Obsah článků          

    
 

Anténa malé stanice EME 70 cm před finálním rozhodnutím ...


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.

 


© 2017  Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 7.1.2017