Кросс-яги на 144 МГц — возможные решения управления поляризацией
| Автор GJ Daubney, G8MBI, перевод И. Тарасенко, UA0LDH | |||
| Пятница, 21 Июль 2006 | |||
| Добавление способности управлять поляризацией в антенной системе ЕМЕ на диапазоне 432 МГц не является простым случаем, но самое лучшее решение на этом диапазоне существует: физическое вращение антенной системы в случае задней монтировки (или вращение облучателя на больших тарелках). Добавление способности управлять поляризацией в антенной системе ЕМЕ на диапазоне 144 МГц, или построение таковой с нуля, требует перебора множества вариантов и возможных компромиссов. Ниже Вы найдете два раздела: · Раздел 1 обрисовывает возможные решения, которые добавляют способность управлять поляризацией ЕМЕ антенны на диапазоне 144 МГц; Никакие из этих таблиц не содержат цифр, формул или чисто научного объяснения – моим намерением является попытка указать путь, расширить варианты и предложить решения некоторых из них. Эти решения не являются обязательно самыми лучшими, окончательными или только единственными, но они являются теми, которые были приняты давно как надежные и наиболее применимые в практических системах. Перед рассмотрением, какое решение приемлемо для Вас, необходимо также изучить, ЗАЧЕМ Вам управлять поляризацией и как это будет делаться. Это потребует обдумать ваши предпочтениях и личных устремлениях в ЕМЕ. Управление поляризацией НЕ БУДЕТ: Управление поляризацией БУДЕТ: · обеспечивать большую эффективное завершение многих QSO Ниже находится попытка очертить способы, которые могут привести к появлению способности управлять поляризацией на диапазоне 144 МГц и некоторые взгляд на это (раздел 1). Далее находятся некоторые практические исследования и решения для кросс-яги (раздел 2). Раздел 1 | |||
| Метод | За | Против/Сложности | Комментарии/Мнение |
| Физическое вращение антенной системы в целом | Абсолютный, бесспорный, наиболее эффективный и оптимальный способ с точки зрения электрической характеристики | Механически, все! Трудно перечислить все, однако основной трудностью является следующее: длинный бум, требуемый на 144 МГц для достижения достаточного уровня усиления, означает что весовой баланс, ветровой баланс и даже собственно конструкция бума могут стать не выполнимыми. Для любого данного механического решения конструктивная сложность, вес, размер и механическое напряжение означают, что другие методы являются более эффективными при условии выигрыша в усилении/размерах/ напряжениях… но см. [1] | [1] Возможным исключением является антенна с короткими бумами в коллинеарном стиле. Даже если это достижимо конструктивно, то эксплуатационные трудности нельзя недооценивать. С использованием почти исключительно одноминутного периода при проведении EME связей требуемая скорость поворота является настоящей проблемой, кроме случая когда вы имеете достаточно сил в руках пойти на компромисс. Во время соревнования или случайного поиска может быть более затруднительным определить точно угол «Фарадея» и способным дать вызов точно в «целевую» территорию. |
| Физическое вращение отдельных антенн в системе | Способность найти наилучшее совпадение поляризации и установить идеальную поляризацию при передаче и приеме Теоретически очень похоже на предыдущий способ, но… | Механические проблемы: любая структура для поддержки такой системы будет тяжелее, чем обычно требуется. Потенциал влияния на антенны и систему является высоким. Крепления и фитинги, необходимые для вращения антенн будут причиной ухудшения усиления и G/T для отдельных антенн и системы в целом (например, моторы или даже просто подшипники, смонтированные на каждой яги). Кабели, цепи или другие приводные системы для вращения каждой яги будут причиной ухудшения или все время, или в большинстве положений при вращении. Механически более капризная Каждой яги необходим передняя и задняя подвеска, которая находится под относительно высокой нагрузкой в случае длинного бума, и также должна вращаться … как? Влияние металлической несущей конструкции на каждую антенну гарантирует далекую от оптимальной характеристику во многих точках в течении вращения. Как уберечь коаксиальные кабели антенн от серьезного повреждения? К тому же будет происходить скручивание кабелей большой длины, если поляризацию вращать очень часто. Любое влияние от всех причин, перечисленных выше (и еще от многих