SP6PNZ

Antena EH

Antena EHA (EH - Antena). Sporo jest szumu od jakichś 3 lat wokół tej anteny.

A tak szczerze powiedziawszy, kiedy pierwszy raz o niej usłyszałem to myślałem, że jest to antena włoska. Jest ona zdecydowanie najbardziej popularna we Włoszech i jest tam (i w Niemczech) nawet komercjalnie produkowana (na niedużą skalę).
Zaciekawiło mnie to jako, że ja też mam plany jej zbudowania, ale głównie z zamiarem jej dokładnego pomierzenia.
Pod warunkiem oczywiście, że znajdzie się na to czas.
Jestem tym bardzo zainteresowany, ale z dość dużą dawką sceptycyzmu.
Jeśli chodzi o moją opinię to mam trochę mieszane uczucia. Spróbuję Ci wyjaśnić dlaczego. Ale zacznę od początku.

Trzy zasadnicze parametry anten w ogóle, a tej w szczególności są tutaj dyskutowane.

Są to: SWR, sprawność i zysk.

SWR nie ma oczywiście nic wspólnego z efektywnością anteny bo może istnieć bardzo efektywna i sprawna antena z bardzo wysokim SWR i odwrotnie, może istnieć antena z SWR prawie idealnie 1:1 i prawie nic albo nawet zupełnie nic nie promieniować (np. sztuczna antena).
Te kłopoty z SWR to tak naprawdę zaczęły się od czasów rozpowszechnienia się transceiverów z tranzystorowymi szerokopasmowymi wzmacniaczami mocy. Są one z reguły bardzo wrażliwe na wysokie SWR i stąd ten hałas. A wrażliwe są na wysokie SWR z dwóch powodów. Raz, że grozi to zniszczeniem tranzystorów, a po drugie szkodzi to ich liniowości.
Jak wspomniałem wysokie SWR ma niewiele wspólnego ze sprawnością anteny ale w skrajnych przypadkach może powodować jej zmniejszenie. Przykładem są straty w kablu czy też generalnie słabe przekazanie mocy do obciążenia w przypadku naprawdę bardzo wysokiego SWR, powiedzmy 5:1 a może nawet 10:1.

Wspaniały SWR jest często używany przez producentów anten jako przynęta.

Sprawność anteny jest bardzo oczywista intuicyjnie, a matematycznie to jest to 100% razy oporność promieniowania anteny podzielone przez sumę oporności promieniowania anteny i oporności strat w antenie. Proste.
W przypadku anten elektrycznie bardzo krótkich, oporność promieniowania będzie bardzo mała, i np. w przypadku anteny o długości powiedzmy 2% długości fali będzie to rzędu 0.2 Ohma. Straty w takiej antenie będą raczej duże, a szczególnie po uwzględnieniu strat w cewce użytej do doprowadzeniu takiej anteny do rezonansu.

Ted Hart, który wymyślił antenę EH, bardzo dobrze o tym wiedział i twierdzi, że taka kombinacja metalowych tulejek i przesuwników fazowych podnosi jej oporność promieniowania do ok. 10 Ohm. Jeśli jest to prawda, to wzrost sprawności anteny, tym spowodowany, musi być ogromny.
Ted twierdzi, że spokojnie można uzyskać 95% albo więcej (! - super duper, jak mówią yankesi).
Sprawność prawie nigdy nie jest prezentowana przez producentów anten, szczególnie tych o mniejszych wymiarach lub w jakimś innym stopniu kompromisowych. Nie lubią się chwalić.
Tyle o sprawności.

