вторник, 15 января 2019 г.

Сравнение ферритовой антенны с четвертьволновым лучом на 40М

Узнаем возможности приемной ферритовой антенны на КВ. Основа антенны – стержень из приемника типа VEF. Предположительно, 600НН, его длина 20 см, диаметр 1 см. Катушки использую, те, что есть под рукой. Приемник Yaesu-FT817, предусилитель  IPO включен, т.к.  уровень приема ниже, чем с другими антеннами.  Начнем с диапазона 40 метров. Катушка – около 20 витков тончайшим проводом примерно 0.1 мм. Катушка связи – 3 витка проводом 1 мм. Расстояние между катушками около 1 см. Катушки смещены к краю стержня по рекомендации из книги [1]. Настройка проводится переменной емкостью по максимуму шумов. Получаем максимум около минимальной емкости < 5 пФ.
Примеры размещения катушек на стержне и ориентации стержня:
Феррит нормалью на Запад, катушки с краю
 Феррит вертикально, катушки с краю
Феррит нормалью на Север, катушки по центру
Феррит нормалью на Север, катушки разнесены
Феррит нормалью на Север, катушка 13-витков, 1 мм медный провод

Сразу привожу таблицу WSPR cпотов. В основном приходит  станция прямой волны UA3DJR, расположенная к северу от меня.
Положение
Споты
Среднее, дБ
Феррит нормалью к западу, катушки рядом, смещены к краю, емкость  С не более 5 пФ.
190110 1620   6 -26 -0.2   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1626   6 -26 -0.5   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1630   5 -28 -0.3   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1700   5 -26 -0.4   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-26
LW + G (40М)
190110 1706   7 -26 -0.3   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1714   7 -24 -0.8   7.040053  UA3DJR KO85 33          0     2    0
190110 1718   9 -23 -0.7   7.040053  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-24
Феррит вертикально.
190110 1722   3 -27 -0.8   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     3    0
190110 1726   9 -23 -0.3   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1734   7 -26 -0.3   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-26
Феррит нормалью на север.
190110 1742   5 -26 -0.4   7.040053  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1746   5 -27 -0.8   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1750   5 -26 -0.6   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-26
Феррит нормалью на север, катушки сдвинуты на середину стержня.
190110 1754   5 -27 -0.5   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1758   6 -25 -0.4   7.040052  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1808  12 -20 -0.5   7.040053  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1808   8 -24 -2.0   7.040184  US2IW KN88 37           0     1    0
190110 1814  12 -21 -0.6   7.040053  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-25
Феррит нормалью на север, катушки раздвинуты от центра к краям. Отступ от краев около 3 см.
190110 1820  11 -19 -0.4   7.040054  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1824  12 -20 -0.5   7.040053  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-20*
LW + G (40М)
190110 1834  12 -21 -0.3   7.040055  UA3DJR KO85 33          0     1    0
190110 1844  12 -19 -0.5   7.040057  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-20*
Феррит нормалью на север, катушка контура заменена на 13-витковую толщина провода 1 мм.
190110 1856  14 -19 -0.6   7.040056  UA3DJR KO85 33          0     1    0
-20*
* Здесь заметно увеличение уровня сигнала, но это не связано с антенной, а связано с изменением помеховой обстановки в точке измерений. В конечном итоге данное явление – нежелательный фактор такого рода опытов.  В заметках стараюсь всегда его учитывать. Сравнивать данные допустимо только при одинаковой помеховой обстановке.

По полученным данным,  не отмечено влияния  расположения катушек на отношение сигнал/шум. При дальнейших тестах это оказалось не так(!)
Замена катушки 20 витков на катушку 13 витков, не принесло разницы в соотношении сигнал/шум.

В лучшем случае четвертьволновый луч (LW) создает отношение сигнал/шум больше всего на 2 дБ! По-моему, это совсем не плохо для антенны такого размера и на диапазоне, в котором превышен рабочий предел по частоте феррита! Данное число получено при анализе всего одной станции WSPR и необходимо дополнительное сравнение с другими станциями.

Напомню, что антенна MagneticLoop диаметром 0.9 метра выигрывала у LW до 4 дБ (в лучших случаях)!
Видно, что подключение заземления немного ухудшает отношение сигнал/шум.  А антенна на феррите в этом случаем даже обыгрывает LW на 1 дБ.
При манипуляциях с ориентацией антенны, меняется количество собираемых шумов, а не сам сигнал.
При повторном эксперименте на другой день местные шумы стабилизировались и при приеме WSPR,   SNR при ориентации на запад, составляет -22 дБ, на север – 28 дБ, а вертикальное положение дало -27 дБ (по станции UA3DJR)
Пример изменения SNR от ориентации стержня Нормалью на Запад/ на Север

Теперь я вынесу антенну на удочке примерно 2 метра от окна.  Для этого я прикрепил компактный подстроечный конденсатор 5/20 пФ прямо на стержень. Может работать на диапазонах 40М/80М.
Ориентация – нормалью на север. Соотношение SNR плавно улучшается с -28 до -24 дБ! То есть количество собранных шумов уменьшилось на 4 дБ в диапазоне 40 метров.

