Итак, первый вариант антенны, изготовленный без учета коэффициента укорочения (Ку=1) показал резонанс на 13 МГц. Последующий расчет Ку как 0.92 оказался не правильным, и измененная антенна показала минимум КСВ на частоте 14.7 МГц. Подробный анализ ошибки выявил некоторые особенности, не заметные на первый взгляд.
Посмотрим на графики Z,SWR,F/B,GA,ДНА для антенны размещенной на высоте 3,4,5 М:
Импеданс:
КСВ:
F/B + Ga:
ДНА:
На картинках сверху 3М, снизу 5М высота подвеса.
Согласно модели, на высоте подвеса менее 4 метров, график Z имеет сложную зависимость, а на графике КСВ появляется еще один минимум , ниже по частоте примерно на 500-700 кГц!
Он даже заметен на 1 графике КСВ, полученным с AA-340UP на этой антенне:
И совсем слабо заметен при втором выезде (после укорочения):
На дальнейших измерениях, используемая точность шага в 100 кГц оказалась совершенно недостаточной, для выявления второго минимума КСВ. В итоге, данная "нижняя" частота была ошибочно принята в расчете Ку за основную. Таким образом, правильно было использовать значение частоты "верхней", или 13.6 МГц, вместо "нижней" 13 МГц. Дополнительно отмечу, в случае двух минимумов КСВ на графике, "верхний" - "правильный" сопровождается сменой знака jX.
Теперь у меня есть две точки для графического решения уравнения.
Ку=1, Fр=13.6 МГц
Ку=0.92, Fр=14.7 МГц
Решение для линейной аппроксимации функции
F(Ку)=-13.75*Ку+27.35
И ее график:
Здесь хорошо видно, что искомый Ку, соответствующий частоте 14.15 МГц лежит около значения 0.965.
Теперь легко пересчитать длины плеч антенны.
Было:
Вибратор10.64 М
Директор 10.07 М
Стало после ошибочного укорочения:
Вибратор9.7888 М
Директор9.2644 М
При Ку=0.965
Вибратор10.2676 М (добавить 0.4788 М)
Директор9.71755 М (добавить 0.45315 М)
Выводы:
1) Тщательно анализировать теоретическую модель и полученные графики;
2) Выполнять натурные измерения с шагом 10 КГц (использовать автоматизацию измерений);
Рассматривается модель антенны проволочная Uda-Yagi (Волновой канал) 2 элемента по схеме W+D. Расстояние между элементами 0.1 λ. Модель оптимизирована по КСВ.
Внешний вид модели:
Размеры модели для MMANA-GAL:
Директор10.07 метра
Вибратор10.64 метра
Траверса2 метра
Основные параметры на центральной частоте:
Частота14.15
КСВ1.02
R49.51 Ом
jX-0.9 Ом
Ку1 (коэффициент укорочения принят за 1)
Высота средней точки антенны, 3 метра
Теоретические графики, по модели MMANA-GAL (MININEC):
Внешний вид набора антенны:
Внешний вид симметрирующего трансформатора:
Крепежи выполняются леской, проволочными скрутками, рыболовными поводками (для директора).
Комплект антенны:
1.Штанга верхняя складная с резинкой и центральным крепежом;
2.Штанга нижняя складная рассыпная;
3.Директор из двух частей по 5.035 М с винтом, планкой растяжки, крепежами поводками;
4.Вибратор из двух частей по 5.32 М;
5.Плата симметрирования/согласования с BNC;
6.BNC длинный провод 5-10 М, 50 Ом;
7.Два зажима крокодила с кольцами для СУ;
8.Зажим черный с кольцами;
9.Гайки и шайбы в составе СУ;
10.Набор подборных емкостей;
11.Набор подборных индуктивностей;
12.Веревка 20М;
13.Веревки 2 шт по 10М.
Инструменты:
1.Пассатижи;
2.Отвертка плоская;
3.Скотч;
4.Веревочки, хомутики, проволочки стягивания.