Pozostaje zysk. To pojęcie jest już nieco mniej zrozumiałe przez przeciętnego zjadacza chleba.
W sumie jest to stosunek mocy wypromieniowanej w kierunku gdzie antena promieniuje najwięcej, jeżeli oczywiście ma ona jakieś właściwości kierunkowe (ma je każda praktyczna antena) do mocy jaką by ta antena wypromieniowała w obojętnie jakim kierunku, gdyby nie miała żadnych własności kierunkowych (teoretyczna antena izotropowa).
W praktyce zysk niewiele znaczy, jeżeli nie jest podane w jakim kierunku. Będzie też on bardzo silnie zależał od miejsca i wysokości zainstalowania anteny i rodzaju ziemi.
Teoria mówi, że bardzo krótka elektrycznie antena typu Hertz (2% długości fali) będzie miała zysk ok. 1.7 do 1.8 dBi w pustej przestrzeni (na podstawie moich symulacji komputerowych), co jest niewiele mniej niż pełno wymiarowa pół falowa antena. Zupełnie inaczej będzie to wyglądało w warunkach rzeczywistych i obecności prawdziwej ziemi. Antena EH będzie zależna od parametrów ziemi w dokładnie takim samym stopniu, jak każda inna antena pionowa na podobnej wysokości nad ziemią.

Pomysł takiej anteny nie jest absolutnie nowy.
Wielu naukowców (i nie tylko) pracuje nad taką anteną od bardzo dawna.

O co w tym wszystkim chodzi?
Otóż każda antena (intencjonalna czy też jako źródło zakłóceń) początkowo wytwarza tylko bardzo silne pole elektryczne (albo magnetyczne w przypadku małej anteny pętlowej).
Pole to jest dużo większe niż normalna składowa elektryczna w fali elektromagnetycznej. I to jest powodem zakłóceń typu EMI czy TVI (zakładając oczywiście, że nie wchodzą w grę harmoniczne itp.). W przypadku większych mocy jest to również zagrożeniem dla ludzi.
Weźmy dla przykładu pół falową antenę dipol na 3MHz w przestrzeni (daleko od ziemi) zasilaną nadajnikiem 100W. Dwa metry od takiej anteny pole elektryczne sporo przekroczy 500V/m. Gdyby jednak taka antena produkowała tylko falę elektromagnetyczną, to jej składowa elektryczna będzie tylko ok. 35V/m w takiej samej odległości.
Ale już w odległości mniejszej niż połowa fali, przekształca się to prawie całkowicie w promieniowanie elektromagnetyczne, gdzie stosunek pola elektrycznego (E) do pola magnetycznego (H) jest stały (377Ohm) i są one przesunięte w fazie o 180 stopni.

Celem tych wszystkich wysiłków jest uzyskanie konstrukcji niewielkiej anteny w której oba te pola produkowane są jednocześnie z zachowaniem ich idealnego stosunku (377), przesunięcia fazy (180 stopni) i prawidłowej geometrii.
Innym czynnikiem jest ta nieprawdopodobnie mała rezystancja promieniowania bardzo małych anten w stosunku do ich strat i reaktancji pojemnościowej. Jak już wspomniałem Ted Hart twierdzi, że jego antena uzyskuje 10 Ohm, co jest bardzo dużo jak na taką małą antenę.

Inna sprawa, że to co napisałem, w jaki sposób promieniowanie anteny jest uzyskiwane, znane jest od grubo ponad 100 lat i bardzo dobrze opisane matematycznie (teoria Maxwell'a). Konsekwencją tego jest, że gdyby taka antena działała tak jak jest opisywana, to w znacznej części byłoby to naruszeniem tej teorii.

Teraz najważniejsze pytanie, czy ta antena działa?. Oczywiście, że działa, a pytanie jednak jest; jak ona działa.
Bardzo trudno jest odpowiedzieć na takie pytanie i ja oczywiście nie mam odpowiedzi.
Ale zanim spróbuję na to pytanie odpowiedzieć trzeba sobie zdać sprawę, że po pierwsze; nawet metalowy karnisz może być użyty jako antena i wiele QSO było zrobione używając jako anten rzeczy, które nic nie mają wspólnego z antenami. Po drugie; nawet niewielka różnica 6dB (1S) w sile sygnału po odbiorczej stronie, może być spowodowana bardzo dużą różnicą w jakości anteny po stronie nadawczej. Jedynie dokładne testy mogą pomóc w odpowiedzi.

