 8-10 cm EN25-ös merev falú védőcső
• Egy-egy csomag 2,5 mm és 3,5 mm széles gyorskötöző (a szélesség helyett az a lényeg valójában, hogy az egyik vastagabb, a másik vékonyabb legyen)
• 10-14 mm hosszú M4-es csavarok, anyával – kettővel több darabra lesz szükség, mint ahány elemű az antenna
• 5 méter mérőszalag (19 mm széles)
• 50 ohmos koaxiális kábel, hozzá tetszés szerinti csatlakozó – én két méter RG174-est használtam SMA csatlakozóval
• Két szemes saru, ami ráfér a csavarokra, és forrasztható hozzá a koax
• Szigetelőszalag, vagy a mérőszalagnál szélesebb zsugorcső és melegragasztó
• Forrasztópáka + ón, csípőfogó (esetleg lemezvágó olló), fúró a csavarok méretéhez és a gyorskötözők szélességéhez illő fúrószárakkal, megfelelő méretű csavarhúzó és villáskulcs, félkerek ráspoly, drótfűrész (vagy vékony pengéjű fűrész)

A csöveket méretre vágtam és furatokat készítettem rajtuk a felhasznált irodalomban talált sablonok testreszabását követően. A tartógerinchez befűztem a gyorskötözőket a csövekbe:

A két csövet így egymásba lehet tolni oly módon, hogy azok nem lötyögnek, de nem is szorulnak túlságosan. Érdemes megfigyelni, hogy a külső csövön az egyik gyorskötöző hosszabb. Ez a teljesen kihúzott teleszkóp esetén a hosszirányú tengely körül való elcsavarodást akadályozza meg, ettől masszívabb lesz az egész szerkezet.

Célszerű kétféle vastagságú gyorskötözőt használni az egyes helyekre, hogy ne szoruljanak túlságosan egymásba a csövek. Nekem az vált be, hogy a belsőre (EN16) keskenyebb gyorskötözőt választottam, ami elfér a két cső fala között. A külsőre (EN20) szintén keskenyebbet választottam a hosszú helyére, mindenhova máshova a vastagabbakat tettem.

A dipól összesen 95 cm hosszú, a két szára közt egy centi helyet szabadon hagytam, hogy elférjen az elemet a bilincshez rögzítő csavar. Fontos, hogy ebben az esetben a csavar egyik darab mérőszalaghoz se érjen hozzá! A legtöbb házi építésű Yagi antennától eltérően itt a dipól valóban két darabból áll. Ez annak a következménye, hogy ehhez az antennához úgynevezett „hairpin” illesztést (hairpin match, L-match) alkalmaz a tervező, melyről itt és itt lehet bővebben olvasni. Az illesztést végző U alakú vezetéket közvetlenül a dipól száraira forrasztottam. Ráadásként a koaxra a betáplálási ponthoz közel tekertem egy 7-8 menetes fojtót balun gyanánt.

Tervezés a 70 cm-es sávra

A megépített antenna a 2 m-es rádióamatőr sávban üzemképes, ugyanakkor a kézi rádiók jellemzően a 70 cm-es rádióamatőr sávon is használhatók, mely a 430-440 MHz frekvenciatartományba esik. Mivel élveztem az építgetéssel-barkácsolással eltöltött időt, elhatároztam, hogy készítek egyet a 70 cm-es sávra is. Jó pár tervet találtam hozzá az interneten, de sokkal kevésbé konzisztens méretekkel, mint a 2 m-es antenna esetén. Mivel szeretem megérteni, hogy mi miért és hogyan működik, nem elégedtem meg azzal, hogy megépítem valamelyiket és aztán vagy jó lesz, vagy nem.

A tervezésben HA7SX Laci volt segítségemre. Rászánt egy délutánt, és a 4nec2 nevű szimulátorprogram segítségével méretezett nekem egy ötelemű antennát, mely elegendően széles sávú ahhoz, hogy a kitűzött frekvenciatartományban rádióamatőr célra megfelelően jól használható legyen. (Az ő beszámolója olvasható alább, hamarosan át is adom neki a szót.)

Mivel a korábban épített antenna moduláris, elegendő volt a 70 centis változathoz új, rövidebb cserélhető elemeket, és hozzá balunt készíteni. Azért is épp ötelemű lett az új antenna, mivel a korábbi tartógerincre ennyi fér rá kényelmesen. Jópofa felismerés volt, hogy az 5 m-es mérőszalag elegendő arra, hogy megépíthető legyen belőle a 2 m-es és a 70 cm-es antenna is.