других) на систему, может ухудшить обратные потери при «непостоянном» образе поведения и уменьшать излучаемую мощность в некоторых или многих точках при вращении. Те же трудности, как и при вращении всей системы, например быстрое вращение необходимо для одноминутного периода. Вращение должно быть также электрически малошумным, чтобы не мешать приему. | Имеется несколько активных систем, которые используют этот метод. Однако мое убеждение, что пока получаемое значительное преимущество над системой с одной поляризацией, несмотря на ухудшении качества антенной системы и потребностью в механических устройствах, будет перевешивать любые достоинства сложной переключаемой системы (тех, что включают 45 градусные углы) и может быть даже простой переключаемой системы (тех, что переключаются между вертикальной и горизонтальной поляризацией). Дополнительно трудности моделирования из-за появления многочисленных моторов, подшипников, приводного поддерживающего устройства, необходимого для этого типа антенной системы, соответствующие сложной форме и ориентации, сделает по меньшей мере трудным, а может быть невозможным, учесть их перед началом конструирования. Следовательно, большие усилия будут израсходованы до того, как какие-либо результаты будут получены, в то время как вероятно будет возможным при моделировании в другой системе учесть и минимизировать потери быстрее. При условии, что все проблемы разрешены без компромиссов, то тогда преимущество этого варианта над вариантом с переключением 0, -45, +45, 90 градусов составляет только 1 dB, и кажется достаточно неправдоподобным, что это преимущество будет достигнуто и более вероятно, что система будет худшей или компромиссной при всех поляризациях. Имеются некоторые споры о рассеянии и эллиптичности поляризации при ЕМЕ отражениях, и в этом случае механическая система может иметь более высокие преимущества, чем теоретически предположено здесь. |
| Круговая поляризация | Никаких При существующих соглашениях на 144 МГц относительно круговой поляризации вы теряете по 3 dB от оптимума при приеме и передаче. Хотя в теории потери при кросс-поляризации достигают бесконечности, на практике они составляют около 20dB. Из этого следует, что в наихудших случаях вы имеете преимущество в 17dB по сравнению с однополярной антенной, но в наилучших случаях вы имеете ухудшение в 3 dB! | Все, включая особенности конструкции для данной поляризации, вы должны сделать почти ту же работу, что вы сделали бы в предыдущей системе. | Фиксированная круговая поляризация не может быть принята во внимание для 144 МГц ни на передачу, ни на прием. Как часть системы с переключением она может добавить некоторую гибкость, особенно если у вас есть мощный передатчик. |
| Кросс-яги | Механически реализуемая конструкция Приемлемый компромисс по сравнению с оптимальной Полная оптимизация в одной поляризации является почти всегда достижимой, так что добавление поляризационной способности редко умаляет общую способность. | Поддерживающая структура и прокладка кабелей требует тщательного обдумывания и планирования для предотвращения ухудшения усиления и коэффициента G/T | Все варианты кросс-яги, рассмотренные ниже, могут использоваться с форматом «Х» или «Н» Все варианты могут использоваться как с проводящими (обычно алюминиевыми) так и с непроводящими (обычно стеклопластиковыми) несущими конструкциями. |
| Кросс-яги + Синтез поляризации переключением | Дает доступ к многим возможным углам на передаче и приеме С возможностью установить 0, -45, +45, 90 градусов максимальные потери при приеме и передачи будут меньше 1 dB от оптимума всегда, если антенна хорошо выполнена. | Требует более сложных переключений по сравнению с другими решениями. При не достаточно хорошем выполнении может внести потери до LNA на приеме и вероятно привести к проблемам с защитой от воздействия погоды. | Пока это теоретически самое лучшее, легко выполнимое решение для кросс-яги, но переключающая и усиливающая системы, требуемые при приеме и передаче, должны быть аккуратно сконструированы и настроены. Система, подобная этой, требует соответствующей настройки и наличия измерительного оборудования. Для большей информации и практических советов посетите веб-сайт SM5BSZ. Лейф без сомнения уверен, что эта система очень эффективная, если хорошо сконструирована и выполнена. Однако, некоторые другие также утверждают, что выполнить такую систему не просто! |