Z powrotem do EHA.
Największym argumentem jej przeciwników jest twierdzenie, że nierozłącznie z tą anteną związana jest obecność dużego prądu RF na kablu (i jego promieniowanie) jest głównie odpowiedzialne za produkowanie promieniowania.
Ciekawostką jest, że Ted Hart przyznaje, że istnieje bardzo silny prąd RF na kablu i nawet zaleca, aby go nie tłumić (ciekawe), a wręcz przeciwnie, aby upewnić się, że kabel jest prosty i nie schowany (wyeksponowany, tak jakby był... anteną - bardzo ciekawe). To stwierdzenie można zobaczyć na anteny oficjalnym web site (http://eh-antenna.com/documents/RF_on_the_Coax.pdf).

Twierdzi on, że jest to dowodem na to, jak dobrze ta antena promieniuje, bo potrafi wzbudzić tak silne prądy w kablu ją zasilającym (powiedzmy... bzdura). Tak twierdząc sam sobie niejako zaprzecza, bo skoro jego antena nie produkuje, jak Ted twierdzi, tak silnego pola elektrycznego, to nie powinna też być w stanie produkować napięć RF w otoczeniu będących w stanie spowodować poparzenia nawet przy 100W mocy.
W tym samym dokumencie Ted Hart odradza używanie ferrytu do jego stłumienia i twierdzi:

"...since the coax shield is not a magnetic shield, the beads affect both the inner and outer conductors. Therefore, most of the transmitter power will be converted to heat. Not good."

Czyli, że oplot kabla koncentrycznego nie ekranuje magnetycznie, więc ferryt utrudnił by przepływ prądu RF również w środkowym przewodzie kabla. To stwierdzenie mnie rozśmieszyło. Kompletna bzdura. Tutaj takie gadanie się nazywa "snake oil" (powiedzmy, czarna magia).

Żaden ferryt nie jest w stanie stłumić niczego w kablu, zawierającym w obu przewodach sygnał w dokładnie przeciwnych fazach i takiej samej amplitudzie jako, że jego działanie się kompletnie zniesie. Taki sygnał nie jest też w stanie spowodować żadnego promieniowania. A magnetyczne ekranowanie nie ma tutaj absolutnie nic do rzeczy.

Jeżeli jednak zauważa on (Ted Hart), że założenie ferrytu powoduje gwałtowny spadek sygnału, to oznaczać może to tylko jedno - większość promieniowania pochodzi z kabla.

Innym argumentem jej przeciwników jest to, że 10 Ohm nie jest w rzeczywistości rezystancją promieniowania, a jedynie rezystancją strat użytych cewek, co by też wyjaśniało szerokopasmowość anteny (i drastycznie zredukowało jej sprawność).

Antena ta wzbudziła bardzo duże zainteresowanie w kręgu radiofonii AM (szczególnie na falach średnich).
Ted Hart ma nadzieję, na duży business w tym zakresie. Oficjalny test dla uzyskania zatwierdzenia przez FCC (Federal Communications Commision - USA) był przeprowadzony w Listopadzie 2001 na lokalnej średniofalowej radiostacji radiofonicznej WKVQ (1520kHz) w Eatonton w stanie Georgia (gdzie Ted zresztą mieszka). Nie potwierdził on parametrów ani EHA ani CFA anten (o CFA nieco dalej). Rzekomym powodem był niewłaściwy dobór skrzynki antenowej (HF zamiast na fale średnie czy coś takiego, już nie pamiętam).

Zobacz: http://beradio.com/ar/radio_building_better_radiator/ i

http://www.broadcast.it/news/archivio/5-2002/guidaradio.htm
Kiedyś z ciekawości sprawdziłem tą stację w rejestrach FCC. Ma ona licencje na tylko 1kW.