Yagi antenna tervezési tippek – 4NEC2

A geometriai modellt sokféleképpen fel lehet venni, azonban számomra az vált be, hogy a változók az elemek közötti távolságok voltak, és nem az abszolút pozíciók. Így például az első direktor – hajtott elem távolságának változtatása lényegében a direktor sor távolságát változtatja, és a tapasztalatom szerint így könnyebb optimalizálni.

Kezdeti értékeknek célszerűen a hajtott dipólus λ/2-nál a rövidülési tényező miatt rövidebb. Érdemes lehet egy külön szimulációban csak a dipólus hosszát meghatározni, hogy rezonáns legyen, ez jó kezdeti érték lehet. Ennél a hossznál legyen a reflektor hosszabb, míg a direktorok rövidebbek. Nagyjából minden λ/4-re legyen egymástól.

A mérőszalagot célszerű úgy modellezni, hogy olyan huzalátmérőt állítunk be, melynek kerülete a mérőszalag kerületével egyezik meg – azaz 19 mm-es mérőszalag esetén egy kb. 12 mm-es átmérőjű vezetőt, ami 4NEC2-ben 6 mm-es sugárként tudunk beállítani.

A szimulációhoz a 4NEC2 beépített optimizerét használjuk. Itt nem érdemes minden paramétert berakni, mert úgy túl sok a függő változó. Frekvencia tartománynak a 420-450 MHz-es sávot állítottam be, sávszélességben ennyivel túl szeretném méretezni az antennát, hogy ha megvalósított antenna sávközepe elcsúszik, akkor is használható legyen az antenna. A szimuláció súlyai közé alapvetően az SWR és X-in elegendő tud lenni, de érdemes a nyereséget is bevenni, mivel születhet olyan antenna is, mely jó bemeneti reflexiójú, azonban előre és hátra is jól sugároz. Ez kissé lassítani fogja a futási időt.

Célszerű a hajtott elem környékének paramétereit, és a reflektor paramétereit külön-külön kezelni. Első körben a reflektor hossz és távolság, hajtott elem hossz és az első direktor távolságát hozzáadni, és futtatni. Ezután ezeket vegyük ki, és adjuk hozzá a direktor paramétereket. Ezzel lehet oda-vissza játszani. Ha elérünk egy jobb eredményt, érdemes elmenteni, mivel néha előfordulhat, hogy „elrontjuk” az antennát.

Kellő próbálkozás után sikerült egy specifikációnak megfelelő antennát találni. Véletlenül úgy adódott, hogy picit kerekítve az értékeken, egész centiméteres hosszú elemeket kaptunk. Az antenna nyereségére 9.7 dB jött ki, míg a -20 dB sávszélessége 419-443 MHz közé adódott. Ugyan 450 lett volna a felső cél, de alapvetően a kisebb rezonancia frekvenciához hosszabb elemek tartoznak – így a gyakorlatban szükség esetén még lehet rövidíteni az elemeket utólag. Az alábbi ábrán látható a szimulált antenna bemeneti reflexiója, és állóhullámaránya:

A tervezett antenna méretei, 19 mm-es mérőszalagból, [mm] egységben: (Megjegyzés: a tapasztalat az volt, hogy dipólus hosszára igen érzékeny az antenna, tekintve, hogy először hosszabbra hagyva, pocsékul működött, viszont milliméterre pontosan levágva nagyszerű lett. De lehet ezt a készített balun hatása is okozta valamilyen úton-módon.)

Elem	Pozíció	Hossz
Reflektor	0	340
Dipólus	120	310
Direktor 1	220	280
Direktor 2	320	280
Direktor 3	420	270

Yagi antenna megtáplálása – Roberts balun

Az antenna megtáplálása koaxiális kábellel történik, a cél, hogy SMA csatlakozóval szerelve első sorban kézirádióra legyen rögzíthető, de természetesen SDR, illetve más platformokhoz is csatlakoztatható. Mivel a koaxiális kábel egy kiegyensúlyozatlan (unbalanced) tápvonal, így a Yagi szimmetrikus (balanced) táplálást igénylő dipólusának meghajtásához szükség van egy balunra, mely a szimmetrizálást elvégzi.

