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BA5CW天线设计历程——40m天线

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40m波段分析

到了40m波段,大家的问题都多起来了, 这是本系列文章的最重点篇幅,不仅是因为40m波段对于赢得比赛的重要性,而且这里涉及的取舍问题,在其他波段条件受限时可以采用同样的思路。首先是高度问题,通常来讲需要做到半波长多一点,和上述的20m情况类似,会有一个 实际施工可接受的结果,第二个问题是噪声成倍增大,需要接收天线吗?第三是天线选型问题,3单元全尺寸已经是很大的天线了,架设会产生困难,尤其是上路湾这种吊车上不了的地方,更加头痛。

1,不同的地方有不同的最小高度

对于这个波段的分析我准备先从高度入手,确定一个最小高度:

为了便于分析,在这个对比中,统一采用简单的DP天线,分别计算其在上路湾欧洲地形下架设高度为12米(湖蓝)、15米(绿)、18米()、20米()的情况,从上图可见,12米/15米和18米/20米间存在一个明显的跳跃,18米和20米则区别不大,因此我继续寻找突变点,发现到16米是跳跃点,因此决定采用16米高度架设 (当然是尽量高比较好,这里是寻找一个降低施工难度的方案),关于这点,我以前也没有想到,1米的差别有这么明显,做高度分析还真的有必要。

2 选择天线的对比考虑

在确定了我们的最小高度之后,就要开始比较各类天线了,曾经计算过好几种类型的40米天线, 从最早的MOXON天线到4单元倒V线八木,后来改成水平4单元线八木,还上过三单元全尺寸的八木,按目前规划,线天线的方案虽然效果已经被证明没问题,但架设和维护工作量实在很大,三单元八木我设计了两付,一副10米主梁,另一幅13米主梁,尤其是13米的性能还是不错的,但是从目前施工能力来讲,3单元全尺寸八木最高只能架设到11、12米,从高度选择分析这段来看,性能下降太多,最终只能选择W6NL的2单元moxon方案,主梁7.3米,整体架设难度低于20米4单元八木,至于能不能到16米,还需要 根据施工能力另外讨论。

从上图来看,三单元(蓝色)和二单元(红色)的差距不算大,尤其是moxon设计,其实际增益和三单元全尺寸是接近的,经过优化平衡,还能用于全波段,这对于固定架设的天 线来讲很重要。顺便说一下另外两个备选方案,一个是高架的dp,当dp高度超过20米后,其实效果一点不比现在的16米高度的八木差,而且我们40米有单独接收方案,从发射考虑,dp或更高一点的倒V天线都是可以采用的,不过山上要搞超过20米的杆子也不那么容易,此方案只能做最后的备选,另一方案是缩短型2单元或3单元八木天线,经过计算,缩短天线的性能带宽和驻波带宽都存在一定问题,增益也比现有moxon方案略低,在考虑发射为主的 应用场景上没有任何可取之处(虽然容易架设,但SSB、CW时要单独调整),因此否决。

3 40m波段欧洲方向各仰角增益对比(天线和原上路湾系列不同,以MOXON为主)

选定了2单元moxon16米高度架设后,接下来就可以做一些常规分析了。40m欧洲方向的通联仰角需要从1°-21°,上图代表上路湾的蓝色曲线,能做到4-10°和14-22°约10dbi,所需的1°增加降为0dbi,这是高度所决定的,目前无法解决,在11°左右也有个低到2dbi的凹陷,和20m北美方向的形状有点像,这和地形有关,应该有一个高度是可以避免的,但这个高度有可能是无法做到的,所 以在此先放一放。要达到同样的效果,平地上需要100米高(绿色),可见对此暂时不能做更高要求了。

4 40m波段北美方向各仰角增益对比(天线和原上路湾系列不同,以MOXON为主)