| Кросс-яги + «Стерео прием» и простая V/H поляризация при передаче. | В его основной форме даже проще, чем предыдущая | Может получиться дороже с требуемыми двумя полными приемными цепями. Согласование поляризации при передаче может быть -3dB в наихудшем случае. Когда дополнена точным управлением фазой на приеме, а также микропроцессорным управлением и DSP системой, то становится настоящей «передовой технологией», еще пока не достижимой большинством радиолюбителей. | Простая реализация может быть эффективной. Необходимы некоторые технические навыки обеспечить согласование на приеме. Но это не должно быть слишком сложно. Более сложная реализация доступна вероятно только для серьезных экспериментаторов. Если вы используете человеческий мозг для смешения и обработки сигналов, то это превосходный путь. Если нет, тогда вероятно понадобится еще один компьютер в шэке, и возникнет забота о полной бесшумности при работе, а это не легко. |
| Кросс-яги + Простое переключение V/H поляризации на приеме и передаче | Еще более простая реализация Появляется возможность добавить еще одну стрелу из-за относительно низкой стоимости исполнения. | Не так эффективна, как другие, компромисс в худшем случае -3dB относительно оптимума на приеме и передаче. | Требует только основные инструменты и знания. Дает высокий результат при очень низкой доле затрат, требуемых для более сложных систем, по моему мнению это рациональный вариант |
Раздел 2
Рассмотрение реализации крестообразных антенн
2. Влияние крепежа
3. Для вертикальных элементов появляется возможность использовать монтировку элементов сверху бума для уменьшения взаимодействия с вертикальной несущей структурой, смонтированной на другой стороне бума в системе, но…
Сквозная изолированная монтировка будет перемещать плоскость элементов ближе к плоскости несущей структуры
Из натурных испытаний ясно, что большинство хорошо оптимизированных ЕМЕ антенн на 144 МГц имеют компромисс в полосе пропускания ради улучшения усиления, так что даже небольшие изменения в длине элементов могут сделать настройку проблемой, особенно с учетом плохого погодного влияния.
Дополнительно любой метод крепления элементов поверх бума порождает изготовление переходников или «сидений» для элементов, и я думаю, что эти крепления внесут свой вклад в ухудшение характеристик по сравнению со свободным пространством.
Я предпочитаю использовать хорошо проверенную и испытанную технику сквозной изолированной монтировки.
Металлическая или непроводящая?
Решением является использование «гибридных» частей с непроводящими секциями, которые имеют непосредственный или близкий контакт с антенной.
Однако, если используется металлическая несущая структура или если вы подумываете о добавлении вертикальных элементов к существующей антенне с горизонтальными элементами. Ведь выгода является значительной. Если вы имеете антенну с горизонтальной поляризацией, вы можете получить большое преимущество просто добавляя вертикальные элементы к существующей антенне и делая небольшую несущую структура или вообще не делая… это может быть привлекательным и стоящим.
Я смоделировал много вариантов яги с обыкновенными алюминиевыми несущими стойками. Результаты широко варьируются, но, в разумных положениях стоек, усиление падает в диапазоне от 0.3 dB до 2 dB. Будьте осторожны, для достижения этого необходимо внимание и моделирующие эксперименты, неправильно расположенные стойки могут разрушить и усиление и диаграмму.
Эта область требует глубокого продумывания на стадии конструирования
Имеется реальный риск испортить антенную характеристику, а также возможность потратить много времени, конструируя очень хорошую антенну, но только реализовать ее не возможно!
Большинство проблем относятся к размещению на буме, особенно если вы пытаетесь создать чисто 50-омную конструкцию, которая затем будет использовать петлевой вибратор (4:1) и затем балун (1:4) для запитки 50-омным кабелем.
Я раздробил эти варианты в дальнейшем на более мелкие в последующих пунктах ниже, НО важно увидеть их всех вместе, так как они имеют влияние друг на друга
Каждый вариант будет нуждаться к обращению к индивидуальной конструкции – это может быть не универсальное решение
Простое решение – не использовать петлевой вибратор. Это приносит другие преимущества, но может оказаться несколько рискованным … смотри далее.
