Tupla 5/8-aallon antenni APRS-tukiasemakäyttöön

Transkriptio

1 Sivu 1/24

2 Tupla 5/8-aallon antenni APRS-tukiasemakäyttöön Minkälainen antenni APRS-käyttöön? APRS-käyttöä ajatellen ympärisäteilevä vertikaalipolarisoitu antenni on toimiva ratkaisu. Kyseistä antennityyppiähän edustaa ajoneuvokäytössä olevat antennit. Liikkuvia APRS-asemia on kuitenkin käytössä jo melko paljon. Silloin on luonnollista käyttää samantyyppistä antennia myös kotiasemalla. Miten se olisi helppo toteuttaa? Toteutus miettiessä tulin siihen tulokseen että antennin tulisi olla sellainen että se olisi helppoa toteuttaa tarvikkeilla joita saa helposti hankittua. Tarvikkeiden hankinta ei saa olla kynnys antennin rakentamiselle samoin kun ei liian vaikea tekninen rakenne joka vaatisi mittalaitteiden käyttöä. Harvalla harrastajalla on käytössä mittalaitteita. SWR-mittari lienee yksi niistä joita on käytössä suurimmalla osalla. Millä sitä suunniteltaisiin? MMANA- suunnitteluohjelma valittiin tähän tarkoitukseen sen monipuolisuuden vuoksi. Kun ohjelmaan pääsee hiukan sisälle, on sillä helppo mallintaa erilaisia vaihtoehtoja. Ohjelmaa on parikin versiota. MMANA ver ja MMANA-GAL. Valittiin 5/8-aallon antenni lähtökohdaksi Aloitettiin suunnittelu pohjautuen tietoon mitä löytyy 5/8-aallon antennista. Antennihan on ollut omimillaan autokäytössä jolloin 5/8-elementti on sovitettu syötöltään 50 ohmiin auton metalliosien toimiessa maatasona. 5/8-aallon antenni ei ole kovinkaan paljon rakenneltu itse johtuen sen sovittamisesta 50 ohmiin. Helpompaa on ollut autokäytössä tehdä ½-aallon antenni joka on vain suora tikku ja sen saa sovitettua helposti 50 ohmiin. Puolen aallon antenni on tosin vaatimattomampi ominaisuuksiltaan kuin 5/8. Tuplattiin säteilevien elementtien määrä koska ei ollut tarkoituksena käyttää maatasoa missään muodossa. Ground Plane- eli maatasoantennihan on antenni jossa on maatasot muodostettu radiaalisäteilijöillä jotka ovat useimmiten suunnattu alaviistoon syöttöpisteen läheisyydestä. Ajoneuvokäytössähän 5/8-antenni toimii käsittääkseni niin että maataso eli vaikkapa katon pinta muodostaa kuvitteellisen syöttöpisteestä alaspäin suunnatun 5/8-aallon elementin. Sivu 2/24

3 Suunnittelu Säteilevä elementti Ainepaksuudeksi valittiin 16 mm ulkohalkaisijainen alumiiniputki 2 mm seinämävahvuudella. Elementit kiinnitettiin 8 mm akryylilevyn palaan. Impedanssi ja reaktanssi Elementin impedanssiksi saatiin ohjelmalla noin 91 j312 ohmia. Tässä vaiheessa ei mietitty vielä asiaa syötön sovittamisen kannalta vaan optimoitiin asiaa vahvistuksen osalta. Vahvistukseksi ohjelma lupasi 9,18 dbi joka tuntuu aika suurelta. Dipoli-antenniin verrattuna vahvistus olisi 9,18-2,14 = n. 7 dbd. Dipoli-antenniin verrattuna vahvistus olisi siis aika kovaa luokkaa. Elementtien pituudeksi saatiin 1249 mm. Elementtien väliin jätettiin 10 mm tila. Antennin asennuskorkeus olisi noin 7-8 metriä maanpinnasta. Alla MMANA- ohjelmasta otettuja kuvia josta käy ilmi teknisiä tietoja. Sivu 3/24

4 3D FF malli MMANA-ohjelmalla luotuna. Vahvistus GA taajuuden funktiona (MMANA) Sivu 4/24