Żeby było ciekawiej to jest w FCC zarejestrowana na nazwisko Ted Hart eksperymentalna stacja pod znakiem WK4XVQ (normalnie znaki wywoławcze stacji radiowych i TV w USA i Canadzie maja 4 litery) na max moc 250W w tej samej miejscowości i częstotliwości.
Eatonton to jest "dziura" - ma mniej niż 10 tys. mieszkańców (ponad połowa to czarni) w stanie Georgia jakieś 100km na pld-wschód od Atlanty. To tłumaczy taką małą moc stacji.

Claudio Re (Włoch - I1RFQ), który jest zawodowo zaangażowany w radiofonie (technicznie) zrobił bardzo dobrze udokumentowaną analizę parametrów tej anteny (http://www.antennex.com/preview/Feb503/eh1.pdf).
Czarno na białym udowadnia w niej, że absolutnie niemożliwe jest osiągnięcie sprawności nawet bliskiej 95% zakładanej przez projektanta.

Claudio w rzeczywistości dokonał także pomiarów modelu takiej anteny, chyba na pasmo 50MHz.
W swoich testach i analizach użył on cewek z Q=450 (ogromne) i nie był w stanie uzyskać niczego ponad 84%, nawet w najlepszych okolicznościach. W typowych warunkach użyte cewki są znacznie gorsze, nawet w oryginalnej antenie.

W praktyce nie znaczy to wiele. Nawet, jeżeli sprawność anteny nagle spadnie ze 100% do 50%, w odbiorniku spowoduje to spadek odbieranego sygnału tylko o 3dB (1/2 S). W sumie różnica trudna do zauważenia. Pozostaje jedynie pytanie; dlaczego takie numery są publikowane (trochę wygląda jak oszukiwanie). Ale takie naciąganie parametrów jest wśród producentów anten (szczególnie dla krótkofalowców) bardzo powszechne. Nie oznacza to nigdy, że antena jest do niczego, ale niepotrzebnie wzbudza nieufność u tych którzy te parametry trochę rozumieją. Magia liczb.

Wspomniany kiedyś przeze mnie John Belrose (VE2CV), który jest fachowcem od anten i związany jest z bardzo wyspecjalizowaną instytucją naukową CRC - Communications Research Centre (w znacznym stopniu o charakterze militarnym) wręcz tą antenę wyśmiał: (http://www.antennex.com/shack/Apr03/ontheeh.pdf).
Przeprowadził on szereg symulacji komputerowych, które bardzo przekonywująco przedstawiły tą antenę jako; elektrycznie krótka antena z przedłużającą ją cewką. Jego symulacje komputerowe absolutnie nie potwierdziły żadnych z publikowanych parametrów anteny ani współdziałania pól E & H w produkowaniu promieniowania w obrębie anteny..
Rezystancja promieniowania dla anteny 2% długości fali była mniejsza niż 0.5 Ohm, a zysk dla fali przyziemnej w stosunku do ćwierć falowej anteny pionowej był o około 2S (mowa o skali na S-meter) mniejszy. John również sugeruje, że większość promieniowania anteny EH pochodzi z promieniującego kabla.

John poprzestał jednak tylko na symulacjach komputerowych.

