Všeobecně
V předchozím roce jsem provedl celou řadu praktických experimentů i
teoretických úvah, které se týkaly návrhu antény nebo anténního systému
malé stanice pro EME, určené pro provoz JT65. Antény minimálních rozměrů,
se kterými byla realizována QSO, jsou známa. Podle informací z
DUBUS 4/2016 byla realizována úspěšná spojení stanice MX0CNS, která
použila dvouprvkovou anténu a výkon 60 Wattů. Protistanice byly "big gun".
Délka antény byla jen 134 mm. Já jsem při svých RX experimentech úspěšně
používal antény dlouhé kolem 2m s 11 až 16 prvky. S jedinou 11 prvkovou
anténou yagi délky 2.2 metru jsem byl schopen spolehlivě dekódovat nejen
big guns, ale i stanice, které pracovaly s jednou či 2 dlouhými yagi
anténami.
Tato úvaha se týká vybavení stanice anténou o souhrnné délce 6 až 7
krát lambda. Teoretické úvahy chci podložit praktickými (už předposledními
než připojím vysílač) experimenty.
Antény připravené pro experiment
Anténa č. 1 je soustava dvou antén, které mají horizontální
polarizaci, jsou směrovatelné v azimutu i elevaci.
Počet prvků: 2 x 11
Délka antény: 2100 mm
Nominální impedance jedné antény v místě napájení: 50 Ohm
Sdružení antén: pomocí čtvrtvlnného vedení o impedanci 35 Ohm
Montáž antén: k otočnému výložníku za posledním reflektorem
Základní výhody této soustavy:
1. Možnost jednoduchého doplnění o stejný systém antén pro vertikální
polarizaci. To může být rozhodující pro kompenzaci Faradayovy rotace
(změny polarizační roviny vlivem odrazu).
2. Malá délka antén (L ant = 2.2 m, délka od závaží výložníku k poslednímu
direktoru do 2.5 m).
3. Montáž k výložníku je provedena za posledním reflektorem.
Základní nevýhoda této soustavy:
1. Vlivem zapojení soustavy do stacku u tak krátkých antén nelze účinně
potlačit první postranní laloky (sidelobes).
Anténa č. 2 je jediná dlouhá anténa horizontální polarizace.
Směrování v azimutu i v elevaci. Anténa je montována kvůli rozměrům
elevačního rotátoru na dielektrický (laminátový) výložník. Elevační
rotátor poblíž prvků dokáže spolehlivě zhoršit F/B o cca 6 dB.
Počet prvků: 19
Délka antény: 4.7 metru
Nominální impedance v místě antény: 50 Ohm
Sdružení antén: není provedeno, LNA s MW relé je bezprostředně u zářiče
Montáž antény: k dielektrickému výložníku, pozice na druhé straně je
nevyužitá, případně bude osazena anténou pro 23 cm
Základní výhoda antény:
1. Možnost montáže LNA bezprostředně k zářiči.
2. Excelentní potlačení postranních laloků (sidelobes), přičemž hlavní
lalok je téměř 2x tak široký proti předchozí soustavě.
Základní nevýhoda antény:
1. Dvojnásobná montážní délka proti soustavě.
2. Opatření na eliminaci Faradayovy rotace není jednoduché. Teoreticky je
sice možné instalovat podobnou anténu na druhé rameno výložníku ve
vertikální polarizaci. Tato anténa však má konstrukčně tenké ráhno s
výztuhou, proto montáž s vertikální polarizací neumožňuje.
Schémata montáže