Гамма- или Т-согласование не может быть легко смоделировано существующими доступными программами, а попытки сделать это ими дают очень ненадежные результаты, даже если программа декларирует поддержку таких проблем, как переходы проводников различного диаметра. В действительности даже результаты с петлевыми вибраторами кажутся очень сомнительными, когда используется программы на основе NEC или связанные с ней (и может получиться еще хуже с повышением частоты?).
Я бы предпочел в качестве решения простой расщепленный диполь, который дал хорошие результаты на 144 МГц в других антенных системах. В этом случае вы имеете дело с чистым 50 омным импедансом антенны.
Пока и в теории и на практике установка прямого расщепленного диполя сверху или снизу бума выводит вибратор из плоскости других элементов и, следовательно, создает потенциальное уменьшение усиления и асимметрию в горизонтальной плоскости. На практике на частоте 144 МГц уменьшение усиления незначительно (даже в условиях ЕМЕ), а асимметрия приводит к очень маленькому ухудшению коэффициента G/T при любом практическом удлинении (но это не так на 432 МГц).
Чтобы установить импеданс антенны иной, чем 50 Ом, я рекомендую подобрать материал с различным размером (верхние и нижние части) с некоторой корректировкой концов, чтобы трансформировать потенциально низкий входной импеданс высоко оптимизированной антенны к 50 Омам, но не позволяйте входному импедансу опуститься слишком низко.
Если балуны используются, то они должны быть примотаны туго к буму, чтобы не образовывать «пузырей» в антенне, потому что ухудшение из-за петли может быть очень ощутимым, особенно в области диаграммы вперед/назад. Вы также можете попытаться сложить балун в бухту или отыскать другое место на буме, но эксперименты не показали большого успеха. Ясно, что в процессе сматывания нужно убедиться, что импеданс кабеля не изменился из-за перегибов или узлов.
Даже простая вещь, как примотка балуна, в кросс-яги получается нелегко из-за близости с элементами в другой плоскости. Попытайтесь разместить любые кабели как можно выше или ниже от элементов одной или другой плоскости на буме, или в противном случае вы влияете на эффективную длину элементов и часто, что гораздо хуже, делаете ее асимметричной.
Может быть остроумным решением прокладка петли балуна и питающего кабеля вообще вне пространства вибратора, если вы используете слишком маленькое смещение между вертикальными и горизонтальными элементами, так что пространства вибраторов в разных плоскостях будут перекрываться.
Я потратил много времени на моделирование и эксперименты, чтобы получить прямую 50-омную запитку кабелем без балуна.
Мои раздумья и опыты до такой степени «списывают» за ненадобностью балун (я делаю это и на 432 МГц также), что может быть в чем-то являются «необычными» и против традиций. Мое разумное объяснение – меньше потерь, меньше конструктивные трудности, меньше проблем с защитой от воздействия окружающей среды и меньше беспорядок и деградация в критической области антенны. Контраргументом является то, что это может стать причиной «косой» диаграммы и позволит ВЧ току протекать по внешней стороне кабеля.
На практике я не вижу скоса (или по крайней мере это трудно измерить) и даже если скос диаграммы есть, то будет казаться незначительным – а если кто беспокоится, то большинство любительских следящих систем легко калибруются для его компенсации.
Касательно ВЧ токов на кабеле я также не вижу проблем. Кабели прокладываются в чувствительных местах туго обмотанными и зачастую к буму, который по видимому служит «фильтром-пробкой» при таком простом процессе. Может быть вы почувствуете себя несчастным, потому что не можете разместить четвертьволновой петлевой балун, который будет действовать как «настоящая» пробка, но он здесь является излишним.
Если вы используете непроводящий бум, не пропускайте кабель по нему – иначе вы потеряете много денег, времени, усилий, веса…! Звучит очевидно. Тогда посмотрите на некоторые фотографии или даже на статьи «Как построить станцию для работы через спутник»:… «во-первых, возьмите стеклопластиковый шест, затем проложите кабель по нему».
