HF-TAAJUUKSIEN ETENEMISESTÄ JA YHTEYKSIEN MUODOSTUMISESTA SEKÄ ANTENNIN SUUNNITTELUSTA MMANA-OHJELMAN AVULLA. 28.01.2012/OH5KFP Yllä olevassa kuvassa on nähtävissä HF-alueen radioyhteyden periaatteellinen muodostuminen. Yhteyden muodostuminen ei kuitenkaan ole näin yksiselitteistä. • • • Lähialueen yhteydet hoituvat pinta-aallolla [GROUND WAVE]. Kaukoyhteydet hoituvat ionosfäärin kautta heijatumalla [SKY WAVE]. Ongelmallinen alue on niiden väliin jäävä alue [SKIP ZONE]. Alla sama tilanne toisella tavalla hahmoteltuna. NVIS-tyyppinen antennijärjestelmä on ratkaisu siihen että kuollutta aluetta (Skip Zone) voidaan käyttää yhteydenpidossa. Antennin säteily pitää saada ylöspäin. Sama tekniikka toimii myös alueelle jossa on korkeuseroja niin paljon että yhteyksien muodostaminen esim. VHF:llä ei onnistu Yllä olevat kuvat havainnollistavat NVIS:n ideaa. Jotta tilanne ei olisi näin helppo voidaan ottaa mukaan ionosfäärin erityispiirteet. Muutama fakta ionosfääristä • • • D-kerros häviää yöaikaan. Kerros vaimentaa päiväaikaan matalia taajuuksia (alle 10...15 MHz) joskin laskee korkeat läpi. E-kerros joko heijastaa radioaallot takaisin tai sitten ei. Riippuu kerroksen voimakkuudesta. Kerros heikkenee yöaikaan. F1 ja F2 kerrokset yhdistyvät yöaikaan F-kerrokseksi heijastaen matalat taajuudet takaisin. NVIS (Near Vertical incidence Skywave) Suunnittelua MMANAlla. Esitän seuraavassa omia ajatuksiani suurimmalta osin muualta lainattuina. Tarkoitus olisi kerrata muutamia perusasioita lähietäisyyksien (kotimaan) HF-työskentelystä. Antenniratkaisu johon tässä keskitytään on Inverted-Vee sekä mahdolliset variaatiot siitä. Yksi syy ko. antennityypin valintaan on se, että se on yksinkertainen, nopea sekä helppo pystyttää. Simulointiin on käytetty japanilaisen Makoto Morin, JE3HTT, kehittämää ohjelmaa MMANA. Ohjelma on vapaasti internetistä saatavilla. Karkeasti ajatellen dipoliantenni on yksinkertainen ja helppo virittää halutuille taajuuksille. Asiaa tutkitaan puhtaasti dipoliantennin lähtökohdista joista eräs muunnelma on Inverted-Vee. Veessä on syöttöpiste ylhäällä ja dipolin viikset laskeutuvat alaspäin. Alla KD5OM:n kuva asiasta. http://www.kd5om.com/build-an-inverted-vee.htm Tehdäänpäs ensin antenni MMANAn avulla. Kun sen kanssa on tarpeeksi viettänyt aikaa ja tahkonnut sen kanssa erilaisia variaatioita erehdyksien ja niitä seuranneiden oppimisten kautta ajattelin tehdä tämän kirjoitelman siksi että muut pääsisivät helpommin alkuun ohjelman kanssa. Tarkoitus ei ole antaa mitää yksiselitteistä tapaa käyttää ohjelmaa vaan antaa yksi malli jolla pääsee alkuun. Ohjelmasta löytää kyllä kaikenlaisia kokeilumahdollisuuksia melkein rajattomasti. Tässä käydään läpi vain osa niistä. Mielikuvitus asettaa lopulta rajat simuloinnille. Ohjelma on mielestäni melko helppokäyttöinen sitten kun muutamat perusasiat on selvillä. Ohjelman voi ladata täältä ----> http://gal-ana.de/basicmm/mmanabasic.zip Tässä artikkelissa käytetty versio on MMANA-GAL 1.2.0.20 Uudempaa versiota tuntuu tulevan säännöllisin väliajoin. Mitoitustaajuus olkoon vaikka 7.057 MHz (Turva 2012 päivävarataajuus). Ladataan ja avataan MMANA ohjelma. Geometry-välilehdellä