Порядок установки антенны:
1.Закинуть 20М веревку через ветку высотой не менее 5М;
2.Собрать верхнюю штангу;
3.Привязать веревку к центру верхней штанги;
4.Собрать нижнюю штангу, фиксируя колена скотчем;
5.Прикрепить директор к заостренным концам штанг, защелками поводков за кольца;
6.Прикрепить вибраторы к толстым концам штанг, максимально близко к кольцам с помощью проволочек-стяжек;
7.Прикрепить центральные части вибраторов к плате симметрирования-согласования (СУ);
8.Соединить белой веревкой стяжения центр директора с отверстием платы СУ;
9.Подключить кабель удлинитель к BNC на СУ;
10.Поднять антенну проводом 20М на рабочую высоту;
11.Привязать веревки 10М к кольцам нижней штанги;
12.Привязать веревки 10М к деревьям или к камням ориентируя полотна антенны, так чтобы директор был не ниже вибраторов. Нижняя точка полотен должна быть на высоте около 2М.
4.Ожидается пониженная частота Fр = 13750 кГц. Вычислить коэффициент укорочения используя модель с Fp=14150 кГц (ожидаемое значения Кук=0.98) вычислить ε изоляции проводников по MAA_NEC (модель !WYagi-simm-opt-DIR-3-KSV-.maa);
5.Укоротить все проводники с учетом Кук;
6.Повторить проверку антенны. Убедится в наличии Fр в районе 14100…14150 кГц.
7.При КСВ более 1.5 выполнить подстройку реактивностями СУ;
8.При R>50 емкость подключать параллельно лучам;
9.При R<50 емкость подключать параллельно выходу кольца симметрирования (R<50 означает больший F/B и более острую настройку);
10.L подключается последовательно;
11.Найти минимальное значение КСВ, записать R/jX/КСВ;
12.Изготовить симметричную накладку СУ, с установленными индуктивностями L/2 + L/2 и емкостью из опыта;
13.Повторить испытания, убедится в схожих значениях R/jX/КСВ;
14.Повторить испытания подняв/опустив антенну на 1 метр. Убедится, что КСВ не более 1.5. (Рост высоты на 1 м, сдвигает резонанс влево на 100 кГц.или требует укорочения элементов) Для Inv-V все наоборот;
15.Проверить параметры антенны от 14000 до 14300 кГц;
16.Рабочие испытания с поворотом полотен на 180 градусов и оценкой отчетов скиммеров (телеграф).
Первый вариант был изготовлен по Ку = 1, и ожидалась пониженная частота минимума КСВ, Fр = 13.75 МГц.
Первое измерение: высота верхней точки 5м, нижней 1м (16.05.2021)
Минимум КСВ в области 12.9…13 МГц
Второе измерение: высота верхней точки 6м, нижней 2м
Минимум КСВ на 13 МГц
Моделирование показывает, что с увеличением высоты подвеса минимум КСВ смещается влево.
Измерения показывают, что минимум КСВ в изготовленном образце на частоте 13 МГц, против ожидаемого с Ку=1, 14.15 МГц или с Ку=0.98, 13.75 МГц!
Требуется учесть коэффициент укорочения провода в изоляции. Оценка по книге К.Ротхаммеля. Антенны, Рис. 1-7 показывает для тонкого и длинного проводника без изоляции Ку стремится к 0.98. Изоляция, дополнительно уменьшает Ку.
Оценим Ку для полученной антенны.
1 Метод. Диполь для частоты 14.15 МГц имеет длину 10.593 М, диполь для частоты 13 МГц имеет длину 11.53. Отношение длин дает Ку = 0.918
2 Метод. Пропорционально увеличиваем длины вибратора и директора в модели, до получения частоты минимума КСВ в районе 13 МГц.