Не соблазнитесь дать кабелю отойти от бума каждой антенны или непосредственно от вибратора или впереди каркаса стека. Я видел это сделанным в попытке уменьшить требования к участку кабеля перед малошумящим усилителем (в смысле снизить требования к его потерям) и сэкономить что-нибудь. Даже в системе с одной поляризацией моделирование показывает, что, за исключением очень аккуратно сделанных антенн, ухудшение усиления антенн из-за петли висящего коаксиального кабеля в прилегающем пространстве возможно будет большим, чем уменьшение потерь, достигнутое укорочением длины кабеля.
Имеется два выхода: —
1. Пропустить по буму и по несущей конструкции, это если используется проводящая несущая конструкция. Прокладывайте так далеко от элементов, как это возможно, и приматывайте к буму, пытаясь сохранить симметрию, насколько это возможно. В основном это означает попытаться проложить фидеры диагонально друг против друга (при квадратном буме) и попытаться сделать это как можно ближе к краю бума, например пропуская сквозь бум, если возможно ….
2. Вывести сзади антенн (сзади последнего рефлектора), затем проложить к центру сзади антенной системы. Это дает пару преимуществ, таких как уменьшение вероятности пробоя антенны из-за кабелей на буме и потенциально сократить путь к делителям мощности и малошумящим усилителям, если они могут быть размещены в центре сзади антенной системы.
Выполнение п.2, думается, может быть трудным из-за делителей мощности, малошумящих усилителей и реле в таком месте, что-то около 2-4 кг висящих сзади возможно в 4 метрах от центра бума – это не так легко как звучит, и в случае с длинными антеннами может потребоваться дополнительный смонтированный сзади Х- или Н-образный каркас для предотвращения искривления формы антенной системы из-за кабелей и поддержки делителей мощности. Этот каркас может быть сделан или из алюминия или еще более легким из непроводящего материала, например из ПВХ труб.
Во время переключения поляризации
Если используется металлическая структура стека (и может быть даже с использованием неметаллических частей), то моделирование показывает, что тщательное позиционирование мачты необходимо для минимизации ухудшения диаграммы и усиления.
Также возможно, тем не менее, ввести сюда третью переменную и это может стать необходимым, чтобы достигнуть компромисса относительно КСВ (обратных потерь). Иногда маленькая жертва в обратных потерях принесет заметное улучшение усиления или продемонстрирует хорошее улучшение диаграммы (потенциально улучшение G/T). Эти усовершенствования должны быть обсуждены в отношении конкретных антенн и лучшие использованы.
В случае ЕМЕ важнейшим фактором при переключении поляризации является обеспечение одинакового импеданса для передатчика и малошумящего усилителя. Большинство (или все?) усилителей мощности потребуют подстройки согласования, если при изменении поляризации обратные потери изменяться на пару децибел. Это очень нежелательно и на практике делает быстрое переключение нереальным. Также это может оказать эффект и на малошумящий усилитель.
Если кабели короткие или имеют маленькие потери, достаточные чтобы допустить небольшое увеличении обратных потерь, то оказывается, что часто небольшой компромисс в отношении обратных потерь является приемлемым для улучшения согласования между двумя поляризациями (и также надо надеяться и на другие параметры, такие как усиление). Например, лучше иметь обратные потери при одной поляризации в 14, а при другой – 16 dB, чем иметь при одной поляризации отличный КСВ, а при другой намного отличающийся.
Самым лучшим является равенство обратных потерь; равенство и обратные потери, большие чем 20 dB является еще лучше, но очень трудно достигнуть этого в реальности.
Длинные кросс-яги – провисают еще больше !
Очень длинные яги, больше 5 лямбда, — требуют еще и боковой растяжки.
Любая система, использующая двойной металлический бум (напоминающая двустволку-вертикалку), не может быть использована. Если на вашей антенне с одной поляризацией используется такая поддержка бума, то ваш первый шаг – изменить ее на верхнюю поддержку с использование растяжек, применяя стойку на буме.
Если используется проводящая поддерживающая структура, то стойка не должна быть непроводящей, в действительности металлическая стойка приведет к некоторому преимуществу…
Если используется непроводящая поддерживающая структура или боковые растяжки на вашей антенне, то стойки и талрепы должны быть также непроводящими.
Перевод Игорь Тарасенко, UA0LDH
У Вас недостаточно прав для добавления комментариев.
Возможно, Вам необходимо зарегистрироваться на сайте.
Источник
