Antena „Long Wire” (LW) jest rzeczywiście najprostszą anteną wielopasmową o niekrytycznych wymiarach. Aby używać jej z powodzeniem trzeba jednak zadbać o uziemienie i dopasowanie.
Budowa anteny LW.
„Long Wire” (LW) to antena utworzona przez pojedynczy przewód zawieszony w wolnej przestrzeni, dołączony jednym końcem wprost do uziemionego nadajnika lub skrzynki antenowej (ATU). Najczęściej jest on poziomy ale równie dobrze może być ukośny, załamany – zależnie od warunków terenowych. Drugim „ramieniem” anteny jest przeciwwaga lub uziemienie, w którym płynie prąd porównywalny z prądem w antenie. Właściwości uziemienia i przeciwwag w sposób istotny wpływają na efektywność anteny.
Antena LW może mieć dowolną długość ale trzeba mieć świadomość, jak to wpływa na jej własności. Długość anteny decyduje o jej charakterystyce promieniowania, rezystancji w punkcie zasilania i sprawności.
Długość anteny LW jest mierzona od punktu zasilania do przeciwległego końca. Dokładnie: od zacisku skrzynki antenowej!
Anteny typu LW są znane od początku rozwoju radiokomunikacji w różnych odmianach i były różnie nazywane: „Odwrócone L”, antena Fuchsa czy „Random Wire”. Różnią się układem przestrzennym ewentualnie sposobem sprzężenia z nadajnikiem. W każdym jednak przypadku składają się z pojedynczego przewodu zasilanego na końcu wprost z uziemionego nadajnika. Wciąż są popularne, bo najtańsze i najprostsze, a wręcz idealne do pracy terenowej. Dla amatorów prostych urządzeń QRP, wybór anteny LW oznacza konsekwentną realizację koncepcji nawiązania łączności jak najprostszymi środkami; od klucza sztorcowego, aż po prostą, drutową antenę.
Długość anteny.
Długość anteny powinna być dostosowana do częstotliwości pracy, a raczej długości fali λ. Najkorzystniejsza jest długość odpowiadająca dokładnie wielokrotności λ/2, czyli połówki fali, aby antena była w rezonansie. Dla podstawowych 5 pasm amatorskich można dobrać długość kompromisową spełniającą ten warunek. Dla pełnego kompletu pasm nie da się uzyskać rezonansu na wszystkich częstotliwościach ale proste układy dopasowujące pozwalają na zestrojenie anteny o każdej niemal długości. Stosujemy więc takie długości, jakie możemy zrealizować w dostępnej przestrzeni korygując je ewentualnie pod kątem łatwiejszego dopasowania lub uzyskania pożądanej charakterystyki na określonych częstotliwościach. Wpływ długości na parametry anten LW jest omówiony dalej.
Przy obliczaniu długości anteny wychodzimy od długości fali na danej częstotliwości i uwzględniamy współczynnik skrócenia. W przybliżonych rachunkach stosujemy współczynnik skrócenia K=0.95. Dla anten harmonicznych o długości λ/2 i dłuższych można stosować wzór praktyczny:
L[m]=150 x (n-0,05) / f [MHz] ( n – liczba połówek fali)
W tabeli podano przykładowe długości anten na różnych częstotliwościach dla współczynnika skrócenia K=0.95. Tłustym drukiem wyróżniono długości dla najpopularniejszego wykonania anteny harmonicznej 41m dla 5 pasm. Warto zwrócić uwagę na fakt, że antena zwymiarowana dokładnie na λ/2 dla 3,65MHz na wyższych pasmach nie będzie w rezonansie. Antena planowana jako harmoniczna na 5 pasm, będzie musiała mieć długość kompromisową np. 41m. Inne przydatne w praktyce długości wynoszą odpowiednio: 10,05, 20,5 i 82m. Wszystkie takie anteny na najniższym paśmie mają długość λ/4, co wcale nie przeszkadza w ich efektywnym wykorzystaniu.
Sprawność.
Przez sprawność anteny rozumie się jej zdolność zamiany mocy w.cz. nadajnika na pole elektromagnetyczne. Sprawność anteny LW zależy przede wszystkim od jej długości, rezystancji uziemienia i wysokości zawieszenia.
Długość λ/4 można przyjmować za graniczną. Anteny krótsze mają małe rezystancje promieniowania co obniża ich sprawność. Ćwierćfalowa antena z dobrym uziemieniem jest już jak najbardziej akceptowalna (jak np. znana antena GP, co prawda pionowa ale podlegająca podobnym prawom). Korzystna z punktu widzenia sprawności jest długość λ/2 i jej wielokrotności. Takie anteny mają wysokie rezystancje, a więc niskie amplitudy prądu w punkcie zasilania. Dzięki temu mamy najniższe straty w obwodzie uziemienia. Sprawność anteny o bardzo niskiej rezystancji wejściowej będzie z kolei uzależniona głównie od rezystancji uziemienia.
Uziemienie jako „druga połowa” anteny LW w zasadzie decyduje o sprawności. Jeśli uziemienie ma znaczny opór omowy dla prądu w.cz. to moc nadajnika może pójść w większości na grzanie ziemi zamiast zamienić się na pole elektromagnetyczne.
Wysokość zawieszenia nie powinna być raczej mniejsza niż λ/4. Im bliżej ziemi tym bardziej wpływ gruntu obniża sprawność.
Uziemienie.
