BY5EA许油车村基地——多波段天线为主的竞赛台设计

BA5CW

一、场地和电磁环境

海盐DX竞赛台的和国内许多竞赛台一样，发展过程比较曲折，尤其是因为场地问题，一次又一次经历挫折：从最初的五金城，主动迁移到杭州湾 秦山核电站附近的海边，被强制关闭后，找到了修戒桥，运行约两年，尚未完成建设，到2021年10月底再次因政策改变拆迁。BG5EHX以其强壮的心理承受能力和极其强烈的目标感，一个多月后找到了现在的王家埭基地，这个地方的电磁环境有可能不如前面的两个，占地面积也比较小，大约是东西120米，南边90米的矩形，共18亩地，但天线并不能完全靠边架设，所以实用东西方向的宽度约为100米，如果不考虑同波段辅助（INBAND），这个场地已经足够大了，但现有的竞赛体系中，如果既没有地理位置优势，也没有地形带来的低仰角优势，再加上电磁环境并不特别好，如果再没有策略上的弥补，可能连国内前三都难以保证，为此需要在设台计划的时候就做足功课，尽量减少弱势面的影响。 事先的粗略测试只能说明海盐周边农村的基本面相似，但是近距离的开关电源和其他电气干扰还是有很大的不同，目前看来王家埭新场地没有原来修戒桥场地好，但详细的电磁环境 还有待于实际上天线后判断，由于时间紧迫，这部分工作没有做到位。

二、主力天线高度高度的确定——35米±5米都可以接受

先考虑最难的40m波段八木天线，这涉及到主塔需要多少高，以上路湾的40m波段天线做参考，如果效果接近就可以了，为此临时设计了一条13米长主梁的4单元全尺寸八木 用于评估，得到在25米、30米、35米和40米高度时的表现：

可见不同高度对于增益影响非常小，前后比没有本质差别，重点在于仰角的选择，随着高度的增大，仰角边际效益减弱，不过从25米升高到30米的得益最大，可以降低4°仰角。对于欧洲和北美，其通联仰角在24°以下，主要集中在20°以下，对日本来讲，各种仰角都有，有的高达40多度，因此着重分析30米-35米之间的高度：

以上路湾的经验，2°以上是正增益，5°以上10dBi就是非常理想的了，王家埭的实际情况是达到10dBi时，30米高是10°，35米高是8°，40米高是7°，5°仰角时的增益分别是5.4dBi、6.7dBi、7.6dBi，在2°仰角时差别不大，大约都是正增益。他们都有一个高仰角分量，但都太高了， 就算对日本也不适合，反而是低仰角分量都还够覆盖大部分JA， 仅考虑JA，最理想的是30米高。综合考虑欧美日，这3个高度值都可取，尤其是40米高度时，和上路湾差距较小，可以达到上路湾对欧洲方向的平均水平， 北美方向无论如何赶不上。如果用35米高度作为折衷也是可以接受的，但是在初步优化天线过程中，好像35米高度对天线优化不利，详细设计时可能需要错开一点高度。 （类似高度的另外一个例子是BY5CD鄞州中学场地，当时是22米楼高+18米塔，使用MOXON天线，40米波段在CW比赛中可以超过1500QSO）

最难的40m波段解决以后，其他波段就没有大问题了，只需要验证仰角和通联对象的匹配，对20m-10m已经超过或接近2波长，一定会出现某些仰角上的增益凹陷， 可用适合的堆叠去解决问题。 由于条件限制，一个塔做到30多米高度还可以努力一下（后续评估假设在33米+3的高度上），其他的塔高将会被限制到20米左右，在后续的场地规划中具体分析。

三、判断场地对INBAND的限制 （以下内容只需要看结果，忽略过于繁琐的论证过程）

首先要确定两付天线之间的隔离度，对于100m间距，大于40m波段的2λ，可以当作远场，远场在空间中传播的强度变化由Friis公式决定：Pr = PtGrGtλ2/16π2r2，公式中，Pr =接收功率；Pt =发射功率；Gr = 接收天线增益(功率比)；Gt =发射天线增益(功率比)；r=到天线的距离。公式在视线所及的无障碍开阔空间中适用。 也就是说，我们需要确认收发天线的隔离度在特定方向上优于功率增益10logPt/Pr + 距离增益（实际上是衰减）20log(λ/4πr)，对于1000W功率和接收机过载（可参考IP3）优于+9dBm（FLEX6000系列）的系统来讲：

