Упрощение турникета прямоугольной спутниковой антенны Moxon с фиксированным положением
LB Cebik, W4RNL (SK)
http://on5au.be/content/a10/vhf/ms2.html
Недавно я представил некоторую информацию о создании прямоугольных антенн Moxon с турникетами для использования в качестве стационарных любительских спутниковых антенн. Основная статья появилась в QST (август 2001 г.), стр. 38–41, с некоторой дополнительной информацией в колонке «Техническая корреспонденция» QST , октябрь 2001 г., стр. 78–79. При чтении следующих заметок я рекомендую эти статьи в качестве фона.Основной принцип поворотных прямоугольников Moxon показан на рис.1 . Две антенны расположены под прямым углом друг к другу, а точки питания разделены. (Центры отражателей могут соприкасаться или разделены. Никаких изменений характеристик между двумя вариантами не обнаружено.)
Основная фидерная линия подключается к одному прямоугольному приводу. От этих элементов фазовая линия 1/4 wl, состоящая из линии передачи, проходит от питаемого драйвера ко второму драйверу. Фазовая линия должна иметь характеристический импеданс (Zo), который совпадает с естественным резонансным импедансом точки питания одиночного прямоугольника при независимом использовании. Прямоугольники, использованные в первоначальных разработках, были версиями с сопротивлением 50 Ом, что требовало фазовой линии 50 Ом между драйверами.
Полученное условие называется квадратурой. То есть каждый прямоугольник получает одинаковый уровень мощности или величину тока. Однако две точки питания показывают текущий фазовый угол 90 градусов в идеальных условиях. Поскольку прямоугольники Moxon имеют такую широкую ширину луча -3 дБ, когда мы направляем поворотную решетку прямо вверх, мы получаем почти идеальный круг, если мы берем азимутальную диаграмму. Кроме того, на диаграмме возвышения виден очень широкий и гладкий купол излучения с шириной луча более 100 градусов. Точная ширина луча -3 дБ частично зависит от высоты антенны над поверхностью земли. Высота до 2 Вт обеспечивает плавное освещение неба примерно с 30 градусов над горизонтом в любом направлении. Горизонтальные и вертикальные компоненты узора почти равны,
Одним из ограничений спутниковых Moxon является необходимость в соответствующей секции между основным фидером и выводами элемента. Импеданс точки питания идеально фазированной антенны турникета любого типа составляет половину полного сопротивления отдельных резонансных антенн при независимой установке. Моксоны с сопротивлением 50 Ом дают импеданс точки питания 25 Ом.
Решение, использованное в оригинальных статьях, заключалось в использовании согласующей секции на 35–37 Ом 1/4 Вт для увеличения импеданса с 25 до 50 Ом. Эта система хорошо работает, если ее тщательно сконструировать. Изначально я использовал 75-омный видеокабель диаметром около 0,15 дюйма (вместе с еще более тонким 50-омным кабелем RG-174 для фазовой линии). Тонкий 75-омный кабель обычно не продается в любительских розетках, хотя У Wireman (в Южной Каролине) есть запас. Тонкие кабели упростили физическое расположение кабелей вокруг точки питания, поскольку они позволяют использовать короткие соединительные провода и легко манипулировать ими, чтобы держать их отдельно. Кабели RG-58 и RG-59, особенно для антенны 435,6 МГц. Действительно, там, где тонкие кабели недоступны, Я предложил использовать одиночный прямоугольник Moxon, напрямую подключенный к 50-омному кабелю. Ширина луча от краев антенны не такая широкая, но общие характеристики могут быть лучше, чем у УВЧ-версии антенны, к которой прикреплены пучки кабеля.
Секция согласования состоит из двух секций кабеля 1/4 ширины, соединенных параллельно, то есть их оплетки соединены вместе, а их центральные проводники соединены вместе на каждом конце линии. Я рекомендовал, чтобы эти секции были соединены с длиной основного фидера, чтобы избежать ошибок, вызванных использованием кабельных соединителей. Разъемы BNC были бы удовлетворительными, но разъемы UHF в этом приложении были бы металлическим излишеством.