到了低波段,北美方向的表现虽然和更高的波段比是有遗憾的,但在通联需要覆盖的1-24°范围,大部分区域仍能超过8dbi,好的角度能到13dbi,平均约10dbi,没有高塔的劣势基本上被地势补上了,尤其是1°仰角上还能保持有5dbi的增益,这对低波段来讲非常难得,这效果平地上几乎无法做到(见绿色的平地100米曲线),我们应该感到满意。其实就比赛而言,我们并不是在比较绝对数字的差别,而是相对于其他台的差别,40m只要到达远方的信号,能达到 对方所在地的平均水平(因为包括欧美在内的大多数台,40米以下天线形式和高度都是不够好的,信号未必很强),就能立足摆摊并被扫描到,这是一个重要的转折点,超过这个点,就基本上是够用了。

5 40m波段日本方向各仰角增益对比(天线和原上路湾系列不同,以MOXON为主)

40m的日本方向几乎不需要讨论,天线高度决定了主力天线单独就能覆盖,不需要堆叠,整个曲线(蓝色:上路湾)从4°仰角以后就基本没有遗憾,覆盖日本是小菜。唯一的难点是半夜前后有一段EU和NA重叠的传播,发射天线是兼顾不了两个方向,BJT 2300 前重点做NA,之后重点做EU,其他的困惑靠接收去弥补吧。


6 关于接收天线

到了40m波段,我们不得不讨论接收天线了,40m的噪声本底通常会轻易超过-100dbm,搞不好比-90dbm还差,这时候想提高信噪比,只有提高天线的RDF,所谓方向性系数了,关于这个RDF,它对天线的方向性描述要比 简单看增益和前后比更准确,定义为天线最大增益和所有其他方向增益的平均值的比值,假设噪声来自四面八方,最大增益方向对准信号,RDF的描述已经很接近信噪比的概念了,但由于我采用的软件没有这个参数的输出,我只能凭国外资料的说明和自己肉眼去做这个平均(我们常见的EZNEC软件能计算平均增益 ,2021年注:BG5TOX给我推荐了一个excel计算软件,现在我可以用MMANA的数据估算RDF了)。作为接收天线,我们基本上是不需要考虑增益的, 正如上面说到的40m本底噪音,即便是-20dbi的天线,噪音仍然会被接收机放大太多,我们有时候为了提高动态还要开ATT,完全没有必要在天线增益上动脑筋。低波段的噪音很大部分是来自很远的地方,当然本地城市噪音有可能更大,因此选RDF参数好的天线,尤其是前向波瓣很窄的那种,是很适合的。除非你没有办法架设比发射天线RDF好的接收天线,否则在高噪声的环境下,应该优先考虑接收天线。


 

借用国外ham的图片,可以看出简单发射天线和RDF好的接收天线对信噪比的影响

接下来我们看一下,选用什么样的接收天线,大家可以参考一下这里 https://www.contestuniversity.com/wp-content/uploads/2018/05/6.-W3LPL-Easy-to-Build-Low-Band-Receiving-Antennas-for-small-and-large-lots-2018.pdf,小型接收天线的RDF大约是4-9db,包括小环、小直立、FLAG、K9AY、SAL、2单元的直立阵列、短beverage等等,这些天线是无法和八木天线比的(在后续160m波段分析中会展开说明),如果发射用了两单元八木或4SQ,对接收有帮助的选择不太多,其中长beverage会有效,对40米波段来讲,100-160m长的beverage应该就明显超出发射天线的接收能力了,但是beverage要覆盖很多方向有点难,另外三单元前后一列排开 (endfire)的直立阵列,效果也不错,但方向控制上稍微有点困难。因此我决定采用一个效果能到3-5单元八木RDF水平的接收天线——8 circle(8环阵接收天线),在这篇里天线的重点放在8 circle上:

上图左上方是选定的2单元moxon发射天线,右上方是我专门为40m 更好RDF优化的4SQ天线,下面是我们准备采用的8 circle接收天线,它是主角,所以给出了水平和远场的分布图,如果有条件架设,几乎是低波段的最优选择。可以把它和4单元的20m八木对比一下,方向性也是明显超出的 。因此,我甚至想在20m上也采用这个方案,因为这个天线可以自由切换8个方向,在方向上是基本无缝衔接的,切换速度够快,在我们的竞赛策略里,会安排inband同波段辅助,使用了高性能接收天线之后,就可以省去一副或多副inband天线,对于20m噪声也很大的上路湾来讲,这也是一个很有吸引力的方案。(上路湾应用场景:使用高性能接收天线后,可采用主辅电台用一副发射天线一个功放,主辅任何时候都用接收天线收听, 可以仅用一台flex 6400完成双人inband操作)

