Любительские антенны для домашнего изготовления

Антенны Eggbeater II Omni LEO

Джеральд Р. Браун, K5OE, 2000 г.
wb5rmg.somenet.net/k5oe/

Eggbeater_2

          Здесь представлена высокопроизводительная всенаправленная антенна с круговой поляризацией, которая проста в сборке, проста в настройке, недорогая и будет работать со всеми спутниками на низкой околоземной орбите. Я построил несколько традиционных "взбивателей яиц" (Eggbeater) из описаний, которые ходят в Интернете, но никогда не был удовлетворен их общей производительностью. Эта конструкция является результатом моих исследований методов улучшения характеристик "оригинальной" взбивалки для яиц без отказа от простой конструкции.

Справочная информация:

          Антенна "взбивалка" (Eggbeater) - это всенаправленная антенна, использующая круговую поляризацию для максимального захвата сигнала со спутников на низкой околоземной орбите (НОО). По сути, это всего лишь две полноволновые петли, питаемые в квадратуре. Коммерческие версии доступны от M2 Antennas. Вариант домашнего изгшот овления для сада использует линию «фазирования» с углом 90 градусов для обеспечения фиксированной правой круговой поляризации (RHCP). В нем также может использоваться пара паразитных рефлекторных элементов для большей фокусировки диаграммы направленности вверх. Этот эффект делает антенну "усиленной", но это усиление происходит за счет приема на малых высотах. К горизонту линейно-горизонтально поляризованной.

          Мои наблюдения в эфире о превосходных характеристиках "взбивалок яиц" привели к некоторым догадкам, за которыми последовали эксперименты, результатом которых стало издание Texas Potato Mashers (январь/февраль 1999 г., журнал AMSAT ). TPM улучшил коаксиальное усиление "взбивалок" за счет изменения формы петли в квадрат и перемещения отражателя ближе к ведомому элементу. С тех пор это моя рабочая LEO-антенна, но, конечно же, это направленная антенна.

          Тем не менее, встает вопрос, как улучшить взбивалку как всенаправленную антенну? Следует отметить пару точек данных: по сравнению с прямыми служебными данными типичный спутник LEO имеет потери на трассе в свободном пространстве около 6 дБ при 30 градусах и еще 6 дБ на горизонте. Это означает, что идеальная всенаправленная антенна будет иметь диаграмму угла места -6 дБ от 30 градусов до 90 градусов, фокусируя усиление от горизонта до угла места 30 градусов - там, где вам это нужно больше всего.

Eggbeater_2 70cm

         Я размышлял над этой проблемой проектирования (как легко создать лучшую всенаправленную антенну для спутников) с тех пор, как прочитал статью AA2TX на симпозиуме AMSAT 1998 года («Всенаправленная антенна для приема в режиме J, спутники LEO»). Тони представляет новый и эффективный дизайн и приводит несколько моментов, заставляющих задуматься. Рекомендуется к прочтению. Однако его прототипную конструкцию может быть сложно воспроизвести среднему механику на заднем дворе.

Конструкция:

          Если вы используете «оригинальную» взбивалку в качестве отправной точки, легко описать этот улучшенный дизайн, получивший название Eggbeater II, с точки зрения отличий и отклонений. Первое отличие состоит в том, что для ведомых элементов не используется круглая "петля". Вместо этого образуются прямоугольники. Моделирование показало мне, почему у оригинальной "взбивалки" никогда не было КСВ ниже 1,5: 1. Входное сопротивление круглых контуров с отражателем было близко к 90 Ом - слишком мало. Если начать с квадрата и «поиграть» с формой, я нашел очень хорошее совпадение на 100 Ом, чисто резистивное. Поскольку два прямоугольных контура питаются в квадратуре (но не в фазе), результирующая точка питания очень близка к 50 Ом без реактивного сопротивления. Антенна линейно поляризована по горизонтали, и диаграмма направленности становится все более и более правосторонней с круговой поляризацией (RHCP) по мере увеличения диаграммы угла места.

          Второе важное отличие - это расположение элементов отражателя. Они размещаются не на обычном расстоянии 3/8 λ, а на расстоянии чуть более 1/2 λ ниже ведомых элементов. Такое размещение помогает «подтянуть» основные лепестки к горизонту вместо того, чтобы «подталкивать» их кверху, как в оригинальной конструкции взбивания яиц.