Альтернативный метод восстановления импеданса точки питания Moxon мог бы заключаться в использовании гибридного ответвителя-делителя мощности базовой конструкции, показанной на рисунке 2 .
Для данного приложения Zb на эскизе будет линией с сопротивлением 50 Ом, а Za на эскизе будет линией с сопротивлением 35 Ом. На расчетной частоте гибридный ответвитель обеспечивает желаемое равенство импедансов на 4 углах, один из которых не используется. Гибридный ответвитель обеспечивает требуемый импеданс основной точки питания 50 Ом на клемме 1. Ток на клемме 2, неиспользуемом входном порте, пренебрежимо мал, то есть более чем на порядок меньше, чем ток в основной точке питания. В этой модели используются линии без потерь, хотя длина линий предполагает, что потери не будут искажать больше, чем небольшое вертикальное разделение прямоугольников Moxon, образующих решетку турникета.
Гибридная соединительная система не дает никаких преимуществ по сравнению с более простой системой, использованной в исходных моделях, но дает еще две длины линии. См . Рис.3 .
Когда мы эксплуатируем турникет не на расчетной частоте, почти круглые узоры начинают сильно искажать азимут. На рис. 3 показаны базовая и гибридная системы связи на частоте 144 МГц. Нет существенной разницы в степени искажения, хотя направление основных лепестков в двух схемах меняется на противоположное. Следовательно, схема гибридной пары не предлагает ничего, кроме дополнительной сложности для спутниковых массивов.
Однако это упражнение является напоминанием о том, что турникетные решетки требуют тщательной сборки, чтобы в итоге мы получили две практически идентичные антенны, каждая из которых резонирует на расчетной частоте. Достижение квадратуры требует равных величин тока на двух элементах с максимально точным фазовым сдвигом на 90 градусов, который мы можем получить. Существенные искажения, как показано на рис. 3, начинают появляться при сдвиге частоты менее 1,5% от проектной частоты, и состояние ухудшается с добавлением сдвигов частоты, независимо от того, возникли ли они из-за работы массива с пониженной частотой или из-за несоблюдения должной осторожности. чтобы гарантировать, что все компоненты массива находятся в пределах 1% от их идеальных размеров. Следовательно, неразумно менять материалы без тщательной переделки конструкции с учетом измененных электрических свойств.
В исходной статье я предлагал использовать элементы диаметром 3/16 дюйма (0,1875 дюйма) для массива 145,9 МГц и медный провод AWG # 12 (диаметр 0,0808 дюйма) для массива 435,6 МГц. Эти рекомендации привели к следующему Таблица размеров, привязанная к рис. 4 , представляет собой общий контур прямоугольника Moxon, который используется в большинстве примечаний к антенне.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размеры прямоугольников Moxon для спутникового использования . Буквенные обозначения см. На рис. 4. Все размеры в дюймах. Размер 145,9 МГц: 3/16 дюйма 435,6 МГц: AWG # 12 A 29,05 9,72 B 3,81 1,25 C 1,40 0,49 D 5,59 1,88 E (B + C + D) 10,80 3,62 1/4 Длина волны 20,22 6,77 0,66 Фаза VF и линии согласования 13,35 4,47 Размеры для прямоугольников Moxon 145,9 и 435,6 МГц. Для каждой антенны требуется по две . Фазовая линия представляет собой коаксиальный кабель с сопротивлением 50 Ом, а линия согласования представляет собой параллельные участки коаксиального кабеля с сопротивлением 75 Ом. Низкие силовые кабели менее 0,15" в наружном диаметре были использованы в прототипах. .................................. ,,,,. В связи с многочисленными запросами на размеры, подходящие для использования других материалов для 2-метровой версии антенны, я поместил следующую таблицу в дополнительную информацию о массивах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размер Диаметр заготовки для антенны 145,9 МГц 1/8 (0,125) дюйма 3/16 (0,1875) дюйма 1/4 (0,25) дюйма 0,1575 дюйма (4 мм) A 29,122 29,052 29,000 29,082 (739 мм) B 3,930 3,806 3,712 3,861 (98 мм) C 1,285 1,398 1,484 1,348 (34 мм) D 5,580 5,594 5,604 5,588 (142 мм) E 10,794 10,798 10,800 10,796 (274 мм) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Поскольку существует значительный интерес к адаптации массива для использования на частоте 137 МГц, я также предоставил размеры для этой частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размер Диаметр заготовки для антенны 137 МГц 1/8 (0,125) "3/16 (0,1875)" 1/4 (0,25) "0,1575" (4 мм) A 31,025 30,951 30,896 30,983 (787 мм) B 4,204 4,074 3,975 4,137 (105 мм) C 1,350 1,469 1,560 1,417 (36 мм) D 5,940 5,955 5,966 5,949 (151 мм) E 11,494 11,499 11,501 11,497 (292 мм) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Никаких дополнительных размеров для версии 435,6 МГц не предусмотрено, так как провод AWG # 12 очень распространен в США. Прежде чем закрывать это примечание, мы рассмотрим дальнейшие методы строительства УВЧ.