Společné vlastnosti antén
Průměr prvků: 6 mm Al trubka
Ráhno: 15 mm jekl, u 11 prvkové jednoduché ráhno, u 19 prvkové antény je
použita konstrukce se zvýšenou tuhostí.
Řešené úvahy
Boom correction
Metoda 1 (standardní)
U návrhu antén pro pásmo 70 cm jsme nuceni zabývat se kompenzací
vlivu konečného rozměru ráhna, průchodu prvku ráhnem a způsobu montáže
prvku do ráhna. Preferuji uspořádání izolované montáže prvku nad
ráhnem, kruhový (trubka) tvar prvků a průměr prvků od 6 mm do 8
mm. U popisovaných antén jsem udělal výjimku (viz poznámka na konci
odstavce). Pokud anténu navrhneme pomocí NEC programů a pro volný
prostor, musíme provést tzv. boom korekci. Nemám problém s použitím
korekce podle DL6WU. Číselné hodnoty podle vzorce jsou uvedené např.
na webu
www.yu7ef.com.
Vpravo na obrázcích vidíte použité hodnoty pro ráhno jekl 15 mm a pro
montáž nad ráhnem.
Příklad: Pro ráhno rozměru 15 a vodivé propojení
prvku je hodnota boom korekce 6.6 mm (horní obrázek/tabulka). Prvek je
montován nad ráhnem (spodní obrázek), proto se použije hodnota BC =
6.6 x 0.25 = 1.65 mm.
Metoda 2 (precizní, ok1ufc)
Podle přesného modelu NEC (hraje roli i použitá engine programu)
vypočteme rozměry antény pro volný prostor a pro námi navržené
vyzařování. Anténu připravíme k měření F/B na měřicí stand a provedeme
měření far field. Moje podmínky jsou H = 8.5 m, A = 200 metrů
(vzdálenost měřicího dipólu). Měření provedeme kolem pracovního
kmitočtu s krokem 0.5 MHz, najdeme kmitočet s nejlepším F/B a
provedeme zpřesňující měření s krokem 100 kHz. Touto metodou mi
vycházení nejlepší poměry F/B na kmitočtech vyšších, než navržených.
F/B se liší o 2-3 dB. Tato hodnota hraje významnou roli, proto
nepodcenit. Na obrázku dole je rozdíl mezi vypočteným a nalezeným
maximem F/B.

V tabulce níže jsou pro první tři
direktory pomocí modelu NEC (frekvenčním měřítkem) přepočteny rozměry
návrhu na frekvence zjištěné měřením. |

 |

Všimněte si, že touto metodou lze
stanovit boom korekci pro každý prvek samostatně. Nezjistil jsem však
podstatný vliv na vlastnosti antény, která by byla individuálně
korigovaná na každém prvku.
Dále si všimněte, že boom korekce provedená empirickým vzorcem podle
DL6WU a pomocí NEC a experimentu, nám dává stejné výsledky :-)
Poznámky:
1. Mnoho praktických zkušeností, které se týkají boom korekce,
naleznete na stránce:
http://www.dg7ybn.de/BC_numbers/BC.htm
2. Izolovanou montáž prvků jsem nepoužil, protože jsem
neměl na skladě potřebný počet vhodných plastových dílů. Použité jsou
skladem dostupné díly z dílny OK5IM (Jirko, díky).
3. Metoda boom korekce pomocí výpočtu v NEC má dvě zásadní nevýhody.
Kratší prvky původní antény musíte zpravidla vyhodit. Z delších
uděláte kratší. Zásadní nevýhodou však je požadavek na přesnost NEC
engine. I při použití některých vlastních algoritmů k NEC-2 engine
nejsem s přesností úplně spokojen.
|
Zářič
Obě antény byly navržené pro nominální impedanci 50
Ohmů. Byl použit zářič typu skládaný dipól, který je vyroben z měděné
trubky o průměru 10mm.
Důvodů mám několik:
- nejlépe mi fungovaly antény s vyleštěným měděným zářičem, na kterém
nejsou žádné šrouby a ani jiné nastavovací prvky se závity, atd.
- způsob montáže konektoru (bude popsán v dalším článku u antén) a
řešení symetrizace.
Nemyslím si, že jiné provedení zářiče, např. typu jednoduchý dipól
není vhodné. Uvědomme si však, že transformace impedance z 12.5 Ohmu
na 50 Ohmů není bezeztrátová. Pokud si situaci namalujeme do Smithova
diagramu, zjistíme, že kružnice Q takové transformace, má hodnotu
Q=0.76 (viz diagram vpravo) a tomu odpovídající ztráty, které jsou
dané jakostí použitého transformačního koaxiálu. |
 |
Plastové
krytky na elementech
Plastové krytky na koncích elementů jsem přestal používat.
Nikoliv proto, že by se mi nezadařilo zrealizovat malé antény, které
by přijímaly slabé signály EME, ale uvedu jednu zkušenost -
modifikovaná 15 prvková anténa (s krytkami na koncích prvků, popsal
jsem ji rovněž na tomto webu) mi dávala výsledky srovnatelné s anténou
11 prvkovou. Pokud se zajímáte o podrobnější rozbor, přečtěte článek
od Hartmut Klüver, DG7YBN: Influence of Plastic covering a UHF yagi
Element, publikováno v Dubus 4/2016, str. 78
|
Vliv
montáže napáječe
U dlouhých yagi nám může zásadním způsobem znehodnotit anténu
vodivý výložník. Není problém, vyrobit ho z dielektrického laminátu.
Nesmíme při tom však zapomenout na správné vedení koaxiálu. Ten musí
jít v poměrně velké vzdálenosti od ráhna v rovině kolmé na rovinu
prvků. Hodnota od 25 cm do půl metru nám zpravidla nebude stačit.
Znehodnocení diagramu lze při zvládnutí přesných modelů modelovat. Lze
také snadno měřit. U 19 prvkové antény je diagram znehodnocen takto
(napáječ se začíná vracet ke stožáru po půl metru svislé délky):