При работе с ферритовой антенной важно помнить, что добротность контура должна сохраняться большой. Поэтому бесполезно ставить маловитковые катушки для НЧ диапазонов. Обратная ситуация – многовитковые на ВЧ диапазонах поставить-то можно, но потребуются очень маленькие емкости – единицы пФ, которые сопоставимы с ёмкостью проводов. И настройка такой антенны превратиться в очень сложное занятие.

Попробуем рассчитать действующую магнитную проницаемость испытуемого стержня. Для макетирования используем несколько катушек и емкостей.
КПЕ имеют перестройку 30-900 пФ, 5-150 пФ, 6-80 пФ
Рассмотрим стержень с катушкой: 5 витков, проводом 1 мм, длина намотки 7.8 мм. Катушка связи: 1 виток. Найдем значения емкости при резонансе, рассчитаем индуктивность катушки и магнитную проницаемость сердечника.
F
28 Мгц
24.9 МГц
21 МГц
18 МГц
14 МГц
10 МГц
7 МГц
3.5 МГц
1.8 МГц
C, пФ
10,00
10,00
18,00
26,00
29,00
60,00
125,00
460,00
1536,00
L, мкГн
3,23
4,09
3,19
3,01
4,46
4,23
4,14
4,50
5,10
μд
10,23
12,94
10,11
9,52
14,12
13,37
13,10
14,24
16,12
ρ, Ом
568,70
639,50
565,18
548,63
667,90
650,08
643,41
670,80
713,79
ρ = sqrt (L/C) – характеристическое сопротивление контура, пропорционально добротности контура.

В таблице ниже пример для частоты 10 МГц, показано, как изменится индуктивность, если удалить феррит.
F
10,00 МГц, воздух
C, пФ
350,00
L, мкГн
0,72
μд
2,29
ρ, Ом
269,16
Полученная величина μд = 2.29, говорит о не точных начальных расчетных данных катушки (кол-во витков, шаг, толщина изоляции).

Рассмотрим теперь стержень с катушкой: 13 витков, проводом 1 мм, длина намотки 20 мм. Катушка связи: 1 виток. Найдем значения емкости при резонансе, рассчитаем индуктивность катушки и магнитную проницаемость сердечника.
F
28 Мгц
24.9 МГц
21 МГц
18 МГц
14 МГц
10 МГц
7 МГц
3.5 МГц
1.8 МГц
C, пФ
<<2
<2
5
6
9
24
48
196
848
L, мкГн
21,56
27,26
11,50
13,04
14,37
10,56
10,78
10,56
9,23
μд
25,88
32,72
13,80
15,66
17,25
12,68
12,94
12,68
11,08
ρ, Ом
1468,37
1651,18
1072,35
1142,07
1198,92
1027,86
1038,30
1027,65
960,66
ρ = sqrt (L/C) – характеристическое сопротивление контура, пропорционально добротности контура.
F
10,00 МГц, воздух
7,00 МГц, воздух
C, пФ
293
400
L, мкГн
0,87
1,29
μд
1,04
1,55
ρ, Ом
294,18
359,68
Практически определенные и рассчитанные величины μд  воздуха близки к единице.

Рассмотрим теперь стержень с катушкой: 20 витков, проводом 0.15 мм, расстояния межвитковые 0.17 мм. Катушка связи: 1 виток. Длина намотки около 4 мм. Активное сопротивление контурной катушки около 1.5 Ома. Найдем значения емкости при резонансе, рассчитаем индуктивность катушки и магнитную проницаемость сердечника.