МГц
Ку
1/Ку
12.8
0.9
1.11
12.9
0.91
1.098
13.1
0.92
1.086
13.2
0.93
1.075
Оцениваем изменение размеров и выбираем ближайшее и меньшее укорочение с Ку = 0.92.
Дорабатываем длины вибратора и директора по алгоритму:
Половина директора: 5.035 > 4.63 м, отрезаемая часть = 0.4 м
Половина вибратора: 5.32 > 4.89 м, отрезаемая часть = 0.42 м
(моя антенна состоит из 4 частей, каждая из которых укорачивается по данной методике)
Измерения антенны после доработки, 19.05.2021
Первое измерение: высота верхней точки 5м, нижней 1м
Направление максимума антенны - ССЗ
Минимум КСВ на 14.3 МГц
Домашний маяк принимается как S7. Маяк расположен в 4 км к ЮВВ от антенны, 50 мВт, LW 40М.
Второе измерение: высота верхней точки 5м, нижней 1м
Направление максимума антенны - В
Минимум КСВ на 14.7 МГц
Домашний маяк принимается как S8.
Третье измерение: высота верхней точки 5м, нижней 1м
Направление максимума антенны - З
Минимум КСВ на 14.8 МГц
Домашний маяк принимается как S6.
Проверка по телеграфным скиммерам.
Отправлялось 3 посылки CQ CQ с двухкратной передачей позывного сигнала, мощность 5 Вт.
Результат:
Время, z
Скиммер
Частота
дБ
Фронт антенны
WPM
7:53
RN4WA
14063.5
12
ССЗ
16
7:53
TF4X
14063.5
9
ССЗ
16
7:53
OH6BG
14063.6
21
ССЗ
15
8:14
RN4WA
14063.3
8
В
16
8:14
TF4X
14063.2
17
В
16
8:16
SJ2W
14063.3
6
В
15
8:36
IK4VET-1
14067.5
7
В
16
8:37
SJ2W
14067.5
6
В
16
8:37
UA4M
14067.5
7
В
16
8:46
RN4WA
14067.5
15
В
17
8:57
OH6BG
14067.5
8
В
17
8:57
RN4WA
14067.5
21
В
17
9:08
RN4WA
14067.1
16
З
18
9:08
HA7GN
14067.1
9
З
18
9:14
RN4WA
14067.1
16
З
16
9:14
SM7IUN
14067.1
4
З
16
9:19
DL0LA
14062.5
14
З
17
9:26
RN4WA
14067
14
З
19
9:26
DL0LA
14067
14
З
19
9:27
HG8A
14067
4
З
18
9:27
OH6BG
14067
15
З
18
Сравнение по отчетам скиммеров получилось малоинформативным, мало спотов,
возможно причина в летнем "ближнем" прохождении. Итак, скиммер OH6BG, отмечен синим показал цифры близкие к теории, лучшие показания для ориентации ССЗ 21 дБ, слабо при восточной 8 дБ, и среднее 15 дБ при западной ориентации. Западные станции, отмечены зеленым, проявились при ориентации антенны на запад.
Проведено 1 QSO с R4SAR8:20z,Восток,579 мне,559 ему
Проверка по датчику поля:
На расстоянии примерно 5 м от центра антенны произведем измерение поля к фронту и тылу антенны.
Используя квадратичную характеристику датчика поля [10*LOG10(U1/U2)], оценим F/B вблизи антенны для мощности 1 Вт, и 5 Вт.
Фронт на восток
Сторона
U1,U2, мВ
дБ
З
5
В
8
F/B
2.0412
З
4
В
30
F/B
8.750613
Полученные значения показывают направленность к фронту антенны от 2 до 8 дБ.
Фото:
Верхняя штанга (траверса)
Нижняя штанга (траверса)
Подвес антенны (ССЗ/ЮЮВ)
FT-817, АА-340UP, датчик поля
Выводы:
-Антенна обладает направленностью. Сигнал маяка, принятый в прямом направление оценен как S8, с тыла как S6, т.е. F/B около 12 дБ.