5 Sovitusosa Antennin säteilijöitä sovitettaessa syöttökaapeliin on kaksi vaihtoehtoa: Epäsymmetrinen syöttö Epäsymmetrisen syötön edut ja haitat Edut Helppo ja nopea rakentaa Yksinkertainen Haitat Epäsymmetrisyyden aiheuttamat ongelmat säteilykuvioon johtuen siitä että syöttökaapeli toimii säteilevänä elementtinä koska siihen muodostuu manttelivirtoja. Tapoja suorittaa epäsymmetrinen sovitus L/C-sovitus Perinteinen sovitus kelan ja kondensaattorin avulla Sivu 5/24

6 COT-sovitus Sovitus tehdään käyttämällä sähköisiltä mitoiltaan tietyn aallonpituuden mittaisia eri impedanssisia koaksiaalikaapeleita esim. 50/75 ohmia. Symmetrinen syöttö Symmetrisen syötön tuomat edut ja haitat Edut Säteilykuvio on puhtaampi, kun manttelivirrat on saatu poistettua tai minimoitua. Haitat Häviöt saattavat muodostua liian suuriksi saatuihin etuihin verrattaessa. Sivu 6/24

7 Miten tehdä symmetrinen syöttö? Pawsey-elementti, manttelivirrat eivät eliminoidu täysin johtuen sovituksen epäsymmetrisestä mekaanisesta rakenteesta. Tällainen on Pawsey-elementti. Toroidien käyttö manttelivirran poistoon, toroidien hankinta on ehkä vaikeaa. Toroideja käytetään enimmäkseen alemmilla taajuusalueilla (HF). tätä vaihtoehtoa ei tarkemmin harkittu. Balansoidun siirtolinjasovituksen valinta. Valittiin käytettäväksi balansoitua siirtolinjan sovitusta koska kirjallisuudesta löytyi tietoa sen käytöstä VHF:llä eli samalla alueella jossa 2 metrin APRS-toimintaakin on. Toisaalta tähän vaikutti MMANA-ohjelman mukanaan tuomat edut (Line Match) Linjan periaate Kuvassa on sovitettu aallonpituuden mittainen Dipoli linjaan jonka impedanssi on Zo. Sivu 7/24

8 Miten linjan impedanssi (Zo) saadaan määriteltyä? Siirtolinjalla on tietty impedanssi joka määräytyy rinnakkain olevien johtimien halkaisijasta sekä niiden välisestä etäisyydestä. Johtimien välillä oleva väliaine vaikuttaa myös impedanssiin. Impedanssi määräytyy alla olevan kaavan mukaan kun oletetaan että linjan johtimien väliaineena on ilma. Seuraavissa taulukoissa on laskettu valmiiksi eri arvoilla olevia impedansseja. Laitoin tähän mukaan muutaman taulukon. Jos siirtolinjaa varten valittu langan paksuus on eri kuin minulla voi tästä katsoa oikean arvon laskematta. Jos valittuja mittoja ei suoraan löydy taulukosta voi käyttää kaavaa yläpuolelta jolla ne sitten laskee valitun tarkkuuden mukaan. Taulukoista pitäisi kyllä löytyä riittävä määrä vaihtoehtoja että riittävään tarkkuuteen päästään. Sivu 8/24