Yagi antennák esetében az is gyakran előfordul, hogy a talpponti impedanciát nem sztenderd 50 Ω-nak, hanem tipikusan kisebb, 30 Ω körüli értéknek választják meg, mivel így jobb antennatulajdonságok érhetőek el. TV Yagi antennák esetében gyakran alkalmaznak hajlított dipólust, 300 Ω-os bemeneti impedanciával, így egy kerülő utas balunnal 1:4-es impedancia transzformációval elérhető a 75 Ω-os, TV-s rendszerekben használt bemeneti impedancia.

Jelen esetben az antenna 50 Ω-osra lett tervezve az egyszerűség kedvéért, nem mellesleg már korábban működő Yagit építettem, ilyen betáplálási impedanciával.

A szimmetrizáláshoz egy úgynevezett Roberts balun struktúrát alkalmaztam. A BME Szélessávú Hírközlés tanszékén az antennás kollégák csak Oltmann’s balun néven hivatkoznak rá – amikor azonban rákerestem, a Roberts balunt sikerült csak megtalálnom, és többször is sikerrel alkalmaztam. Jelen cikk írásakor találtam meg a George Oltmann által írt IEEE publikációt, melyben Roberts balunját alaposabb vizsgálatnak veti alá. A Roberts balunról készült összefoglaló: https://www.haystack.mit.edu/wp-content/uploads/2020/07/memo_EDGES_087.pdf

A balun működése elsőre bonyolultnak tűnhet, azonban egy zseniális konstrukció, mely ügyesen „rejti el” a hozzávezető tápvonal külső köpenyeit. Az alábbi két ábra ugyan azt a konstrukciót ábrázolja, az első az összefoglalóból, míg a másik Oltmann publikációjából. A működés szempontjából fontos megkülönböztetni a koaxiális kábel köpenyének külső és belső felületét. (Ha egy koaxiális kábel megfelelően táplál egy antennát, a köpenyének külső felületén nem szabad áramnak folynia!)

A két, egymás mellett fizikailag párhuzamosan futó koaxiális kábel külső köpenyei egy szimmetrikus tápvonalat alkotnak (Lecher-vezeték, macskalétra). Ezek az antennától a szabadtéri hullámhossz negyed távolságára rövidre vannak zárva. Így az antenna talpponti impedanciájával egy rövidre zárt, λ/4 hosszú tápvonalként jelenik meg a két koaxiális kábel külső felülete, azaz az antenna mellé szakadásként transzformálódik, tehát egy szakadás lesz az antenna bemeneti impedanciájával párhuzamosan kapcsolva. Azaz köpenyáram nem fog folyni, tehát a szimmetrizációt ez a megoldás biztosítja.

A koaxiális kábel melegerei össze vannak kötve, míg az antennát a két köpenyről hajtjuk meg – ezért is néz ki rendkívül érdekesen ez a struktúra. De akkor hogyan jut el a teljesítmény az antennába? A betáplálási ág melletti második koaxiális kábel, melybe a teljesítményt a melegerek összekötésével átvezetjük, abból ki kell húzni a belső vezetőt, méghozzá annyira, hogy pont a kábelben értelmezett hullámhossz negyedével megegyező hosszú ér maradjon benne. Ennek köszönhetően a táplált ágból érkező melegér belemegy egy λ/4 hosszú, szakadással lezárt tápvonalba – ez rövidzárat transzformál a bemenetre, azaz összekötésre kerül a köpennyel, amiről már meg tudja táplálni az antennát.

A Yagihoz ezen balun ezen két λ/4 szerint került méretezésre. Oltmann cikke azonban foglalkozik azzal is, hogy a soros tápvonal szakaszt hangolásra hogyan tudjuk használni, illetve vizsgálja a két koaxiális kábel távolságának hatását is, meg sok egyéb mást – később célom elmerülni ennek a rejtelmeiben is.

A balun elkészítése

Alapesetben ezt a balunt merev vagy félmerev, teflon szigetelésű koaxiális kábellel lehet jól megvalósítani. Azonban egy félig leszakadt csatlakozójú RG58-as mérőkábel tökéletesen újrahasznosíthatónak bizonyult a feladathoz, viszont ezzel nagyobb körültekintés szükséges, mert a konstrukció nehézkesebb.