Первый вариант – катушки с краю стержня
F
7 МГц
3.5 МГц
1.8 МГц
C, пФ
<3
18
95
L, мкГн
172,49
114,99
82,38
μд
17,49
11,66
8,36
ρ, Ом
4153,19
3391,06
2870,16
Q
2768,793
2260,71
1913,44
Q – оценка добротности контура.
Второй вариант – катушки по центру. При размещении контурной катушки по центру феррита, требуются более маленькие емкости при той же частоте, следовательно индуктивность увеличивается, магнитная проницаемость увеличивается.
F
7 МГц
3.5 МГц
1.8 МГц
C, пФ
<<2
7
50
L, мкГн
258,73
295,70
156,52
μд
26,24
29,99
15,87
ρ, Ом
5086,60
5437,80
3956,24
Q
3391,065
3625,201
2637,495
Q – оценка добротности контура.
Третий  вариант – катушки в воздухе.
F
7 МГц
3.5 МГц
1.8 МГц
C, пФ
53
197
750
L, мкГн
9,76
10,51
10,43
μд
0,99
1,07
1,06
ρ, Ом
988,11
1025,04
1021,50
Q
658,738615
683,3575
680,9982
Получаем μд для воздуха в районе «1». А вот различия в посчитанной индуктивности связаны с погрешностью измеренной емкости.
Для расчета магнитной проницаемости, использовалась формула:
Где
L = индуктивность в генри
μ 0 = проницаемость свободного пространства = 4π x 10 -7 Гн / м
μ г = относительная проницаемость материала сердечника
N = число витков
A = Площадь поперечного сечения катушки в квадратных метрах (м 2 )
l = длина катушки в метрах (м)

В данном рассчете мы находим практическую или действующую магнитную проницаемость, которая зависит от соотношений размеров lи d стержня, его состава, расположения катушек. 
Начальная магнитная проницаемость снижается, за пределами критической частоты. В нашем случае она составляет для феррита 600НН менее 2 МГц[1].
Практическая проверка показала нелинейный рост действующей магнитной проницаемости с ростом частоты.

Проверил катушки связи 1 виток и 3 витка при работе с 20-витковой контурной  катушкой разницу не ощутил (диапазоны 160М, 80М, 40М, 20М). На 17М – громче 1 виток, 15М – 1 виток, на 12М – 3 витка, 10М, 3 витка связи.  Расположение катушки связи ближе к контурной немного усиливает прием сигнала.

Далее,  проверка по маячку в ближней зоне. LW/FERRO на  прием и оценка SNR по CwSkimmer. Все значения в дБ. На феррите контурная катушка из 5 витков, катушка связи – 1 виток.
                                            Феррит нормалью на Запад, катушки с краю
Феррит вертикально
Для диапазонов от 20 и выше, заземление для СУ антенны-луча не подключается, высокоомная антенна, меньше собирает шумов от рамы-земли. 

Посмотрим теперь на споты WSPR в диапазоне 20М.
Цветом пометил одинаковые станции.
Положение
Споты
LW
190112 0716  11 -21 -0.4  14.097093  DL6NL JO50 17           0     1    0
190112 0720  11 -17  0.9  14.097094  DJ3VI  JO43 37           0     3    0
190112 0720   9 -23 -0.9  14.097170  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 0722   4 -27 -1.6  14.097130  G0CCL JO02 37           0  8046   -7
Феррит нормалью на север.
190112 0736   8 -23 -0.7  14.097094  DL6NL JO50 17           0     1    0
190112 0738   5 -25 -1.1  14.097115  OZ2JBR JO65 37          0    82    0
190112 0738  20 -11 -0.5  14.097196  OZ5ACI JO66 37          0     1    0
190112 0740   3 -27 -0.5  14.097093  DL6NL JO50 17           0  1607    0
190112 0742   7 -24 -1.5  14.097088  DL8ULF JO61 27          0     1    0
190112 0744   5 -24  0.9  14.097096  DJ3VI JO43 37           0  3254    0
190112 0744   3 -27 -1.1  14.097133  G0CCL JO02 37           0  4233    0