9 Siirtolinjan impedanssi eri mitoilla D (mm) 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 d (mm) 1 0, ,9 95,3 0, ,3 157,9 115,4 74,6 0, ,3 196,2 157,9 125,5 95,3 63,3 0, ,8 224,6 187,8 157,9 131,7 107,3 83,1 56,0 0, ,0 247,3 211,3 182,4 157,9 135,9 115,4 95,3 74,6 50, ,7 266,3 230,7 202,5 178,7 157,9 138,9 121,1 103,9 86, ,9 282,7 247,3 219,5 196,2 176,0 157,9 141,2 125,5 110, ,1 297,0 261,9 234,2 211,3 191,5 173,9 157,9 143,0 128, ,8 309,8 274,8 247,3 224,6 205,1 187,8 172,2 157,9 144, ,3 321,3 286,4 259,1 236,5 217,2 200,2 184,9 170,9 157, ,7 331,9 297,0 269,8 247,3 228,1 211,3 196,2 182,4 169, ,4 341,5 306,7 279,6 257,2 238,1 221,4 206,5 192,9 180, ,3 350,5 315,7 288,6 266,3 247,3 230,7 215,9 202,5 190, ,6 358,8 324,1 297,0 274,8 255,9 239,3 224,6 211,3 199, ,3 366,6 331,9 304,9 282,7 263,8 247,3 232,7 219,5 207, ,6 373,9 339,2 312,2 290,1 271,2 254,8 240,2 227,1 215, ,4 380,7 346,1 319,1 297,0 278,2 261,9 247,3 234,2 222, ,9 387,2 352,6 325,7 303,6 284,8 268,5 254,0 241,0 229, ,1 393,4 358,8 331,9 309,8 291,1 274,8 260,3 247,3 235, ,9 399,3 364,7 337,8 315,7 297,0 280,7 266,3 253,4 241, ,5 404,9 370,3 343,4 321,3 302,7 286,4 272,0 259,1 247, ,9 410,2 375,6 348,7 326,7 308,1 291,8 277,5 264,6 252, ,0 415,3 380,7 353,9 331,9 313,2 297,0 282,7 269,8 258, ,9 420,2 385,6 358,8 336,8 318,2 302,0 287,6 274,8 263, ,6 424,9 390,4 363,5 341,5 322,9 306,7 292,4 279,6 267, ,1 429,4 394,9 368,1 346,1 327,5 311,3 297,0 284,2 272, ,5 433,8 399,3 372,4 350,5 331,9 315,7 301,4 288,6 277, ,7 438,0 403,5 376,7 354,7 336,1 320,0 305,7 292,9 281, ,7 442,1 407,6 380,7 358,8 340,2 324,1 309,8 297,0 285,4 Sivu 9/24

10 D (mm) 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 d (mm) 3 115,4 107,3 99,4 91,3 83,1 74,6 65,7 56,0 45,0 31, ,9 151,0 144,4 138,0 131,7 125,5 119,4 113,4 107,3 101, ,8 181,4 175,2 169,3 163,5 157,9 152,4 147,1 141,8 136, ,3 205,1 199,1 193,3 187,8 182,4 177,3 172,2 167,3 162, ,7 224,6 218,7 213,1 207,7 202,5 197,4 192,5 187,8 183, ,3 241,3 235,5 229,9 224,6 219,5 214,5 209,7 205,1 200, ,9 255,9 250,1 244,6 239,3 234,2 229,3 224,6 220,0 215, ,8 268,8 263,1 257,6 252,4 247,3 242,5 237,8 233,2 228, ,4 280,5 274,8 269,3 264,1 259,1 254,3 249,6 245,1 240, ,0 291,1 285,4 280,0 274,8 269,8 265,0 260,3 255,9 251, ,7 300,8 295,2 289,7 284,6 279,6 274,8 270,2 265,7 261, ,7 309,8 304,2 298,8 293,6 288,6 283,8 279,2 274,8 270, ,1 318,2 312,5 307,1 302,0 297,0 292,2 287,6 283,2 278, ,9 326,0 320,3 315,0 309,8 304,9 300,1 295,5 291,1 286, ,2 333,3 327,7 322,3 317,1 312,2 307,4 302,9 298,5 294, ,1 340,2 334,6 329,2 324,1 319,1 314,4 309,8 305,4 301, ,6 346,7 341,1 335,7 330,6 325,7 320,9 316,4 311,9 307, ,8 352,9 347,3 341,9 336,8 331,9 327,1 322,6 318,2 313, ,7 358,8 353,2 347,8 342,7 337,8 333,0 328,5 324,1 319, ,3 364,4 358,8 353,4 348,3 343,4 338,6 334,1 329,7 325, ,6 369,7 364,1 358,8 353,7 348,7 344,0 339,4 335,1 330, ,7 374,9 369,3 363,9 358,8 353,9 349,1 344,6 340,2 336, ,6 379,8 374,2 368,8 363,7 358,8 354,1 349,5 345,1 340, ,4 384,5 378,9 373,5 368,4 363,5 358,8 354,2 349,9 345, ,9 389,0 383,4 378,1 373,0 368,1 363,3 358,8 354,4 350, ,3 393,4 387,8 382,5 377,3 372,4 367,7 363,2 358,8 354, ,5 397,6 392,0 386,7 381,6 376,7 371,9 367,4 363,0 358, ,6 401,7 396,1 390,8 385,6 380,7 376,0 371,5 367,1 362,9 Sivu 10/24