nimetään projekti ja asetetaan taajuus. Kts.kuva alla Sarakkeessa R asetetaan antennielementin säde joka on oletuksena 0.8 mm . Langan paksuus on siis 1,6 mm. X / Y / Z – rivit täydentyvät kun antenni on piirretty. Sources – laatikkoon tulee tietoa syötöstä kun se on lisätty. Loads – laatikkoon voidaan lisätä mahdollisen kuorman arvoja ja resonanssipiirejä. Antennielementit voidaan myös segmentoida (tapering), Jos antennielementti muodostuu eri paksuisista putkista. Calculate- välilehdellä valitaan Wire Edit Piirretään antenni ruutupaperille noin suurinpiirtein mittoihin. Tässä ensimmäinen dipolin viiksi piirrettynä. Aktiivinen antenniosa on punaisella ja sille löytyy monia eri käsittelyvaihtoehtoja hiiren oikealla painikkeella. New Wire - toiminto mahdollistaa uuden langan lisäämisen. Edit Wire - mahdollistaa vanhan langan editoinnin. New Loop - Loopit syntyvät omalla valinnallaan helposti. Tälla välilehdellä on mielestäni helpointa muuttaa antennia. Esimerkiksi jos haluaa muuttaa dipolin elementtien välistä kulmaa antennin ripustamisen helpottamiseksi antennin sijoituspaikassa hyvissä ajoin ennen varsinaista TURVA-harjoitusta. Muuallakin muutokset onnistuvat mutta sitten pitää omata jo avaruusgeometriaan päivitetyt aivot. Piirretään loput. Kurkataan 3D View jotta hahmottaa antennin ja hyväksytään painamalla [OK]. Nyt on periaatteesa tehty ensimmäinen proto antennista – jatketaan eteenpäin [OK]. Zoom ja Rotate – säätimillä voidaan asiaa tutkia eri suunnilta. Kuvaan voidaan lisätä eri tasoja Display- kohdasta. Helpottaa usean tason käsittelyä. Nyt kannattaa lisätä syöttö antenniin dipolin keskelle. Tässä oli valittu Wire 2 ja syöttöpiste lisättiin begin of wire vaikka sitä ei suositella. Näin kuitenkin voi kun tiedetään että ollaan dipolin keskellä kiinni ja ollaan varmoja siitä että syöttöön tulee molemmat puolet kiinni. Jos syötön toinen pää on irti niin simuloinnissa sen huomaa. Tilanne on sama käytännössä jos esim. Koaksiaalin keskijohdin tai vaippa on irti. Syöttöjä voidaan lisätä useita ja niitä voidaan vaiheistaa mikä on hyvä asia esimerkiksi vaiheistettujen vertikaalin suunnittelussa. Calculate välilehdellä on nyt aktiivisena Start- painike ja sitä painamalla saadaan ensimmäiset arvot antennista. Jos niitä nyt tutkii niin ne on aika pahasti nutullaan. Elevaatio on kyllä oikein hyvä 90 astetta. SWR 88,5. Kyllä tämänkin varmaan saisi vireeseen . Ohjelmassa hienot apuvälineet Tools – välilehdella Options and Setup – kohdassa. Nyt ei mennä niitä tutkimaan. Yritetään pysyä teknisesti yksinkertaisen perusdipolin suunnilla sillä hyötysuhteella joka on dipolin kanssa mahdollista saada. Antennia olisi siis syytä optimoida. Lisätään optimointitaulukkoon seuraavat arvot joita halutaan optimoida. Wire n:o 2 laitetaan “assosioimaan” wire 1:n kanssa jolloin dipolin molemmat viikset säilyvät samanmittaisina toisiinsa verrattuna ja antennin symmetria säilyy. Wire 2 assosioi 1:n kanssa. Tähän voidaan myös kirjoittaa erilaisia kaavoja. Ohjelman helpissä on hyvät esimerkit siitä. Katsotaan ensin miltä näyttää antenni ilman optimointia Saadaan seuraava kuva ennen optimointia. Eipä onnistu optimointi kun antenni tuli hopulla