четверг, 12 января 2017 г.

Влияние угла излучения антенн коротких волн на дальность радиосвязи.


Введение
Часто встречаю рекомендации создавать антенны для дальних связей (DX) на коротких волнах (КВ) с очень низким углом излучения, а если же оператору не требуется дальность, предлагается делать антенны зенитного излучения, например Inv-V. [1]
Постараюсь уточнить понимание этих рекомендаций.
Для анализа использую диапазон 20 м.

Общие положения
Антенна излучает радиосигнал в пространство согласно своей диаграмме направленности (ДНА), часть энергии может достигать корреспондента без отражений (прямой волной) на небольшие расстояния (10…100 км). Другая часть излученной энергии может отражаться в ионосфере и вернуться на землю на достаточно большом расстоянии (1000…4000 км для одного отражения).
При излучении сигнала вертикально вверх ионосферные зондирующие станции определяют максимальную частоту, при которой ещё происходит отражение – так называемая критическая частота fкр . В дневное время fкр имеет значение около 7 МГц, в ночное время около 2 МГц. При более пологом падении волны на отражающий слой возможно отражение на более высокой, чем  fкр  частоте.

Определение основных геометрических соотношений.
Рис.1. Пояснение геометрических соотношений в распространении КВ

На Рис.1 показаны геометрические соотношения и распространение КВ: 

Красный луч – слишком большой угол излучения, волна не возвращается на землю;
Синие лучи – происходит отражение и уровень сигнала достаточен для приема;
Голубой луч – отражение есть, но уровень сигнала мал из-за большого пройденного расстояния волной.

Обозначим угол излучения антенны  ф = arctg (2*h/H), где H – длина хорды, кратчайшего расстояния между корреспондентами, h – высота отражающего слоя. 
Хорда окружности вычисляется как:
H = 2*R*sin (α/2);
Где средний радиус Земли R = 6371 км, а угол α вычисляется  как:
α   = L*360/ D;
где средний диаметр Земли D= 40075 км., а L – расстояние до корреспондента по поверхности земли (WW Loc).
В большинстве случаев,  можно пренебречь сферичностью земли и считать, что L = H. (Например для L=4000 км H=3930 км).
Также отмечу, что для известного угла ф можно рассчитать максимальную частоту отражения как
fмакс = fкр*√{(1 + 2h/R)/(sin2ф + 2h/R)} [2];

Рассмотрим углы излучения и усиление у антенн диапазона 20 м. 
Для моделирования в MMANA-GAL[3] возьмем следующие антенны:
Inv-V, высота подвеса 5 м, высота крайних точек 1.5 м;
LW, высота подвеса около 3 м; 
VP2E-(EF), концевое питание, высота подвеса 5 м, высота крайних точек 1.5 м. длина компенсаторного противовеса 1.5 м;
GP, высота около 5 м, 4 противовеса;
Yagi-2el (5m), двухэлементная Уда-Яги антенна, высота 5 м, расстояние вибратор-директор 3 м. 
Результаты моделирования приведены в таблице:

Таблица сравнения антенн.
Угол
Антенна

Inv-V, dBi
LW, dBi
VP2E-EF, dBi
GP, dBi
Yagi-2el (5m) , dBi
50 º
4.3
2.6
-5.5
-2.6
8.9
40 º
3.5
0.1
-4.2
-1
8.8
30 º
2
-2.8
-3.2
-0.2
8
20 º
-1
-5.9
-2.6
-0.3
5.8
10 º
-5.9
-9.7
-2.2
-2.6
0.7
5 º
-11.7
-13.9
-2.1
-6.4
-5
3 º
-16
-17.4
-2.1
-9.8
-9.3

Из практики работы с антенной Inv-V телефонией (выборка 22 QSO) и мощностью передатчика 5 Вт, при допущении, что высота отражающего слоя днем около 400 км [4,5]  приведу гистограмму, в которой по горизонтали рассчитаны углы излучения, а по вертикали количество проведенных QSO при этих углах.

Из практики работы с антенной LW в DIGI   (выборка 88 QSO) на 5 Вт, при допущении, что высота отражающего слоя днем около 400 км [4,5] приведу вторую гистограмму. 
По горизонтали рассчитаны углы излучения, по вертикали количество проведенных QSO при этих углах.
Из гистограмм следует, что основная доля QSO находится при углах от 15 до 40 градусов. 
При угле большем 40 градусов частота передатчика превышает МПЧ для данного угла  и волна не отражается. 
При угле меньше 15 градусов сказывается нехватка мощности и усиления антенны. 

Ниже приведены графики зависимости усиления (в dBi) от угла излучения (в градусах) для анализируемых антенн. 


С учетом практических наблюдений отмечу, что связи телефонией удавалось проводить при усилении антенны в заданном направлении не хуже -3 дБ, а в режиме DIGI при усилении антенны в заданном направлении  не хуже -8 дБ.
Построим теперь таблицы рабочих углов и дальности связи с учетом особенностей отражения в ионосфере и усиления антенн.

Для режима SSB (телефония):
Антенна
Рабочие углы, °
Расстояния, км
Inv-V
40…15
1000…3000
LW
40…30
1000…1400
VP2E-EF
30…3
Не менее 1400
GP
40…10
1000…4000
Yagi-2el
40…7
Не менее 1000
Для режима DIGI:
Антенна
Рабочие углы, °
Расстояния, км
Inv-V
40…8
Не менее 1000
LW
40…15
1000…3000
VP2E-EF
40…3
Не менее 1000
GP
40…4
Не менее 1000
Yagi-2el
40…4
Не менее 1000

Таким образом, можно отметить, что антенна Inv-V работает лучше других одноэлементных антенн в зоне углов не ниже 20 градусов, однако для связи при углах менее 20 градусов предпочтение следует отдать антенне VP2E. Антенна Уда-Яги приведена для примера того, что появление даже одного дополнительного элемента в конструкции значительно повышает усиление антенны, а её приподнятую диаграмму направленности (в данном примере) можно опустить ниже к горизонту, подняв антенну  с 5 до 10 метров над землей.

Данный анализ приведен для конкретных антенн, частоты и типов излучения.
Читатель может повторить анализ для своих антенн с учетом конкретных условий самостоятельно.

Литература:
[1] Игорь Лаврушов (UA6HJQ), Антенна-трансформер для экспедиций, http://www.mountain.ru/radio/library/2005/ua6hjq_2/index.shtml
[2]  Дымович Н. Д., Ионосфера и ее исследование, Массовая радиобиблиотека, Выпуск 513, Энергия, 1964 г.
[3] Описание базовой MMANA-GAL, http://gal-ana.de/basicmm/ru/
[4] Гончаренко И.В., Антенны КВ и УКВ часть 2, Основы и практика. М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2005 г.

[5] Э.Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.:Мир, 1990.

Статья перепечатана из CQ-QRP #53 (Зима 2016)

Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру
Лавриненков Игорь / R2AJA

Комментариев нет:

Отправить комментарий