190112 0852   7 -23  0.7  14.097099  DJ3VI JO43 37           0     1    0
190112 0906  22 -10 -0.7  14.097107  OE1XA JN88 40           0     1    0
190112 0906   6 -27 -1.4  14.097170  EA2KV IN91 30           0  3848   19
190112 0920   4 -27  0.3  14.097099  DJ3VI  JO43 37           0  8005    2
LW
190112 0922  17 -13 -1.0  14.097128  G0CCL JO02 37           0     1    0
190112 0924   8 -22 -0.8  14.097091  DL6NL JO50 17           0     1    0
190112 0924  11 -20 -1.1  14.097107  G4MRK IO94 37          -1     1    0
190112 0924  21 -12 -1.6  14.097182  G0CCL JO02 37           0     1    0
190112 0926   8 -22 -1.5  14.097012  DG3BEQ JO43 37          0     1    0
190112 0926   5 -25 -0.5  14.097032  DK8JP JO31 33          -1     1    0
190112 0926   4 -29 -1.7  14.097104  DG4NAA JN59 27          1     6    0
190112 0926  20 -11 -1.6  14.097173  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 0926  15 -17 -1.6  14.097182  G0CCL JO02 37           0     1    0
Феррит нормалью на запад.
190112 0932   6 -26  0.8  14.097099  DJ3VI JO43 37           0     1    0
190112 0932   7 -24 -1.0  14.097173  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
Феррит вертикально.
190112 0938   4 -27 -1.1  14.097180  S56IPS JN75 37         -1    21    0
190112 0944   2 -28 -1.1  14.097126  G0CCL JO02 37           0  4744   -1
190112 0944   7 -23 -1.1  14.097172  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 0946  11 -21 -1.1  14.097188  LA3JJ JO59 37           0     1    0
190112 0948   5 -25 -1.0  14.097107  G4MRK IO94 37          -1     1    0
190112 0950   4 -27 -1.1  14.097170  PA3BTI JO22 43         -2  7042    4
190112 0952   4 -25 -1.6  14.097126  G0CCL JO02 37           0     5    0
190112 0952  20 -13 -1.6  14.097187  LA3JJ JO59 37           0     1    0
190112 0954   5 -25 -1.1  14.097126  G0CCL JO02 37           0     2    0
LW
190112 0956  12 -21 -0.3  14.097097  DL6NL JO50 17           0     1    0
190112 0956   6 -23 -1.1  14.097140  DD0PD JO30 23           0     5    0
190112 0956  15 -15 -1.1  14.097170  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 0956   7 -25 -1.1  14.097180  G0CCL JO02 37           0    52    0
190112 0958  10 -21 -1.7  14.097180  G0CCL JO02 37          -1     2    0
190112 1000   6 -27 -0.8  14.097098  DL6NL JO50 17           0    10    0
190112 1000   7 -24 -1.6  14.097126  G0CCL JO02 37           0     4    0
190112 1000  13 -19 -1.3  14.097137  OZ1BZS JO46 37         -1     1    0
190112 1002  14 -17  0.2  14.097099  DJ3VI  JO43 37           0     1    0
190112 1002  12 -20 -1.7  14.097126  G0CCL JO02 37           0     1    0
190112 1002  14 -17 -1.7  14.097170  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 1004  18 -14 -1.1  14.097187  LA3JJ JO59 37           0     1    0
Феррит нормалью на запад.
190112 1140   5 -25 -1.2  14.097186  LA3JJ JO59 37           0    39    0
190112 1146   4 -27 -1.0  14.097186  LA3JJ JO59 37           0     2    0
LW
190112 1150   6 -25 -1.9  14.097103  PD0HF JO22 37           0     1    0
190112 1150   4 -28 -1.4  14.097134  OZ1BZS JO46 37         -1   172    0
190112 1150  19 -14 -1.6  14.097163  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 1150   5 -25 -1.6  14.097176  G0CCL JO02 37           0     1    0
190112 1156  16 -16  0.0  14.097097  DJ3VI JO43 37           0     1    0
190112 1156  15 -17 -1.7  14.097162  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 1158   5 -26 -1.7  14.097145  DD1IR JO43 37           0     1    0
190112 1158   5 -26 -1.9  14.097176  G0CCL JO02 37           0  6567    0
190112 1200   4 -29 -0.2  14.097100  DL6NL JO50 17           0  3101   -2
190112 1200   5 -27 -0.8  14.097134  OZ1BZS JO46 37         -1   336    0
Феррит нормалью на запад.
190112 1202   3 -28 -1.7  14.097122  G0CCL JO02 37           0  9215   -1
190112 1202   8 -23 -1.7  14.097162  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
190112 1204   3 -26 -0.5  14.097105  G4MRK IO94 37          -1  7484    3
190112 1204   4 -26 -1.1  14.097128  DJ7AO JO53 23           0     2    0
190112 1204   3 -27 -0.9  14.097175  G0CCL JO02 37           0     7    0
190112 1206  24  -8  0.7  14.097097  DJ3VI JO43 37           0     1    0
190112 1206   5 -26 -1.1  14.097125  DF3EY JO31 30          -1     2    0
190112 1206   7 -25 -1.1  14.097176  G0CCL JO02 37           0     1    0
190112 1208  11 -18 -1.1  14.097101  ON7KB JO21 37           0     7    0
190112 1208  10 -21 -1.2  14.097123  G0CCL JO02 37           0     1    0
190112 1208  10 -22 -1.2  14.097145  DD1IR JO43 37           0     1    0
190112 1208  20 -11 -1.2  14.097162  PA3BTI JO22 43         -1     1    0
Для чистоты эксперимента необходимо не просто переключать антенны, но и отключать от СУ «луч» и «землю», т.к. через переключатель часть сигнала может просачиваться к приемнику.
Приоритет LW в большинстве случаев около 10 дБ на диапазоне 20М!
 Прием WSPR на ферритовую антенну и Long Wire (LW)
 Прием WSPR на ферритовую антенну и Long Wire (LW)
Прием CW на Long Wire (LW) и ферритовую антенну
Диапазон 40 метров.
Повторим опыт измерения отношения сигнал/шум для диапазона 40М. Теперь рассмотрим влияние «земли» и «луча», дающих наводки на антенный переключатель. Ориентация феррита на Запад, это обеспечивает минимальное количество принимаемых местных шумов. Начнем измерения с LW и посмотрим дополнительно сигнал с Magnetic Loop (ML).