EH Antena nie jest pierwszą próbą zminiaturyzowania anten przez produkowanie obu składowych (E & H - elektrycznej i magnetycznej, skąd nazwa) jednocześnie.
Bardzo dużo szumu jakiś czas temu (przed EHA) narobiła antena zwana CFA (Crossed-Field Antenna), w kształcie nieco podobna do grzyba, powiedzmy kurki. Była ona dziełem szkockiego profesora o nazwisku Maurice Hately (GM3HAT) i jego studenta z Egiptu o nazwisku Fathi Kabbary (obecnie doktor Kabbary).
Tak jak w przypadku EHA uzyskali oni patent na swoja CFA. Ale antena CFA posunęła się nieco dalej bo pewna liczba nadajników radiofonicznych w Egipcie, Brazylii, Australii i Anglii (wyspa Mann) została wyposażona w takie anteny (typowo ok. 1/50 długości fali).
Było koło tego bardzo dużo szumu i jeżeli dobrze pamiętam to był w to w jakimś stopniu wciągnięty Ted Hart (ten od anteny EH).
Były rzekomo przeprowadzone jakieś pomiary ale ich wyniki nie są całkowicie akceptowane przez większość naukowców.
Podobno jest w trakcie proces certyfikacji FCC dla tej anteny. Tego nie sprawdzałem.
Wiem, że wielu próbowało symulacji komputerowych tej anteny. Wyniki były nieciekawe na co autorzy tych anten zwykle odpowiadają, że symulacje komputerowe oparte są na tradycyjnej teorii działania anten (równania Maxwell'a) i nie są w stanie prawidłowo symulować anteny CFA (całkiem logiczna odpowiedź, prawda?).

W sumie nie mam intencji odradzania Ci budowy tej anteny (w sumie bardzo prostej do zbudowania), ale chciałbym abyś wiedział o tym co się koło tej sprawy dzieje. Bardzo dużo ludzi ją zachwala. Pytanie tylko na ile ich opinie są miarodajne.

Być może, że tak jak w tekście, który mi niedawno przysłałeś, ludzie będą w przyszłości znali tylko bardzo małe, bardzo efektywne anteny (wyobraź sobie np. kieszonkową antenę nadawczą na 136kHz) i dziwili się będą jak mogliśmy być tak zacofani, aby przez 120 lat nie zauważać, że antena Hertz'a nie jest najlepszym i nie jedynym rozwiązaniem.
Jeden z jej zwolenników, amerykański naukowiec hinduskiego pochodzenia Bibhas R. De, twierdzi, że Maxwell nigdy tak na prawdę nie skończył swojej teorii promieniowania elektromagnetycznego i tak w istocie to w jakiś sposób przewidział prawa fizyki, które mogłyby koncept takiej anteny poprzeć (http://www.geocities.com/bibhasde/radiocomm.html).

Ja też planuję jej zbudowanie, ale chciałbym przeprowadzić szereg pomiarów o których jak do tej pory nie widziałem żadnej informacji.
Jednymi z tych pomiarów są absolutne wartości prądu RF w kablu zasilającym i wartość pola elektrycznego przez tą antenę wytwarzanego w funkcji odległości jako, że mam dostęp do odpowiednich przyrządów jak i do specjalnego bezechowego (elektromagnetycznie) pomieszczenia w pracy. Szczególnie ten ostatni pomiar wydaje mi się bardzo istotny dla zweryfikowania, że antena ta istotnie produkuje promieniowanie elektromagnetyczne bezpośrednio z pominięciem pośredniej fazy, tj. silnego reaktywnego pola elektrycznego. Jest to sposób na potwierdzenie (albo nie), że antena rzeczywiście działa i robi to wbrew obowiązującym (aktualnie) prawom fizyki.
A tak szczerze powiedziawszy to nie rozumiem dlaczego nikomu nie przyszło do głowy, aby taki prosty pomiar zrobić. W sumie różnica pomiędzy tymi czynnikami jest ogromna. Pole elektryczne zanika bardzo gwałtownie w funkcji odległości od anteny, podczas kiedy składowa elektryczna promieniowania elektromagnetycznego zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do odległości (znacznie wolniej).
Taki pomiar pokazałby czarno na białym co się właściwie w tej antenie dzieje.

W sumie bardzo dobrze by było gdyby obecne prawa fizyki w tym zakresie okazały się niewystarczające do jej opisywania, bo zyskalibyśmy dostęp do bardzo małych anten.

Tyle na razie. Powodzenia w konstrukcji anteny.

Janusz, VE3ABX