-Может быть достигнут минимум КСВ на центральной рабочей частоте вплоть до КСВ = 1.1
-Хорошим результатом можно считать достижение КСВ уровня 1.5 на центральной рабочей частоте.
-В данной модели, оптимальной по КСВ не требуется дополнительное применение СУ в точке питания. при этом Ga(10°) = -2.8 дБи (NEC-2), F/B(10°) = 20.4 дБ (NEC-2), Ga(20°) = 2.4 дБи (NEC-2), F/B(20°) = 18 дБ (NEC-2)
-При создании модели, оптимальной по Ga и отчасти F/B приведу значения для тех же зенитных углов:
Ga(10) = -1.7 дБи, F/B(10°) = 8.11 дБ, Ga(20°) =3.4 дБи, F/B(20°) = 8.6дБ (все по NEC-2), при этом, Импеданс становится 8+j26 (MMANA), что требует согласования от устройства симметрирования параллельно L=0.3 мкГн и последовательно к каждой части вибратора С = 500 пФ. Рабочая полоса при этом такой антенны получится очень малой (менее 100 кГц), что приведет к сложности начальной настройки и дальнейшей перестройки при работе на всем диапазоне.
- Отмечу, что диполь на высоте 3 м даст усиление Ga(10°) =-6.73 дБи, Ga(20°) =-1,4 дБи, это почти на 3.8 дБ меньше.
-Рабочая полоса антенны по уровню КСВ 1.5, для центральной частоты 14.7 МГц составила 0.5 МГц, что полностью обеспечит работу на всем диапазоне 20М.
9 мая 2021 отработал радиолюбительский маяк, передающий поздравление в формате SSTV Robot 36 на 14.230 МГц. Передачи выполнялись каждую 5 минуту, начиная с 10:40z. Всего было отправлено 76 поздравлений, соответствующие числу лет, прошедших с замечательного момента. Последнее сообщение отправлено в 17:00z.
Оборудование: PC Dual CPU 2.63 Mhz, 8 Gb RAM, Yaesu FT-817, MMSSTV, Antenna - EFA на высоте ~ 6 м, луч длиной 40 м. Питание через трансформатор.
Рапорты до настоящего момента не получены, прохождение по CW/WSPR в день работы маяка присутствовало.
Пришло время доработать старые рации Kenwood TK-6118A на диапазон 433 МГц (70 см).
Аккумуляторы Ni-Mh пришли в полную негодность. Покупка новых таких же по стоимости не меньше, чем установка пары литиевых и платы контроля. Заказанные литиевые аккумуляторы имеют емкость 1200 мА*ч (по факту 800 мА*ч).
Размеры:
Измерения емкости пары аккумуляторов выявили в одном из них емкость 200 мА*ч, что потребует проверить их все. Китай - есть Китай.
Подключение проводников аккумуляторов видно на фото:
Внешний вид разобранной кассеты старой и после ремонта:
Сборка кассеты выполняется на трении и уплотнителях.
Антенны тоже не мешает проверить. Пронумерованы розовыми точками от 1 до 4.
Полоса обзора от 100 до 1300 МГц для поиска неожиданных резонансов.
Металл около кабеля необходим, т.к. антенна работает штатно только при наличии ёмкостной связи с "землей".
Измерения КСВ показаны на скриншотах
Все антенны работают только в диапазоне 70 см:
Полоса по уровню КСВ 1.5 около 15 МГц, по КСВ 2 около 26 МГц.
(По паспорту рация предназначена для работы в полосе 430...450 МГц)
Антенны соответствуют рабочему диапазону рации и доработки не требуют.