Jde o kruciální problém, který musíme
řešit. První vedlejší laloky (first sidelobes) jsou pošahané o 2 dB a
zadní laloky až o 6 dB. Proto, pozor na to!
Pozn.: Základní výhodou krátkých antén je skutečnost, že ráhno a
napáječ lze vyvést za rovinu reflektorů.
|
Sdružování antén
Dvojici antén s nominální impedancí 50 Ohmů sdružíme
poměrně snadno pomocí čtvrtvlnného sdružovače s charakteristickou
impedancí (wellen wiederstand, dříve vlnový odpor) 35 Ohmů. Viz
Smithův diagram vpravo.
Ztráty se nám pravděpodobně podaří krotit i v
případě, že vedení bude vyrobeno ze dvou paralelně zapojených
koaxiálních kabelů o char. impedanci 75 Ohmů. Používá to např. DK7ZB u
zářičů svých antén s nízkou impedancí. |
 |
Očekávaný
výsledek O reálný výsledek se s vámi budu
moci podělit až bude lepší počasí. Teď u nás mrzne a já už jsem starší
pán.
Zbývá mi ještě:
1. Vyrobit nové prototypy antén. Plastové držáky prvků (ok5im) mám u
veřejného dopravce, vše ostatní je připraveno. Zbývá provést jen
nepatrnou úpravu boom korekce podle popisu výše a změřit impedance a
diagramy.
2. Provést montáž antén na stožár, včetně rotátorů a napáječů, abych
mohl zkoušet "od krbu v hamovně".
Od praktických zkoušek očekávám, že si potvrdím
toto:

Slovní popis očekávání:
Dlouhá anténa (19 prvků) by měla mít
hlavní lalok téměř 2 x tak široký (pro pokles -3 dB), než soustava 2 x
11 antén. Podotýkám, že při stejném zisku. A to už bych měl být
schopen měřením zjistit. Je to dáno tím, že obě první sidelobes jsou u
soustavy mnohem hůře potlačeny, a to o nějakých 8 dB, možná i víc.
Rozdíl mezi dalšími sidelobes pravděpodobně nenajdu, snad s výjimkou
zadních laloků (F/B). Jenže, jak už jsem psal, nevýhodou dlouhé yagi
může být nemožnost montáže ve vertikální polarizaci kvůli mechanickým
vlastnostem. A já teď nedovedu posoudit, jak důležitá pro mě bude
alespoň částečná kompenzace Faradayovy rotace, kterou bych provedl
přepnutím polarizace anténní soustavy. Právě tato skutečnost pak může
být důvodem, že použiji soustavu antén doplněnou o vertikální systém.
Poznámka: Signály JT65 EME přijímám na malé antény teprve 3
rokem a sbírám vlastní zkušenosti. Jak jsem už možná uvedl, mým cílem
bylo vyvinout vlastní malou, ale použitelnou WSJT QRP stanici, včetně
vlastního výpočtu a návrhu antén. Výsledky z posledních experimentů mi
dávají sílu pokračovat. Přesto se nepovažuji být v popisované
problematice odborníkem. Profesionálně vyřešenou problematiku
optimalizovaných malých antén popsal např Joe Taylor, K1JT zde:
https://physics.princeton.edu/pulsar/k1jt/EME_2014_K1JT.pdf
Na internetu naleznete i další vynikající práce
mnoha hamů, kterým malé EME stanice učarovaly.
|
|