A N T E N Y U K F - INNE SPOJRZENIE

SP7DCS;SP6GWB

CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA I ZYSK ANTENY.

Przy wyborze anteny do pracy w pasmach UKF często nie zdajemy sobie
sprawy z jej parametrów i podczas przeprowadzania qso oczekujemy więcej niż
jest to możliwe . A przecież antena jest najważniejszym elementem systemu
nadawczo-odbiorczego i powinniśmy jej poświęcić najwięcej uwagi.

Na samym początku musimy podjąć decyzję jaki rodzaj propagacji będzie
preferowany . Inaczej projektuje się anteny wyczynowe np. służące do EME, a
jeszcze inaczej do przeprowadzania łączności via AURORA, MS, ES lub do
zawodów . Jeżeli chcemy uzyskiwać wyniki na wysokim poziomie to musimy
dokonywać wyboru i stosować własciwe konstrukcje specjalnie zaprojektowane
do realizacji wyznaczonego celu.

Ponieważ o antenach ukazało się kilka bardzo dobrze napisanych opracowań
informacje o podstawowych parametrach zostaną pominięte. Powszechnie
wiadomo, że wiara we własną antenę czyni cuda i jej zysk kierunkowy zwiększa
się o „3dB” hi!.

I tak antena jako źródło promieniowania fal elektromagnetycznych wysyła
energię lub gdy odbiera indukuje ją w postaci prądów w.cz. nie jednakowo w
różnych kierunkach.

Graficznym odzwierciedleniem jest charakterystyka promieniowania anteny
definiowana jako rozkład pola elektrycznego na powierzchni kuli o bardzo
dużym promieniu, której środek pokrywa się ze środkiem anteny.

Najczęściej przyjętym sposobem przedstawiania charakterystyki
promieniowania jest jej przekrój w pewnej płaszczyźnie w układzie
współrzędnych biegunowych. Dzięki temu możemy zobrazować kierunek
maksymalnego promieniowania, wydzielić minima charakterystyki
promieniowania i określić tzw. wiązkę główną, wiązki boczne i wsteczne.
Kiedy mamy zamiar zastosować antenę w systemie nadawczo-odbiorczym, to
jesteśmy najbardziej zainteresowani tym jak sprawnie nasza antena zamienia
energię dostępną na jej zaciskach na energię wypromieniowaną w przestrzeń
wraz z jej właściwościami kierunkowymi.
Dlatego też dobrze jest określić zysk anteny w powiązaniu z szerokością kąta
połowy mocy w płaszczyznach V i H wiązki głównej . Jest to kąt zawarty
między punktami charakterystyki, w których gęstość mocy spada o połowę
(-3dB).

Typowa charakterystyka promieniowania :

Wzór przybliżony:

Gd [dBd] = 10 log (25154/ kąt V x kąt H)

kąt połowy mocy V i H - w stopniach

pozwoli obliczyć zysk anteny w stosunku do dipola półfalowego wtedy , gdy
poziom listków bocznych nie przekracza 20dB. W przeciwnym razie należy
uwzględnić straty z powodu wiązki bocznej i wstecznej.
Zysk w stosunku do anteny izotropowej:

Gi [dBi] = Gd + 2,15

W praktyce , do łączności wyczynowych używa się anten wieloelementowych i
ich charakterystyka promieniowania jest wypadkową nakładania się
charakterystyk poszczególnych dipoli z uwzględnieniem amplitudy i fazy

sprowadzonych do punktu zasilania anteny. Obliczenia stają się trudniejsze.
Projektowanie takich anten jest bardzo skomplikowane i dopiero
rozpowszechnienie metod numerycznych przy pomocy komputerów pozwoliło
na postęp w tej dziedzinie. I tak poprzez optymalizację parametrów uzyskano
ciekawe rezultaty. Jednak należy sobie zdawać sprawę z faktu, że jednoznaczna
optymalizacja trzech najważniejszych parametrów anteny jest bardzo trudna.
Ponadto dostępne oprogramowanie pozwalające na modelowanie anten nie
uwzględnia wielu ważnych zjawisk fizycznych (np. warunki brzegowe) co bez
znajomości teorii anten może doprowadzić do błędnych wyników.

Ostatecznym sprawdzianem poprawnosci projektu jest wykonanie prototypu
anteny , pomiar fizycznych parametrów i porównanie wyników otrzymanych
podczas symulacji komputerowej. Jest to proces bardzo złożony i niezwykle
trudny do przeprowadzenia.

WSPÓŁCZYNNIK PRZYDATNOŚCI STACJI ODBIORCZEJ G/T [dB/K]

G/T [dB/K] - jest to stosunek zysku energetycznego anteny do zastępczęj
temperatury szumów będącej wypadkową temperatury szumowej anteny, linii
transmisyjnej i odbiornika.

Jeżeli antenę będziemy obracali po niebie i kierowali ją na różne obiekty np.
Cassiopeie, Mars, Słońce itp. to okaże się, że te obiekty wytwarzają pewną moc
szumów na zaciskach anteny. Zastępcza temperatura szumów zewnętrznych
zależy od charakterystyki promieniowania anteny i temperatury zastępczej
źródeł szumu.