Технические характеристики раций Kenwood TK-6118A:
Частоты: 430-350 МГц
Температура: -20...+55 С
Питание: 6В
Каналы: 99
Ni-MH, 5 "мизинчиков" по 600 мА*ч
Размеры: 99х49х24
Вес: 275 грамм
Передатчик:
Мощность: 2.5 Вт
Модуляция: FM
Девиация: 5 кГц
К гармоник менее -60 дБ
Ток передачи не более 800 мА
Приемник:
Чувствительность не более 0.13 мкВ (12 дБ SINAD)
Чувствительность SQL менее 0.13 мкВ
Выходная звуковая мощность не менее 300 мВт
Ток потребления при приёме не более 140 мА
Потребление тока в экономичном режиме не более 10 мА.
Важно: Подстаканники раций имеют входное сопротивление несколько КОм и поэтому медленно, но верно разряжают установленные в них рации. Плата контроля заряда Li-IONx2 не препятствует этому разряду.
За три месяца эксплуатации стало понятно, что антенна работает не лучше, чем луч. Количество QSO снизилось по всем диапазонам, кроме 40М. Реально только лучше стал прием на 80М. Изначально я это связывал с ориентацией диаграммы антенны - Inv-V 10М+10М, но после совета Сергея EU8R повысить волновое сопротивление линии, решил найти цифры потерь в ней.
Волновое сопротивление в двухпроводной линии оценим по формуле 3.2.4 [1]
Z0 = 276*(Lg[2e/d]) / sqrt(er)
d - диаметр провода в мм;
e - расстояние между проводами линии в мм;
er - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между проводами;
er для воздуха близко к 1, для полиэтилена около 2.3.
Для расчета я буду использовать значения Z0=150 (160) Ом, - нерасплетенная двухпроводка,
и Z0=450 (500) Ом, - двухпроводка оформленная лесенкой с расстоянием между проводами 4...5 см.
Диэлектрические потери в изоляции провода можно оценить по формуле 3.2.8 [1]
ad = 0.0091*f*L*sqrt(er)*tg_d (дБ)
здесь
er - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между проводами;
L - длина линии в метрах;
f - частота в МГц;
tg_d - тангенс угла потерь в диэлектрике, для полиэтилена 0.0005
Погонные потери в диэлектрике полученные по формуле 3.2.8. составляют 0,000024 дБ/м, малы, относительно омических потерь в линии.
Омические потери в линии, оценим по формуле 3.2.7 [1]
ai = 0.723*L*sqrt(f) / (d * Z0) (дБ)
здесь
L - длина линии в метрах;
f - частота в МГц;
d - диаметр токоведущей жилы в мм;
Z0 - волновое сопротивление линии.
В П-274 имеются 4 медные жилы, диаметром 0.3 мм. Условно можно считать их как одну жилу диаметром 0.6 мм.
Теперь оценим КПД линии, подключенной к произвольному импедансу антенны по формуле 3.2.10 [1]
nl = 1 / [1 + 0.115*ai*(КСВ+1/КСВ)]
Здесь ai - потери в линии, работающей на согласованную нагрузку.
Помимо теоретической оценки затухания в линии и КПД, приведу и практическую оценку, построенную на основе измерений DL2KQ в нерасплетенной двухпроводной линии П-274 на частоте 3.5 МГц, которые показали погонное затухание в 0.05 дБ/м.
Опираясь на цифру 0.05 дБ/м для плетенки на 3.5 МГц, приму за потери на 7 МГц 0.07 дБ/м и потери на 14 МГц 0.1 дБ/м, потери на 21 МГц 0.122 дБ/м
Итак, расчеты проведены, и можно посмотреть на результат в виде таблиц:
Показан результат для длины линии в 10 метров, работающий на нагрузку при КСВ=10. Столбцы с пометкой "теор" относятся к рассчитанным затуханиям по формуле 3.2.7 [1], а "прак" - оцененные на основе измерений DL2KQ.
КПД в таблице показывает, какая часть энергии поданная на вход линии, попадет в антенну, при заданной длине и КСВ. А вот допустимость того или иного КПД каждый определит для себя сам. При 50% КПД имеем потерю половины мощности или в логарифмических единицах - 3 дБ!
