Потери в симметричной линии из П-274 [simmetric lines losses]

 Немного ранее, я писал про замену своей антенны типа луч длиной 21 метр, на симметричную линию из нерасплетенной двухпроводки П-274

 (может называться полевик, полёвка и т.п.). http://lavrinenkov.blogspot.com/2020/11/274-inverted-v-simmetric-line-inv-v.html  

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).

[1] Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ, Радиософт.

Материал подготовил:

Лавриненков Игорь / R2AJA

lis-soft /*at*/rambler   точка   ру

LC тюнер с точной настройкой индуктивности [L-match VK3YE/2E0BAX]

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. 

Рассмотрим пример: 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.

Материал подготовил:

Лавриненков Игорь / R2AJA

Точная настройка ФНЧ маяка WSPR F4GOH

 Данная статья появилась из-за того, что мой образец маяка WSPR F4GOH см.http://lavrinenkov.blogspot.com/2021/01/wspr-kit-f4goh.html начал выдавать сниженную выходную мощность, при этом транзисторы стали горячими. 

Вот что показали приборы:

Осциллограф:

1. Сигнал на выходе Q синтезатора. (Меандр)

2. Сигнал на затворах BS170

3. Сигнал на выходе BS170, нагруженных на 50 Ом.

4. Нулевой уровень

Анализатор спектра:

1. Спектр сигнала в полосе 2 МГц, дБм

2. Спектр сигнала в полосе 2 МГц, мВт

3. Спектр сигнала в полосе 36 МГц, дБм

4. Спектр сигнала в полосе 114 МГц, дБм

5. Спектр сигнала в полосе 36 МГц, мВт

6. Спектр сигнала в полосе 99 МГц, дБм

подстройкой триммера AD8650 получен уровень первой гармоники 19 дБм, что все равно не соответствует штатной мощности маяка. (около 23 дБм). Я использую константу PWM для задания смещения на затворах BS170 около 3В (в моем случае константа = 175)

Первым делом я бросился проверять полевые транзисторы, которые очень чувствительны к статике, а также страдают не полным открытием/закрытием, при поломке. Транзисторы оказались исправны! Проблема снижения мощности была вызвана внутренним прогоранием и спеканием индуктивности L3 220 мкГн. На фото чуть левее посадочного места фильтра.

Ее сопротивление было около 2 Ом (Штатное для такого типоразмера сопротивление около 5 Ом), сама индуктивность утрачена (снижена). 

Приведу измерения сопротивлений набора индуктивностей:

Мне не очень понятен замысел автора - использовать миниатюрную индуктивность в силовой части схемы. Я заменил ее на обычную "гантельку" с индуктивностью 100 мкГн и сопротивлением менее 1 Ома.  Также оценил влияние ограничения тока питания транзисторов разными индуктивностями. Современными "гантельками" по 50 мкГн и 100 мкГн, и СССР серыми вытянутыми. 

Подписи показывают омическое сопротивление катушек, оценку сигнала основной гармоники, токи потребления.

Интересно также назначение маловитковой индуктивности L2 VK200, стоящей ближе к источнику питания, если она для лучшего подавления ВЧ, имеет смысл ставить ближе к стоку транзисторов, а не так как сейчас. 

Начнем настройку с диапазона 40М. ФНЧ выполняет задачу согласования выхода усилителя с нагрузкой 50 Ом, вторая задача - подавление высших гармоник. Оптимальные варианты по подавлению и согласованию не совпадают, поэтому здесь отдаю приоритет согласованию.

Я использую банки емкостей и индуктивностей для подбора номиналов фильтра.

На осциллограммах после ремонта:

1. Сигнал на выходе Q синтезатора (Меандр)

2. Сигнал на затворах BS170

3. Сигнал на выходе BS170 без ФНЧ, нагружены

на 50 Ом.

4. Сигнал на выходе ФНЧ, нагруженного на 50 Ом.

На спектрограммах показаны:

1. Сигнал без ФНЧ, нагрузка 50 Ом.

2. Сигнал с ФНЧ из Pixie 40M П-контур, 82 пФ, 1 мкГн, 82 пФ.

3. Сигнал с подобранным оптимальным ФНЧ: 200 пФ, 0.82 мкГн, 200 пФ.

4. То же, но в мВт 

Мы видим, что с оптимальным фильтром удается получить около 450 мВт излучаемого сигнала, против 250 мВт без ФНЧ! Гармоника №2 ослаблена на 6 дБ, имеет уровень 7.5 мВт, Гармоника №3 ослаблена на 11 дБ имеет уровень 2 мВт. 