Całkowita temperatura zastępcza anteny wynosi:

Tz

= Ta + T ap ( 1/

η

- 1 )

Ta - zastępcza temperatura źródeł zewnętrznych ( = Tsky + Tearth )
Tap - jest fizyczną temperaturą anteny

η

- sprawność energetyczna anteny

Po dokonaniu dokładnej analizy szumów łącza antena-odbiornik można
wyznaczyć współczynnik G/T i wówczas uzyskamy informację na temat
prawdziwych możliwości naszej anteny i przydatności do założonego celu.

Przykłady obliczeń G/T znanych anten wg. VE7BQH programem Yagi Analysis
dla szyków 4 anten wraz z zestawieniem zbiorczym :

Co z tego wynika i po co nam G/T ?

Część starych komercyjnie zaprojektowanych anten Yagi w latach 1970-

80 zdecydowanie odbiega pod względem efektywności i parametrów
elektrycznych od nowoczesnych rozwiązań. Wówczas do pracy wyczynowej
projektowano anteny z możliwie jak największą ilością elementów mając na
celu uzyskanie maksymalnego zysku. Podobnie zalecano stosowanie dużych
odstępów między antenami w szykach. Dawało to pożądany rezultat – duży
zysk. Jako kompromis takiego połaczenia anten mieliśmy niestety wysoko
wysunięte wiązki boczne. Nawiązując do pierwszej części artykułu powodowało
to duży udział listków bocznych i wstecznych w całkowitej temperaturze
szumów systemu. W konsekwencji mimo dużego zysku systemu antenowego
stosunek odbieranego sygnału do szumu był niski. Mówiąc dosłownie wzrastał
poziom szumów odbieranych przez antene czego nie rekompensował nawet jej
duży zysk. Dlatego też nie zawsze powiększanie naszego systemu antenowego
przynosiło oczekiwane efekty... O tym właśnie mówi nam stosunek G/T – o tym
w jakim stopniu zysk naszej anteny rzeczywiście wykorzystany jest do odbioru
porządanego sygnału a nie szumów zewnętrznych.

Rozważania te nie dotyczą jednak tylko szyków antenowych. Już

projektowanie pojedyńczych anten wymaga uwzględnienia tego parametru. Co
więcej - nie dajmy się omamić – nie ma anteny doskonałej. Powyższe
rozważanie pomogą nam zrozumieć wagę decyzji do jakich celów służyć ma
nasza antena. Co dodatkowo komplikuje problem , rozważania te prowadzą do
różnych wniosków dla różnych pasm UKF ze względu na ich własności
fizyczne.

Parametr G/T ma zastosowanie w takich sytuacjach , gdy poziom

odbieranych sygnałów jest zbliżony do poziomu szumów toru odbiorczego.
Nawet minimalna poprawa stosunku G/T sprawi , że sygnały te będą czytelne.
Najlepszym przykładem zastosowania G/T jest projektowanie nowoczesnych
systemów przeznaczonych do pracy EME.

Podsumowując zauważmy różnice : zysk kierunkowy – skuteczność

nadawcza , G/T – skuteczność odbiorcza. Co więcej , zostało to potwierdzone
przez wielu doświadczonych kolegów w praktyce.

CIEKAWE PROJEKTY ANTEN UKF :

Anteny wyczynowe na pasmo 50 Mhz :

•

7 el. Yagi wg. SP7DCS – Gi = 12.9 dBi ; F/B = 36.2 dB ; Z

≈

75

Ω

;

optymalizowana pod kątem G/T

ELEMENT

POZYCJA DŁUGOŚĆ

R

0

294

W

120

284

D1

230

272

D2

445

264

D3

625

264

D4

785

260

D5

950

240

•

11 el. Yagi wg. SP7DCS – Gi = 15.3 dBi ; F/B = 32.2 dB ; Z

≈

75

Ω

;

optymalizowana pod kątem zysku

ELEMENT

POZYCJA DŁUGOŚĆ

R

0

299

W

77

284

D1

180

274

D2

370

268

D3

550

266

D4

755

260

D5

960

258

D6

1150

258

D7

1360

256

D8

1580

258

D9

1770

252

•

wszystkie elementy odizolowane od boom-u

•

średnica elementów 16mm

•

wibrator – dipol pętlowy

•

zasilanie poprzez symetryzator Pawsey’a oraz transformator

λ

/4

•

boom złożony z kwadratów o boku 25/35mm

Charakterystyki anteny 7 el. w wolnej przestrzeni :

Charakterystyki anteny 7 el. na wysokości 5m nad ziemią :

Charakterystyki anteny 7 el. na wysokości 15m nad ziemią:

Charakterystyki anteny 11 el. w wolnej przestrzeni :

Charakterystyki anteny 11 el. na wysokości 5m nad ziemią :

Charakterystyki anteny 11 el. na wysokości 15m nad ziemią :

Zdjęcie konstrukcji 7 el. wykonanej przez SP7DCS :