Úvaha a měření kolem vodorovné rozteče dvou antén yagi - pásmo 70 cm

K problematice jsem se vrátil po několika mailových diskuzích s Matějem, OK1TEH (díky, Matěji) a po prostudování článku s popsanou problematikou od K1FO. V podstatě mi jde o jedinou příčinu, a sice vlastnosti soustavy dvou shodných UHF antén jsou velice zásadním způsobem ovlivňovány jejich použitou osovou roztečí při montáži. A to tak, že nastavení pro maximální zisk samozřejmě neodpovídá ani nastavení na nejlepší F/B a ani nastavení na nejvyšší hodnotu šumu slunce.

Metody

Bohužel, abych se této problematice mohl věnovat precizně, nemám k dispozici na výběr příliš mnoho metod. Nemám na výběr z většího množství NEC modelů, které jsem si ověřil a za které bych mohl dát ruku do ohně. Pro experimenty (reálné) mám nyní jen několik poměrně krátkých antén yagi. Proto jsem pro modelování použil anténu EF7011 (podle yu7ef), mám ji vyzkoušenou. Pro měření jsem měl dvojici těchto antén ve vertikální polarizaci a na laminátovém výložníku. Článek víceméně popisuje jednoduchou a v amatérských podmínkách realizovatelnou metodu, při které si ověřuji alespoň základní body modelovaného výsledku experimentem.

Vertikální polarizaci jsem použil pro experiment proto, aby mi v rovině prvků neležel ani kousek koaxiálního napaječe.

Pro měření prvních a druhých sidelobes jsem použil opět oblíbený maják satelitu FO-29. Abych vyloučil (nebo mohl zkorigovat) únik signálu vlivem útlumu trasy, zaznamenával jsem sílu majáku také na druhém přijímači se samostatnou 15 prvkovou anténou nepřetržitě během měření.

Model antény

Pro různé experimentální účely jsem si dříve připravil modely antény EF7011 pro různé enginy (NEC, MININEC). Použil jsem modely, u kterých jsem uplatnil pouze vyzkoušenou korekci délek prvků s ohledem na použité ráhno (boom correction). U takto modelované antény mi přibližně seděly u modelu a reálné antény hodnoty impedancí na svorkách a polohy (úhlově) hlavních a největších postranních sidelobes (laloků). Bohužel, sondy na měření proudů, které mám k dispozici, mi už příliš přesně neměří proudy v prvcích a svými geometrickými rozměry ovlivňují měření. Jejich použitelnost, obávám se, končí na pásmu 2m. Takže při modelování a ověření modelů mám k dispozici, jak jsem napsal velice málo metod. Jednou z nich je, že alespoň sedí šířky hlavního paprsku (mainlobe) v obou rovinách a impedance na svorkách.

Modelované vlastnosti jedné antény

Modelované vlastnosti jedné antény přibližně odpovídají skutečnosti. Na anténě byl naměřen úhel v H rovině pro pokles - 3dB o velikosti cca 42°. První minima mezi mainlobe a prvními sidelobes byla skutečně na cca +- 45° a maxima prvních sidelobes na +- 55°. Impedanci na svorkách jsem naměřil Z=45 Ohmů. Potlačení zadních laloků jsem neměl možnost nijak ověřit. Přesto důvěřuji NEC modelům, lepší něco, než nic a jdu na teoretické experimenty se soustavou dvou antén.

Soustava dvou antén - maximální zisk

Soustava by měla mít při rozteči, která odpovídá maximálnímu zisku:
a) Zisk vyšší o 3 dB. To podle modelu skutečně má.
b) První sidelobes potlačené jen o -7 dB. A to musím skutečně naměřit, protože signály majáku jsou přiměřeně silné.
c) První minima mezi laloky někde na +- 15° a to musím také snadno naměřit, rotační encodér mi poskakuje s rozlišením cca jedné desetiny stupně.

Soustava dvou antén - nejlepší potlačení sidelobes

Soustava na nejlepší potlačení sidelobes se vyznačuje:
a) Menším ziskem, o cca 0.3, maximálně o 0.5 dB. A to bych možná ani nemusel měřením rozlišit.
b) První sidelobe je potlačen o cca -15 dB, to bych měl být schopen ještě najít a změřit.
c) Druhý sidelobe je potlačen jen o cca -20 dB a možná ho měřením najdu.
d) Hlavní paprsek je mnohem širší a mezi minimy má +- 20° až +- 25°. Je tedy širší o celých 10°

Z obou dvou nastavení je tedy vidět, že soustavy antén by měly mít téměř stejný zisk, ale druhá anténa by měla lépe využívat širšího hlavního paprsku a potlačených sidelobes. Tolik tedy závěry z jednoduchých teoretických modelů.

Vzdálenosti mezi anténami

Antény montované na maximální zisk, měly osovou rozteč ráhna cca 1.44 metru.
Antény montované na nejlepší F/B, měly vypočtenou osovou rozteč 1.19 cm.

