Для работы с симметричной антенной типа Диполь или Inverted-V в нескольких радиолюбительских диапазонах необходимо подавать питание в такую антенну по настроенной симметричной линии, т.к. только это позволяет избежать больших потерь передачи энергии при повышенном КСВ. В данной статье привожу предварительный анализ проекта такой антенны для полевых, а возможно и полустационарных условий.
Начальные данные:
Предположим высоту подвеса Inverted-V 6 метров, высота краев 2 метра. Материал: Медь
Рассмотрим три длины плеча: 7.5, 10.2, 15.5. метров
Рассмотрим коротковолновые диапазоны: 80-10 метров
Угол для анализа усиления 10 градусов, H-поляризация приоритетная.
Анализ ДНА по MMANA-GAL (Mininec) / NEC2
Земля средняя ε = 13 σ = 5 мС/м (Зоммерфельда-Нортона в NEC2)
Анализ потерь и приведенного импеданса выполняю по Transmission Line GAL-ANA
Анализ потерь в тюнере выполняю по LC-match GAL-ANA (QL=200, QC=500)
Задачи анализа:
Определить импедансы антенны и после трансформации линией;
Определить усиление под углом 10°;
Определить потери в линии Tub 300 Ом длиной 6,8,10 метров.
(Линия наиболее приближенная к телефонной "Лапше" ТРП/ТРВ 0.4х2) *
Описание файла модели в текстовом виде для Inverted-V c длиной каждого плеча по 7.5 метров.
Inverted-V 7.5
*
14.15
***Wires***
3
0.0, 0.01, 6.0, 0.0, -0.01, 6.0, 8.000e-04, -1
0.0, 0.01, 6.0, 0.0, 6.4, 2.0, 8.000e-04, -1
0.0, -0.01, 6.0, 0.0, -6.4, 2.0, 8.000e-04, -1
***Source***
1, 0
w1c, 0.0, 1.0
***Load***
0, 1
***Segmentation***
800, 80, 2.0, 2
***G/H/M/R/AzEl/X***
2, 0.0, 1, 300.0, 120, 60, 0.0
Сразу отмечаем материал "медь", подключаемое волновое сопротивление 300 Ом.
Для получения необходимых значений моделирования:
1. Открываем модель в MMANA-GAL;
2. Вычисляем усиление, импеданс антенны;
3. Вычисляем приведенный импеданс антенны линией к тюнеру, потери в линии, КПД линии в Transmission Line/GAL-ANA;
4. Оцениваем потери в LC тюнере в LC match/GAL-ANA;
5. Вычисляем полные потери линии и тюнера в Transmission Line/GAL-ANA;
6. Вычисляем суммарный Ку для заданной поляризации и угла излучения.
7. Повторяем вычисления с пункта 2, используя NEC-2 for MMANA.
Результаты вычислений для антенны Inverted-V 7.5 метра, с линиями длиной 6,8,10 метров для MININEC/NEC-2 представлены в таблице:
Описание столбцов таблицы:
"Длина Линии, м";
F, МГц - частота моделирования;
R - активное входное сопротивление антенны;
jX - реактивное входное сопротивление антенны;
КСВ300 - КСВ при подключении антенны к линии с R волновое, 300 Ом;
Ga(10)H,дБ - Усиление антенны под зенитным углом 10 градусов в горизонтальной поляризации;
Ga(10)V,дБ - Усиление антенны под зенитным углом 10 градусов в вертикальной поляризации;
R - активное сопротивление приведенное к тюнеру, после трансформации линией;
jX - реактивное сопротивление приведенное к тюнеру, после трансформации линией;
КСВ50 - КСВ при непосредственном подключении линии к R волновому 50 Ом;
"КПД тюнера" - оценка КПД тюнера при холостых добротностях QL=200 и QC=500;
"Потери тюнера, дБ" - оценка потерь тюнера;
"Потери линии, дБ" - оценка потерь в линии;
"Потери Линия+ Тюнер, дБ" - оценка суммарных потерь;
"КПД линии (Efficiency)" - оценка КПД линии;
КПД общий - оценка общего КПД;
Ку(H) - коэффициент усиления для зенитного угла 10° с учетом потерь в линии и тюнере, горизонтальная поляризация;
Ку(V) - коэффициент усиления для зенитного угла 10° с учетом потерь в линии и тюнере, вертикальная поляризация;
Общий КПД отмечен
Зелёным - КПД более 75%
Оранжевым - КПД от 50% до 75%
Красным - КПД менее 50%
Выводы по таблице:
Усиление на 80М и 40М, завышено в MMANA
Активное сопротивление на 80М и 40М, занижено в MMANA
По диапазонам 30М-10М NEC2 дает усиление больше на 1-2 дБ чем MININEC, импедансы подобны.