Примечания к настоящему моменту суммируют состояние прямоугольных турникетов Moxon для спутникового использования на данный момент. Однако название этих заметок подразумевает упрощенную сборку, и к этому мы вернемся в следующий раз.
Упрощение массивов - немного
Прямоугольные конструкции Moxon, использовавшиеся в исходных массивах, заимствованы из ныне стандартных конструкций, первоначально разработанных для использования в HF и VHF. В конструкциях получено прямое питание 50 Ом. Однако можно спроектировать прямоугольник Moxon практически для любого импеданса точки питания, значительно превышающего 100 Ом, в этот момент массив становится более квадратным, напоминая квадратный массив VK2ABQ, на основе которого G6XN первоначально разработал свою прямоугольную версию. Кроме того, также можно оптимизировать серию моделей с использованием ступенчатых диаметров проволоки и на основе этих моделей и некоторого регрессионного анализа для разработки главной модели по уравнениям, которая требует только диаметр элемента и расчетную частоту для создания выходных моделей. с точностью от 3 до 500 МГц. На рис. 5 показана страница уравнения NEC-Win Plus для 50-омной версии эталонной модели. Уравнения также могут применяться независимо к электронной таблице, хотя размещение их в электронной таблице модели за уравнением позволяет мгновенно NEC-2 анализировать полученные размеры.
Теперь упрощение. Хотя фазовая линия должна присутствовать в антенне турникета (любого типа), мы можем исключить секцию согласования, если спроектируем прямоугольники Moxon с внутренним резонансным импедансом точки питания около 93 Ом. В этих условиях мы можем использовать RG-62 (Zo: 93 Ом; коэффициент скорости: 0,84) в качестве фазовой линии. Результирующий импеданс точки питания системы будет близок к 50 Ом (46,5 Ом), и мы можем пропустить секцию согласования.
Чтобы разрешить такую конструкторскую работу, я создал серию оптимизированных моделей с импедансом точки питания от 90 до 95 Ом и провел для них стандартный регрессионный анализ. Все оптимизированные модели максимизировали 180-градусное соотношение передней и задней части при резонансе, определяемое реактивным сопротивлением менее 1 Ом. Как и в случае с эталонной моделью с сопротивлением 50 Ом, уравнений третьего порядка оказалось достаточно для размеров от a до C, в то время как уравнения второго порядка достаточно для D, который изменяется медленно. Результатом стала эталонная модель, страница с уравнениями которой представлена на рис. 6 .
Диапазон диаметров проволоки, разрешенный обеими главными моделями, составляет от 1E-5 wl до 1E-2 wl. Диаметр 1E-5 меньше, чем кто-либо когда-либо будет использовать, в то время как 1E-2 толще, чем можно будет использовать, даже на УВЧ. Таким образом, тот факт, что импеданс идеальной модели провода падает до 89,8 Ом для самого тонкого провода на частоте 30 МГц и повышается до 100,2 Ом для самого толстого идеального провода, не представляет проблемы с проектированием.