          Диаграмма высоты в свободном пространстве (NEC4Win) ясно показывают улучшение новой конструкции по сравнению с «оригинальной» взбивалкой. Обратите внимание, что усиление почти такое же при 45 градусах, но новая конструкция на 6 дБ лучше при 30 градусах и примерно на 10 дБ лучше при 15 градусах. Также показаны реальные наземные образцы высот.

Original Eggbeater K5OE Eggbeater II
Free
Space
Elevation
Ground
Based
Elevation
@ 35'
(10.5 m)

          Конечно, компромисс заключается в том, что новая антенна показывает -10 дБ непосредственно наверху. Это задумано. Помните, что при уменьшении потерь на трассе спутника получается 6 дБ, а при улучшении округлости сигнала - 3 дБ, когда спутник достигает больших высот. Как часто спутник поднимается выше 75 градусов? Не слишком часто; и продолжительность его пребывания на этой возвышенности очень короток. Короче говоря, вы отказываетесь от очень малого, и теория предсказывает почти постоянный уровень сигнала от 15 градусов до зенита.

Изготовление:

          Используются обычные 1-дюймовые ПВХ-муфты и нержавеющая фурнитура 6-32. Петли сформированы из медного провода #10 AWG (∅2,6 мм) с оставленной изоляцией (я снимаю 10/2 проводки с заземлением для проводов). Петли антенны 70 см имеют ширину 6-3/4 дюйма (17 см) и высоту 8-1/4 дюйма (21 см); отражатели для 70 см имеют длину 13-1/4 дюйма (33,5 см) и расположены на 13" (33 cm) ниже петель.
          2-метровые петли имеют ширину 20 дюймов (51 см) и высоту 24-9/16 дюймов (63 см); 2 метровые отражатели имеют ширину 39-1/2 дюйма (100,5 см) длиной и 39-3/4 дюйма (101 см) ниже ведомых элементов. Я использовал алюминиевый стержень 3/16 дюйма для 2-метровых отражателей. Вы также можете попробовать использовать медную трубку 1/4 дюйма в качестве альтернативы.

          Эти размеры очень точны и будут хорошо работать с проводами #10 (∅2,6 мм) и #12 (∅2,05 мм) (только для 70 см), но вы можете сделать петли немного больше и обрезать дополнительную длину на основе ваших показаний КСВ. Провод #10 (∅2,6 мм) на 2-метровой версии является тонковатым, поэтому использование алюминиевой проволоки #8 (∅3,26 мм) может быть хорошей, хотя и сложной в работе альтернативой. В отличие от оригинальной "взбивалки для яиц", эта новая конструкция обеспечивает почти идеальный КСВ 1,05:1.

Размеры: дюймы Размеры:
сантиметры
70 см
Eggbeater II
2 м
Eggbeater II

          Метод, который я разработал для проверки резонанса контуров, состоит в том, чтобы подавать оба сигнала параллельно, без линии фазирования; подключение питающей линии 50 Ом к обоим контурам. Это обеспечивает хорошее испытание на резонанс без какого-либо скачка импеданса от линии фазирования/задержки. Просто подключите центральный провод коаксиального кабеля к любым двум соседним концам петли, а экран коаксиального кабеля - к двум другим соседним концам петли. Установив отражатели, проверьте КСВ. Если КСВ выше 1,5:1, выполните следующую процедуру:

  • если КСВ лучше на более низкой частоте, сделайте петли немного меньше и повторите тест
  • если КСВ лучше на более высокой частоте, сделайте петли немного больше и повторно проверьте

          Длина рефлектора очень важна, поэтому измеряйте ее точно. Расстояние не так важно, и его можно немного отрегулировать, чтобы получить идеальный КСВ.