Длина 7.5 метра - это четверть волны на 30М диапазон, и КПД получился наилучший - около 92%!
Даже если условия согласования улучшаются, и КПД тюнера растет, с ростом длины линии потери в линии увеличиваются быстрее и общий КПД падает.
В большинстве случаев выгоднее ставить более короткую линию, но исключения возможны.
Данный вариант не будет работать в диапазоне 80М, и будет плохо работать в диапазоне 40М при любой длине линии. Во всех остальных случаях общий КПД достигает не менее 75%.
Дальнейший расчет вариантов можно продолжить только с данными из NEC-2, чтобы захватить диапазоны 80М и 40М для не большой высоты подвеса диполя и избежать большого объема вычислений.
Описание файла модели в текстовом виде для Inverted-V c длиной каждого плеча по 10.2 метра.
Inverted-V 10.2
*
14.15
***Wires***
3
0.0, 0.01, 6.0, 0.0, -0.01, 6.0, 8.000e-04, -1
0.0, 0.01, 6.0, 0.0, 9.4, 2.0, 8.000e-04, -1
0.0, -0.01, 6.0, 0.0, -9.4, 2.0, 8.000e-04, -1
***Source***
1, 0
w1c, 0.0, 1.0
***Load***
0, 1
***Segmentation***
800, 80, 2.0, 2
***G/H/M/R/AzEl/X***
2, 0.0, 1, 300.0, 120, 60, 0.0
Результаты вычислений для антенны Inverted-V 10.2 метра, с линиями длиной 6,8,10 метров для NEC-2 представлены в таблице:
Выводы по таблице:
В большинстве случаев выгоднее ставить более короткую линию, но исключения возможны.
Данный вариант будет плохо работать в диапазоне 80М. Во всех остальных случаях общий КПД достигает не менее 75%.
Описание файла модели в текстовом виде для Inverted-V c длиной каждого плеча по 15.5 метров.
Inverted-V 15.5
*
14.15
***Wires***
3
0.0, 0.01, 6.0, 0.0, -0.01, 6.0, 8.000e-04, -1
0.0, 0.01, 6.0, 0.0, 15.0, 2.0, 8.000e-04, -1
0.0, -0.01, 6.0, 0.0, -15.0, 2.0, 8.000e-04, -1
***Source***
1, 0
w1c, 0.0, 1.0
***Load***
0, 1
***Segmentation***
800, 80, 2.0, 2
***G/H/M/R/AzEl/X***
2, 0.0, 1, 300.0, 120, 60, 0.0
Результаты вычислений для антенны Inverted-V 15.5 метра, с линиями длиной 6,8,10 метров для NEC-2 представлены в таблице:
Выводы по таблице:
В большинстве случаев выгоднее ставить более короткую линию, но исключения возможны. Можно считать, что данная антенна может работать хорошо на диапазонах от 80М до 10М.
Красным цветам помечены импедансы, которые сложно согласовать из-за реализации тюнера (слишком большие или маленькие ёмкости, пары ёмкость-ёмкость, индуктивность-индуктивность). Желтым - реализация возможна 1 уникальным вариантом LC (второй сложно реализуется из-за номиналов элементов), детально не отмечал, их здесь больше, чем отмечено.
Теперь из полученных таблиц можно составить сравнительные, результирующие таблицы дял оценки вариантов.
Интегральная оценка Ку для ДНА под углом 10 градусов + потери в тюнере и линии 300 Ом по двум поляризациям.
Выводы по таблице:
Таблицы показывают оценку усиления под заданным углом с учётом всех потерь.