实例1：基于王家埭，1000W发射，flex6000的过载电平是+9dBm，天线间距为100米时天线隔离度

换个自由空间的衰减公式验算Lfs］(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)，在不考虑天线增益的情况下，两个点源间距100米距离时在40米、20米、15米、10米波段的衰减大约是29dB、35dB、39dB、41dB，功率比仍为51dB，对应于上述4个波段的天线来讲，需要有22dB、16dB、12dB、10dB的衰减，两者非常接近，原因是表格中的波长取整了（仔细看这两公式实际是一样的，只是一个是波长一个是用频率代替波长以及4π换算出来的系数便于计算而已，白验算了）。

实例2：基于100w场景下需要的天线间距

实例2显示在低功率系统中，INBAND是比较容易解决的，把接收机过载能力降低到大多数电台能达到的+0dBm，以常见的普通6米主梁15米波段天线 在高度不足的情况下的方向图为例（10米和20米波段也类似），天线背后半球都是-11dBi以下增益，算出了间隔30米的两付平行放置的天线除发射频点 附近频率外完全不会有干扰，对于10米波段只需要20米间距，对于20米波段需要40米间距，而对于40m波段表格上显示了80米间距，大致就是2个波长的间距。但一般小型竞赛台的40米天线的 很少能达到实例2的要求（后半球-11dB），可能需要放宽到100米。这只是一个粗略的估算，实际情况有可能更乐观一些，因为计算的是天线的最大增益辐射 仰角的数据，实际上这个角度不会是0°，所以对附近的天线的影响会更小。

BY5EA王家埭场地最可能出现的应用场景（同时对欧洲或同时对北美，都是偏离正北40°左右）

对于高功率系统来讲就比较麻烦了，BY5EA受场地限制100米间距无法改变，粗略计算肯定满足不了要求，所需的隔离度已经在实例1中显示，进而逐个波段检验实际天线 隔离度是否满足要求，分别计算了各波段在100米间距时主天线和INBAND天线间的隔离度：

单波段竞赛台天线、天线间距100m、较好的接收机抗过载能力、高功率时INBAND隔离度计算

以上计算数据表明，无论哪个波段，单波段八木天线完全平行使用的话，各波段都可以顺利完成INBAND任务，但这种状态在实际布置时是受到很大限制的，要兼顾欧美的话，需要4个塔4付天线， 即使不考虑投入过高因素， 场地展开也成问题。实际情况是20m以上的高波段，如果两付天线东西方向排开，至少可以在北±0-30°角范围内确保INBAND， 真实使用场景却会在30-60°之间调整， 此时隔离度略差一点，有没有干扰，干扰影响程度就不好说了，必要的时候，主天线和INBAND天线的角度配合就很有讲究 ，如果退一步，牺牲点接收增益，把FLEXRAIDO的-8dB衰减加上，那肯定是可以用的。

最后看40m波段，评估时已用了4单元13米主梁天线， 如果不能完全平行，那只有尽量都偏正北应用，此时再加机内8个dB的衰减，大约可以在正北±20°范围内使用INBAND。如果还不行，那就需要主叫和INBAND天线互相背离，这对INBAND工作过于苛刻。 计算表明正常情况下（30°-60°范围内旋转）隔离度余量相差太远，必须通过有意识地优化设计天线方向图以 尽量减少干扰。下图是一个初步优化设计的40米三单元八木，使用这样的方向图控制后，在北偏+40°或-40°的通用角度上，其收发隔离度为15.8dB，加上40米波段铁定可以使用的8dB机内衰减， 约有3dB的INBAND隔离余量。

由于40米波段存在困难，特意优化了一条36米高度，13米主梁的三单元天线，略微牺牲增益改善后部形状

如果进一步把主叫天线（假设是左边这条）移动到北偏西47°的位置，此时后瓣中有一个-31dB的低谷，隔离度又增加了10dB，不用衰减都可以工作，总体来讲通过在35°到55°范围内旋转，可以找到一个比较舒适的位置。因此， 还要对36米高度下这条天线做详细优化（因为用于评估的天线在波段两头并没有很好地达到所需形状），具体制作时也应该尽量达成设计指标。

四、 主攻MS和M2，适合MM比赛的天线和场地规划

根据MS的需要，可以设置一个主叫台和一个主叫的辅助台（INBAND）,一个系数台和一个系数辅助台（另一个INBAND）。最复杂的MS台会做成一个主叫台+两个主叫辅助台，以及一个系数台+两个系数辅助台，总共有6个台。