11 D (mm) 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 d (mm) 4 95,3 89,3 83,1 76,8 70,2 63,3 56,0 47,9 38,7 27, ,7 126,7 121,8 117,0 112,2 107,3 102,6 97,7 92,9 88, ,9 153,3 148,8 144,4 140,1 135,9 131,7 127,5 123,5 119, ,7 174,4 170,1 165,9 161,9 157,9 153,9 150,1 146,3 142, ,2 191,9 187,8 183,8 179,8 176,0 172,2 168,5 164,9 161, ,3 207,1 203,1 199,1 195,2 191,5 187,8 184,2 180,7 177, ,6 220,5 216,5 212,6 208,8 205,1 201,5 197,9 194,5 191, ,5 232,4 228,5 224,6 220,8 217,2 213,6 210,1 206,7 203, ,3 243,3 239,3 235,5 231,8 228,1 224,6 221,2 217,8 214, ,2 253,2 249,3 245,4 241,7 238,1 234,6 231,2 227,9 224, ,3 262,3 258,4 254,6 250,9 247,3 243,8 240,4 237,1 233, ,8 270,8 266,9 263,1 259,4 255,9 252,4 249,0 245,7 242, ,7 278,7 274,8 271,0 267,4 263,8 260,3 257,0 253,7 250, ,1 286,1 282,2 278,4 274,8 271,2 267,8 264,4 261,1 257, ,0 293,0 289,2 285,4 281,8 278,2 274,8 271,4 268,2 265, ,6 299,6 295,7 292,0 288,4 284,8 281,4 278,0 274,8 271, ,8 305,8 302,0 298,2 294,6 291,1 287,6 284,3 281,1 277, ,7 311,7 307,9 304,2 300,5 297,0 293,6 290,3 287,0 283, ,3 317,4 313,5 309,8 306,2 302,7 299,2 295,9 292,7 289, ,7 322,8 318,9 315,2 311,6 308,1 304,6 301,3 298,1 294, ,9 327,9 324,1 320,3 316,7 313,2 309,8 306,5 303,2 300, ,8 332,8 329,0 325,3 321,7 318,2 314,7 311,4 308,2 305, ,5 337,6 333,7 330,0 326,4 322,9 319,5 316,2 313,0 309, ,1 342,1 338,3 334,6 331,0 327,5 324,1 320,8 317,5 314, ,5 346,5 342,7 339,0 335,4 331,9 328,5 325,1 321,9 318, ,7 350,7 346,9 343,2 339,6 336,1 332,7 329,4 326,2 323, ,8 354,8 351,0 347,3 343,7 340,2 336,8 333,5 330,3 327,1 Nämä arvot ovat lähellä esimerkkilinjaa. Sivu 11/24