8 circle支持兼顾3个倍程的频率使用,在只有一副8 cirlce的时候,按照40m设计, 允许在80和160波段上降低性能使用。在40m 8 circle积累足够的使用经验后,考虑另装80m 8 circle用于80/160m,如果80m和160m同时工作,也可以把40m 8 circle用于80m,而80m 8 circle用于160m,有利于兼顾性能并独立控制方向。

  • 40m上RDF约为3单元八木的接收水平,对前向噪声控制来讲,可以达到5单元八木水平,可以不安装40m辅助发射天线。
  • 80m上RDF约为4SQ和超过2单元八木的接收水平,对前向噪声控制,可以达到3单元八木水平,发射可以只用简单天线。
  • 160m上RDF超过简单接收天线水平, 8 circle即使不是在最优频率上使用,效果仍然可以超过一般接收天线,考虑到160m安装场地过大,今后也没有机会使用专门的160m 8 circle。

8 cirlce是有成品卖的,详情可以参考:“http://static.dxengineering.com/global/images/instructions/dxe-rca8b-sys-4p-rev3.pdf “。 (2021注:在后续的文字里,探讨了自制的可能性BA5CW天线设计历程——有源接收天线)如果单波段使用,可以用简单的缩短设计的直立天线,如果多波段使用,目前比较便捷的解决方案是采用有源接收天线,因为有源天线可以有固定的端口阻抗,8 circle系统全部都是75欧姆设计,而且波瓣形状对阻抗很敏感,采用简单的直立天线做多个阻抗匹配反而很麻烦。有源天线的制作网上有很多参考资料,如果想做更隐蔽点,甚至可以采用MINI WHIP这类小盒子天线(2021年注:经测试MINI WHIP性能不够好,在如此复杂的接收天线体系下应该用更好的天线以充分发挥水平)。天线的移相和方向切换原理很简单,甚至比4SQ的移相简单。

上图中红色的方框表达的是一个方向使用时用到8个天线单元中的4个,其中短边四分之一波长,是辐射方向,前后移相馈电,长边大约是0.6波长,长边左右两个单元是同相馈电,整个圆的直径约为0.65波长,对于40m波长来讲直径约为27米,直径减小问题不大,直径增加旁瓣会放大,我们设计是采用最高频率比较合适,比如按照40m的7.2兆去设计,通常不会有问题。对于80m来讲天线的占地直径约50多米,山上可能有点困难,上到160m波段的100米就没有可能了,所以没有办法安装单独的160m 8 circle,只能用80m或40m波段的8 circle来兼顾使用。

为了便于分析说明,下面给出一个用无源天线的计算实例,大家有兴趣可以自己试算,右下角是不同波段无源天线用的匹配,计算时用哪个波段就代入哪个波段的数据,实际上会用有源接收天线,方向图是一样的。


7 40m 几种可选发射天线的设计数据:

为了使能在16m高度架设,考虑轻量化,上图主方案采用W6NL moxon设计,因为主要是用来发射,两单元天线的带宽是比较难取舍的,优化过程中保证增益为主,驻波比需要保证电子管功放能用,今后详细设计中如果加一点匹配,驻波也是比较理想的,前后比在这个设计上是兼顾项,最后结果也可以接受,相比普通两单元天线来讲还是比较出色的。

上图数据是采用10米主梁的三单元全尺寸设计,综合性能还不错,同样是16米高度增益比两单元moxon高1db,如果降低高度则在上路湾地形上不可取。

增加13米主梁的设计,只是作为一个对比方案,虽然性能上有提高,但是尺寸也大了不少,仅为参考用。这付天线和原来的4单元线八木有得一拼,只差零点几db的增益, 前后比低1-2db,从设计来讲我还是满意的,可惜只是个理想。

BA5CW 2021-08-24