          Наконец, установите линию фазирования/задержки. Линии фазирования выполнены из коаксиального кабеля RG-62 (93 Ом, см. Примечания ниже). Соединения коаксиального кабеля с петлями выполняются с помощью кольцевых наконечников и болтов/шайб/гаек 6-32 из нержавеющей стали. См. Эскиз линии фазирования (вид снизу) для соединений с правой круговой поляризацией.

phasing_diagram

          Линия фазирования 70 см имеет длину 5-1/2 дюйма (13,5 см), а линия фазирования 2 метра - длину 16-1/2 дюйма (41,5 см). Обрежьте RG-62 примерно на 2 дюйма (5 см) длиннее указанного размера и оставьте по 1 дюйм (2,5 см) на каждом конце, чтобы снять изоляцию, отогнуть оплетку, зачистить центральный провод и прикрепить кольцевые наконечники.

Стационарная антенна:

          Эта антенна, установленная на высоте 35 футов (10,5 метров), очень хорошо работала во всенаправленной конструкции. На 5 градусах над горизонтом начинают оживать сигналы на FO-20. При 15 градусах они сильные и четкие - без предусилителя и с фидером более 50 футов (15 метров). Сигналы остаются сильными и достигают уровня от 3 до 6 дБ на 90 градусов. Я считаю, что это увеличение связано с улучшением округлости по мере нарастания диаграммы направленности. Сигналы на АО-27 намного сложнее уловить, а горизонтальная поляризация на горизонте - определенное наказание. Я счел необходимым использование предусилителя. Я получил хороший сигнал спутника, когда он поднялась примерно на 15-20 градусов по сравнению с 30-35 градусами на моем оригинальном "взбивателе для яиц". Хотя я не пытался использовать эту антенну для Рacsat.

egg2_sketch.gif

Полевой день:

          Справа приведен пример конструкции для использования в Полевой день. Всего требуется дополнительное оборудование: три 10-дюймовых (3 метра) секции трубы из ПВХ диаметром 1 дюйм и два тройника из ПВХ диаметром 1 дюйм. Я построил эти антенны и храню их в гараже. Они легкие и могут переноситься в горизонтальном положение по одной в каждую руку. 10-дюймовые секции трубы хранятся отдельно и устанавливаются на антенны во дворе.

Размеры для 137 МГц WX Sat

          По просьбе Мигеля - EB5HDT, я увеличил размеры для 137 МГц. Петли должны быть сделаны из проволоки #8 AWG (∅3,26 мм), а отражатели должны быть увеличены до диаметра примерно 1/4 дюйма. Петли будут иметь ширину 54 см и высоту 66,5 см. Отражатели будут иметь длину 107 см и расстояние от точки питания 108 см. Длина RG-62 будет 45 см (плюс 2,5 см на каждом конце). Я получил хорошие отчеты от нескольких изготовителей этой антенны.

Коаксиальный кабель RG-62:

          Этот кабель с сопротивлением 93 Ом не так широко доступен, как RG-8 или 9913F. В крайнем случае, вы можете заменить на 75-омный кабель, например, RG-6, но придется заплатить цену за баланс точки питания и КСВ. Для 2-метрового восходящего канала вы никогда не заметите разницы. Для нисходящей линии связи 70 см это может может быть заметно между оргиналом и заменителем. Я слышал, что на автомобильные стереоантенны используется кабель RG-62, поэтому вы можете обратиться к местному дилеру запчастей (или в WalMart), чтобы узнать, не подойдет ли дешевый заменяющий коаксиальный кабель.

Примечание RA3TOX

          В сети встречается такой метод изготовления кабеля с сопротивлением 100 Ом. Берут два одинаковых отрезка кабеля складывают параллельно и скрепляют через равные промежутки скотчем. Оплетки кабелей в начале и в конце линии замкнуты между собой и никуда не подключены, а центральные проводники образуют симметричную линию с волновым сопротивлением 100 Ом. Кстати, если использовать 75-омный кабель, получим симметричную линию с сопротивлением 150 Ом, а если один кабель имеет сопротивление 75 Ом, а другой — 50 Ом, то имеем линию с сопротивлением 125 Ом. Как будет вести себя симметричеая линия в качестве фазируюшей - надо проверить на практике.

          Другой вариант - использовать витую пару от сетевого кабеля. Она тоже имеет сопротивлением 100 Ом. Для диапазона 430 МГц понадобится отрезок длиной около 13 см.

Материал подготовил RA3TOX.