12 D (mm) 4 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 d (mm) 5 83,1 78,0 72,9 67,5 61,9 56,0 49,6 42,6 34,5 24, ,4 111,3 107,3 103,4 99,4 95,3 91,3 87,2 83,1 78, ,9 135,3 131,7 128,1 124,6 121,1 117,7 114,2 110,8 107, ,9 154,4 151,0 147,7 144,4 141,2 138,0 134,8 131,7 128, ,9 170,6 167,3 164,1 161,0 157,9 154,8 151,8 148,8 145, ,8 184,6 181,4 178,3 175,2 172,2 169,3 166,3 163,5 160, ,2 197,0 193,9 190,8 187,8 184,9 182,0 179,1 176,3 173, ,3 208,1 205,1 202,1 199,1 196,2 193,3 190,6 187,8 185, ,4 218,3 215,3 212,3 209,3 206,5 203,7 200,9 198,2 195, ,7 227,6 224,6 221,6 218,7 215,9 213,1 210,4 207,7 205, ,3 236,3 233,2 230,3 227,4 224,6 221,8 219,1 216,5 213, ,3 244,3 241,3 238,4 235,5 232,7 229,9 227,2 224,6 222, ,8 251,8 248,8 245,9 243,0 240,2 237,5 234,8 232,2 229, ,9 258,8 255,9 253,0 250,1 247,3 244,6 241,9 239,3 236, ,5 265,5 262,5 259,6 256,8 254,0 251,3 248,6 246,0 243, ,8 271,8 268,8 265,9 263,1 260,3 257,6 255,0 252,4 249, ,7 277,7 274,8 271,9 269,1 266,3 263,6 261,0 258,4 255, ,4 283,4 280,5 277,6 274,8 272,0 269,3 266,7 264,1 261, ,8 288,8 285,9 283,0 280,2 277,5 274,8 272,2 269,6 267, ,0 294,0 291,1 288,2 285,4 282,7 280,0 277,4 274,8 272, ,0 299,0 296,0 293,2 290,4 287,6 285,0 282,3 279,8 277, ,7 303,7 300,8 298,0 295,2 292,4 289,7 287,1 284,6 282, ,3 308,3 305,4 302,5 299,7 297,0 294,3 291,7 289,2 286, ,7 312,7 309,8 306,9 304,2 301,4 298,8 296,1 293,6 291, ,0 317,0 314,1 311,2 308,4 305,7 303,0 300,4 297,9 295, ,1 321,1 318,2 315,3 312,5 309,8 307,1 304,5 302,0 299,5 Siirtolinjaan valitsin antennikaapelin sydänlankaa kun oli jäänyt nurkkiin pyörimään muutamia kaapelinpätkiä. Seuraavalla sivulla on kuva rakenteilla olevasta siirtolinjasta. Siirtolinjan kokonaispituus on 28 cm eli cm. Sivu 12/24

13 Mitat kuvassa on saatu MMANA ohjelman avulla Kuva MMANA- ohjelman Options and setup osiosta Sivu 13/24

14 Edellisessä kuvassa olevat mitat L1 ja L2 (Var1) hieman heittävät paperilla oleviin nähden mutta aika pieniä eroja niissä on. Tämä johtuu siitä että ohjelmassa on tarkempia arvoja ja se on tehty jälkikäteen esimerkin vuoksi. Linjaa ei myöskään lähdetty taivuttelemaan vaan syöttöpiste Zi on linjan keskivaiheilla. Balunin johtimet kiinnitetään siihen kohtaan. D = linjan johtimien välinen etäisyys keskeltä keskelle mitattuna (mm). d= siirtolinjan johtimien halkaisija (mm). Tutkiskeltuani asiaa totesin seuraavaa: 200 ohminen linja vaatii pitkän sovitusosan 300 ohminen linja valittiin koska sovituselementti lyhenee Valittiin 300 ohminen linja tämän vuoksi. Siirtolinjan päähän juotettiin Abiko kaapelikengät joilla saatiin liitettyä siirtolinja antennielementteihin. Kaapeliliittimet siirtolinjan päissä Sivu 14/24

15 Symmetrisen eli balansoidun syötön rakentaminen. (Balanced -Unbalanced = BALUN) 50/200 ohmisen koaksiaalikaapeli balunin rakentaminen. Periaatekuvia alla RG214 kaapeli valittiin balunin tekoon jotta ei tulisi suuria häviöitä. nopeuskerroin (=Vf) RG213 / RG214 kaapelilla on 0,66 Sivu 15/24

16 Mekaaninen pituus / sähköinen pituus Mekaaninen puolen aallon linja saadaan laskettua kun määritellään aallonpituus joka on valonnopeus jaettuna taajuudella /144.8 = metriä puolen aallon pituus on siten / 2 = metriä kun tämä kerrotaan kaapelin nopeuskertoimella, saadaan m * 0.66 = metriä eli L = mm Tässä on nyt tullut aika hajanaista tietoa mutta alla olevat kuvat auttavat lyömään asian nippuun. Antennin mekaniikka ja rakentaminen Säteilevät elementit Alumiiniputket kiinnitettynä akryylinpalaan. Kuvassa näkyy siirtolinja. Sivu 16/24

