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BA5CW天线设计历程——160m天线

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160m波段分析

160m波段的硬件思路基本上和80m是一样的,按理说160m是更难的波段,应该选择更好的硬件,但由于天线尺寸 、场地限制,很难做得比80m好,大多数人包括竞赛台在内都面临这个问题,160m上通联条件都差,QSO数量也少很多,因此对竞赛的得分影响偏小,除非是在很严肃的多人多机比赛中,我们一般的目的是尽量少丢点系数,它的重要性比40m和80m低。

目前的太阳活动周期(2020年处于低谷)注定了我们必须重视低波段,如果是多人单机组,需要至少保证40m是强的,否则整晚的QSO效率会很低,如果是多人双机,那80m也不能差,否则第二个主叫台将形同虚设,160m在上述两种组别里,都不会是主要的QSO来源,但 参加类似CQWW规则的比赛对系数有影响,做好了可以增加30-60个系数,这也是非常可观的。


先评估一下160米波段发射天线的形式,还是回到“BA5CW天线设计历程——80m天线”这篇中费老大劲想搞明白的问题 :

  • 回顾以前学习得到的一般共识:
    • 在大多数环境下,如果水平DP或者倒VDP类的天线不能架设超过四分之一波长高度,一定不如直立类天线DX(假设是3000公里以上的通联)效果好,有条件 增加水平天线的架设高度,直立天线无论什么情况下都不是最优选择;
    • 除非一种情况,就是地面的电导率特别高,比如海水、盐度很高的地面 ,应优先考虑GP类。
  • 难点在于讨论如果只能在小于四分之一波长的高度架设水平类,例如在上路湾山上有没有可能超过直立天线。 基于之前80m波段的思路整理(GP天线无论架设高度如何,最多在局部仰角增加3dB增益),只 需用HFTA评估上路湾使用DP天线在可行的架设高度上能否超过平地上GP(160m上可能用倒L)的最大可能增益,也就是以地面上的四分之一高度架设的水平DP天线为基准,如果可以超过,就采用DP,否则就回到倒L方案。
  • 关于其他可能的天线形式变种,可以参考我的网页:CQ160比赛和160m天线介绍 ,本质上是大同小异的。

HFTA分析对比——上路湾该选哪种天线:

本以为经过80米的思路整理,到160m就简单了,当我计算完上面的数据,又一次陷入纠结之中。按常规分析了DP天线在上路湾欧美两个方向地形下,分别架设25米22米18米12米高,根据欧洲 (左下图)、北美(右上图)、日本(左上图)的通联需求,选出了一个22米的高度,再放到右下角图上,更直观地把欧洲北美地形和地面上架设相比,以事先设定的标准——对比GP天线在平地的效果来看,结果北美方向是22米高的DP显著地好,而欧洲方向则是DP明显不如GP(这里缺一张GP的增益图,参考上一篇80米波段分析:GP至少会有1dBi的增益,个别角度能达到4dBi,右下角代表欧洲方向红色曲线位于14°仰角时峰值增益不到1dBi,其他角度更是惨不忍睹),这真是个奇葩的地形,看起来最好是两种天线都架,如果只能二选一,那还是选GP类吧。

抱歉,理工男的描述仍然晦涩难懂,只能用一个结论来总结上述分析,如果有适当的地形支持,架设高度低至八分之一波长的水平天线效果都有可能大幅度超过GP的表现,但是很难凭空想象出来,如果没有分析能力,这样的高度还是使用GP类天线比较可靠。


上面所谈到的上路湾奇葩地形,并不具有普遍性,而下面简单谈一下DP和GP常规环境下的具体选型:

1 Dipole类天线的选项——如果有高度选倒V还是水平DP

DP天线几乎是最简单有效的天线类型了,为了方便一般会架设成倒V方式,尤其是160m波段的天线,把长达40米的线拉水平了不太容易,上图对比了22米高度下水平和倒V架设的差别,图中黑色线条是作为基准的水平DP,红色线条是同高度的倒V天线,他们的差别很微小,说明如果高度不够,它们都趋向于弱方向性,然而如果像上图绿色曲线那样,把天线升高到100m,倒V天线也呈现出明显的8字形方向,而且从右边的垂直远场图看,高度压低了仰角,10°-40°仰角的增益可达5-8.57dBi,对比下 图的倒L天线,同样仰角范围100m高的倒V高出倒L天线7-10db,仔细对比后,低于10°的大部分角度仍然是倒v天线好,所以不要一味相信流行的做法,如果你有一个高楼(超过半波长高)可 用于架天线,水平类的比直立类的更有优势,有时候优势还很可观。