Считается хорошим результатом подавление гармоник в 30 дБ, но у нас здесь 

и так QRP мощность, а фильтр имеет всего третий порядок. Настройка согласования подбором для фильтров большего порядка становится сложной, что приходится ограничиваться расчетными занчениями (как и делают зарубежом), но получаемый фильтр скорее всего не будет оптимальным, а лишь где-то рядом.

Теперь посмотрим на спектры, полученные с оптимльными по согласованию ФНЧ (второго и третьего порядков) для диапазонов 10М,12М,15М,17М,20М,30М.

Теперь посмотрим на спектры, полученные с оптимльными по согласованию ФНЧ (второго и третьего порядков) для диапазонов 80М,160М.

Получена наибольшая мощность на диапазоне 160М, 27 дБм (или 500 мВт!) 

Теперь опустимся на ДВ и посмотрим сигнал на длине волны 2200м! Для согласования подходит ФНЧ 1-го порядка из одной индуктивности.

На левой картинке показан вариант с приоритетом первой гармоники, L= 30 мкГн, на правом, с заменой ФНЧ L=100 мкГн с приоритетом третей гармоники, что несколько странно.

По полученным номиналам ФНЧ можно оценить выходной импеданс усилителя на BS170! Все результаты по диапазонам представлены в таблице:

Информация может использоваться в справочных целях для оперативной настройки ФНЧ по диапазонам. 

Теперь проведем включения маяка F4GOH с оптимальными ФНЧ по всем диапазонам. Время работы маяка - одни сутки на диапазон.

Антенна - диполь на 40М, симметричная линия 160 Ом, и симметричный тюнер. 

Направление нормали к диполю Юг-Север.

Для работы на 80М сравним разные варианты подключения линии-полотна антенны.

1) Через симметричный тюнер: Суррогатный диполь, линия 160 Ом, СУ, КСВ=2.2. Результаты посредственные. Имеем ненаправленный укороченный излучатель.

2) Через китайский Т-тюнер KIT c карбонильным колечком. Линия подключена как LW c ёмкостной нагрузкой на конце (сам диполь) и КСВ = 1.8. Результат получше!

3) Через LC - тюнер "Ёрш" с "честной" индуктивностью без сердечника и КСВ=2.2. Результаты лучше предыдущего варианта.

Для работы на 160М подключаемся через "Ерш", с КСВ>3 (понятно, что остальные случаи, заведомо худшие, можно не рассматривать.

40М:

30М:

20М:

17М:

15М:

Диапазоны 12М и 10М не проверялись, т.к. и 15М был открыт всего 36 минут в течении 5 дней ожиданий!

Материал подготовил:

Лавриненков Игорь / R2AJA

Мороз - красный нос 2021 [Moroz - Red Frost 2021]

 Сегодня 23.01.2021 и погода меня радует. Снега много и тепло +0 С. Для работы в соревновании - игре "Мороз - красный нос" отправляюсь на косу Мазуринского озера.

Поезд доставляет меня влёт к начальной точке маршрута.

Заснеженный лес нависает еловыми лапами,

а дорожки и лыжня достаточно плотные и удобные для ходьбы.

Фирменная кормушка "Ашан" инкрустированная изолентой.

Воздух пропитан атлантической влажностью, поэтому туманно. Обошлось без установки тента,  немного капель попало на отчет и оборудование ближе к концу игры.

Ледовый трек

Край косы

Деревце - ориентир, такие расставлены вдоль всей лыжни.

Сосна на поляне

Некоторые события, произошедшие утром могли предсказать сложное участие в "Морозе", но всё прошло более-менее.

Сначала, я прошел мимо намеченной позиции, пришлось вернуться, далее, в первый час игры, подпрыгивал КСВ, пока не заметил, что

мой тюнер соприкасается клеммами тумблера с алюминиевой рогулькой (!). 

Запасные аккумуляторы я поставил сразу в работу, т.к. ранее их в поле не проверял. Измеренной ёмкости в 950 мА*ч хватило лишь на 20 минут работы на приём (ёмкость просела на холоде). Далее я поставил основной комплект (2500 мА*ч) и перешел на 1Вт, иначе на 4 часа игры не хватило бы.