Pro ilustraci uvádím ještě vyzařovací diagramy pro osové vzdálenosti DH 50 cm (šedá barva), 75 cm, 100 cm, 125 cm (modrá barva) a 150 cm (červená barva):

Poznámky:

1. Při malé osové vzdálenosti ráhen se zisk soustavy a její vyzařování blíží k vlastnostem jediné antény.  Již vzdálenost 50 cm (méně než 1 x wl) je velice málo..

Měření

Provedl jsem v rychlosti několik měření soustav s osovou vzdáleností 75 cm, 90 cm, 118 cm (poblíž nejlepšího F/B) a 144 cm (poblíž max. zisku). Zejména 2 poslední konfigurace jsou důležité.

1. Byla měřena síla signálu pomocí zařízení upraveného zařízení Icom 706 MK2G. Úprava spočívá v nastavení fixního zisku a převodu naměřené síly signálu do digitální podoby.
2. Byla měřena velikost úhlu azimutu antén při fixní elevaci antén. Encodér rozlišuje na úhlu více než desetinu stupně, s ohledem na různé nepřesnosti a vůle se budeme držet toho, že úhel je měřen s přesností kolem jednoho stupně, ale to pro malé antény na pásmu 70 cm stačí.

Výsledky měření

Rozteč 144 cm: první sidelobes +-25°, jejich naměřené potlačení - 8.4 dB a - 8.9 dB, první minima +- 15°, další sidelobes nenalezena.
Rozteč 118 cm: první sidelobes +-32°, jejich naměřené potlačení -15.1 dB a - 15.7 dB, první minima asi na +21° a -20°, další sidelobe na cca +-55°, potlačení o cca -20 dB, minima mezi 2. a 3. sidelobe na cca +- 45°, potlačení více než - 40 dB, další sidelobes a minima nenalezena.

Co k tomu dodat. Alespoň v jedné rovině se při každé konfiguraci dala naměřit alespoň šířka hlavního paprsku (mainlobe), najít první minima mezi paprsky a přibližně naměřit potlačení alespoň prvního postranního paprsku. Všechny tyto vlastnosti anténní soustavy si lze jednoduše jak namodelovat, tak prostou zkouškou v amatérských podmínkách ověřit. Nemám proto důvod nevěřit u antén yagi, až do pásma 70 cm včetně, výsledkům jejich numerické optimalizace s ohledem na různá kritéria.

Poznámky

1. U soustavy použitých malých antén ještě nemám dostatek informací k tomu, abych mohl udělat zodpovědně jakékoliv tvrzení o tom, které nastavení je pro příjem slabých EME signálů lepší. Z pohledu zkoušek příjmu slunečního šumu se obě soustavy jeví téměř jako rovnocenné, protože rozdíly v desetinách dB na zisku zřejmě nejsem schopen ničím rozlišit. Z hlediska dekódovaných reportů (EME, WSJT-X) se mi zdály antény, které byly optimalizované na F/B, lepší. Jenže příjem nebyl prováděn ve stejném okamžiku. Mám jen jednu soustavu antén. Přesazení roztečí dělám ručně, chvíli mi to trvá. S tak malými anténami mohu poslouchat (dekódovat) jen silné stanice. Proto tu důvěřuji také svým subjektivním dojmům a svým zkušenostem - věřím více v nastavení soustavy na lepší F/B, a to i jen na základě výpočtu, než experimentálnímu nastavení na maximální zisk.

2. Pokud provádíte výpočty vyzařovacích diagramů (far field pattern) ručně tak, že měníte parametr osové vzdálenosti soustavy, zpravidla vyhodnocujete pohledem tvar sidelobes. Vidíte, jak při změně rozteče některé paprsky mizí, jiné se objevují. Vidíte jejich tvar i potlačení. Při určitých zkušenostech naleznete touto metodou optimální nastavení rozteče.

3. Pokud používáte automatickou numerickou optimalizaci nastavení rozteče, musíte nastavit software tak, aby za vyzařování pro výpočet F/B program považoval téměř vše mimo hlavní lalok. To znamená, že si provedete několik výpočtů far field pattern poblíž optimální rozteče, podíváte se, kde jsou minima mezi mainlobe a prvními sidelobes a úhel pro F/B optimalizaci nastavíte tak, aby zahrnoval všechny vyzářené energie mimo mainlobe. To znamená, že např. u rovinného úhlu pro azimut za zadní vyzařování považujete vše, co je mimo mainlobe v rozsahu úhlů např. 330° a jen 30° necháváte pro mainlobe. Program zpravidla velice rychle konverguje k optimu. Příklad:

Automatickou optimalizací (pro rozlišení F/B byl zvolen úhel o velikosti 330°, tedy vše mimo hlavní lalok na levém obrázku, tedy v rovině H) byl vypočten výše uvedený diagram. SW pěkně nacpal první lalok potlačený pod -12 dB, další lalok pod -20 dB a nalezl optimální rozteč DH = 1.135 metru. To je o něco méně, než optimalizace pro vyšší elevační úhly, kde za optimální byla považována vzdálenost DH = 1.18 metru. Ale i tak máme při obou různých provozních podmínkách celkem jasno o vlastnostech antény a víme, že se u reálné antény shodují alespoň směry vyzařování v hlavním a v důležitých postranních paprscích a že se shodují vypočtené a naměřené impedance. To není až tak málo.