2 直立类发射天线的选项——如果高度不足,用全尺寸和缩短GP

实际上大多数人的架设条件做不到这么高,一般会用直立类的天线以保证有较低的辐射仰角(请对比 上面DP类选项图中的22m高度和下图的倒L),包括GP,sloper,倒L,利用铁塔加shunt等方案来做发射天线,其中GP天线的高度会达到36米以上,有人会利用铁塔上的高波段天线等效顶部加感,也可以采用中部或底部加感的方式缩短,把直立部分不够高的部分水平或向下拉开也是一个常见的办法,这就是倒L天线,也可以变形为伞形的拉线来实现,本质上他们都很像是顶部加感,效率要比底部和中部加感高,直立部分的高度对天线的实部阻抗影响较大,通常加感缩短后阻抗变低,需要做阻抗变换,为了保证一定的实部阻抗,主体不应过分缩短,否则影响辐射效率,下面给出两种可行的直立高度计算结果:

通常来讲直立部分做到27米高是比较适中的,可以利用2:1变压器把25欧姆变换成50欧姆阻抗,我这里给出的是22米和15米两种高度,22米我认为勉强能用2:1变压器去实现,以及15米高是用4:1变压器可以实现的方案,他们相对于全尺寸的损失不算太多。值得注意的是直立类的天线很依赖于地网,地网阻抗高会引起射频电流分流,本可以辐射出去的能量被这个“接地电阻”消耗掉了,这甚至比直立部分的高度重要得多,要做到比较好的效果,128条或者64条散开的地网是很流行的做法,如果采用架空地网,2-4条地网也能接近这个结果,我的计算中采用的是4条架空地网。

爱好者可以根据自己的实际情况去选择天线,比如说住在高楼上的朋友,横向拉开做dp有困难的话,可以向楼下斜拉一根sloper形式的天线,相当于顶部馈电的直立,当然馈电点的接地也是重要的,可以接到大楼的地上,也可以按照模拟地网以改善射频地的效果。在野外临时做160m比赛,可以考虑用气球或风筝等效架设全尺寸GP。条件更好的可以考虑4SQUARE,40米*40米的场地在野外并不难找,2015年在惠州的木兰围场年会中,有过使用160m 4SQUARE参加CQ160比赛的体验,实测效果还是非常好的。


低波段接收天线很重要,在40m波段天线的分析中,我们提到了接收天线的应用,重点探讨了8 CIRCLE天线的神奇,到80m和160m波段,接收天线已经不可或缺,考虑到大多数人有这样那样的条件限制,因此对常见接收天线做一个简单介绍和对比:

常见天线的方向性系数对比图

找了一些常见的接收天线,画一张直观的天线方向系数(RDF=最大增益/平均增益)对比图 ,划分了几条分界线:

  • 红线以上的天线效果不如四分之一高水平DP天线,所不太考虑,只有用直立天线做发射时,可以考虑用小环天线做补充

  • 红线到黄线之间的天线是相对容易实现的接收天线,在发射天线比4SQ或2单元八木差时可以考虑,不过按照以前的使用经验,FLAG,PANNET,K9AY这类天线,其实比发射天线接收效果好得有限,经常听不出实际差别,很容易被理解为没效果,这些天线里可能SAL天线会稍微好点,曾经想在上路湾做实验,但最后没有如愿。

  • 黄线下面这些天线都是高性能的接收天线,他们都可以和多单元八木天线相比比拟 。其中我用过的beverage天线,成功和失败都经历过,太短的没有明显效果;架设必须认真,比如增加模拟地网等措施还是需要的,麻烦的是需要场地太大,在山上找不出一条相对平缓的路径架设,而且至少要EU和NA两条天线。

(在上路湾的条件下,还是下决心用8 CIRCLE,不过从上面的资料来看,数据上没有我在40m接收天线里说的能达到3-5单元八木的水平,12.5db的RDF是在设计波段上的 使用效果,略低于三波段八木,按80米设计降到160m使用后,只能到4SQ的水平,不过在160m波段范畴也算是踏进高性能接收的门槛了。)