suunniteltua. Siitäpäs tuli koko aallonpituuden mittainen. Näin siinä käy kun innostuu liikaa. Antenni kannattaa luonnostella paperille niin pääsee helpommalla eikä mene homma säätämiseksi. Koskaan ennen ei ole näin käynyt ja taas siinä onnistuttiin. Antennin suuntakuvio näyttää hyvältä mutta antennin syöttäminen on aivan mahdotonta arvojen perusteella. Hetken rauhoittumisen jälkeen tulee äkkiä mieleen että sen dipolin viiksi on 10 metriä pitkä 40 metrin alueella koska se on puoliaaltodipoli. Noin suunnilleen. Näissä ohjelmissa on hyvä pyrkiä edes jollakin tasolla sille hehtaarille jota ajetaan takaa. Muuten käy niin että ohjelma suoltaa diipadaapaa ja suurin innostus kaikkoaa simuloinnista. Laskentavaiheessa on hyvä katsella View – ikunasta antennin elementtien sijoitusta . Siitä voi helposti todeta jos optimointi alkaa menemään aivan poskelleen ohjelman ymmärtämien väärien lähtöarvojen vuoksi. Wire definition on helppo paikka muuttaa lankojen mittoja. Laitetaan sinne 10 metriä per puoli ja kokeillaan uudelleen saada parempia tuloksia. Wire Definitionin saa auki ko. elementtiä klikkaamalla. Lenght – kohtaan annetaan 10 metriä. Tässä nähdään että elementin Zenith angle on 101.31 astetta. Siispä dipolin elementtien välinen kulma on (180-101.31)*2=157.38 astetta jos se nyt ketään oikeasti kiinnostaa. Tämä on toinen helppo paikka jossa kulmat voi muutella elementtikohtaisesti. Tässä voisi vielä mainita sen, että mikäli R (0,8) muutetaan arvoon 0 ymmärtää ohjelma langan olevan eriste. Mainio ominaisuus jos suunnittelee vaikka MOXON – antennia. Jatketaanpas asiassa. Toisella kerralla saadaan seuraavia tuloksia. Nyt se on jo huomattavasti parempi. SWR on jo alle 3. Ollaan niin sanotusti “tontilla”. Lähtökulma on nyt 64 astetta – ei siis NVIS- eikä DX-antenni. Siirrytään optimointiin (optimization). Nyt dipolin viikset ovat 10 metrin mittaiset Lähdetään optimoimaan antennia. What – sarakkeessa on määritelty mitä muutetaan. Tässä tapauksessa viiksien pituutta. Len(st) Rivit 1 ja 2 tässä aukeavat hiiren oikealla ja vasemmalla antaen eri valinnat. Painetaan Start-painiketta kun halutut arvot on syötetty. Saadaan seuraavia tietoja antennista. Nyt päästiin SWR:ssä 1.84. Parempaan suuntaan mennään. Nyt onkin jo korkea aika tallettaa tulokset *. maa /*.mab ja *.mao jotta voidaan jatkaa optimointia myöhemminkin. Joskus vaan käy niin ettei muista talletella. Talletusasetukset löytyy vasemmasta yläkulmasta File-kohdan takaa. Nyt on perusantenni kasassa ja useilla välilehdillä on mahdollista muuttaa antennin arvoja ja optimointisuuntia. Veivataan optimointia vielä muutamilla eri vaihtoehdoilla. Gain / (F/B) / Elev / jX / SWR / Match / Current -liukusäätimillä voidaan valita painotus eri asioiden välillä. Optimointivaiheessa ohjelma kertoo mitkä ovat suhdeluvut eri asioiden välillä. Antennista saadaan mallinnettua mm. seuraavaa tietoa. Arvoista voidaan päätellä että antenni säteilee voimakkaasti ylöspäin kuten kuvasta näkyy (Punainen ympyrä oikealla). Tätä voisi jo sinällään käyttää. SWR 1.2 ja muutkin arvot kohdallaan. 