В следующих таблицах воспроизводятся таблицы для более низкого импеданса Moxon, представленные ранее, но с расчетным значением импеданса точки питания 90-95 Ом.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размеры прямоугольных прямоугольников Moxon с сопротивлением 93 Ом для использования со спутниками . Буквенные обозначения см. На рис. 4. Все размеры в дюймах. Размер 145,9 МГц: 3/16 дюйма 435,6 МГц: AWG # 12 A 24,77 8,28 B 6,74 2,24 C 3,00 1,04 D 7,97 2,67 E (B + C + D) 17,71 5,95 1/4 Длина волны 20,22 6,77 0,84 Фазовая линия VF 16,99 5,69 Размеры для прямоугольников Moxon 145,9 и 435,6 МГц. Для каждой антенны требуется по две . Фазовая линия - коаксиальный кабель с сопротивлением 93 Ом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размер Диаметр заготовки для антенны 145,9 МГц 1/8 (0,125) 3/16 (0,1875) дюйма 1/4 (0,25) дюйма 0,1575 дюйма (4 мм) A 24,84 24,77 24,72 24,80 (630 мм) B 6,80 6,74 6,69 6,77 (172 мм) C 2,84 3,00 3,12 2,93 (74 мм) D 7,96 7,97 7,98 7,96 (202 мм) E 17,60 10,71 17,79 17,66 (448 мм) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Размер Диаметр заготовки для антенны 137 МГц 1/8 (0,125) "3/16 (0,1875)" 1/4 (0,25) "0,1575" (4 мм) A 26,46 26,39 26,34 26,42 (671 мм) B 7,26 7,19 7,14 7,22 (183 мм) C 2,99 3,16 3,30 3,09 (78 мм) D 8,47 8,48 8,49 8,48 (215 мм) E 18,72 18,83 18,93 18,79 (476 мм) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Хотя различия в размерах от одного материала к другому могут показаться небольшими, точность конструкции 1% остается важной целью, если мы хотим получить правильную производительность от массива.
Некоторые вещи должны быть ясны из сравнения таблиц 50 и 93 Ом. Во-первых, новые массивы имеют более квадратную форму или меньшую длину, чем версии с сопротивлением 50 Ом. Во-вторых, размеры зазора больше. Эти два фактора коррелируют в конструкции прямоугольника Moxon для любого желаемого импеданса точки питания. Следовательно, в принципе возможно разработать еще более длинный и узкий прямоугольник Moxon для импеданса точки питания 35 Ом или более квадратную модель для импеданса 125 Ом.
Изменение формы прямоугольника Moxon для достижения желаемого импеданса точки питания также изменяет усиление и ширину луча -3 дБ для решетки. Максимально достижимое соотношение передней и задней части существенно не меняется при разумном наборе форм. Чем квадратнее массив, тем длиннее хвосты элементов, обращенные друг к другу, и тем короче параллельные части элементов. Следовательно, по мере того, как мы делаем массив более квадратным, коэффициент усиления падает, а ширина луча увеличивается.
На рис. 7 сравнивается диаграмма возвышения 2-метровой антенной решетки Moxon с сопротивлением 50 Ом и антенной решетки с сопротивлением 93 Ом, обе на высоте 1 м над землей на частоте 145,9 МГц. Новый массив показывает примерно на 0,5 дБ меньшее усиление, но увеличивает ширину луча примерно на 5 градусов. Ни одно из изменений не должно существенно повлиять на практическую работу, поскольку в среднем заднем дворе больше промежуточных переменных, чем между версиями массива.
Тем не менее, прямоугольники Moxon с более высоким импедансом позволяют упростить конструкцию, используя только фазовую линию 93 Ом и ведущую линию питания 50 Ом, без требуемой секции согласования.
Зачем упрощать?
Упрощение решеток путем исключения секции согласования, вероятно, принесет мало преимуществ на частотах 137 МГц и 145,9 МГц. Однако несколько стесненные четверти проводного массива 435,6 МГц могут упростить общую конструкцию и более надежное воспроизведение прототипов. Устранение параллельных участков линии и стыков устраняет более одной точки потенциальной ошибки конструкции из процесса. Упрощение также должно облегчить задачу создания массивов для УВЧ и выше, особенно если такие массивы следуют рекомендациям по созданию полос фольги на стекловолокне или другой подходящей подложке. Как я уже отмечал ранее, создание таких антенн требует значительных материаловедческих и экспериментальных работ. Первым шагом является сопоставление элементов полосы с смоделированными размерами круглой проволоки. Вероятно, что требуемые зазоры будут по-новому соотноситься с размерами длины элемента, поскольку конечная емкость ленты значительно отличается от емкости круглого провода.