Anteny LW są z natury niesymetryczne, więc uziemienie jest niezbędne, aby w sposób kontrolowany zamykał się obwód prądu w.cz . Bez uziemienia prąd w.cz. zwany wyrównawczym popłynie przez masę nadajnika i zasilacz do sieci, co może spowodować zakłócenia sprzętu RTV w okolicy albo nawet naszej własnej aparatury. Sprawność anteny bez dobrego uziemienia może być znacznie obniżona. Zwiększą się też zakłócenia przy odbiorze. Zakłócenia od źle uziemionych anten niesymetrycznych przy pracy QRP na ogół nie są groźne. Przy dużej mocy mogą być już nie do opanowania, a napięcia w.cz. na masie nadajnika nawet niebezpieczne dla operatora.
Najbardziej wymagające w zakresie uziemienia są anteny o niskiej rezystancji (λ/4 i nieparzyste wielokrotności λ/4). W tych przypadkach trzeba raczej polegać na przeciwwagach.
Wpływ uziemienia na pracę anteny, a zwłaszcza jej sprawność jest najmniejszy przy antenach pracujących w rezonansie (długość λ/2 i jej wielokrotności). Rezystancja wejściowa takich anten jest duża, więc w uziomie płyną mniejsze prądy i straty w obwodzie uziemienia są mniejsze. Nie znaczy to jednak, że anteny pracujące w rezonansie mogą się obyć bez uziemienia.
Uziemienie można zrealizować na różne sposoby. Najlepsze są zakopane sieci promieniście rozłożonych przewodów i wbite głęboko pręty. Najłatwiej jednak wykorzystać istniejące instalacje. Mogą to być rury wodociągowe (kran ogrodowy), centralnego ogrzewania, masywne balustrady balkonów, płoty lub inne przewodzące obiekty o dużej długości i masie, zwłaszcza mające powiązanie z ziemią. Amatorzy pracy w terenie wspominają też o wykorzystaniu jako uziemienia (lub raczej przeciwwagi) samochodu albo zatapianiu przewodu uziemiającego w wodzie. Zawsze warto wykorzystać wszystkie dostępne punkty uziemienia, łącząc je razem przewodem o dużym przekroju.
Sam punkt dobrego uziemienia to jeszcze nie wszystko. Potrzebne jest połączenie go z zaciskiem uziemienia skrzynki antenowej. Teoretycy piszą: „długość przewodu uziemiającego nie powinna być dłuższa niż λ/10”. Istotnie, dłuższy przewód uziemiający będzie promieniował i może mieć na dodatek swoje rezonanse. Niestety, dla częstotliwości 28MHz, oznacza to długość mniejszą niż 1m! Jeżeli mamy wiele metrów przewodu uziemiającego, to zakopanie na jego końcu choćby czołgu może już nie wpływać na efekty. Gdy linia uziemienia ma przypadkiem długość λ/4 lub jej nieparzystą wielokrotność, to przy skrzynce antenowej uzyskujemy wysoką rezystancję, więc uziemienie nie będzie funkcjonować. Na masie nadajnika możemy wtedy zaobserwować spore napięcia w.cz. Linia uziemienia o takiej długości może być skuteczniejsza jako przeciwwaga nie połączona z ziemią.
Jak ocenić skuteczność naszego uziemienia? Obserwować zmiany WFS na wyjściu nadajnika w momencie dotknięcia dłonią obudowy skrzynki antenowej. Jeśli WFS przy dotknięciu zmienia się – uziemienie jest nieskuteczne. Podobne obserwacje możemy poczynić przy odbiorze. Zdarza się, że przyłożenie dłoni zmienia poziom zakłóceń, zwłaszcza jeśli w pobliżu mamy telewizor lub komputer. Jeden z praktyków polecał dołączanie na próbę do zacisku uziemienia skrzynki lub TRXa odcinka przewodu o długości kilku metrów. Jeśli zmienia to WFS na wyjściu nadajnika – to uziemienie jest niedostateczne.
Wykorzystując istniejące instalacje do uziemiania trzeba wykazać się ostrożnością i wyobraźnią. Nie można używać jako uziemienia przewodów zerowych i ochronnych sieci prądu zmiennego. W przypadku rur wodociągowych czy ciepłowniczych trzeba sprawdzić, czy nie są łączone przez izolacyjne uszczelki i złączki.
Realizacja dobrego uziemienia jest jak widać trudna. Jest to chyba najtrudniejszy element w instalacji z anteną LW. Trudno też w warunkach amatorskich zmierzyć rezystancję wykonanego uziemienia.
Alternatywą lub uzupełnieniem dla uziemienia są przeciwwagi, czyli przewody o długości co najmniej λ/4, dla każdej częstotliwości pracy, dołączone do zacisku uziemienia skrzynki antenowej. Przeciwwagi mogą wisieć w powietrzu, leżeć na ziemi lub być zakopane. Powinny mieć długość λ/4, bo wtedy ma minimalną rezystancję dla prądu w.cz. w punkcie przyłączenia. Długość przeciwwag zakopanych ma już mniejsze znaczenie, bo przewody w ziemi nie mają już wyraźnych rezonansów. W warunkach polowych, rozwinięty na trawie przewód, to proste i skuteczne rozwiązanie. W miastach, na wyższych piętrach trzeba próbować wieszać przeciwwagi tam, gdzie jest miejsce, w przedłużeniu anteny, pionowo w dół lub w bok. W każdym przypadku im więcej przeciwwag, tym lepiej ale nawet jedna przeciwwaga poprawi nam symetrię zasilania anteny.
Antena LW z pięcioma zakopanymi przeciwwagami (dla poszczególnych pasm) przestaje niestety już być prostą anteną, a ćwierćfalowa antena z ćwierćfalową przeciwwagą staje się po prostu półfalowym dipolem. Mój wniosek z rozważań o uziemieniu jest więc taki: warto wieszać antenę LW, jeśli mamy pod ręką dobry punkt uziemienia. Jeśli nie mamy, to lepiej pomyśleć o dipolach, zamiast przekopywać trawniki.