Ezen kábelből levágásra került egy picit hosszabb, mint a 435 MHz λ/4-ének megfelelő (70 cm sávközép, λ/4 ~ 18 cm) darab. A feladatunk, hogy a melegeret kihúzzuk annyira, hogy λg/4-nyi maradjon a kábelben – ezt egy satu és egy fogó segítségével finoman csináltam. 66%-os sebesség tényező mellett kb. 11 cm-et kell bennhagyni. Azonban a precizitás érdekében, amikor nagyjából kihúztam a megfelelő hosszt, Nano VNA segítségével néztem, hogy 435 MHz-en rövidzárnak látszik-e a kábel. Mindig picit kihúzva, újracsípve a kábelt (a melegérből annyit kell hagyni, hogy a másikkal még jól összeköthető legyen), VNA SMA csatlakozójához érintve vizsgáltam, míg kellően közel nem lett a rövidzárhoz.

A maradék RG58-as kábel vágott végét megblankoltam, úgy hogy elég melegér legyen összekötni a két elemet, meg hogy a köpenyt még hozzá lehessen forrasztani az antennához. A blankolástól felmértem a λ/4-et a köpenyen, és ott kb. 1 cm-es hosszban megvágtam a szigetelést, hogy látszódjon a köpeny. A két koaxot ezután egy evőpálcika jobb és bal oldalára rakva szigetelőszalaggal rögzítettem. Majd a különálló, kihúzott erű darab végéből kilógó köpenyharisnyát hozzáforrasztottam az 1 cm-es csupaszított részhez, figyelve, hogy nehogy átégessem a szigetelést a koaxiális kábel belsejében.

Az alábbi képen látható az elkészült balun, már az antennán. Alul a λ/4-re összeforrasztott köpenyek. Felül a tartó MÜ csőtől nehezen látható, de a két koaxiális kábel köpenye megpödörve, a dipólus két feléhez van forrasztva, illetve a koaxiális kábelek melegerei is össze vannak forrasztva.

Mérési eredmények

A 70 cm-es antenna dipólusa összeépítésre került a balunnal, és direkt hosszabbra lett hagyva, mint a végső hossz, néhány mm-el. Az első mérés során a Yagira méretezett dipólus kiragadott, szabadtéri talpponti impedanciáját vizsgáltam. Az elméletem alapján, ha pontosan sikerül a szimulált értékre beállítani a dipól talpponti impedanciáját, akkor vélhetően a parazita elemekkel is jól fog működni – viszont a balun és a hozzávezetés ismeretlen fázistolása miatt ennek az impedanciának egy ismeretlen hosszal vett elforgatottját látjuk, így ennek mérése körülményes.

A dipólt ezek után a Yagira integrálva, az első tapasztalat az volt, hogy nem működött jól, a bemeneti reflexió -10 dB-nél nem volt jobb. Frekvenciabeli egyértelmű eltolódás nem látszott, ami a hosszabb elem hatására utalna. A dipólt csúsztatva előre-hátra, a bemeneti impedancia nem javult. Ezek után nem volt jobb ötletem, de elkezdtem rövidíteni a dipólust (itt még mindig hosszabb, mint a szimulált érték!). A második rövidítéssel milliméterre pontosan annyira vágtam le, mint a szimulált érték. Ennek hatására az antena hirtelen „megjavult”, és a szimulációval egybehangzó tartományon kezdett rezonálni, -20 dB körüli bemeneti reflexióval. (Megjegyzés: A dipólus hossza a két elem vége közötti távolságra értendő, és nem a két elem hosszának összegére – mivel középen, a megtáplálás miatt van egy rés.)

A Schönherz Kollégium mögötti parkos területen végeztünk szabadtéri méréseket. Ezek során az antenna alapvető tulajdonságait vizsgáltuk NanoVNA segítségével, valamint a balun iránykarakterisztikára gyakorolt hatását – empirikusan. Az alábbi ábrákon a VNA-ról készített képernyőfotók láthatók.

Zölddel jelöltük az állóhullámarányt (SWR, osztásonként 1), sárgával a bemeneti reflexiót (S11, 10 dB/osztás), világoskékkel pedig a komplex impedancia látható a Smith diagramon. A referenciapontokat kis nyilak jelölik a bal oldali tengely mentén (S11: 0 dB, SWR: 1).