Из этой таблицы получим сравнительные таблицы относительных оценок для разных длин плеч диполя (Inverted-V), разных длин линий, разных поляризаций.
Таблица показывает приоритет короткой линии над длинной в дБ. Исключения отмечены оранжевым цветом.
D=L6-L8 - выигрыш линии длиной 6 метров, над линией длиной 8 метров;
D=L6-L10 - выигрыш линии длиной 6 метров, над линией длиной 10 метров;
D=L8-L10 - выигрыш линии длиной 8 метров, над линией длиной 10 метров;
Выводы по таблице:
В большинстве случаев линия 6 метров имеет приоритет над линией 8 метров, и сильное преимущество над линией 10 метров, в некоторых случаях более +1 дБ. Линия 8 метров имеет приоритет над линей 10 метров.
В данном случае таблицы по разным поляризациям одинаковы, т.к. оцениваются потери в линии и тюнере, без оценки ДНА.
Оценка Ку от длины плеча диполя для трех вариантов линий в двух поляризациях. Исключения отмечены оранжевым цветом.
Выводы по таблице:
В большинстве случаев антенна с большей длиной плеча показывает большее усиление.
Оценка приоритетной поляризации. Положительное значение - показывает приоритет Н над V в дБ.
Выводы по таблице:
Горизонтальная поляризация приоритетная для 40-10 метров. Чем короче антенна, и ниже частота, тем больше составляющая вертикальной поляризации.
Общий вывод по анализу проектирования:
1. Короткая линия в большинстве случаев приоритетнее длинной. В показанных вариантах от 6 до 10 метров выигрыш может достигать более 1 дБ при сложном согласовании (малые R, большие jX), но в большинстве случаев Z выигрыш не превышает 0.5 дБ, что позволяет использовать каждый представленный в сравнении вариант.
2. Длинное плечо антенны приоритетнее короткого в большинстве случаев. Так если требуется уверенная работа на диапазоне 80М, следует выбрать вариант 15.5 метра. Такой размер плеча антенны позволяет работать на диапазонах от 80 до 10 метров. Если 80М не требуется, но нужен 40М, можно использовать плечи по 10.2 метра. В данном варианте имеется некоторое ухудшение Ку для диапазона 20М, из-за большого импеданса антенны в этом диапазоне (в сравнении с вариантами 7.5 и 15.5 метров). Если предполагается работа на ВЧ, и редкие заходы на 40М, допустимо использовать антенну с длиной плеча 7.5 метра, она обеспечит уверенную работу на диапазонах от 30М и выше и некоторую возможность проведения связей на 40М, для 80М она не подойдет.
3. Следует представлять размеры этих антенн! Например на сильно заросшей лесной поляне достаточно сложно повесить диполь с плечом более 7.5 метров, провод многократно цепляется об ветки. Это из опыта использования диполей на 20М и 40М, иногда, 40М разворачивать не хочется по той же причине. Если использовать удочку, длинный диполь может оказаться еще и тяжелым и серьезно искривлять её.
4. Размеры линий и антенн могут быть изменены в широких пределах, т.к. настройка выполняется с помощью согласующего устройства.
Для более точного результата необходимо измерить коэффициент затухания α для каждой желаемой частоты у двухпроводной линии, которая может отличаться от 300-омной и дальнейшие вычисления КПД линии выполнять по формуле
nl = 1 / [1 + 0.115*(ai+ad)*(КСВ+1/КСВ)], где
ai = 0.723*L*sqrt(f) / (d * Zв) - теоретическая оценка омических потерь в дБ, частота в МГц, d в мм, L в м.
Оценкой потерь в диэлектрике ad = 0.0091*f*L*sqrt(ε)*tg_d (дБ) можно пренебречь.
* В данном анализе не учитываются потери в БалУне между симметричной линией и тюнером.
Линии типа ТРП/ТРВ одножильные и хрупкие, важно иметь механизм оперативной оценки повреждения проводника в такой линии + линию под замену.
Дополнительные материалы:
Материал подготовил: Лавриненков Игорь / R2AJA
Для связи с автором есть почта: R2AJA at MAIL RU