Дальний край VP2E крепится где-то здесь за камыш

Поляна радиста

Использовал антенну VP2E с запиткой в край, основные направления СВ и ЮЗ в [V] на 20М и [H] на 40М, трансивер Yaesu FT-817, ноутбук работающий параллельно в качестве панорамного обозревателя в полосе 2.5 кГц, с которым тоже возникли сложности. Накануне обнаружил, что микрофонных вход не работает, поэтому кабельное подключение невозможно. Заменил его на клипсу с пищалкой от компьютера, и прижал к наружному встроенному микрофону. Оказалось, что пищалка почти не излучает звук на частотах ниже 1000 Гц, т.е. половина от панорамы еще и сильно ослаблена. Сам ноутбук отработал 3ч 15 мин и это очень неплохо!

VP2E + Рогулька

Клубный флаг

Оборудование

Измерения и контроль

Оператор R2AJA/P

Первая связь с Виталием UI7K на 40М в CW. В SSB была каша в районе 7.190, поэтому сильно там не задерживался. Совсем не сылшал участников телефоном на 20М =(.

Многократно встретились с Андреем UA6BFE/P - 4 связи из которых одна получилась повторная, ну и Александр UR5LAM/P сделал мне игру, слышно было отлично на 40М и в CW, и в SSB  провели 7 связей. Павел RA7RA/P и Юрий RA7R работали рядом на 20М. Сигнал US1UU принимал с искажениями на 40М. Сложные связи были с LZ1OQ/1 на 20М. Под конец игры на мой CQ подошел S58N и передал мне на моё /S номер "002", видимо был в другом мероприятии. =) 

Во время игры много слышал "UT4UUM/P" в SSB на 40М, но Андрей был неуловим. Слышал и Дмитрия UR4MCK/P в CW. 

Удивило полное "нежелание" UA3DLD/P провести QSO, хотя вроде бы были в зоне прямой видимости и уровни не менее S8.

В основном я работал на CQ и, судя по отчетам скиммеров, слышно меня было неважно штук 10-15 спотов за все игровое время!

Унылые зимние пейзажи

До новых встреч в радиоэфире и на выездах!

Статистика по игре:

10 связей на 20М, 28 связей на 40М. 

33 связи в CW и 5 связей телефоном

Собраны буквы:

F=8

R=6

O=2

S=3

T=19

Свои буквы-комплекты для доукомплектовки:

F=2

R=2

O=2

S=1

Лавриненков Игорь /

R2AJA

Обзор радиолюбительского маяка WSPR KIT от F4GOH

 WSPR KIT от F4GOH - маяк предназначенный для самостоятельной сборки из предложенного автором набора. Я получил в свои руки уже собранное устройство, поэтому опишу только свои наблюдения. 

Страничка проекта: https://hamprojects.wordpress.com/2019/06/02/wspr-beacon/

Страничка с кодом и библиотеками: https://github.com/f4goh/WSPR

Набор включает в себя основную плату, на которую устанавливаются модули: ФНЧ, синтезатор частоты AD9850, МК Arduino Nano, Модуль реального времени DS3231, GPS (опционально поддерживается через программный COM-порт), также есть возможность подключения OLED дисплея SSD1306 128x64. Дополнительно имеется место под температурный датчик DS18S20.

На фото показана собранная плата маяка и 20М полосовой фильтр от QRP-Labs:

Варианты модуляций, которые можно заложить в маяк: ft8, hellschreiber, jt9, jt65, psk, rtty, fsq. 

Возможности набора хорошо изучить заливая тестовые скетчи из папки /SRC.

Поскольку меня интересует возможность работы с WSPR, я использовал только прошивки wsprSimple, wsprEncode, WSPR_TinyGps_encode. 

wsprEncode умеет кодировать текст сразу в последовательность WSPR, а wsprSimple требует предварительно сформированный массив для передачи из программы wspr encoder, тем не менее я использовал Simple, т.к. другой вариант "отказывался" установить время на DS3231 через монитор COM-порта по команде "h". WSPR_TinyGps_encode - заработала без проблем, локатор рассчитывается прошивкой. 

Начальное управление маяком простое - настраиваем монитор COM-порта на скорость 115 кбит/с и отправляем команду "h", далее вводим время в предложенном формате: г,м,д,ч,м,с например: "2021,1,20,21,15,00" и нажимаем "Enter".

Для принудительного начала передачи WSPR даём команду "w", это может пригодится при наладке.

Схема компонентов маяка:

Модуль передатчика на AD9850 имеет один регулировочный резистор триммер. 

Железная точка корпуса триммера сверху слева. Рассмотрим положение ручки по аналогии со стрелочными часами. Положение триммера примерно от 12 до 15 часов (две точки между диагональю и диагональ - это стрелка, точки со стороны стрелки).  12,13,14,15 это четвертинка оборота и 14 часов — оптимальное положение (по выходной мощности). Триммер изменяет скважность цифрового сигнала в сторону увеличения ширины импульса (по часовой стрелке).