Антенна
с/ш, дБ
усредненное с/ш, дБ
LW
-20
-20
-14
-18
ML
-16
-14
-15
-15
Ferrit
-24
-24
-26
-25
Ferrit+G
-21
-21
-21
Ferrit+G+Wire
-24
-22
-22
-23
Ferrit+ Wire
-25
-25
-25
-25
Ferrit на Север
-24
-25
-26
-25


Наводки  сигнала от «земли» подтверждены данным тестом. Все споты получены от UA3DJR, который вещает к северу от меня. Это направление является приоритетным для LW, но не для ML и F, которые нормалями направлены на Запад. 
Поворот ферритовой антенны на север не привел к выигрышу SNR, т.к. данное направление совпадает с максимумом шумов.
Итог: ML выигрывает у LW 3 дБ, а LW выигрывает у антенны на феррите 7 дБ (диапазон 40М). Думаю, эти данные вполне реалистичны.
Далее контест нам в помощь! Посмотрим на прием CW.
Скриншот разницы LW / Ferrite.  Визуально на 10 дБ разница!
А здесь прием на Magnetic Loop и Long Wire. Заметно, что и шумов с wire больше, но все-таки приведенные сигналы лучше принимаются на четвертьволновый LW!
Оценка по собранным спотам (ML/LW). От 4 до 12 дБ в пользу LW!
Здесь показан приоритет LW над ML. Хотя во многих моих предыдущих тестах рамка обыгрывала wire! Связываю это все таки с диаграммами, т.к. рамка преимущественно ловит Запад, а «Луч» направления - С,СВ,Ю,ЮВ,ЮЗ. 

Диапазон 80 метров.
На диапазоне 80М получить споты на ферритовую антенну не удалось, даже выдвигая антенну на 2 метра от здания. Уровень шумов почти не изменяется, в отличие от диапазона 40М! На 80М есть около 3 действующих станций находящихся не далее 500 км, но принять не получается. Возможно, стоит повторить опыт с выносом антенны, снабдив коаксиал ферритовыми защелками.

Диапазон 160 метров.
На диапазоне 160М, нет действующих WSPRстанций ближе 1500 км! Однако спот за ночь получен: «2334 -28  0.3   1.838101  0 SM6OPM JO68 47» станция работала всего пару минут, но мощностью 50 Вт и её фиксировали от Европы до Антарктиды! 

Рекомендации при работе на КВ с ферритовыми антеннами:
1) Использовать от 10 до 30 витков провода на сердечнике с диаметром 1 см. Необходимо получить резонанс на рабочей частоте с имеющейся переменной емкостью. Расчет количества витков катушки можно выполнять по методике из книги [1]. 
2) Искать феррит с минимальным числом, магнитной проницаемостью, 600НН>400НН>150НН, что должно снижать потери в феррите на ВЧ.
3) Соотношение витков катушки связи к контурной катушке на КВ примерно 1 к 10. На СВ 1 к 25, на ДВ 1 к 40.
4) На КВ размещать катушки ближе к краю феррита. [1] Из практики эту рекомендацию подтвердить не могу.

Принимать сигналы на ферритовую антенну в диапазоне коротких волн возможно. Усиление такой антенны на порядок меньше полноразмерной антенны, зато и размер меньше раз в пятьдесят! (справедливо для диапазонов 20/40 метров).

Литература.
[1] В.А. Васильев, Антенны портативных приемников, массовая радиобиблиотека, выпуск 820, изд. «Энергия», Москва, 1973
[2] ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. Свойства катушек индуктивности http://bourabai.ru/toe/coils.htm
[3] Он-лайн калькулятор для рассчета катушки на ферритовом стержне:http://coil32.ru/calc/ferrite-rod.htm

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

Комментариев нет:

Отправить комментарий