以M2的需求来看，设置两个主叫台和两个辅助台（INBAND），从硬件上看实际上和MS是一样的，只是把第二个主叫台看成不受限制的系数台，当然大多数M2规则还允许每小时有限次数的切换波段，这样可以使我们工作在第三个甚至是第四个波段，这件事情可以由辅助台自己去完成，为了进一步提高效率，的确还可以设置另外两个台，当然他们也需要和“母台”是互锁的。这使得M2用到了6部电台，不过以目前的操作来看，辅助台（INBAND）并不会满负荷工作，所以这第三和第四个台的设置意义不太大。

终极需求是MM组比赛，理论上需要六个主叫台和六个辅助台，有不少超级大台的确是这样干的，但实际上除了灰线时段有短暂的6个波段全部开通的时机，其他时候一般也就3-4个波段能同时开通，白天大约是10-15-20三个波段（低波段白天也是有近距离开通的，但是得益不大，可以不予考虑），晚上有20-40-80-160四个波段有很长时间的重叠（传播好的时候10米和15米也会持续到很晚），基于这样的考虑，其实4个台就能作最简单的MM比赛了，如果设置了6个台的话，在最忙的时候他们各自工作在自己的波段，而白天可以3主叫+3辅助形成体系，晚上可以组成4主叫+2辅助体系，因为80米和160米的INBAND辅助对天线要求过高，基本上是不需要考虑的。

由此看来，设置6个电台，就可以完成上述所有需求，即使是参加MM组，基本上也很少妥协，前提是每个时刻6个波段都能独立工作，而且10m-40m波段需要有INBAND辅助天线，INBAND天线也需要能各波段同时工作，在160m和80m波段MM组肯定放弃了INBAND，而在M2和MS时仍有可能通过收发天线分开的做法（需要临时拉开距离架设接收天线），是用6600完成INBAND。

王家埭竞赛基地的场地和天线初步规划，有一些辅助天线的位置需要根据计算确定

基于上述需求，规划了一套由两个塔分别担任10m-40m主叫和INBAND任务，80m和160m两套低波段天线组成的最小体系，通常这样的天线体系只能完成简单MS和M2比赛，但通过滤波器和三工器的应用，在两个间隔100米的塔上架设两套10-15-20三波段八木+40m单波段天线，能够实现任意时刻在每个波段上都能有两付可同时工作的天线，为了让低波段有更好的接收效果，用一副8circle有源阵列天线构成低波段接收体系，也为了解决同一时刻快速切换方向或接近各波段通联方向不一致时的需求，在场地北面增加一个塔使用40m-10m四波段八木针对非主攻方向，如果安装了WARC波段的天线，还可以解决非比赛时候的DX需求。上图中：三角形的是塔，蓝色线条为拉纤，旗帜标记是直立天线，红色线条为地网，黄色圆圈部分是8circle接收阵列区域。

在规划中还需要解决如下问题（每一项都有挑战性）：

• 两付10-15-20三波段八木能否在方向图上满足第三节中INBAND的需要？

• 设计一套由80mGP和75mGP组成的阵列，通过简单切换，暨满足CW和SSB的频率需要，又顺便产生了一定的方向性增益。

• 在160mGP不能做到全尺寸（考虑用小塔套管子达到20多米高度）的前提下，能否利用10米或15m单波段八木兼做电容帽？

• 8circle尚未经过实战，仍然需要测试和探索使用。

五、相应的硬件配置和连接计划

MS和M2的硬件连接示意图

根据第四节的规划，设计了一套包括天线、室内硬件和操作电脑的配置，上图是MS和M2时的连接图，备用的部分也是为MM预留的，理论上上述连接也支持2个操作员同时进行单人全波段比赛，尤其是单人低功率应该是十分顺畅的，当然也支持更多操作员同时进行单波段比赛，实际上的连接还应包括互锁、电源和电气、远程切换等一系列考虑，但如果都表达到一张图上，会显得特别复杂。当切换到MM组比赛时，并不需要增加硬件，只是连接上稍微改变一下即可，如下图所示：

MM的硬件连接示意图

上述硬件连接示意图需要用到8台电脑、15付天线、6台功放、6部电台、还有一堆滤波器和天线切换分配等部件，这大概是计划中的极大值，允许在MS和M2应用中每组三个同波段辅助 （INBAND）互锁操作，实际上有两个同波段辅助已经够好了，这时候最少2台6600就可以胜任。即使是MM组，也支持20m和40m全时同波段辅助 （INBAND），而10/80和15/160两组可以分别在白天和晚上实现I同波段辅助（INBAND）互锁，只有局部时间因开足6个波段而无法同波段辅助 （INBAND），建设过程中可能有一半完成后就已经可以有很不错的体验了。