hf-taajuuksien etenemisestä ja yhteyksien muodostumisesta sekä

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