3D FF – painikkeen takaa saadaan kolmiulotteinen kuva antennista jota voi hiiren avulla pyöritellä mielivaltaisesti hahmottamisen tukena. Minulle vaikea asia on ollut tuo Ga: 6.5 dBi = 0 dB. Asia pitää vaan muistaa niin että referenssitaso 0 dB on 6,5 dBi. Tähän referenssitasoon perustuu antennista saatava tekninen tieto. Plots- välilehdeltä saadaan seuraavia kuvia. Antennikorkeuden muuttuessa muuttuu monikin asia. Tässä suuntakuvion kannalta tarkastelu. On syytä edelleen pitää mielessä, että pyritään mahdollisimman suureen ylöspäin suuntautuvaan tehon säteilyyn. Toisin kuin yleensä, koska kaukoyhteyksissä yritetään saada antennin säteilyn matala lähtökulma. NVIS-antennissa perusperiaatteena on se että antennin korkeus on maanpinnasta noin 0,15 aallonpituutta. Tällöin maanpinta toimii heijastavana elementtinä ja antennin säteily suuntautuu ylöspäin. Suuntakuvio ei suuremmalti muutu vaikka taajuus muuttuukin 5,707 – 8,407 MHz. Syöttöimpedanssi [R + jX] (24,2 -j330 - 140,8 +j331,1) asettaa nuo suurimmat rajoitukset käytännössä. Tehdäänpäs niin että lasketaan antennia Add height lokeroon voi kirjoittaa suoraan arvon (3.4 m) ja inforuudusta näkee että antennin matalin kohta on 6,419 m. Ero lukemien välillä johtuu alkuvaiheen hätäilystä kun oli hoppu päästä piirtämään antennia “ruutupaperille” Material valikosta valitaan Cu Wire (Tässä vielä No loss) Groundiin valinta Real (Ei siis Free Space jota kyllä voi kokeilla huomatakseen että maan vaikutus antenniin on suuri) Tehdään optimointi nyt uudella korkeudella. Muutetaan Step 0.01 metriin jotta saadaan optimointi tarkemmaksi. Painotetaan SWR ja jX enimmäkseen. Ohjelmassa ei kannata painottaa Gainia tässä tapauksessa paljoa koska minulla on aavistus, että tämä ei osaa optimoida sitä oikein vaan painottuu optimoinnissa vaakasuuntaan eli loivalle lähtökulmalle. Start- painikkeen kimppuun ja odotusta. Tässä olisi yksi versio 7,057 MHZ:n NVIS-antennista. Arvot ovat hyviä ja tämän perusteella rakentaisin antennin näillä mitoilla esim. TURVA- harjoitusta ajatellen. Tehon suurin suuntautuminen tapahtuu ylöspäin . Impedanssi on kohdallaan samoin kun seisovan aallon suhde on jo melkein ideaalinen. Tehdään seuraavaksi muutoksia antenniin kun jo tiedetään millainen sen pitäisi olla. Nostetaan antenni ja tutkitaan vaikutusta suuntakuvioon. Suoritetaan optimointi niin että muutetaan antennin alimman kohdan korkeudeksi 19 metriä. Suoritetaan dipolin mittojen optimointi pituuden suhteen ja saadaan seuraava kuva aikaan. Tarkasteltaessa suuntakuviota voidaan todeta että noin silmämääräisesti puuttuu vahvistusta suoraan ylöspäin 6,71 – (5,13-12) = 13,58 dB. Loppuajatuksia simuloinnista • • • • • • Antenni korkeus aiheuttaa aika suuren muutoksen: Ero ylöspäin suuntautuvassa vahvistuksessa 13,58 dB Lähtökulman maksimi joko 44.8 tai 90 astetta. Ei ole sama millä antennilla kotimaanyhteyksiä ajelet. DX-käyttöön suunniteltu antenni EI ole NVIS-antenni ja päinvastoin. 10 Watilla ja ja antennin matalimman kohdan ollessa 6,4 metriä vastaa tilannetta 228 Wattia ja 18,9 metrin korkeudessa. Paitsi että vastaanotossa saat häiriöitä ja kohinaa vastaanottimeen enemmän 18,9 metrin korkeudelta. Tämä korkeus oli hyvä kaukoyhteyksiä ajatellen. Tässä oli muutamat mietteet. Ei muuta kun kokeilemaan 73 de OH5KFP Ari