Однако использование полосовой конструкции на подложке также позволяет протравить фазовую линию на одной из двух блокировочных плат, образующих решетку турникета. Ключевым элементом здесь, вероятно, будет нахождение фактора скорости, создаваемого подложкой, разделяющей полосы фазовых линий в процессе двустороннего травления.
Твердые доски, конечно же, создают ветрозащитную ситуацию. Следовательно, очень маленькие версии массива UHF и выше могли иметь неиспользуемые участки доски, обрезанные, чтобы ускользнуть от ветра. В качестве альтернативы мы можем накрыть антенну прозрачным радиочастотным куполом. Поликарбонат должен работать на частотах до нескольких сотен МГц.
Прямоугольная решетка турникета Moxon предлагает ряд интересных дополнительных применений, особенно для передачи и приема авиационных сигналов. По мере того, как мы перемещаем некоторые службы, ранее работавшие в диапазоне ОВЧ, вверх в сторону диапазона ГГц, массивы с травяными платами могут стать очень практичными. Система применима везде, где нам нужен купол излучения или прием без нулей. Следующие возможности кажутся особенно подходящими:
Связь между аэропортами и авиалиниями
Данные и другие сигналы идентификации или позиционирования, где вертикальный ноль нежелателен.
Связь с самолетов.
Последнее приложение особенно интересно, поскольку спутниковую решетку нужно только перевернуть и установить под самолетом, чтобы обеспечить зону покрытия относительно наземной связи и других точек сигнала. Массив исключает любое обнуление сигналов "над станцией" - при условии, что антенна станции сама по себе не имеет вертикального нуля. Высокое соотношение передней и задней части антенны должно сделать сам самолет относительно невидимым для антенны, и даже большая конструкция крыла должна обеспечивать минимальное изменение формы диаграммы направленности или всенаправленности. для некоторых современных самолетов с непроводящей поверхностной «обшивкой» антенна может быть полностью установлена в пределах поверхности самолета. Для более медленных самолетов небольшой купол на нижней стороне фюзеляжа должен обеспечивать хорошее обслуживание.
Упрощенный прямоугольник Moxon с сопротивлением 93 Ом в качестве основы для поворотных решеток должен облегчить разработку таких систем. В самом деле, можно даже протравить платы взаимосвязанной антенны как на фазовой линии, так и на главном фиде, используя только один соединитель, установленный на плате коаксиальной линии, прямо перед отражателем. В самом деле, вполне вероятно, что отражатели могут быть соединены вместе в центре и подключены к главной шине заземления бортовой системы, что обеспечит хорошую защиту от молнии и других повреждений от разряда.
В конечном итоге прямоугольники Moxon с поворотной застежкой обладают немалым неиспользованным потенциалом. Действительно, каждый раз, когда я думаю, что массив исчерпал весь спектр возможностей и нуждается в отдыхе, я сталкиваюсь с новым потенциалом, который заставляет меня снова работать. Однажды я описал прямоугольник Moxon как «нишевую» антенну. Однако теперь выясняется, что массив может выгодно занять немало ниш, а то и целую полку в антенном магазине.
Онлайн-калькулятор для определения размеров прямоугольника Moxon на 93 Ом Ниже представлена версия калькулятора размеров Moxon, которую вы можете использовать прямо на этой странице, благодаря Джо Фаберу, KG4UHP, который создал JAVAScript и дал мне разрешение разместить его здесь. Помните, что размеры относятся к прямоугольникам Moxon, для которых используется материал одинакового диаметра. Определитесь с расчетной периодичностью и диаметром элементов. Вы можете использовать дюймы или миллиметры для диаметра или можете выбрать калибр проволоки AWG. Обязательно выберите единицу измерения для вывода. Затем щелкните любое поле вывода, если расчеты еще не появились.
Калькулятор размеров прямоугольника Moxon
Moxon Rectangle Dimension Calculator