Ниже показаны осциллограммы и спектры с цифрового (меандрового) выхода QN.

Автор, F4GOH рекомендует устанавливать ширину импульса равную половине периода, у меня первая гармоника получилась больше, когда импульс был немного шире половины периода, см. третью осциллограмму и спектрограмму. На каждом диапазоне необходима подстройка ширины импульса.

В качестве усилителя мощности используется параллельная пара BS170. Для управления усиления предлагаются два варианта: 

Первый: - используйте выход QN (J2) DDS и замените конденсатор C7 перемычкой. не устанавливайте R3, C6, R4, L1 на плату, разрыв j8 остается разомкнутым. (это конфигурация, которую использует F4GOH)). Отрегулируйте триммер DDS 9850 так, чтобы на выходе QN была прямоугольная волна. Когда передача выключена, напряжение QN должно быть 0 В! Убедитесь в этом по осциллографу, "землю" можно взять с площадки PT5 (или даже с основания SMA разъема). Таким образом на усилитель сразу подается высокочастотный сигнал с постоянным смещением, что обеспечивает максимальную выходную мощность без возможности регулировки.

Второй: -- используйте выход SINB (J2) и установите смещение на затворе BS170. (установите R3, C6, R4, L1 и перемычку J8), затем примените команду analogWrite на выводе 6 ардуино. (для настройки усиления программно). Если значение усиления слишком высокое, BS170 может быть поврежден. 

Во втором случае используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для управлением напряжения на выходе интегратора (R3, C6, R4, L1 ).  ШИМ в данном случае представляет собой последовательность импульсов с периодом 1 мкс и амплитудой = Vcc (5В). Ширина импульса регулируется переменной со значением от 0 до 255. При 0 имеем отсутствие импульсов, при 255 непрерывный уровень Vcc. При 50 я получил Ти примерно 200 мкс, при 110 Ти = 400 мкс. Сборка по первому варианту оказалось не очень надежной, DDS 9850 по окончанию передачи иногда выставлял высокий логический уровень на QN и по сути полностью открывал транзисторы BS170, которые начинали прокаичвать через себя ток, ограниченный лишь в источнике питания(!). F4GOH указывает, что к сожалению, такое случается. Собрав второй вариант, я удалил R4, который является частью делителя напряжения Vcc для того чтобы иметь возможность подавать до 4...5 В для наибольшего усиления BS170. С R4 максимальное напряжение на затворах оказывалось около 2В, что при напряжении питания около 5В маловато. Далее предлагается забирать синусоидальный сигнал с выхода SINB.

В сравнении с меандром, он слабый, и требует меньшей фильтрации гармоник, — около 5 мВт, если получится усилить на паре BS170 до 50 мВт было бы неплохо.  Меандр - сигнал с QN можно грубо оценить как 30 мВт  которые усиливаются на паре BS170 до 100-200 мВт выходной мощности. Именно его я и подаю через С7 на затворы транзисторов. (не забываем правильно поставить перемычку J2).

Для дальнейшего анализа настроил маяк на работу в диапазоне 40М.

Изменяя переменную ШИМ от 1 до 255 оценивал выходную мощность, уровни гармоник, потребление энергии маяком.

Таблица 1  - для меандра 7 МГц

Таблица 2 - для синусоидального сигнала 7 МГц

Оптимальным по КПД оказалось смещение на затворе в районе 3В!

Изменение диапазонов показало оптимальным использование: 40М, 30М и 20М, на 80М,160М, 17М, 15М, 12М, 10М уровень выходного сигнала получался сильно сниженным.

Таблица 3 - обзорные уровни по диапазонам

Окончательно настроив маяк на уровень 23 дБм, и частотой 7040150 Гц проверил работу фильтра от QRP-Labs (Указано, что он приёмный и может не выдержать большие мощности).

Спектр без фильтра 20М:

Спектр с фильтром 20М:

Ослабление внеполосных 7МГц - на 50 дБ, 21МГц - на 27 дБ, но и в зоне пропускания 14МГц снес около 7 дБ! (Фильтр я подстроил по максимальным показаниям анализатора на 20М)

Оставив на сутки включенным маяк с антенной диапазонный диполь на 40М и мощностью 23 дБм получил такую картинку:

Моя версия прошивки с управлением ШИМ сохранена здесь: wsprSimple+PWE-Control-R2AJA-23dBm (в массиве передачи зашит мой позывной и мощность, не забудьте изменить на свои)

Лавриненков Игорь / R2AJA