Теперь приведу оценку для своего случая. Всего 30 метров линии, ее волновое примем равным 150 Ом. Тогда совместно с диполем 10М+10М на высоте 5 м получаю такие цифры (3.2.10):
f=3.5 МГц, КСВ=2373, КПД=0.002
f=7 МГц, КСВ=5.37, КПД=0.427
f=14 МГц, КСВ=34.2, КПД=0.08
f=21 МГц, КСВ=4.7 КПД=0.325
Здесь хорошо видно, что работать можно только на диапазоне 40М и 15М.
А что изменилось бы, при замене линии на более высокоомную, скажем 500 Ом?
Рассчитаем аi как 0.015 дБ/м на 3.5 МГц, на 7 МГц 0.022 дБ/м и потери на 14 МГц 0.032 дБ/м.
У меня всего 30 метров линии, ее волновое примем равным 500 Ом. Тогда совместно с диполем 10М+10М на высоте 5 м получаю такие цифры (3.2.10):
f=3.5 МГц, КСВ=851, КПД=0.022
f=7 МГц, КСВ=17.3, КПД=0.435
f=14 МГц, КСВ=10.3, КПД=0.465
f=21 МГц, КСВ=5.31 КПД=0.581
Ситуация улучшилась, появляется возможность работать на 20М диапазоне!
Важный вывод:
Более высокое сопротивление двупроводной линии, не только обеспечивает меньшие омические потери (в отношение сопротивлений раз), но и меньший КСВ при стыковке с диполем (в среднем по диапазонам).
Известно, что для настройки высокоомных антенн типа "длинный луч", прекрасно справляется LC тюнер из двух элементов. Про варианты включений цепей и необходимую точность установки номиналов реактивностей можно посмотреть в заметке: http://lavrinenkov.blogspot.com/2018/09/lc.html
Точности настройки индуктивности зачастую может не хватать, т.к. используется катушка с фиксированным количеством отводов. Изящное решение этой проблемы предложили радиолюбители 2E0BAX & VK3YE - использовать последовательно с катушкой конденсатор. Картинка из первоисточника http://hamuniverse.com/qrplmatch.html
В данном тюнере предлагается не закорачивать свободные витки катушки, на что это влияет - есть отдельные масштабные обсуждения на радиолюбительских форумах.
Увеличение индуктивности катушки ведет к росту реактивного сопротивления, уменьшение последовательной ёмкости (VC2) уменьшает реактивное сопротивление. Закороченный или настроенные на максимальную ёмкость конденсатор (VC2) будет наименьшим образом влиять на работу индуктивности L1.
Рассмотримпример: имеется антенна - луч с импедансом 1000 + j100 Ом на частоте 14 МГц. Для согласования с коаксиальным кабелем 50 Ом подключаем ее к схеме и устанавливаем номиналы для VC1, 52 пФ, а для L 2.464 мкГн, чтобы получить КСВ ~ 1. Но допустим, у вашей катушки есть отвод 2 мкГн и 3 мкГн, тогда согласование будет не точным, а КСВ составит в первом случае 2.2, а во втором случае 2.5. Нехватку индуктивности конденсатором VC2 не вылечишь, а вот избыток можно cкомпенсировать. Устанавливаем L в 3 мкГн, а на VC2 ёмкость 241 пФ, и получаем КСВ ~ 1. А если у вас нет 3 мкГн, но есть 5 мкГн, то компенсирующей ёмкости VC2 будет достаточно всего в 50 пФ.
Шон, 2E0BAX представил на фото собранный тюнер в коробочке для бутерброда:
По словам автора, "потратив много времени на эксперименты с этим тюнером, подключенным к радио, обнаружил, что таким тюнером можно получить настройку КСВ не хуже 3: 1 на диапазонах от 160 м до 2 м!"
Я думаю КСВ 3:1 - относится уже к НЧ диапазонам, где длины луча могло быть недостаточно для такой схемы согласования.