1 LOOP类接收天线

行波类接收天线

常见的接收天线主要是loop类和阵列类,只有小型的磁环天线 并不是行波天线,有8字形方向图,和有一定高度的DP类似,其RDF可以补充直立天线的不足,如果噪声来源正好在腰上,有点用。FLAG、PENNAT、K9AY、EWE等天线实质上都是带终端电阻的行波LOOP和他们的变形,有时候变的是形状,有时候变的是省去其中一根回线,用大地来代替。这类天线随着长度的增加,方向性也越来越强,BEVERAGE本质上也是这样的天线,只是它很长,超过2个波长后RDF可以和八木天线比拟,beverage的回线是大地,所以接地一定要好,为了改善接地,可以在馈电端和终端都加上模拟地网。

  • 关于BEVERAGE,单独计算了一张图,表示不同长度的beverage对方向性的影响, 长度低于1波长相对FLAG类的优势都不大,建议使用1.5波长以上.

  • 关于K9AY,可以看我的网页:https://www.qsl.net/ba4alc/chinese/4K9AYphase/combine.html ,如果做成四阵列的K9AY的效果应该是很不错的,2010年在星火农场做过的实验中,当时的阵列移相没完全按上述网页方式做,所以效果打了折扣,但是还是明显比发射天线好。

  • 关于PENNAT可以参考我网页中另一篇:https://www.qsl.net/ba4alc/chinese/BY5CDPENNANT/pennant.html,在BY5CD鄞州中学的比赛中实验过,的确和发射天线差别不大。  

2 阵列类接收天线

各类多单元阵列天线的示意

另一类天线是阵列天线(高大上一点可以称相控阵天线),如上图所示,通过对不同单元(振子)用合适的 幅度和相位馈电,在空间不同方向上能产生叠加和抵消效果,从而产生所需的方向性,最简单的就是两单元垂直阵列,如果到三单元、4单元一字排开,间隔一定距离,其效果可以达或超过相应单元的八木,因为它们的间距大(八木的主梁未必有那么长),通过精确馈电后指向性更强,考虑作为接收天线时,经常用缩短的直立或是有源天线做单元,但振子多了,一字排开的方式馈电 和移相的工程也比较大,且只能满足一个方向或两个方向。如果单元不是一字排开,四个振子的4Square是其中比较典型的应用,因为只要90°移相一次(180°反向比较简单,所以未算),移相相对简单,通过继电器切换还可以实现4-8个方向,所以应用也很普遍,发射和接收都有用此方案 。另外通过前后阵列,左右堆叠的方式也可以把4个特殊排列的矩阵,通过一次移相做到更好的方向性,这就是8 circle的原理。

标准的4square 天线,通常收发都用,也可以作为接收天线的基准,能把接收RDF做得比4SQ好,尽量就采用收发分开

3 混合类接收天线

下图所示的SAL天线,看上去有点像K9AY,但实际上它是阵列类的接收天线,由4个三角形LOOP类似4SQ的馈电来产生方向性,属于LOOP和阵列的部分结合,效果比K9AY略好,但由于间距较小,没有达到像标准阵列那样可以拉开较大的空间相位,很难做到非常大的RDF,有兴趣的朋友可以试试。关于AS SAL天线可以参考:https://www.arraysolutions.com/pdfs/AS-SAL-Manual.pdf  

另一个类似的loop和阵列结合的想法是一个叫WALLER FLAG的接收天线,水平WALLER FLAG看上去像一个四单元的10米八木,也可以垂直应用。实际上是前后两个有一点间距的方框loop组成的阵列,这个天线的争议比较大,通常的认识是水平waller如果有一定高度(比如半波长以上高度),其效果非常好,但在低波段应用时,增益很小,有可能需要加额外的放大器。我自己没有实践过,所以也没有办法发表意见。  

水平waller flag

 

垂直waller flag

从国外资料看,垂直WALLER FLAG,也许是个不错的选择,方向图挺漂亮,仰角也低,而且可以把两个方框变形成三角形之类的DELTA LOOP阵列,架设高度降低后也可以拉开间距,发挥阵列的优势——例如DHDL天线。不过万变不离其宗,掌握了原理后,你也可以做出适合你自己的接收天线。

各种形式的waller flag接收天线

BA5CW 2021-08-24