17 Sovitusosa Näillä mitoilla pitäisi onnistua. Balun RG 214 päät kuorittuna Sivu 17/24

18 Balun ja sovitusosa liitettynä toisiinsa Balun liitettiin juottamalla siirtolinjaan Baluniin kytkettiin 200 ohmin resistanssi linjan avoimeen päähän kohtaan johon tultaisiin kiinnittämään siirtolinja myöhemmässä vaiheessa.. Katsottiin SWR-mittarilla että linja on ok. SWR oli luokkaa Todettiin että 50/200 balun toimii kunnolla. Kiinnitettiin balun siirtolinjaan. Sivu 18/24

19 Epoksiliimalla suojattiin balunin johtimet Kytkettiin balun ja siirtolinja antenniin ja suoritettiin SWR-mittaus uudelleen kun vastuksen tilalla oli siirtolinja. SWR oli luokkaa 1.1 Sivu 19/24

20 Kokeilu Kokeiltiin antennin toimintaa toistinaseman kautta pidettävällä yhteydellä ja todettiin että 45 km:n päässä oleva asema aukesi käsipuhelimen 500 mw teholla ja signaali oli puhtaan kuuloinen. Suoritettiin antennin maalaus Spray-menetelmällä. Kiinnitettiin osia paremmin kiinni ja nostettiin antenni paikoilleen väliaikaiseen mastoon. Todettiin että sopi maastoon värinsä puolesta oikein hyvin (oma mielipide). Antenni tuntuu toimivan ainakin paremmin kuin Slim-Jim joka oli käytössä 7 metriä ylempänä. Kokeilut jatkunevat kun kelit paranevat. Maaliskuun puoliväli ei ollut oikein suotuisaa aikaa antenniasennuksille. Alla muutama kuva vielä aiheesta Antenni valmiina väliaikaisessa mastossa Sivu 20/24

21 Helppo ottaa mukaan kun taittaa elementit näin. Pituus kasattuna alle 1.5 m Akryylinkappale kiinnitettynä puomiin Sivu 21/24

22 Antennissa jo uusi pintaväri Kuva siirtolinjasta valmiina Sivu 22/24

23 Kuva sovitusosan takaa säteilijöille päin Antenni häviää maisemaan aika hienosti Sivu 23/24

24 Tarvikeluettelo 2 kpl Alumiiniputkea 16 mm ulkohalkaisija 2 mm seinämällä 1249 mm pitkä. Akryyli tai muu eristelevy johon elementit kiinnitetään puomin materiaali voi olla mitä tahansa + kiinnikkeet mastoon 6 kpl 5x35 mm koneruuvi 12 kpl aluslevyjä 6 kpl 5 mm muttereita Kupari- tai messinkilankaa siirtolinjaan 1-5 mm halkaisijalla n. 600 mm pätkä. 2 kpl kaapelikengät siirtolinjan päihin RG213 tai RG214 tai vast. kaapelia baluniin ja syöttöön 2-3 m. Liitin valinnan mukaan antennin syöttöön (UHF tai N ti vast.) Epoksiliimaa balunin tiivistykseen (Araldit tai Super Epoxy tai muu vastaava) Mahdollisesti jokin pintamaali ja pohjamaali antenniin Nippusiteitä ja eristysnauhaa tarpeen mukaan. Tässä oli tämmöinen artikkeli jos haluaa alkaa puhdetöitä tekemään. Antenni oli helppo koota ja SWR:t osuivat kohdilleen mainiosti joten näillä mitoilla saa toimivan antenni melkoisella varmuudella. Kuvamateriaalia on ehkä liikaakin, mutta jos yhdessä kuvassa on tuhat sanaa, säästyy aika paljolta kirjoittamiselta. Kuullaan tai nähdään APRS:llä. 73! ja kevään jatkoja 23. Maaliskuuta 2007 Ari OH5KFP Lähteet VHF/UHF Manual Fourth Edition G.R.Jessop G6JP / Radio Society of Great Britain ISBN: MMANA / Makoto Mori JE3HHT - Help files Wikipedia The ARRL Handbook v.2004 for Radio Communications ISBN: Sivu 24/24